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3份胡椒属种质花粉离体萌发研究



全 文 :3 份胡椒属种质花粉离体萌发研究①
伍宝朵② 郝朝运 胡丽松 范 睿 邬华松③
(中国热带农业科学院香料饮料研究所 /
农业部香辛饮料作物遗传资源利用重点实验室 海南万宁 571533)
摘 要 以海南蒟、 大叶蒟和球穗胡椒的花粉为材料, 研究了不同培养基和采样时间对花粉萌发率的影响。 结
果表明: 3种胡椒种质花粉的最佳萌发条件分别为 100g/L蔗糖+100mg/L硼酸 +600mg/LCa(NO3)2、 100g/L蔗
糖+100mg/L硼酸+300mg/LCa(NO3)2和 100g/L蔗糖+200mg/L硼酸+300mg/LCa(NO3)2。 ME3培养基抑制海南
蒟和球穗胡椒花粉萌发, 蔗糖、 硼酸和Ca2+的协同作用可以提高胡椒花粉萌发率, 硼酸的浓度需要控制在一定范
围内(≤200mg/L), 300~600mg/L的 Ca2+浓度对花粉萌发率影响不显著。 同时, 本研究发现, 9: 00~10: 00或
16: 30是收集这 3种胡椒种质花粉进行杂交试验的较佳时间。
关键词 胡椒属 ; 花粉; 离体萌发 ; 远源杂交
分类号 S339.3+2
In Vitro Pollen Germination of Three Piper Species
WU Baoduo HAO Chaoyun HU Lisong FAN Rui WU Huasong
(Spice and Beverage Research Institute /
Ministry of Agriculture Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice
and Beverage Crops, CATAS, Wanning, Hainan 571533, China)
Abstract In order to investigate effect factors on pollen germination of Piper, various culture media and
collecting time were performed to analyzed the germination rate with three genus Piper germplasm (Piper
hainanense, Piper laetispicum, Piper thomsonii). The results indicated that the optimal culture medium
for the three Piper were 100 g/L sucrose+100 mg/L H3BO3+600 mg/L Ca2+, 100 g/L sucrose +100 mg/L
H3BO3+300 mg/L Ca2+ and 100 g/L sucrose+200 mg/L H3BO3+300 mg/L Ca2+, respectively. The pollen
germination of Piper hainanense and Piper thomsonii were suppressed by ME3 medium. The cooperation of
sucrose, H3BO3 and Ca2+ could promote Piper pollen germination capacity. Yet the concentration of H3BO3
should be lower than 200 mg/L. Moreover, the effect was insignificant when Ca2+ concentration changed
from 300 to 600 mg/L. For the time, it will be favorable for hybridization experiments between 9: 00 and
10: 00, or after 16: 30.
Keywords Piper ; pollen ; in vitro germination ; distant hybridization
Vol.35, No.10
2015年10月 热 带 农 业 科 学
