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        基于花粉形態(tài)學(xué)篩選獼猴桃突變體的研究

        2024-09-27 00:00:00何利欽張茜莊啟國魯松王明忠陳緒玲王麗華
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2024年15期

        摘要:花粉形態(tài)特征可作為獼猴桃屬植物的分類依據(jù)?,F(xiàn)有的研究方法需要使用掃描電鏡測量花粉形態(tài)的多項(xiàng)特征,不能滿足獼猴桃遺傳育種工作的需求。為了探究一種基于獼猴桃花粉形態(tài)篩選突變體的新方法,以39份不同獼猴桃花粉為試驗(yàn)材料(包含雌株花粉15份、雄株花粉23份、突變體兩性花花粉1份),運(yùn)用掃描電鏡在較低倍數(shù)(1 000×)下觀察,選取5項(xiàng)特征指標(biāo)進(jìn)行測量,對供試樣本進(jìn)行主成分分析和正態(tài)分布分析。結(jié)果表明,39份樣本均為N3C4P5型,赤道面觀均為三裂圓形,具3條萌發(fā)溝;主成分分析中PC1、PC2貢獻(xiàn)的總方差為96.27%;載荷圖表明,在較低倍數(shù)下5個花粉形態(tài)指標(biāo)具有一定的差異性;得分圖表明,樣本中的雌株花粉和雄株花粉存在明顯分離,它們的形態(tài)學(xué)相似度不大,極軸長度與赤道軸長度的比值(P/E)與赤道軸長度(E)二者夾角最大,具有區(qū)分意義;P/E的正態(tài)分布曲線軸須圖將數(shù)據(jù)結(jié)果可視化,根據(jù)樣本的區(qū)間差異篩選離群的突變體,篩選出突變體材料4份。

        關(guān)鍵詞:獼猴桃;花粉形態(tài);掃描電鏡;突變體

        中圖分類號:S663.401 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號:1002-1302(2024)15-0178-09

        收稿日期:2023-09-14

        基金項(xiàng)目:四川省科技計(jì)劃(編號:2021YFYZ0023、2020ZYD042);四川省省級科研院所基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目(編號:2021JDKY0023)。

        作者簡介:何利欽(1988—),女,四川鹽亭人,碩士,助理研究員,主要從事獼猴桃病蟲害及遺傳育種相關(guān)研究。E-mail:heliqin777@163.com。

        通信作者:王麗華,碩士,研究員,主要從事獼猴桃遺傳育種相關(guān)研究。E-mail:514935456@qq.com。

        獼猴桃屬植物的原生中心和分布中心均在我國,野生種質(zhì)資源極為豐富[1]。獼猴桃屬(Actinidia Lindl.)共有54個種和21個變種,約75個分類群,其中有52個種原產(chǎn)于我國[2]。不同來源的材料種間和種內(nèi)差異較大,在新品種選育和種質(zhì)創(chuàng)新方面的資源開發(fā)利用潛力很大?,F(xiàn)有的育種方法有很多,有傳統(tǒng)的實(shí)生選育,還有雜交育種、芽變選擇、輻射誘變、生物技術(shù)育種等[3-7]。新品種的選育主要以從野生資源和它們的實(shí)生子代中篩選材料培育為主[8],在其生殖與發(fā)育過程中,花粉產(chǎn)生雄性配子,花粉形態(tài)特征的遺傳保守性很強(qiáng),不會因外界條件而受到影響,同時花粉攜帶了大量信息,在研究獼猴桃屬植物的親緣關(guān)系和突變體上有重要的參考價值和理論依據(jù)[1]。

