芥菜型多室與二室油菜花芽分化過程的比較分析

李 新 肖 麓 李麟芳 杜德志

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芥菜型多室與二室油菜花芽分化過程的比較分析

李 新**肖 麓**李麟芳 杜德志*

青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院 / 青海省春油菜遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 國(guó)家油菜改良中心青海分中心 / 農(nóng)業(yè)部春油菜科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站 / 青海省春油菜研究開發(fā)中心, 青海西寧 810016

芥菜型油菜中存在天然的多室性狀。與普通二室油菜相比, 多室油菜因多果室(3~5個(gè)腔室)、多粒特征, 具有高產(chǎn)潛力, 為了揭示多室性狀的形成過程, 本研究以青海芥菜型多室油菜和塔油2號(hào)(芥菜型二室油菜)雙親、BC3F5群體中純合的二室和多室單株為材料, 通過石蠟切片結(jié)合掃描電鏡觀察, 比較分析表明, 青海芥菜型多室油菜自出苗開始, 約22 d左右, 平均葉片數(shù)為5時(shí), 開始花芽分化且經(jīng)歷5個(gè)時(shí)期; 多室莖頂端分生組織(SAM)和花頂端分生組織(FM)伸長(zhǎng)膨大, 直徑較二室大; 隨心皮分化, 多室花頂端向內(nèi)凹陷成“X”狀的四心皮區(qū)域, 而二室花芽中心生長(zhǎng)錐向內(nèi)凹陷成“I”狀, 形成二心皮的對(duì)半?yún)^(qū)域, 該凹陷分裂影響心皮數(shù)目, 并決定了子房中籽粒的排列數(shù)目; 柱頭頂端也形成“I”及“X”狀凹陷, 可作為一種指標(biāo)用以早期區(qū)分多室及二室性狀。

多室; 花芽分化; 莖頂端分生組織; 花頂端分生組織; 心皮

我國(guó)油菜栽培類型有甘藍(lán)型油菜、芥菜型油菜和白菜型油菜。三類油菜中存在多室資源, 其中青海芥菜型多室油菜除抗裂角、黃籽等優(yōu)良性狀外, 還具有穩(wěn)定遺傳的多室(3~5果室)性狀[1-2]。多室性狀與油菜產(chǎn)量緊密聯(lián)系, 眾所周知, 油菜產(chǎn)量是由單位面積角果數(shù)、每角粒數(shù)和千粒重構(gòu)成。普通芥菜型二室油菜的角果果室為2個(gè), 多室油菜隨著角果果室數(shù)目的增加, 其每角粒數(shù)顯著高于相同遺傳背景下二室油菜的每角粒數(shù), 從而單株產(chǎn)量高于普通二室油菜[2-7]。

花芽分化是有花植物發(fā)育中最關(guān)鍵的階段, 同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜的形態(tài)建成過程。油菜花芽分化是在油菜體內(nèi)外因子的共同作用和相互協(xié)調(diào)下, 由量變到質(zhì)變的過程, 花芽分化的遲早及分化數(shù)量也會(huì)影響油菜產(chǎn)量[8-10]。前人將白菜型油菜花芽分化劃分為7~8個(gè)時(shí)期, 分化起始的葉片數(shù)為2~3片[11-12]; 將甘藍(lán)型油菜花芽分化過程劃分為8個(gè)時(shí)期15個(gè)階段, 其開始分化的葉片數(shù)為9~11片[11-13]。相比白菜型及甘藍(lán)型油菜, 對(duì)芥菜型油菜花芽分化研究未有報(bào)道。

多室油菜的解剖學(xué)研究主要包括對(duì)角果形態(tài)的觀察以及假隔膜和心皮數(shù)目的統(tǒng)計(jì)[14-16]。呂澤文等[4]對(duì)甘肅芥菜型多室油菜角果解剖觀察發(fā)現(xiàn), 多室角果形態(tài)短粗, 含4個(gè)果瓣, 角果被2個(gè)平行排列的呈 “II” 型的假隔膜分隔為3個(gè)腔室。朱彥濤等[17]對(duì)甘藍(lán)型多室角果研究發(fā)現(xiàn), 多室角果呈三棱態(tài), 角果皮三瓣, 被呈 “Y” 狀的假隔膜分隔為三室。趙會(huì)彥[18]對(duì)青海芥菜型多室油菜角果解剖觀察發(fā)現(xiàn), 多室角果粗短, 整體呈圓筒形, 含4個(gè)果瓣, 兩層假隔膜將多室角果分為3個(gè)腔室, 包括1個(gè)大腔室, 2個(gè)小腔室。

