趙紅霞,王 晶,丁曉六,羅 樂,潘會堂,張啟翔
(花卉種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子育種北京市重點實驗室,國家花卉工程技術(shù)研究中心,城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室,北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院,北京100083)
現(xiàn)代月季為月季花(Rosa chinensis)、法國薔薇(R.gallica)及其它幾種薔薇屬植物經(jīng)反復(fù)雜交、回交培育成的可以四季開花的品種類群,其花色豐富、花期長、花香迷人、株型各異,是世界上最重要的觀賞植物之一[1]。目前,現(xiàn)代月季栽培品種有2萬多個,其中80%是通過現(xiàn)代月季品種間雜交獲得的,品種間雜交很難再引入新的遺傳信息,育種潛力已非常有限[2]。同時,由于現(xiàn)代月季育種過程中長期重視觀賞性狀的提高,忽視抗逆性狀的改良,導(dǎo)致現(xiàn)代月季品種的綜合抗逆性越來越差[3],這些問題是現(xiàn)代月季品種間雜交難以解決的[4-5]。
薔薇屬植物種類豐富,參與創(chuàng)造現(xiàn)代月季品種的薔薇屬種只有10~15個[6],僅占薔薇屬種類(200多種)的1/10,中國原產(chǎn)的參與現(xiàn)代月季品種培育的薔薇屬植物也僅10種左右[2],大量的薔薇屬植物尚未應(yīng)用到現(xiàn)代月季中,許多種類具有優(yōu)良的特性,如芳香、抗寒、抗旱、耐鹽堿、抗病等,對現(xiàn)代月季品種的進一步改良具有重要的意義[7]。將這些優(yōu)異基因資源引入現(xiàn)代月季的最佳、最直接的途徑就是用現(xiàn)代月季品種與野生薔薇屬植物進行遠緣雜交。1867年,Guillot利用雜種長春月季和茶香月季雜交得到了第一個雜交茶香月季品種‘La France’(‘法蘭西’)[8]。美國的Bryson等[9]利用抗寒性強的疏花薔薇(R.laxa)與現(xiàn)代月季進行遠緣雜交,雜交F1代經(jīng)過3代回交,培育出能耐-38 ℃低溫的聚花月季新 品 種‘Carefree Beauty’(‘無 憂 女’)。Byrne等[10]利用玫瑰(R.rugosa)、光葉薔薇(R.wichuriana)與12個現(xiàn)代月季品種進行遠緣雜交,培育出抗黑斑病的新品種。黃善武等[11]用彎刺薔薇(R.beggeriana)與現(xiàn)代月季雜交,得到了生長健壯、抗性強的‘天山之光’、‘天香’等優(yōu)良品種。馬燕等[12]利用中國古老月季品種、野生薔薇屬植物[單瓣黃刺玫(Rosa xanthina f.normalis)、報春刺玫(R.primula)、木香(R.banksiae)、黃薔薇(R.hugonis)、疏花薔薇]與現(xiàn)代月季品種遠緣雜交,培育出多個觀賞性狀優(yōu)良、抗性強的品種,如‘一片冰心’、‘珍珠云’、‘春芙蓉’等。這些研究均證明野生薔薇屬植物在現(xiàn)代月季品種改良中具有巨大潛力。
遠緣雜交往往存在不親和性,親緣關(guān)系越近,其獲得雜種的可能性就越高,相反,若物種間親緣關(guān)系較遠,其雜交成功率就較低[13-14]。如2個親本親緣關(guān)系太近,則難于達到品種改良的目的。人們主要通過測定雜交結(jié)實率、果實膨大程度、有胚率、幼胚生長量等指標(biāo)確定各親本之間的雜交親和性。張顥等[15]利用20個切花月季品種分別做母本和父本進行雜交,發(fā)現(xiàn)花粉生活力基本與雜交結(jié)實率成正相關(guān),認為花粉生活力是影響月季雜交結(jié)實率的關(guān)鍵因素,但不是唯一因素。宋杰等[16]以二倍體的金櫻子(R.laevigata)為父本與四倍體的現(xiàn)代月季品種雜交,認為花粉管在柱頭上生長異常以及受精后胚敗育是雜交不親和的主要因素。
