小黄花菜(Hemerocallis minor)的开花特性与繁育系统研究

白靖怡 张晓曼 高亦珂*

(1.北京林业大学 园林学院/国家花卉工程技术研究中心,北京 100083;2.河北农业大学 园林与旅游学院,河北 保定 071000)

小黄花菜(Hemerocallisminor)为萱草属黄花菜组植物,主要分布于黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古(东部)、河北、山西、山东、陕西、甘肃(东部)以及朝鲜和俄罗斯等地的草地、山坡或林下海拔2 300米以下的地区[1]。小黄花菜具有群体花期早和花期长的特点,培育早花萱草品种和延长萱草群体花期是萱草新品种培育的主要目标之一,因此利用小黄花菜杂交有望培育出具有优良特性的萱草品种。

植物繁育系以“生殖”为核心,从广义上说,包括了植物对下一代个体有关性表达的所有特征;从狭义上讲,为控制种群中异交或自交相对频率的各种生理和形态机制[2-4]。交配系统决定遗传信息从一代传到下一代的方式[5-6],并与生活史特征相关[5]。繁育系统的研究是掌握正确的授粉时机、授粉技术和提高杂交成功率的基础[7]。繁育系统的多样性常出现在同一分类群中或者同一分类群的不同地理分布地域[8],会随着时间和空间的变化而变化。时空动态基本上是由花的特征决定的,如花粉-胚珠比(P/O)和花的形态等[9];环境上也存在影响,如传粉媒介的传粉水平和花粉量的大小等[10]。在确定植物繁育系统类型的3种方法上,花粉-胚珠比、杂交指数(OCI)和套袋试验不能同时适用于所有植物,如兰科植物因胚珠数无法确定,只能通过杂交指数和套袋试验进行繁育系统类型的确定[11]。

在萱草属植物中,已对北黄花菜[12]、黄花菜‘大同黄花’[13]以及‘金娃娃’萱草[14]的繁育系统进行了确定,类型均为兼性异交,需要传粉者,部分自交亲和。小黄花菜同样作为夜间开花萱草,但具有花期早、单朵开花时间长且秋季再次开花特性。小黄花菜作为亲本在育种中参与较少且登陆品种年份较早,在现代萱草杂交育种工作中应用较少。本研究以小黄花菜为试验材料,采用田间观察、显微观察和人工授粉等方法,对其开花特性和繁育系统进行研究,以期为小黄花菜的杂交选育和开发利用提供理论基础和参考。

1 材料与方法

1.1 研究材料

供试材料为2013年从塞罕坝(40°41′70″ N,117°49′82″ E)引种并种植于国家花卉工程中心小汤山苗圃(40°09′15″ N,116°27′44″ E)的小黄花菜,于2022-05—2022-07进行试验。

1.2 研究方法

1.2.1花部特征和开花动态观察

选择晴朗天气进行观察。随机选择33株无性系株丛,每株丛随机选择3朵花,重复3次。测量每朵花的直径、内花被片长、内花被片宽、外花被片长、外花被片宽、苞片长、苞片宽、花被管长、花蕾数以及花序分支数。在盛花期随机选取不同无性系株的10朵花,从花蕾显色开始观察所标记的花朵的开花过程,每隔0.5 h观察1次。单花期测定为花开放最大程度的时间至花被片开始闭合的时间[15]。

1.2.2花粉活力测定

采用离体萌发法进行花粉活力的测定。在盛花期采集刚开放但还未散粉的花药,自然散粉后置于25 ℃、4 ℃、-20 ℃和-80 ℃储藏,每种储藏温度分别进行硅胶干燥和非干燥处理。分别于0、1、3、5、7、10、20、30和60 d测定花粉活力。花粉萌发液体培养基含150 g/L蔗糖、35 mg/L硼酸和50 mg/L氯化钙。暗培养4 h后,在显微镜下观察,每个处理随机选取5个视野,重复3次。

