蘇賀楠 韓風(fēng)慶 楊麗梅 莊 木 張揚(yáng)勇 王 勇 李占省 方智遠(yuǎn) 呂紅豪
(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所,農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100081)
結(jié)球甘藍(lán)(Brassica oleraceaL. var.capitataL.)是世界各地廣泛種植的十字花科蕓薹屬蔬菜作物,在我國的年栽培面積已達(dá)到90萬hm2(楊麗梅 等,2016)。結(jié)球甘藍(lán)具有明顯的雜種優(yōu)勢(shì),目前生產(chǎn)上的主栽品種幾乎均為一代雜種,雜交育種已成為結(jié)球甘藍(lán)育種的主要方式(楊麗梅 等,2003)。培育一代雜種,首先要獲得遺傳穩(wěn)定的高代自交系,傳統(tǒng)育種需要7~8 a的時(shí)間,而利用小孢子培養(yǎng)可以在2 a內(nèi)獲得純合的育種材料,加速自交系的選育過程;同時(shí),隱性性狀易于表達(dá),豐富了育種資源。
游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)是在花藥培養(yǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種單倍體誘導(dǎo)技術(shù),減少了花藥壁和絨氈層對(duì)培養(yǎng)結(jié)果的影響,培養(yǎng)出的單倍體植株經(jīng)自然加倍或者秋水仙素誘導(dǎo)加倍形成純合的雙單倍體植株(double haploid,DH)(Yuan et al.,2015)。DH群體是進(jìn)行遺傳分析、圖譜構(gòu)建和基因定位的理想材料,而經(jīng)過鑒定獲得的優(yōu)良DH系也為雜交育種提供了良好的材料基礎(chǔ)(孫繼峰 等,2012;Lv et al.,2014a,2014b;Liu et al.,2017)。自Lichter首次在油菜中利用小孢子培養(yǎng)獲得單倍體植株以來,在隨后的30 a間各國學(xué)者對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,并已在多數(shù)十字花科蔬菜包括大白菜、結(jié)球甘藍(lán)中獲得了胚狀體(Lichter,1982;Takahata et al.,1991;Ver ó nica et al.,2015;Mukhlesur & Monika,2016)。
在結(jié)球甘藍(lán)中,近幾年國內(nèi)外學(xué)者從基因型(Takahashi et al.,2012;Shumilina et al.,2015)、供體植株的生長(zhǎng)環(huán)境、小孢子發(fā)育時(shí)期(王五宏等,2013;王玉書 等,2015)、預(yù)處理?xiàng)l件(張振超 等,2013;Shmykova et al.,2016)、培養(yǎng)條件(戴希剛 等,2012)、植株再生、倍性鑒定及染色體加倍(程芳芳 等,2015;祁魏崢 等,2015)等方面對(duì)游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究和改進(jìn),使得一部分基因型的小孢子出胚率在原有基礎(chǔ)上得到了提高。然而,結(jié)球甘藍(lán)小孢子培養(yǎng)仍存在一些問題:頑固難出胚基因型材料依然較多,因而培養(yǎng)條件和體系仍有待優(yōu)化;研究材料大多集中在一代雜種上,關(guān)于高代自交系出胚的研究很少,因而利用差異大的高代自交系材料構(gòu)建群體、挖掘出胚相關(guān)基因的研究鮮見報(bào)道。