本試驗以培育觀賞性狀好、芳香、抗逆性強的月季品種為目標(biāo),選11個現(xiàn)代月季品種和香水月季為母本,以抗逆性強的6個薔薇屬種、變種及變型和5個玫瑰品種為父本,進行遠緣雜交,對親本的花粉與柱頭形態(tài)進行了掃描電鏡觀察,并對花粉生活力進行統(tǒng)計,探索不同雜交組合的結(jié)實性,分析了現(xiàn)代月季品種與野生薔薇屬植物及玫瑰的雜交親和性,以期為薔薇屬植物遠緣雜交親本選配及提高遠緣雜交育種效率提供依據(jù)。其中,美薔薇(R.bella)、腺果大葉薔薇(R.macrophylla var.glandulifera)、荷花薔薇(R.multifloraf.carnea)、香水月季(R.odorata)均是優(yōu)異的薔薇屬種質(zhì)資源,但很少甚至尚未參與到現(xiàn)代月季品種改良工作中。前期研究發(fā)現(xiàn),以野生薔薇屬植物[12]和玫瑰品種[17]為母本與現(xiàn)代月季品種雜交,結(jié)實率、雜種種子出苗率都很低,再加之與現(xiàn)代月季品種存在花期不遇的問題,所以本實驗未設(shè)置以野生薔薇屬植物、玫瑰品種為母本的雜交組合。
所用雜交母本為香水月季和11個現(xiàn)代月季品種(‘波塞尼娜’、‘贊歌’、‘粉和平’、‘紅衣主教’、‘仙境’、‘花房’、‘薩曼莎’、‘橘紅潮’、‘曼海姆宮殿’、‘金瑪麗’、‘紅雙喜’),父本為6種野生薔薇屬植物(單瓣黃刺玫、黃刺玫、報春刺玫、美薔薇、腺果大葉薔薇、荷花薔薇)及5個玫瑰品種(‘大紅紫枝’、‘粉紫枝’、‘紫枝’、‘白紫枝’、‘北京單瓣白’)。植株生長健壯,正常開花結(jié)實。各供試材料的基本信息詳見表1。
在花朵尚未開放時,取父母本的花藥或柱頭,花藥陰干散粉,柱頭經(jīng)0.1mol·L-1磷酸緩沖液(pH 7.34)沖洗后置于2.5%的戊二醛中固定,于4 ℃冰箱中保存,觀察前利用系列乙醇溶液(30%→50%→60%→70%→80%→90%→95%→100%)脫水,每級脫水15~20min,釆用Leicaemcpd 030臨界干燥儀干燥,經(jīng)離子濺射儀(Eikoib-5ion Coater)噴金后在Hitachi S-3400N 掃描電鏡下觀察、拍照。重復(fù)3次,利用Image Pro-Plus 6.0軟件測量花粉極軸長及赤道軸長、柱頭表面直徑、乳突直徑及乳突長度,各取60個測量值,計算平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。
表1 雜交親本基本信息Table 1 Information of the parents used in interspecific crossing
非正?;ǚ勐剩椒钦;ǚ哿?shù)/花粉??倲?shù)×100%
課題組前期雜交試驗發(fā)現(xiàn)一些雜交組合授粉后果實不膨大,不能獲得雜交果實,加之一些雜交親本花量不足,本試驗根據(jù)材料的實際情況共設(shè)置72個雜交組合(表2)。雜交分別在2012 年5~7 月和2013年5~8月進行。在6:00~7:00采尚未開放花蕾,于室內(nèi)用干凈的鑷子將花藥捋下,在陰涼的條件下置于硫酸紙盒中,約24h后,將花粉收集并分裝在離心管中保存,置于-20 ℃干燥條件下儲存?zhèn)溆?。授粉前用懸滴法測定各親本花粉生活力,培養(yǎng)基為150g·L-1蔗糖+0.1g·L-1H3BO3+0.3 g·L-1Ca(NO3)2+0.2g·L-1MgSO4+0.1g·L-1K2NO3,25 ℃條件下培養(yǎng)24h,測定花粉萌發(fā)率(花粉管長超過花粉半徑以上視為萌發(fā))。每個品種或種重復(fù)3次,每個樣品取3個視野進行觀察,每個視野不少于100粒花粉,計算花粉萌發(fā)率。
