森林与环境学报  2016, Vol. 36 Issue (3): 301-305   PDF    
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.03.008
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江鸣涛, 兰思仁, 吴沙沙, 陈燕琼, 彭东辉
JIANG Mingtao, LAN Siren, WU Shasha, CHEN Yanqiong, PENG Donghui
3种野牡丹属植物杂交特性
Hybridization characteristics of 3 species of Melastoma
森林与环境学报, 2016, 36(3): 301-305
Journal of Forest and Environment, 2016, 36(3): 301-305.
http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2016.03.008

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收稿日期: 2015-12-23
修订日期: 2016-03-11
3种野牡丹属植物杂交特性
江鸣涛, 兰思仁, 吴沙沙, 陈燕琼, 彭东辉    
福建农林大学园林学院, 福建 福州 350002
摘要: 野牡丹属(Melastoma L.)植物具有异型雄蕊,大多数种类有较高的观赏价值。为了培育该属植物杂交种并探讨野牡丹属异型雄蕊的功能差异,以多花野牡丹(M. malabathricum)为母本,毛菍(M. sanguineum)、地菍(M. dodecandrum)为父本,统计父本异型雄蕊授粉后的座果率、种子饱满率与萌发特性,并采用形态鉴定法比较杂交子代与父母本自交子代的形态差异。结果表明,毛菍长花药授粉多花野牡丹所得种子饱满率显著高于毛菍短花药,而地菍长短花药之间差异不显著;同一父本异型雄蕊所得种子的发芽率和发芽指数差异不显著;多花野牡丹与毛菍具有更高的杂交亲和性,其中毛菍长花药授粉所得座果率高达100%,所得种子发芽率达到75.33%。杂交后代的叶脉数与母本一致,均为5脉;多花野牡丹与地菍杂交子代株型皆呈匍匐型,叶形指数是其测定的有效指标,变异系数高达47.23%;多花野牡丹与毛菍杂交子代株型均为直立型,株高呈现较明显的杂种优势,超高亲植株率达到80%。
关键词: 杂交    异型雄蕊    种子萌发    形态鉴定    野牡丹属    
Hybridization characteristics of 3 species of Melastoma
JIANG Mingtao, LAN Siren, WU Shasha, CHEN Yanqiong, PENG Donghui    
College of Landscape Architecture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China
Abstract: The species of Melastoma L. have heteromorphic stamens and most are of high ornamental value. In order to breed new hybrids and investigate the different functions of heteromorphic stamens by crossbreeding, M. malabathricum was chosen as female parents, M. sanguineum and M. dodecandrum as male parent. The fruit set, plump seed rate and seed germination were measured, with stigmas pollinated by long and short stamens of male parent, respectively. Furthermore, morphological differences between hybrids and self-bred progenies were observed. It was discovered that the plump seed rate of the combination pollinated by M. sanguineum long stamens was significant higher than that by its short ones, while there was no significant difference in M. dodecandrum. In addition, seed germination percentage and germination index were not affected by the pollens of heteromorphic stamens from the same father. A higher cross-compatibility was obtained between M. malabathricum and M. sanguineum, with 100% fruit set and 75.33% seed germination percentage for those pollinated by long stamens. All of the offspring had 5 leaf veins which were similar to M. malabathricum. The offspring, produced by M. malabathricum and M. dodecandrum, was creeping, and leaf index, with 47.23% coefficient of variation, was regarded as an effective way to determine their morphological characteristics. While the offspring by M. malabathricum and M. sanguineum was erect, and there was an obvious heterosis in the hybrids, with 80% hybrids higher than self-bred progenies in plant height.
Key words: hybridization    heteromorphic stamens    seed germination    morphological identification    Melastoma L.    