        獼猴桃植株在個體遺傳表現(xiàn)上有雌雄株的區(qū)別,花朵是形態(tài)上的二性花,功能上的單性花,在發(fā)育過程中,雌蕊或雄蕊發(fā)生選擇性敗育,即表現(xiàn)為雄株花粉可育雌株花粉敗育[9]。有關(guān)獼猴桃屬植物孢粉學(xué)的研究表明,獼猴桃花粉攜帶的遺傳信息具有穩(wěn)定性和多樣性。姜正旺等觀察了獼猴桃屬植物 21 個種、6 個變種和4個不同種間雜交F1代植株的花粉形態(tài),提出獼猴桃屬的花粉形狀主要以長球形至近球形為主,變異較小,而花粉粒大小及外壁紋飾的種間差異較大[10]。寧允葉等觀察研究了紅陽獼猴桃及其變種的花粉形態(tài),發(fā)現(xiàn)其中存在顯著差異[11]。王柏青觀察了東北3種獼猴桃的花粉形態(tài),發(fā)現(xiàn)3種花粉的形態(tài)特征對比可以作為分種的依據(jù)[12]。鐘敏等對23個野生毛花獼猴桃雄株花粉粒進(jìn)行觀察分析,發(fā)現(xiàn)不同單株間存在差異,分別呈現(xiàn)毛花獼猴桃的遺傳保守性和多樣性[13]。齊秀娟等對獼猴桃3個種30個品系的花粉粒進(jìn)行形態(tài)觀察,發(fā)現(xiàn)獼猴桃花粉外觀形態(tài)和大小在相同種內(nèi)和相同來源環(huán)境背景下存在一定的保守性,花粉大小、萌發(fā)溝長度、萌發(fā)溝脊寬度、極軸長度、 赤道軸長度可作為劃分中華獼猴桃和美味獼猴桃的孢粉學(xué)特征依據(jù)[14]。這些學(xué)者先后利用掃描電鏡對獼猴桃種間、種內(nèi)及變種的不同花粉進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察研究,探討不同獼猴桃間的親緣關(guān)系,結(jié)果表明花粉形態(tài)上的顯著差異可以作為篩選獼猴桃突變體的方式之一,為獼猴桃種質(zhì)資源開發(fā)利用提供了科學(xué)依據(jù)。

        但是這些研究存在2個方面的不足之處。一方面,這些研究需要測量花粉形態(tài)的多項(xiàng)指標(biāo),至少包括花粉極軸長度、赤道軸長度、萌發(fā)溝長度、萌發(fā)溝寬度、外壁紋飾等多項(xiàng)特征,根據(jù)多項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值與標(biāo)準(zhǔn)差比較,從而研究親緣關(guān)系和變異系數(shù)。該類方法的不足之處在于:其一,在實(shí)際育種工作和科學(xué)研究中,基于獼猴桃屬植物種間和種內(nèi)資源的多樣性、花粉種類和數(shù)量較多的情況下,需要進(jìn)行大量繁瑣的工作;其二,花粉外壁紋飾的觀察對上機(jī)樣品和拍攝條件要求高,現(xiàn)有技術(shù)條件下,一般須在掃描電鏡放大10 000倍以上進(jìn)行觀察,如果樣品含水量或者導(dǎo)電性不佳,需要預(yù)先處理樣品,費(fèi)時費(fèi)力,同時由于外壁紋飾的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,相關(guān)研究依賴于觀察者的主觀判斷,沒有定量指標(biāo),在大量篩選工作中不利于標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行和工作效率的提高。另外一方面,現(xiàn)有研究幾乎都是針對雄株的雄花花粉進(jìn)行相關(guān)研究,但是雌株也會產(chǎn)生花粉,以往多認(rèn)為雌株花粉沒有可育性,研究意義不大,而王明忠等從龍門山南段的野生美味獼猴桃變種的彩色獼猴桃中,篩選出具有生產(chǎn)利用價值的兩性花(雌雄同花)品種龍山紅[15]。筆者的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn),雌株的花粉形態(tài)具有穩(wěn)定性和多樣性。因此,對雌株花粉的研究也有一定的價值。

