木薯二倍體及其同源四倍體開花結實特性的比較

李恒銳 陳會鮮 楊海霞 張秀芬 何文 梁振華 郭素云 劉連軍 黎萍 陳海生 嚴華兵

摘? 要：以木薯品種‘新選048和‘華南205的二倍體及其同源四倍體為材料，采用定株觀察的方法，比較二倍體及其同源四倍體開花結實特性的差異，探究染色體加倍后對木薯開花結實特性的影響，為開展木薯多倍體材料創(chuàng)制及鑒定提供科學參考。結果表明：2個木薯品種四倍體的開花結實物候期都要遲于二倍體，且四倍體的雌花、雄花、花藥、果實、種子的形態(tài)大小均大于二倍體;2個木薯品種不同倍性間花藥分布情況存在差異，‘新選048的四倍體會出現(xiàn)兩性花且其雌花花被顏色與二倍體存在明顯差異;2個木薯品種不同倍性間開花及坐果數量也存在不同程度的差異，其中‘新選048四倍體的單序總花量和雌、雄花總量顯著大于二倍體的，但2個品種在不同倍性間開花及坐果數量的差異中呈現(xiàn)不同的規(guī)律。因此，木薯染色體加倍，可延遲開花結實的時間，增加生殖器官的大小，改變花形態(tài)特征和雌雄花的數量及花總量，但這種改變具有品種依賴性。

關鍵詞：木薯;二倍體;四倍體;開花結實特性;差異

中圖分類號：S330? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In this study， the diploid and its autotetraploid of ‘Xinxuan 048 and ‘SC205 were used as the test variety， and the differences of flowering and fruiting characteristics in the diploid and autotetraploid were compared using the method of fixed-plant observation to explore the effect of cassava chromosome doubling on flowering and fruiting characteristics， and provide scientific reference for the creation and identification of cassava polyploid material. The flowering and fruiting phenotypes of the tetraploids of the two cassava varieties were later than that of the diploid， and the size of the male and female flowers， anthers， fruits and seeds of the tetraploid was larger than that of the diploid. There were differences in anther distribution between different ploidy varieties of the two cassava varieties， and there were significant differences in the color of different ploidy female flowers in ‘Xinxuan 048. Bisexual flowers appeared in the tetraploids of ‘Xinxuan 048. There were also differences in the number of flowering and fruit setting between different ploidy cassava. The total single flower mass and total number of female or male flowers of the tetraploid of ‘Xinxuan 048 were significantly larger than those of the diploid， but the difference of ‘SC205 was not significant. Therefore， doubling the chromosome of cassava can delay the flowering time， increase the size of the reproductive organs， change the flower morphological characteristics and the number of male and female flowers and the total amount of flowers， but the change is different due to variety difference.

Keywords： cassava; diploid; tetraploid; flowering and fruiting characteristics; difference

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.011

木薯（Manihot esculenta Crantz）是大戟科（Euphorbiaceae）木薯屬（Manihot）植物。它被稱為“全球第六大糧食作物”“世界三大薯類作物之一”“熱區(qū)第四大食物能量供給作物”。隨著石化資源的日益枯竭，木薯已成為我國生物質能源產業(yè)發(fā)展的重要資源，并最終被確定為我國中長期新能源戰(zhàn)略中的重點發(fā)展方向。因此，木薯產業(yè)的發(fā)展對我國的糧食安全和新能源的發(fā)展具有舉足輕重的作用。然而，高產、優(yōu)質木薯種質資源的匱乏是當前我國木薯產業(yè)發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)之一[1]。Soltis等[2]通過研究發(fā)現(xiàn)，多倍體植株在生物學特性上能表現(xiàn)出根、莖、葉等營養(yǎng)器官的巨大性，并具有產量提高、品質提升、抗逆性增強等特點。前人利用二倍體與四倍體雜交的方式創(chuàng)制出來的多倍體如丹參[3]、西瓜[4]、梨[5]、玉米[6]、甜葉菊[7]、柑橘[8]等均表現(xiàn)出了強優(yōu)勢。因此，多倍體育種為木薯高產、優(yōu)質資源的創(chuàng)制提供新的研究思路。研究二倍體及其同源四倍體的開花結實特性的差異可了解不同倍性木薯品種的開花結實規(guī)律，并能根據其開花結實規(guī)律有針對性地采取不同的育種措施，來提高多倍體材料鑒定及育種的效率，對木薯的育種具有積極的意義。

