CN101803562B - 一种菊芋人工杂交的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种菊芋人工杂交的方法。该方法是选择花期处于如下阶段的菊科植物花序进行去除雄蕊的操作：花盘周边边缘的管状花具有如下结构：雄蕊为聚药雄蕊，由花丝、花药构成，花丝分离，花药互相连合成管状，花药未散粉；雌蕊由柱头、花柱和子房构成，花柱和柱头位于花药内底部中央处且花柱未伸长，柱头与所述花药的顶端相距2mm-3mm；所述花药的顶端为花药远离花盘的一端。本发明方法方便有效，很好地避免连续去雄的繁琐和花粉的污染，并能防止自交，得到纯度高的杂交种子，确保杂交种子谱系的准确可靠。本发明方法还适用于菊科其它具头状花序作物的人工杂交。本发明方法为菊芋种质资源创新提供了新的技术手段，为菊芋新种质资源开发奠定坚实的基础，在菊芋杂交品种选育中具有广阔的应用前景。

Description

一种菊芋人工杂交的方法

技术领域

本发明涉及一种菊芋人工杂交的方法。

背景技术

菊芋(Helianthus tuberosus L.)又名洋姜，鬼子姜，是菊科向日葵属多年生草本植物；原产于北美洲，经欧洲传入中国，现中国大部分地区都有栽培。菊芋具有抗寒，抗旱，耐盐碱，耐贫瘠，抗病虫害，适应性强及栽培简单等特性；是高密度能源植物、新型经济作物和饲料作物。

菊芋作为一种抗寒、抗旱和耐贫瘠的生态经济型植物，根系发达和繁殖力强，被广泛应用于沙漠治理研究中；菊芋块茎富含大量菊糖，是我国生产加工菊糖的主要原料之一。作为一种新资源食品，菊糖是一种水溶性的膳食纤维和良好的脂肪替代品，也是一种双歧杆菌增殖因子；同时菊糖是一种对糖尿病人安全的食品，也是一种能量低，甜味高的新型食品添加剂，被广泛应用于功能食品、药品和保健食品，因此以菊芋为原料生产菊糖产业具有良好的发展空间；菊芋块茎产量高，在生物质能源方面具有较强的优势，尤其是乙醇生产方面；同时，菊芋块茎也可以作为原料生产琥珀酸，丁二酸，黄酮及生物柴油等下游产品，应用前景非常广阔。

目前国内还未见系统的菊芋人工杂交育种工作的报道，对其研究始终停滞在搜集资源基础上进行的系统选育和生理生态等方面的研究，这可能是由于菊芋有性生殖的特殊性限制了其杂交育种的开展。

菊芋为头状花序，花序小，花数量多。花序的结构如图1所示(A表示头状花序的部分纵切，B管状花，C舌状花。1花序托、2总苞、3管状花、4舌状花、5苞片、6子房、7冠毛、8花冠管膨大部分、9花瓣、10聚药雄蕊、11柱头)，花成簇状排列。花瓣：5枚，互相连合成管状或舌状，舌状花呈无性，淡黄色，着生于花序边缘；管状花为两性花，着生于花序中间。雄蕊：5枚，花丝互相分离而花药边缘互相连合形成空筒形，即聚药雄蕊。同一朵管状花上雄蕊早于雌蕊成熟，每当花药成熟时，将花粉粒撒在聚药雄蕊的“筒”中，待雌蕊花柱生长时，将它们“推”出筒外。雌蕊：子房下位，二心皮构成，一室，一枚倒生胚珠，基底着生。花柱一条，伸于花药管中，顶端柱头2裂，但在雌蕊尚未成熟时，柱头不张开。在花柱上部，常生有一圈毛，叫“扫粉毛”，每当花柱发育而伸长的过程中，此“扫粉毛”即可将雄蕊花药“撒”在花药管中的花粉粒“推”出，便于来访的昆虫携带。菊科植物花一般都是雄蕊先熟，花柱伸长过程中将花粉粒“推”出后，顶端的柱头再张开来接受其它花传来的花粉，接受花粉完成受精。