多室性狀作為油菜中一優(yōu)異性狀, 其遺傳特性及基因的定位研究有諸多報(bào)道[19-27], 但對(duì)多室角果的形態(tài)建成過程, 尤其對(duì)關(guān)鍵的花芽分化過程未有系統(tǒng)的研究報(bào)道。本研究觀察花芽分化全過程, 清晰認(rèn)識(shí)多室角果的形態(tài)建成過程, 分析二室和多室性狀的分化差異, 了解多室性狀與產(chǎn)量的相關(guān)性, 對(duì)制定合理的栽培措施及進(jìn)行花期調(diào)控等具有指導(dǎo)意義, 可為農(nóng)業(yè)育種工作中多室材料的提前選擇帶來便利。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

選自青海省農(nóng)林科學(xué)院春油菜研究所的青海芥菜型多室油菜和二室親本“塔油2號(hào)”, 用于闡述二室及多室油菜花芽分化全過程。皆具黃籽、抗裂角等優(yōu)異性狀, 遺傳性穩(wěn)定, 前者較后者生育期晚。

以多室油菜為輪回親本, “塔油2號(hào)”為供體非輪回親本連續(xù)回交3次, 構(gòu)建多室與二室為1∶1的BC3F1分離群體, 從中隨機(jī)選擇二室單株自交, 隨后在BC3F2群體中使用分子標(biāo)記輔助選擇純合的二室單株和多室單株自交3代, 獲得BC3F5群體。在相同遺傳背景下, 比較純合的二室及多室油菜花芽組織的分化差異。

試驗(yàn)于2016—2017年于青海省農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)地進(jìn)行, 其海拔2225 m, 36.34°N, 101.49°E。小區(qū)面積31.2 m2(15.6 m × 2.0 m), 每公頃密度為8380株。準(zhǔn)備培養(yǎng)皿并放入清水浸濕的濾紙, 將種子放入培養(yǎng)皿內(nèi), 置光照培養(yǎng)架, 于22℃條件下共培養(yǎng)30 h (16 h光照, 8 h黑暗)后, 播種于試驗(yàn)地, 記錄播種 日期。

播種2 d后觀察并記錄出苗日期; 出苗4 d后, 待2片真葉展開后, 分別取二室及多室油菜生長(zhǎng)錐于顯微鏡下觀察, 記錄分化狀態(tài); 2片真葉完全展開后, 每隔5 d, 取生長(zhǎng)發(fā)育一致的新鮮植株3株, 依次對(duì)生長(zhǎng)錐、花芽組織、雌蕊、柱頭等取材, 記錄每個(gè)分化時(shí)期的葉片數(shù); 花芽分化進(jìn)入中后期后, 分別取二室及多室油菜不同直徑大小的花蕾(1、2、3和4 mm), 觀察其柱頭及子房?jī)?nèi)籽粒排列結(jié)構(gòu); 角果形成后, 解剖觀察二室及多室角果內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1.2 采樣和制片方法

將芥菜型油菜單株從試驗(yàn)地連根拔出, 用清水洗干凈, 在體式顯微鏡下逐個(gè)解剖, 觀察并記錄花芽發(fā)育的動(dòng)態(tài)。切取多室和二室油菜同一時(shí)期的生長(zhǎng)錐、花芽組織、柱頭及不同大小的花蕾。將各組織的一部分樣品用FAA溶液固定, 做石蠟切片; 另一部分用2.5%的戊二醛溶液固定, 用于后期掃描電鏡的樣品制備。

1.2.1 石蠟切片法 FAA固定液(固定24 h以上, 置于4℃保存)→酒精洗脫(70%洗脫2次, 85%洗脫1次, 95%洗脫1次, 100%洗脫2次, 每次1.5 h)→透明(1/2 V無水乙醇+1/2 V二甲苯混合液處理1次, 100%二甲苯洗脫1次, 每次1.5 h)→浸蠟(石蠟置于70℃恒溫箱溶蠟, 將固定瓶?jī)?nèi)的處理液倒凈, 用1/3 V二甲苯+2/3 V石蠟混合液浸蠟, 置于37℃恒溫箱(3~4 d)→包埋→切片→脫蠟(二甲苯)→染色(置于番紅染液2 h)→透明→封片及照相(Nikon DS-Fi1)[28]。

