番木瓜胚胎發(fā)育與雜交敗育的研究

1、番木瓜胚胎發(fā)育與雜交敗育的研究論文摘要：在番木瓜夏威夷;品種自交中，合子經(jīng)過(guò)短暫休眠期后發(fā)育為原胚，在經(jīng)歷球形胚、魚(yú)雷形胚和子葉形胚后發(fā)育為成熟胚；初生胚乳核無(wú)休眠期，其分裂先于合子，胚乳類型為細(xì)胞型。在以 夏威夷;品種為母本，嶺南;和穗中紅;品種為父本的雜交中，產(chǎn)生的種子嚴(yán)重?cái)∮?。敗育的主要原因可以歸結(jié)為兩方面，一是雄配子與中央細(xì)胞受精不親和進(jìn)而導(dǎo)致沒(méi)有胚乳的發(fā)育和出現(xiàn)；二是雜交合子發(fā)育不良最終導(dǎo)致胚胎敗育。本研究認(rèn)為，胚乳從頭到尾的缺失是導(dǎo)致雜交合子敗育的主要因素，胚和胚乳的雙雙敗育最終導(dǎo)致無(wú)法形成有生命力的種子，而種子僅剩下最外圍的兩層種皮。論文關(guān)鍵詞：番木瓜,敗育,雜交合子,胚胎,胚乳

2、引言番木瓜的種子生產(chǎn)在番木瓜栽培中占有重要地位，栽培當(dāng)年就可以開(kāi)花結(jié)果，并且具有生長(zhǎng)快、結(jié)果早、產(chǎn)量高、品質(zhì)好、周年上市等優(yōu)點(diǎn)，這就使得種子繁殖與莖尖培養(yǎng)、扦插和體細(xì)胞發(fā)生途徑等繁殖方式相比有簡(jiǎn)單、本錢低、便捷等優(yōu)點(diǎn)。此外番木瓜株性比擬復(fù)雜，存在雄株、雌株和兩性株，自然變異大。通過(guò)種間雜交育種可以保持番木瓜的雜種優(yōu)勢(shì)，防止自然變異影響番木瓜品質(zhì)的穩(wěn)定性，這是選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病品種的重要途徑。因此通過(guò)雜交育種進(jìn)而得到大量的高質(zhì)量番木瓜種子是番木瓜豐產(chǎn)的一條理想之路，但在實(shí)際的雜交生產(chǎn)過(guò)程中常常出現(xiàn)高度敗育的現(xiàn)象。無(wú)論是自交還是雜交，種子的形成都與胚胎發(fā)育密不可分的，而目前尚未見(jiàn)到關(guān)于這方面的報(bào)

3、道。本研究現(xiàn)著眼于此，將對(duì)番木瓜正常種子和敗育種子的胚胎發(fā)育進(jìn)行研究，以期為今后的雜交育種工作提供相關(guān)的理論依據(jù)。2材料和方法材料采自廣州仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)場(chǎng)，供試植株為一年生。9月至10月上午9點(diǎn)至10點(diǎn)采樣，取不同發(fā)育時(shí)期的子房，并且分為兩類，一類是夏威夷;品種內(nèi)自交后的子房；另一類那么是以夏威夷;為母本，嶺南;和穗中紅;品種為父本進(jìn)行雜交而得到的子房。取下后立即用FAA固定液固定。所有材料全部采用石蠟制片法制成永久片，鐵礬蘇木精整染，切片厚度1012m。Nikon攝影顯微鏡觀察拍照。3結(jié)果與分析在所選的夏威夷;、嶺南;和穗中紅;三個(gè)番木瓜品種當(dāng)中，它們的雌配子體發(fā)育均是正常的，功能大孢子

4、經(jīng)過(guò)三次有絲分裂后形成八核胚囊，其中珠孔端的一個(gè)核和合點(diǎn)端的一個(gè)核同時(shí)向胚囊中央移動(dòng)，并且相互緊貼靠攏；珠孔端的另3個(gè)核此時(shí)還沒(méi)有形態(tài)上的顯著變化；合點(diǎn)端的3個(gè)核形成反足細(xì)胞圖1。接著，珠孔端的3個(gè)核發(fā)育成一個(gè)體積較大的卵細(xì)胞和兩個(gè)體積較小的助細(xì)胞，形成卵器；中間相互靠攏的兩個(gè)核形成極核，并融合成一個(gè)中央細(xì)胞；3個(gè)反足細(xì)胞是短命的，往往過(guò)早地就會(huì)解體消失，在合點(diǎn)端能隱約看到其退化的細(xì)胞痕跡圖2。成熟的胚囊在受精之前往往還會(huì)繼續(xù)發(fā)生一些變化。中央細(xì)胞的兩個(gè)極核逐漸地融合成一個(gè)次生核，并出現(xiàn)多個(gè)核仁，此時(shí)胚囊的長(zhǎng)度也有所縮短，次生核的位置隨之由中央變至了合點(diǎn)端圖3。卵細(xì)胞在受精前一直為圓形，體積比