CHINESE JOURNAL OF TROPICAL AGRICULTURE
第35卷第10期
Oct. 2015
① 基金项目: 农业部 948项目[No.2011-G13(5)-1]; 中国热带农业科学院院本级基本科研业务费专项资金项目(No.16300
52015049)。
收稿日期: 2015-06-10; 责任编辑/叶庆亮; 编辑部 E-mail: rdnk@163.com。
② 伍宝朵(1984~), 女, 硕士, 研究实习员, 主要从事热带香料饮料作物遗传育种研究。
③ 通讯作者: 邬华松(1965~), 男, 学士, 研究员, 主要从事热带香料饮料作物栽培研究。
胡椒(Piper nigrum L.)是胡椒科(Piperaceae)胡
椒属(Piper)多年生常绿藤本植物, 是世界重要的
热带香辛料作物[1-2]。 在医学工业中胡椒被用作健
胃剂、 解热剂和支气管粘膜刺激剂等; 食品工业被
用作抗氧化剂、 防腐剂和保鲜剂等[3]。 中国胡椒主
要分布在海南 、 云南 、 广东 、 广西和福建等省
(区), 种植面积超过3万hm2, 年产约2.7万t, 均
居世界第五, 其中海南是胡椒主产区, 种植面积和
23- -
2015年10月 第35卷第10期热带农业科学
产量均占全国90%以上[4]。
胡椒原产印度西高止山脉, 经历了 2000多年
的驯化, 目前广泛种植于中国、 印度、 越南、 柬埔
寨、 巴西等 40多个国家, 其中以印度的栽培品种
最多[5]。 胡椒育种的目标除高产优质和适应性良好
外, 还要针对危害胡椒生产的首要病害(胡椒瘟病)
进行。 但有关胡椒育种方面的资料有限, 近年除印
度、 中国、 马来西亚外, 其它胡椒主产国很少有相
关报道[5]。 中国至今引种并培育了一批胡椒栽培种
质, 如云选1号、 班尼约尔 1号、 柬埔寨小叶种、
73-F-5、 柬×印 23等, 总体来说, 中国胡椒品种
相对较少[6-7], 导致胡椒栽培品种遗传背景比较狭
窄, 对开展胡椒育种工作不利。 胡椒野生种叶间距、
叶片、 花序和果实大小等存在很大的表型变异[7],
且野生种质中具有抗病等多种优异基因资源, 通过
远源杂交合理利用野生种质优异基因资源进行胡椒
杂交育种, 是增加变异的有效手段。
花粉是种子植物的雄性配子体, 在有性繁殖中
扮演着重要角色。 明确胡椒野生种质花粉萌发条件
对指导胡椒远缘杂交育种具有重要理论和现实意
义。 目前, 仅Shang等[8]对巴西野生种哥鲁波利胡
椒的花粉萌发进行了初步研究, 其他还未见报道。
海南蒟产于广东南部、 海南及广西南部至西南部;
全株可入药, 花穗长且密集; 大叶蒟是中国的特有
植物, 分布于广东、 海南等地的树上、 密林中或石
上, 花单性, 雌雄异株, 具有果穗较长的特点; 球
穗胡椒是纤细攀援藤本, 生于亚热带山谷密林或疏
林中、 攀援于树上, 花穗密集。 本研究对海南蒟、
大叶蒟和球穗胡椒3种野生胡椒种质的花粉萌发培
养基培养体系和采样时间进行了研究, 探讨了影响
胡椒花粉萌发的因素, 为胡椒远源杂交工作的开展
提供参考, 以促进我国胡椒产业的可持续发展。
1 材料与方法
1.1材料
供试材料为海南蒟(Piper hainanense)、 大叶蒟
(Piper laetispicum)、 球穗胡椒(Piper thomsonii),
均来自于中国热带农业科学院香料饮料研究所内的
农业部万宁胡椒种质资源圃。
1.2方法
以雄花开放一半以上的花穗为研究对象, 用于
萌发条件摸索的花粉于晴天9: 00采集, 并用无菌
水反复冲洗, 收集冲洗液。 将培养基和花粉收集液
滴加到带凹槽的载玻片上, 28℃培养 5h, 花粉离
体萌发以花粉管长于花粉直径为标准。 在Olympus
(BX51)显微镜下观察计数, 每次每个处理分别取3
个固定大小的视野统计, 单次统计花粉数不少于60
个, 萌发率(%)=(萌发花粉总数/总花粉数)×100。
1.2.1不同培养基对花粉萌发率的影响
在不同浓度蔗糖(50、 100、 200g/L)的基础上, 比
较 1/2ME3、 ME3[9]的作用, 以蔗糖培养基为对照。
在不同浓度蔗糖(50、 100、 200g/L)的基础上, 分别添
加 100、 200、 300mg/LH3BO3, 以及 300、 600mg/L
Ca(NO3)2, 分析硼酸和 Ca2+浓度增加对花粉萌发的
影响。 对3种胡椒属种质进行花粉离体培养, 调查