表2 授粉組合Table 2 Pollination combinations in the experiment
花粉萌發(fā)率=萌發(fā)花粉粒數(shù)/花粉粒總數(shù)×100%
在下午15:00~17:00,選取母本植株上次日將要開放且發(fā)育良好的花蕾去雄,嚴格套袋。次日8:00~10:00進行授粉,授粉后套袋隔離,當(dāng)天傍晚重復(fù)授粉[20]。
雜交當(dāng)年11月份采收果實,記錄各個雜交組合的結(jié)實情況。果實采收后置于室溫條件,剝出種子,觀察并記錄種子形態(tài),統(tǒng)計種子數(shù)量,計算雜交結(jié)實率。
結(jié)實率=結(jié)實數(shù)/授粉花數(shù)×100%
剝出的種子經(jīng)流水沖洗24h,以1∶3的比例將種子與濕潤的沙子混合,置于恒溫培養(yǎng)箱(20 ℃~24 ℃,濕度60%)中處理2周后,置于4℃冷庫中貯藏45~60d,然后于50孔的穴盤中播種,采用珍珠巖和草炭(5~10mm)混合基質(zhì)(體積比1∶3)。萌發(fā)長出2~3片真葉后上盆,計算出苗率。
出苗率=出苗數(shù)/播種數(shù)×100%
數(shù)據(jù)用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析,用Duncan法進行多重比較(P≤0.01)。
各雜交父本的正?;ǚ劬呷诇?,花粉的極面觀為三裂圓形,赤道面觀為長橢圓形,可見1~2條萌發(fā)溝?;ǚ哿4笮≈械?,極軸長(P)34.00~43.86μm,赤道軸長(E)16.01~19.20μm,種間存在顯著差異,P/E值1.98~2.30。其中美薔薇的花粉粒最小,極軸長、赤道軸長分別為34.00μm、16.01μm;荷花薔薇花粉粒最大,極軸長、赤道軸長分別為43.86μm、19.06μm(表3)。父本材料不同程度地存在花粉敗育現(xiàn)象,敗育的花粉粒與正常花粉相比,表現(xiàn)為花粉粒小、畸形、內(nèi)凹、空癟、皺縮等(圖版Ⅰ)。不同材料間非正?;ǚ勐蚀嬖陲@著差異,黃刺玫的非正?;ǚ勐首罡撸_到74.66%(表3),所有以黃刺玫為父本的雜交組合授粉后2周到1個月內(nèi)果實干枯脫落,均未獲得果實。其他父本材料的非正?;ǚ郾壤秊?5.60%~64.59%,均有雜交組合獲得雜交果實。
本實驗中,不同父本材料的花粉生活力差異較大,萌發(fā)率最高為單瓣黃刺玫,為89.3%,最低為黃刺玫,僅為15%(表3)。除黃刺玫外,其他10種父本材料的花粉生活力均超過30%,可以作為雜交父本。各父本的花粉生活力與非正?;ǚ勐什淮嬖诮^對的負相關(guān)關(guān)系,但趨勢基本一致。
月季柱頭是干柱頭,頂端具柱狀凸起,柱頭表面覆蓋著乳突細胞(圖版Ⅱ)。本實驗中,各母本材料的柱頭表面直徑、乳突細胞長度、直徑均差異顯著,柱頭表面直徑581.91×428.76μm~981.41×873.22 μm(表4),部分母本柱頭僅裂片凹陷處有凸起的乳突細胞,乳突細胞直徑及長度難以測量(圖版Ⅱ,5、7、8、9、11、12)。
表3 父本正?;ǚ鄣男螒B(tài)特征及花粉萌發(fā)率Table 3 The pollen morphology and pollen germinating rate of the male parents
本實驗共設(shè)計雜交組合72 個,雜交2 553 朵花,共有37個組合獲得雜交果實(表5),35個組合未獲得雜交果實(各組合授粉數(shù)量10~45 朵),43個組合未獲得雜種后代。