菊芋花期为8-9月，其同一头状花序上的管状花的开放时间不一致，随着花序生长，舌状花最先开放，随后四周的管状花开放，依次由外向中央开放，并伴随柱头的生长和花粉散粉。雄蕊雌蕊未成熟的管状花如图2所示，雄蕊顶端封闭，未见黑色花药丝。四周雌蕊雄蕊先开始成熟的花朵如图3所示，可见雄蕊黑色花药丝，顶端可见黄色花粉散出。头状花序中间雌蕊雄蕊开始成熟花朵如图4所示。

菊芋花器的特征造成了其人工杂交中去雄不彻底，需连续去雄，工作量大，而其散粉特性更是使其杂交中防止花粉污染困难，不能保证杂交种子的纯度。

鉴于菊芋在杂交育种过程中人工杂交去雄操作困难，花粉污染大的问题，因而迫切需要建立一套简易有效的菊芋去雄杂交技术，以期为菊芋及菊科相关作物的种质改良、杂交种的选育提供一种切实可行的操作方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种去除菊科植物花序雄蕊的方法。

本发明所提供的去除菊科植物花序雄蕊的方法，是选择花期处于如下阶段的菊科植物花序进行去除雄蕊的操作：

花盘周边边缘的管状花具有如下结构：雄蕊为聚药雄蕊，由花丝、花药构成，花丝分离，花药互相连合成管状，花药未散粉；雌蕊由柱头、花柱和子房构成，花柱和柱头位于花药内底部中央处且花柱未伸长，柱头与所述花药的顶端相距2mm-3mm；所述花药的顶端为花药远离花盘的一端。

上述方法中，将所述菊科植物花序中除具有所述结构的花盘周边边缘的管状花之外的所有管状花记作中间管状花，所述去除雄蕊的操作包括如下步骤：

1)将具有所述结构的花盘周边边缘的管状花中的雄蕊去除，留有雌蕊且露出柱头，得到去除雄蕊的花盘周边边缘的管状花；

2)将所述中间管状花去除，并在残留部位涂胶水，得到去除雄蕊的菊科植物花序；

所述步骤1)和步骤2)无先后顺序。

上述方法中，所述将具有所述结构的花盘周边边缘的管状花中的雄蕊去除的方法为：自花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊去除；所述花药的1/3处自花药远离花盘的一端向花盘方向计。

上述方法中，所述自花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊去除是通过如下操作实现的：用镊子夹住所述花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊去除。

上述方法中，将所述中间管状花去除的方法包括如下步骤：用剪刀在所述中间管状花的1/2至1/4处剪掉所述中间管状花；所述中间管状花的1/2至1/4处自中间管状花与花盘连接端计起。

上述方法中，所述菊科植物为具有头状花序的菊科植物；所述具有头状花序的菊科植物为向日葵属植物；所述向日葵属植物为菊芋。

本发明的另一个目的是提供一种将菊科植物进行人工杂交的方法。

本发明所提供的将菊科植物进行人工杂交的方法，包括如下步骤：用上述任一所述方法将菊科植物花序去除雄蕊，得到去除雄蕊的花序，作为母本；以与所述母本的花期相遇的所述菊科植物的花序作为父本；采集父本的花粉对所述母本进行人工授粉。

花期相遇具体是指父本的管状花散粉时间与母本去雄后柱头展开时间相遇。

上述人工杂交过程中，所述父本的花粉为如下时期的花粉：所述父本的管状花中柱头刚露出花药顶端且花粉刚被顶出花药；

所述进行人工授粉时，所述母本为如下的母本：所述母本中的外圈管状花中的柱头前端分裂且裂片展平。

上述人工杂交方法中，所述菊科植物为具有头状花序的菊科植物；所述具有头状花序的菊科植物为向日葵属植物；所述向日葵属植物为菊芋。

本发明的另一个目的是提供一种获得菊科植物人工杂交种子的方法。

本发明所提供的获得菊科植物人工杂交种子的方法，包括如下步骤：用上述任一所述方法对菊科植物进行人工杂交，获得人工杂交后的菊科植物，继续生长，结实，获得菊科植物人工杂交种子。