野牡丹属(Melastoma L.)是一个典型的热带亚洲至热带澳洲分布属,该属约22种,其中中国有5种,含1特有种[1]。该属大部分植物具有较高的观赏价值,但大都处于野生状态,有待进一步选育和改良。杂交育种是一种培育优良子代的有效方法,目前关于野牡丹属植物的杂交育种研究仅见刘慧等[2]的报道,其结果表明部分野牡丹属植物种间杂交较为容易,杂交后代呈现多性状的分离。在杂交育种过程中雄蕊担负着重要的角色,野牡丹属植物具有异型雄蕊,虽然人们对这一现象有较长时间的认识,但关于其异型雄蕊是否具有功能分化还存在争论[3]。关于野牡丹属植物异型雄蕊的研究主要集中在传粉生物学方面,Gross[4-5]对多花野牡丹(M. malabathricum)2种雄蕊的花粉进行了研究,发现二者在形态和可育性上不存在明显差异,而罗中莱等[6]研究发现毛菍(M. sanguineum)和地菍(M. dodecandrum)的异型雄蕊药隔有明显差异,在花粉数量上皆以长花药多于短花药,毛菍短花药对主要传粉者具有招引作用,但地菍的异型雄蕊该现象并不明显。路国辉等[3]认为野牡丹(M. malabathricum)外轮长雄蕊中的花粉为后代提供雄配子,内轮短雄蕊中的花粉为传粉昆虫提供食物,但花粉活性、花粉组织化学成分和座果率方面差异均不显著,此外短雄蕊对主要传粉者具有招引的现象也被彭东辉等[7, 8]对多花野牡丹、毛菍传粉生物学的研究所证实。戴小红等[9]从花粉活力的角度探讨了展毛野牡丹(M. malabathricum)长短雄蕊功能的分化,结果表明长雄蕊花粉活力高于短雄蕊花粉活力,推测异型雄蕊在传粉中存在功能分化,相较于具有黄色花药的短雄蕊,具有紫色花药的长雄蕊可能承担着更多的传粉功能。李蕊等[10]通过编制动态生命表探究异型雄蕊生物学功能差异,研究发现长花药授粉所得种子的发芽率、出苗率和出苗高峰期均高于或早于短花药,在幼苗存活率方面,短花药高于长花药。

前人研究表明,野牡丹属植物的异型雄蕊在传粉者招引和生物学功能分化上有所差异。目前,尚未见通过杂交育种方法研究异型雄蕊对野牡丹属植物杂交亲和性的影响,本试验首次以多花野牡丹为母本,毛菍、地菍为父本,采用杂交育种方式探究野牡丹属植物异型雄蕊功能分化,研究种间杂交亲和性,并对杂种子代进行形态学鉴定,探讨野牡丹属植物杂交育种方法,为培育野牡丹属植物新品种提供基础资料。

1 材料与方法 1.1 试验材料与授粉方法

材料选自福建农林大学园林学院野牡丹种质资源圃(26°05′N,119°13′E)。2014年6月下旬至7月上旬,毛菍(学名缩写:SA)和地菍(学名缩写:DO)异型雄蕊的花粉分别采自单株2年生实生苗,在花朵开放前一天对花朵进行套袋,第2天将刚开放套袋花朵剪下,带回实验室,分别将长花药和短花药剪下,用解剖针小心将雄蕊打开并挤出花粉,在无尘处自然干燥24 h,干燥后将长、短花药的花粉各自均匀混合并收集在离心管中保存备用。母本选择同一生境下3株长势相近,株高约1.2 m的2年生多花野牡丹(学名缩写:MA)实生苗。在授粉前一天,选择第2天即将开放的花苞,用镊子小心去除花瓣和雄蕊,去雄后用防水硫酸纸袋套住,防止外来花粉授粉,在开花当日8:00-9:00授粉1次,异型雄蕊分开授粉,毛菍异型雄蕊各授粉38个,地菍异型雄蕊各授粉30个。授粉后做好标记挂上标签,待柱头脱落后去除套袋,做好后期养护工作,保证母体正常生长。

1.2 种子萌发试验

2014年8月下旬收集成熟果实,统计座果率[公式(1)]。将收集后的果实分装好,每个杂交组合随机选取3个果实,统计单果饱满种子数和单果总种子数,计算种子饱满率[公式(2)],之后将所有种子从肉质胎座上搓落,阴干待用。每个杂交组合挑选50粒饱满种子,置于高压灭菌锅消毒后放有滤纸的培养皿中,在人工气候箱中培养(光照18 h/28 ℃、黑暗6 h/23 ℃),保持滤纸湿润,每组3次重复。待种子萌发后,以胚根露出种皮5 mm时视为萌发[11],每天统计种子萌发数,试验末期连续15 d不再有种子萌发即为发芽试验结束[12]。按公式(3)计算杂交种子的发芽率,公式(4)计算发芽指数。

