關于科間花粉誘導揭示油菜孤雌生殖發生機制的研究

孤雌生殖是在不需要雄性個體參與的情況下，由雌性個體產生后代的一種特殊生殖方式，在植物中，科學家們關注的焦點一直都是孤雌生殖的發生機制。近年來，研究人員通過科間花粉誘導方法，深入研究其發生機制，發現了油菜中單性繁殖的現象。本文將對油菜單性生殖發生機制的科間花粉誘導進行詳細介紹。

1孤雌生殖的現有研究分析

孤雌生殖是卵細胞不經過受精而形成胚并發育為個體的生殖方式，是有性生殖的一種特殊形式和變態。尤其在作物育種實踐中，孤雌生殖對于純化育種材料、固定雜種優勢、加快育種工作的進程，有著十分重大的意義。第一位對植物孤雌生殖進行研究的人是Jorgensen，他用黃茄花粉給龍葵授粉并取得了結果。自此，人們看到孤雌生殖在育種領域中的潛在價值和誘人前景，并進行了廣泛的研究。我國自20世紀70年代開展孤雌生殖研究以來，已在小麥、水稻、玉米、棉花、油菜等作物上取得了一定的成就。然而，人們普遍感到試驗的誘導頻率較低和重演性差。孤雌生殖是怎樣發生的，受哪些條件的制約？這是一個久攻不克的基礎理論研究課題。

孤雌生殖發生的原因比較復雜，長期以來，一些學者提出了各種推測。如Chase提出的“卵細胞分裂假說\"（卵細胞在受精前不能進行細胞分裂的原因是位于卵細胞旁邊的助細胞分泌了一種物質抑制了細胞的分裂，當外來花粉穿過細胞后，這種抑制物被解除，卵細胞就開始分裂）;Noguchi提出假配生殖的論點（雄核進入卵器刺激卵器發育引起孤雌生殖）;還有的學者提出“基因學說”（植物的孤雌生殖是由基因決定的，當某一植物獲得這一基因，該物種的卵細胞或珠心、珠被細胞就會自發地進行孤雌生殖，并能穩定地遺傳下去）。在自然界，甘藍型油菜孤雌生殖自然發生的頻率極低 （0～0.364% ，人為利用十分困難。遠緣花粉誘導孤雌生殖被認為是一條有效的途徑，用蠶豆花粉誘導油菜孤雌生殖已被證明是可行的（ n=19 ）。

2科間花粉誘導油菜孤雌生殖的試驗設計

2.1材料（1）油菜材料

安徽省農科院作物所提供的兩種油菜材料為甘藍型油菜匯油50和中雙11號，在油菜品種特性上各有特色的匯油50和中雙11號，無論是作為母本，還是與其他材料在雜交過程中的結合，都將作為本次試驗的重要研究對象，在后續試驗過程中承擔不同的角色，對探索油菜孤雌性繁殖的科間花粉誘導具有關鍵意義。

（2）蠶豆材料

由安徽阜陽市種子公司提供的青蠶1號，引進蠶豆材料青蠶1號是本次試驗的一個創新之處，它作為科間花粉的提供者，可能與油菜材料之間存在著一種獨特的互動。這種互動可能會對油菜單性繁殖的誘導作用造成不容忽視的影響。

2.2方法

（1）試驗單株的培育

播種育苗選用飽滿的匯油50油菜種子，于當年9月20日播種育苗，這一播種時機的選擇是基于對油菜的生長周期和當地的氣候條件等多種因素綜合考慮的結果，在苗齡達到35天時開始插秧，重新施底肥，并在插秧時施用一定數量的餅肥，底肥可以為油菜生長提供全面持久的營養支持，而餅肥則有助于油菜植株茁壯成長，其中富含多種有機物質和微量元素。力求通過這樣的施肥策略，把油菜這個巨型植物培育出來，巨大的優點是它可以擁有更多的花朵，從而滿足試驗對花朵數量的要求，為整個試驗提供充足的試驗材料，更多的花朵意味著可以有更多的樣本，以便在進行自交、雜交操作時提高試驗結果的精確性和可靠性，同時還可以進行科間授粉。

（2）在同株上的試驗設計

在油菜開花期間，精心挑選匯油50為母本，無損傷，長勢健壯，這種母本的選擇標準是為了保證試驗的初始條件盡可能理想，同時也為了減少試驗結果受到外界不良因素的影響，選擇青色較淡的花蕾（成熟度不宜過高），進行去芽手術。在去雄過程中，為了保證試驗樣本的一致性和可比性，每進行一次操作，都會選擇2個花蕾進行去雄，花蕾位置對稱，發育一致，去雄手術完成后立即套袋，并注明日期。這在有助于準確記錄和追溯試驗過程的同時，可以防正其他花粉的十擾。對剝芽去雄后的花朵要馬上進行授粉操作，設計了匯優 50× 匯優 50× 匯優 50× 蠶豆幾種授粉組合。其中，自交（匯優 50× 匯優50）和雜交（匯優 50× 中雙11號）各制作20朵花卉，而科間授粉（匯優 50× 蠶豆）不少于100朵，或可適當增加花量，對去雄后的花在隔1天后的上午9點開始授粉，這時需要觀察柱頭（柱頭凸起），待花瓣完全展開，才能操作授粉。這一條件的設定是建立在柱頭和花瓣狀態適宜時，授粉才能順利進行花粉傳播和受精的基礎上的。另外，也可以在觀察到花瓣微枯或皺縮的情況下，隔2日去雄后進行自交、雜交和科間授粉，同樣各做20朵花的自交和雜交，不少于100朵或多開一些花的科間授粉。最后，選擇去雄后立即套袋的50個花蕾，等待6～7天后再去袋，這一步驟也是試驗設計中的重要一環，為研究科間花粉誘導油菜孤雌繁殖提供更多的數據和現象。這樣的處理可以進一步觀察油菜的繁殖情況[]。

