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紫薇(Lagerstroemia indica L.)为千屈菜科紫薇属灌木或小乔木,共有55种,自然分布于亚洲和大洋洲。目前我国紫薇属共有25个种[1],是紫薇属植物的世界分布中心和起源中心,是中国夏季重要的传统观赏花木,具有花期长、花色艳丽等优点,在我国有近1600年栽培史,美国亦有两百余年紫薇引种栽培史[2],并形成了近百个专利品种[3]。因此,在紫薇种质引种的基础上,开展物候特别是花期观察,以及花粉活性、花粉萌发和柱头互作等研究,是紫薇杂交创制新种质的前期必备研究[4]。
2008年,四川省林科院从湖南省林科院引入多个品种的美国紫薇开展引种试验,试验地位于四川省乐至县东山镇孔雀乡的乐至国家林业科技示范园区(以下简称:乐至园区),2016年选择生长正常,未发生严重病虫害品种的穗条,扦插繁殖后建立紫薇收集圃。本研究从收集圃中选择了花叶具有特色、同时花期可遇的3个品种,在物候观测的同时,研究了各品种花粉活力和萌发情况,并采用荧光显微技术研究花粉在柱头上萌发规律,为3种美国紫薇的杂交组合设计提供花粉和柱头互作时效方面的技术支撑。
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花期是表征观赏植物最重要的性状之一,紫薇是炎炎夏日少见的开花乔木,素有“百日红”的美称。乐至园区引种紫薇定株观察发现(见表1),引种的3个品种紫薇均在7月底或8月上旬进入开花期,其中红火箭初花期最早,Delta Blush初花期比红火箭晚5 d,而E. Ember则在8月10日开始开花。
表 1 三个品种美国紫薇花期比较
Table 1. Comparison of flowering period of three American Lagerstroemia indica varieties
品种
Variety红火箭
Red RocketE. Ember Delta Blush 初花期 Initial flowering stage 7月25日 8月10日 7月30日 盛花期 Full flowering stage 8月20日 9月10日 9月10日 末花期 Decay stage 10月3日 10月1日 10月1日 花期长 Flowering period length 70d 52d 63d 红火箭和E. Ember初花后1个月进入盛花期,即为最佳观花期,而Delta Blush初花期后40 d进入盛花期(见图1)。3个美国紫薇花期均在2个月左右,其中红火箭花期最长,可达70 d;Delta Blush花期次之,为63 d;E. Ember花期最短,为52 d。红火箭花色为中度红(RHS N45),E. Ember花色为浓红色(RHS 53B),Delta Blush红紫色(RHS 68A)。其中红火箭花色与王晓明等评价的红火箭花色一致。
图 1 美国紫薇定植与花特写。A-C:红火箭;D-F:E. Ember;G-I:Delta Blush
Figure 1. Planting map of American Lagerstroemia indica and the closeup of flowers. A-C: Red Rocket, D-F: E. Ember, G-I: Delta Blush
在授粉后,紫薇品种间表现迥异,红火箭授粉后2 d花丝收拢、弯曲蜷缩,3 d花瓣开始萎蔫花萼较为收拢,4 d花萼收拢至一半花瓣凋谢,5 d柱头弯曲萎蔫花瓣完全掉落,10 d后可见子房开始膨大,果实颜色由绿色变黄直至变黑。E. Ember叶紫色,授粉后2 d花丝收拢、弯曲蜷缩、花萼较为收拢,3 d花瓣萎蔫掉落花萼收拢,4 d花萼完全收拢,柱头弯曲萎蔫,12 d后可见子房开始膨大,果实颜色由绿色变绿色带暗红色条纹状。Delta Blush授粉后2 d花丝收拢、弯曲蜷缩,花瓣开始掉落,3 d花萼较为收拢,4 d花萼收拢花瓣完全凋谢,5 d柱头弯曲萎蔫,6 d后可见子房开始膨大,果实颜色由绿色变黄直至变黑。
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花粉活力研究发现,3个品种的美国紫薇花粉均具有较强活力(见图2),活力值介于76%~83%(见表2),方差分析结果表明品种间活力差异不显著。说明3个品种的紫薇花粉均为正常花粉粒,未出现2 n大花粉等异常花粉。来源于长花丝花药中的花粉粒平均活力均高于来源于短花丝花药中花粉粒,但差异不显著。两类花粉粒在颜色上稍有差异,短花丝花药上的花粉粒颜色偏黄,而长花丝花药上的花粉粒颜色偏绿。
图 2 美国紫薇花粉活力测定与萌发。A:红火箭短花丝花药中的花粉粒;B:E. Ember短花丝花药中的花粉粒;C:Delta Blush短花丝花药中的花粉粒;D:红火箭长花丝花药中的花粉粒;E:E. Ember长花丝花药中的花粉粒;F:Delta Blush长花丝花药中的花粉粒。标尺=20 um
Figure 2. Determination of pollen vitality and germination of American Lagerstroemia indica. A: Pollen of Red Rocket from short capillament anther, B: Pollen of E. Ember from short capillament anther, C: Pollen of Delta Blush from short capillament anther, D: Pollen of Red Rocket from long capillament anther, E: Pollen of E. Ember from long capillament anther, F: Pollen of Delta Blush from long capillament anther. Bar=20 um
