君子蘭自交不親和性及自交不親和機(jī)理

高巍+馬艷麗+尹立輝

摘要：以大花君子蘭為材料，研究君子蘭的自交不親和性及作用機(jī)理。采用套袋自交法測(cè)定君子蘭自交親和指數(shù)；采用熒光顯微鏡觀(guān)察法研究自交不親和機(jī)理。結(jié)果表明：君子蘭同花自交親和指數(shù)0.29，同株自交親和指數(shù) 3.43，種內(nèi)自交親和指數(shù)10.15。由此總結(jié)出君子蘭同花自交和同株自交具有自交不親和性，胼胝質(zhì)主要出現(xiàn)在花粉管中，屬配子體不親和性。

關(guān)鍵詞：君子蘭；親和指數(shù)；胼胝質(zhì)；自交不親和性

中圖分類(lèi)號(hào)： S334.2+3；S682.1+30.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0207-02

自交不親和性（SI）指某一植物的雌雄兩性機(jī)能正常，但不能進(jìn)行自花受精或同一品系內(nèi)異株花粉受精的現(xiàn)象[1-2]。自交不親和性在高等植物中普遍存在[3]，是一種有利于異花授粉的生殖隔離[4]。

君子蘭（Clivia miniata）為石蒜科（Amaryllidaceae）君子蘭屬（Clivia Lindl.）多年生草本植物。君子蘭全株可入藥，并且具有較高的觀(guān)賞價(jià)值[5]。研究君子蘭自交不親和性對(duì)其生殖生物學(xué)研究和雜種優(yōu)勢(shì)利用意義重大。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為大花君子蘭勝利雜交品種，栽培于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)藥用植物苗圃溫室中，正常栽培管理。田間試驗(yàn)在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室中進(jìn)行，室內(nèi)試驗(yàn)在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院育種實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 方法

1.2.1 親和指數(shù)測(cè)定 選取9株健壯君子蘭植株，分為3組。從含蕾期后期開(kāi)始，用硫酸紙袋將君子蘭花朵單獨(dú)套袋。待花朵開(kāi)放時(shí)，于09：00—10：00輕輕打開(kāi)硫酸紙袋，對(duì)其進(jìn)行授粉，授粉2 d后去掉硫酸紙袋，觀(guān)察坐果情況。A組為同花自交授粉、B組為同株異花授粉、C組為異株授粉，試驗(yàn)重復(fù)3次。相關(guān)公式：

坐果率=坐果花朵數(shù)/授粉花朵數(shù)×100%；

親和指數(shù)=結(jié)籽數(shù)/自交花數(shù)。

1.2.2 自交不親和機(jī)制研究 于每天10：00取樣，分別取不同自交組合授粉后4 h的君子蘭雌蕊、花柱連同子房固定于乙醇（FAA）固定溶液福爾馬林-乙醇中。每個(gè)處理取3朵花，重復(fù)3次。

觀(guān)察前將柱頭從固定液中取出，依次通過(guò)70%、50%、10%乙醇梯度復(fù)水，然后置于1 mol/L氫氧化鈉（NaOH）溶液中，于60 ℃水浴軟化90 min，蒸餾水沖洗3次，再用 0.1 mol/L 磷酸鉀（K3PO4）配制的0.1%苯胺藍(lán)溶液染色 24 h，用100%甘油壓片，在OlympusIX71倒置型熒光顯微鏡下觀(guān)察柱頭上的花粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)情況，并拍照[6-7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

研究數(shù)據(jù)均為試驗(yàn)樣品的平均值，應(yīng)用DPS軟件對(duì)參數(shù)的平均值進(jìn)行方差分析，以評(píng)價(jià)本試驗(yàn)中處理的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 君子蘭自交親和指數(shù)

植物在種子繁殖時(shí)果實(shí)雖然能夠膨大，可以坐果，但不一定生成可育種子（圖1）。君子蘭授粉花數(shù)量和結(jié)種數(shù)見(jiàn)表1，可見(jiàn)同花自交授粉坐果18個(gè)，包括空癟果實(shí)6個(gè)。君子蘭空癟果顏色同樣變?yōu)榧t色，內(nèi)部可見(jiàn)敗育胚珠（圖1-D）。同花自交授粉法長(zhǎng)成果實(shí)12個(gè)，共結(jié)種子16粒，每果結(jié)種子1～2粒，親和指數(shù)為0.29。同株異花授粉親和指數(shù)有3.43，授粉花數(shù)52朵，坐果32個(gè)，空癟果實(shí)2個(gè)，結(jié)種數(shù)182粒，單果結(jié)種子6粒左右。同品種（系）授粉結(jié)實(shí)率100%，單果包含種子10～11粒，親和指數(shù)達(dá)到10.15（表1）。王曉佳等采用親和指數(shù)判定菘藍(lán)自交不親和性，以0<自交親和指數(shù)<0.5作為強(qiáng)自交不親和判定依據(jù)[8]。本研究中同株同花自交、同株異花授粉親和指數(shù)顯著低于異株授粉，可見(jiàn)君子蘭同花授粉和同株授粉具有自交不親和性。

