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不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精的差异_李秀珍.pdf

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不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精的差异_李秀珍.pdf

中国农业大学学报2013,18(2)64-70Journal of China Agricultural University不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精的差异李秀珍1,2李学强2(1.中国农业大学 农学与生物技术学院,北京100193;2.河南科技大学 林学院,河南 洛阳471003)摘要为探讨不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育及受精进程的差异,以6年生甜樱桃‘红艳’为试材,利用石蜡切片法和荧光显微技术对不同温度条件下甜樱桃的花芽形态分化、雌雄配子发育、受精过程进行了观察。结果表明日光温室条件下,花芽在硬核期开始形态分化,高温区花芽形态分化时间短,花序间发育较整齐,单花分化需45d左右,而低温区则相反,且单花分化需75d左右;高温区次生造胞细胞持续分裂时间缩短、小孢子母细胞的持续时间短、雄配子体的形成速度快且整齐度高,低温区相反;高温区从造胞细胞到雌配子体形成需14d左右,而低温区需20d左右;不同温区胚的发育进程相似,但高温区从授粉到受精的时间比低温区延长约36h,达120h。日光温室条件下,高低温均影响甜樱桃的生殖生长,高温使甜樱桃的花芽分化开始早,花芽形态分化及雌雄配子的发育时间短,但受精进程减慢。关键词甜樱桃;温室;花芽分化;受精中图分类号S 662.9 文章编号1007-4333(2013)02-0064-07 文献标志码 A收稿日期 2012-06-01基金项目 河南省基础与前沿研究项目 (092300410080);河南科技大学基金项目 (2006ZY017,2007ZY018)第一作者 李秀珍 ,副教授 ,博士研究生 ,主要从事果树栽培生理研究 ,E-maillxzly737@163.comSexual organ development and fertilization of sweet cherryunder diferent temperatures in a solar greenhouseLI Xiu-zhen1,2,LI Xue-qiang2(1.Colege of Agronomyand Biotechnology,China Agricultural University,Beijing100193,China;2.ForestryColege,Henan Universityof Science and Technology,Luoyang471003,China)Abstract To explore the efects of diferent temperatures in a solar greenhouse on the sexual organ development andfertilization of sweet chery,the diferentiation of flower bud,development of male-female gametophyte and fertilizationprocess under diferent temperature conditions were investigated by using 6-year-old Zhuangyuan grooved in solargreenhouse through the parafin-cut section method and fluorescence microscopy photography.The results indicated thatthe morpho-diferentiation of flower bud in a solar greenhouse started at the beginningof core-hardeningstage.In thehigh temperature area,the time of diferentiation was reduced.The development of inflorescence roughlycorespondedto each other.The formation of single flower