表2自交、雜交的果實表現

表1匯油50×青蠶1號當代單果實表現

3結果與分析

3.1匯油 50× 蠶豆在不同時期的試驗結果

在3個授粉時期的試驗中，去雄后立即授粉和隔2天后授粉，均無結果。而在隔1天后授粉315朵，得到果實24個，誘導頻率為 7.6% ，但果實較小、籽粒較少，如表1所示。

3.2在不同時間自交、雜交的果實表現

在3個不同時間的自交、雜交得到的果實與匯油 50× 蠶豆果實的差別較大，如表2所示。

3.3去雄套袋不授粉果實表現選取的50朵花去雄套袋不授粉，脫袋后觀察無一結實。

3.4不同時期的授粉組合單果結實的變化范圍

在不同時期，各組合單果粒數的變化范圍與匯油 50× 青蠶1號的變化范圍，所呈現的反差較大，如表3所示。

表3不同時期授粉組合單果結實的變化范圍

3.5對孤雌生殖結實部位現象的分析

油菜單果是多胚珠果實，科間授粉所結的果實普遍較小，籽粒極少，而且處于不同的位置，如頂端果實、上部果實、中部果實、下部果實及籽粒位于一側的果實。這些奇異的現象傳達了何種信息為了便于分析，下面給出孤雌生殖果實縱剖面圖，如圖1所示。

交，雜交的子房都能夠結實。而授予蠶豆花粉在隔1天后才有少量的果實結實，而隔2天后授予蠶豆花粉的胚珠已完全不能結實。遺傳學的研究表明，卵細胞受精前處于休眠狀態，受精后受到激活，發生了一系列的生理及生化方面的變化，生理活性能夠在瞬間得到提高。對于孤雌生殖來說，由于卵細胞缺少精核這一外來的生化物質，靠自身（即單性）發育，生理及生化反應的速度較為緩慢，很難達到“一觸即發\"的啟動時刻。在表3中，去雄后立即授予蠶豆花粉而沒有結實，可能是由于子房過于幼嫩，卵細胞生理活性較低，達不到“一觸即發\"的啟動程度；而去雄后隔2天授予蠶豆花粉沒有結實，表明油菜卵細胞的生理活性可能處下降狀態，卵細胞“一觸即發\"的啟動時刻已不復存在，同時進一步證明了卵細胞能夠啟動所保持的時間是極為短暫的。這可能也是誘導頻率低的原因之一。

圖1孤雌生殖果實縱剖面圖

關于Noguchi\"假配生殖\"的理論，對于誘導油菜孤雌生殖來說，在蕓苔屬之間進行試驗才有這種可能。而在科間水平上進行的花粉誘導試驗，這種可能性就大大降低了。因為親緣關系極遠，蠶豆花粉能否在油菜柱頭上萌發并形成花粉管（還能夠伸入油菜子房內）釋放精核，目前還沒有做這方面的檢測，尚不能下結論。至于“基因學說”，與該試驗沒有必然的聯系，不在討論之列。

授予蠶豆花粉的1粒種子位于果實下部的位置，每個胚珠都有被受蠶豆花粉刺激的機會。而試驗結果中大部分胚珠都解體了，在授予蠶豆花粉后，油菜果實內的胚珠雖然同處于一個果實內，由于各自所處的位置不同，它們的發育環境也有所差異，同時，自然條件下，在眾多的胚珠中，能夠達到孤雌生殖“一觸即發”而啟動的卵細胞的胚珠極少，這是誘導頻率低的重要原因之一[4]。

3.6結果分析

通過科間花粉誘導試驗，試圖對孤雌生殖發生機理的理論有所突破，并對有關學者提出的理論進行驗證。關于對油菜孤雌生殖發生機制的研究，有人進行核型比較分析的途徑進行探索，但是未見到能夠驗證這一理論的后續報道。研究人員結合自身的試驗，對于一些學者提出的學說進行驗證。在圖1中，在蠶豆花粉能夠刺激的范圍內，結果只有1個胚珠發育成種子。按照Chase的“卵細胞分裂假說”，蠶豆花粉穿過油菜助細胞后，抑制物被解除，而結果卻僅有1個胚珠發育成種子，利用這一理論是很難解釋的。結合試驗結果可知，對于不論在什么時間進行的自

綜上所述，植物卵細胞的生理機能的活性必須達到“一觸即發\"的程度才能夠獲得誘導成功，植物具備了受精的能力，并不一定就具備孤雌生殖發育的能力，卵細胞“一觸即發\"啟動所保持的時間是極為短暫的。在育種實踐中，要揚長避短和有的放矢，才能取得誘導孤雌生殖的最佳效果。

參考文獻：

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