不同的雜交組合親和性各異,并無明顯規(guī)律。根據(jù)結(jié)實率和雜種種子出苗率,篩選出14個親和性較好的雜交組合,包括‘橘紅潮’×美薔薇、‘橘紅潮’×荷花薔薇、‘仙境’×報春刺玫、‘仙境’×腺果大葉薔薇、‘花房’ב紫枝’、‘波塞尼娜’ב大紅紫枝’、‘贊歌’×荷花薔薇、‘薩曼莎’×美薔薇、香水月季×單瓣黃刺玫、香水月季×美薔薇、香水月季×腺果大葉薔薇、香水月季×報春刺玫、香水月季ב大紅紫枝’、‘粉和平’ב北京單瓣白’等,結(jié)實率均在30%以上,且均獲得了雜種后代。經(jīng)2年的觀察發(fā)現(xiàn),大部分雜交不親和的組合在授粉后子房不膨大,1~2周內(nèi)干枯脫落,如‘曼海姆宮殿’ב北京單瓣白’、‘金瑪麗’ב粉紫枝’、‘花房’×黃刺玫。也有少數(shù)組合授粉后子房膨大,但在授粉后1~2月內(nèi)陸續(xù)落果,如‘紅雙喜’×單瓣黃刺玫、‘粉和平’×單瓣黃刺玫。
不同雜交組合的單果種子數(shù)量也存在差異,其中‘贊歌’×美薔薇組合最高,達39粒/果,‘花房’ב紫枝’組合的單果種子數(shù)最少,僅為1.61 粒/果。千粒重反映了種子的飽滿程度,本實驗中,相同母本的雜交組合獲得的種子千粒重有差異,其中以香水月季為母本的組合最為明顯,香水月季×美薔薇組合的種子千粒重為52.11g,而香水月季ב大紅紫枝’組合僅為11.74g,但千粒重與不同組合雜種種子的萌發(fā)能力沒有相關(guān)性。實驗發(fā)現(xiàn),有些雜交親和性好的組合獲得大量雜種種子,但種子萌發(fā)率非常低,甚至不萌發(fā),如‘粉和平’ב北京單瓣白’組合獲得637 粒種子,但僅出苗13 株,出苗率僅為2.04%,香水月季×腺果大葉薔薇組合獲得117粒種子,但均未出苗。
由表5可知,荷花薔薇、報春刺玫、美薔薇、腺果大葉薔薇、單瓣黃刺玫、‘大紅紫枝’與所試多數(shù)現(xiàn)代月季品種均有較高的結(jié)實率,適合作雜交父本。黃刺玫與所有現(xiàn)代月季品種均不結(jié)實,不適合做父本。現(xiàn)代月季與玫瑰的雜交結(jié)實率普遍低于現(xiàn)代月季與其他薔薇屬植物的結(jié)實率,而出苗率普遍高于其他薔薇屬植物,結(jié)實率最高的組合為‘粉和平’ב北京單瓣白’(69.40%),出苗率最高的組合為‘波塞尼娜’ב大紅紫枝’(52.86%)。以其它薔薇屬植物作父本時,結(jié)實率較高的組合有‘薩曼莎’×美薔薇(84.62%),出苗率較高的組合有‘花房’×報春刺玫(21.88%)。
‘橘紅潮’、‘金瑪麗’、‘粉和平’、‘仙境’、‘贊歌’等現(xiàn)代月季品種與較多的父本雜交可以結(jié)實,適合作為雜交母本。其中,‘橘紅潮’與單瓣黃刺玫、報春刺玫、美薔薇、腺果大葉薔薇、荷花薔薇雜交組合的結(jié)實率分別為14.42%、23.26%、47.17%、21.74%、56.25%,但與玫瑰雜交均未獲得果實?!瓞旣悺c單瓣黃刺玫、報春刺玫、美薔薇、腺果大葉薔薇、荷花薔薇、‘白紫枝’雜交的結(jié)實率分別為5.66%、2.13%、3.03%、8.82%、25%、8.45%;‘粉和平’與美薔薇、荷花薔薇、‘大紅紫枝’、‘北京單瓣白’的雜交結(jié)實率分別為5.8%、4.35%、15.6%、69.4%。
表4 雜交母本柱頭的形態(tài)特征Table 4 The stigma morphology of the female parents/μm
表5 37個獲得雜交果實的組合結(jié)實統(tǒng)計表Table 5 Fruit setting and seed germination rates of 37pollination combinations