1.2.2 掃描電鏡檢測(cè) 2.5%戊二醛固定液(抽真空后置于4℃冰箱, 固定15 d以上)→漂洗(0.2 mol L–1緩沖液, 漂洗3次, 每次15 min)→1%鋨酸固定(夏季1 h, 冬季2 h)→酒精脫水(30%、45%、60%、75%和90%梯度脫水, 每級(jí)5 min)→冷凍干燥→噴金→鏡檢照相(Jeol JSM-6610/LV)[29-30]。

1.2.3 體視鏡下觀察 解剖油菜角果使其內(nèi)部種子排列及假隔膜清晰顯現(xiàn)后觀察(Nikon SWZ25)。

1.3 芥菜型二室及多室油菜花芽分化過程的比較

觀察“塔油2號(hào)”(二室親本)及青海芥菜型多室油菜(多室親本)花芽分化全過程, 記錄開始分化的時(shí)間、不同花芽組織的分化時(shí)間和各時(shí)期的葉片數(shù)。

比較BC3F5群體中純合二室油菜和純合多室油菜的SAM、FM、心皮、子房腔、假隔膜、柱頭等組織。對(duì)22組(二室和多室)SAM直徑和22組(二室和多室) FM直徑進(jìn)行測(cè)微。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。用最小顯著差法(LSD0.05)檢驗(yàn)平均數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 芥菜型二室油菜(親本)花芽分化進(jìn)程

芥菜型二室油菜自出苗開始, 約21 d左右, 平均葉片數(shù)為4.5 (4~5), 日平均溫度為11.7℃時(shí), 開始分化, 過程分為5個(gè)時(shí)期。(1)生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng)期。生長(zhǎng)錐作為油菜的莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn), 是油菜生長(zhǎng)過程中最為關(guān)鍵的組織。4月上旬催芽的油菜種, 播于西寧試驗(yàn)地。芽播2 d后開始出苗, 此時(shí), 葉片為3片, 生長(zhǎng)錐呈半圓錐形(圖1-a: SAM), 不斷伸長(zhǎng)膨大, 四周被不斷分化出來的的葉原基包圍(圖1-a: L), 無花原基出現(xiàn)。此階段維持20 d左右。(2)花原基出現(xiàn)。生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng)20 d后, 葉片數(shù)為4.5, 生長(zhǎng)錐頂端周圍依次長(zhǎng)出1~6個(gè)花原基(圖1-b: f1~f6)。此階段持續(xù)6 d左右。花原基的出現(xiàn), 預(yù)示著油菜花器官開始分化, 從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)的階段。(3)花萼原基分化。油菜為無限花序, 生長(zhǎng)錐表面不斷分化出花原基(圖1-c~e; f)。4月下旬, 出苗27 d左右, 平均葉片數(shù)為5, 隨著花原基的依次分化, 第一花原基伸長(zhǎng)膨大且出現(xiàn)4片半新月形對(duì)稱凸起, 該凸起為萼片原基(圖1-f: S1~S4), 此時(shí)期油菜的分化已從莖頂端轉(zhuǎn)移到花頂端, 而后只對(duì)花頂端觀察研究, 以解析花器官的分化過程。此階段持續(xù)5 d左右。(4)花瓣原基分化。5月初, 出苗33 d左右, 平均葉片數(shù)為5.5, 花萼原基不斷伸長(zhǎng), 直至完全包裹花芽頂端(圖1-g: S1~S4), 由于花芽頂端的伸長(zhǎng)膨大, 其基部已出現(xiàn)花瓣原基, 小而不清晰(圖1-h: 箭頭所指), 結(jié)合石蠟切片縱切面觀察發(fā)現(xiàn), 花芽頂端側(cè)基部出現(xiàn)圓形凸起, 該凸起為花瓣原基(圖3-c: P)。此階段維持5 d左右。(5)雌雄蕊形成。花瓣原基出現(xiàn)不久后, 花瓣原基基部腋間出現(xiàn)雄蕊(圖1-h: St1~St6 )。隨著雄蕊的不斷發(fā)育, 心皮即將分化, 5月中旬, 45 d左右, 平均葉片數(shù)7片時(shí), 花頂端中心生長(zhǎng)錐向內(nèi)凹陷, 呈唇形態(tài), 形成兩塊對(duì)稱的心皮(圖1-h: C1, C2), 隨著心皮的不斷發(fā)育, 中下部發(fā)育成子房腔(圖1-i: OV), 上部不斷伸長(zhǎng)形成花柱(圖1-i~k), 花柱頂端的凹陷逐漸呈閉合狀態(tài), 最終形成柱頭(圖1-l: 箭頭所指)。