        本研究通過掃描電鏡觀察測量中華獼猴桃、美味獼猴桃、軟棗獼猴桃、毛花獼猴桃、葛棗獼猴桃、四萼獼猴桃、京梨獼猴桃共7種獼猴桃的39份花粉,其中雌株花粉15份,雄株花粉23份,美味獼猴桃突變體兩性花龍山紅花粉1份,供試材料在掃描電鏡的低倍數(shù)下觀察測量,運(yùn)用主成分分析法探究影響花粉形狀的主要因素,繪制正態(tài)分布曲線軸須圖,探究一種篩選獼猴桃突變體的新方法,以期為獼猴桃的種質(zhì)資源選育和遺傳育種提供參考依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        兩性花龍山紅獼猴桃花粉來自四川省自然資源科學(xué)研究院峨眉山生物試驗(yàn)站,其余供試花粉全部來源于四川省自然資源科學(xué)研究院什邡市獼猴桃研究基地。于2021—2023年的春季獼猴桃花期,選取不同獼猴桃的雄株和雌株進(jìn)行取樣,在四川省自然資源科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室中開展相關(guān)試驗(yàn)。不同獼猴桃花粉信息詳見表1。

        1.2 獼猴桃花粉收集

        在獼猴桃初花期,采摘即將開放的鈴鐺花,用小鑷子剝落花藥于硫酸紙袋內(nèi),置于帶蓋的潔凈培養(yǎng)皿中,在25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h,待花粉粒散出后,密封保存于棕色玻璃瓶中,放置于 -20 ℃ 冰箱中備用。

        1.3 掃描電鏡觀察拍照

        用潔凈棉簽將供試花粉輕柔地粘黏在導(dǎo)電膠上,噴金鍍膜后,放置在日立SU3500掃描電子顯微鏡中,在較低倍數(shù)下拍攝觀察。分別在500×、1 000×、3 000×左右倍數(shù)下,選取花粉粒的群體、極面觀、赤面觀等具有代表性的視野拍照。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        用ImageJ軟件測量較低倍數(shù)(1 000×)下花粉粒的5個指標(biāo):極軸長度(P)、赤道軸長度(E)、極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)、萌發(fā)溝長度、花粉粒大小(P×E)。每種花粉粒隨機(jī)挑選30粒進(jìn)行測量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel軟件進(jìn)行相關(guān)處理,運(yùn)用IBM SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,運(yùn)用軟件Grapad Prism 9.5進(jìn)行主成分分析。

        在低倍數(shù)500×下拍照,利用ImageJ軟件測量花粉粒的極軸長度(P)、單?;ǚ蹖?yīng)的赤道軸長度(E),計(jì)算極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)。每份樣本測量花粉粒100粒以上。運(yùn)用軟件Origin 2021制作極軸長度與赤道長度比值(P/E)的正態(tài)分布曲線軸須圖,花粉形狀學(xué)相關(guān)分類、指標(biāo)的學(xué)術(shù)用語參考《孢粉學(xué)手冊》[16]、《孢粉學(xué)概論》[17]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 花粉形態(tài)學(xué)和大小

        由圖1可見,全部供試花粉形態(tài)均為單粒、等極、輻射對稱。供試花粉的赤道面觀均為三裂圓形,具3條萌發(fā)溝,等間距離分布,根據(jù)Erdtman提出的NPC系統(tǒng)分類[16],41份花粉均為N3P4C5型。極面觀為超長球形、長球形、近球形或扁球形,其中11份中華獼猴桃中6份雄株花粉為超長球形或長球形,5份雌株花粉為近球形、長球形或扁球形;美味獼猴桃中9份雄株花粉為超長球形或長球形,4份雌株花粉為近球形,1份兩性花花粉為近球形;軟棗獼猴桃中3份雄株花粉為超長球形,2份雌株花粉為長球形、近球形;毛花獼猴桃中1份雄株花粉為長球形,1份雌株花粉為扁球形;葛棗獼猴桃中1份雄株花粉為超長球形,1份雌株花粉為近球形;四萼獼猴桃中1份雄株花粉為超長球形,1份雌株花粉為近球形; 京梨獼猴桃中2份雄株花粉分別為長球形和超長球形,1份雌株花粉為近球形。