座果率= 结果数/授粉花朵数×100% (1)
种子饱满率= 单果饱满种子数/单果总种子数×100% (2)
发芽率=全部发芽种子数/试验种子总数×100%[12] (3)
发芽指数(Gi)=Σ(Gt/Dt) (4)

式中:Gt为第t日发芽种子粒数 ; DtGt对应的发芽时间(d)[13]

1.3 子代育苗方法

播种基质为泥炭土:河沙:粘土=1:1:1(V:V:V),将大颗粒基质混匀平铺于50 cm×50 cm的播种框中,然后将过筛后的混合基质平铺在上层,厚度约5 cm,取适量种子与河沙充分混合后,均匀撒播于基质表层。基质渗透浸湿后,覆膜培养并定期浇水,待幼苗长至15 cm左右时,移栽至口径10 cm的塑料花盆中,培养土采用泥炭:红壤:园土:河沙=2:1:1:1的体积比进行混合,移栽后放置于温室中培养,定期浇水施肥,保证幼苗健康生长。

1.4 形态鉴定

子代生长6个月后进行形态学初步鉴定,比较同龄亲本自交子代与杂交子代形态特征。采用英国皇家园艺协会(The Royal Horticultural Society)比色卡对亲本和子代的成熟叶进行叶色测定[14]。叶片测量选择自顶芽向下数第3节至第5节健康的成熟叶,分别测量父母本自交子代、杂交子代叶片的叶长和叶宽(叶片最宽处),计算叶形指数[公式(5)];以顶芽向下第1节节间处至植株基部的长度作为株高高度,采用卷尺测量父母本自交子代、杂交子代株高。各指标测量30株,并计算杂交子代变异系数[公式(6)]。

叶形指数=叶长平均值/叶宽平均值[15] (5)
变异系数=标准差/形态指标均值×100%[16] (6)

式中:形态指标为杂交子代叶长(cm)、叶宽(cm)、叶形指数、株高(cm)。

1.5 数据处理

使用Excel软件进行数据统计,采用SPSS 19.0软件(IBM,美国)的Duncan方差分析法进行数据的显著性分析。

2 结果与分析 2.1 不同组合杂交亲和性

主体间效应检验发现种子饱满率、发芽率与发芽指数对应的P值分别为0.018、0.016和0.470,种子饱满率与发芽率均达到显著差异水平(P < 0.05)。由表 1可知2种父本长花药授粉母本的座果率与种子饱满率皆高于相应的短花药授粉母本所得结果,毛菍长花药授粉多花野牡丹所得种子饱满率显著高于毛菍短花药,而地菍长短花药授粉所得结果无显著差异;毛菍异型雄蕊花粉杂交所得的各项测定指标均高于地菍相应的异型雄蕊授粉所得结果,其中毛菍长花药花粉授粉多花野牡丹的座果率达到100%,其异型雄蕊授粉所得子代的发芽率短雄蕊达到74.00%,长雄蕊达到75.33%,皆显著高于地菍与多花野牡丹杂交所得子代的发芽率。

表 1 多花野牡丹与不同父本杂交亲和性1) Table 1 Cross compatibility between M. malabathricum and it different male parents
组合Crosscombinations 座果率Fruit set percentage/% 种子饱满率Plump seed ratio/% 发芽率Seed germination/% 发芽指数Germinationindex
MA(♀)×DOs(♂) 53.33 26.83±2.88a 56.00±8.72a 3.08±0.17a
MA(♀)×DOl(♂) 66.67 34.08±6.10ab 58.00±2.00a 3.33±0.62a
MA(♀)×SAs(♂) 78.95 32.35±3.08a 74.00±6.00b 3.55±0.27a
MA(♀)×SAl(♂) 100.00 41.79±4.41b 75.33±9.02b 3.58±0.43a
1) “s”表示短花药,“l”表示长花药;同一列数据内不同字母表示在 P < 0.05水平上有显著差异。Note: "s" means short stamen, "l" means long stamen; different letters in each column indicate significant difference at P < 0.05 level.
2.2 子代与亲本形态特征