除黃刺玫外,以香水月季做母本的雜交組合均有較高的結(jié)實率,結(jié)實率最高的組合包括香水月季×腺果大葉薔薇(88.64%)、香水月季×美薔薇(60.00%),但這2個組合種子幾乎不能萌發(fā),雜種種子出苗率較高的組合包括香水月季×報春刺玫(25.00%)、香水月季ב大紅紫枝’(23.81%)、香水月季×單瓣黃刺玫(18.03%)。
遠緣雜交是進行種質(zhì)創(chuàng)新和品種改良的重要途徑,在月季育種中具有非常大的應(yīng)用潛力,但也存在很多問題需要解決,其中,雜交親和性是需考慮的關(guān)鍵問題之一。影響雜交親和性的因素有很多,包括花粉的生活力、花粉形態(tài)、柱頭形態(tài)、親緣關(guān)系、染色體倍性等 。
在雜交育種的過程中,花粉生活力與雜交結(jié)實率有一定的關(guān)系。本實驗中除黃刺玫外,所采用的父本材料的花粉生活力均超過30%,非正?;ǚ勐瘦^低,適于做授粉親本。另外,母本自身的育性也是影響結(jié)實率的關(guān)鍵因子[22],柱頭是接受花粉的部位,其形態(tài)影響到接受花粉、花粉萌發(fā)、花粉管伸長等過程,柱頭表面的乳突形態(tài)則會影響到花粉管進入花柱[23]。對現(xiàn)代月季品種柱頭形態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn),有的柱頭形成2裂片,中間有輕微的凹陷,僅在凹陷處有凸起的乳突細胞,有的柱頭2個裂片非常明顯,乳突細胞飽滿,生長均勻。這兩種形態(tài)為月季柱頭發(fā)育的不同階段,均具可授性,后者為授粉的最適階段。本研究所涉及的薔薇屬植物花粉、柱頭形態(tài)結(jié)構(gòu)相似,對雜交親和性影響不大;但不同種的花粉生活力差異較大,對雜交親和性有一定的影響。張顥等發(fā)現(xiàn)切花月季品種間雜交時,花粉生活力基本與雜交結(jié)實率成正相關(guān)[15],與本實驗結(jié)果基本一致。
本實驗的父本材料中,單瓣黃刺玫、黃刺玫、報春刺玫均為芹葉組,單瓣黃刺玫、報春刺玫與現(xiàn)代月季品種的雜交親和性較好,但黃刺玫與現(xiàn)代月季雜交存在雜交不親和現(xiàn)象,這可能與黃刺玫重瓣性強、非正?;ǚ勐矢?、花粉萌發(fā)率低有關(guān)系。美薔薇、腺果大葉薔薇、玫瑰均為桂味組,美薔薇、腺果大葉薔薇與現(xiàn)代月季雜交親和性好,玫瑰品種中,除‘大紅紫枝’外,其他品種與現(xiàn)代月季的雜交親和性均較差。荷花薔薇為合柱組,其與大部分現(xiàn)代月季品種均獲得了雜交種子和雜交苗,雜交親和性很好?,F(xiàn)代月季品種與芹葉組、桂味組、合柱組的雜交親和性不一致,可能與現(xiàn)代月季品種復(fù)雜而多樣的遺傳來源有關(guān)系。與現(xiàn)代月季品種不同,月季組的香水月季與單瓣黃刺玫(芹葉組)、報春刺玫(芹葉組)、美薔薇(桂味組)、腺果大葉薔薇(桂味組)、玫瑰‘大紅紫枝’均具有較好的雜交親和性。
本實驗中,現(xiàn)代月季品種與玫瑰品種的雜交結(jié)實率普遍低于現(xiàn)代月季與其它薔薇屬植物的雜交組合,而雜種種子出苗率則普遍高于與薔薇屬植物的雜交組合。而在劉佳的實驗中,現(xiàn)代月季品種與玫瑰品種雜交的結(jié)實率較高[17]。這可能與雜交親本的遺傳來源不同有關(guān)系,尚需進一步探討。
