甘蔗开花生物学特性及花粉活力研究

常海龙++胡后祥++张伟++陈俊吕++邱永生++周峰++张垂明++吴其卫++吴建涛++刘壮++许环映++王勤南

摘 要 在温室内观察甘蔗开花动态，用TTC法测定甘蔗花粉活力，联苯胺-过氧化氢法测定柱头可授性。结果表明：花穗上小蠡花开放顺序，一般是自上而下，由外至内；ROC22和科五花粉活力于开花第1 天达到80%以上，第2 天有小幅度上升，之后迅速降低，第7 天仅采到少许花粉，但活力仍在32%左右。甘蔗雌蕊柱头开花前1天具有可授性，自交授粉后的1～2 d内保持强可授性，之后柱头迅速变黑枯萎；未授粉柱头花开后的9 d内一直保持靓丽的艳红色，具强可授性。柱头可授性的最佳时期为开花后第1～9 天，甘蔗的最佳授粉期为母本开花2 d后再授以父本花粉，4 d内即可完成杂交过程。

关键词 开花动态 ；花粉活力 ；柱头可授性 ；杂交授粉

中图分类号 S566.1 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.04.002

Flowering Phenology and Pollen Activity of Sugarcane

CHANG Hailong1，2） HU Houxiang1，2） ZHANG Wei1，2） CHEN Junlv1，2）

QIU Yongsheng1，2） ZHOU Feng1，2） ZHANG Chuiming1，2） WU Qiwei1，2）

WU Jiantao1，2） LIU Zhuang1，2） XU Huanying1，2） WANG Qinnan1，2）

（1 Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of

Sugarcane Improvement & Biorefinery， Guangzhou， Guangdong 510316；

2 Guangdong Scientific Observation Station of Sugarcane Germplasm Resources and

Their Utilization， Ministry of Agriculture， Sanya， Hainan 572025）

Abstract The sugarcane flowering dynamics was observed in a greenhouse. Sugarcane stigma receptivity was tested by using the benzidine-hydrogen peroxide method， and sugarcane pollen activity was measured by using 2，3，5 triphenyl tetrazolium chloride （TTC） test. The results showed that the tiny flowers on an inflorescence generally bloom from the top to the bottom and from the outside to the inside. The pollen activity of sugarcane varieties ROC22 and Kewu was observed to be over 80% at the first day of flowering， rose modestly at the second day and then fell rapidly. Only a little pollen was collected at the seventh day， but the pollen activity was still around 32%. The stigma of sugarcane pistil had receptivity prior to the first day of flowering， its receptivity was high within the first two days after self-pollination， and then the stigma pollinated rapidly turned black and withered. The non-pollinated stigma was bright red with strong receptivity within the first 9 days after flowering. The best time for the receptivity of stigma was from the first day to the 9th day after flowering. It was best to pollinate the sugarcane female parent with pollen of the male parent after 2 days of flowing of the female parent， and the hybridization process was completed in 4 days.

Keywords flowering dynamics ； pollen activity ； stigma receptivity ； hybrid pollination

目前，利用雜种优势、有性杂交选育仍是甘蔗育种的主要方式[1]。海南甘蔗育种场作为全国甘蔗花穗杂交制种基地，每年承担的花穗杂交任务在2 000个组合左右，能完成杂交授粉的仅有1 500个组合，而其中500个组合因花穗结实率太低或不结实达不到种子生产要求，严重浪费劳动力[2-3]。因此，研究甘蔗有性生殖的整个过程，提高甘蔗花穗结实率是甘蔗杂交育种的一个重点。

在甘蔗杂交授粉过程中，一般都对选定的父母本进行人工异花授粉，甘蔗花粉必须在具有活力时到达适宜的接受柱头才能完成传粉过程，能够接受花粉的适宜柱头即处于柱头可授期[4-5]。花粉保持活力的时间长短和柱头可授期的长短组合在一起，深刻影响着甘蔗授粉成功率、花穗结实率等。因此，甘蔗花粉和柱头的形态结构、花粉的活力与寿命以及柱头的可授性等便成为关注的重点。在国内外，关于植物的花粉活力和柱头形态变化、可授性变化等已有很多研究[6-10]，但关于甘蔗生殖特性的研究则未见报道。本试验主要针对甘蔗开花的生物学特性、花粉活力及其柱头可授性等方面开展研究，探讨其杂交成功的基础，为揭示该物种的生殖特性及提高结实率提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2015年11月至2016年1月，以海南甘蔗育种场亲本圃内种植的ROC22、科五（有花粉）、粤糖92-1287（无花粉）作为试验材料。

1.2 方法

甘蔗花为顶生的大型圆锥花序，一个花穗上有小穗8 000～15 000个，每个小穗内含有1个子房，2个柱头，3～4个花药，为雌雄同花。因小穗极小，难以人工去雄，本研究中花粉活力检测及柱头可授性试验分别采用2个不同品种。试验前1天，选取长势一致、包茎长根且第2天可开花的ROC22、科五、粤92-1287 3个品种各3株，靠发根底部整齐砍断，带回温室大棚将其养植于充氧的水槽中，每株单独存放于专用杂交单元格中以防其杂交串粉。

