毛白楊雄花發(fā)育特征及少粉型種質(zhì)選擇與成因分析

劉春鵬，張曉華，徐振華，杜克久，李計達(dá)，李向軍，李新利

（1.河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，河北省林木良種技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050061；2.武安市林業(yè)局，河北 武安 056300；3.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000）

毛白楊Populus tomentosa是我國特有的鄉(xiāng)土樹種[1]，具有高大挺拔、速生、材質(zhì)優(yōu)良等特點，是我國北方用材、防護(hù)、景觀林營建的主要樹種之一。近年來，為了避免毛白楊雌株“飛絮”造成的環(huán)境污染，在各種造林工程和林業(yè)生產(chǎn)過程中，大多選擇雄株替代雌株。然而，雄株毛白楊卻能產(chǎn)生大量花粉，成為過敏人群的巨大隱患?；ǚ圻^敏已成為世界上普遍存在的季節(jié)性流行病[2]，而且發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，預(yù)計將有35%左右的人患花粉癥[3]。在我國，花粉過敏的發(fā)病率為0.5%～ 1.0%，高發(fā)病區(qū)的發(fā)病率甚至達(dá)5%，患者數(shù)量達(dá)到幾千萬之多[4-5]。為了避免或減少由于毛白楊種植造成的花粉危害，本研究基于毛白楊優(yōu)良雄株篩選的基礎(chǔ)上，監(jiān)測了其花序的發(fā)育進(jìn)程，并對篩選的10 份優(yōu)良種質(zhì)的花序形態(tài)、產(chǎn)粉量進(jìn)行了測定，初步篩選出了無花粉或少粉型優(yōu)良種質(zhì)；同時，利用顯微技術(shù)，從花藥發(fā)育及花藥開裂方面，初步探索了毛白楊種質(zhì)不產(chǎn)粉或少產(chǎn)粉的原因，以期為無花粉或少粉型雄株毛白楊的選育提供技術(shù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采集于河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院內(nèi)。該地地理坐標(biāo)為114°28′ E，38°08′ N，隸屬于河北省石家莊市新華區(qū)，北依滹沱河，西臨太行山。氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季差異分明，降水多集中于夏季，分布不均，年均降水量為552.8 mm。年均氣溫為12.9℃，7 月氣溫最高，最高氣溫為41.5℃，1 月氣溫最低，最低氣溫為－19.3℃，無霜期約200 d。土壤為砂壤土，pH值約為7.5，富含有機(jī)質(zhì)。

選擇健壯、優(yōu)良的成年毛白楊雄性單株種質(zhì)（所選種質(zhì)資源大多為20 世紀(jì)70—80 年代于河北省內(nèi)各地市搜集而來的毛白楊優(yōu)良種質(zhì)），以花粉散播量為指標(biāo)，于2018—2019 年連續(xù)2 年對毛白楊1316、84K 楊、新疆楊、窄冠1 號、窄冠3 號、金白楊、1601、1602、1603、LE01、毛白楊雄株1～ 15 號共25 份種質(zhì)進(jìn)行了初步篩選，篩選出了9 份花粉散播量相對較少的種質(zhì)，分別為1601、1602、1603、15 號、5 號、7 號、11 號、14號、LE01（這9 份毛白楊種質(zhì)為編號）。2020 年，本試驗以這9 份種質(zhì)資源為試驗材料，毛白楊1316 為對照（CK，該種質(zhì)于2010 年通過了河北省良種審定，良種編號：S-SC-PT-019-2010，且為河北省范圍內(nèi)廣泛種植的毛白楊良種，具有一定的代表性和普遍性），開展了相關(guān)試驗研究。

