荸荠开花习性和人工辅助授粉结实特性观察

欧昆鹏 何芳练 江文 高美萍 陈丽娟 曾媛 王艳 张尚文

摘要：【目的】了解荸荠开花习性和人工辅助授粉结实特性，为荸荠杂交育种提供参考依据。【方法】以桂蹄2号荸荠为材料，观察荸荠茎及花序生长情况，了解荸荠开花规律和雌雄蕊生长情况，并通过显微观察人工辅助授粉和自然授粉部位，对比荸荠在人工辅助授粉和自然授粉后的结子情况。【结果】同一花茎的花序雌、雄蕊分别在花茎约长37.00和46.90 cm时达到盛期，两者平均高度差为9.84 cm，时间差为28.5 h；上午9：00～11：00是进行人工辅助授粉的最佳时段，授粉雌蕊约7.0 h后迅速萎蔫；通过人工辅助授粉的结子率明显高于自然授粉的结子率，人工辅助授粉的结子率为43.0%，自然授粉的结子率仅为15.5%。【结论】人工辅助授粉可大幅度提高荸荠结子率，且荸荠两性花的特性和雌、雄蕊生长及盛期均存在時间差，是荸荠开展人工辅助授粉的关键因素。

关键词： 荸荠；人工辅助授粉；自然授粉；结子率；时间差

中图分类号： S645.3 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）06-0879-04

Flowering habit of water chestnut and its fruiting characteristics after artificial supplementary pollination

OU Kun-peng 1， HE Fang-lian1， JIANG Wen1， GAO Mei-ping 1， CHEN Li-juan1，

ZENG Yuan2， WANG Yan1， ZHANG Shang-wen1

（1 Biotechnology Research Institute， Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning 530007， China； 2 Division of International Cooperation， Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning 530007， China）

Abstract：【Objective】Flowering habit of water chestnut and its fruiting characteristics after artificial supplementary pollination were studied， in order to provide references for crossbreeding of water chestnut. 【Method】Using Guiti 2 as materials， the growth situation of stalk and inflorescence of water chestnut was observed， so as to understand flowering regulation of water chestnut and growth of stamen and pistil. And after artificial supplementary pollination and spontaneous pollination， the inflorescences were observed with microscope， respectively， and then the fruiting situations of water chestnut were compared. 【Result】The results showed that， the stamen and pistil on the same scape reached peak when the lengths of scape were about 37.00 and 46.90 cm， respectively， both height difference was 9.84 cm， and time difference was 28.5 h. Furthermore， 9：00-11：00 am was the optimal period for artificial supplementary pollination， pistil instantly withered about 7.0 h after artificial supplementary pollination. The seed setting rates after artificial supplementary pollination and spontaneous pollination was 43.0% and 15.5%， respectively. 【Conclusion】The artificial supplementary pollination can significantly improve seed setting rates of water chestnut. Furthermore， there still exist time differences among characteristics， growth and full bloom of stamen and pistil， so the time difference was key factor for artificial supplementary pollination.

Key words： water chestnut； artificial supplementary pollination； spontaneous pollination； seed setting rate； time difference

0 引言

【研究意义】荸荠（Eleocharis dulcis）在我国种植已有两千多年的历史（李峰等，2006），一直以球茎留种方式进行无性繁殖，导致荸荠品种特性退化，无法育出新品种。杂交是自然界中最普遍的育种方式，杂交优势在自然界也普遍存在，但受荸荠无性繁殖方式的影响，其杂交育种通常不被关注。随着荸荠产业的不断壮大，市场对荸荠品种的需求日益突出，如鲜食型、加工淀粉型、加工罐头型荸荠等（陈丽娟等，2011a）。此外，在化渣性、储藏性、耐运输性、淀粉含量等方面也提出不同要求，但具备这些特性的品种无法通过无性繁殖获得，采用变异方式获得的机率又完全不可控，因此，荸荠杂交育种研究尤为重要。通过杂交育种能定向选育满足市场需求的品种，为荸荠产业的健康发展提供保障。【前人研究进展】近年来，随着生物技术的快速发展，单株纯化和组培产生优良變异株等方式已成为选育荸荠新品种的主要途径，并先后选育出鄂荠1号、桂蹄1号、桂蹄2号（陈丽娟等，2011b）、桂粉蹄1号（陈丽娟等，2011c）、鄂荸荠2号（肖强，2015）等品种，尽管以上品种的产量、品质和商品性等均大幅度提高，但相对市场对荸荠品种的需求还有一定差距。由于无性繁殖存在诸多弊端，荸荠杂交育种逐步受到关注，徐祥生和施国新（1985）通过观察荸荠花序和花的形态，揭示了荸荠花器的构造和开花过程；李双梅等（2009，2011）对荸荠开花结子习性进行研究，揭示了荸荠开花结子的规律，并探讨了荸荠种子休眠机理和原因，为荸荠杂交育种打下了基础。【本研究切入点】目前，虽然已有关于荸荠花及种子的研究报道，但鲜见荸荠杂交育种方法的研究报道。【拟解决的关键问题】观察荸荠茎及花序生长情况，了解荸荠开花规律和雌、雄蕊生长情况，并通过显微观察人工辅助授粉情况，对比荸荠在人工辅助授粉和自然授粉下结子情况，找出最佳授粉时机，避免自花授粉，建立和完善荸荠杂交育种方法，为荸荠杂交育种提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试材料为桂蹄2号荸荠，种植于广西农业科学院生物技术研究所试验基地，管理水平较好，植株生长健壮。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 荸荠花序及花茎高度观察 在荸荠生长旺盛的8～10月期间，选取刚露出水面的花茎10根，连续观察花茎和花穗的生长情况，记录雌蕊和雄蕊变化情况和开放时间，记录雌蕊和雄蕊达到盛期时花茎高度，测量花丝长度，分别计算时间差和高度差。