needed about 45d.But al these parameters were opposite in lowtemperature area.The single flower development would take about 75d.The duration of secondarysporogenous celdivision and microspore mother cel was shortened.The formation of male gametophyte was fast and uniformly,butopposite at low temperature area.The time from sporogenous cel to female gametophyte needed for 14days at hightemperature,but 20days at low temperature.The embryo development in high or low temperature area was similar.However,the time from polination to fertilization was extended to 120h,36hlonger,in the high temperature area.It canbe thus concluded the temperature in a solar greenhouse afected the reproductive growth of sweet chery.Hightemperature could make the diferentiation of flower bud start early,reduce the duration of both morpho-diferentiation offlower bud and the male-female gametophyte development but slow the process of fertilization.Keywords sweet chery;solar greenhouse;flower bud diferentiation;fertilization第 2期 李秀珍等 不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精的差异甜樱桃在我国栽培面积和产量增长迅速 ,效益较好 ,特别是设施条件下栽培其效益比露地栽培可提高几倍至几十倍 。但设施条件下促早栽培由于温度 、光照等较难控制 ,从而影响了甜樱桃的坐果 ,尤其是温度会对花芽分化 、性细胞的形成 、受精过程及胚的发育等有较强的影响 ,进而影响甜樱桃的产量 。研究表明 ,甜樱桃开花前1个月至落瓣期低温胚囊发育慢 ,高温加速胚囊的败育 ,花芽萌动期高温条件培养珠心和胚囊的降解速度显著加快 ,开花后胚囊快速退化[1-3],花芽萌动期及花药不同发育时期进行短时高温处理将导致绒毡层和中层细胞提前解体 ,花药异常 ,花粉粒萌芽率低 ,雌雄蕊变褐败育等[4-5],露地栽培条件下 ,甜樱桃的胚珠 、胚囊和花粉发育 ,是在春季伴随着温度逐渐升高完成的[6],以上研究说明花芽萌动期对温度非常敏感 。目前 ,关于设施条件下甜樱桃的丰产栽培技术研究较多 ,温度对甜樱桃花芽分化的研究也有一些报道[7-8],但在设施条件下温度对甜樱桃性器官的发育及授粉进程研究较少 。本试验以6年生甜樱桃‘红艳 ’为试材 ,研究了日光温室条件下不同温度对雌雄配子的发育及授粉进程的影响 ,以期为甜樱桃的设施栽培提供理论依据 。1 材料与方法1.1 材料日光温室栽植的6年生 ‘红艳 ’甜樱桃 (PrunusaviumL.‘Hongyan’)为试材 ,1月1日开始扣棚升温 ,1月7日开始设2个温区 ,高温区 (用310kW电热管加温 )昼夜温度为 (242)℃/(142)℃,低温区 (对照区 )(172)℃/(52)℃(分别在2个温区的中央位置挂一水银温度计 ,实时进行观测 ,超过或低于设定温度进行放风或加温 )。选择长势一致的健壮植株 ,3株为1个小区 ,重复3次 ,其他管理条件一致 。1.2 方法1.2.1 花芽的形态分化观察高温区从3月14日 (硬核末期 )开始取样 ,低温区从4月5日 (硬核末期 )开始取样 ,每隔5d取样1次 ,取样后用FAA固定 ,制作石蜡切片 ,用铁钒苏木精染色[9],OlympusH-2型显微镜观察 、照相 。1.2.2 雌雄配子体的形成观察从1月10日 (加温始期 )开始取样 ,每2d取样1次直到开花前 ,每次取花芽20个 ,石蜡切片制作方法同1.2.1,OlympusH-2型显微镜观察并照相 。