目前，對于木薯二倍體及其同源四倍體的比較研究主要集中在葉片形態(tài)特征及其解剖學結構[9-10]、農藝性狀[11-13]、抗旱[14]、分子遺傳學[15]、淀粉積累及光合特性[11-13]等方面，而關于木薯二倍體及其同源四倍體開花結實特性的研究鮮見報道。為了更好地充實該領域的研究，本試驗以具有育種價值的木薯品種‘新選048和‘華南205的二倍體及其同源四倍體為材料，通過定株觀察木薯的開花結實物候期、開花特性、果實及種子生長發(fā)育動態(tài)變化規(guī)律，找出不同倍性間木薯開花結實特性的差異規(guī)律，以期為木薯多倍體材料的創(chuàng)制、鑒定和雜交利用提供科學參考。

1? 材料與方法

1.1? 材料

1.1.1? 材料? ‘新選048和‘華南205的二倍體及其同源四倍體（兩者均為廣西主栽木薯品種）。其中二倍體（2x）材料（染色體數為2n=2x=36條），來源于廣西南亞熱帶農業(yè)科學研究所木薯種質資源圃;四倍體（4x）材料（染色體數為2n=4x=72條），由廣西農業(yè)科學院經濟作物研究所木薯課題組鑒定后提供。

1.1.2? 試驗地概況? 試驗地位于廣西南亞熱帶農業(yè)科學研究所木薯雜交育種基地，地處北緯22°20′26″，東經106°47′39″，海拔330 m。該試驗地屬南亞熱帶季風氣候，試驗期間（2018年）的年均氣溫為22.6 ℃，極端最高溫為40.9 ℃（6月3日），極端最低溫為2 ℃（12月20日），最熱月均氣溫為27.5 ℃，最冷月均氣溫為19.9 ℃，平均降水量為1392.7 mm，年均相對濕度為86%，年均蒸發(fā)量1113.9 mm，全年無霜期為359 d。土壤為紅壤，為促進木薯自然開花，試驗地常年不施肥料，其基礎養(yǎng)分檢測結果為：有機質33.9 g/kg，全氮1.73 g/kg，全磷0.905 g/kg，全鉀3.4 g/kg，水解性氮130 mg/kg，有效磷0.451 mg/kg，速效鉀42.8 mg/kg，pH 4.3。

1.2? 方法

1.2.1? 試驗設計? 本試驗共設4個處理，即‘新選048二倍體、‘新選048四倍體、‘華南205二倍體、‘華南205四倍體，每個處理設3次重復，株行距為2 m×2 m，每小區(qū)面積為60 m2，覆蓋除草地膜，全生育期不施肥。種植時間為2018年3月15日，收獲時間為2019年1月18日。植株約高1 m時，每個處理分別選取生長健壯、長勢一致的植株5株，分株編號，掛牌標識，設為日后固定觀測的對象。

1.2.2? 開花結實物候期觀測? 主要觀測的物候期包括：現(xiàn)蕾期（小區(qū)30%植株現(xiàn)蕾）、初花期（小區(qū)30%植株開花）、盛花期（小區(qū)80%植株開花）、結實期（小區(qū)30%植株結有可視0.5 cm左右果實）、果熟期（小區(qū)30%果實尖端微裂，果皮由光澤變粗糙）、落果期（小區(qū)30%果實成熟崩裂后散落種子）。

1.2.3? 開花特性的觀察測定? 每個掛牌植株選擇1個花序掛牌標記。在盛花期觀測每個掛牌花序的雌、雄花數量，并選取花被片完全展開的雌、雄花各5朵，記錄雌、雄花部形態(tài)特征。與此同時，分階段每周標記累加統(tǒng)計每個觀測單株的雌雄花數量。于果實成熟期觀測記錄每個花序的坐果數，并統(tǒng)計單個花序的坐果率，公式如下：單序坐果率=單序坐果數/單序雌花數量×100%。

1.2.4? 果實及種子發(fā)育特征的觀察測定? 雌花開放后每隔10 d采樣1次，直至果實成熟，每次采集5個果實，觀察記錄木薯果實發(fā)育規(guī)律。利用游標卡尺測量其橫徑和縱徑大小，后用手術刀縱切果實取出種子，再測量種子的橫徑、縱徑大小。