1.2.3柱头可授性

采用联苯胺-过氧化氢法检测柱头可授性。以小黄花菜花瓣打开记为0 h(17：00),分别采集花瓣打开前12、6和3 h以及花瓣打开后3、6、12、18、24和30 h的柱头,每次随机选取3朵花。5 min后在显微镜下观察柱头显色和气泡变化并记录。

1.2.4花粉-胚珠比(P/O)

在不同无性系株上选取即将开放的10个花蕾,将每个花蕾的6枚花药置于离心管中自然散粉后,滴入蒸馏水制成1 mL溶液。取1 μL溶液于载玻片上,在显微镜下统计花粉粒数量,重复10次。将其子房划开在解剖镜下观察并记录胚珠数。平均单花花粉粒数量=平均花粉粒数量×1 000;P/O=平均单花花粉粒数量/平均胚珠数。依据Cruden[16]标准判断小黄花菜的繁育系统类型：P/O=2.70～5.40为闭花受精,P/O=18.10～39.00为专性自交,P/O=31.90～396.00为兼性自交,P/O=244.70～2 558.00为兼性异交,P/O=2 108.00～195 525.00为专性异交。

1.2.5杂交指数(OCI)

随机选取不同无性系株10朵花,测定花朵直径、雌雄蕊空间高度差以及雌雄蕊成熟时间间隔。根据Dafni[17]标准,确定OCI值：1)花朵或花序直径：<1 mm记为0,1～2 mm记为1,2～6 mm记为2,>6 mm记为3;2)雌雄蕊成熟时间：同时或雌蕊先熟记为0,雄蕊先熟记为1;3)雌雄蕊空间高度差：同一高度记为0,空间分离记为1。1)～3)累计得OCI值：OCI=0为闭花受精,OCI=1为专性自交,OCI=2为兼性自交,OCI=3为兼性异交,OCI≥4为专性异交。

1.2.6人工授粉实验

随机选取无性系株进行5种处理：1)去雄不套袋,2)去雄套袋,3)不去雄套袋,4)去雄套袋且人工异株授粉,5)不去雄不套袋(对照)。

2 结果与分析

2.1 小黄花菜的花部特征和开花动态观察

小黄花菜的每葶着花数为(3.45±1.23)朵。花径大小为(7.71±1.13) cm,最大值为10.50 cm,最小值为6.00 cm(表1)。随着花蕾的发育,花色逐渐显露,花朵开放时花色为柠檬黄色,外花被片外部着色为柠檬黄色中带有紫褐色,共6个花被片。内花被片长为(6.02±0.45) cm,内花被片宽为(2.02±0.28) cm,外花被片长为(5.91±0.46) cm,外花被片宽为(1.45±0.28) cm,内外花被片长度差值和宽度差值均在1 cm以内(表1)。小黄花菜的内花被片之间不重合。子房三室,果实为蒴果,果实长(3.39±0.59) cm,宽(1.80±0.38) cm,具棱形。

表1 小黄花菜主要花部性状特征值Table 1 Main flower traits in Hemerocallis minor

通过观测发现,2022年试验地小黄花菜在5月4日第1朵花开放,并于6月29日结束花期,持续57 d。小黄花菜花蕾约在16：00—17：00外花被片打开;17：00—17：30内花被片打开;18：00—19：00打开至最大;次日15：00—15：30花被片出现水渍状,开始闭合;23：30—24：00完全闭合。单花期平均约(21.00±0.50) h(图1)。

(a)开花第1天16：00;(b)开花第1天16：45;(c)开花第1天17：00;(d)开花第1天18：00;(e)开花第2天16：00;(f)开花第2天22：00。(a) Sixteen o’clock on the first day of flowering;(b) A quarter to fifteen on the first day of flowering;(c) Seventeen o’clock on the first day of flowering;(d) Eighteen o’clock on the first day of flowering;(e) Sixteen o’clock on the second day of flowering;(f) Twenty-two o’clock on the second day of flowering.图1 小黄花菜开花动态Fig.1 H.minor flowers bloom dynamic