表 2 三个品种美国紫薇花粉活力比较
Table 2. Comparison of pollen vitality of three American Lagerstroemia indica varieties
品种名称 Variety name 花粉来源 Pollen source 平均活力 Average vitality 平均萌发率 Average germination rate 红火箭 Red Rocket 长花丝花药 78.52% 40.25%a 红火箭 Red Rocket 短花丝花药 73.47% 27.13%b E. Ember 长花丝花药 83.57% 37.01%a E. Ember 短花丝花药 83.17% 32.31%ab Delta Blush 长花丝花药 80.58% 39.83%a Delta Blush 短花丝花药 76.99% 39.61%a 注:不同小写字母表示花粉平均萌发率在0.05水平上差异显著 Note: Different lowercase letters indicate that the average pollen germination rate is significantly different at the level of 0.05. 干燥花粉萌发试验发现,3个品种的美国紫薇花粉均能正常萌发(见图2),萌发率为27.13%~40.25%,来源于长花丝花药中的花粉的萌发率均高于同一品种的短花丝花药中的花粉,其中,红火箭达到了差异显著水平,E. Ember和Delta Blush均未达到显著性水平。3个品种间的长花丝花药中的花粉平均萌发率相互之间无显著性差异,Delta Blush短花丝花药中的花粉平均萌发率显著高于红火箭,红火箭和E. Ember的短花丝花药中的花粉平均萌发率差异不显著(见表2)。
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细胞学观察发现,采用干燥花粉授粉后,3个美国紫薇上柱头上花粉的萌发过程基本一致,花粉和花粉管发育至各阶段的时间不同,3个美国紫薇均自交亲和,且自交花粉所需的萌发时间少于异交花粉,自交并完成授粉的时间均为12 h(见表3)。
表 3 紫薇授粉后各个可观察标志性事件发生的时期
Table 3. Time length of the observable landmark events after the pollination of Lagerstroemia indica
柱头来源
Stigma source花粉来源
Pollen source开始萌发/h
Beginning of
germination/h花粉管到达花柱中部/h
Pollen tube reaches the
middle of the stylus/h花粉管到达子房/h
Pollen tube reaches
ovary/h柱头花粉管消失/h
Stigma pollen tube
disappears/hRed Rocket Red Rocket 2 6 10 12 E. Ember 2 10 14 14 Delta Blush 4 12 18 20 E. Ember Red Rocket 2 10 14 14 E. Ember 2 8 12 12 Delta Blush 6 14 16 18 Delta Blush Red Rocket 4 8 12 14 E. Ember 6 12 16 18 Delta Blush 2 6 10 12 红火箭和E. Ember正反交时,在花粉萌发时间和花粉管运动速度上基本一致,因此各个可观察到的标志性事件发生的时间是一致的。红火箭与Delta Blush正反交时,花粉萌发时间上一致,在花粉管运动速度上,Delta Blush花粉管比红火箭花粉管要快,到达花柱中部所需的时间比快4 h,到达子房的时间快6 h。
E. Ember和Delta Blush正反交时,花粉萌发时间均较长,需要6 h,后续各个可观察到的标志性事件基本一致,最终柱头花粉管消失时间均为18 h。
由此可知,3个美国紫薇品种均可进行自交和异交,并在24 h内完成双受精过程,柱头表面荧光信号弥散,表明花粉管程序性死亡(见图3B、G/H相比),柱头可授性消失,新授的花粉不会萌发。因此,这些品种杂交24 h后去掉套袋,并不会影响杂交效果,还能降低夏季高温季节杂交时的落果率。
图 3 E. Ember花粉和花粉管在红火箭柱头上萌发和生长关键时期。A:授粉2h后柱头表面明场图;B:授粉2h后柱头表面荧光图。箭头示意花粉管,曲线箭头示意乳突细胞与花粉接触部位,三角示意花粉粒;C:授粉10h后柱头压片明场图;D:授粉10h后柱头压片荧光图;E:授粉10h后柱头下部压片荧光图;F:授粉14h后柱头压片明场图;G:授粉14h后柱头压片荧光图;H:F图中白色虚线框特写
Figure 3. Key stage of E. Ember pollen and pollen tube germination and growth on the Red Rocket stigma. A: Brightfield image of the stigma surface after 2h of pollination; B: Fluorescence image of the surface of the stigma after 2 h of pollination; C: Brightfield image of the stigma tableting after 10 h of pollination; D: Fluorescence image of the stigma tableting after 10 hours of pollination; E: Fluorescence of the lower part of the stigma tableting after 10 hours of pollination; F: Bright field image of stigma tableting after 14 h of pollination; G: fluorescence image of stigma tableting after 14h of pollination; H: Close-up of white dotted frame in picture F