上述获得菊科植物人工杂交种子的方法中，所述菊科植物为具有头状花序的菊科植物；所述具有头状花序的菊科植物为向日葵属植物；所述向日葵属植物为菊芋。

上述任一所述去雄方法、人工杂交方法或获得人工杂交种子的方法在具有头状花序菊科植物育种中的应用也属于本发明的保护范围。

所述应用中，所述菊科植物为具有头状花序的菊科植物；所述具有头状花序的菊科植物为向日葵属植物；所述向日葵属植物为菊芋。

菊芋花序为头状花序，花分四周的舌状花和中间的管状花。舌状花为中性花，多不育，杂交中利用的是花序中间管状花。管状花雄蕊花丝互相分离而花药边缘互相连合形成空筒形，即聚药雄蕊。雄蕊一般先于雌蕊成熟，花药成熟后，将花粉粒释放在聚药雄蕊的“筒”中，待雌蕊花柱生长时将花粉“推”出。雌蕊：子房下位，二心皮构成，一室，一枚倒生胚珠，基底着生。花柱一条，伸于花药管中，顶端柱头2裂，但在雌蕊尚未成熟时，柱头裂片不张开。在花柱上部，常生有一圈毛，叫“扫粉毛”，在花柱发育而伸长的过程中，“扫粉毛”即可将雄蕊花药“撒”在花药管中的花粉粒“推”出，便于昆虫传粉。对于菊芋的整个花序而言，管状花开放时间不一致，四周的管状花先开放，然后依次由四周向中央开放。根据菊芋花序上管状花的发育特点，本发明方法选择四周管状花发育成熟但中间部位的管状花还未发育成熟的花序作为母本，选择管状花中雄蕊伸长但未散粉且雌蕊花柱未伸长，雌蕊柱头与雄蕊顶端有一定距离的时机去雄，以利于雄蕊的去除，且不会由于操作上的原因而损伤到雌蕊柱头；同时将花序上还未发育成熟的管状花的花药及柱头结构切除，在残留部位途上胶水，防止了中间部位管状花的继续散粉，避免了其产生花粉造成污染；选择花序上雄蕊花粉刚被柱头顶出花药管的植株作为父本，在母本雌蕊柱头前端分裂且裂片展平的时候，进行人工授粉。此时，母本的柱头可授性好，父本的花粉活力强，易结实。本发明方法只需一次去雄即可，不必反复多次去雄。

实验证明，本发明方法简单易行，效率高，杂交结实率可达15％。

本发明方法能有效克服菊芋头状花序管状花不断发育、散粉而造成的需在杂交中连续去雄困难、工作量大、花粉污染大、不能确保杂交种谱系准确的缺点。

本发明方法方便有效，很好地避免连续去雄的繁琐和花粉的污染，并能防止自交，得到纯度高的杂交种子，确保杂交种子谱系的准确可靠。本发明方法还适用于菊科其它具头状花序作物的人工杂交。

本发明方法为菊芋种质资源创新提供了新的技术手段，可为菊芋新种质资源的开发奠定了基础，在菊芋杂交品种选育中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为菊芋花序的解剖结构图。

图2为雄蕊雌蕊未成熟花朵，雄蕊顶端封闭，未见黑色花药丝。

图3为四周雌蕊雄蕊开始成熟的花朵，可见雄蕊黑色花药丝，顶端可见黄色花粉散出。

图4为头状花序中间雌蕊雄蕊开始成熟花朵。

图5为剪掉中间管状花后涂上胶水的花序。

图6为最适授粉花粉。

图7为最适授粉柱头。

图8为菊芋杂交种子。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。选择紫色块茎的菊芋进行如下实验。

实施例1、菊芋人工杂交的方法

一、杂交方法

(一)菊芋母本的去雄

1、待去雄的花序的选择

菊芋花序中的管状花成簇状排列，其开花特点是由四周往中间依次开放。早晨气温上升以前，菊芋花序中同一朵管状花上的雌蕊花柱和雄蕊花药丝会迅速生长且两者生长速度存在差异，雄蕊花药丝伸长较快并先于雌蕊成熟；雌蕊花柱生长速度慢，从而雌蕊柱头与雄蕊顶端之间形成一定距离。根据此特点选择花盘周边边缘的管状小花雄蕊即将成熟但未散粉、雌蕊花柱尚未伸长，中间管状花尚未成熟的花序作为母本，去雄。去雄时选择的花序是介于图2之后而在图3的之前的发育状态的花序。