2.2 芥菜型多室油菜(親本)花芽分化進(jìn)程

芥菜型多室油菜自出苗開始, 約22 d左右, 日平均溫度為11.7℃, 平均葉片數(shù)為5時(shí), 開始分化, 過程分為5個(gè)時(shí)期。(1)生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng)期。自出苗2 d, 葉片數(shù)為3時(shí), 生長(zhǎng)錐呈圓錐形(圖2-a: SAM), 不斷伸長(zhǎng)膨大, 四周被葉原基包圍(圖2-a: L), 此階段持續(xù)20 d左右。(2)花原基出現(xiàn)。生長(zhǎng)錐持續(xù)伸長(zhǎng)膨大, 約22 d后, 生長(zhǎng)錐側(cè)表面長(zhǎng)出花原基, 并隨著第一花原基的不斷膨大, 第二、第三、第四等花原基依次分化出來(圖2-b: F1~F6)。該階段葉片數(shù)為4.5, 持續(xù)8 d左右。(3)花萼原基分化。隨著花原基的依次分化, 花原基數(shù)量不斷增多(圖2-c~e: F)。平均葉片數(shù)為5時(shí), 第一花原基伸長(zhǎng)且膨大, 側(cè)基部出現(xiàn)4片半新月形對(duì)稱凸起, 該凸起為萼片原基(圖2-f: S1~S4)。該階段持續(xù)5~7 d左右。隨著第一花原基上花萼原基的分化, 多室油菜的分化從莖頂端轉(zhuǎn)移到花頂端, 象征著營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)結(jié)束, 生殖生長(zhǎng)開始。 (4)花瓣原基分化。自出苗38 d左右, 平均葉片數(shù)為6時(shí), 花萼原基不斷伸長(zhǎng), 直至完全包裹花芽頂端(圖2-g: S1~S4), 通過石蠟縱切面切片觀察到, 花芽頂端側(cè)基部出現(xiàn)對(duì)稱性圓形凸起, 該凸起為花瓣原基(圖3-f: P), 結(jié)合掃描電鏡觀察, 可見剛開始分化的花瓣原基(圖2-h: P)。該階段持續(xù)4 d左右。(5)雌雄蕊形成。花瓣原基基部腋間出現(xiàn)雄蕊(圖2-h: St1~St6), 其后, 心皮隨之分化, 5月中旬, 52 d左右, 平均葉片數(shù)為7.5時(shí), 花芽頂端發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化, 花芽中心生長(zhǎng)錐向內(nèi)凹陷成“X”狀, 形成4個(gè)心皮(圖2-h: C1~C4), 并將花芽中心生長(zhǎng)錐分隔為4個(gè)區(qū)域。隨著心皮不斷分化, 下部發(fā)育成子房腔(圖2-i~k: OV), 上部伸長(zhǎng)后形成花柱并逐漸形成柱頭(圖2-l: 箭頭所指)。

圖1 芥菜型二室油菜花芽分化進(jìn)程

圖a: 生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng), 莖頂端分生組織(SAM)、葉原基(L); 圖b: 花原基出現(xiàn), 莖頂端分生組織(SAM)、花原基(f1~f6); 圖c~圖e: 花原基不斷分化膨大, 莖頂端分生組織(SAM)、花原基(f)、花頂端分生組織(FM)、萼片原基(S); 圖f: 花萼原基分化, 花頂端分生組織(FM)、萼片原基(S1~S4); 圖g: 花萼(S1~S4), 包裹花頂端; 圖h: 花瓣原基分化, 花瓣原基(P)、雄蕊原基(St1~St6)和心皮原基(C1, C2)分化; 圖i~圖k: 子房腔(OV)的形成及花柱伸長(zhǎng); 圖l: 柱頭(箭頭所指)形成。

