林业科学  2015, Vol. 51 Issue (4): 71-77   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150409
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文章信息

王振江, 罗国庆, 戴凡炜, 殷浩, 肖更生, 唐翠明
Wang Zhenjiang, Luo Guoqing, Dai Fanwei, Yin Hao, Xiao Gengsheng, Tang Cuiming
不同倍性广东桑的花粉形态
Pollen Morphology of Morus atropurpurea with Different Ploidies
林业科学, 2015, 51(4): 71-77
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(4): 71-77.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150409

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收稿日期:2014-06-16
修回日期:2014-12-01

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王振江
罗国庆
戴凡炜
殷浩
肖更生
唐翠明

不同倍性广东桑的花粉形态
王振江1, 罗国庆1, 戴凡炜1, 殷浩2, 肖更生1, 唐翠明1     
1. 广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所 广州 510610;
2. 四川省农业科学院蚕业研究所 南充 637000
摘要:【目的】 针对桑树形态倍性鉴定及品种间鉴别问题,研究广东桑不同倍性及品种之间孢粉学上的异同,为桑树多倍体育种提供科学依据。【方法】 利用扫描电镜对广东桑10个不同倍性品种花粉的形态、大小、萌发孔、外壁纹饰等孢粉学特性进行观察,并运用图片分析结合数理统计的方法对其花粉形态进行研究。【结果】 供试广东桑不同品种的花粉微观形态相近,均为小型花粉,近球形,花粉粒极轴长16.98~24.46μm,赤道轴长15.37~23.86μm,极轴长与赤道轴长的比值为1.01~1.12; 供试不同品种花粉粒萌发孔1~3个,圆形,直径为2.11~3.51 μm,部分花粉粒萌发孔外壁内陷形成漏斗形,按照额尔特曼 G的NPC(萌发器官的数目、位置及特征) 分类系统属N3P3C4类型; 不同倍性间广东桑花粉的赤道轴长、极轴长和萌发孔大小存在显著性差异(P<0.05),均表现为四倍体>二倍体,但花粉粒的极轴/赤轴比值差异不显著(P>0.05); 广东桑花粉外壁为分布不均的刺状突起-脑条纹复合纹饰,不同品种间花粉的表面纹饰有明显差别,根据外壁纹饰可将供试10个品种花粉分为细刺颗粒状突起-细条纹纹饰、细刺颗粒状突起-粗条纹纹饰、粗刺颗粒状突起-细条纹纹饰和粗刺颗粒状突起-粗条纹纹饰4种类型,花粉外壁纹饰体现了不同品种的遗传多样性和遗传分化; 不同倍性间广东桑花粉表面的刺状突起密度及大小差异不显著(P>0.05); 供试四倍体广东桑品种花粉存在少数败育花粉粒,表现为干瘪而不充实,外形异常。【结论】 供试广东桑不同倍性及品种间花粉形态特征具有差异,不同倍性间花粉粒和萌发孔大小存在差异,不同品种间花粉的表面纹饰存在明显差别,初步认为花粉的亚显微结构特征可作为广东桑倍性鉴定及品种间鉴别的重要标准之一。
关键词广东桑    花粉    倍性    显微结构    
Pollen Morphology of Morus atropurpurea with Different Ploidies
Wang Zhenjiang1, Luo Guoqing1, Dai Fanwei1, Yin Hao2, Xiao Gengsheng1, Tang Cuiming1     
1. Sericulture & Agri-Food Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences Guangzhou 510610;
2. Sericultural Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences Nanchong 637000
Abstract: 【Objective】 This study was aimed to ploidy and cultivar identification by analysis of morphological characteristics of pollen of Morus atropurpurea in order to provide a scientific basis for mulberry polyploidy breeding. 【Method】 The ultrastructure characters of pollen from 10 diploid and tetraploid M. atropurpurea cultivars were examined by scanning electron microscope(SEM), and the characteristics of pollen morphology among the cultivars were distinguished based on statistics and photographic analyses.【Result】 The pollen grains were small in size and nearly round in shape, its polar axis length was 16.98 μm to 24.46 μm, the equatorial axis length was 15.37μm to 23.86 μm, and P/E value of 1.01 to 1.12. The pollen grains with 1-3 rounded germination aperture, N3P3C4 type according to Erdtman's NPC system. There were statistically significant differences between pollen grains of diploid and tetraploid cultivars in the size of germination aperture, the lengths of equator and polar axials, respectively. The pollen exine was unevenly distributed with composite ornamentation of spinous protuberances-brain stripes, and the ornamentation was different among different cultivars. According to the ornamentation, pollen grains are distinctly divided into four types, i.e. coarse spines granulate-fine cerebroid stripes, coarse spines granulate-coarse cerebroid stripes, smooth spines granulate-fine cerebroid stripes and smooth spines granulate-coarse cerebroid stripes. The density and the size of spinous protuberance showed no significant differences between diploid and tetraploid cultivars. Some infertile pollens appeared as heteromophic and shrivelled were observed in tetraploid mulberry cultivars. 【Conclusion】 Significant differences were found of pollen morphology among the 10 diploid and tetraploid M. atropurpurea cultivars, especially in the size of pollen grains between diploid and tetraploid cultivars, and in the ornamentation among different cultivars. It was suggested that morphological characteristics of pollen grains were very important for ploidy detection and cultivars identification in mulberry.
Key words: Morus atropurpurea    pollen grains    ploidy    ultrastructural morphology    