具体选择花期处于如下阶段的菊芋花序进行去雄，该时期花序的结构如下述(1)和(2)：将菊芋花序中花盘周边边缘先开放的管状花记作四周管状花，将除四周管状花之外的所有管状花记作中间管状花；在四周管状花具有下述(1)中所述的结构时，花序中的中间管状花自然就有下述(2)中所述结构。

(1)四周管状花的结构：雄蕊为聚药雄蕊，由花丝、花药构成，花丝分离，花药互相连合成管状，花药未散粉；雌蕊由柱头、花柱和子房构成，花柱和柱头位于花药内底部中央处且花柱未伸长，柱头与所述花药的顶端相距2mm-3mm；所述花药的顶端为花药中远离花盘的一端。

此时，四周管状花的雄蕊已经伸长，可以看见黑色的花丝长出而且较中间未发育的小花长约2-3mm，但其顶端尚是封闭状态，未见黄色的花粉散出，也就是花药尚未完全成熟；此时与其同一朵小花上的雌蕊柱头还未伸长，雌蕊柱头顶端离雄蕊花药管顶端有一定距离(2-3mm)。

花药就是被膜包的花粉团，去雄时花粉未成熟(即花药未散粉)，所以花药并不会破裂散出花粉。而花粉附着于花药管内壁，直接去除花药管即可去除所有的花粉；

只有这一时期，柱头与花药的顶端才相距2mm-3mm，随着雌蕊花柱的发育柱头会越来越接近雄蕊顶端，最后顶破雄蕊花药顶端，伸出柱头同时推出花粉。

(2)中间管状花：雄蕊为聚药雄蕊，雄蕊由花丝和花药构成，花丝分离，管状花药是由单独的花药互相连合成管状，但是管状花花药、花丝尚在发育中，未见伸长；雌蕊中的子房、花柱和柱头处于发育过程中，还没有分化完全。

2、去雄

(1)四周管状花的去雄：

用镊子夹住花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊拽掉，留有雌蕊且露出柱头；所述花药的1/3处自花药远离花盘的一端向花盘方向计。

这一时期雌蕊花柱还未伸长，伸长的只是雄蕊花丝，两者之间有一定距离，因此不会伤及雌蕊，去掉雄蕊后露出的是雌蕊的柱头。

(2)中间管状花的去雄：

用剪刀在中间管状花的1/2至1/4处剪掉中间管状花；所述中间管状花的1/2至1/4处自中间管状花与花盘连接端计起。此步骤要注意掌握剪除部位，剪除过多易造成花序死亡，过少易造成花粉污染。实际操作中，有的自1/2处、有的自1/4处、有的介于两者之间，统计结果表明在1/2至1/4的范围内，均无显著差异。

用小毛笔蘸取胶水涂抹在刀口部位，以抑制其花药再生长和抑制散粉(图5)；在操作过程中避免胶水接触到待授粉的柱头。此方法可有效防止生长迟缓的管状花散粉，减少去雄次数，避免了去雄后暴露的柱头受同一花序的花粉的污染。

上述步骤(1)和(2)将雄蕊彻底去除，防止自交，产生自交种子，也就是防止自己的花粉给自己授粉。

至此，获得去雄的花序，将其作为母本。

3、套袋

为了防止去雄后的花序与其它花粉杂交，随后将去雄后的花序套上硫酸纸袋，并让雌蕊继续发育。

(二)父本的选择

选取未开花且与母本花期相遇的花序，套上硫酸纸杂交袋，作为父本花序。花期相遇具体是指父本的管状花散粉时间与母本去雄后柱头展开时间相遇。只要是父本花开花时间与母本去雄后的花的开花时间一致即可，无所谓父本的四周花序或中间花序，因为父本只是提供花粉。