母本多花野牡丹呈直立型,叶脉数为5;父本毛菍呈直立型,地菍呈匍匐型,叶脉数为3至5脉。杂交子代的叶脉数目与多花野牡丹相同,均为5脉(表 2)。多花野牡丹为母本,地菍为父本的杂交子代,节间短植株呈半匍匐状,成熟叶叶色与母本自交子代较一致。毛菍为父本的杂交子代,株型与母本自交子代更相似,呈直立型,新叶叶色与父本自交子代新叶较相似,茎节间具少量棕红色鳞片状糙毛。

表 2 杂交子代与亲本自交子代主要性状 Table 2 Main characters of hybrids and self-bred progenies of their parents
亲本与杂种F1Parent plants andhybrids F1 株型Plant types 成熟叶叶色Color of mature leaf 叶脉数Numberof veins 茎Stem
叶面Leaf surface 叶背Leaf back
多花野牡丹 (MA) 直立Erect Green group 139A Yellow-green group 147B 5 茎密被鳞片状糙伏毛Stems densely covered withappressed scales
毛菍(SA) 直立Erect Green group N137A Yellow-green group 147B 3-5 茎密被长硬毛Stems densely hirsute
地菍 (DO) 匍匐Procumbent Green group N139A Yellow-green group 138A 3-5 茎无毛Stem glabrous
MA(♀)×SA(♂) 直立 Erect Green group N139A Yellow-green group 147B 5 茎贴附鳞片状糙伏毛Stems covered with appressed scales
MA(♀)×DO(♂) 匍匐Procumbent Green group N139A Yellow-green group 147B 5 茎贴附糙伏毛Stems appressed strigose
2.3 性状遗传

表 3可知,多花野牡丹与毛菍杂交所得子代,叶长变异系数达到23.79%,叶宽超高亲株率达到73.33%,叶形大都呈现父母本中间型形态,超低亲个体与超高亲个体数量较接近,子代株高多呈现超高亲性状,高于高亲值的个体达到80.00%。多花野牡丹与地菍杂交子代叶长与叶宽基本呈现中间型,叶宽出现了超低亲和超高亲现象,变异系数较叶长高,达到24.80%,叶形指数具有更多的超高亲和超低亲个体,其中超低亲株率达到33.33%,变异系数高达47.23%,子代株高均值小于亲中值,介于双亲之间的个体达到83.33%。

表 3 子代遗传性状 Table 3 Genetic characteristics of progenies
遗传Genetic 杂交组合Cross combinations 亲本Parents/cm F1代F1 generation 超亲遗传率Heritability/%
母本Female 父本Male 亲中值Avg 均值Mean/cm 变异系数CV/% 超低亲株率Rate of over lowparental heredity 介于双亲之间Between 超高亲株率Rate of over highparental heredity
叶长Leaf length AF(♀)×SA(♂) 10.09 8.37 9.23 11.37±2.71 23.79 10.00 30.00 60.00
AF(♀)×DO(♂) 10.09 3.05 6.57 6.21±0.95 15.33 0.00 100.00 0.00
叶宽Leaf width AF(♀)×SA(♂) 4.25 2.70 3.48 4.11±0.73 17.72 0.00 26.67 73.33
AF(♀)×DO(♂) 4.25 1.66 2.96 3.18±0.79 24.80 6.67 86.67 6.67
叶形指数Leaf index AF(♀)×SA(♂) 2.37 3.10 2.73 2.76±0.39 14.16 10.00 76.67 13.33
AF(♀)×DO(♂) 2.37 1.84 2.10 2.13±1.00 47.23 33.33 60.00 6.67
株高Plant height AF(♀)×SA(♂) 30.20 44.33 37.27 49.38±5.40 10.94 0.00 20.00 80.00
AF(♀)×DO(♂) 30.20 12.30 21.25 14.82±2.47 16.64 16.67 83.33 0.00
3 讨论 3.1 杂交亲和性分析