花粉离体萌发率, 选取较优培养基组合。
1.2.2不同取样时间对花粉萌发率的影响
依据试验选取最佳培养基, 对不同取样时间花
粉进行离体培养。 在3种胡椒属种质盛花期分别于
8: 00, 10: 00, 14: 30, 16: 30收集花粉进行离
体培养, 观察各种胡椒不同取样时间花粉萌发情况
并进行统计, 重复3次。
1.2.3数据处理
试验数据采用spss软件进行多重比较分析。
2 结果与分析
2.1培养基对花粉萌发率的影响
分别以 50、 100、 200g/L蔗糖培养基离体培
养3种胡椒种质花粉, 都有一定的萌发, 萌发率介
于 2.23%~14.54%(表 1)。 在 50g/L蔗糖培养基
中, 大叶蒟、 海南蒟和球穗胡椒花粉萌发率分别为
2.23%、 14.54%和 6.82%; 在 100g/L蔗糖培养基
中, 3种胡椒种质花粉萌发率分别为1.94%、 9.39%
和 9.50%; 而在 200g/L蔗糖培养基中, 大叶蒟和
海南蒟花粉萌发受到抑制, 萌发率低于 1%, 球穗
胡椒花粉有一定的萌发(6.51%)。 其中以海南蒟在
50g/L蔗糖培养基中萌发率最高。 在蔗糖基础上添
加 ME3的研究表明, 蔗糖和 1/2ME3、 ME3互作条件
下, 只有大叶蒟有一定萌发, 且在 50g/L蔗糖+
1/2ME3培养基中萌发率较高(19.58%), 海南蒟和球
24- -
伍宝朵 等 3份胡椒属种质花粉离体萌发研究
以蔗糖+100mg/LH3BO3+300mg/LCa(NO3)2为
对照, 研究增加硼酸浓度对胡椒花粉萌发影响(表
3)。 结果表明, 在 50g/L蔗糖 +300mg/LCa(NO3)2
培养基中, 随硼酸浓度的提高, 大叶蒟花粉萌发率
由 39.23%降低至 13.96%; 海南蒟花粉萌发率由
28.47%提高至 32.42%, 又降低至 16.69%; 球穗胡
椒花粉萌发率由 41.26%提高至 48.11%, 又降低至
25.80%; 表明在该培养基中, 硼酸浓度由100mg/L
增加至 300mg/L时, 3种胡椒花粉萌发率显著降
低。 在100g/L蔗糖+300mg/LCa(NO3)2培养基中,
随硼酸浓度的提高, 大叶蒟花粉萌发率由 47.22%
降低至1.19%; 海南蒟花粉萌发率由 62.20%降低至
22.95%; 球穗胡椒花粉萌发率由 31.60%提高至
55.12%, 又降低至 20.69%; 结果同样表明, 在该
培养基中, 随硼酸浓度增加, 3种胡椒花粉萌发率
显著降低。 在 200g/L蔗糖 +300mg/L Ca(NO3)2培
养基中, 随硼酸浓度的提高, 大叶蒟花粉萌发率由
17.97%增加至 32.85%, 又降低至 18.70%; 海南蒟
花粉萌发率由 43.40%降低至 28.69%, 又提高至
31.47%; 球穗胡椒花粉萌发率由 16.71%提高至
说明: 100+300: 1 0mg/L硼酸+300mg/LCa2+, 100+600: 1 0mg/L硼酸+600mg/LCa2+。 下同。
种质
50g/L蔗糖 100g/L蔗糖 200g/L蔗糖
100+300 100+300 100+300 100+600
大叶蒟 (39.23±3.03)a (47.22±4.23)a (17.97±3.42)a (21.12± .29)a
海南蒟 (28.47±3.31)a (62.20±1.46)a (43.40±3.54)a (33.35± .9 )a
球穗胡椒 (41.26±2.16)a (31.60±3.90)a (16.71±0.89)a (13.32± .89)a
100+600 100+600
(37.75±1.47)a (65.15±3.88)a
(47.70±3.88)a (46.66±4.61)a
(27.88±4.57)a (20.44± .72)a
表2 Ca2+对花粉萌发率的影响/%
设置蔗糖+100 mg/L H3BO3+300mg/L Ca(NO3)2
和蔗糖+100mg/LH3BO3+600mg/LCa(NO3)2进行Ca2+
浓度对胡椒花粉萌发影响的研究(表2)。 在50g/L蔗
糖+100mg/L H3BO3培养基中, 将 Ca(NO3)2浓度由
300mg/L提高至 600mg/L时, 大叶蒟花粉萌发率
变化不大, 海南蒟花粉萌发率则由 28.47%增加至
47.70%, 球穗胡椒花粉萌发率由 41.26%降低至