1. 2. 2 荸荠自然授粉与人工辅助授粉试验观察 于9月20～28日上午9：00～11：00进行人工辅助授粉，在试验大棚分别选取处于生长旺盛的雌、雄蕊花茎各一根，小心摘下有雄蕊的花序，在雌蕊花序的正上方缓慢倒立，向下移动缓慢接触雌蕊的花丝，轻微抖动使花药垂直落下，围绕花序作圆周运动，使花药与下部花丝接触，保证所有雌蕊粘上花药，进行20个重复，并另选择20根花茎为对照，自然授粉。此外，选择2根高度相近且均处于雌蕊开放盛期的花茎，在上午10：00对其中一根进行人工辅助授粉，授粉方法同上，另一根作为对照，自然授粉，授粉7.0 h后，分别进行花序观察并剪其花丝用显微镜观察授粉情况，记录花序授粉前后雌蕊的变化情况。

1. 2. 3 杂交种子结实统计 由于荸荠种子具有生理学后熟的特性（李双梅等，2009），因此在荸荠果实采收期前进行种子采收为适宜。于12月下旬～1月中旬，分别摘取人工辅助授粉和自然授粉的花序各10朵，将种子剥离，记录数量，计算结子率（张云毅等，2009）。采收的种子要求种皮为深褐色且表面光泽度和饱满度较好。

结子率（%）=■×100

2 结果与分析

2. 1 花茎高度及花序变化

通过观察发现，在花茎叶生长过程中，荸荠花序的长度未变化。花序上有覆瓦状排列的鳞片，雌、雄蕊均从鳞片中伸出，其生长情况如下：当花茎长到约30.00 cm时，雌蕊开始从花穗中上部的鳞片伸出，以此为中心，柱头上、下部的雌蕊依次陆续伸出。花穗绝大部分的花丝长度达到5～8 mm，在自然条件下，未授粉的花丝从雌蕊达到盛期至开始枯萎的时间超过24.0 h，有的甚至长达72.0 h。当花茎继续生长到高度约45.00 cm时，雄蕊开始从鳞片中伸出，约12.0 h全部伸出，其伸出顺序与雌蕊相同，当整朵花序的雄蕊完全伸出鳞片后，花药迅速释放，时间为上午9：00～11：00，之后开始逐渐凋谢萎缩，约6.0 h后变成黑色尖针形状。

2. 2 雌、雄蕊盛期情况

从表1可看出，由于不同个体的特性，10个编号的花茎在雌、雄蕊开放盛期的生长高度并不完全一致，分别为33.30～40.10 cm和43.70～49.20 cm，但整体而言，雌蕊开放盛期的花茎高度比雄蕊开放盛期的花茎高度低得多，前者的平均高度为37.00 cm，后者的平均高度为46.90 cm，两个时期的生长平均高度差达9.84 cm。此外，同一花序的雌、雄蕊在开放时间上相差较明显，前者比后者平均早28.5 h。