5、中央細(xì)胞小，液泡比擬明顯，并把細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)擠靠在細(xì)胞的邊緣。圖2,3。3.1自交種子的胚胎發(fā)育在夏威夷;品種內(nèi)的自交種子中，合子形成以后要經(jīng)歷一個(gè)較短的休眠期才進(jìn)行分裂。休眠期的合子與未受精的卵細(xì)胞明顯不同，體積比未受精的卵細(xì)胞稍大，形狀由圓形變成橢圓形，細(xì)胞的液泡明顯減小，細(xì)胞質(zhì)變得十分濃厚圖4，5。短暫休眠之后，合子便分裂為兩個(gè)細(xì)胞，形成2細(xì)胞原胚，近珠孔端的為基細(xì)胞，遠(yuǎn)離珠孔端的為頂細(xì)胞。這兩個(gè)細(xì)胞在形態(tài)上無(wú)顯著差異，細(xì)胞質(zhì)均十分濃厚，核仁大而明顯圖6。此時(shí)，周圍的珠心組織變得更加稀疏，彼此別離呈條狀，并且相繼解體退化圖6?；?xì)胞常膨大成泡狀不再分裂或只分裂幾次形成胚柄，頂細(xì)胞那么經(jīng)過(guò)

6、屢次的橫向分裂和縱向分裂形成球形原胚圖7。球形原胚繼續(xù)分裂、增大和分化，形成魚(yú)雷形胚圖8。魚(yú)雷形胚繼續(xù)分裂，形成了成熟的子葉形胚圖9。胚柄在胚體的發(fā)育過(guò)程中會(huì)退化，至胚體發(fā)育成熟時(shí)，已觀察不到胚柄的存在。胚乳沒(méi)有休眠期，它的分裂先于胚胎，在次生核與精細(xì)胞結(jié)合形成初生胚乳核后隨即就開(kāi)始進(jìn)行，每次分裂細(xì)胞質(zhì)都隨核的分裂而分裂產(chǎn)生細(xì)胞壁，成為多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，胚乳類型屬細(xì)胞型胚乳圖5。胚乳為胚的發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)，但并不會(huì)因此而全部被胚所吸收利用，胚乳的分裂能一直貫穿胚胎發(fā)育的始終，最后形成含有豐富內(nèi)含物的組織充滿著整個(gè)種子圖8,9。3.2雜交種子的敗育在夏威夷;品種的自交實(shí)驗(yàn)中觀察到了胚和胚乳的正常發(fā)育，形成

7、飽滿的正常種子。在以夏威夷;為母本，嶺南;和穗中紅;為父本的兩個(gè)雜交組合中，種子的敗育率均在90以上。敗育的種子與正常的種子在大小上根本無(wú)差異，敗育的種子假種皮薄且十分不明顯，外種皮顏色極淡，呈白色或淡黃色，內(nèi)外種皮也均有革質(zhì)層；而正常種子假種皮厚且十清楚顯，外種皮呈黑色或紅褐色。從實(shí)驗(yàn)觀察來(lái)看，以夏威夷;為母本，嶺南;和穗中紅;為父本的雜交組合中，大多數(shù)雜交的合子在經(jīng)過(guò)休眠期后，細(xì)胞由圓形逐漸拉伸為橢圓形，細(xì)胞質(zhì)液泡化程度顯著增高，形成45個(gè)較大的液泡占據(jù)了整個(gè)細(xì)胞體積的四分之三左右，細(xì)胞核不明顯圖10。此時(shí)的合子明顯停滯發(fā)育，它不會(huì)進(jìn)行胞質(zhì)分裂形成2細(xì)胞原胚，最終逐步退化萎縮，僅留有模糊的

8、痕跡圖11。中央極核細(xì)胞和精細(xì)胞未見(jiàn)融合，沒(méi)有觀察到初生胚乳核的分裂和胚乳的發(fā)育。所以，在胚和胚乳異常發(fā)育的情況下，種子最后嚴(yán)重?cái)∮?，由外至?nèi)依次僅能觀察到假種皮、外種皮革質(zhì)層、內(nèi)種皮革質(zhì)層和珠心組織退化的殘跡，見(jiàn)不到胚和胚乳的任何蹤影圖12。4討論本研究中番木瓜品種內(nèi)自交種子的胚胎發(fā)育符合一般被子植物的胚胎發(fā)育方式，胚胎發(fā)育經(jīng)歷了球形胚、魚(yú)雷形胚和子葉形胚等過(guò)程，而品種間雜交那么出現(xiàn)了嚴(yán)重的敗育現(xiàn)象。導(dǎo)致種子敗育的原因很多，雄性敗育、雌性敗育、合子發(fā)育不良和胚乳敗育等都會(huì)引起胚胎敗育，形成沒(méi)有生命力的種子。本實(shí)驗(yàn)以番木瓜夏威夷;品種為母本，嶺南;和穗中紅;品種為父本進(jìn)行雜交時(shí)發(fā)現(xiàn)，胚和胚乳嚴(yán)

