郭英姿 賈文慶 周秀梅
摘要:以早開堇菜新鮮花粉為試材,使用掃描電鏡觀察花粉表觀形態(tài),采用雙重二因素試驗用離體培養(yǎng)法研究不同培養(yǎng)基組分對花粉萌發(fā)的影響,篩選最佳的貯藏方法,并探討花粉形態(tài)結(jié)構(gòu)與花粉萌發(fā)之間的關(guān)系。結(jié)果表明:蔗糖和硼酸對花粉萌發(fā)具有促進(jìn)作用。在280 g/L蔗糖和240 mg/L硼酸的條件下花粉萌發(fā)率最高,為72.29%;在 90 mg/L GA3和200 mg/L Ca(NO3)2的條件下花粉萌發(fā)率峰值為82.48%。確定花粉離體培養(yǎng)最佳的培養(yǎng)基為:蔗糖280 g/L、GA3 90 mg/L、Ca(NO3)2 200 mg/L、硼酸240 mg/L?;ǚ勖劝l(fā)率隨貯藏時間的延長呈下降趨勢,相同時間內(nèi)貯藏溫度越低花粉萌發(fā)率越高,早開堇菜花粉最佳的貯藏的條件為-80 ℃;花粉形態(tài)與其萌發(fā)率之間有相關(guān)性。
關(guān)鍵詞:早開堇菜;生活力;萌發(fā);培養(yǎng)基成分;貯藏
中圖分類號: S567.23+9.035.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)13-0191-04
早開堇菜(Viola prionantha Bunge)又名早花地丁,為堇菜科堇菜屬多年生草本植物。全草藥用,有活血化瘀,除膿消炎;搗爛涂于患處,可排膿、活血和生肌[1]。植株低矮、春季返青比較早,植株長勢茂盛,在早春和晚秋開花,花期集中,花型奇特、色澤醒目、株型雅致,具有較高的觀賞價值。早開堇菜有適應(yīng)性廣、生長迅速、抗逆性強(qiáng)、競爭力強(qiáng)等特點,可廣泛用于地被、林下地被、花境、花壇、綴花草坪等,具有廣闊的園林開發(fā)應(yīng)用前景[2-3]。
雜交培育新品種是改良植物的重要途徑,也是植物資源開發(fā)利用的主要方法。堇菜屬植物生殖特性的研究是提高堇菜屬植物育種效率的基礎(chǔ)。在進(jìn)行人工授粉、雜交育種時都需要大量花粉,雜交育種有時因花期不遇、空間障礙等原因,必須有效地貯藏花粉,花粉壽命長短對植物授粉受精結(jié)實繁殖能力等方面具有重要意義[4]。在授粉前對花粉進(jìn)行生活力的測定,可以避免因使用低生活力的花粉而造成育種時間和成本的浪費(fèi),以便對雜交結(jié)果進(jìn)行分析和研究[5]。而花粉萌發(fā)生活力測定是人工篩選或雜交育種的前提,離體培養(yǎng)法是檢測花粉萌發(fā)率最準(zhǔn)確的方法之一?;ǚ坶L期貯藏對種質(zhì)保存和雜交育種十分重要,長期保存花粉的必要條件就是低溫處理。目前國內(nèi)學(xué)者對早開堇菜的資源概況[2-3,6]、生物學(xué)特性[7]、揮發(fā)性成分[1]、抗性[8]等進(jìn)行了深入的研究,但對其花粉生活力及貯藏的研究尚未見報道。為此本研究采用離體培養(yǎng)法對早開堇菜花粉萌發(fā)特性進(jìn)行探討,探究了早開堇菜花粉萌發(fā)的最適培養(yǎng)基及最佳貯藏方法,并分析了花粉形態(tài)與萌發(fā)率之間的關(guān)系,以期為早開堇菜的雜交育種和花粉儲藏提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗材料的采集與處理