本試驗(yàn)擬通過對(duì)25份結(jié)球甘藍(lán)材料的花蕾長(zhǎng)度及形態(tài)參數(shù)、花期和活性炭等影響小孢子胚狀體發(fā)生因素和雄配子發(fā)育過程進(jìn)行研究,進(jìn)一步優(yōu)化小孢子培養(yǎng)體系;對(duì)高代自交系進(jìn)行小孢子培養(yǎng),篩選出胚率差異較大的親本材料,為下一步構(gòu)建分離群體、挖掘出胚率相關(guān)基因和相關(guān)分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。
參試材料為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所甘藍(lán)青花菜課題組提供的25份結(jié)球甘藍(lán)材料,包括一代雜種5份、高代自交系20份,材料名稱及類型詳見表1。
2016年8月20日在本所試驗(yàn)基地大棚內(nèi)穴盤播種育苗,11月10日將半成株囤到陽畦越冬春化,2017年2月25日定植到日光溫室中,常規(guī)栽培管理;2017年4月上旬至5月上旬花期取材培養(yǎng)。
小孢子的分離與培養(yǎng)參照袁素霞(2009)和呂紅豪(2011)的方法并加以改進(jìn)。① 取材:分別取長(zhǎng)度為3.0~3.5 mm的花蕾,先用70%酒精滅菌30 s,再用7%次氯酸鈉滅菌12 min,無菌水清洗3次,每次3 min。② 游離:把滅過菌的花蕾放入10 mL玻璃試管內(nèi),加入少量經(jīng)高溫高壓滅菌的B5培養(yǎng)基(購自Phytotechnology Laboratories)后研磨,使小孢子游離出來,用孔徑45 μm的尼龍篩網(wǎng)過濾到離心管中。再添加適量B5培養(yǎng)基,800 r?min-1離心5 min,棄上清液;重復(fù)3次。加入適量經(jīng)抽濾滅菌的NLN培養(yǎng)基(購自Phytotechnology Laboratories,pH=5.9),用血球計(jì)數(shù)板調(diào)整小孢子懸浮液濃度為1×105個(gè)?mL-1。③ 培養(yǎng):將小孢子懸浮液分裝進(jìn)規(guī)格為60 mm×15 mm的培養(yǎng)皿中,每個(gè)培養(yǎng)皿3 mL,加入1滴經(jīng)高溫高壓滅菌的0.5 g?L-1活性炭,封口并在黑暗條件下32 ℃熱激24 h,隨后在25 ℃、黑暗條件下培養(yǎng)。④ 出胚:經(jīng)過21 d左右,小孢子出胚,統(tǒng)計(jì)出胚率(個(gè)?蕾-1)。每份材料設(shè)置3次重復(fù),每重復(fù)3個(gè)培養(yǎng)皿。
以01-88為試驗(yàn)材料觀察結(jié)球甘藍(lán)花粉配子體發(fā)育過程。選取不同長(zhǎng)度(2.5、3.0、3.5、4.0、5.0 mm)的花蕾放入FAA固定液中,32 h之后進(jìn)行石蠟切片,觀察花粉配子體發(fā)育過程。① 脫水:50%、70%、85%、95%、100%乙醇,處理時(shí)間分別為 0.5 h、0.5 h、0.5 h、0.5 h、20 min。② 透明:將脫水后的材料依次置于1/2二甲苯+1/2無水乙醇、純二甲苯、純二甲苯中,處理時(shí)間分別為0.5 h、1.0 h、0.5 h。③ 透蠟:將透明好的材料放入少量二甲苯,加入石蠟蠟屑,放入37 ℃恒溫箱,過夜,敞口放置,使其中的二甲苯慢慢揮發(fā)。④ 換蠟:第2天倒出石蠟、二甲苯混合液,在65 ℃烘箱中進(jìn)行,加入已經(jīng)熔化的純蠟,間隔2 h換1次,共換2次。⑤ 包埋:在60 ℃烘箱中進(jìn)行,將融化的石蠟倒入預(yù)熱的紙盒內(nèi),將透好蠟的材料擺放在熔蠟中,輕輕將蠟盒平移到室溫環(huán)境中,待紙盒內(nèi)底層蠟稍凝固,用預(yù)熱的鑷子將材料直立整齊地排列在軟蠟層上,待材料固定不再飄動(dòng)后,將蠟盒平移到冷水中待完全凝固。⑥ 切片:用Leica輪轉(zhuǎn)式切片機(jī)切片,厚度為10 μm。⑦ 貼片與烘片:用玻璃棒輕蘸1小滴粘片劑,涂抹均勻,貼片時(shí)蒸餾水用量為1~2滴,烘片臺(tái)溫度設(shè)置為39 ℃。⑧ 脫蠟:把烘干的切片放入二甲苯中,每次5 min,共2次。⑨ 甲苯胺藍(lán)染色,顯微鏡照相觀察。設(shè)置3次重復(fù),每次選取3個(gè)花蕾。
