石竹屬植物染色體倍性、花粉活力及種間雜交結實率研究

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)科學院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與信息研究所，云南 昆明 650205；2. 云南省農(nóng)業(yè)科學院花卉研究所/國家觀賞園藝工程技術研究中心， 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、不求代價的母愛。香石竹產(chǎn)花量大，栽培的經(jīng)濟效益較高，在當前農(nóng)業(yè)結構調(diào)整中，因地制宜，根據(jù)市場經(jīng)濟的發(fā)展規(guī)律，發(fā)展香石竹種苗業(yè)和切花業(yè)，是一個農(nóng)業(yè)持續(xù)高效、農(nóng)民致富的好途徑[1]。【前人研究進展】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)《中國植物志》記載，中國石竹屬有17個種、1個亞種、9個變種，多分布于北方草原和山區(qū)草地，大多生長于干燥向陽處，有些種生長于林緣或林下、荒漠及半荒漠，新疆是中國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，對中國的野生資源中國石竹和瞿麥的種間雜交研究較少[2]。【本研究切入點】石竹新品種大多由國外的育種公司培育，國內(nèi)育種公司如采用國外的品種為父母本進行雜交，后代選育的品種在花型和花色上與國外公司的品種相比變化不大，缺乏強有力的市場競爭能力。【擬解決的關鍵問題】利用中國現(xiàn)有的石竹屬野生種質(zhì)資源，開展對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，對石竹新品種培育和推進產(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 試驗材料

試驗于2016年8月在云南省農(nóng)業(yè)科學院花卉研究所寶峰基地進行，選用石竹屬的5個種進行實驗，它們分別是香石竹(Dianthuscaryophyllus)、瞿麥(Dianthussuperbus)、中國石竹(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變種。

1.2 試驗方法

1.2.1 染色體觀察 0.0005 mol/L 8-羥基喹啉液處理0.1～0.5 cm根尖24 h，預處理后用卡諾氏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)計其染色體的數(shù)目。

1.2.2 花粉活力測定 采用醋酸洋紅染色測定法。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，在顯微鏡下觀察。共統(tǒng)計花粉1500粒以上，計算花粉的活力。花粉活力百分數(shù)(%) =(著色花粉數(shù) / 觀察花粉數(shù))× 100。

1.2.3 雜交結實情況 選取石竹屬不同的種進行種間雜交，選定的母本在花朵開放前的1～2 d去雄，對去雄的柱頭進行套袋。待柱頭卷曲且長有絨毛時，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，并在標記牌上記錄。授粉10 d左右去袋，觀察結實情況。膨大率(%)=(膨大花朵數(shù) / 授粉花朵數(shù)) × 100 ，結實率(%)=(結實花朵數(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 結果與分析

2.1 石竹屬植物染色體倍性測定

采用常規(guī)壓片法對石竹屬植物進行染色體倍性鑒定，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 花粉活力測定

測定香石竹的7個品種(‘Nogalte’、‘D.P Barbara’、‘Thomas’、‘Red Barbara’、‘NH6’、‘NH10’、‘冬梅’)、瞿麥、中國石竹、須孢石竹的2個品種(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 雜交結實情況

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，而須孢石竹和中國石竹為二倍體，‘常夏石竹’ב須孢石竹’和‘常夏石竹’ב中國石竹’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：中國石竹； R：中國石竹染色體 (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對石竹屬種間雜交進行研究[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，但對瞿麥為親本的雜交組合沒有進行研究。本項目以瞿麥做為母本進行種間雜交，發(fā)現(xiàn)雜交具有親合性，且‘瞿麥’ב中國石竹’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中國石竹’親合指數(shù)為42.64，由此可見，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]。試驗中瞿麥為母本， 香石竹‘D.P Barbara’、‘ Thomas’、‘ Red Barbara’、‘ NH6’、‘ NH10’和‘冬梅’為父本進行雜交，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系遠近直接影響雜交親和性[7-8]。‘D.P Barbara’ב中國石竹’雜交不親合，‘頭石竹’ב中國石竹’雜交親合性較高，本試驗中頭石竹和中國石竹屬于同一分組[4]，可能是因為物種的親緣關系較近，導致其雜交親合性高。試驗中瞿麥和中國石竹的親緣關系雖相對較遠[4]，但雜交親合性卻很高，推測亦可能有其它因素決定著其雜交親和性。

本項目采用常規(guī)壓片法檢測石竹屬植物的倍性，除常夏石竹為六倍體外其余4個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中國石竹’雜交可以結籽，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，種間雜交未能結籽[10]。本研究與其它屬的不同倍性雜交組合的親和性結果不一致，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，雜交不親和機理相當復雜，還有待于進一步深入研究。

4 結 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’雜交組合結實率高，六倍體常夏石竹做母本與二倍體須孢石竹和中國石竹雜交具有一定的親和性。