27.88%。 在 100g/L蔗糖+100mg/L H3BO3培养基
中, 随 Ca(NO3)2浓度提高, 大叶蒟花粉萌发率由
47.22%增加至 65.15%, 海南蒟花粉萌发率由
62.20%降低至 46.66%, 球穗胡椒花粉萌发率由
31.60%降低至20.44%。 在 200g/L蔗糖+100mg/L
H3BO3培养基中, 随 Ca(NO3)2浓度提高, 大叶蒟花
粉萌发率由 17.97%增加至 21.12%, 海南蒟花粉萌
发率由 43.40%降低至 33.35%, 球穗胡椒花粉萌发
率由 16.71%降低至 13.32%。 总体而言, Ca2+浓度
由 300mg/L增加至 600mg/L时, 3种胡椒花粉萌
发率没有显著性变化; 同时发现, 添加了硼酸和
Ca2+的蔗糖培养基比单一的蔗糖培养更能促进胡椒
花粉的萌发。 说明在蔗糖培养基基础上, 硼酸和
Ca2+的协同作用可以显著提高胡椒花粉萌发率, 但
是在一定浓度条件下(300~600 mg/L), 改变Ca2+浓度
对花粉的萌发率没有显著影响。
穗胡椒花粉在蔗糖培养基添加1/2ME3、 ME3基本培 养基中没有萌发, 萌发率低于1%。
种质
50g/L蔗糖 100g/L蔗糖 200g/L蔗糖
/ 1/2ME3 / 1/2ME3 / 1/2ME3 ME3
大叶蒟
(2.23±
0.79)b
(19.58±
1.69)a
(1.94±
0.28)a
(8.21±
2.41)a
-
(2.08±
0.50)
-
海南蒟
(14.54±
1.99)
-
(9.39±
3.01)
- - - -
球穗胡椒
(6.82±
1.78)
-
(9.50±
1.01)
-
(6.51±
0.41)
- -
ME3 ME3
(0.47±
0.82)b
(3.05±
0.63)a
- -
- -
说明: “-” 表示未观察到花粉萌发或萌发率低于 1%, 不同小写字母表示 P<0.05。 下同。
表1 蔗糖与基本培养基对3种胡椒花粉萌发率的影响/%
25- -
2015年10月 第35卷第10期热带农业科学
80
70
60
50
40
30
20
10
0
%
大叶蒟
海南蒟
球穗胡椒
8: 00 9: 00 10: 00 14: 30 16: 30
ab
(121)
ab
(76)
a
(103)
a
(233)
a
(133)a
(121)
b
(156)
c
(201)
b
(125)
c
(214)
b
(147)
a
(142)
b
(230)
b
(153)
a
(147)
图2 3种胡椒种质不同取样时间花粉萌发率
说明: 纵轴, 花粉萌发率; 横轴, 花粉取样时间; (***), 该时间观察平均总花粉数。
2.2取样时间对花粉萌发率的影响
3种胡椒种质花粉及萌发情况如图 1所示, 花
粉粒在萌发前、 后都是圆形, 花粉形态与哥鲁波利
胡椒不同[8]。 在 10: 00和14: 30收集的3种胡椒
种质花粉萌发率不高(图2); 大叶蒟和球穗胡椒在
10: 00以前和16: 30收集的花粉萌发率显著高于
其他时间点, 而海南蒟花粉在 10: 00以前萌发率
较高, 10: 00之后萌发率不高。 从 3种胡椒种质
在5个时间点收集平均花粉数量来看, 上午8: 00
收集花粉量最少, 其他时间收集花粉量偏多。
24.99%, 又降低至18.16%; 表明在该培养基中, 硼
酸浓度由 100mg/L增加至 300mg/L时, 海南蒟和
球穗胡椒花粉萌发率没有显著性变化, 而大叶蒟花
粉萌发率在 200mg/L硼酸浓度比对照和 300mg/L
硼酸浓度时有显著提高。
表3 硼酸对花粉萌发率的影响/%
种质
50g/L蔗糖 100g/L蔗糖 200g/L蔗糖
100+300 200+300 100+300 200+300 100+300 200+300 300+300
大叶蒟
(39.23±
3.03)a
(33.32±
2.19)a
(47.22±
4.23)a
(18.38±
2.57)b
(17.97±
3.42)b
(32.85±
3.64)a
(18.70±
2.94)b
海南蒟
(28.47±
3.31)a
(32.42±
3.88)a
(62.20±
1.46)a
(31.58±
4.75)b
(43.40±
3.54)a
(28.69±
1.89)a
(31.47±
3.18)a
球穗胡椒
(41.26±
2.16)ab
(48.11±
1.07)a
(31.60±
3.90) ab