以中甘628和01-88為試驗(yàn)材料,分別選取主花序,將花蕾依照長(zhǎng)度(2.5、3.0、3.5、4.0、5.0 mm)分為5個(gè)組別,每個(gè)組別中隨機(jī)選取3個(gè)花蕾,測(cè)定花蕾長(zhǎng)度,計(jì)算花藥長(zhǎng)度/花瓣長(zhǎng)度的比值;用小鑷子挑開花蕾,小心擠出少量花粉,均勻鋪平于載玻片上,利用顯微鏡觀察小孢子的發(fā)育時(shí)期與花蕾長(zhǎng)度的相關(guān)性。
在相同適宜條件下(pH值為5.9的NLN培養(yǎng)基,32 ℃熱激24 h,0.5 g?L-1的活性炭1滴)對(duì)25份結(jié)球甘藍(lán)材料進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),21 d后統(tǒng)計(jì)出胚率。設(shè)置3次重復(fù),每重復(fù)3個(gè)培養(yǎng)皿。
以中甘628和01-88為試驗(yàn)材料,分別于初花期、盛花期和末花期取花蕾進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng)(pH值為5.9的NLN培養(yǎng)基,32 ℃熱激24 h,0.5 g?L-1的活性炭1滴),21 d后統(tǒng)計(jì)出胚率。設(shè)置3次重復(fù),每次每份材料選取3個(gè)花蕾。
初花期是指主枝的花朵開放時(shí)期(3月下旬至4月上旬),盛花期是指大部分側(cè)枝頂部花朵開放時(shí)期(4月上旬至4月下旬),末花期指?jìng)?cè)枝花朵全開放至花蕾停止發(fā)育(4月下旬至5月中旬)。
以中甘628和01-88為試驗(yàn)材料,在相同適宜條件下(pH值為5.9的NLN培養(yǎng)基,32 ℃熱激24 h)分別添加0.25、0.50 g?L-1活性炭,以不添加活性炭的處理為對(duì)照,進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),21 d后統(tǒng)計(jì)出胚率。設(shè)置3次重復(fù),每處理3個(gè)培養(yǎng)皿。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,利用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。
由表1和圖1可以看出,供試的25份結(jié)球甘藍(lán)材料中,有11個(gè)基因型產(chǎn)生了胚狀體,都是春甘藍(lán)圓球類型,而秋甘藍(lán)扁球類型均未出胚。一代雜種中,中甘628為最易出胚材料,平均出胚率高達(dá)19.8個(gè)?蕾-1,極顯著高于其他品種;中甘828、中甘23、中甘192未有胚狀體產(chǎn)生。在20份高代自交系中,01-88為最易出胚材料,平均出胚率高達(dá)47.5個(gè)?蕾-1,極顯著高于其他自交系;084、96-100-312等11份材料未出胚。
中甘628是高代自交系87-534與SG643的雜交F1,其出胚率為19.8個(gè)?蕾-1,極顯著高于兩個(gè)親本自交系的出胚率(0.3、2.6個(gè)?蕾-1);中甘828是高代自交系87-534與96-100-312的雜交F1,其出胚率為0個(gè)?蕾-1,其親本自交系的出胚率為0.3、0個(gè)?蕾-1。由此可見,不同結(jié)球甘藍(lán)材料中胚誘導(dǎo)相關(guān)基因的遺傳和分子機(jī)制可能不同。