1.2.1 开花生物学特性观察

试验于2015年12月1日开始，于每天上午8：00进行连续采样和观察，并在体式显微镜下拍照记录。第1天采样前将无花粉的粤糖92-1287、有花粉的ROC22两品种花穗下部未开花和顶部发育不良的1/5处去掉，仅保留穗中部开花小穗。每次分别随机抽取10个甘蔗小穗，在体式显微镜下用手术镊子小心剥去外颖壳后观察子房及柱头形态、颜色，并用图片形式记录比较。

1.2.2 花粉活力测定

花粉活力采用TTC检测法。从甘蔗花穗散粉的第1天开始，分别在每天上午的8：00采集ROC22、科五新鲜花粉，用镊子撒置于载玻片中央，同时滴1～2滴0.5%TTC（2，3，5-uiphenyl tetrazolium chloride）溶液于花粉样品中，充分混匀，盖上盖玻片，置于湿润培养皿中，于37℃的水浴锅中放置20 min；在40倍光学显微镜下观察，每品种观察3个载玻片，每片取6个不重叠视野，每个视野花粉总数不少于100個。若花粉变红则表明有活力，若红色很浅或无变化则表明为无活力。统计全部花粉中红色花粉所占比例。

花粉活力=红色花粉/观察花粉总数×100%

1.2.3 柱头可授性测定

用联苯胺-过氧化氢法测定柱头可授性。将开花后不同天数的ROC22、粤糖92-1287两品种的柱头完全浸泡在联苯胺-过氧化氢反应液中（1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水=4∶11∶22，V∶V）放置黑暗环境下25 min[若柱头具有可授性（呈现出过氧化氢酶活力），则柱头周围的反应液呈现蓝色并有大量的气泡出现]；放置在10倍体式显微镜下观察柱头染色部位。将至少2/3部位呈现蓝色并伴有大量气泡出现的柱头算作具有可授性，否则认为没有可授性；根据气泡多少判断柱头可授性的相对强弱：（1）“+++”表示柱头可授性强，柱头至少2/3部位呈现蓝色并伴有大量气泡出现；（2）“++”表示柱头可授性较强，柱头至少2/3部位呈现蓝色并伴有较多气泡出现；（3）“+”表示柱头具有可授性，柱头可授性弱，柱头呈淡蓝色或不明显，周围仅有几个小气泡；（4）“+/-”表示部分柱头具有可授性；（5）“-”表示柱头不具有可授性。

2 结果与分析

2.1 甘蔗开花生物学特性

2.1.1 甘蔗开花动态

甘蔗抽穗后，通常经3～7 d即开花。一个花穗上小蠡花开花顺序，一般是自上而下，由外至内；成对小穗花的开放，一般是有柄小穗花先开，无柄小穗花后开，7 d内整株花穗开放完毕。小花中鳞片吸水膨胀产生膨压促使颖片张开，花丝在开花时迅速伸长，花药吐出，羽状柱头露出。花药开裂通常迟于小花开放，开花后鳞片水分散失，花丝萎缩，颖片闭合，但柱头及花药仍露于颖外。一个小穗由颖片开放到闭合平均约需2 h。

2.1.2 甘蔗雌蕊动态变化

通过对自身有花粉的ROC22及雄性不育的粤糖92-1287雌蕊整个开花期的动态变化跟踪调查发现，2品种甘蔗雌蕊开花前2～3 d内羽状柱头未露出颖壳时为白色，慢慢变为局部粉色，子房相对于柱头较小，呈椭圆形。开花前1天红色逐渐加深，变为深红色，富有光泽，柱头紧实而不蓬松，子房亮丽。开花当天，柱头形态伸展，羽状鳞片蓬松，颜色艳红。自身含有花粉的ROC22柱头开花当天8：00即进行自花授粉，柱头沾满花粉（图1）。柱头授粉后，随后的2～5 d内，柱头的颜色逐渐加深，由原先的深红色变为红黑色，最后变成黑色，柱头失去光泽，干枯。开花后第4 天，子房发育膨胀，外观形态拉伸变长，呈现出快速发育趋势；第7天，子房发育到原来体积的2倍，柱头与子房连接的部位变细，颜色变褐即将脱落。粤糖92-1287雌蕊开花后1～4 d，因柱头未授粉，颜色一直保持鲜红色，富有光泽，柱头变化不明显，子房不膨胀，颜色渐深（图2）；5～7 d，羽状柱头蓬松，光泽减少，整个柱头颜色变淡，子房发黄暗淡；自第8天开始，柱头顶端开始褪色； 9 d时子房出现萎缩，柱头顶部红色褪去明显，白色区域逐步扩大；13 d时柱头虽仍有部分较鲜艳，但子房基本消失，无杂交授粉结实可能。