以E. Ember花粉粒在红火箭柱头上的萌发为例。授粉后,E. Ember花粉粒被柱头顶端的乳突细胞顶端捕获,或陷于乳突细胞之间(见图3A),2 h后,花粉粒开始萌发,部分乳突细胞与花粉相交处出现胼胝质,荧光信号显著强于乳突细胞原有荧光信号(见图3B曲线箭头),说明乳突细胞与花粉粒之间正进行识别信号互作,而完成了识别工作的花粉粒则萌发出花粉管并往柱头内部伸展(见图3B直线箭头)。
授粉10 h后发现大量花粉管生长至花柱中央(见图3D,图4A),图3D点状荧光为精细胞,花粉管在花柱内顺着维管束伸展,彼此呈平行线状(见图4),此时花柱末端未发现精细胞和花粉管(见图3E),表明此时花粉管尚未发展至此。
图 4 E. Ember花粉管和精细胞在红火箭花柱中部的移动轨迹。A:明场图;B:绿激发荧光图;C:蓝激光荧光图;D:紫外激发荧光图
Figure 4. Moving track of E. Ember pollen tubes and sperm cells in the middle of Red Rocket stigma. A: Bright field image; B: Green excitation fluorescence image; C: Blue laser fluorescence image; D: Ultraviolet excitation fluorescence image
授粉14 h时,柱头和花粉管荧光信号逐渐弥散(见图3G),柱头信号呈毛玻璃状(见图3H),表明此时柱头内花粉管解体,花粉管内精细胞已进入子房,完成双受精。
Comparison of Flowering Period Observation and Pollen Germination Characteristics of Three American Lagerstroemia indica Varieties in the Hilly Area of Central Sichuan Province
More Information-
摘要: 通过对川中丘陵区引种的三个美国紫薇品种(Red Rocket、E. Ember、Delta Blush)进行花期观测与及其花粉萌发能力比较。结果表明:3种紫薇均在7月底或8月上旬进入开花期,花期可遇,花期少于原引种地——湖南;3个品种的长/短花丝花药中的花粉粒均能正常萌发,长花丝花药中的花粉粒萌发率更高,因此,两类花药均可为杂交供花粉;3个品种均可自交和异交,自交时,花粉管和精细胞12 h可进入子房,异交时,花粉管则需要14~18 h,相关研究为下一步的杂交试验的开展奠定了基础。Abstract: In this paper, the flowering period of three American Lagerstroemia indica varieties (Red Rocket, E. Ember, Delta Blush) introduced in the hilly area of central Sichuan was observed and their pollen germination ability was compared. The results showed that all three American Lagerstroemia indica species entered the flowering period at the end of July or the beginning of August, and the flowering period could be met. The flowering period was shorter than that in Hunan province, the original introduction place. All the pollen grains in the long/short capillament anthers of the three varieties could germinate normally, and the germination rate of pollen grains in long-capillament anthers was higher. Therefore, both types of anthers could be used as hybrids to provide pollens. All three varieties could be self-cross and outcross. When self-cross, pollen tubes and sperm cells could enter the ovary for 12 hours, while when outcross, it need 14 to 18 hours. The related research laid the foundation for the development of the next hybridization experiment.
