石竹屬植物染色體倍性、花粉活力及種間雜交結(jié)實(shí)率研究

趙丹丹，馬璐琳，瞿素萍，阮繼偉，盧珍紅，蘇 艷*，周旭紅

(1. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，云南 昆明 650205；2. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所/國(guó)家觀(guān)賞園藝工程技術(shù)研究中心， 云南 昆明 650205；3. 云南集創(chuàng)園藝科技有限公司，云南 晉寧 650600)

【研究意義】香石竹別名康乃馨、麝香石竹，屬石竹科的石竹屬，為多年生宿根草本植物，香石竹(Dianthuscaryophyllus)是著名的“母親節(jié)”之花，代表慈祥、溫馨、真摯、不求代價(jià)的母愛(ài)。香石竹產(chǎn)花量大，栽培的經(jīng)濟(jì)效益較高，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，因地制宜，根據(jù)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)律，發(fā)展香石竹種苗業(yè)和切花業(yè)，是一個(gè)農(nóng)業(yè)持續(xù)高效、農(nóng)民致富的好途徑[1]。【前人研究進(jìn)展】石竹屬(DianthusL.)為1年生、2年生或多年生草本。全球有238余種，廣布于北溫帶，主要分布于歐亞大陸，尤其是地中海地區(qū)，少數(shù)產(chǎn)北美和北非[2]。據(jù)《中國(guó)植物志》記載，中國(guó)石竹屬有17個(gè)種、1個(gè)亞種、9個(gè)變種，多分布于北方草原和山區(qū)草地，大多生長(zhǎng)于干燥向陽(yáng)處，有些種生長(zhǎng)于林緣或林下、荒漠及半荒漠，新疆是中國(guó)本屬植物的分布和分化中心[3-5]。前人研究多集中在香石竹、須孢石竹和常夏石竹等的種間雜交育種上，對(duì)中國(guó)的野生資源中國(guó)石竹和瞿麥的種間雜交研究較少[2]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】石竹新品種大多由國(guó)外的育種公司培育，國(guó)內(nèi)育種公司如采用國(guó)外的品種為父母本進(jìn)行雜交，后代選育的品種在花型和花色上與國(guó)外公司的品種相比變化不大，缺乏強(qiáng)有力的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】利用中國(guó)現(xiàn)有的石竹屬野生種質(zhì)資源，開(kāi)展對(duì)石竹屬植物染色體倍性、花粉活力及雜交組合的親合性研究，對(duì)石竹新品種培育和推進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，具有積極的重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年8月在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所寶峰基地進(jìn)行，選用石竹屬的5個(gè)種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它們分別是香石竹(Dianthuscaryophyllus)、瞿麥(Dianthussuperbus)、中國(guó)石竹(Dianthuschinensis)、須孢石竹(Dianthusbarbatus)和常夏石竹(Dianthusplumarius)，其中香石竹供試品種有大花香石竹‘Nogalte’, 多頭香石竹‘D.P Barbara’、‘Thomas’、‘Red Barbara’、‘NH6’(單瓣中間材料)、‘NH10’(單瓣中間材料)和盆栽香石竹‘冬梅’； 須孢石竹供試品種有頭石竹(Dianthusbarbatusvar.asiaticusNakai)和須孢石竹(Dianthusbarbatus)，頭石竹為須孢石竹的一個(gè)變種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 染色體觀(guān)察 0.0005 mol/L 8-羥基喹啉液處理0.1～0.5 cm根尖24 h，預(yù)處理后用卡諾氏I固定液固定2～24 h，用蒸餾水清洗3次，再轉(zhuǎn)入70 %酒精保存并放于4 ℃冰箱中。取出保存的材料，將材料置于1 mol/L鹽酸中，在室溫條件下酸解20 min。處理后將材料清洗3次，用卡寶品紅染色30 min，統(tǒng)計(jì)其染色體的數(shù)目。

1.2.2 花粉活力測(cè)定 采用醋酸洋紅染色測(cè)定法。取石竹屬植物3朵花，將每朵花的花粉置于載玻片上，加2滴1 %醋酸洋紅溶液，混勻，蓋上蓋玻片，在顯微鏡下觀(guān)察。共統(tǒng)計(jì)花粉1500粒以上，計(jì)算花粉的活力。花粉活力百分?jǐn)?shù)(%) =(著色花粉數(shù) / 觀(guān)察花粉數(shù))× 100。

1.2.3 雜交結(jié)實(shí)情況 選取石竹屬不同的種進(jìn)行種間雜交，選定的母本在花朵開(kāi)放前的1～2 d去雄，對(duì)去雄的柱頭進(jìn)行套袋。待柱頭卷曲且長(zhǎng)有絨毛時(shí)，在柱頭上授以新鮮的花粉，不同雜交組合各授粉50朵花。授粉后立即套袋，并在標(biāo)記牌上記錄。授粉10 d左右去袋，觀(guān)察結(jié)實(shí)情況。膨大率(%)=(膨大花朵數(shù) / 授粉花朵數(shù)) × 100 ，結(jié)實(shí)率(%)=(結(jié)實(shí)花朵數(shù) / 授粉花朵總數(shù))× 100，每果種子數(shù)(親合指數(shù)) = 收獲種子數(shù) / 授粉花朵總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 石竹屬植物染色體倍性測(cè)定

