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锥栗若干生物学问题研究

郑诚乐  
【摘要】: 锥栗(Castanea henryi Rehd.Wils.)是我国特色果树资源,其种质资源丰富,遗传背景复杂,同时普遍存在空苞现象,造成产量和品质下降,影响该资源的有效利用和产业发展。本试验在前人研究基础上,通过对锥栗开展胚胎学、营养学、蛋白质组学、分子生物学及孢粉学研究,旨为锥栗种质资源的合理利用和解决空苞问题提供依据。主要研究结果如下: 1、以锥栗品种‘黄榛'为材料,采用石蜡切片技术对锥栗大孢子发生、雌配子体形成和胚、胚乳发育过程进行了研究。结果表明:锥栗为雌雄异花,多心皮复合雌蕊,中轴胎座,通常子房8~10室,每室倒生二枚胚珠。锥栗珠心组织中的一枚孢原细胞直接发育形成大孢子母细胞,经减数分裂形成大孢子四分体,其中靠近合点端的功能大孢子发育成为成熟胚囊。胚囊发育类型为单孢子蓼型胚囊。双受精后,原胚历经球胚、心形胚、鱼雷胚和子叶胚等阶段发育为成熟胚。核型胚乳,种子无胚乳。 研究还发现锥栗胚胎发育过程存在多种异常现象,如发育初期形成胚珠时子房室内部全空,受精完成后出现子房室完全干瘪,球形胚后期胚囊萎缩有黑色圈形物质环绕在周围等,并已确定这些现象发生的时期。这些都可能是导致锥栗空苞现象发生的原因之一。 2、通过对锥栗不同品种果实生长发育规律进行系统研究,结果表明:锥栗的果实分球苞和坚果两部分,大部分品种的球苞内,仅着生坚果1粒,个别品种球苞内坚果数1~3粒。坚果形状、大小、重量,因品种而有较大差异。锥栗大部分品种在5月下旬至6月上旬谢花后,幼果开始形成,并逐渐生长发育。发育全过程可划分为2个阶段:前期即8月上旬以前,球苞增长迅速,而坚果重量增加较少,此前各阶段果实解剖可见,在8~10个心室中只见乳白色绒毛,仅在果顶处见一胚珠渐渐发育,其余变褐;后期即8月中旬以后,球苞体积增长缓慢,而单果重增加迅速,直至果实成熟,经解剖可知,胚珠快速发育成种子,白色绒毛逐渐消退,随着果实的成熟,肥厚的子叶占据整个果实空间。此期一旦胚珠发育异常,就导致空苞发生。不同锥栗品种间单果重量早期差异不大,后期差异明显。除个别品种外,多数品种的果实采收期较为集中。锥栗果实纵横径发育与单果重大小变化呈正相关。果实的生长发育动态呈“慢—快—慢”的“S”型曲线。 通过测定锥栗果实发育过程刺苞中10种矿质元素含量的变化,结果表明,随着刺苞增大,坚果逐步发育,刺苞内N、P、Cu、Fe、Zn都表现出总体下降趋势。K先降后升,Mg先升后降,Ca、Mn、B呈现波动现象。所测定的10种矿质元素含量中,只有Zn和Cu含量达到极显著正相关,其他矿质营养元素之间的相关性均不显著,说明各种矿质元素之间不存在显著或极显著相互拮抗的作用。锥栗刺苞与果实均富含多种矿质元素,但同时期大多数元素含量差异明显,坚果中K、Fe、Mn、Ca含量明显低于刺苞中的含量,前三者含量大约只有刺苞含量的一半,Ca更低,果实含量不及刺苞含量的1/4。而果实中的Mg、B、Cu含量略高于刺苞含量,尤其是果实中Zn的含量是刺苞含锌量的2.2倍。这一结果说明,锥栗刺苞作为果实的组成部分,至少吸收贮藏一半以上的矿质营养,这对坚果发育及产量将产生重大影响。 3、以锥栗8月8日正常发育和空苞的‘处暑红'品种为样品,建立具有高分辨率和稳定性的锥栗胚胎蛋白质的双向电泳体系,提取总蛋白质,进行双向电泳,用Image MasterTM 2D Platinum software软件进行分析,挖取其中的12个差异蛋白质点进行肽质量指纹(MALDI-TOFMS)图谱分析,获得了完整的肽指纹图谱,用MASCOT搜索NCBInr绿色植物蛋白质数据库,有4个蛋白质被成功鉴定。这4个蛋白质参与了细胞壁代谢、糖类和能量代谢、细胞骨架代谢过程。首次报道了锥栗的差异蛋白质组学研究,为进一步研究锥栗空棚提供了重要的蛋白质水平信息。 4、利用ISSR分子标记对闽北地区22份锥栗资源进行基因组多态性分析,从100条引物中筛选的16条具有扩增多态性的引物共扩增出201条带,其中多态性条带193条,占总扩增条带的96%,平均每个引物产生12条带。ISSR标记揭示的22个锥栗种质的遗传相似系数变化范围为0.366~0.981,平均值为0.612。聚类分析可将22个锥栗种质进行分类。从亲缘关系聚类树状图可以看出,在遗传距离D=24时我们可以把锥栗分为两大类型。其中‘黄榛'为一大类,其果大是其它品种无法比拟的。当D=14时可以把供试材料划分为6类,基本反映出各类果实和刺苞的相似关系。分析供试锥栗种质资源的遗传相似系数可知,‘乌壳长芒'和‘温洋红',‘红子榛'和‘紫榛',‘吴榛'与‘麦塞子'它们相互之间的亲缘关系很近。 5、通过对锥栗5个主要品种的雄花序及其花粉粒的若干性状肉眼与光学显微镜观测,结果表明:不同品种雄花序长度,花粉粒大小、形状及花粉管长度都存在差异,但其雄花序的总花簇数较接近,即雄花序较长的品种,其花簇密度较小,反之,则大。30-35℃温度条件最适于锥栗花粉萌发和花粉管的伸长,但低温有利于锥栗花粉的贮藏;不同浓度的赤霉素(GA_3)和硼酸对锥栗花粉的萌发和花粉管的伸长均有促进作用,其中赤霉素以50mg/L效果最好;硼酸以0.1%~0.5%为佳。室温下贮藏花粉以干燥、遮光条件为佳;贮藏5d的花粉发芽率最高。 花粉电镜扫描结果进一步表明:锥栗花粉为小花粉,长球形,极面观三裂圆形,赤道面观有长椭圆形、宽椭圆形和菱形三种。锥栗不同品种花粉间存在差异,主要表现在花粉的大小、形态和纹饰上,‘黄榛'花粉最大,花粉条脊宽度和条脊间距值基本一致;花粉大小接近的还有4组。花粉纹饰则没有完全相同的两种纹饰,但品种内性状较稳定。 本研究还就锥栗空苞问题进行了探索,结果表明,空苞发生时期是在胚胎发育阶段。影响空苞的因子主要有品种、营养与授粉受精等因素。‘油榛'等品种在许多产地空苞率均较高。利用RAPD、ISSR标记技术表明空苞率较高的品种亲缘关系较近。营养问题主要体现在锥栗大量开花、结苞以及刺苞发育等对坚果发育存在激烈的竞争关系,减少树体贮藏营养。授粉受精不良可能引起胚早期败育,没有完成受精而使栗实干瘦。此外,还发现在空苞样品中某些特异蛋白的消失,使得细胞内的物质运输、细胞运动、细胞的分化发育以及细胞分裂繁殖等生命活动都无法完成。


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