1.2.3 花粉萌发、受精及胚的发育观察于授粉 后3、6、12、24、36、48、60、72、84、96、108、120、132、144、156、168和180h取花柱和子房 ,每次各20个 ,取后用FAA固定 ,用1mol/L的NaOH溶液在80℃条件下解离花柱30~40min,再用0.1%苯胺兰染色4h以上 ,然后将花柱平均纵分为两半 ,直接压片[10],用OlympusH-2荧光显微镜观察并照相 ;将胚珠从子房中取出 ,用1.2.1的石蜡切片法观察受精情况 。之后每3d取样1次 ,硬核开始后每5d取样一次 ,每次取20个果 ,按观察受精的方法观察胚的发育并照相 。2 结果与分析2.1 不同温度条件下日光温室甜樱桃花芽形态分化高温条件下 ,3月14日 (硬核末期 )即观察到小花原基出现 ,并已分化出萼片原基 (图1(c)),说明在此之前花芽已开始分化 ,但此时仍可观察到刚刚长出的小花原基 (图1(a))、未出现萼片原基的小花原基 (图1(b));图1(b)所示为含有苞片原基和3个小花原基的花芽 ;3月27日出现花 瓣 原 基 (图1(e));4月1日观察到雌蕊原基和雄蕊原基 (图1(g));4月21日后雌蕊原基和雄蕊原基进一步发育(图1(h));到4月25日各花器官基本形成 (图1(k));4月30日 ,完成各部分分化 (图1(n))。在高温条件下花芽分化时间短 ,不同花序之间发育比较整齐 ,单花发育需45d左右 。低温条件下 ,4月25日 (硬核末期 )可观察到刚分化出的苞片原基和小花原基 ,观察结果与高温条件下3月14日观察到的部分结果相似 ;5月10日大部分小花原基分化出萼片原基 (图1(d)),但此时已有个别小花正分化出花瓣原基和雄蕊原基 ;5月15日萼片内侧分化出花瓣原基 ,同时看到部分小花内分化出雄蕊原基及雌蕊原基 (图1(f)),但此期内仍可看到有的小花刚分化出苞片原基 ;5月25日明显看到各个原基增大 (图1(i)),到6月10日各原基进一步发育 (图1(j))。在同一花序内不同的花发育不同步 (见图1(m));6月26日花药呈蝶形 (图1(l));7月9日发育基本完成 。在低温条件下 ,花芽分化时间长 ,单花发育需75d左右 ,不同花之间差别大 。56中 国 农 业 大 学 学 报 2013年 第 18卷(a)刚长出的小花原基 ;(b)未出现萼片原基的小花原基 ;(c)、(d)小花原基的萼片原基 ;(e)萼片原基内出现花瓣原基 ;(f)刚分化出雌蕊原基和雄蕊原基 ;(g)、(h)、(i)和 (j)雌蕊原基 、雄蕊原基进一步发育 ;(k)和 (l)花药成蝶形 ,花芽分化基本完成 ;(m)同一花序内的花发育不一致 ;(n)花芽分化完成 。(a)Nascent flower primordium;(b)Flower primordium without sepal primordium;(c)and(d)Sepal primordium of flowerprimordium;(e)Petal primordium after sepal primordium;(f)Pistil primordium and stamen primordium;(g)(h),(i)and(j)The development of Pistil primordium and stamen primordium;(k)and(l)Becoming anther,termination of differentiation offlower bud on the whole;(m)Variance of differentiation of flower bud in the same inflorescence;(n)The finish ofdifferentiation of flower bud.(k)为50;其余均为20。(k)was magnified 50times;the others were magnified 20times.图 1不同温度条件下日光温室甜樱桃花芽形态分化Fig.1 Sweet cherry bud form differentiation of sweet cherry under different temperature in solar greenhouse2.2 不同温度条件下日光温室甜樱桃雌雄配子体发育2.2.1 不同温度条件下日光温室甜樱桃雄配子体发育1月10日加温开始时即观察到小孢子母细胞 ,最初小孢子母细胞排列紧密 ,多边形 ,核大 、染色深 ,明显不同于绒毡层细胞 (图2(a))。