采用常規(guī)壓片法對(duì)石竹屬植物進(jìn)行染色體倍性鑒定，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)石竹屬植物為二倍體(2n = 2x = 30)，其中包括大花香石竹‘Nogalte’、多頭香石竹‘D.P Barbara’、‘Thomas’、‘Red Barbara’、‘NH6’、‘NH10’和盆栽香石竹‘冬梅’、石竹屬的瞿麥、中國(guó)石竹、頭石竹和須孢石竹(圖1 A～V)，而常夏石竹為六倍體(2n = 6x = 90)(圖1 W和圖1 X)。

2.2 花粉活力測(cè)定

測(cè)定香石竹的7個(gè)品種(‘Nogalte’、‘D.P Barbara’、‘Thomas’、‘Red Barbara’、‘NH6’、‘NH10’、‘冬梅’)、瞿麥、中國(guó)石竹、須孢石竹的2個(gè)品種(頭石竹、須孢石竹)和常夏石竹的花粉活力(表1)，發(fā)現(xiàn)上述石竹屬植物花粉活力較高，為69.17 %～94.97 %，其中花粉活力最高的是單瓣中間材料‘NH10’，為94.97 %，其次是常夏石竹，為93.34 %，再次是‘Thomas’，為92.1 %，最低的是香石竹多頭品種‘Red Barbara’，為69.17 %。

2.3 雜交結(jié)實(shí)情況

不同石竹種間雜交座果率和每果種子數(shù)各不相同，高的組合座果率達(dá)100 %，低的組合座果率為0 %；每果種子數(shù)在0 ～ 42.64顆。其中‘瞿麥’ב石竹’種間雜交組合座果率和每果種子數(shù)最高，其次是‘頭石竹’ב中國(guó)石竹’種間雜交組合，再次是‘瞿麥’בRed Barbara’ 種間雜交組合，最低是為‘D.P Barbara’ב中國(guó)石竹’和‘Nogalte’ב瞿麥’，種間雜交組合座果率為0 %，每果種子數(shù)為0。除了D.P Barbara’ב中國(guó)石竹’、‘Nogalte’ב瞿麥’和‘瞿麥’בD.P Barbara’ 種間雜交組合每果種子數(shù)小于1以外，其余種間雜交組合每果種子數(shù)大于1顆，種間雜交具有親合性。常夏石竹為六倍體，而須孢石竹和中國(guó)石竹為二倍體，‘常夏石竹’ב須孢石竹’和‘常夏石竹’ב中國(guó)石竹’座果率分別為36 %和48 %，每果種子數(shù)分別為1.72顆和2.06顆，不同倍性石竹種間雜交也具有一定的親合性。

A：‘Nogalte’；B：‘Nogalte’染色體 (2n = 2x = 30) ； C：‘D.P Barbara’； D：‘D.P Barbara’染色體 (2n = 2x = 30)； E：‘Thomas’； F：‘Thomas’染色體 (2n = 2x = 30)； G：‘Red Barbara’； H：‘Red Barbara’染色體 (2n = 2x = 30)； I：‘NH6’； J：‘NH6’染色體 (2n = 2x = 30)； K：‘NH10’； L：‘NH10’染色體 (2n = 2x = 30)； M：‘冬梅’； N：‘冬梅’染色體 (2n = 2x = 30)； O：瞿麥； P：瞿麥染色體 (2n = 2x = 30)； Q：中國(guó)石竹； R：中國(guó)石竹染色體 (2n = 2x = 30)； S：頭石竹； T：頭石竹染色體 (2n = 2x = 30)； U：須孢石竹； V：須孢石竹染色體 (2n = 2x = 30)； W：常夏石竹； X：常夏石竹染色體 (2n = 6x = 90)A: Flower of ‘Nogalte’; B: Chromosome of ‘Nogalte’ (2n = 2x = 30); C: Flower of ‘D.P Barbara’; D: Chromosome of ‘D.P Barbara’ (2n = 2x = 30); E: Flower of ‘Thomas’; F: Chromosome of ‘Thomas’ (2n = 2x = 30); G: Flower of ‘Red Barbara’; H: Chromosome of ‘Red Barbara’ (2n = 2x = 30); I : Flower of ‘NH6’; J: Chromosome of ‘NH6’ (2n = 2x = 30); K: Flower of ‘NH10’; L: Chromosome of ‘NH10’ (2n = 2x = 30); M: Flower of ‘DongMei’; N: Chromosome of ‘DongMei’(2n = 2x = 30); O: Flower of Dianthus superbus; P: Chromosome of Dianthus superbus (2n = 2x = 30); Q: Flower of Dianthus chinensis; R: Chromosome of Dianthus chinensis (2n = 2x = 30); S: Flower of Dianthus barbatus var. asiaticus Nakai; T: Chromosome of Dianthus barbatus var. asiaticus Nakai (2n = 2x = 30); U: Flower of Dianthus barbatus; V: Chromosome of Dianthus barbatus (2n = 2x = 30); W: Flower of Dianthus plumarius; X: Chromosome of Dianthus plumarius (2n = 6x = 90)圖1 石竹屬植物的花和染色體數(shù)量Fig.1 The flowers and number of chromosomes of Dianthus species

