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香椿(Toona sinensis(A. Juss.) Roem.)楝科香椿属,我国特有树种,具有树干通直、速生、木材纹理好、材性优良、耐腐蚀、易于加工等优点[1]。香椿广泛分布于我国除新疆、内蒙古之外的22个省区[2],种质资源丰富,对香椿的研究多集中在育苗栽培、营养成分和功效及作为木本蔬菜时的保鲜贮藏等方面[3-5],在香椿林木改良方面的报道较少[6]。花粉是杂交育种中植物遗传信息的重要载体,在育种过程中,不论是授粉母本,还是父本,都需要明确育种材料花粉的萌发能力[7-8],但对香椿花粉离体萌发及低温贮藏花粉生活力等方面的研究未见报道。
黄烈健等[9]综述了多种林木花粉生活力检测的方法,赵鸿杰等[10]指出,离体萌发法分析花粉生活力精确性更高,本试验选用该法分析香椿花粉的生活力。在花粉离体萌发过程中,培养温度和时间是2个重要的培养条件[11]。培养温度过高,花粉易失活;温度过低,花粉萌发缓慢。此外,花粉离体萌发过程需要时间,培养时间过短,花粉未充分萌发;时间过长,花粉管会破裂,统计的萌发率均偏小[12]。适宜的培养温度、培养时间才能更准确地反映花粉生活力,而关于香椿花粉相关的研究未曾报道。影响花粉生活力的因素是什么及不同生活力花粉外部形态有何差异?耿兴敏等[13]指出,花粉含水率是影响花粉生活力及其低温保存效果的主要因素;外部形态上,张忠旭等[14]、陈琳等[15]报道了作物花药大小与花粉育性关系。此外,低温贮藏花粉能保持其较高的花粉生活力[16],可解决育种过程中亲本花期不一致以及长距离杂交等问题[17-18]。研究低温贮藏时间对香椿花粉生活力的影响非常有必要。
本研究首先探讨了不同培养温度、培养时间下香椿花粉的离体萌发率,以期获得香椿花粉最佳离体萌发培养条件;其次,分析不同大小、含水率花药上的香椿花粉生活力的差异;最后,探究了花粉生活力随低温贮藏时间的规律变化。本文首次较全面地研究了香椿花粉离体萌发的条件及影响生活力变化的因素,为香椿花粉的筛选、低温贮藏及开展人工杂交授粉等研究提供参考。
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采用离体培养法测定花粉萌发率。培养基为固体培养基,根据夏瑾华等[19]研究得出的适合三角梅花粉萌发及花粉管生长的固体培养基进行了调整,按照琼脂2 g·L-1、蔗糖10.0 g·L-1、硼酸0.02 g·L-1配置。随机选取参试的3个基因型(XC5、XC22、ZJ26)香椿各3个花朵(5个发育正常的花药/花朵),共15个花药,接种至装有萌发培养基的60 mm培养皿中,轻轻拨动花药,使花药上的花粉散落在花药周围的培养基上,分别置于20、22、25、28℃ 4个温度环境中,培养4、6、12、18、30、42 h后,分别统计其萌发率。花粉萌发以花粉管长度超过花粉粒直径作为萌发标准。每处理设置3个重复,每重复观察4个视野。
$ 萌发率 = 观察视野内发芽花粉粒数/视野内花粉粒总数×100\%。 $
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采用烘干法测定花药含水率。每基因型选择4个花朵,共20个花药,称量花药鲜质量;120℃烘干2 h,重复3次,直至恒质量,称量花药干质量。每基因型设置3个重复。
$ 花药含水率 =(花药鲜质量-花药干质量)/花药鲜质量×100\%。 $
采用游标卡尺测量花药大小。每基因型随机选择30个花朵,5个花药/花朵为1组,使用游标卡尺测量其长和宽。
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根据试验中确定的最佳培养温度、时间,分别取3个基因型香椿-20℃低温贮藏10、25、40 d的花粉进行离体培养,使用2.1节的方法检测花粉萌发率。花粉萌发率越高,生活力越大。
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采用Office Excel 2010和SAS9.4软件对试验数据进行统计分析。调用SAS的GLM过程,指定单因素、有交互作用的2因素统计模型对各指标进行方差分析,当概率P<0.05时,F检验达到显著水平。各指标间的相关分析调用SAS的CORR过程,计算Pearson积矩相关系数。当概率P<0.05时,T检验达到显著水平。
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3个基因型香椿花朵的平均花长(3.31±0.80)mm,直径(1.81±0.38) mm,具短花梗(图 1A)。将每个花朵的5个花药接种至萌发培养基(图 1B),轻轻拨动接种到萌发培养基上的花药,附着在花药上的花粉散落在花药周围的培养基上(图 1C)。萌发培养2 h未观测到有花粉管产生(图 1D),即未萌发;4 h后,XC22的花粉培养基上开始发现有花粉管伸长(图 1E),即开始萌发;30 h后,花粉管进一步伸长并有分支发生(图 1F)。图 2显示:3个基因型香椿花粉萌发率在30 h后无显著增加。
表 1显示:培养温度对花粉萌发率影响显著,且参试的3个基因型香椿的花粉在20℃培养温度下的平均萌发率为(69.8±20.5)%,显著高于其在22℃(20.8±19.8)%,25℃(18.8±17.5)%和28℃(18.5±17.4)%的萌发率,说明试验设置的4种温度中,20℃为最佳培养温度。表 2表明:20℃培养条件下,基因型、培养时间及二者互作均对香椿花粉的萌发率影响极显著。
表 1 不同培养温度对香椿花粉萌发率影响的方差分析
Table 1. Analysis of variance of germination rate of T. sinensisunder different culture temperature
差异来源
Source自由度
DF均方
Mean quareF值
F Value培养温度Culturetemperature 3 0.459 5 13.02** 机误Error 27 0.035 3 注:**表差异极显著(P<0.01)。下同。
Note: ** indicates an extremely significant (P<0.01). The same as below.表 2 基因型、培养时间及二者的交互作用对香椿花粉萌发率影响的方差分析
Table 2. Analysis of variance of germination rate of T. sinensisfrom different genotype and culture temperature and their interaction
差异来源
Source自由度
DF均方
Mean quareF值