前人研究表明,多花野牡丹人工自交授粉所得种子,发芽率以长花药自花授粉最高,为62.5%,异株短花药授粉最低,发芽率22.6%[9]。本试验多花野牡丹与毛菍、地菍杂交皆能产生大量杂交种子,且具有较高发芽率,最高为毛菍长花药授粉多花野牡丹,达到75.33%,高于多花野牡丹不同自交授粉方式的最高种子发芽率,而最低为地菍短花药授粉多花野牡丹所得发芽56.00%,亦高于多花野牡丹不同自交授粉方式的最低种子发芽率,表明多花野牡丹与毛菍、地菍具有较高的杂交亲和性,验证了前人研究表明的野牡丹属植物具有较近亲缘关系这一结果[17]。毛菍异型雄蕊授粉所得子代的各项统计指标皆高于地菍对应的雄蕊授粉所得结果,可能是多花野牡丹与地菍的杂交亲和性低于毛菍,据报道与毛菍相比,地菍与多花野牡丹亲缘关系较远[17, 18],这可能导致了多花野牡丹与地菍杂交亲和性较低。李蕊等[9]研究发现长花药做父本子代的发芽率高于短花药,与本试验研究结果相似,可能与长花药花粉活力略高于短花药活力有关[6]。异型雄蕊对杂交子代萌发特性的影响并无明显规律,可能是2种花粉所含的遗传物质并无差异,因而对子代的萌发特性无明显影响,亦有可能与不同母本有关,具体原因需要进行更深入和系统地研究。

3.2 子代性状遗传

植物学性状评价研究是传统植物学的鉴定品种和分类的重要手段,变异系数越大说明该性状在品种之间的差异越大,利用该性状鉴别品种的可能性越强[19]。多花野牡丹与地菍的杂交后代叶形指数的变异系数达到47.23%,明显高于其他性状,表明叶形指数可作为鉴定该杂交种的有效指标。多花野牡丹与毛菍杂交子代株高多呈现超高亲性状,杂交子代较亲本自交子代更高,表现出杂种优势,而与地菍的杂交子代低矮,株高和株型与父本地菍更相似,此外其株高变异系数较高,表明杂交后代在株型上存在较多变异个体,具有发掘变异株型的潜力。前人研究表明,野牡丹类植物杂交后代有一定比例的植株矮化现象,其中毛菍×多花野牡丹后代性成熟实生苗超低亲株率达到35%以上[2]。本研究多花野牡丹为母本与毛菍杂交产生的后代株高多表现为超高亲性状,可能与试验材料生长周期差异有关,本研究所测量的子代为6个月尚未性成熟的实生苗,可能生长初期杂种苗生长更快,因此导致结果有所差异;而多花野牡丹与地菍杂交产生的后代则表现为匍匐状且大多数表现为亲本中间型并伴随有一定比例的矮化植株,与其研究结果一致。本实验多花野牡丹与地菍的杂交后代呈现匍匐状,具有开发为优良地被的潜力,其性状与细叶野牡丹(M. intermedium)相似,有研究表明,细叶野牡丹可能是野牡丹与地菍的杂交种[20]。目前学术界对中国原产野牡丹属植物系统关系仍存在争议[18],《Flora of China》[1]把多花野牡丹与野牡丹归并为同一种,因此推测细叶野牡丹也可能是由多花野牡丹与地菍杂交所得,更深入的研究则需分子生物学手段进一步佐证。

4 结论

多花野牡丹与毛菍、地菍皆具有较高的杂交亲和性,不存在明显的受精障碍,其中毛菍与多花野牡丹的亲和性更高,其长、短花药花粉分别授给多花野牡丹所得种子发芽率分别为75.33%与74.00%,显著高于多花野牡丹与地菍杂交后代的58.00%与56.00%。异型雄蕊以长花药花粉授粉具有更高的座果率和种子饱满率,优于短花药花粉授粉效果。多花野牡丹与地菍的杂交子代株型皆呈匍匐型,叶形指数变异系数高达47.23%,是该杂交种的有效测定指标。多花野牡丹与毛菍的杂交后代株型皆呈直立型,具有杂种优势,叶片不同程度变大,株高超高亲株率达到80%。

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