1.3? 數據處理

采用Microsoft Office Excel 2007軟件對原始數據進行整理計算和繪圖，并采用DPS 7.05軟件對數據進行統(tǒng)計分析。

2? 結果與分析

2.1? 不同倍性間木薯品種開花結實物候比較

開花結實物候是繁殖生物學研究的重要內容之一[16]。將木薯開花結實物候期劃分為6個階段，分別為現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期、結實期、果熟期、落果期。從表1可知，‘新選048各物候期要早于‘華南205，以‘新選048二倍體最早，‘華南205四倍體最晚，表明‘新選048二倍體能夠最快完成從現(xiàn)蕾到果實成熟的過程。從現(xiàn)蕾、初花、盛花、結實、果熟、落果期看，‘新選048和‘華南205二倍體各物候期都要早于四倍體，其中‘新選048二倍體較四倍體在6個階段分別提前2、2、1、4、4、6 d，而‘華南205二倍體較四倍體分別提前5、6、4、6、10、7 d。這表明四倍體的開花結實會比二倍體有所延遲。

2.2? 不同倍性間木薯品種開花特性的比較

2.2.1? 不同倍性間木薯品種開花及座果數量的比較? 從表2可知，‘新選048不同倍性間木薯品種的開花及坐果數量的相關指標的增幅在56.79%～15.11%之間變化，而‘華南205的增幅在6.72%～12.12%之間變化;在比較不同品種間開花及座果相關指標的增幅大小時發(fā)現(xiàn)，兩品種除了單序坐果數的增幅方向（正負）相同以外，其他指標的增幅方向均呈相反的方向;比較木薯不同倍性間開花及坐果數量的差異顯著性時，結果發(fā)現(xiàn)‘華南205不同倍性間開花及坐果數量均差異不顯著，‘新選048不同倍性間在單序雌花數量、單序雄花數量、單序坐果數、坐果率等方面的差異也不顯著，但‘新選048二倍體的單序總花量、雌花總數量、雄花總數量顯著高于四倍體;比較不同倍性的雌雄花的比值時，結果發(fā)現(xiàn)‘新選048二倍體的雌雄花比值大于四倍體，而‘華南205不同倍性的雌雄花比值基本持平。這說明木薯染色加倍后可改變其開花及坐果數量，但這種改變會因品種的不同而朝著不同的方向發(fā)展，改變的大小也會因品種而異。

2.2.2? 不同倍性間木薯花部形態(tài)特征的比較? 從表3可知，四倍體木薯的雌雄花的橫徑均大于二倍體的雌雄花的橫徑，其中2個木薯品種不同倍性間雄花的橫徑差異均達到顯著性水平。從圖1可知，不同倍性間木薯品種花部形態(tài)特征有相同之處也有不同之處。就雄花而言，2個木薯品種不同倍性間雄花的顏色無差異，但四倍體雄花花藥較二倍體肥厚，并且黃色花藥側生于白色花絲上，花絲貼生與花被片，而二倍體的雄花花藥則集中在中部或分散在花瓣上;就雌花而言，‘新選048二倍體雌花花被為白色（花被片中脈及兩側為淺紅色），四倍體雌花花被為粉色（花被片中脈及兩側為紅色），而‘華南205二倍體與四倍體雌花均為乳黃色（花被片中脈及兩側為粉色）;就子房顏色而言，2個木薯品種不同倍性間的子房顏色均相同，‘新選048為綠色，‘華南205為綠紫色;就花的性別種類而言，‘新選048四倍體木薯植株出現(xiàn)了兩性花（既有花柱又有花藥）。這表明木薯四倍體的花和花藥的形態(tài)大小均大于二倍體，且花藥分布情況、雌花顏色、花的性別種類與二倍體也有著明顯的差異，但不同木薯品種的差異規(guī)律不盡相同。

2.3? 不同倍性間木薯品種果實及種子發(fā)育特性比較

2.3.1? 不同倍性間木薯品種果實發(fā)育特性比較? 木薯果實從發(fā)育初期即花期過后至果實成熟的整個生長發(fā)育過程約經歷120 d。本試驗從花期過后的40 d開始每隔10 d觀察一次果實的發(fā)育情況。由圖2、圖3、圖4可知，2個品種不同倍性間果實縱、橫徑總體上均隨著時間的推移呈上升趨勢;從果實的縱、橫徑大小數值來看，‘新選048四倍體縱、橫徑在各觀察期內均高于二倍體，而‘華南205四倍體在花期過后的前80 d的果實縱、橫徑與二倍體的相差不大，但80 d后卻高于二倍體。這說明木薯品種四倍體的果實也能正常發(fā)育，并且果實大小均不同程度的大于二倍體，但不同品種四倍體種子增大程度和增大時期存在一定的差異。