Fig. a: growth cone elongation, showing shoot apical meristem (SAM) and leaf primordial (L); Fig. b: flower primordia appear, showing shoot apical meristem (SAM) and flower primordia (f1-f6); Figs. c-e: continuously differentiated and expanded flower primordia, showing shoot apical meristem (SAM), flower primordia (f), flower meristem (FM) and sepal primordia (S); Fig. f: sepal primordia differentiation, showing flower meristem (FM) and sepal primordia (S1-S4); Fig. g: the top of flower wrapped by sepal primordia (S1–S4); Fig. h: petal primordia differentiation, showing petal primordia (P), stamen primordia (St1-St6) and carpel primordia (C1, C2); Figs. i-k: ovary(OV) formation and stigma elongation; Fig. l: the stigma formation (indicated by the arrow).

觀察發(fā)現(xiàn), 在西寧試驗(yàn)田環(huán)境下, 二室油菜自出苗開始, 約21 d左右, 平均葉片數(shù)為4.5 (4~5)時(shí), 花芽開始分化且過程分為5個(gè)時(shí)期; 多室油菜自出苗開始, 約22 d, 平均葉片數(shù)為5時(shí), 花芽開始分化且整個(gè)分化過程與二室油菜的分化相比會(huì)推遲7 d左右(表1), 可以清晰看到多室角果在形態(tài)建成初期時(shí)的分化方式。

2.3 多室與二室油菜花芽分化比較

了解親本間花芽分化全過程后, 觀察比較BC3F5群體中同一發(fā)育階段的純合二室單株和多室單株的莖頂端分生組織(SAM)、花頂端分生組織(FM)、心皮、子房腔、假隔膜和柱頭等組織, 發(fā)現(xiàn)在這幾個(gè)組織中均有分化差異。(1)通過對(duì)22組生長(zhǎng)錐頂端石蠟切片結(jié)合縱切面測(cè)微比較發(fā)現(xiàn), 二室油菜SAM直徑均值為223.07 μm (圖3-a, b), 多室油菜SAM直徑均值為269.50 μm (圖3-d, e), 后者顯著大于前者(圖4-a)。因此, 二室油菜和多室油菜出現(xiàn)分化差異的最早組織是SAM, 該差異一直維持到花芽原基的出現(xiàn)。(2)隨著生長(zhǎng)錐基部不斷分化出的花原基伸長(zhǎng)膨大, 且第一花芽原基頂端完全被萼片原基包裹, 石蠟切片結(jié)合縱切面測(cè)微比較發(fā)現(xiàn), 二室油菜FM直徑均值為108.10 μm (圖3-c), 多室油菜FM直徑均值為119.53 μm (圖3-f), 多室FM的直徑大小顯著大于二室FM的直徑大小(圖4-b), 類似于SAM的分化差異。因此, 可認(rèn)為多室角果的出現(xiàn)與莖頂端分生組織和花頂端分生組織的膨大分化聯(lián)系緊密。(3)心皮分化時(shí)期, 花芽頂端分生組織發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化。二室花芽頂端向內(nèi)凹陷成“I”狀裂口, 形成2塊心皮(圖3-g: C1, C2), 將花芽中心生長(zhǎng)錐一分為二, 隨后, 二室對(duì)半心皮將花芽中心生長(zhǎng)錐分隔成2個(gè)大小基本相等的腔室(圖3-h: lc), 中間是一列假隔膜(圖3-n), 兩側(cè)各著生一列籽粒(圖3-i: O), 最終形成含2個(gè)心皮和2列籽粒的二室角果(圖3-m); 而多室花芽頂端向內(nèi)凹陷成“X”狀裂口, 形成4個(gè)心皮(圖3-j: C1~C4), 將花芽中心生長(zhǎng)錐分隔為4個(gè)區(qū)域, 隨之逐漸形成相對(duì)應(yīng)的4個(gè)子房腔室(圖3-k: lc), 并伴有2個(gè)平行式的隔膜而著生4列種子(圖3-l, 圖3-q), 最終形成含有4個(gè)心皮和4列籽粒的四室角果(圖3-p)。(4)花柱不斷伸長(zhǎng)后其頂端形成柱頭, 柱頭頂端呈現(xiàn) “I” 及 “X” 狀凹陷(圖3-o, r), 這種結(jié)構(gòu)發(fā)育穩(wěn)定, 呼應(yīng)了與子房腔內(nèi)的結(jié)構(gòu), 因此, 可作為一種指示性狀用以早期區(qū)分是二室油菜還是多室油菜。