9、重?cái)∮s交種子均為敗育的種子。而夏威夷;品種內(nèi)自交所得的種子均發(fā)育正常，胚和胚乳正常生長(zhǎng)，這說(shuō)明夏威夷;品種的雌配體體發(fā)育完全正常。另外還有研究發(fā)現(xiàn),夏威夷;、嶺南;和穗中紅;三個(gè)番木瓜的品種雄配子體發(fā)育大多完全正常，只有少局部敗育現(xiàn)象，而本研究雜交實(shí)驗(yàn)所得的種子大多嚴(yán)重?cái)∮?。由此我們初步推斷，番木瓜雜交種子的敗育首先應(yīng)歸因?yàn)榕咛∮?，而胚胎敗育的原因可能主要有兩個(gè)：一是雌雄配子不親和而不能完成正常的受精，二是雜交合子發(fā)育不良最終不能形成胚胎。通過(guò)我們的研究并未發(fā)現(xiàn)雌雄配子不親和的現(xiàn)象，而是普遍觀察到發(fā)育不良的雜交合子，其敗育的特征十分典型。番木瓜雜交種子的敗育其次要?dú)w因到胚乳敗育，丘榮熙和

10、劉小寧等的研究發(fā)現(xiàn)，胚乳發(fā)育異常及提早退化是引起胚敗育的一個(gè)重要因素。根據(jù)本研究的觀察發(fā)現(xiàn)，在品種內(nèi)自交所得到的種子中，初生胚乳核的分裂早于合子的分裂，這暗示著胚乳發(fā)育對(duì)合子的發(fā)育可能有著十分重要的影響。但在品種間雜交的種子中卻只能觀察到雜交合子而從未能看到有初生胚乳核的形成和分裂，造成這種現(xiàn)象的原因極有可能是精細(xì)胞與中央細(xì)胞不親和所致，這種不親和導(dǎo)致了胚乳未能形成，而胚乳的敗育最終可能對(duì)雜交合子的發(fā)育造成不良的影響。在番木瓜種內(nèi)和種間進(jìn)行雜交是當(dāng)今番木瓜育種工作者的工作重點(diǎn)。因?yàn)榻鼛资陙?lái)，番木瓜的病毒病嚴(yán)重影響番木瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)，制約番木瓜進(jìn)一步開(kāi)展，可是在番木瓜種內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)抗病品種，而在

11、番木瓜屬內(nèi)卻有抗病的種類，在利用生物技術(shù)來(lái)培育抗病品種之前，研究者只能通過(guò)種間雜交來(lái)培育抗病品種。種間雜交可能給栽培的番木瓜品種引進(jìn)抗病遺傳因子，但由于種間交配不親和以及F代高度不育，給育種帶來(lái)困難。ManshartRM.等在兩個(gè)番木瓜的種間和種內(nèi)進(jìn)行自交和雜交發(fā)現(xiàn)：雜交障礙在于合子胚發(fā)育，胚胎在分裂成多胞胚之前就敗育。敗育的現(xiàn)象有：胚無(wú)規(guī)律生長(zhǎng)，胚胎敗育以及缺少正常的胚乳發(fā)育。本實(shí)驗(yàn)觀察到的雜種敗育情況與ManshartRM.他們觀察到的結(jié)果根本一致，但不同的是，本研究所做的雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果中未觀察到胚的發(fā)育與生長(zhǎng)，更沒(méi)有發(fā)現(xiàn)胚無(wú)規(guī)律生長(zhǎng)的現(xiàn)象。5結(jié)論綜上所述，造成番木瓜品種間雜交敗育的主要原因

12、是雙受精異常與雜交合子發(fā)育不良。在雙受精過(guò)程中，一個(gè)精細(xì)胞與中央細(xì)胞受精不親和而不能融合形成初生胚乳核，進(jìn)而導(dǎo)致胚乳的敗育；另外一個(gè)精細(xì)胞與卵細(xì)胞能正常融合并形成雜交合子，但雜交合子發(fā)育不良最終導(dǎo)致胚胎敗育，而這種胚胎敗育的現(xiàn)象極有可能是因?yàn)榕呷閺念^到尾的缺失造成的。在初生胚乳核不能形成以及雜交合子發(fā)育不良的情況下，種子內(nèi)部的胚和胚乳雙雙嚴(yán)重?cái)∮?，最后僅留下最外圍的兩層種皮。圖版說(shuō)明：1.八核胚囊；2.4-細(xì)胞成熟胚囊；3.2-細(xì)胞成熟胚囊；4.休眠合子；5.休眠合子及胚乳；6.2-細(xì)胞原胚；7.球形胚；8魚(yú)雷形胚；9.子葉形呸；10.異常的雜交合子；11.雜交合子退化；12.敗育種子殘跡。Explanationofplates:1.Embryosacwitheightkaryon;2.4-cellmatureembryosac;3.2-cellmatureembryosac;4.Restingzygote;5.Restingzygoteandendosperm;6.2-cellularprimaryembryo;7.Globularembryo;8.Torpedo-shapeembryo;9.Cotyledon-shapeembryo;10.Abnormalcross-fertilizedzygote;11.Degenerativecross-fertilized