1.2 試驗方法

1.2.1 雄花花序發(fā)育進(jìn)程觀察 以毛白楊1316 為觀察對象，利用forsafe H805 定時相機(jī)高清4K 延時攝影機(jī)，于2020 年2 月10 日至4 月10 日（2019 年6 月花芽開始分化至2020 年4 月試驗結(jié)束期間，未出現(xiàn)極寒、極熱等反常氣候），選取毛白楊1316（樹齡為46 年，胸徑為86 cm）樹冠中部花枝上的20 個花序，對其發(fā)育情況進(jìn)行定時監(jiān)測，設(shè)置每24 h 拍照并記錄一次，于花序敗落后取下攝影機(jī)，導(dǎo)出照片，并進(jìn)行觀察和分析，依據(jù)花序發(fā)育的不同表現(xiàn)特征劃分其物候期。結(jié)合室內(nèi)水培，選取典型花序照片記錄物候期。

1.2.2 花序形狀及散粉情況調(diào)查 在花藥成熟未散粉前（2020 年3 月7 日），利用升降梯在各種質(zhì)的中部按照上、中、下位置分別選取20 個花序，將其中10 個花序取下，在實驗室內(nèi)測量其長度及中部的直徑；另外10 個花序保留在樹體上，加裝紙袋收集花粉，待其散粉完全后，取下紙袋，收取花粉，稱其鮮質(zhì)量，105℃烘干后稱其干質(zhì)量，并計算每個種質(zhì)的每個花序的花粉鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的平均值。

1.2.3 花藥發(fā)育解剖觀察 2020 年2 月中旬，集中采集各種質(zhì)的花枝10 個，室內(nèi)水培，待其花序開始伸長后，每隔12 h 用鑷子摘取花序中的花藥，去除苞片，置于體式顯微鏡下進(jìn)行觀察，觀察花藥的發(fā)育狀態(tài)以及開裂情況。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 和DPS 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 毛白楊1316 雄花序的發(fā)育進(jìn)程

圖1A 至圖1D 為毛白楊1316 雄花序不同發(fā)育階段的照片，展現(xiàn)了其不同發(fā)育階段的形態(tài)特征。表1 統(tǒng)計了毛白楊1316 雄花序不同發(fā)育階段的具體時間。如圖1 和表1 所示，毛白楊1316 雄花序從花芽膨大、伸出到花序干枯脫落持續(xù)30 d 左右。2 月中旬，花芽開始逐漸膨大，花序軸緩慢伸長，歷時11 d 左右，3 月初，花序開始伸長，花藥由黃綠色漸變?yōu)榧t色，歷時7 d 左右；3 月上旬末或中旬初，花藥開裂開展、散粉，散粉時間為5 d 左右；3 月中下旬，花藥失水收縮，變?yōu)楹稚?，體積縮小，逐漸干枯，歷時4 d。

圖1 不同時期毛白楊1316 雄花序的發(fā)育狀態(tài)Figure 1 Inflorescence development of P.tomentosa ‘1316’

表1 毛白楊1316 雄花序發(fā)育進(jìn)程及形態(tài)Table 1 Date and description of development of inflorescence in P.tomentosa ‘1316’

2.2 不同種質(zhì)毛白楊雄花序的形態(tài)及散粉情況

對不同種質(zhì)毛白楊雄花序的長度、直徑以及散粉質(zhì)量進(jìn)行測定和統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。由表2 可知，就花序形態(tài)而言，毛白楊1316、11 號、1603、1601、7 號種質(zhì)的花序長度較長，LE01、1601、1603、11 號、7 號種質(zhì)的花序直徑較大，因此，總體而言，11 號、1603、1601、7 號種質(zhì)的花序體積較大；毛白楊1316、1602、11 號、7 號、1603 種質(zhì)的花序的長度/直徑值較大，說明其花序的形態(tài)發(fā)育比較完全，其余種質(zhì)的花序較為短粗；就散粉量而言，1603、15 號、1602、5 號以及7 號種質(zhì)的散粉鮮質(zhì)量和干質(zhì)量較低，其中，以1603 和15 號種質(zhì)的最低。

表2 不同種質(zhì)毛白楊的雄花序形態(tài)及散粉質(zhì)量比較Table 2 Inflorescence morphology and pollen production from different germplasm of P.tomentosa