圖2 芥菜型多室油菜花芽分化進(jìn)程

圖a: 生長(zhǎng)錐伸長(zhǎng), 莖頂端分生組織(SAM)、葉原基(L); 圖b: 花原基出現(xiàn), 莖頂端分生組織(SAM)、花原基(F1~F6); 圖c~e: 花原基不斷分化膨大, 莖頂端分生組織(SAM)、花原基(F)、花頂端分生組織(FM)、萼片原基(S); 圖f: 花萼原基分化, 花頂端分生組織(FM)、萼片原基(S1~S4); 圖g: 花萼(S1~S4), 包裹花頂端; 圖h: 花瓣原基分化, 花瓣原基(P)、雄蕊原基(St1~St6)和心皮原基(C1~C4)分化; 圖i~k: 子房腔(OV)的形成及花柱伸長(zhǎng); 圖k~l: 柱頭(箭頭所指)形成。

Fig. a: growth cone elongation, showing shoot apical meristem (SAM) and leaf primordial (L); Fig. b: flower primordia appear, showing shoot apical meristem (SAM) and flower primordia (F1-F6); Figs. c-e: continuously differentiated and expanded flower primordial, showing shoot apical meristem (SAM), flower primordia (F), flower meristem (FM) and sepal primordia (S); Fig. f: sepal primordia differentiation, showing flower meristem (FM) and sepal primordia (S1-S4); Fig. g: the top of flower wrapped by sepal primordia (S1-S4); Fig. h: petal primordia differentiation, showing petal primordia (P), stamen primordia (St1-St6) and carpel primordia (C1-C4); Figs. i-k: ovary (OV) formation and stigma elongation; Fig. l: stigma formation (indicated by the arrow).

表1 大田環(huán)境二室和多室油菜花芽組織的分化時(shí)間

圖3 多室與二室花芽分化比較

圖a~b: 二室莖頂端分生組織; 圖c: 二室花頂端分生組織; 圖d~e: 多室莖頂端分生組織; 圖f: 多室花頂端分生組織; 圖g: 二室心皮分化(C1, C2); 圖h: 二室子房腔(lc); 圖i: 二室籽粒著生(O); 圖j: 多室心皮分化(C1~C4); 圖k: 多室子房腔(lc); 圖l: 多室籽粒著生(O); 圖m~n: 二室角果內(nèi)部結(jié)構(gòu); 圖o: 二室柱頭; 圖p~q: 多室角果內(nèi)籽粒排列結(jié)構(gòu); 圖r: 多室柱頭; P: 花瓣原基; St: 雄蕊原基; C: 心皮; lc: 心室; O: 胚珠; M: 中間區(qū)域; L: 橫向區(qū)域。

Figs. a-b: the shoot apical meristem of the bilocular rapeseed; Fig. c: the flower meristem of the bilocular rapeseed; Figs. d-e: the shoot apical meristem of the multilocular rapeseed ; Fig. f: the Flower meristem of multilocular rapeseed; Fig. g: the stage of carpel differentiation of the bilocular rapeseed (C1, C2); Fig. h: the ovary formation of the bilocular rapeseed ; Fig. i: seed arrangement structure of the bilocular rapeseed (O); Fig. j: the stage of carpel differentiation of the multilocular rapeseed (C1-C4); Fig. k: the ovary formation of the multilocular rapeseed; Fig. l: seed arrangement structure of the multilocular rapeseed (O); Figs. m-n: internal structure of the bilocular rapeseed; Fig. o: the stigma of the bilocular rapeseed; Figs. p-q: internal structure of the multilocular rapeseed; Fig. r: the stigma of the multilocular rapeseed; P: petal primordia; St: stamen primordia; C: carpel; lc: locule; O: ovule; M: medial region; L: lateral region.