在高温条件下 ,从1月10日到1月14日 ,细胞排列均很紧密 ,到1月16日小孢子母细胞排列比较松散 (图2(b));1月18日可看到小孢子母细胞进行第一次分裂 ,此时部分细胞中有2个核 ,但中间无细胞壁 (图2(c));1月20日出现四分体 (图2(d)),此期仍可观察到4核细胞 (图2(e)),随着核的分裂 ,细胞壁的出现 ,形成四分体 ,且四分体出现的时期比较一致 ,此前后均无观察到四分体 ;1月22日观察到单核 花 粉 粒 (图2(f)),此时花粉粒小 ,排列拥挤 ,核较小 ;1月24日 ,观察到2核圆形花粉粒 (图2(g)),其内有一大一小2个核 ,大核靠内是营养核 ,小核靠近花粉壁是生殖核 ;1月28日看到三角形花粉粒出现 (图2(h)),花药中间隔膜开始断裂 ,花粉发育基本完成 。在高温条件下雄配子体发育整齐 ,速度快 ,从小孢子母细胞开始分裂到花粉发育完成历时10d左右 。低温条件下 ,小孢子母细胞形成持续时间长 ,直到1月18日仍能观察到小孢子母细胞的形成 ,即正分裂的次生造孢细胞 (图2(i));有的在1月24日仍处于小孢子母细胞阶段 ,即细胞排列紧 、核大 、细胞质浓 (图2(j));在此期间部分小孢子母细胞已开始减数分裂 ,且于1月22日即观察到一些小孢子母细胞已完成第一次减数分裂 (图2(k)),此时小孢子母细胞间隙较大 ;1月24日 ,可以看到小孢子母细胞66第 2期 李秀珍等 不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精的差异相离较远 ,部分细胞已完成第一次分裂 ,第二次分裂似在进行 (图2(l)),一部分细胞已进入四分体期 (图2(m));同一花序中 ,有的处于小孢子母细胞期 ,未进行分裂 ,有的分裂1次 ,有的分裂2次进入四分体期 ,有的四分体刚结束进入单核花粉期 (图2(n))。在同一花药的不同药室 ,小孢子母细胞的发育阶段不同 (图2(o)),有的处于四分体期 ,有的则进入单核期 。同一花序 、不同花朵的发育时期不同 ,直到1月30日仍能看到四分体的存在 ,至2月1日 ,基本都进入单核花粉期 ,2月3日观察到2核花粉粒存在 ,2月8日大部分细胞进入2核花粉期 ,2月14日出现发育成熟的花粉粒 。在低温条件下雄配子体发育极不整齐 ,速度慢 ,从小孢子母细胞开始分裂到花粉发育完成历时24d左右 。(a)和 (b)花药内的小孢子母细胞 ;(c)小孢子母细胞第一次分裂 ;(d)四分体 ;(e)四核细胞 、二核细胞同时存在 ;(f)四分体结束后的单核花粉粒 ;(g)二核花粉粒 ;(h)成熟花粉粒 ;(i)低温条件下次生造孢细胞仍在分裂 ;(j)低温条件下的小孢子母细胞 ;(k)第一次减数分裂的小孢子母细胞 ;(l)小孢子母细胞进行第二次分裂 ;(m)低温条件下四分体 ;(n)刚结束四分体 ;(o)同一花药不同药室的细胞发育不同 。(a)and(b)Microspore mother cel in anther;(c)Microspore mother cel division firstly;(d)Formation of tetrads;(e)4-nucleus-cel and 2-nucleus-cel in the same anther;(f)Mononuclear polen grain after tetrads;(g)2nucleuses polen grain;(h)Mature polen grain;(i)Secondary sporogenous cel division at low temperature;(j)Microspore mother cel at lowtemperature;(k)Microspore mother cel division firstly;(l)Microspore mother cel division secondly after the first;(m)Tetrads at low temperature;(n)Tetrads disintegration;(o)Variance of cel development in different chamber of the sameanther.(a)、(b)、(c)和 (d)为33;(e)为200;(f)和 (g)为100;(h)为35。(a),(b),(c)and(d)was magnified 33times;(e),(f),(g)and(h)waw magnified 200times,100times and 35timesindividualy.图 2不同温度条件下日光温室甜樱桃雄配子体发育Fig.2 Male gametophyte development of sweet cherry under different temperature in solar greenhouse 2002.2.2 不同温度条件下日光温室甜樱桃雌配子体发育低温条件下 ,1月10日 (开始加温 )已在子房内壁观察到珠心突起 ,此后进一步发育 ,到1月26日分化出珠被原基 ,同时观察到造孢细胞和周缘细胞 ,造孢细胞体积较大 ,细胞质浓 ,细胞核和核仁均较大(图3(a));到1月30日观察到大孢子母细胞 ,该细胞明显大于周围细胞 ,以后发育成胚囊 (图3(b));2月14日花序伸出出现4核胚囊 (图3(c)),同期观察到7核胚囊 (图3(d)),至此胚发育成熟 。