2.3 不同種質(zhì)毛白楊雄株的花藥發(fā)育進(jìn)程

如圖2 所示，通過體式顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，無粉或少粉毛白楊單株（1603）的花序在前期正常伸長，發(fā)育正常，花藥正常開裂，在中后期發(fā)育遲滯，花藥干癟，花粉粒粘連，導(dǎo)致無法正常散粉，而CK 的花序發(fā)育正常，花藥正常開裂、散粉。如圖3 所示，除1603、15 號以及11 號3 個種質(zhì)外，其他種質(zhì)毛白楊花藥的開裂率均為100%，而1603、15 號以及11 號種質(zhì)的花藥開裂率未達(dá)到100%，說明其有部分花藥不開裂，即有部分花藥不散粉。

圖2 毛白楊雄株不同產(chǎn)粉類型種質(zhì)花藥發(fā)育進(jìn)程比較Figure 2 Anther development of male P.tomentosa germplasm with different pollen production

圖3 不同種質(zhì)毛白楊雄株的花藥開裂情況Figure 3 Anther cracking rate of different male P.tomentosa germplasm

3 討論

目前，有關(guān)楊樹Populussp.花粉發(fā)育的研究較多，許東等[6]對遼寧楊Populus×liaoningensis的雄花序及花粉萌發(fā)過程進(jìn)行了研究，為更好地利用遼寧楊進(jìn)行良種選育提供依據(jù)。郭英超等[7]、劉望舒等[8]以及常童潔等[9]、張文超等[10]分別從花粉敗育的細(xì)胞學(xué)角度和淀粉、脂類、胼胝質(zhì)等物質(zhì)異常分布角度，對楊樹雄株花粉敗育的機(jī)理進(jìn)行了研究。章小玲等[11]研究了不同楊樹種質(zhì)間花粉萌發(fā)和致敏蛋白的差異，為楊樹低致敏新品種選育提供重要的參考。本研究從篩選少花粉型毛白楊雄株種質(zhì)入手，并對其成因進(jìn)行了初探，與其他研究角度均有所不同。

生物表型性狀的表現(xiàn)一般是由基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果?？迪蜿朳1]認(rèn)為毛白楊花粉敗育是由異質(zhì)性遺傳基礎(chǔ)與環(huán)境相互作用所造成的。本研究前期對敗育毛白楊種質(zhì)進(jìn)行了廣泛篩選，獲得了5 個少粉型毛白楊種質(zhì)，尚需進(jìn)行多年連續(xù)觀測，進(jìn)一步探討其形成原因（遺傳或者環(huán)境因素），進(jìn)而確定其遺傳性狀的穩(wěn)定性。

本研究結(jié)果顯示，毛白楊雄株無粉或少粉的原因，主要在于其花藥在中后期發(fā)育遲滯，花藥干癟，花粉粒粘連，而且花藥的開裂率低。這與郭英超等[7]、張媛[12]、劉望舒等[8]的研究結(jié)果一致。但本研究所得結(jié)論僅是從花藥發(fā)育層面闡釋其無花粉或少花粉的原因，更深層次的細(xì)胞組織學(xué)以及基因組學(xué)研究有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究顯示，2 月中旬，毛白楊雄株的花序開始膨大、伸長，3 月上中旬，花藥開裂并開始散粉，散粉時間為5 d 左右；毛白楊雄株花序從花芽膨大、伸出到花序干枯脫落持續(xù)30 d 左右。就花序形態(tài)及散粉情況而言，毛白楊雄株11 號、1603、1601、7 號種質(zhì)的花序體積較大；1603、15 號、1602、5 號以及7 號種質(zhì)的花序散粉鮮質(zhì)量和干質(zhì)量較低，其中以1603 和15 號種質(zhì)的最低。就花藥發(fā)育進(jìn)程而言，無粉或少粉毛白楊種質(zhì)的花藥發(fā)育，在中后期出現(xiàn)遲滯，花藥干癟，花粉粒粘連，導(dǎo)致無法正常散粉。此外，花藥開裂率低也是其少花粉的原因之一。