圖4 二室與多室SAM及FM的比較

**表示在0.01概率水平上顯著相關(guān); *表示在0.05概率水平上顯著相關(guān)。

** Significant correlation at the 0.01 probability level; * Significant correlation at the 0.05 probability level.

3 討論

眾所周知, 芥菜型多室油菜具有諸多優(yōu)良性狀, 尤其是多室性狀, 與油菜產(chǎn)量正相關(guān)[31-33]。花芽分化是有花植物發(fā)育中最關(guān)鍵的階段, 油菜花芽分化的遲早影響其產(chǎn)量及性狀產(chǎn)生。而目前多室油菜的研究主要集中在遺傳特性及相關(guān)基因的定位克隆, 對(duì)多室油菜發(fā)育中花芽分化過程研究未有報(bào)道, 前人對(duì)甘藍(lán)型和白菜型油菜花芽分化的研究結(jié)果豐富且年代久遠(yuǎn), 對(duì)芥菜型油菜花芽分化研究未有報(bào)道。本研究劃分了油菜三大栽培種之一的芥菜型油菜花芽分化的全過程, 記錄了各時(shí)期的平均葉片數(shù)及進(jìn)入分化的時(shí)間, 相比多數(shù)品種的甘藍(lán)型及白菜型油菜, 青海芥菜型多室油菜進(jìn)入花芽分化的時(shí)期在白菜型油菜之后、甘藍(lán)型油菜之前, 對(duì)芥菜型油菜分化規(guī)律的研究具有指導(dǎo)意義。

一直以來, 多室油菜的遺傳特性是學(xué)者們研究的關(guān)鍵, 近年來, 隨著遺傳特性的穩(wěn)定, 對(duì)多室油菜進(jìn)行了諸多角果解剖學(xué)研究, 試從角果內(nèi)籽粒的排列結(jié)構(gòu)及心皮數(shù)目的差異來解釋和區(qū)分多室油菜, 本研究發(fā)現(xiàn), 多室與二室油菜最早期的性狀差異是SAM和FM直徑的差異, 這種差異與頂端分生組織的膨大聯(lián)系緊密。油菜的心皮起源于花頂端分生組織(FM), 而花頂端分生組織FM又始于莖頂端分生組織(SAM)的側(cè)基部, 由此可知, 油菜一系列的器官組織發(fā)育是通過SAM中心區(qū)域內(nèi)干細(xì)胞的不斷分裂實(shí)現(xiàn)的, 在維持油菜的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)中, 莖端分生組織持續(xù)產(chǎn)生新的細(xì)胞, 來補(bǔ)充內(nèi)因細(xì)胞分化而遷移出的細(xì)胞[34-36]。這種細(xì)胞分裂必須維持動(dòng)態(tài)平衡, 保證莖端分生組織行使正常的功能, 這種動(dòng)態(tài)平衡的實(shí)現(xiàn)需要一系列關(guān)鍵基因的精確調(diào)控, 目前在擬南芥及番茄中報(bào)道了很多與此相關(guān)的基因[37-40]。多室性狀與SAM、FM的分化有關(guān), 為此, 我們可在模式植物及相關(guān)植物中找到與分生組織相關(guān)聯(lián)的基因, 了解多室性狀在不同物種中的表現(xiàn)形式, 來解釋多室性狀的形成機(jī)制。

雌蕊的形成始于花頂端分生組織的不斷分化, 中下部形成子房腔及心皮, 上部形成花柱及柱頭, 普通油菜的子房腔, 其花芽生長(zhǎng)錐頂端不斷向內(nèi)凹陷成嘴唇形, 形成2個(gè)心皮, 假隔膜從凹陷縫隙處分化后將子房腔分隔成2個(gè)腔室, 形成具2個(gè)心室的普通油菜, 而這種結(jié)構(gòu)形態(tài)延伸發(fā)育到柱頭表面。多室油菜的雌蕊分化類似于普通二室油菜, 子房腔向內(nèi)凹陷成“X”狀, 形成4個(gè)心皮, 且柱頭上也有該形態(tài), 將柱頭分成4個(gè)區(qū)域。因此, 柱頭上特殊的形態(tài)也可代表子房腔內(nèi)的心室數(shù)、種子的排列數(shù), 而柱頭作為早期肉眼可觀察的油菜組織, 可以直接區(qū)分二室或多室角果, 便于農(nóng)業(yè)育種工作中多室性狀的提前選擇。