在低温76中 国 农 业 大 学 学 报 2013年 第 18卷条件下 ,从观察到造孢细胞到雌配子体发育成熟需20d左右 。高温条件下 ,雌配子体的发育进程较快 ,1月20日观察到造孢细胞 ,1月24日观察到大孢子母细胞 ,1月30日形成2核胚囊 (图3(e))。2月1日观察到4核胚囊 ,2月3日即观察到7核胚囊 。高温条件下从观察到造孢细胞到雌配子体发育成熟需14d左右 。(a)造孢细胞 ;(b)大孢子母细胞 ;(c)四核胚囊 ;(d)七核胚囊 ;(e)二核胚囊 。(a)Sporogenous cel;(b)Macrospore mother cel;(c)Embryo sac containing 4nucleuses;(d)Embryo sac containing;(e)Embryo sac containing 2nucleuses图 3不同温度条件下日光温室甜樱桃雌配子体发育Fig.3 The female gametophyte development of sweet cherry underdifferent temperature in solar greenhouse 2002.3 不同温度条件下日光温室甜樱桃受精过程及胚的发育观察发现 ,高温条件下授粉后3h花粉已萌发 ,花粉管进入柱头 (图4(a));授粉后12h,花粉管大量萌发 、伸长并已达柱头1/3处 (图4(b);授粉后36h,在花柱基部即可看到花粉管 (图4(c));图4(d)所(a)授粉后3h花粉萌发花粉管进入柱头;(b)授粉后12h花粉萌发状;(c)授粉后36h到达花柱基部的花粉管;(d)授粉后60h花柱中下部的花粉管 (e);授粉后 120h精核接近卵核 ;(f)授粉后 144h看到合子分裂为 4个细胞 ;(g)授粉后15d,成多细胞球胚 ;(h)授粉25d后发育成子叶胚。(a)Polen germination and polen tube entering style after fertilization 3hr;(b)Polen tube after after fertilization 12hr;(c)Polen tubeat the base of style after fertilization 36hr;(d)Polen tube in style after fertilization 60hr;(e)Egg nucleus and sperm nucleus afterfertilization 120hr;(f)Embryo containing 4cels after fertilization 144hr;(g)Spherical embryo containing many cels after fertilization10day;(h)Cotyledon embryo after fertilization 10day.(a)、(b)、(c)和 (d)为33;(e)为200;(f)、(g)为100;(h)为35.图 4不同温度条件下日光温室甜樱桃受精过程及胚的发育Fig.4 Fertilization process and embryos development of sweet cherry under different temperature in solar greenhouse86第 2期 李秀珍等 不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精的差异示是授粉后60h时花柱中花粉管 ;授粉后120h可看到精核向卵核靠近 (图4(e))。授粉后144h,观察到合子发育成4个细胞 (图4(f));授粉后156h合子变成8个细胞 ,授粉后15d后呈多细胞球状胚(图4-g),授粉后25d发育成子叶胚 (图4(h))。低温条件下授粉进程与高温相似 ,不同的是授粉后6h萌发 ,花粉管进入柱头 ,授粉后24h大量萌发并在花柱基部看到花粉管 ,授粉后84h靠近核 ,120h合子已发育成4个细胞 。低温条件下授精所用的时间比高温短 。2.4 不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育及受精状况比较温度对日光温室甜樱桃性器官发育及受精时间影响较大 (表1),高温加快了性器官的发育速度 ,但使受精时间加长 。此外 ,温度还影响性器官发育及受精的整齐度 ,在高温条件下 ,性器官发育及受精的整齐度较高 。