        表1列出了分析統(tǒng)計(jì)的各項(xiàng)形態(tài)指標(biāo)。雄株花粉極軸長度為21.15~33.31 μm,最小值為美味獼猴桃,最大值為四萼獼猴桃;雌株花極軸長度為14.10~21.70 μm,最小值為中華獼猴桃,最大值為四萼獼猴桃。雄株花粉赤道軸長度為9.96~16.90 μm,最小值為京梨獼猴桃,最大值為美味獼猴桃;雌株花粉赤道軸長度為14.68~24.05 μm,最小值為中華獼猴桃,最大值為毛花獼猴桃。雄株花粉極軸長度與赤道軸長度比值為1.27~2.26,供試樣品中最小值為美味獼猴桃,最大值為京梨獼猴桃;雌株花粉極軸長度與赤道軸長度比值為0.83~1.36,供試花粉中最小值和最大值均為中華獼猴桃。雄株花粉粒大?。O軸×赤道軸)為223.32~552.42 μm2,最小值為京梨獼猴桃,最大值為四萼獼猴桃;雌株花粉粒大小(極軸×赤道軸)為221.91~559.91 μm2,最小值為中華獼猴桃,最大值為毛花獼猴桃。雄株花粉萌發(fā)溝長度為17.55~29.04 μm,最小值為美味獼猴桃,最大值為四萼獼猴桃;雌株花粉萌發(fā)溝長度為9.65~15.68 μm,最小值為京梨獼猴桃,最大值為軟棗獼猴桃。

        2.2 花粉指標(biāo)的主成分分析(PCA)

        將供試的獼猴桃花粉38份材料(不包括25號樣本兩性花獼猴桃)的5個花粉形態(tài)指標(biāo)[包括極軸長度(P)、赤道軸長度(E)、萌發(fā)溝長度、極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)、花粉粒大小(P×E)]的相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行PCA(圖2)。由圖 2-A、圖2-B可知,前2個主成分的貢獻(xiàn)度幾乎可以涵蓋原始變量的信息,前2個主成分貢獻(xiàn)的總方差為96.27%。從圖2-D載荷圖上可以看出,5個花粉形態(tài)指標(biāo)具有一定的差異性,其中極軸長度與赤道軸長度的比值(P/E)、極軸長度(P)、萌發(fā)溝長度三者分布比較集中,夾角較小,相關(guān)信息相似,區(qū)分意義不大;而P/E與赤道軸長度(E)夾角最大,冗余信息很少,可以得出二者具有區(qū)分意義。由圖 2-C 可知,樣本間有一定的程度的聚類,雌株花粉和雄株花粉存在明顯分離,二者之間相似度不大,花粉形態(tài)特征上發(fā)生了一定程度的變化。

        2.3 花粉的P/E分布范圍分析

        使用軟件Origin 2021制作正態(tài)分布曲線軸須圖。由圖3可知,中華獼猴桃的雌株花粉中的7、8、9、11號材料的P/E值分布在0.60~1.25之間,分布范圍較窄且集中,重合度較高;雄株花粉中的1、2、3、5、6號材料的P/E值分布在1.60~2.60之間,分布范圍同樣較窄且集中,重合度較高。但是,雌株花粉中的10號材料、雄株花粉中的4號材料分布趨勢差異較大。10號材料的P/E值分布范圍為0.60~1.80,分布范圍很寬,與大部分雌株花粉重合度不高,有部分值卻和雄株花粉重合在一起,比值分布集中在1.25左右,該區(qū)域幾乎不含其他雌株和雄株花粉。雄株花粉中的4號材料P/E值分布范圍為1.50~2.50,其中有部分與其他雄株花粉不重合,較接近于雌株花粉的分布范圍,與雌株花粉中的10號材料有部分重合,但是其離群程度又小于10號材料。從分布軸須圖中可見,4號、10號材料不同于其他材料。可以看出,圖4-A、圖4-B圖和圖4-D、圖4-E圖雌株花粉或雄株花粉的形態(tài)一致,幾乎沒有變化,而圖4-C、圖4-F圖中的4號、10號材料花粉形態(tài)不一,發(fā)生了突變。