(三)授粉

选择如下时期和状态的母本与父本进行人工授粉：

父本：父本的管状花中柱头刚露出雄蕊花药管顶端且花粉刚被顶出花药(图6)。

母本：母本去雄后，花柱伸长，当柱头前端分裂且裂片展平的时候为最佳接受花粉时间(图7)；此时授粉面裸露，顶端乳突充分篷展，内容物充盈透明，柱头可授性最好，更易结实。

一般是去雄当天下午4点左右至第二天上午就可以进行授粉，此时柱头可授性最好。使用小毛笔粘住花粉，在选好的柱头上进行授粉，授粉完毕后套上硫酸纸袋，标上标牌。

(四)授粉后的培育

授粉完毕4-7天后，去掉硫酸纸袋，正常田间管理，获得杂交种子(图8)。

二、结果

杂交结实率计算公式为：杂交结实率(％)＝(杂交种子数/杂交管状小花数)×100％。

结果：试验中，累计杂交小花数8299朵，结实率为15％。

本方法主要针对菊科具头状花序的作物，其雄蕊为聚药雄蕊，去雄困难，而且其同一朵花序上不同小花开花时间不一致，而采用的方法。在花粉发育前期直接去除雄蕊花药管，操作迅速，不存在花药残留，不会造成自交，从而能确保杂交种子谱系的准确。

Claims (6)

1.一种去除菊芋花序雄蕊的方法，是选择花期处于如下阶段的菊芋花序进行去除雄蕊的操作：

花盘周边边缘的管状花具有如下结构：雄蕊为聚药雄蕊，由花丝、花药构成，花丝分离，花药互相连合成管状，花药未散粉；雌蕊由柱头、花柱和子房构成，花柱和柱头位于花药内底部中央处且花柱未伸长，柱头与所述花药的顶端相距2mm-3mm；所述花药的顶端为花药远离花盘的一端；

将所述菊芋花序中除具有所述结构的花盘周边边缘的管状花之外的所有管状花记作中间管状花，所述去除雄蕊的操作包括如下步骤：

1)将具有所述结构的花盘周边边缘的管状花中的雄蕊去除，留有雌蕊且露出柱头，得到去除雄蕊的花盘周边边缘的管状花；

2)将所述中间管状花去除，并在残留部位涂胶水，得到去除雄蕊的菊芋花序；

所述步骤1)和步骤2)无先后顺序；

所述将具有所述结构的花盘周边边缘的管状花中的雄蕊去除的方法为：自花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊去除；所述花药的1/3处自花药远离花盘的一端向花盘方向计；

所述自花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊去除是通过如下操作实现的：用镊子夹住所述花药的1/3处，垂直于所述管状花的花盘的方向将所述雄蕊去除；

将所述中间管状花去除的方法包括如下步骤：用剪刀在所述中间管状花的1/2至1/4处剪掉所述中间管状花；所述中间管状花的1/2至1/4处自中间管状花与花盘连接端计起。

2.权利要求1所述去除菊芋花序雄蕊的方法在菊芋育种中的应用。

3.一种将菊芋进行人工杂交的方法，包括如下步骤：用权利要求1所述去除菊芋花序雄蕊的方法将菊芋花序去除雄蕊，得到去除雄蕊的花序，作为母本；以与所述母本的花期相遇的所述菊芋的花序作为父本；采集父本的花粉对所述母本进行人工授粉；

所述父本的花粉为如下时期的花粉：所述父本的管状花中柱头刚露出花药顶端且花粉刚被顶出花药；

所述进行人工授粉时，所述母本为如下的母本：所述母本中的去除雄蕊的四周管状花中的柱头前端分裂且裂片展平。

4.权利要求3所述将菊芋进行人工杂交的方法在菊芋育种中的应用。

5.一种获得菊芋人工杂交种子的方法，包括如下步骤：按照权利要求3所述将菊芋进行人工杂交的方法对菊芋进行人工杂交，获得人工杂交后的菊芋，使其继续生长，结实，获得菊芋人工杂交种子。

6.权利要求5所述获得菊芋人工杂交种子的方法在菊芋育种中的应用。

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