表明在进行日光温室甜樱桃栽培时 ,为提高性器官的发育速度及整齐度 ,花前的昼夜温表 1不同温度条件下日光温室甜樱桃性器官发育与受精时间比较Table 1 Comparison of the time needed for sex organs development and fertilizationof sweet cherry under different temperature in solar greenhouse温度条件Temperatureconditons单花发育 /dSingle flowerdevelopment花粉发育 /dPoleudevelopment雌配子体发育 /dFemale gametophytedevelopment受精时间 /hFertilizationtime高温 High temperature 45 10 14 120低温 Lowtemperature 75 24 20 84度应适当高一点 。3 讨论研究表明 ,日光温室条件下 ,温度影响甜樱桃花粉的萌发和受精过程 ,高温区授粉后3h花粉萌发 ,120h雌雄性核接近 ,低温区授粉后6h萌发 ,授粉后84h靠近核 ,高温使甜樱桃的受精进程减慢 。该结果与赵德英等[11]在日光温室条件下的研究结果相似 ;与许方等[12]发现的在露地条件下授粉后72h多数花粉管到达胚囊进行受精 ,雌雄性核的融合约需24h不同 ;与Nenadovic Mratinic等[13]认为的花粉在柱头上萌发的最适温度是15~25℃,在这一温度下授粉后24~48h花粉管即可到达珠孔 ,但在5和30℃时 ,授粉72h后花粉管仍在柱头中也不同 ;Hedhly[14]则认为高温对不同甜樱桃品种均促进了花粉管的伸长 ;黄镜浩等[15]研究芒果时发现低温条件下 ,授粉48h后花粉管虽能进入胚珠 ,但未能到达胚囊 。以上研究结果的差异可能是由于试验条件及种类品种间的差异造成 。温度影响雌雄配子的发育在甜樱桃[3]及其他果树[16]上均有研究 。边卫东[6]认为春季温度升高有利于甜樱桃胚珠和胚囊发育 ,本试验条件下高温缩短了甜樱桃雌雄配子体的发育进程 ,这与李燕等[5]的研究结果一致 ,但过高温度导致甜樱桃的胚囊停留在未发育阶段[2]或胚珠 、胚囊发育不完全[17],35/15℃的高温还将造成花粉发育受阻 ,甚至雄性的完全败育[18];低温条件下雌雄配子发育的速度慢且雄配子体发育极不整齐 ,这与张永科等[19]在麦类作物的研究结果一致 。日光温室条件下 ,花芽分化在硬核期开始 ,较高温度花芽分化速度快而整齐 ,较低温度时花芽分化时间长且各花的分化速度不同 。这与过去一直认为的甜樱桃在采果后10d左右开始花芽分化不相符[20];但与刘婧[21]的研究结果促成栽培使甜樱桃花芽形态分化的开始时期明显提前 ,且花芽形态分化速度快而整齐一致 。4 结论日光温室条件下 ,高低温均影响甜樱桃的生殖生长 ,但花芽形态分化均在硬核期开始 。高温使花芽形态分化及雌雄配子的发育时间短 ,但受精进程减慢 ;而低温则相反 。参考文献[1]Beppu K,Ikeda T,Kataoka I.Effect of high temperatureexposuretime during flower bud formation on the occurrence ofdouble pistilsin‘Satohnishiki’sweet cherry[J].ScientiaHorticulturae,2001,8777-8496中 国 农 业 大 学 学 报 2013年 第 18卷[2]Beppu K,Okamoto S,Sugiyama A,et al.Effects oftemperatureon flower development and fruit set of‘Satohnishiki’sweet cherry[J].Journal of the JapaneseSociety for Horticultural Science,1997,65(4)707-712[3]Hedhly A,Hormaza J I,Herrero M.The effect of temperatureon stigmatic receptivity in sweet cherry(Prunus avium L.)[J].Plant,Cel &Environment,2003,26(10)1673-1680[4]李燕 ,李玲 ,李少旋 ,等 .高温对设施甜樱桃花器官发育的影响[J].中国农业科学,2011,44(10)2101-2108[5]李燕 ,李玲 ,陈修德 ,等 .高温对设施甜樱桃花药发育和花粉粒形成的影响 [J].园艺学报 ,2011,38(6)1029-1036[6]边卫东 ,邓艳华 ,朱育贤 ,等 .甜樱桃胚珠 、花粉发育与温度变化的关系 [J].果树学报 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