由圖2可知:花粉母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂后形成四分體(圖2-a);早期小孢子體積增大,顏色加深,細(xì)胞核位于中央,屬于單核早期(圖2-b);隨后,細(xì)胞核移向細(xì)胞壁,花粉萌發(fā)溝清晰可見,此時(shí)呈不明顯的三棱狀,此階段是單核靠邊期(圖2-c);小孢子細(xì)胞核進(jìn)行1次有絲分裂,形成1個(gè)生殖核和1個(gè)營(yíng)養(yǎng)核,進(jìn)入雙核期(圖2-d)。
表1 不同基因型對(duì)結(jié)球甘藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)出胚率的影響
圖1 部分結(jié)球甘藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)出胚情況
花粉的發(fā)育時(shí)期是影響小孢子最終出胚量的關(guān)鍵因素之一,花粉發(fā)育時(shí)期的選擇與植株花蕾的長(zhǎng)度及形態(tài)參數(shù)密切相關(guān),單核靠邊期即單核晚期是結(jié)球甘藍(lán)小孢子培養(yǎng)的最適時(shí)期,此時(shí)小孢子形態(tài)呈現(xiàn)出不明顯三棱狀。切片后在顯微鏡下觀察結(jié)球甘藍(lán)不同大小花蕾的花粉細(xì)胞發(fā)育時(shí)期,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)不同基因型中甘628和01-88表現(xiàn)相似。由表2可知,當(dāng)花蕾長(zhǎng)度在3.0~3.5 mm之間、花藥長(zhǎng)度∶花瓣長(zhǎng)度為3∶2至2∶1時(shí),處于單核靠邊期的小孢子占67%~71%,利于游離小孢子培養(yǎng)出胚。
圖2 01-88花粉配子體發(fā)育途徑
表2 結(jié)球甘藍(lán)不同長(zhǎng)度花蕾中單核靠邊期小孢子的比例
由表3可知,兩種不同基因型的結(jié)球甘藍(lán)出胚率最高時(shí)的取蕾時(shí)期不同,其中一代雜種中甘628在初花期的出胚率最高,達(dá)19.8個(gè)?蕾-1,自交系01-88在盛花期的出胚率最高,達(dá)47.5個(gè)?蕾-1;兩種基因型出胚率最低的取蕾時(shí)期都在末花期,分別為0.3、0.7個(gè)?蕾-1;初花期和盛花期取蕾的出胚率極顯著高于末花期,說明初花期和盛花期是游離小孢子培養(yǎng)的適宜時(shí)期。
表3 取蕾時(shí)期對(duì)結(jié)球甘藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)出胚率的影響
從表4可以看出,對(duì)兩種不同基因型結(jié)球甘藍(lán)來說,在培養(yǎng)基中加入0.25、0.50 g?L-1的活性炭后,游離小孢子出胚率都極顯著提高,中甘628出胚率分別達(dá)到12.0、19.8個(gè)?蕾-1,01-88出胚率分別達(dá)到35.3、47.5個(gè)?蕾-1;兩種不同濃度的活性炭處理之間游離小孢子出胚率差異未達(dá)極顯著水平,說明適當(dāng)濃度的活性炭可以提高結(jié)球甘藍(lán)小孢子胚誘導(dǎo)率。
表4 不同濃度活性炭對(duì)結(jié)球甘藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)出胚率的影響
游離小孢子培養(yǎng)是提高育種效率、豐富育種資源的重要手段,獲得的DH群體也是進(jìn)行遺傳分析、圖譜構(gòu)建和基因定位的理想材料。近年來,結(jié)球甘藍(lán)游離小孢子培養(yǎng)技術(shù)取得了較大進(jìn)展,但仍存在一些問題,如培養(yǎng)體系不夠完善、胚誘導(dǎo)的相關(guān)分子機(jī)制尚不明確等,阻礙了小孢子培養(yǎng)技術(shù)在育種中的進(jìn)一步應(yīng)用。