試驗于2017年3月上旬展開,選擇晴天08:30—11:00,在河南科技學(xué)院校園內(nèi)采集早開堇菜初花期含苞待放花朵為宜,此時花粉還未散出,花粉量大、生活力好。帶回實驗室后,一部分用鑷子剝?nèi)』ㄋ幹糜诜庞辛蛩峒埖呐囵B(yǎng)皿內(nèi),置于(25±1) ℃培養(yǎng)箱內(nèi)散粉24 h后,收集花粉,待掃描花粉形態(tài)備用。一部分新鮮花粉直接用于離體萌發(fā)試驗,待測花粉生活力。其余花粉干燥后裝入放有硅膠的離心管密封保存,設(shè)置常溫、4 ℃(低溫)、-20 ℃、-80 ℃(超低溫)4種貯藏溫度,進(jìn)行長期貯藏。
1.2 方法
1.2.1 花粉形態(tài)觀察 將干燥的花粉均勻撒布在黑色導(dǎo)電膠上,放在掃描電鏡下觀察拍照。選取有代表性的花粉粒進(jìn)行觀察,各類型的花粉粒測20粒,取平均值,記錄花粉的極軸和赤道長度并計算P/E值;觀察花粉遠(yuǎn)極面、近極面和局部的外壁紋飾、網(wǎng)眼大小、網(wǎng)脊寬度,測量并記錄數(shù)據(jù)。
1.2.2 不同蔗糖、硼酸處理對花粉萌發(fā)的影響 試驗采用二因素完全隨機(jī)處理方法,共36個組合,濃度梯度分別為:蔗糖:蒸餾水作為對照,蔗糖濃度設(shè)為200、230、260、280、310 g/L;硼酸:蒸餾水作為對照,硼酸濃度設(shè)為200、220、240、260、280 mg/L。各培養(yǎng)基均加入9 g/L瓊脂、pH值調(diào)至5.8。用玻璃棒滴培養(yǎng)液于凹玻片的凹處,裝滿為止,稍冷卻后用干凈的毛筆蘸取少許花粉均勻撒播于培養(yǎng)基表面。將凹玻片放入鋪有濕濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)。置于(25±1) ℃恒溫培養(yǎng)箱、相對濕度保持70%~80%,暗培養(yǎng)15 h后,放在NIKON 50i顯微鏡下拍照并統(tǒng)計萌發(fā)率?;ǚ酃荛L度大于花粉粒直徑視為萌發(fā),每處理重復(fù)3次,每重復(fù)觀察3個視野,每視野≥100?;ǚ?,統(tǒng)計萌發(fā)率[9-10]。
花粉萌發(fā)率=花粉萌發(fā)粒數(shù)/花粉總粒數(shù)×100%。
1.2.3 不同赤霉素、硝酸鈣處理對花粉萌發(fā)的影響 在試驗得出的最佳培養(yǎng)基中加入GA3、Ca(NO3)2,在此基礎(chǔ)上采用二因素完全隨機(jī)處理試驗,依據(jù)不同處理的花粉萌發(fā)率,確定最佳的GA3和Ca(NO3)2濃度。濃度梯度分別為:GA3:蒸餾水作為對照,GA3濃度設(shè)為30、60、90、120、150 mg/L,Ca(NO3)2:蒸餾水作為對照,Ca(NO3)2濃度設(shè)為50、100、150、200、250 mg/L,pH值調(diào)至5.8。花粉萌發(fā)的測定方法同上。
1.2.4 不同貯藏溫度對早開堇菜花粉萌發(fā)的影響 將真空干燥的花粉,設(shè)置常溫、4 ℃(低溫)、-20 ℃、-80 ℃(超低溫)4種貯藏溫度,將花粉裝入放有硅膠干燥劑的5 mL試管中,用棉花封口。貯藏60、120、180、240、300、360 d后,分別從4種貯藏條件的離心管中各取出少許花粉(-80 ℃下貯藏的花粉放-20 ℃預(yù)處理解凍,在-20 ℃冰箱中冷凍的花粉應(yīng)在 4 ℃ 的冰箱中緩沖15 min后再培養(yǎng)),取少許采用試驗所得最佳培養(yǎng)基培養(yǎng)測定萌發(fā)率,以新鮮花粉的萌發(fā)率作對照,測定方法同上。
1.3 數(shù)據(jù)分析
采用DPS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行方差分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 早開堇菜表觀形態(tài)