2.3.2? 不同倍性間木薯品種種子發(fā)育特性比較? 從圖5、圖6、圖7可知，各處理的種子縱、橫徑均隨著時間的推移呈不斷增大的趨勢，‘新選048四倍體的縱、橫徑在各觀察期均大于二倍體，僅在前110 d不同倍性間的差異較大，而在110 d后兩者的差異很小;‘華南205四倍體的縱徑在110 d之前均大于二倍體，且差異較大，但在110 d后兩者趨于持平;‘華南205四倍體的橫徑在各觀察期均大于二倍體，且在90、100、120 d三個觀察期的差異較大，其他時期差異不大。這說明木薯四倍體的種子大于二倍體，且這種優(yōu)勢在種子發(fā)育前期較明顯。

3? 討論

本研究結果顯示，木薯四倍體的開花結實物候要滯后于二倍體的。這可能是因為二倍體營養(yǎng)積累時間快于四倍體，能夠更早地完成從營養(yǎng)生長到生殖生長的過程[17]。因此，在開展木薯二倍體與四倍體雜交組配時，應根據兩者物候期的特點，錯開種植時間，以達到花期相遇的目的，從而提高育種效率。童俊[18]和周媛[19]分別對紫薇、盾葉薯蕷的二倍體及其四倍體開花結實物候進行觀測，結果表明四倍體的開花結實物候期較二倍體稍有延遲，這一結果與本研究觀測結果一致。然而，植物開花結實物候不僅與植物本身的遺傳特性有關，還與環(huán)境條件中的緯度、海拔、光照、溫度和濕度等環(huán)境因子有著密切的聯(lián)系。因此，在今后的研究中還應開展多年多點試驗來進行物候觀測，以驗證這一試驗結論，從而得到一個較為明確的評價。

通過比較木薯二倍體及其四倍體的各生殖器官形態(tài)大小時發(fā)現(xiàn)，2個木薯品種四倍體的雌花、雄花、花藥、果實、種子均大于二倍體的。許多作物的染色體加倍后也呈現(xiàn)出與本研究結果相似的現(xiàn)象。如牛維和等[20]對君子蘭進行了人工多倍體誘導，結果獲得了大型花和厚花瓣的新品種;劉選明等[21]在比較黃花菜二倍體及其四倍體的植株解剖結構時，結果發(fā)現(xiàn)四倍體的各器官均增大，且四倍體的花粉粒明顯大于二倍體的;童俊等[22]用秋水仙素誘導紫珠，結果發(fā)現(xiàn)紫珠四倍體的花徑和果徑均大于二倍體的。因此，在進行多倍體材料鑒定時，可將木薯生殖器官的形態(tài)大小作為表型鑒定指標。

此外，在本研究中，同一品種不同倍性木薯品種在開花及坐果數量、花部顏色、花器官分布特征、花性別種類等4個方面均存在不同程度的差異，但不同木薯品種的差異大小及差異規(guī)律不完全相同。表型指標的差異是由植物中基因表達差異所導致的，而造成這種表達差異的原因可能是基因劑量效應差異，也可能是表觀遺傳差異，而不同木薯品種多倍體的開花及坐果數量、花部形態(tài)特征、花朵種類的表達變異的原因可能也不同，從而呈現(xiàn)出不同的差異大小和差異規(guī)律。因此，開花及坐果數量、花部顏色、花器官分布特征、花性別種類等4個性狀不宜作為所有木薯多倍體材料鑒定的表型指標。

4? 結論

綜上可得，木薯染色體加倍，可延遲開花結果時間，增加生殖器官的大小，并改變雌雄花的數量、總開花量、花形態(tài)特征，但對花的數量及特征的影響會因為品種的不同而呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。因此，在木薯多倍體育種中，可根據不同倍性間開花結實特性的差異規(guī)律，有針對性地錯開二倍體和四倍體的種植時間，并采取相應的促花促果措施，以提高雜交效率;而在木薯多倍體鑒定中，木薯生殖器官的形態(tài)大小可作為主要的表型鑒定指標，而開花及坐果數量、花部顏色、花器官分布特征、花性別種類等指標可作為輔助表型鑒定指標。

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