在培養(yǎng)體系方面,研究表明影響小孢子培養(yǎng)成胚的關(guān)鍵因素包括基因型、取蕾時(shí)期、活性物質(zhì)等?;蛐褪怯绊懶℃咦优囵B(yǎng)出胚的關(guān)鍵因素,不同基因型之間出胚率差異較大,供體植株的基因型不僅影響小孢子的產(chǎn)胚率,而且也影響胚的質(zhì)量(王超楠 等,2010;顧祥昆 等,2013)。以往有關(guān)研究著重介紹了一代雜種的出胚率,桑玉芳等(2007)比較分析了19個(gè)結(jié)球甘藍(lán)一代雜種游離小孢子的出胚情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)出胚率>1個(gè)?蕾-1的品種只有10個(gè);關(guān)于自交系材料研究較少,楊安平等(2009)分別用25份結(jié)球甘藍(lán)F1及其50份親本,產(chǎn)胚困難的22份結(jié)球甘藍(lán)F1及其相應(yīng)的F2,1份產(chǎn)胚能力強(qiáng)的結(jié)球甘藍(lán)與22份產(chǎn)胚困難材料的正、反交后代,在同等條件下進(jìn)行小孢子培養(yǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)球甘藍(lán)F1較其親本產(chǎn)胚能力強(qiáng),對(duì)產(chǎn)胚困難的結(jié)球甘藍(lán)F1,以其F2為試材可誘導(dǎo)產(chǎn)胚或提高胚產(chǎn)量,用產(chǎn)胚能力強(qiáng)的結(jié)球甘藍(lán)作親本與產(chǎn)胚困難的材料雜交,正、反交均能明顯提高產(chǎn)胚困難材料的產(chǎn)胚能力。本試驗(yàn)以25份不同基因型結(jié)球甘藍(lán)為試材(其中有20份高代自交系),在相同適宜培養(yǎng)條件下進(jìn)行游離小孢子培養(yǎng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)共有11個(gè)基因型(2份一代雜種和9份高代自交系)產(chǎn)生了胚狀體,且不同材料之間小孢子出胚率差異顯著,中甘628的出胚率極顯著高于兩個(gè)親本自交系87-534與SG643,可見以產(chǎn)胚率較高的結(jié)球甘藍(lán)作親本與產(chǎn)胚困難的材料雜交,能明顯提高雜交后代的產(chǎn)胚能力,這與前人的研究結(jié)果相似。
在十字花科蔬菜花藥和游離小孢子培養(yǎng)中,單核期和雙核早期通常認(rèn)為是小孢子最適培養(yǎng)的時(shí)期(星曉蓉,2011),而不同花蕾的大小對(duì)應(yīng)著小孢子不同的發(fā)育時(shí)期,選擇最佳花蕾長(zhǎng)度非常關(guān)鍵。因此,本試驗(yàn)采用石蠟切片技術(shù)對(duì)結(jié)球甘藍(lán)配子體發(fā)育進(jìn)行了詳細(xì)觀察,分別觀察到四分體時(shí)期、單核早期、單核晚期、雙核期,并明確了關(guān)鍵時(shí)期(單核期和雙核早期)與花蕾長(zhǎng)度和花藥、花瓣長(zhǎng)度比值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為選取取樣最適時(shí)期的花蕾提供了細(xì)胞學(xué)依據(jù)。曾愛松等(2015)利用DAPI染色對(duì)甘藍(lán)花粉發(fā)育途徑進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)6個(gè)品種的花蕾長(zhǎng)度基本在3.5~4.5 mm范圍內(nèi)處于單核靠邊期的小孢子比例最高。本試驗(yàn)對(duì)2個(gè)易出胚的甘藍(lán)材料進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)花蕾長(zhǎng)度在3.0~3.5 mm之間,且花藥長(zhǎng)度∶花瓣長(zhǎng)度為3∶2至2∶1時(shí),處于單核靠邊期的小孢子比例最高,該結(jié)果中適宜的花蕾長(zhǎng)度較前人研究中的稍短,可能與基因型不同有關(guān)。
