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木薯2n配子途径诱导多倍体的研究

赖杭桂  
【摘要】:木薯(Manihot esculenta Crantz)是世界三大薯类作物之一,具有突出的高光效、高淀粉产量、抗旱、耐瘠薄等生物学特性,是热带、亚热带重要的粮食作物和新兴能源作物,木薯的有性多倍化通过染色体加倍的剂量效应及遗传物质的重组效应对木薯的遗传性状改良具有良好的应用前景。本研究以木薯优良栽培品种华南5号、华南7号及华南10号为主要试验材料,系统开展了木薯大、小孢子染色体加倍技术,2n雌雄配子的杂交效应及三倍体幼胚挽救技术研究,揭示了木薯2n花粉发生及其细胞学机制,木薯花粉萌发特性及木薯三倍体胚胎败育现象,为木薯的有性多倍化育种提供了技术理论基础。主要研究结果如下: (1)采用醋酸-铁矾苏木精染色法观察了木薯花序发育小孢子母细胞减数分裂过程,明确了木薯小孢子母细胞减数分裂进程与花序及雄蕊外部形态特征的相关性,应用秋水仙素溶液棉浸法对木薯花序进行诱导,获得了加倍2n花粉。结果表明:当幼嫩花序长度约为1.5~2.0cm,侧生小花梗开始出现,雄蕊直径约为1.0~1.5mm时,木薯小孢子母细胞进入减数分裂前期Ⅰ至中期Ⅰ;该时期采用0.15⒍0.45%秋水仙素+1%二甲基亚砜(DMSO)处理花序3-5d,可以获得2n雄配子,其中,以0.3%秋水仙素浓度诱导效果最佳,平均诱导率为10.42%,最高诱导率达12.56%。 (2)研究小孢子母细胞染色体在减数分裂过程的异常行为,揭示了木薯2n配子发生的主要细胞学机制及其遗传效应。观察表明,木薯2n花粉形成的主要途径为小孢子母细胞染色体在减数分裂过程中纺锤体定位发生异常,在减数分裂中期Ⅱ出现平行纺锤体和八字形纺锤体,同源染色体在减数分裂末期Ⅱ发生再组合,导致胞质分裂时产生二分体和三分体。由于重组孢子含有整套亲本染色体组中的所有非姊妹染色单体,在遗传效应上属于FDR遗传型配子。 (3)采用石蜡切片法对木薯胚珠分化至成熟胚囊的整个发育过程进行了详细的细胞学观察,并对其相对应的雌花外部形态特征进行相关性分析,提出了以花序及雌蕊发育形态为参照即时判别木薯大孢子发生进程的方法。采用秋水仙素溶液棉浸法对大孢子母细胞进入减数分裂前期Ⅰ的木薯花芽进行诱导,通过诱导后花序存活率及雌花变异率明确了木薯大孢子染色体加倍的适宜处理强度,获得了雌花变异率达88.9%的诱导效果。 (4)应用花粉原位萌发技术观察分析了品种内自交和品种间异交授粉的花粉管萌发及花粉管生长特性,首次验证了木薯在自交和异交授粉亲和性的差异。通过联苯胺-过氧化氢法进行了柱头可授性检测,明确了木薯雌蕊柱头的最佳授粉时间为雌花开放后2-5h。提出了选择年内最后1-2次顶端分枝花序及缩短隔离套袋时间的木薯人工授粉的杂交关键技术,为提高木薯有性杂交育种及有性多倍体育种效率提供了有效技术指导。 (5)木薯的1n与2n花粉授粉后在柱头上都能正常萌发,大花粉粒在柱头上萌发速度及花粉管生长速度与1n花粉基本同步,说明木薯2n花粉具备与1n花粉相同的授精竞争能力。采用1n与2n的混合花粉授粉,稔实率和座果率均显著低于自然花粉授粉后的稔实率和座果率,显示出不同倍性的混合花粉用于木薯有性杂交可能存在障碍,胚胎败育现象明显存在,杂交种子后代中未能检测出三倍体植株。而采用诱导后SC5变异雌花的杂交种子后代中获得2株有性四倍体,表明了诱导2n雌配子的有效性及木薯四倍体种胚具可育性。 (6)通过木薯的胚珠及幼胚离体培养,提出了以花后30-40d木薯的幼胚培养效果较佳,成苗率可达68.4%-77.0%。首次应用胚挽救技术获得木薯三倍体植株,采用木薯诱导后的雌花与正常雄花杂交,在亲本组合SC5(♀)XSC7(♂)及SC10(♀)×SC7(♂)的杂种幼胚培养中获得了118株组培幼苗,成苗率为64.1%,其中变异植株19株,幼苗变异率为16.1%,并通过根尖细胞染色体鉴定检测出三倍体植株。因此,胚挽救技术可有效应用在木薯三倍体育种。


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