花粉携带有植物的生殖遗传信息,是植物系统发育过程中较保守的器官,花粉的形态和结构特征被广泛用于植物种及种间鉴定(尹燕雷等,2011贾继文等,2012杨秋生等,2010Melanie et al.,2007Zavada et al.,2010)。桑树属于桑科(Moraceae)桑属(Morus),目前多倍体育种已成为桑树新品种选育的主要研究方向(唐翠明等,2006王茜龄等,2008杨今后等,2006)。桑树当染色体组成倍增之后,其细胞核与细胞质的比例关系发生变化,各染色体在减数分裂过程中有可能发生不均衡分配,基因的剂量效应和基因的互作效应等都会破坏原有生理生化功能的平衡,致使植株发生一系列变化,如在光合性能、产量和质量、活性成分含量等方面(王茜龄等,2011杨今后等,2002邓文等,2012Leinveber et al.,2011)。有关桑树花粉形态特征的研究已有报道,胡德昌等(2012)对7个桑树品种花粉的亚显微形态结构进行了研究,坡克罗夫卡娅(1956)报道了白桑(Morus alba)的光学显微信息,但目前对不同倍性桑树花粉的显微结构特征研究尚未见报道。因此本研究通过扫描电子显微镜对不同染色体倍性桑树花粉的孢粉学特性进行观察比较,探讨桑树不同倍性之间在孢粉学上的异同,以期为桑树多倍性育种提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

供试材料为广东桑(Morus atropurpurea)的10个品种,种植于广州市国家桑树种质资源圃华南分圃,为5年生植株,树体生长、立地条件和栽培管理水平基本一致。春季采取供试品种的茎尖用改良的去壁低渗火焰干燥制片法(王茜龄等,2008)确定供试品种的倍性,其中5个为二倍体(2n=28),5个为四倍体(2n=56)(表 1)。在盛花期,开花前一天套袋采集树冠外围中上部即将开放的花蕾,取其花药,置于硫酸纸盒中,放在室内阴干,然后将干燥的花粉放入干燥洁净的小玻璃瓶内,密封,置于低温冰箱中保存备用。

表 1 供试广东桑品种的花粉形态特征 Tab.1 Pollen morphology of the test M. atropurpurea cultivars
1.2 试验方法

花粉样品的制备: 将广东桑花粉浸入3%戊二醛固定2 h以上,0.1 mol·L-1磷酸缓冲液清洗3次,锇酸固定2 h,0.1 mol·L-1磷酸缓冲液清洗3次,酒精梯度脱水,醋酸异戊酯置换,样品放入CPD 030 BAL-TEC CO2临界点干燥器进行干燥,SCD 005 BAL-TEC离子溅射仪进行喷镀处理,然后置于ULTRA55场发射扫描电子显微镜下观察(徐柏森等,2007)。

扫描电镜观察: 每个品种选取30粒花粉,观测其形态特征,测量其花粉粒极轴长(P)、赤道轴长(E)、萌发孔直径等; 花粉粒大小以极轴长和赤道轴长(P×E)来表示,极轴长和赤道轴长比(P/E)值表示花粉粒的形状; 花粉形态术语参考相关文献(王开发等,1983)中的专业术语来描述。应用SPSS11.5软件对数据进行统计分析,采用平均数的t检验进行显著性检验。