        圖5為美味獼猴桃的花粉P/E值分布范圍??偟膩碚f,雌株花粉21、22、23、24號材料分布在0.50~1.50之間,雄株花粉12、13、14、15、16、18、19、20號材料分布在1.50~2.75之間,雌株和雄株花粉幾乎不重合,較為集中地分布在2個區(qū)域。而雄株花粉中的17號材料分布范圍為0.60~2.00,分布范圍廣,包含雌株和雄株花粉,且與雌株花粉重合區(qū)域更多。25號材料為兩性花龍山紅樣本,比值分布在0.50~1.75,分布范圍也較廣,包含雌株和雄株花粉,很大一部分區(qū)域與17號材料重合在一起。由圖6可知,17、25號材料在形態(tài)上區(qū)別較大,花粉形態(tài)上發(fā)生了突變。

        由圖7可知,軟棗獼猴桃的雌株花粉P/E值分布范圍在0.60~1.50之間,雄株花粉P/E值分布范圍在1.60~2.60之間。由圖8可知,毛花獼猴桃、葛棗獼猴桃、四萼獼猴桃、京梨獼猴桃的雌株花粉P/E值分布范圍在0.50~1.50之間,雄株花粉P/E值分布范圍在1.50~2.75之間??梢姡琍/E值分布均表現(xiàn)為分布范圍較為集中且重合區(qū)域較大,雌株和雄株花粉分布在不同區(qū)域 且區(qū)域之間幾乎不重合。由圖9、圖10也可看出,雄株或雌株花粉在形態(tài)上表現(xiàn)一致,幾乎沒有差異,未發(fā)生突變。

        3 討論與結(jié)論

        被子植物花粉在生殖與發(fā)育過程中產(chǎn)生雄性配子,攜帶大量穩(wěn)定的遺傳信息,花粉形態(tài)學(xué)的研究為獼猴桃屬植物的親緣關(guān)系和種質(zhì)資源選育提供重要參考價值。在相關(guān)研究中,康寧等先后運(yùn)用掃描電鏡對不同獼猴桃種間和種內(nèi)資源材料的花粉形態(tài)進(jìn)行了觀察,獼猴桃花粉均為N3P4C5型,且都以分散的單粒、等極和輻射對稱形式存在,萌發(fā)孔為三孔溝,極面觀為三裂圓形,赤道面觀察到1~2條萌發(fā)溝,但是各研究均以雄株花粉為主,幾乎很少見有關(guān)雌株花粉的研究報道[10,13-14,18-19]。本研究中39份供試材料包括7種獼猴桃花粉,不論雌雄株還是突變體兩性花龍山紅獼猴桃的花粉,均與這些學(xué)者的觀察結(jié)果一致,同時既補(bǔ)充了雌株花粉形態(tài)學(xué)研究的理論基礎(chǔ),也進(jìn)一步證實(shí)獼猴桃花粉在形狀上穩(wěn)定遺傳變異較少的結(jié)論[20]。

        獼猴桃屬植物花粉還呈現(xiàn)出遺傳多樣性。鐘敏等先后對23個野生毛花獼猴桃雄株花粉和3個種的30個品系獼猴桃花粉進(jìn)行觀察研究,花粉粒在極軸長度(P)、赤道軸長度(E)、萌發(fā)溝長度、極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)、花粉粒大小(P×E)上都存在差異[13-14],本研究結(jié)果也與其一致。為了研究供試材料的親緣關(guān)系,這些學(xué)者還在高倍數(shù)掃描電鏡下觀察測量了花粉的外壁紋飾形狀和萌發(fā)溝寬度,再取極軸長度(P)、萌發(fā)溝長度、赤道軸長度(E)、萌發(fā)溝寬度、極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)、花粉粒大小(P×E)等指標(biāo)的均值進(jìn)行變異系數(shù)分析或者聚類分析。然而,在獼猴桃新品種選育中,有大量的獼猴桃野生資源和實(shí)生子代樣本需要篩選和評價;這些方法或是因?yàn)閷悠非疤幚砗腿藛T操作經(jīng)驗(yàn)有高要求,或是因?yàn)橛^察測量各項(xiàng)指標(biāo)較多導(dǎo)致工作量太大,往往不能滿足實(shí)際工作的需要。為此,筆者所在課題組提出一種篩選獼猴桃花粉突變體的方法。

