草莓属及其近缘属植物的花粉形态电镜观察

2013-09-20韩柏明赵密珍于红梅

东北农业大学学报 2013年10期

韩柏明，赵密珍，王静，于红梅

（江苏省农业科学院园艺所，南京 210014）

草莓属蔷薇科草本植物。全世界草莓属（Fragaria）约20个种，由一系列二倍体、四倍体、六倍体和八倍体种构成，其中仅一个种作为栽培种即八倍体的凤梨草莓（F.xananassa），起源于美洲种弗州草莓（F.virginiana）和智利草莓（F.chiloensis）的自然杂交，草莓属植物在其演化过程中经历一系列的多倍化和自然杂交过程[1]。

花粉是植物携带遗传信息的雄性生殖细胞，花粉形态相对于植物的其他形态学标记受环境条件的影响很小，花粉形态在进化上属较为保守的性状，花粉大小和表面形态特征常常被用来作为植物分类、鉴定、系统演化和亲缘关系的参考依据[2]。通过对花粉形态的观察，可直接比较花粉形态的差异来探讨植物种间分类、系统演化和栽培品种的鉴定[3-5]，也可对花粉形态进行数量化处理，通过对花粉形态的聚类分析来判断不同种、栽培品种之间的亲缘关系[6-9]。关于草莓属植物花粉形态学已有报道，Mass较早对草莓属植物的花粉形态进行观察[10]。葛会波发现草莓属植物的花粉大小与倍性有关[1]。时翠平根据草莓属四个二倍体种的花粉形态特征推测其亲缘演化关系[11]。张运涛观察四个草莓栽培品种花粉形态[12]。本研究应用扫描电镜对草莓属及其近缘属植物进行花粉形态观察，分析草莓属植物及其近缘属植物花粉形态差异，并根据花粉形态特征进行聚类分析，从花粉形态数量化分类方面探讨草莓属及其近缘属植物的亲缘关系，为草莓种质资源的分类和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料来自江苏省农业科学院园艺所国家果树种质草莓资源圃，包括草莓属（Fragaria）野生种、栽培品种和自然五倍体材料以及1份蛇莓属材料蛇莓（Duchesnea indica）共20份试验材料（见表1）。

表1 试验材料Table1 Strawberry samples used in the experiment

1.2 方法

2011年3～4月，从饱满尚未开放的花蕾取花药，置于硫酸纸上自然阴干后去除花药壁，将草莓花粉包装好放入干燥皿中保存备用。扫描电镜观察在南京农业大学生命科学院实验中心电镜室进行。将干燥花粉分别均匀散布到粘有双面胶带的样品台上，用日立E1010离子溅射仪中镀膜后，在日立S-3000扫面电镜下观察并拍照。测量极轴长、赤轴长、条脊宽、条脊距、萌发沟长，每种花粉测量20粒，取平均值。

应用DPSv7.05专业版统计软件，根据极轴长、赤轴长、条脊宽、条脊距、萌发沟长和条脊沟深浅等特征，对供试材料进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 花粉的形态和大小

由表2可知，草莓属植物的花粉均呈长球形（P/E值为1.92～2.26），不同类别花粉粒大小存在差别，极轴长在26.22～34.49 μm之间，赤道轴长在12.21～16.72 μm之间。草莓近缘属植物蛇莓的花粉粒形态与草莓属类似，但花粉粒大于草莓属花粉粒（极轴长41.92 μm，赤道轴长20.89 μm）。包括栽培种凤梨草莓、弗州草莓和智利草莓等八倍体草莓的花粉粒大于草莓属二倍体和四倍体种的花粉粒，而草莓自然五倍体材料的花粉大小与八倍体草莓相近。

2.2 花粉的萌发器官

草莓属植物具有3条萌发沟（见图版Ⅰ-1～9；Ⅱ-1～10），从花粉赤道面可观察到1～2条萌发沟，极面可观察到3条萌发沟，3条萌发沟沿着极轴方向以等间距分布，萌发沟几乎延伸至两极。草莓花粉属Erdtman NPC系统中的N3P4C5类型。蛇莓属花粉萌发孔形态与草莓属类似（见图版Ⅰ-10）。

表2 供试花粉的形态特征Table2 Morphological characters of pollens tested

2.3 花粉的表面纹饰

草莓属植物花粉表面纹饰均由条纹组成，条纹走向大致与极轴平行。条纹长短不一，不同种和品种之间在条纹宽和条纹距上存在一定的差别。其中二倍体草莓绿色草莓（见图版Ⅰ-1）、蝦夷草莓（见图版Ⅰ-2）、东北草莓（见图版Ⅰ-3）、森林草莓（见图版Ⅰ-4）以及四倍体草莓种伞房草莓（见图版Ⅰ-5）和东方草莓（见图版Ⅰ-6）等低倍性草莓条纹不明显，表现为条纹宽度较小，条脊沟较浅；八倍体草莓弗州草莓（见图版Ⅰ-8）、智利草莓（见图版Ⅰ-9）和凤梨草莓（见图版Ⅱ-11～20）条纹明显，表现为条纹较宽，条脊沟较深。而自然五倍体草莓介于两者之间（见图版Ⅰ-7）。另外，绿色草莓条纹之间有不规则孔穴（见图版Ⅰ-1b），伞房草莓条纹上有小的突起（见图版Ⅰ-5b），蝦夷草莓表面纹饰平行度较好（见图版Ⅰ-2b）。