2 结果与分析 2.1 不同倍性广东桑花粉的形状与大小

扫描电镜观察结果表明,不同倍性广东桑品种的花粉外部形态相似,均为单粒花粉,近圆形,具有1~3个萌发孔,萌发孔圆形,花粉外壁为分布不均的刺状突起-脑条纹复合纹饰(图 1)。

图 1 广东桑不同品种花粉的扫描电镜照片 Fig. 1 Pollen morphology of the M. atropurpurea cultivars under SEM P:花粉粒; G: 萌发孔; C:粗刺颗粒突起; S:细刺颗粒突起; FC:细脑条纹; CC:粗脑条纹
A,D,G,J,M,P,S,V,Y,B1:整体观; B,E,H,K,N,Q,T,W,Z,C1:整体观的部分放大,示萌发孔; C,F,I,L,O,R,U,X,A1,D1:整体观的部分放大,示外壁纹饰。
P: Pollen size; G: Germinal aperture; C: Coarsely spines granulate; S: Smoothly spines granulate; FC: Fine cerebroid stripe type; CC: Coarse cerebroid stripe type.
A,D,G,J,M,P,S,V,Y,B1: Pollen overall concept face; B,E,H,K,N,Q,T,W,Z,C1: Pollen germinal aperture; C,F,I,L,O,R,U,X,A1,D1: Pollen exine ornamentation.

广东桑不同品种间花粉的大小存在差异(表 1图 1)。花粉粒极轴和赤道轴最长的品种均为‘粤诱162号’(图 1Y),分别为24.42 μm和23.86 μm,花粉粒极轴最短的品种为‘鱼珠’(16.98 μm)(图 1J),赤道轴最短的品种是‘上1’(15.37 μm)(图 1M); 花粉粒的极轴/赤道轴比值最大的品种为‘上1’(1.12)(图 1M),比值最小的品种为‘粤诱7号’(图 1P)和‘鱼珠’(图 1J),均为1.01; 按照极轴/赤道轴比值确定花粉粒形状为近球形。

广东桑不同倍性间花粉的赤道轴长和极轴长差异显著(P<0.05)(表 2),四倍体花粉的赤道轴长和极轴长均显著大于二倍体; 不同倍性间花粉粒的极轴/赤道轴比值差异不显著(P>0.05)。与二倍体花粉相比,四倍体花粉存在少数败育花粉,败育花粉粒的形态大多数表现为干瘪而不充实,其形状不规则,变形大,异常(图 2)。

表 2 不同倍性广东桑花粉的形态特征比较 Tab.2 Pollen morphology of different ploidy M. atropurpurea cultivars
图 2 广东桑品种‘粤诱7’和‘粤诱23’的空瘪花粉 Fig. 2 Shrivelled pollen of M. atropurpurea ‘Yueyou7’ and ‘Yueyou23’ P:花粉粒 Pollen size.
2.2 不同倍性广东桑花粉的萌发孔特征

广东桑不同品种的花粉均有1~3个萌发孔,萌发孔圆形,直径为2.11~3.51 μm,部分花粉粒外壁内陷,萌发孔形成漏斗形(图 1EQZC1)。按照额尔特曼(1978)的NPC(萌发器官的数目、位置及特征)分类系统,属于N3P3C4(N3萌发孔数目为3,P3位置为远极,C4特征为孔型)类型花粉。不同倍性间花粉的萌发孔直径差异显著(P<0.05),四倍体花粉的萌发孔直径显著大于二倍体(表 2)。

2.3 不同倍性广东桑花粉的外壁纹饰

广东桑不同品种花粉表面纹饰的基本类型为刺状突起-脑条纹复合纹饰,但刺状突起的类型、脑条纹密度及形态各具特点(图 1表 3),可分成4种类型。

表 3 供试广东桑品种的花粉表面纹饰特征 Tab.3 Pollen outer wall decorations of the test M. atropurpurea cultivars

1)细刺颗粒状突起-细条纹纹饰 花粉表面较规则刺状突起,突起高度不一,大小不一,分布不均匀; 突起下花粉表面条纹呈弯曲脑波状,条纹较短、较细,密度较大且不一。该类型包括 ‘粤诱7号’(图 1R)、‘粤诱60号’(图 1U)和‘鱼珠’(图 1L)。

2)细刺颗粒状突起-粗条纹纹饰 花粉表面较规则刺状突起,突起高度不一,大小不一,分布不均匀; 突起下花粉表面条纹呈弯曲脑波状,条纹短、较粗,密度不一。该类型包括‘粤诱54号’(图 1X)和‘大杵10’(图 1I)。