表1 石竹屬植物的花粉活力Table 1 Pollen vitality of Dianthus species

表2 石竹屬雜交授粉試驗(yàn)座果率與每果種子數(shù)Table 2 The percentage of fertile fruit and seed number per fruit of Dianthus species

3 討 論

Andersson-Kott?和 Gairdner對(duì)石竹屬種間雜交進(jìn)行研究[2]，發(fā)現(xiàn)‘常夏石竹’ב須孢石竹’雜交可收到少量的種子，‘須孢石竹’ב香石竹’雜交具有一定的親合性，而反交‘香石竹’× ‘須孢石竹’雜交不親合，但對(duì)瞿麥為親本的雜交組合沒(méi)有進(jìn)行研究。本項(xiàng)目以瞿麥做為母本進(jìn)行種間雜交，發(fā)現(xiàn)雜交具有親合性，且‘瞿麥’ב中國(guó)石竹’種間雜交組合親合性最高。以瞿麥做為父本，‘須孢石竹’ב瞿麥’親合指數(shù)為1.68，‘中國(guó)石竹’ב瞿麥’親合指數(shù)為1.76；而以瞿麥做母本，‘瞿麥’ב須孢石竹’親合指數(shù)為3.2； ‘瞿麥’ב中國(guó)石竹’親合指數(shù)為42.64，由此可見(jiàn)，瞿麥在種間雜交中適合作母本。頭石竹為須孢石竹的變種，‘頭石竹’ב須孢石竹’親合指數(shù)小于‘須孢石竹’ב頭石竹’，可采用‘須孢石竹’ב頭石竹’雜交組合進(jìn)行新品種培育。

雜交親本的基因型也是影響親和力大小的重要因素[6]。試驗(yàn)中瞿麥為母本， 香石竹‘D.P Barbara’、‘ Thomas’、‘ Red Barbara’、‘ NH6’、‘ NH10’和‘冬梅’為父本進(jìn)行雜交，雜交親合指數(shù)分別為0.9、3.22、2.94、13.0、2.14 和2.48瞿麥和‘NH6’雜交親和性最高，瞿麥和‘D.P Barbara’雜交親和性最低。

染色體倍性和物種間親緣關(guān)系遠(yuǎn)近直接影響雜交親和性[7-8]。‘D.P Barbara’ב中國(guó)石竹’雜交不親合，‘頭石竹’ב中國(guó)石竹’雜交親合性較高，本試驗(yàn)中頭石竹和中國(guó)石竹屬于同一分組[4]，可能是因?yàn)槲锓N的親緣關(guān)系較近，導(dǎo)致其雜交親合性高。試驗(yàn)中瞿麥和中國(guó)石竹的親緣關(guān)系雖相對(duì)較遠(yuǎn)[4]，但雜交親合性卻很高，推測(cè)亦可能有其它因素決定著其雜交親和性。

本項(xiàng)目采用常規(guī)壓片法檢測(cè)石竹屬植物的倍性，除常夏石竹為六倍體外其余4個(gè)種的植物都為二倍體，這與前人的研究成果一致[9]。種間雜交發(fā)現(xiàn)倍性差異較大的‘常夏石竹’ב須孢石竹’和‘常夏石竹’ב中國(guó)石竹’雜交可以結(jié)籽，具有親合性。而在菊花的雜交育種研究中，低倍性與高倍性(如二倍體與四倍體、六倍體)間倍性差異較大，種間雜交未能結(jié)籽[10]。本研究與其它屬的不同倍性雜交組合的親和性結(jié)果不一致，可能石竹屬雜交親和性不單純與物種間的倍性及遺傳距離相關(guān)，雜交不親和機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，還有待于進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

石竹屬植物中大多數(shù)為二倍體，包括大花香石竹‘Nogalte’、多頭香石竹‘D.P Barbara’、‘Thomas’、‘Red Barbara’、‘NH6’、‘NH10’和盆栽香石竹‘冬梅’、瞿麥、中國(guó)石竹、頭石竹和須孢石竹，而常夏石竹為六倍體；石竹屬植物花粉活力較高，在69.17 % ～ 94.97 %；在石竹種間雜交中，瞿麥適合作母本，采用‘須孢石竹’ב頭石竹’雜交組合結(jié)實(shí)率高，六倍體常夏石竹做母本與二倍體須孢石竹和中國(guó)石竹雜交具有一定的親和性。