F Value基因型Genotype 2 0.548 7 48.47** 时间Time 4 0.674 1 59.54** 基因型×时间Genotype×time 8 0.041 3 3.65** 机误Error 24 0.011 3 -
表 3显示:基因型XC22的花药含水率为24.18%,显著高于基因型XC5、ZJ26,后二者的花药含水率差异不显著;而3个基因型花药的大小存在显著差异,ZJ26>XC5>XC22。对-20℃贮藏10 d的香椿花粉20℃培养30 h,花粉生活力与花药大小、含水率进行相关分析, 结果(表 4)表明:参试香椿花粉生活力与花药长度呈显著正相关,与花药宽度呈显著负相关,相关系数分别为0.529 6,-0.739 9;花粉萌发率与花药含水率呈不显著正相关,相关系数达0.995 3。
表 3 香椿花粉萌发率与花药大小、含水率
Table 3. The pollengermination rateandantherwater content, sizeof T.sinensis
基因型
Genotype花药含水率
Water content/%花药长度
Anther length/mm花药宽度
Antherwidth/mmXC5 12.22±1.62b 1.78±0.25b 0.97±0.11b XC22 24.18±5.14a 1.39±0.29c 0.78±0.05c ZJ26 10.89±1.90b 2.21±0.28a 1.21±0.12a 注:表中同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: Different lower case letters on the same columnsindicate a significant difference(P<0.05).表 4 香椿花粉萌发率与花药大小、含水率的相关性
Table 4. Correlationbetweenpollengermination rateand antherwater content, sizein T.sinensis
指标
Index花粉萌发率
Germination rate花药含水率
Water content花药长度
Anther length花药含水率Water content 0.995 3 花药长度Anther length 0.529 6* -0.894 8 花药宽度Anther width -0.739 9* -0.873 4 0.132 4 注:*表T检验达显著差异(P<0.05)。
Note:* denote significant differences of the results at 0. 05 level (T test). -
图 3表明:3个基因型的花粉生活力均随低温贮藏时间的延长呈降低趋势,且低温贮藏10 d的花粉生活力均显著高于25 d、40 d,且后2个时间的花粉生活力差异不显著,其中,花粉生活力降幅最大为XC22,该基因型低温贮藏10 d的生活力为(89.2±11.3)%,25 d的生活力为(3.3±2.7)%,降幅达96.3%,说明低温贮藏时间对XC22花粉生活力的影响较大。总体上,3个基因型的花粉生活力在低温贮藏25 d以后不再随贮藏时间的延长而显著下降;低温贮藏40 d,3个基因型中,XC5的生活力最高,为(30.0±4.7)%。
香椿花粉离体萌发与花粉生活力研究
Research on Pollen Germination and Vigor of Toona sinensis
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摘要:
目的 探究香椿花粉最佳离体培养条件,花药大小、含水率与花粉萌发率的关系及花粉生活力随低温贮藏时间的变化的规律。 方法 以3个不同基因型(XC5、XC22、ZJ26)香椿花粉为试验材料,观测不同培养温度(20、22、25、28℃)、培养时间(4、6、12、18、30、42 h)下,花粉离体培养的萌发率,获得香椿花粉最佳培养条件。对香椿的花药含水率、花药长、宽进行测量,分析其与花粉萌发率的关系。基于最佳培养条件,检测香椿花粉-20℃低温贮藏10、25、40 d的萌发情况,分析花粉生活力随低温贮藏天数的变化趋势。 结果 香椿花粉在20℃的萌发率均显著高于其余3个培养温度,花粉萌发率随培养时间的延长而增大,培养30 h后,花粉萌发率均无显著变化。低温贮藏10 d的花粉萌发率与花药长度显著正相关,与花药宽度显著负相关,相关系数分别为0.529 6、-0.739 9。随着低温贮藏时间的延长,香椿花粉萌发率显著降低,含水率高的XC22降幅最大,低温贮藏10、25 d的花粉萌发率分别为89.2%、3.3%。 结论 检测香椿花粉生活力的最佳离体培养条件为20℃培养30 h;香椿花粉萌发率与花药长度、宽度以及含水率可能作为筛选花粉高萌发率的指标;低温贮藏可能对含水率高的香椿花粉生活力影响大。 Abstract:Objective To study the optimal in vitro culture conditions of Toona sinensis pollen, the correlation between pollen germination rate and anther size and water content, and the variation of pollen vigor in different low temperature storage time. Method The pollens from three T.sinensis genotype plants(XC5, XC22, ZJ26) were used as experimental materials to observe the germination rate of pollen in vitro under different culture temperatures(20, 22, 25, and 28℃) and different culture times(4, 6, 12, 18, 30, and 42 hours), in order to obtain the optimal culture conditions.The anther water content, length and width of each genotype were measured. And the relationship between pollen germination and anther water content, length and width was analyzed. The germination on the optimal culture condition of T. sinensis pollen at low temperature (-20℃) for 10, 25 and 40 days were