2.2 小黄花菜不同储藏条件下的花粉活力变化

小黄花菜新鲜花粉活力为81.65%。由表2可知,不同储藏条件下小黄花菜的花粉活力变化存在差异。在干燥条件下25 ℃和4 ℃储存,小黄花菜花粉活力自储存第1天开始大幅下降,在储存10 d后,25 ℃储存的花粉完全失活;在储存30 d后,4 ℃储存的花粉活力低于2.00%。在-20 ℃储藏条件下,花粉活力在60 d时为(30.46±0.13)%。在-80 ℃储藏条件下,花粉活力在60 d时为(41.64±0.26)%。

表2 不同储藏条件下小黄花菜花粉活力的变化Table 2 Changes of pollen viability of H. minor at different storage conditions /%

在非干燥条件下,在25 ℃储藏时,小黄花菜花粉活力自储藏开始大幅下降,且在第7天后花粉完全失活;在4 ℃储藏时,花粉活力在第60天后完全失活;在-20 ℃储藏条件下,花粉活力在储藏60 d时为(27.49±0.51)%;在-80 ℃储藏条件下,花粉活力在储藏60 d时为(33.82±0.74)%。

通过比较干燥和非干燥储藏条件,非干燥储藏条件下,小黄花菜花粉活力下降速率比干燥储藏条件下快。并且在相同储藏时间和储藏温度下,花粉活力在干燥条件下比非干燥条件下高。说明在-80 ℃干燥条件下保存的花粉的活力较高。

2.3 小黄花菜的柱头可授性

小黄花菜的柱头可授性整体呈现先上升后下降的趋势。柱头可授性检测发现,在花瓣打开前3 h至刚打开时,柱头周围开始产生气泡;在花瓣打开后3 h,柱头周围产生大量气泡,一直到花瓣打开12 h,柱头周围一直产生大量气泡,说明在此阶段柱头可授性较强。花瓣打开后18 h,柱头周围气泡产生开始减少,至30 h时,柱头周围有水渍状(图2和表3)。

表3 小黄花菜柱头可授性开花前后变化Table 3 Changes in stigma receptivity of H.minor during flowering process

图2 小黄花菜柱头可授性开花前后关键时间点变化Fig.2 Changes in stigma receptivity of H.minor during flowering process

2.4 小黄花菜的繁育系统

小黄花菜的花粉-胚珠比的检测结果表明,其单花平均花粉量为(77 780.00±4 461.14)粒,平均胚珠数为(32.90±6.12)粒,即花粉/胚珠比为 2 364.13±117.39,参照Cruden[16]的标准,其繁育系统为兼性异交型。

小黄花菜的平均花朵直径为7.71 cm,且柱头在花瓣打开前具有可授性,柱头与花药存在空间位置的分离。根据 Dafni[17]的标准,小黄花菜的OCI 值为 4,繁育系统为异交型,部分自交亲和,异交需要传粉者。

采用不同人工处理检测小黄花菜的传粉授粉方式。于授粉后10 d时统一测坐果率。小黄花菜经去雄且不套袋处理后的坐果率为1.61%;小黄花菜经人工去雄套袋且不授粉处理后,其坐果率为0,说明无花粉刺激时不能进行无融合生殖;经不去雄且套袋处理后的坐果率为3.23%;去雄套袋且人工异株授粉处理后的坐果率为86.70%;不去雄且不套袋处理后的坐果率为35.00%。说明其自花可孕,但自交率较低,较易接受外来花粉完成受精过程。