2. 3 人工辅助授粉试验结果

人工辅助授粉情况如图1所示，左边为经过人工辅助授粉的花序，右边为同一花期未授粉花序。人工辅助授粉7.0 h后对2朵花序再次进行观察，如图2所示，左边经过人工辅助授粉的花序的雌蕊完全处于萎蔫状态，而右边未授粉的花序的花丝与7.0 h前的形态变化不明显，无萎蔫迹象，继续保持旺盛的生长势头。人工辅助授粉后，用剪刀轻轻地从花序上分别剪下1根花丝，置于载玻片上用显微镜观察，授粉雌蕊（图3）的绒毛顶端、绒毛间密集地沾满了呈椭圆形状的花药；而未授粉的雌蕊（图4）只看到透明的维管束状花丝及其绒毛，未发现花药。

2. 4 种子收获情况

将人工辅助授粉和自然授粉的花序进行采收，用镊子从下至上轻轻把鳞片逐片从花序上剥离，并记录数量；同时对鳞片内包裹的种子进行保存记录。理论上，每一片鳞片内均包裹着一粒深褐色且表面光泽度良好饱满种子，但对于未授粉的花丝，鳞片内仅有1个干瘪的子房，记录时需剔除。由表2可知，从10朵人工辅助授粉花序获得的种子总数量为165颗，鳞片总数384片，结子率为43.0%；从10朵自然授粉花序获得的种子总数量为58颗，鳞片总数374片，结子率为15.5%。说明在自然条件下，荸荠花穗在风媒、虫媒及花药的重力作用下，能成功进行授粉，但其成功率较低，通过人工辅助授粉，能大幅度提高荸荠花穗的结子率。

3 讨论

荸荠杂交育种是一个新研究领域。近年来，国内少数水生作物研究者开始对该领域开展研究，但目前尚未见有荸荠杂交育种具体方法的研究报道。荸荠属于两性花作物（邹瑜等，2006），在自然条件下，存在自花授粉和异花授粉两种授粉方式。本研究发现，桂蹄2号荸荠花序的雌蕊达到开放盛期的时间比雄蕊早，平均时间差28.5 h，远大于雌蕊在授粉后6.0～8.0 h的萎蔫时间，因此，开展荸荠杂交试验时，应在花药释放前完成同一花序全部雌蕊的授粉工作并促使其完全萎蔫，是避免荸荠自花授粉的关键。同时，为获得需要的杂交荸荠种子，须在雌蕊授粉前后进行套袋。尽管雌、雄蕊开放盛期时间相距约28.5 h，但雌蕊完全盛开后仍未授粉，会继续生长等到同一花序的雄蕊盛开后进行授粉，因此，自花授粉是荸荠授粉的主要方式（杨期和等，2011）。对于荸荠群体花而言，雄蕊完全盛开的高度比雌蕊平均高出9.84 cm，因此，在风、虫等媒介及重力作用下，少数雌蕊能接收到异花的雄蕊花药（尚方剑和王玲，2014）。正是荸荠两性花的特性和雌、雄蕊生长及盛期均存在时间差，成为荸荠能开展人工辅助授粉的关键因素。桂蹄2号自然授粉的结子率仅为15.5%，与李双梅等（2009）研究发现团风荸荠自然授粉的结子率仅为12.9%的结果相近，进一步证实荸荠在自然条件下授粉率较低。在人工辅助授粉条件下，荸荠结子率为43.0%，尽管明显提高了荸荠雌蕊的授粉率，但从显微镜的观察结果进行分析，花序的每一个雌蕊均沾满花药，其结子率应为100.0%。这一理论值与现实的统计结子率差距较大，其原因有待进一步研究。

不同荸荠品种花序在生长特性上有较大差异，如桂蹄2号和团风荸荠，两者在雌蕊伸出鳞片的顺序和长度、雄蕊伸出顺序及与雌蕊达到盛期的时差等方面均有明显差异（李双梅等，2009）。桂蹄2号为中上部花的柱头和花药先伸出，两者盛期差为28.5 h，团风荸荠大部分则为中下部花先伸出，单朵小花内的花药，有的同时伸出，有的一前一后伸出，其雌、雄蕊达到盛期的时差约48.0 h，团风荸荠花序的雄蕊是在柱头完全萎蔫后才从鳞片中伸出来，相对于桂蹄2号荸荠而言，能更有效地避免荸荠在杂交育种中出现自花授粉。因此，在开展荸荠杂交育种机理和机制研究工作中，可选择有利于工作开展的品种为研究对象。

4 结论

人工辅助授粉可大幅度提高荸荠结子率，且荸荠两性花的特性和雌、雄蕊生长及盛期均存在时间差，是荸荠开展人工辅助授粉的关键因素。

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（责任编辑 陈 燕）