蟠桃果实和种胚发育规律的研究

杜纪红,吴丹丹,叶正文,苏明申,周慧娟,李雄伟,张夏南

（上海市农业科学院林木果树研究所,上海201403）

蟠桃（Prunus persica Batsch.var.compressa）是桃的一个变种,具有独特的扁平果形,素有“仙果”“寿桃”之美称,因其风味香甜、汁液丰富、可食率较高,深受广大消费者的青睐。但是蟠桃的种质资源十分有限,南方地区主栽的蟠桃品种为‘玉露蟠桃’,成熟期在8月上旬。由于品种单一,成熟期集中,造成果品滞销,严重影响了蟠桃产业的发展,因此市场上需要一些早熟及特早熟蟠桃品种调节市场余缺。

极早熟、早熟蟠桃品种易出现胚发育不全等问题,采用胚挽救技术可以克服蟠桃杂交育种过程中经常出现的胚败育问题,提高胚的萌发率、成苗率。有研究表明,果实的形态发育与种胚败育有着十分密切的关系。对葡萄败育的研究发现,在果实第二次生长高峰开始时,种胚开始出现败育[1],果实的发育阶段可以作为直观的观测标准,来判断胚的发育状态和败育时期。因此,研究蟠桃果实和种胚发育规律可以为胚挽救取样时间提供理论依据。

本研究以早熟蟠桃品种‘沪蟠1号’为试材,以当地主栽品种‘玉露蟠桃’（晚熟品种）为对照,开展蟠桃果实和种胚形态学及生理学的研究,探讨蟠桃果实和种胚的发育规律,旨在完善早熟蟠桃胚挽救技术体系,提高蟠桃的育种效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为‘沪蟠1号’和‘玉露蟠桃’。‘沪蟠1号’是上海市农业科学院选育的早熟蟠桃品种,成熟期为7月10号左右。‘玉露蟠桃’是上海地区主栽的蟠桃品种,成熟期在7月20号左右。两个品种花期基本一致,盛花期均为3月22—25日。盛花期后14 d开始取样直到果实成熟,每2周取一次样。每个品种选取9棵树,3棵树为1个重复,3次重复。试验年份为2016年。

1.2 测定方法

单果重的测定:用电子天平测定每个果实的单果重,每次调查10个果实,3次重复。

果实纵横侧径的测定:采用游标卡尺测定,纵径为果柄至果顶的距离,横径为有缝合线的两个果面之间的距离,侧径为无缝合线的两个果面之间的距离[2],每次调查10个果实,3次重复。

种子鲜重、干重和干物质比例的测定:使用电子天平称量种子鲜重,然后将种子置于80—100℃烘箱烘干至恒重,称量种子干重,干物质比=种子干重∕种子鲜重×100%,每次调查10个种子,3次重复。

种子、胚长度和胚发育指数（RF值）的测定:使用游标卡尺测量种子和胚的长度（因为蟠桃的胚是近圆型,所以以种子或胚的直径作为种子或胚的长度）,计算种胚发育指数。RF值=胚长度∕种子长度。

种子败育比例的调查:正常发育的种胚表现为饱满、圆润、乳白色、无褐化现象;种胚皱缩干瘪,种皮严重褐化、变黑,组织软化,或者胚完全消失,即为种胚出现败育。败育率 =败育种子数∕种子总数×100%。

种子外观形态的观察:随机取10个蟠桃,用剪刀破核取出种子,进行解剖拍照。

1.3 数据分析

数据采用Excel 2013软件进行处理分析,采用一般线性模型多因素LSD法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 蟠桃果实单果重和大小的发育规律

由图1A可以看出,‘沪蟠1号’的单果重变化曲线与‘玉露蟠桃’相似,可分为3个时期。第一个时期是4月14日—5月12日,果实生长速度快;第二个时期‘沪蟠1号’为5月12日—6月5日,‘玉露蟠桃’为5月12日—6月22日,果实生长速度趋于平缓;第三个时期‘沪蟠1号’为6月5日—7月6日,‘玉露蟠桃’为6月22日—7月21日,基本上是果实成熟前一个月开始进入快速生长期,这个阶段果实单果重呈现快速上升趋势。‘沪蟠1号’的单果重增长趋势与‘玉露蟠桃’基本一致,只是第二个时期持续时间较‘玉露蟠桃’少2周。虽然生长期不同,果实成熟时,‘沪蟠1号’与‘玉露蟠桃’果实的单果重无显著差异。