從圖1-A、圖1-B可以看出早開堇菜花粉粒均為長橢球形,早開堇菜花粉粒平均極軸長為21.93 μm,平均赤道軸長約10.08 μm,P/E≈2.176,屬于小型花粉。其中少數(shù)呈船型或不規(guī)則形狀。從圖1-B、圖1-C、圖1-D可以看出,早開堇菜花粉表面較為光滑,為小穴狀雕飾紋,網(wǎng)脊細(xì)而彎曲,較為均勻。早開堇菜花粉粒形態(tài)呈兩側(cè)對稱,花粉赤道面觀長橢圓形,兩端漸窄,極面觀三裂圓形,花粉具3孔溝[11],溝膜較明顯,延伸至兩極,萌發(fā)溝呈兩極寬中間窄,溝寬約 0.88 μm,溝長快達(dá)到花粉粒兩端,長度平均約18.02 μm,溝區(qū)有光滑的溝膜。
2.2 蔗糖、硼酸對花粉萌發(fā)率的影響
不同蔗糖、硼酸濃度對早開堇菜花粉萌發(fā)的影響差異顯著(表1、圖2)。表1表明,早開堇菜在蔗糖、硼酸濃度都為0和單獨(dú)添加蔗糖或者硼酸時萌發(fā)率都較低,在恒溫培養(yǎng)箱(25±1) ℃持續(xù)培養(yǎng)15 h后,空白培養(yǎng)基花粉的萌發(fā)率僅為20.27%,單獨(dú)使用蔗糖時,隨著蔗糖濃度的增加,花粉的萌發(fā)率呈先上升后降低的趨勢。蔗糖濃度為280 g/L,萌發(fā)率最高,達(dá)25.76%,顯著高于其他處理;但隨著蔗糖濃度持續(xù)增加,花粉的萌發(fā)率呈下降趨勢,在蔗糖的濃度為300 g/L時,花粉萌發(fā)率降至22.91%。
硼能促進(jìn)糖的吸收與代謝,且有利于花粉管壁的形成,減少花粉破裂,提高花粉的萌發(fā)率,促使花粉管生長伸長[7]。表1結(jié)果顯示,單獨(dú)使用硼酸時,早開堇菜花粉萌發(fā)率隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加呈先增加后下降的趨勢。硼酸的質(zhì)量濃度為240 mg/L時,早開堇菜的花粉萌發(fā)率最高,達(dá)31.74%;隨著硼酸濃度持續(xù)增加,花粉萌發(fā)率顯著下降,當(dāng)硼酸的質(zhì)量濃度為280 mg/L時,花粉的萌發(fā)率僅為26.82%。
這表明高質(zhì)量濃度蔗糖、硼酸對花粉萌發(fā)有抑制作用。研究結(jié)果顯示:供試的36種培養(yǎng)基中,蔗糖和硼酸濃度分別為280 g/L、240 mg/L時,花粉萌發(fā)率最高,達(dá)72.29%,顯著高于其他組合,可以表明該培養(yǎng)基為早開堇菜花粉萌發(fā)的最佳培養(yǎng)基。這表明添加一定含量的蔗糖、硼酸對早開堇菜花粉萌發(fā)具有明顯的促進(jìn)作用。
2.3 赤霉素、硝酸鈣對花粉萌發(fā)率的影響
赤霉素是影響花粉萌發(fā)的重要因素之一。由表2可以看出,赤霉素添加后,早開堇菜花粉萌發(fā)率有較顯著的變化,呈先增加后降低的趨勢。赤霉素為90 mg/L時,萌發(fā)率達(dá)到了峰值,為78.34%,當(dāng)赤霉素濃度為150 mg/L時,萌發(fā)率隨赤霉素濃度增加反而下降,為57.14%, 這表明高質(zhì)量濃度的赤霉素使花粉萌發(fā)受到抑制。
硝酸鈣對早開堇菜花粉的萌發(fā)具有一定的相關(guān)性。硝酸鈣晶體易溶于水,可以隨其他易溶試劑直接加入蒸餾水中配制培養(yǎng)基。由表2可知,在最佳蔗糖濃度280 g/L的培養(yǎng)基中加入Ca2+后,很明顯抑制了早開堇菜花粉的萌發(fā),隨著硝酸鈣質(zhì)量濃度不斷增大,花粉萌發(fā)率呈先增加后下降的趨勢,硝酸鈣濃度為250 mg/L時,早開堇菜花粉萌發(fā)率降至 69.87%,萌發(fā)率明顯低于無硝酸鈣時的72.29%。Ca(NO3)2的質(zhì)量濃度為200 mg/L時,早開堇菜花粉的萌發(fā)率達(dá)到頂峰值,為72.82%。