viewed. And the change trend of pollen vigor with low temperature storage time was analyzed. Result The germination rate of T. sinensis pollen at 20℃ was significantly higher than that at the other culture temperatures. The pollen germination rate increased with the increase of culture time. After 30 hours, the pollen germination rate did not increase obviously.There was dramatically positive/negative correlation between pollen germination rate and anther length/width, and the R2 were 0.529 6 and -0.739 9, respectively, while the pollen germination rate was not significant positive correlated with the anther water content at low temperature for 10 days. With the extension of low temperature storage time, the pollen germination rate decreased greatly. The pollen germination rates of the XC22, a high water content genotype, in low temperature storage for 10 and 25 days were 89.2%, 3.3%, respectively. Conclusion The optimal in vitro culture condition for the pollen vigor of T. sinensis was 20℃ for 30 hours. The correlation between the germination rate of T. sinensis pollen and the size, water content of anther might be used as indicators for screening pollen vigor. Low temperature storage might have a greater influence on the pollen vigor of T. sinensis with high water content. -
Key words:
- Toona sinensis
- / in vitro culture condition
- / germination rate
- / anther size
- / water content
- / low temperature storage
-
表 1 不同培养温度对香椿花粉萌发率影响的方差分析
Table 1. Analysis of variance of germination rate of T. sinensisunder different culture temperature
差异来源
Source自由度
DF均方
Mean quareF值
F Value培养温度Culturetemperature 3 0.459 5 13.02** 机误Error 27 0.035 3 注:**表差异极显著(P<0.01)。下同。
Note: ** indicates an extremely significant (P<0.01). The same as below.表 2 基因型、培养时间及二者的交互作用对香椿花粉萌发率影响的方差分析
Table 2. Analysis of variance of germination rate of T. sinensisfrom different genotype and culture temperature and their interaction
差异来源
Source自由度
DF均方
Mean quareF值
F Value基因型Genotype 2 0.548 7 48.47** 时间Time 4 0.674 1 59.54** 基因型×时间Genotype×time 8 0.041 3 3.65** 机误Error 24 0.011 3 表 3 香椿花粉萌发率与花药大小、含水率
Table 3. The pollengermination rateandantherwater content, sizeof T.sinensis
基因型
Genotype花药含水率
Water content/%花药长度
Anther length/mm花药宽度
Antherwidth/mmXC5 12.22±1.62b 1.78±0.25b 0.97±0.11b XC22 24.18±5.14a 1.39±0.29c 0.78±0.05c ZJ26 10.89±1.90b 2.21±0.28a 1.21±0.12a 注:表中同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: Different lower case letters on the same columnsindicate a significant difference(P<0.05).表 4 香椿花粉萌发率与花药大小、含水率的相关性
Table 4. Correlationbetweenpollengermination rateand antherwater content, sizein T.sinensis
指标
Index花粉萌发率
Germination rate花药含水率
Water content花药长度
Anther length花药含水率Water content 0.995 3 花药长度Anther length 0.529 6* -0.894 8 花药宽度Anther width -0.739 9* -0.873 4 0.132 4 注:*表T检验达显著差异(P<0.05)。
Note:* denote significant differences of the results at 0. 05 level (T test). -
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