溫度和光照影響花芽分化各階段花芽數(shù)量, 以及花芽分化過程中一些生理生化指標(biāo), 影響其產(chǎn)量結(jié)構(gòu)[8]。不同溫度環(huán)境下, 油菜花芽分化的時(shí)間長(zhǎng)短不一, 性狀表現(xiàn)也存在差異。油菜單株中出現(xiàn)二室和多室角果的嵌合型現(xiàn)象與其角果的假隔膜及心皮的分化有關(guān), 而假隔膜和心皮的分化決定了子房結(jié)構(gòu), 不同溫度及光照環(huán)境影響花芽分化的生理指標(biāo)及分化時(shí)間的長(zhǎng)短, 尤其溫度變化對(duì)嵌合型角果類型的出現(xiàn)有很大影響, 繼而有必要進(jìn)一步深入探究不同溫度環(huán)境和光照時(shí)長(zhǎng)對(duì)多室油菜性狀表現(xiàn)的影響。

4 結(jié)論

青海芥菜型多室油菜自出苗開始, 約22 d左右, 平均葉片數(shù)為5時(shí), 開始花芽分化且經(jīng)歷5個(gè)時(shí)期。二室與多室性狀差異始于莖頂端分生組織(SAM)的直徑差異, 多室大于二室; 而花頂端分生組織(FM)也表現(xiàn)出一致的差異。心皮分化時(shí)期, 多室花芽中心生長(zhǎng)錐向內(nèi)凹陷成“X”狀, 形成具四心皮分隔的4塊區(qū)域, 而二室花芽中心生長(zhǎng)錐向內(nèi)凹陷成“I”狀, 形成二心皮的對(duì)半?yún)^(qū)域。二室的凹陷對(duì)應(yīng)一列隔膜將子房?jī)?nèi)腔分隔成 2個(gè)大小基本相等的腔室, 含2列籽粒。多室中, “X”的凹陷對(duì)應(yīng)其4列假隔膜將子房分隔成4個(gè)腔室, 含四列籽粒。二室柱頭頂端形成 “I” 凹陷, 多室柱頭頂端形成“X”狀凹陷。

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Comparative analysis on flower bud differentiation of multilocular and bilocular traits in

LI Xin**, XIAO Lu**, LI Lin-Fang, and DU De-Zhi*

Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Qinghai University / Key Laboratory of Qinghai Province for Spring Rapeseed Genetic Improvement / The Qinghai Research Branch of the National Rapeseed Genetic Improvement Center / Spring and Rape Scientific Observation Experimental Station of Ministry of Agriculture and Rural Affair / Qinghai Research and Development Center for Spring Rapeseed, Xining 810016, Qinghai, China

, possessing natural multilocular traits compared with bilocular rapeseed (two-chambered), has high yielding potential due to multiple locules (3–5 locules) and multi-grains. To disclose the formation process of multilocular traits, we constructed a BC3F5population from a cross between Qinghai multilocular rapeseed and Tayou 2 (two locules) to analyse the whole process of flower bud differentiation of homozygous bilocular plants and multilocular plants through paraffin section along with scanning electron-microscopy observation. The flower bud differentiation in multilocular rapeseed took place at about 22 days after seedling emergence, with an average leaf number of 5, and whole differentiation was divided into five stages. The diameters of shoot apical meristem (SAM) and floral meristem (FM) in multilocular plants were significantly larger than these in bilocular plants. The center of growing cone of the multilocular was deeply recessed into an “X” shaped region with four carpels, while that of the bilocular into an “I” shape, forming half and half regions with two carpels, such differentiation could affect the number of carpels and seeds rows. The tip of the stigma also formed “I” and “X” shapes, which could be used as an indicator, to distinguish between multilocular plants and bilocular plants in the early stage.

multilocular; flower bud differentiation; shoot apical meristem; floral meristem; carpel

2018-09-19;

2019-01-12;

2019-02-08.

10.3724/SP.J.1006.2019.84121

杜德志, E-mail: qhurape@126.com, Tel: 0971-5366520

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

李新, E-mail: lixinyynq@163.com; 肖麓, E-mail: xlu2005@yahoo.com.cn

本研究由國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-12), 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31560398), 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0101300)和青海省春油菜遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2017-ZJ-Y09)資助。

This study was supported by the Earmarked Fund for China Agriculture Research System (CARS-12), the National Nature Science Funds of China (31560398), the National Key Research and Development Plan of China (2016YFD0101300), and Key Laboratory of Spring Rape Genetic Improvement of Qinghai Province (2017-ZJ-Y09).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190228.1100.004.html