供試的36種培養(yǎng)基中,赤霉素和硝酸鈣濃度分別為 90 g/L、200 mg/L時,花粉萌發(fā)率最高,達(dá)82.48%,顯著高于其他組合。綜上所述,依據(jù)不同組合的花粉萌發(fā)率,確定早開堇菜花粉萌發(fā)的最適培養(yǎng)基為:蔗糖280 g/L+GA3 90 mg/L+Ca(NO3)2 200 mg/L+硼酸240 mg/L。
2.4 不同貯藏時間和溫度對早開堇菜花粉萌發(fā)的影響
圖3結(jié)果表明,貯藏環(huán)境對早開堇菜花粉的萌發(fā)率影響顯著,貯藏不同時間后花粉活力差異較大。在4種貯藏溫度條件下,隨著貯藏時間延長,早開堇菜花粉萌發(fā)率均呈下降趨勢。室溫下萌發(fā)率下降最快,貯藏120 d后,花粉幾乎喪失生活力,貯藏時間最短;與室溫相比,4 ℃條件下花粉貯藏時間明顯延長,隨著貯藏時間的延長,萌發(fā)率呈緩慢下降的趨勢,貯藏360 d萌發(fā)率下降到38.8%;-20 ℃貯藏條件下,花粉萌發(fā)率下降趨勢較4 ℃條件下的小很多,貯藏360 d后萌發(fā)率仍有52.91%;-80 ℃條件下貯藏的花粉萌發(fā)率下降幅度較小,變化曲線較平緩,顯著優(yōu)于4 ℃和-20 ℃,貯藏360 d后,花粉萌發(fā)率仍達(dá)61.69%,花粉管形態(tài)正常。綜上所述,適宜早開堇菜花粉貯藏的條件為-80 ℃。
3 小結(jié)與討論
花粉形態(tài)是植物分類鑒定、確定親緣關(guān)系遠(yuǎn)近的重要指標(biāo)。物種不同,花粉的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及大小也有差異[12]。本研究結(jié)果表明:早開堇菜屬于小型花粉,表面光滑,早開堇菜畸形花粉所占比率(13.18%),與離體萌發(fā)法所得萌發(fā)率(82.48%)結(jié)合來看,二者具有一定關(guān)系,說明花粉萌發(fā)與花粉形態(tài)有相關(guān)性。分析出現(xiàn)畸形花粉原因可能是早開堇菜繁殖力差,花粉敗育。
離體萌發(fā)法操作簡便、快速,結(jié)果直觀可靠,幾乎適用于所有植物的花粉生活力測定,但不同的材料需要不同的培養(yǎng)基[13]。本試驗通過二因素完全隨機(jī)處理試驗,篩選出最適宜早開堇菜花粉萌發(fā)的培養(yǎng)基組合為:蔗糖280 g/L+GA3 90 mg/L+Ca(NO3)2 200 mg/L+硼酸240 mg/L。
蔗糖是花粉萌發(fā)的營養(yǎng)物質(zhì)和能量來源,不同植物種類甚至品種其花粉離體培養(yǎng)對蔗糖濃度要求不同。這可能是由于不同植物、品種的花粉細(xì)胞中內(nèi)含物含量不同,要求適宜的細(xì)胞壁內(nèi)外滲透壓才能生長。胞內(nèi)滲透壓低于胞外,易造成胞內(nèi)水分外滲,高于胞外則造成細(xì)胞過分膨脹,都不利于花粉細(xì)胞生長[14]。本研究結(jié)果表明,蔗糖是影響早開堇菜花粉萌發(fā)的主要因子,蔗糖的質(zhì)量濃度為280 g/L時,花粉萌發(fā)效率達(dá)到峰值,當(dāng)蔗糖的質(zhì)量濃度超過280 g/L時,萌發(fā)率和蔗糖質(zhì)量濃度成反比,原因可能是蔗糖質(zhì)量濃度低,滲透壓就比較低,會導(dǎo)致花粉壁破裂,內(nèi)容物流出,花粉萌發(fā)率降低;蔗糖的質(zhì)量濃度高時,發(fā)生質(zhì)壁分離,又阻礙了花粉的發(fā)育[15]。