3 讨论与结论

同属植物的繁育系统存在不同的情况。在鸢尾属中,蝴蝶花[18]、鸢尾[19]和溪荪[20]的繁育系统为部分自交亲和、异交且需要传粉者,而膜苞鸢尾[21]和马蔺[22]的繁育系统为自交不亲和、异花授粉且需要传粉者。小黄花菜的繁育系统按P/O值为兼性异交型[16-17];按照OCI值为异交型,部分自交亲和,异交需要传粉者;按照不同授粉处理方式说明其自花可孕,但自交率较低,并且较易接受外来花粉完成受精过程。3种方法均说明小黄花菜的繁育系统类型为异交的混合交配系统。在萱草属中,小黄花菜的繁育系统类型与同样开柠檬黄色不同开花期的北黄花菜[12]相同,也与食用黄花菜品种‘大同黄花’[13]和花色镉黄的观赏品种 ‘金娃娃’[14]的繁育系统类型相同。

虽然繁育系统类型相同,但不同萱草繁育系统的具体指标存在明显差别。北黄花菜和‘金娃娃’萱草雌雄蕊同时成熟,小黄花菜与 ‘大同黄花’相似,雌雄蕊成熟时间存在间隔。4个萱草属植物在P/O值上存在差异。‘大同黄花’P/O值最大(2 446.22),其次是小黄花菜(2 364.13±117.90)和北黄花菜(1 838.00),‘金娃娃’萱草P/O值最小(1 164.00)。表明小黄花菜和‘大同黄花’P/O值相近,而与北黄花菜存在数值差异。单花胚珠数在不同黄花菜和萱草品种间也存在差异,北黄花菜的单花胚珠数为(51.00±5.03),‘金娃娃’萱草平均胚珠数为36.00,‘大同黄花’平均胚珠数34.40,小黄花菜胚珠数最少为(32.90±6.10)。表明小黄花菜与北黄花菜的胚珠数差异大,与‘大同黄花’接近。繁育系统的分析表明,小黄花菜与亲缘关系近的北黄花菜存在明显差异,但与黄花菜品种‘大同黄花’接近。不同的花粉胚珠比值和胚珠数说明了同属繁育系统类型相同的植物间交配系统的维持机制略有差异,在雌雄资源分配上的投资比重不同,如P/O值增大可以吸引更多的昆虫。

自然授粉处理下,小黄花菜的坐果率为35.00%。从授粉实验结果表明,自然自花的情况下,小黄花菜的坐果率为3.23%,在自然异花的情况下,小黄花菜的坐果率仅为1.61%,低于北黄花菜类‘大同黄花’的自然异花坐果率(28.98%);人工异株授粉的情况下,小黄花菜的坐果率为86.70%。可能是小黄花菜的柱头与雄蕊存在自花授粉空间障碍,而外界传粉效率低导致自然自花授粉坐果率低[23],推测与其花期早,花期时夜温低导致传粉昆虫活动少有关。因此,小黄花菜的繁殖和育种过程中应建立高效的传粉机制,例如人工辅助授粉等。

杂交育种工作中,亲本适配至关重要。由于小黄花菜的花期早,与其它萱草属植物花期不遇,在萱草育种中,小黄花菜常作为父本进行杂交育种,因此花粉活力对小黄花菜参与育种工作至关重要。通过对小黄花菜的花粉活力的测定,-20 ℃和-80 ℃储藏温度可保存60 d小黄花菜花粉,减慢小黄花菜花粉活力的失活速率,提高小黄花菜作为父本的杂交授粉成功率。

小黄花菜单花花期长且群体花期长,是萱草育种的优良材料,花粉作为杂交工作中重要条件,其减慢花粉活力的下降速率至关重要,小黄花菜的花粉最佳保存条件为-80 ℃的干燥条件下。柱头的可授性呈现先上升后下降的趋势,在开花后3 h的可授性最强。花粉-胚珠比(2 364.13±117.39)、杂交指数(4)以及人工授粉实验证实小黄花菜的繁育系统为异交的混合交配系统,易接受外来授粉,与实际杂交结果一致。通过对小黄花菜的开花动态和繁育系统研究,更好的开发和利用小黄花菜种质资源,通过人工授粉培育出更多性状优良的新品种。