(55.12±
4.38)a
(16.71±
0.89)a
(24.99±
4.64)a
(18.16±
1.29)a
300+300 300+300
(13.96±
2.34)b
(1.19±
0.61)c
(16.69±
3.54)b
(22.95±
4.07)b
(25.80±
4.00)b
(20.69±
0.29)b
图1 胡椒种质花粉及萌发情况
说明: A、 B分别为大叶蒟和海南蒟的花粉及萌发, C、 D为球穗胡椒的花粉及萌发情况。 Bar=10μm。
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伍宝朵 等 3份胡椒属种质花粉离体萌发研究
3 讨论
蔗糖、 硼酸和钙是花粉萌发和花粉管伸长的必
需物质, 也是花粉离体萌发培养基的主要成分[10]。
ME3基本培养基中含有多种矿质元素, 在花粉管形
成过程中起重要作用[11-12]。 因此本研究选用了蔗
糖、 硼酸、 Ca(NO3)2和 ME3培养基作为胡椒花粉离
体萌发的培养基组成, 首次明确了 3种胡椒种质
(大叶蒟、 海南蒟和球穗胡椒)花粉最佳萌发条件分别为
100g/L蔗糖+100mg/L硼酸+600mg/L Ca(NO3)2、
100g/L蔗糖+100mg/L硼酸+300mg/L Ca(NO3)2
和100g/L蔗糖+200mg/L硼酸+300mg/LCa(NO3)2。
在花粉离体萌发中蔗糖的作用是提供渗透压和花粉
管形成需要的能量, 3种胡椒种质花粉在蔗糖培养
基中都能萌发, 但是萌发率不高。 ME3培养基含有
多种矿质元素, 可以促进花粉管的萌发[13]。 本研究
中大叶蒟花粉在添加了 ME3的蔗糖培养基中萌发率
有一定提高, 但海南蒟和球穗胡椒花粉萌发被抑
制, 萌发率小于1%, 原因可能是在ME3培养基中含
有矿质元素的浓度抑制了海南蒟和球穗胡椒花粉萌
发, 该结论有待实验的进一步证明。 本实验结果表
明, ME3培养基不适合用于大叶蒟、 海南蒟和球穗
胡椒花粉离体萌发。
Ca2+可通过多种途径影响花粉萌发和花粉管生
长[14]。 硼可以参与花粉管顶端细胞壁的形成, 促进
花粉萌发和花粉管生长[15]。 本研究也证明, 蔗糖培
养基中添加硼酸和Ca(NO3)2使胡椒花粉萌发率显著
提高, 因此蔗糖、 硼酸和Ca(NO3)2的协同作用可以
提高胡椒花粉萌发率。 通过硼酸浓度实验表明, 在
胡椒花粉萌发中硼酸的浓度需要控制在一定范围内
(≤200mg/L), 当硼酸浓度过高时对 3种胡椒花粉萌
发都会起抑制作用 。 在 50g/L蔗糖+300 mg/L
Ca(NO3)2和100g/L蔗糖+300mg/LCa(NO3)2培养基
中, 当硼酸浓度达到300mg/L时, 3种胡椒花粉萌
发率都显著降低, 说明含有 50g/L蔗糖和100g/L
蔗糖的培养基中, 硼酸浓度过高(≥200mg/L)对胡椒
花粉萌发不利; 在200g/L蔗糖+300mg/LCa(NO3)2
培养基中, 随硼酸浓度的变化, 海南蒟和球穗胡椒
的花粉萌发没有显著性变化, 表明蔗糖浓度达到
200g/L时, 硼酸的浓度对海南蒟和球穗胡椒的花
粉萌发没有影响。 本研究发现, 在蔗糖+100mg/L
硼酸培养基中, 将 Ca(NO3)2浓度由 300mg/L增加
至600mg/L时, Ca2+浓度改变对花粉的萌发率没有
显著影响。
Shang等[8]通过对巴西野生种哥鲁波利胡椒的
观察, 发现该种质花粉在9: 00散粉, 散粉2~8h
内萌发率较高。 本研究为利于田间操作, 以采集雄
花开放一半以上的花穗为对象, 分 5个时间点取
样, 研究显示在10: 00和14: 30收集的胡椒花粉
萌发率不高。 10: 00以前和16: 30花粉萌发率偏
高, 但是上午8: 00收集花粉量最少。 因此选择本
研究中3种胡椒作为父本进行杂交试验在 9: 00~
10: 00或16: 30以后, 花粉萌发效果较好。 印度
班尼约尔研究站在花粉刚刚散粉(傍晚)后进行胡椒
栽培品种杂交试验, 与 Shang等[8]研究结果不同,
原因可能是试验选用的种质不同, 不同国家的气候
差异所致。
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进行组配, 有望获得较大的杂种优势, 育成高产、
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