適量硼也是花粉萌發(fā)和生長所必需的,硼酸有助于糖的吸收和利用,提高新陳代謝,硼還參與早開堇菜花粉組織的形成,可以減少花粉破裂,提高耗氧速度,有利于花粉管組織的合成和花粉管的伸長生長[16-19],本試驗結(jié)果顯示:硼酸的質(zhì)量濃度為240 mg/L時,早開堇菜的花粉萌發(fā)率達(dá)到峰值,為31.74%;隨著硼酸濃度持續(xù)增加,萌發(fā)率隨硼酸質(zhì)量濃度的增大而降低,分析可能的原因是硼的含量過多,抑制了花粉的新陳代謝,從而影響和抑制花粉活力。赤霉素可刺激花粉的萌發(fā),促進(jìn)花粉管生長,提高萌發(fā)率。大部分赤霉素促進(jìn)花粉萌發(fā)的研究結(jié)果顯示:50 mg/L以下的低濃度赤霉素對花粉萌發(fā)和花粉管生長有明顯的促進(jìn)作用[8]。本研究結(jié)果表明,90 mg/L GA3對早開堇菜花粉萌發(fā)具有明顯的促進(jìn)作用,這表明,低濃度的赤霉素能促進(jìn)早開堇菜花粉萌發(fā),120 mg/L的GA3出現(xiàn)抑制作用。Ca2+誘導(dǎo)花粉管產(chǎn)生一定的趨向性,使花粉管朝Ca2+濃度高的方向生長。硝酸鈣的主要作用是提供鈣元素,補(bǔ)充氮元素,具有快速補(bǔ)給鈣、氮的特點[16,20]。Ca2+的濃度影響著花粉管的生長速度和形態(tài)特征,但花粉萌發(fā)和生長都需要控制在一定的組分濃度內(nèi),過高、過低均不利于花粉管的萌發(fā)和生長[15],關(guān)于早開堇菜Ca2+誘導(dǎo)花粉管的研究尚未見報道,本試驗結(jié)果表明,200 mg/L硝酸鈣對早開堇菜花粉萌發(fā)具有促進(jìn)作用。
本試驗結(jié)果顯示,早開堇菜花粉萌發(fā)率最高一般維持在80%左右,推斷花粉生活力的強(qiáng)弱主要取決于種(品種)自身的遺傳特性,但培養(yǎng)基、培養(yǎng)溫度等其他外界條件也會影響到花粉萌發(fā)率[21-23],有待于進(jìn)一步研究。
貯藏溫度影響花粉萌發(fā)下降速度[21],本研究結(jié)果表明,在4種貯藏溫度條件下,隨著貯藏時間延長,花粉萌發(fā)率均呈下降趨勢,室溫下萌發(fā)率下降最快,貯藏時間最短。室溫貯藏120 d后花粉幾乎喪失生活力,可能是因為溫度高增強(qiáng)了花粉內(nèi)部呼吸強(qiáng)度,從而導(dǎo)致花粉營養(yǎng)枯竭,同時室內(nèi)溫度、濕度又會使花粉脫水變質(zhì)死亡[21]。4 ℃貯藏360 d后,萌發(fā)率為43.64%,長期貯藏仍表現(xiàn)較高的萌發(fā)率,但-80 ℃低溫處理后萌發(fā)率最佳,貯藏360 d后萌發(fā)率仍達(dá)到61.69%,適合花粉長期貯藏。說明溫度越低越有利于早開堇菜花粉的長時間保存,這與大多數(shù)研究結(jié)果[4,14,21]一致。這是因為花粉在貯藏過程中仍然進(jìn)行新陳代謝等生命活動,低溫可以使貯藏期間的花粉呼吸減弱,可溶性糖類等消耗減少,從而保持較長時間的生活力[21,24]。與-80 ℃相比,4 ℃條件貯藏的花粉耗能低,節(jié)約生產(chǎn)成本。從貯藏效果看,-80 ℃是長期貯藏適宜的溫度。堇菜屬遠(yuǎn)緣雜交育種,時常花期不遇,可以利用此方法長期保存花粉,貯藏360 d后正是堇菜屬植物的盛花期,為雜交育種的最佳時期。本實驗室前期研究的牡丹、三色堇 4 ℃ 貯藏120 d后,花粉萌發(fā)率基本降為0,推斷原因可能是花粉含水量高、腐爛造成萌發(fā)率降低[1,9]。本試驗結(jié)果顯示 4 ℃ 經(jīng)過近1年的貯藏后早開堇菜花粉仍具有較高的生活力,推斷原因可能與前期的花粉干燥程度有關(guān),具體原因有待于進(jìn)一步研究。
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