2.2 君子蘭自交不親和性機(jī)制

用熒光顯微技術(shù)觀(guān)察柱頭熒光現(xiàn)象已成為細(xì)胞生物學(xué)的一個(gè)非常重要而有效的研究手段。萌發(fā)的花粉管進(jìn)入柱頭后從花柱穿過(guò)，最終到達(dá)胚囊釋放精細(xì)胞，精、卵細(xì)胞相互識(shí)別并且融合，完成受精過(guò)程[9]。自交不親和表現(xiàn)為這一過(guò)程中的某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)抑制障礙，受精過(guò)程不能順利完成。

君子蘭花粉黏住柱頭，花粉開(kāi)始萌發(fā)，柱頭蛋白質(zhì)與花粉蛋白質(zhì)相互識(shí)別，2 h后花粉萌發(fā)[10]。同株同花授粉4 h（圖2-A）花粉管開(kāi)始萌發(fā)，柱頭上出現(xiàn)胼胝質(zhì)，導(dǎo)致部分花粉管在柱頭上盤(pán)繞，不能進(jìn)入柱頭中；同株異花授粉4h柱頭上出現(xiàn)胼胝質(zhì)（圖2-B），花粉管中出現(xiàn)不均勻胼胝質(zhì)（圖2-C、圖2-D），使花粉管向花絲底部生長(zhǎng)受阻；異株授粉4 h花粉在柱頭順利萌發(fā)，花粉管呈束狀在花柱道內(nèi)下行（圖2-E、圖2-F）。

王沖等研究君子蘭中間雜交時(shí)可見(jiàn)胼胝質(zhì)出現(xiàn)在柱頭乳突細(xì)胞和花柱通道[11]。李守麗等研究百合遠(yuǎn)緣雜交時(shí)，在柱頭乳突細(xì)胞和花柱通道發(fā)現(xiàn)胼胝質(zhì)，可見(jiàn)胼胝質(zhì)是阻礙植物受精的屏障[12-13]。已有研究表明，配子體不親和，花粉管在花柱中被抑制[14-16]，本研究中君子蘭花粉管被抑制的部位在雌蕊的花柱，胼胝質(zhì)大量出現(xiàn)在花柱中，柱頭上也有少數(shù)可見(jiàn)。

3 結(jié)論

君子蘭同花自交授粉、同株自交授粉過(guò)程中，胼胝質(zhì)大量出現(xiàn)在花粉管中，花粉管在花柱中生長(zhǎng)中途停頓；同時(shí)也可見(jiàn)少量胼胝質(zhì)出現(xiàn)在柱頭表面，導(dǎo)致花粉管纏繞和不能正常發(fā)育的現(xiàn)象。君子蘭自花不親和現(xiàn)象發(fā)生在同花自交和同株自交上，屬配子型自交不親和。已有研究表明，S等位基因控制植物自交不親和性，關(guān)于君子蘭自交不親和性的基因研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]East E M.The distribution of self-sterility in flowering plants[J]. Proc Am Phil Soc，1940，82：449-518.

[2]Lewis D.Sexual incompatibility in plants[M]. London，UK：Edward Amold Limited，1979.

[3]Brewbaker J L.Biology of the angiosperm pollen grain[J]. Indian J Genet Plant Breed，1959，19：121-133.

[4]Boves D C，Nasrallah J B. Physical linkage of the SLG and SRK genes at the sel-incompatibility locus of Brassica oteracea[J]. Mol Gen Genet，1993，236（2/3）：267-269.

[5]姜澤慧. 中國(guó)君子蘭[M]. 北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2003：128-149.

[6]Burke J J. Moisture sensitivity of cotton pollen[J]. Agronomy Journal，2002（94）：883-886.

[7]Hirasuka S，Zhang S L，Nakagawa E，et al.Selective inhibition of the growth of incompatible pollen tubes by S-protein in the Japanese pear[J]. Sexual Plant Reproduction，2001，13（4）：209-215.

[8]王曉佳，朱利泉. 甘藍(lán)自交不親和性的測(cè)定方法[J]. 農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，6（2）：195-198.

[9]胡適宜. 被子植物生殖生物學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[10]高 巍，任躍英，楊義波，等. 君子蘭花粉萌發(fā)條件研究及生活力測(cè)定[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（36）：22269-22270.

[11]王 沖，雷家軍，姜 闖，等. 君子蘭種間雜交親和性[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（18）：3822-3829.

[12]李守麗，石 雷，張金政. 大百合與百合屬間授粉后花粉管生長(zhǎng)發(fā)育的觀(guān)察[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2006，33（6）：1259-1262.

[13]王文和，王樹(shù)棟，趙祥云，等. 百合遠(yuǎn)緣雜交互粉萌發(fā)及花粉管生長(zhǎng)過(guò)程觀(guān)察[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2007，27（9）：1790-1794.

[14]高新起，王秀玲. 植物的自交不親和性[J]. 曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（2）：84-86.

[15]Heslop-Harrison J，Knox R B，Heslop-Harrison Y. Pollen-wall proteins：exine-held fractions associated with the incompatibility responses in cruciferae[J]. Theoretical and Applied Genetics，1974，43（3）：133-137.

[16]Edlund A F，Swanson R，Preuss D. Pollen and stigma structure and function：the role of diversity in pollenation[J]. Plan Cell，2004，16：84-97.