‘沪蟠1号’果实纵横侧径变化均可分为3个阶段,呈现“快-慢-快”的生长趋势（图1B、C、D）。第一个阶段是4月14日—5月12日,果实生长速度很快,纵横侧径呈快速增长的趋势;第二个阶段是从5月12日—6月5日,纵横侧径增长速度呈平缓趋势;第三个阶段是从6月5日—7月21日,果实单果重呈现快速增长趋势。‘玉露蟠桃’果实纵横侧径的变化曲线与‘沪蟠1号’基本一致,但缓慢增长期比‘沪蟠1号’长。果实成熟时‘沪蟠1号’的纵横侧径与‘玉露蟠桃’差异不大。

2.2 蟠桃种子和胚的发育规律

图1 果实发育期间果实单果重（A）和纵横侧径（B、C、D）的变化Fig.1 Changes of fruit weight,longitudinal,transverse and lateral diameters during fruit development

图2 果实发育过程中种子鲜重（A）、干重（B）和干物质比例（C）的变化Fig.2 Changes of seed fresh weight（A）,dry weight（B）and dry matter proportion（C）during fruit development

‘沪蟠1号’种子的鲜重在4月27日—5月12日呈现快速增长趋势,5月12日—25日缓慢上升,此后直到果实成熟呈缓慢下降趋势,‘玉露蟠桃’的种子鲜重一直高于‘沪蟠1号’（图2A）。后期种子鲜重下降的原因可能是因为种子早期胚乳水分含量高,随着种子的发育含水量逐渐降低,再加上败育胚的比例增高,造成了种子鲜重下降。由图2B可以看出,4月27日—5月12日两个蟠桃品种种子的干重均快速上升,‘沪蟠1号’种子干重5月12日—7月6日基本没有变化;‘玉露蟠桃’种子干重5月12日—6月22日基本没有变化,6月22日—7月22日迅速上升,这和单果重的迅速生长期相一致。‘沪蟠1号’和‘玉露蟠桃’的种子干物质比4月27日—6月5日基本保持不变（图2C）,从6月5日开始上升,到成熟期达到最大值,两个品种的种子干物质比变化曲线基本一致,成熟时‘玉露蟠桃’的种子干物质比显著高于‘沪蟠1号’。

‘沪蟠1号’和‘玉露蟠桃’的种子长度呈先升后降的变化趋势（图3A）,这是因为种子内早期为含水量高的浆状物质,后期胚乳被吸收,子叶开始饱满,两个品种种子长度差异较小。如图3B所示,5月25日之前,两个品种的胚长度基本相同,5月25日之后,两个品种的胚长度迅速上升,6月5日,‘沪蟠1号’胚度长为4.4 mm,‘玉露蟠桃’胚长度为6.5 mm,此后‘玉露蟠桃’胚长度缓慢上升,果实成熟时达到最大值7.5 mm,‘沪蟠1号’胚长度先升后降,果实成熟时为5.0 mm,可能因为后期败育的胚比例增加,造成平均胚长度降低。‘沪蟠1号’胚的发育指数RF值5月12日为0,5月25日—6月22日快速增长,6月22日—7月6日增长缓慢,果实成熟时为0.62;‘玉露蟠桃’胚的RF值5月25日—6月5日快速增长,且增长速率远高于‘沪蟠1号’,6月5日—7月21日增长趋势趋缓,果实成熟时为0.89（图3C）。

图3 果实发育过程中种子长度（A）、胚长度（B）、胚发育指数（C）的变化Fig.3 Changes of seed length（A）,embryo length（B）and PF value（C）during fruit development

2.3 蟠桃种子与胚的外观形态观察

5月12日,‘沪蟠1号’和‘玉露蟠桃’的种子内均为透明胶状物质（图4A,E）,但是‘沪蟠1号’有少量种子出现变褐的现象（图4A）。5月25日,胚乳已经形成,并且可见芝麻大小的白色幼胚,‘玉露蟠桃’的胚乳比较整齐（图4F）,并且大部分都含有白色幼胚,‘沪蟠1号’的胚乳大小不一（图4B）,胚乳内有胚的比例较‘玉露蟠桃’低。6月7日,白色的幼胚开始长大,‘沪蟠1号’只有少数幼胚发育成正常的圆形胚,其余发育成小的不规则的畸形胚（图4C）,而‘玉露蟠桃’白色的胚正常生长（图4G）。6月21日,‘沪蟠1号’正常的胚继续膨大（图4D）,畸形胚也在膨大,畸形胚往往子叶不正常,‘玉露蟠桃’有约70%的幼胚正常发育,子叶正常（图4H）。5月25日—6月7日是胚的子叶快速生长时期,5月25日之前两个品种的种子内部肉眼观察不到差异,6月7日基本上可以判断出正常胚和畸形胚,说明胚乳的异常可能影响胚的正常发育。胚挽救工作尽量选择在胚败育前进行,‘沪蟠1号’胚的胚挽救工作需要在5月25日之前进行。