        在極軸長度(P)、赤道軸長度(E)、萌發(fā)溝長度、極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)、花粉粒大?。≒×E)、萌發(fā)溝寬度、外壁紋飾7項(xiàng)花粉特征指標(biāo)中,為了提高工作效率,選擇在較低倍數(shù)下(1 000×)拍照觀察,舍去在高倍數(shù)下觀察的萌發(fā)溝寬度和外壁紋飾2項(xiàng)特征 增加觀察群體數(shù)量的同時減少測量指標(biāo)數(shù)量。然后為了探究較低倍數(shù)下的極軸長度(P)、赤道軸長度(E)、萌發(fā)溝長度、極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)、花粉粒大?。≒×E) 5項(xiàng)指標(biāo)是否可行以及相關(guān)指標(biāo)的降維,運(yùn)用軟件Grapad Prism 9.5進(jìn)行主成分分析(PCA)。陡坡圖、方差比例圖顯示前2個主成分的貢獻(xiàn)度為96.27%,幾乎可以涵蓋原始變量的信息;得分圖中樣本間有一定的程度的聚類,雌株和雄株花粉存在明顯分離,二者之間相似度不大;載荷圖表明5項(xiàng)指標(biāo)中 極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)與赤道軸長度(E)夾角最大,冗余信息很少,二者具有區(qū)分意義。筆者結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn),認(rèn)為極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)這項(xiàng)指標(biāo)在花粉形態(tài)學(xué)上起著關(guān)鍵作用,特別是在突變體的花粉形態(tài)上具有重要參考價值,發(fā)生改變的花粉形態(tài)會與群體有一定程度上的差異。為此,利用ImageJ軟件快速測量低倍數(shù)下的掃描電鏡圖片,因?yàn)樵诘捅稊?shù)下電鏡圖片中花粉粒顆粒較多,可快速地得到多組極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)數(shù)據(jù)。采用軟件Origin 2021繪制極軸長度與赤道軸長度比值(P/E)的正態(tài)曲線分布軸須圖,將所有數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)出來。從不同獼猴桃花粉的P/E值的正態(tài)分布區(qū)間區(qū)域分析得出,4、10、17、25號材料差異較大,4號材料為中華獼猴桃雄株花粉;10號材料為中華獼猴桃雌株花粉,17號為美味獼猴桃雄株花粉,25號材料為美味獼猴桃的突變體兩性花龍山紅獼猴桃花粉;再對照相應(yīng)的掃描電鏡圖片,均可在群體中找到形狀差異較大的突變花粉粒,驗(yàn)證該種方法的可行性。

        本研究中的供試花粉材料在形態(tài)上具有穩(wěn)定的遺傳共性特征,同時也具有多樣性和差異性。在較低倍數(shù)下(1 000×)運(yùn)用掃描電鏡對群體花粉粒拍照,實(shí)現(xiàn)快速測量,得到多組極軸長度與赤道軸長度的比值(P/E)數(shù)據(jù),繪制正態(tài)分布曲線軸須圖,所有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化,分析正態(tài)分布區(qū)間,篩選出4份差異較大的材料,在相應(yīng)的掃描電鏡圖片中均可找到形狀差異較大的突變花粉粒,該方法可行,且可高效直觀地篩選獼猴桃突變體,期待可為獼猴桃的資源開發(fā)利用以及新品種選育提供理論參考依據(jù)。

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