取蕾時(shí)期也是影響結(jié)球甘藍(lán)小孢子出胚率的重要因素之一。馮輝等(2007)對(duì)羽衣甘藍(lán)的研究發(fā)現(xiàn),盛花期是最適宜的取蕾時(shí)期;曾愛松等(2010)研究認(rèn)為,結(jié)球甘藍(lán)取蕾時(shí)期對(duì)易出胚和難出胚的材料影響不一致,對(duì)于易出胚材料,花期對(duì)胚胎發(fā)生影響不大,出胚率都基本穩(wěn)定,對(duì)于難出胚材料,開花初期至盛花中期取樣培養(yǎng)易獲得成功,而末花期很少有胚狀體產(chǎn)生。本試驗(yàn)利用2個(gè)易出胚基因型進(jìn)行花期對(duì)小孢子培養(yǎng)出胚率影響的研究,結(jié)果表明2個(gè)基因型出胚率最高的花期不同,一代雜種中甘628在初花期出胚率最高,達(dá)19.8個(gè)?蕾-1,高代自交系01-88在盛花期出胚率最高,達(dá)47.5個(gè)?蕾-1,二者出胚率最低時(shí)期一致。
在培養(yǎng)基中添加一些活性成分會(huì)影響小孢子的產(chǎn)胚能力。蔣武生等(2008)在大白菜游離小孢子培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)添加活性炭(0.5 mg?L-1)較未添加活性炭的對(duì)照培養(yǎng)效果好,兩個(gè)處理小孢子胚誘導(dǎo)率相差4~17倍;韓陽等(2006)在大白菜游離小孢子培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)100、200 mg?L-1活性炭對(duì)大白菜小孢子的胚胎發(fā)生有抑制作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明,加入0.25、0.50 g?L-1活性炭均有利于結(jié)球甘藍(lán)胚狀體發(fā)生,這可能與活性炭能吸附培養(yǎng)過程中的部分有害物質(zhì)有關(guān)。
目前,關(guān)于小孢子培養(yǎng)出胚相關(guān)分子機(jī)制的研究很少,Malik等(2007)通過構(gòu)建cDNA文庫從甘藍(lán)型油菜0 h(晚無核到早期雙核小孢子)、3 d(32℃熱激處理誘導(dǎo)小孢子)、5 d(分裂小孢子)和7 d(胚性小孢子)小孢子中分離出來LEC1、LEC2、BBM,這3個(gè)基因在小孢子胚胎形成時(shí)起著重要的作用。Kitashiba等(2016)利用高出胚大白菜品種Ho-Me和低出胚大白菜品種CR-Seiga構(gòu)建小孢子群體,利用偏分離確定與小孢子胚胎發(fā)生相關(guān)的基因位點(diǎn),確定了3個(gè)與小孢子培養(yǎng)胚產(chǎn)量相關(guān)物理位置。然而在結(jié)球甘藍(lán)中還未見與小孢子胚胎發(fā)生相關(guān)的基因及分子機(jī)制研究,本試驗(yàn)得到的高、低出胚自交系材料為下一步開展甘藍(lán)小孢子培養(yǎng)出胚機(jī)制的研究打下了基礎(chǔ)。
本試驗(yàn)從基因型、取蕾時(shí)期、活性物質(zhì)等方面進(jìn)一步探討和優(yōu)化了結(jié)球甘藍(lán)小孢子培養(yǎng)的條件;獲得的純合DH系為育種提供了材料;獲得的出胚率差異大的自交系也為下一步構(gòu)建群體、挖掘胚誘導(dǎo)相關(guān)基因及分子機(jī)制的研究做好了鋪墊,進(jìn)一步的工作正在開展中。
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