图4 蟠桃果实发育过程中种子与胚的外观形态变化Fig.4 Changes in appearance and morphology of seed and embryo during fruit development

2.4 蟠桃种子败育率的变化规律

果实生长发育过程中,种子败育率呈先降后升趋势,早期种子的败育率是由于授粉受精不良引起的,后期的败育率是种胚无法正常发育引起的。4月20日之前,‘沪蟠1号’种子败育率高于‘玉露蟠桃’（图5）,说明‘沪蟠1号’授粉受精不良的比例高于‘玉露蟠桃’。4月20日之后,‘沪蟠1号’的种子败育率呈上升趋势,果实成熟时达到43%,‘玉露蟠桃’的种子败育率上升缓慢,果实成熟时败育率为12%。

图5 果实发育过程种子败育率的变化Fig.5 Changes of seed abortion rate during fruit development

3 讨论

胚败育在芒果[3]、荔枝[4]、枣子[5]、枇杷[6]、柿子[7]上均有研究,胚挽救是桃早熟品种[8]和无核葡萄[9]育种中使用的重要方法。研究果实和种胚的发育规律对于胚挽救最佳时期的选择具有重要意义。潘学军等[1]对葡萄败育研究发现,在果实第二次生长高峰开始时种胚开始出现败育,果实的形态发育与种胚败育有着十分密切的关系。‘奥迪亚’无核葡萄及其杂交组合果实外观大小（纵∕横径）达到最大并开始变软为接种的最佳时期,说明其胚挽救的最佳时期为花后42—49 d[10];枣子花后时间和果实大小也可间接反映胚的状态[11]。本试验中‘沪蟠1号’种胚在5月25日之前没有发现幼胚,5月25—6月7日产生大量畸形幼胚,此时果实进入硬核期,因此对于‘沪蟠1号’进行胚挽救需要在5月25日之前进行,即硬核期开始之前。

沈德绪等[12]研究不同成熟期的4个桃品种果实和种胚的发育指出,果实发育可分为3个时期:快速增长期、缓慢增长期（硬核期）、快速增长期（膨大期）。各品种前后期接近,但在第二期经历日数显著不同,早熟品种短,晚熟品种长。本研究中‘沪蟠1号’的硬核期为5月12日—6月5日,大约持续4周时间,‘玉露蟠桃’的硬核期为5月12日—6月22日,大约持续6周时间,第二次速长期两个品种都出现在成熟前4周。两个品种果实和种胚的发育规律与前人结论基本一致[13-14]。

早熟品种的种胚发育充实时期短,干物质含量低,晚熟种则相反。在果实发育的第二期（硬核期）和第三期（膨大期）,果实内养分的分配是有差异的,在第二期,营养主要用了满足核层硬化和胚的生长,保证繁殖用的种子先获得营养,因此该阶段果肉部分生长较缓慢。早熟品种的这个过程尚未结束,果实的发育却已进入了第三期,其胚没有更多的营养保证,这也是早熟品种的胚不能发育良好充实的原因之一。晚熟品种的胚不仅在果实发育的第二期内充分长大,而且在果实发育第三期内继续充实,胚内干物质含量明显增高,一般晚熟品种含糖量比早熟品种高。果实发育后期,胚的营养条件优越,也保证了干物质含量的增加,为种子具有较高的发芽率提供物质基础[12]。本试验中,‘玉露蟠桃’的胚在硬核期迅速长大,在果实膨大期干物质快速积累,而‘沪蟠1号’的干物质在果实膨大期积累较慢,这可能主要是因为‘沪蟠1号’果实发育周期较短。

胚龄（胚的发育指数）常常使用RF值（胚长∕种子长）来表示,胚龄是胚培养成功的关键因素之一。Hesse等[15]对不同胚龄桃幼胚培养研究表明,胚龄大小直接影响胚培养成苗率的高低和胚培苗的生长势。将胚的发育状态用胚的发育指数来评价,认为胚的发育指数接近0.7,是桃胚培成功的最低值。本研究中‘玉露蟠桃’的RF值成熟时达到0.89,‘沪蟠1号’为0.62,说明‘玉露蟠桃’的胚更容易萌发,而‘沪蟠1号’的胚萌发较难。

植物胚胎中途败育的原因己有较多报道,大部分研究认为,胚和胚乳是双受精的产物,二者有极其敏感的发育平衡关系,胚的发育依赖胚乳提供营养,胚乳提前解体,使幼胚发育中途停止或解体[8-10,16-18]。本试验中,5月25日,蟠桃种子内可以区分幼胚和胚乳,‘沪蟠1号’的胚乳大小不一,幼胚的大小也不均匀,而‘玉露蟠桃’的胚乳大小均匀整齐。胚乳的异常可能是胚后期败育的一个原因,今后需要在胚乳细胞学方面进行深入研究。