基于甘蔗与斑茅远缘杂交发育机理的新种质创制研究

E.arundinaceus is an important relative plant of saccharum. It has desirable traits for sugarcane breeding. The Utilization of Erianthus arundinaceum is a major subject for the germplasm innovation of sugarcane. But due to low seed fertility, highly sterile of F1 and unclear mechanism of reproductive development in the distant hybridization between sugarcane and E.arundinaceum, the hybriding utilization of E.arundinaceum makes slow progress in sugarcane breeding. From the perspective of cell biology, the study tested pollen viability of male parent , observed pollen germination and pollen tube growth on the stigmas after pollination, and examined embryo formation and development by using means such as fluorescence microscopy and laser scanning confocal microscopy. It is aim to explore the mechanism of distant cross-incompatibility and embryonic development, and reveal the factors leading to infertility in the crosses between sugarcane and E.arundinaceum, which will instruct reasonable hybridization between sugarcane and Erianthus arundinaceum and provide direction for settling hybridization bottlenecks. At the same time it will provide important reference value for distant hybridization between sugarcane and other relative plants.

斑茅（Erianthus arundinaceus）是甘蔗重要的近缘属植物，它含有甘蔗育种需要的优良性状。斑茅的利用是甘蔗种质创新的重要内容。但由于甘蔗与斑茅远缘杂交结实率低、F1育性差和杂交授粉生殖发育机理不明确，使得斑茅利用进展缓慢。本项目从细胞生物学角度，利用荧光显微技术和激光共聚焦显微技术等手段，测定父本花粉活性，观察甘蔗与斑茅远缘杂交授粉后花粉萌发、花粉管生长，以及胚胎形成和发育的过程，以探索甘蔗与斑茅远缘杂交不亲和性的机理和甘蔗与斑茅杂交胚胎发育机制，揭示甘蔗与斑茅杂交结实率低的原因，为今后指导甘蔗与斑茅进行合理的杂交，解决杂交瓶颈提供方向，同时将对甘蔗与其它近缘属植物的远缘杂交提供重要的应用参考价值。

一、项目背景. 甘蔗是仅次于粮、棉、油之后的重要糖料作物。由于亲本间种间异质性低，遗传基础狭窄，难于育成突破性的甘蔗新品种。斑茅（Erianthus arundinaceus）是甘蔗重要的近缘属植物，具有分蘖能力强、生势旺盛、生物量高、宿根性好和抗逆能力强等优良性状，是甘蔗品种改良中的重要种质。但由于甘蔗与斑茅远缘杂交结实率低、F1育性差和杂交授粉生殖发育机理不明确，使得斑茅利用进展缓慢。本项目从细胞生物学和发育生物学角度，探索甘蔗与斑茅远缘杂交不亲和性的机理和甘蔗与斑茅杂交胚胎发育机制，解决杂交瓶颈提供方向，为远缘杂交提供应用参考价值。. 二、主要研究内容. 选择优良的甘蔗亲本和斑茅或斑茅后代为杂交材料，利用花期调控技术手段，设计远缘杂交组合；利用 DAPI 和 TTC 染色法对父本花粉进行成熟度和活性分析。采用花粉离体培养技术，对父本花粉在培养基上萌发、花粉管生长情况进行研究，鉴定不同斑茅品种的花粉性能；利用荧光显微技术研究父本花粉在柱头上萌发及花粉管生长的行为特点，明确影响甘蔗与斑茅远缘杂交受精前不亲和性的障碍因素，筛选出远缘杂交亲和性较好的组合；采用石蜡切片技术对母本雌配子的发育进行分析，特别是甘蔗与斑茅远缘杂交F1代雌配子发育，揭示斑茅F1代杂交结实率低的原因；利用激光共聚焦扫描显微技术对甘蔗与斑茅杂交授粉后胚胎形成及发育过程进行探索，明确甘蔗与斑茅远缘杂交胚胎发育机制，揭示甘蔗与斑茅远缘杂交结实率低的原因。. 三、重要结果、关键数据及其科学意义. 1、利用I2-KI染色法、花粉离体萌发法和花粉活力分析仪（AmphaTM Z32）等技术手段，总结出一套简单、高效和科学的斑茅花粉育性、活性及萌发力鉴定方法。. 2、利用荧光显微技术观察发现组合授粉后柱头花粉萌发和花粉管生长动态，发现杂交授粉时存在花粉柱头粘附少、花粉不能萌发或萌发少、柱头上乳突细胞有明显胼胝质沉积、萌发花粉管缠绕柱头不能进入花柱、花粉管进入花柱或子房后出现弯曲、回环、末端分叉、膨大、变细、生长缓慢等异常现象。. 3、利用石蜡切片和激光共聚焦显微镜技术观察发现杂交组合受精后胚胎发育夭折、发育不完全或畸形、胚乳败育、杂种胚不能萌发或萌发率低等异常现象。