雜交親本的染色體倍性相同時雜交易獲得成功,所獲雜種苗也更容易成活[24]。趙丹等[25]對柿(Diospyros kaki)雜交研究時,發(fā)現(xiàn)相同倍性的父、母本雜交親和性大于倍性不同的父、母本。徐順超等[26]發(fā)現(xiàn)不同倍性的百合品種作為親本的雜交親和性不同,雜交后代的倍性也不同,不同倍性百合品種間雜交存在一定程度的不親和性。本試驗中,美薔薇、腺果大葉薔薇為四倍體,其他父本材料均為二倍體,所用的現(xiàn)代月季品種均為四倍體,但現(xiàn)代月季品種與美薔薇、腺果大葉薔薇的雜交結(jié)實率并不高,甚至比與二倍體父本雜交的結(jié)實率還低。香水月季為二倍體,其與腺果大葉薔薇、美薔薇、玫瑰‘大紅紫枝’(二倍體)、報春刺玫(二倍體)、單瓣黃刺玫(二倍體)的結(jié)實率均較高,分別為88.46%、60%、36.36%、34.78%、31.8%,香水月季與四倍體父本材料雜交的親和性要高于與二倍體雜交。說明親本的染色體倍性不是影響薔薇屬植物雜交親和性的最關(guān)鍵因素。
本實驗中,許多組合雜交親和性較高,并獲得了雜交種子,但一些組合的種子不能萌發(fā)或萌發(fā)率較低。近年來,離體胚培養(yǎng)技術(shù)有了很大發(fā)展,已經(jīng)成為遠緣雜交克服雜種胚敗育的主要手段,在百合[27]、葡萄[28]等園藝植物上成功應(yīng)用,為研究遠緣雜交不親和機制展示了可喜的前景。在薔薇屬雜交研究中,Kim 等[29]、林 婭 等[30]、王 麗 花 等[31]、金 菁等[32]先后利用胚挽救方法獲得薔薇屬植物種間雜交后代。在下一步研究中,有必要通過胚挽救技術(shù)來克服薔薇屬植物種間雜種種子萌發(fā)率低的問題。
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圖版Ⅰ 雜交父本的花粉形態(tài)(箭頭所指為非正?;ǚ郏?.單瓣黃刺玫;2.黃刺玫;3.報春刺玫;4.美薔薇;5.腺果大葉薔薇;6.荷花薔薇;7.玫瑰‘大紅紫枝’;8.玫瑰‘粉紫枝’;9.玫瑰‘紫枝’;10.玫瑰‘白紫枝’;11.玫瑰‘北京單瓣白’;12~15.?dāng)∮ǚ坌螒B(tài)。PlateⅠ Pollen population view and abortive pollen morphology of male parents(Arrowheads showed the abortive pollens)Fig.1.R.xanthinaf.normalis;Fig.2.R.xanthina;Fig.3.R.primula;Fig.4.R.bella;Fig.5.R.macrophylla var.glandulifera;Fig.6.R.multifloraf.carnea;Fig.7.R.rugosa‘Dahong Zizhi’;Fig.8.R.rugosa‘Fen Zizhi’;Fig.9.R.rugosa‘Zizhi’;Fig.10.R.rugosa‘Bai Zizhi’;Fig.11.R.rugosa‘Beijing Danbanbai’;Fig.12-15.Abortive pollens.
圖版Ⅱ 雜交母本的柱頭形態(tài)1.‘波塞尼娜’;2.‘贊歌’;3.‘粉和平’;4.‘紅衣主教’;5.‘仙境’;6.‘花房’;7.‘薩曼莎’;8.‘橘紅潮’;9.‘曼海姆宮殿’;10.‘金瑪麗’;11.‘紅雙喜’;12.香水月季。PlateⅡ Stigma morphology of female parents Fig.1.‘Porcelina’;Fig.2.‘Sanka’;Fig.3.‘Pink Peace’;Fig.4.‘Kardinal’;Fig.5.‘Carefree Wonder’;Fig.6.‘Hanabusa’;Fig.7.‘Samantha’;Fig.8.‘Orange Wave’;Fig.9.‘Schloss Mannheim’;Fig.10.‘Goldmarie’;Fig.11.‘Double Delight’;Fig.12.R.odorata.