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Key words:
- American Lagerstroemia indica;
- Flowering period;
- Pollen;
- Pollen tube;
- Stigma
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图 2 美国紫薇花粉活力测定与萌发。A:红火箭短花丝花药中的花粉粒;B:E. Ember短花丝花药中的花粉粒;C:Delta Blush短花丝花药中的花粉粒;D:红火箭长花丝花药中的花粉粒;E:E. Ember长花丝花药中的花粉粒;F:Delta Blush长花丝花药中的花粉粒。标尺=20 um
Fig. 2 Determination of pollen vitality and germination of American Lagerstroemia indica. A: Pollen of Red Rocket from short capillament anther, B: Pollen of E. Ember from short capillament anther, C: Pollen of Delta Blush from short capillament anther, D: Pollen of Red Rocket from long capillament anther, E: Pollen of E. Ember from long capillament anther, F: Pollen of Delta Blush from long capillament anther. Bar=20 um
图 3 E. Ember花粉和花粉管在红火箭柱头上萌发和生长关键时期。A:授粉2h后柱头表面明场图;B:授粉2h后柱头表面荧光图。箭头示意花粉管,曲线箭头示意乳突细胞与花粉接触部位,三角示意花粉粒;C:授粉10h后柱头压片明场图;D:授粉10h后柱头压片荧光图;E:授粉10h后柱头下部压片荧光图;F:授粉14h后柱头压片明场图;G:授粉14h后柱头压片荧光图;H:F图中白色虚线框特写
Fig. 3 Key stage of E. Ember pollen and pollen tube germination and growth on the Red Rocket stigma. A: Brightfield image of the stigma surface after 2h of pollination; B: Fluorescence image of the surface of the stigma after 2 h of pollination; C: Brightfield image of the stigma tableting after 10 h of pollination; D: Fluorescence image of the stigma tableting after 10 hours of pollination; E: Fluorescence of the lower part of the stigma tableting after 10 hours of pollination; F: Bright field image of stigma tableting after 14 h of pollination; G: fluorescence image of stigma tableting after 14h of pollination; H: Close-up of white dotted frame in picture F
图 4 E. Ember花粉管和精细胞在红火箭花柱中部的移动轨迹。A:明场图;B:绿激发荧光图;C:蓝激光荧光图;D:紫外激发荧光图
Fig. 4 Moving track of E. Ember pollen tubes and sperm cells in the middle of Red Rocket stigma. A: Bright field image; B: Green excitation fluorescence image; C: Blue laser fluorescence image; D: Ultraviolet excitation fluorescence image
表 1 三个品种美国紫薇花期比较
Tab. 1 Comparison of flowering period of three American Lagerstroemia indica varieties
品种
Variety红火箭
Red RocketE. Ember Delta Blush 初花期 Initial flowering stage 7月25日 8月10日 7月30日 盛花期 Full flowering stage 8月20日 9月10日 9月10日 末花期 Decay stage 10月3日 10月1日 10月1日 花期长 Flowering period length 70d 52d 63d 表 2 三个品种美国紫薇花粉活力比较
Tab. 2 Comparison of pollen vitality of three American Lagerstroemia indica varieties
品种名称 Variety name 花粉来源 Pollen source 平均活力 Average vitality 平均萌发率 Average germination rate 红火箭 Red Rocket 长花丝花药 78.52% 40.25%a 红火箭 Red Rocket 短花丝花药 73.47% 27.13%b E. Ember 长花丝花药 83.57% 37.01%a E. Ember 短花丝花药 83.17% 32.31%ab Delta Blush 长花丝花药 80.58% 39.83%a Delta Blush 短花丝花药 76.99% 39.61%a 注:不同小写字母表示花粉平均萌发率在0.05水平上差异显著 Note: Different lowercase letters indicate that the average pollen germination rate is significantly different at the level of 0.05. 表 3 紫薇授粉后各个可观察标志性事件发生的时期
Tab. 3 Time length of the observable landmark events after the pollination of Lagerstroemia indica
柱头来源
Stigma source花粉来源
Pollen source开始萌发/h
Beginning of
germination/h花粉管到达花柱中部/h
Pollen tube reaches the
middle of the stylus/h花粉管到达子房/h
Pollen tube reaches
ovary/h柱头花粉管消失/h
Stigma pollen tube
disappears/hRed Rocket Red Rocket 2 6 10 12 E. Ember 2 10 14 14 Delta Blush 4 12 18 20 E. Ember Red Rocket 2 10 14 14 E. Ember 2 8 12 12 Delta Blush 6 14 16 18 Delta Blush Red Rocket 4 8 12 14 E. Ember 6 12 16 18 Delta Blush 2 6 10 12 -
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