3)粗刺颗粒状突起-细条纹纹饰 花粉表面不规则刺状突起,突起较矮,高度不一,大小不均,密度较大且分布不均匀,使得整个表面比较粗糙; 突起下花粉表面条纹呈弯曲脑波状,条纹较短、较细,密度较大且不一。具该类纹饰的包括‘粤诱23号’(图 1D1)、‘上1’(图 1O)、‘抗青10号’(图 1C)和‘伦109’(图 1F)。

4)粗刺颗粒状突起-粗条纹纹饰 花粉表面不规则刺状突起,突起较矮,大小不一,分布不均匀; 突起下花粉表面条纹呈弯曲脑波状,条纹短、较粗,密度不一。具该类纹饰的只有‘粤诱162号’(图 1A1)。

广东桑不同倍性间花粉表面的刺状突起密度差异不显著(图 1表 2)(P>0.05); 不同倍性间花粉表面的刺状突起直径大小均为0.24 μm,差异也不显著(P>0.05)。

3 讨论 3.1 广东桑品种间花粉粒亚微形态特征的差异

花粉是植物在长期进化过程中形成的较为保守的器官之一,具有极强的遗传保守性,因此可根据花粉形态进行植物品种间的鉴定、分类(贾继文等,2012Fan et al., 2010Melanie et al., 2007)。本研究供试的广东桑10个品种花粉具有相近的形态结构特征,均为单粒小型花粉,近圆形,萌发孔圆形,1~3个,分属N3P3C4类型,但品种间在花粉粒的大小、表面纹饰、萌发孔大小等方面也存在明显差异,这可作为桑树品种间分类的重要依据之一。

在以前的研究中,胡德昌等(2012)对4个白桑(M. alba)和3个鲁桑(M. multicaulis)品种研究表明,桑树花粉表面呈现平滑和瘤状突起2种纹饰类型,但本研究中10个供试品种花粉表面均为脑条纹纹饰,并可根据条纹的粗细和密度分为粗条纹纹饰和细条纹纹饰,这可能与供试材料桑种不同有关。尹燕雷等(2011)对山东20个石榴(Punica granatum)品种的花粉进行亚显微形态结构观察和研究,发现各品种间花粉的大小、表面纹饰等均有明显差别,并认为花粉粒的形态特征可作为石榴品种间分类的一个标准。武海霞等(2012)对20个桉树(Eucalyptus)树种和杂交子代的花粉亚显微形态结构特征进行分析,认为各个种之间的主要区别在于外壁雕纹之间的差异。本研究中供试10个品种在刺状突起、表面纹饰的形态等方面有所差异,可分为粗刺与细刺、粗条纹和细条纹等,纹饰复杂,表面相对粗糙的粗刺状的品种如‘伦109’、‘抗青10号’、‘粤诱162’等共 5个,大部分为主栽品种; 细刺状的品种如‘粤诱7号’、‘粤诱60号’和‘鱼珠’等,这些品种在生产上栽培较少,这可能与长期的自然和人工选择栽培有关。

本研究中广东桑花粉粒大小在(16.98~24.42)μm×(15.37~23.86)μm 之间,按照花粉大小等级划分( 额尔特曼G,1978),属于小型花粉(0~25 μm)。

3.2 广东桑倍性间花粉粒亚微形态特征的差异

染色体是遗传物质的载体,自然界存在的桑树多为二倍体(2n=28),染色体数目的变化会导致形态、生理、生化等诸多表现型的变化。王茜龄等(2011)对多倍体与无性系亲本二倍体广东桑品种的光合特性进行了研究,证明多倍体较二倍体桑的叶和果产量提高,光合性能增强。刘鹏等(2012)发现不同倍性西瓜(Citrullus lanatus)果皮解剖结构存在差异,多倍体西瓜果皮厚度及各组成部分的厚度均大于二倍体。本研究中供试广东桑品种四倍体花粉的大小和萌发孔的直径均大于二倍体(P<0.05),可作为倍性鉴定的重要指标之一,并结合常规倍性鉴定方法应用于广东桑种质的倍性分析。余茂德等(1992)报道,桑树二倍体的发芽率为90%,四倍体的发芽率为50%,四倍体的发芽率比二倍体的低。本研究从花粉的电镜扫描结果可以看到四倍体花粉中有少量的粘连花粉和空瘪花粉等,影响花粉的萌发,使四倍体比二倍体花粉萌发率低。

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