2.2 甘蔗花粉活力检测

通过TTC染色后观察花粉活力，结果如图3所示。甘蔗采回温室后，第1天花粉活力可达到80%～90%；随着开花时间延长，花粉活力有小幅度上升，第2天活力最高，2品种花粉活力增幅达6%以上，其中科五花粉活力达到92%以上；第3天起花粉活力急速降低，至第7天花粉存活率仅为32%左右，且2品种所采集到的花粉极少，已经不再适合做杂交亲本。

2.3 甘蔗柱头可授性

通过联苯胺-过氧化氢法测定柱头可授性可知，甘蔗在开花前3～2 d内，羽状柱头颜色没有变红之前没有可授性，开花前1天柱头已具备强可授性。ROC22在开花当天柱头即沾满花粉，在1 ～2 d内仍具有强可授性，至第3 天柱头可授性急剧减弱，第5 天柱头局部发黑，过氧化氢酶活力降低，已经不具有可授性（表1，图4）。粤糖92-1287柱头一直未有授粉，在开花前1天（-1 d）直至开花后第9天，均具有强可授性；开花后第10～12 天柱头仍具有可授性，第13 天开始仅有部分柱头具可授性（表1，图5）

3 讨论与结论

甘蔗开花习性易受环境因素影响，不但品种间差异大，而且同一品种年际间的变化也可能很大[11-13]。同时，由于不同材料的花期长短、开花抽穗特点也不同，因此在制定杂交计划时应对相关材料的开花生物学特性有所了解，以提高杂交计划的完成率。甘蔗亲本材料花穗的开花特点分为：边抽边开型、先抽后开型和前期先抽后开、后期边抽边开型[14]。本研究选用的3种材料都为先抽后开型，开花集中，柱头艳丽，羽状柱头极易沾染花粉。若本身花粉发育正常，开花1 h内柱头即可完成自交授粉；3 d后子房迅速发育膨胀，柱头由艳丽的深红色迅速变为黑色，并逐渐脱落；授粉7 d后子房即发育到原体积2倍大。若小穗开放后柱头一直未授粉，在9 d内柱头一直保持艳丽的深红色，羽状鳞片舒展蓬松，不但增加了授粉概率且对传媒小动物极具吸引性，这一生物学特性在一定意义上提高了甘蔗花穗授粉率。杂交授粉一般可在一周内完成，这类品系无论作母本或作父本，花穗的用量都是比较经济的。

植物花粉的活力与寿命受遗传因素和环境条件的影响较大，果树类花粉寿命可维持数月至一年以上[15-17]，低温干燥条件下可极大延长双核花粉的生活力，而三核花粉则以高湿度为好[18]。栽培芍药花粉寿命为7 d，野生芍药植物的花粉活力比栽培品种寿命长，一般为15 d[19]；花粉活力及其下降快慢随生境不同而有所差异，锦带花的花粉活力在70%以上能维持3 d，之后明显下降，但至花朵枯萎时，仍有少量花粉具有活力[20]。本研究是在温室内进行，为保持甘蔗花穗正常生长状态，每隔6 h都会对其进行喷淋增湿，2品种花穗每天都会有部分小穗开放，早晨7：30左右花药逐渐开裂，开始散粉。经TTC检测表明，2品种开花后第1 天收集的花粉活力都达到80%以上；第2 天花粉活力略有提高，之后迅速降低，至第7 天花粉活力降低至30%左右。科五花粉活力一直高于ROC22花粉，这应该为基因因素影响。开花初期前1～2 d内散粉最多，之后逐渐减少，第7天采集到的花粉极少，已经不再适合作花穗杂交使用。从本研究结果可推测，甘蔗花穗杂交适宜时间为开花后的前4 d内，且以第1～2天内效果最好。

柱头可授期是花朵成熟过程中的一个重要时期，其可授期长短直接影响花穗授粉结实[21]。不同植物的柱头可授期因物种和品种的差异而有所不同，榴莲花的柱头仅在开花前几个小时内具有可授性[22]，水稻、棉花的可授期可保持1～2 d，油菜为开花后1～3 d，第4 天生活力下降，约6 d失去作用[23]，欧榛如柱头未授粉，可授性可保持3个月长[24]。本研究中，甘蔗柱头可授期长达13 d，开花前1 天（-1 d）至第9 天（9 d）内柱头都具有强的可授性；柱头授粉后，2 d内都具有强可授性，之后活力迅速降低，羽状柱头颜色变暗，逐渐呈黑色，柱頭萎蔫脱落。柱头的颜色变化和可授性有一定的相关性，随着开花授粉过程的进行，柱头颜色由白色到鲜红色再到暗黑色；若柱头从开花当天一直未有授粉，且柱头颜色由未开时的白色至艳红色再逐渐褪至白色，则柱头可授性相应的从弱到强再到丧失。

根据上述试验可知，甘蔗柱头最佳授粉期在开花后9 d内，花粉活力较高时期是开花后的4 d内。利用其这一特点，可以待母本花穗开放2 d后，整穗小花开放至1/3处时，再集中放置父本花穗中进行杂交，4 d内即可完成杂交过程，中间不用重复替换父本，不但节省父本花穗用量，且极大地提高花穗杂交效率。

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