在八倍体草莓中，智利草莓条纹最宽，条纹较短（见图版Ⅰ-9），而弗州草莓最窄，条纹较长（见图版Ⅰ-8），而栽培种凤梨草莓介于两者之间（见图版Ⅱ-11～20）。相对于草莓属植物来说，蛇莓花粉表面纹饰更加零乱，条纹间距宽窄不一（见图版Ⅰ-10）。

图版I 草莓属植物和蛇莓花粉扫描电镜观察Plate I SEM observation on the pollen morphology of the genus Fragaria and its related genus Duchesnea

图版II 草莓属植物和蛇莓花粉扫描电镜观察Plate II SEM observation on the pollen morphology of the genus Fragaria and its related genus Duchesnea

2.4 聚类分析

对19份草莓材料和1份蛇莓材料的聚类分析结果见图1。

在等值线8.5左右将一份蛇莓材料和19份草莓材料分为两个组。在等值线5时，可将第Ⅰ类群分为两个组，二倍体草莓东北草莓、森林草莓、绿色草莓、蝦夷草莓以及四倍体草莓种东方草莓和伞房草莓被聚为第一组；而同为八倍体的栽培种凤梨草莓的10个品种和野生种弗州草莓、智利草莓以及自然五倍体材料被聚为第二组。与二倍体和四倍体草莓相比，自然五倍体草莓的花粉形态更接近于八倍体草莓，均表现为花粉粒较大，条纹较宽，条纹间距较大。在第一组中，东北草莓首先与东方草莓聚在一起，再依次与森林草莓、绿色草莓、蝦夷草莓聚在一起，最后与伞房草莓聚在一起。对10个草莓栽培品种的聚类很分散，亲缘关系很近的品种全明星和春星、明宝和春香并未聚在一起。

图1 花粉形态聚类Fig.1 Dendrogram of cluster analysis of pollen morphology

3 讨论

花粉是植物较为保守的器官。花粉形态主要受基因控制，受环境条件影响较小，因此在植物分类和种质资源的亲缘关系研究中具有参考价值。草莓属与其近缘属蛇莓的花粉形态很相似，仅在花粉大小和表面纹饰上略有差别。通过对草莓属部分野生种和栽培品种共19份材料花粉形态的比较研究表明，草莓属花粉形态为长球形，具有3个萌发孔，外壁纹饰为近似平行的条纹状。不同种和品种在表面纹饰和花粉大小上有差异。葛会波研究表明，草莓花粉大小与倍性有关[1]。在本研究中，三个八倍体草莓种的花粉大小明显比二倍体和四倍体草莓大，而在两个四倍体种和四个二倍体种之间花粉大小差异不大。另外，八倍体草莓的条脊宽，条脊沟深，而二倍体和四倍体草莓的条脊窄，条脊沟浅。自然五倍体草莓花粉较大，条脊较宽，条脊沟较深，在形态上接近八倍体草莓。

花粉形态的聚类结果显示东方草莓、东北草莓、森林草莓和绿色草莓的亲缘关系很近，这与用形态学和分子标记研究的结果相似[13-14]。同为八倍体的弗州草莓、智利草莓及其自然杂交种凤梨草莓被聚在一起。自然五倍体草莓与3个八倍体草莓种聚在一起，而通过分子标记的研究表明，自然五倍体草莓与东方草莓、东北草莓、森林草莓具有较近的亲缘关系（数据另文发表）。通过对10个草莓栽培品种花粉形态的聚类分析结果表明，品种之间的聚类很随机，系谱关系很近的品种并未聚在一起，如全明星和春星、明宝和春香在系谱关系上是亲代和子代的关系，但通过花粉形态聚类不能聚在一起，这可能是由于花粉形态性状具有复杂的遗传特性有关，对种以下的栽培品种特别是像草莓栽培品种来说，其起源和遗传基础均比较狭窄，花粉形态可能不适合用以判断其亲缘关系远近。

本研究所观察的花粉种类较少，今后应进一步采集更多种类的草莓属以及蛇莓、委陵菜等草莓近缘属植物的花粉，对草莓属及其近源属植物的花粉形态作系统观察，为草莓属及其近源属植物的分类、鉴定和系统演化提供孢粉学依据。