短葶飞蓬三倍体有性生殖特性与子代形成机制

Triploids commonly grow seedless fruits, but a few diploids and polyploids could be derived from unreduced gamete, apomixes, fertilized zygote and so on. Those progenies are potentially used to breeding work. In order to recognize the principle of seed formation in Erigeron breviscapus triploid (2n = 3x = 27), we plan to study the development actions related to sexual reproduction and seed formation. The occurrence ratio, ploid level and construction of functional male or female gamete will be detected by laser scanning confocal microscope or flow cytometry. Origin of the embryo, role of the triploid parent as female or male will be confirmed based on the process of the fertilization, embryo formation through cross-hybridization between triploid and diploid. Ploid analysis, ISSR identification and GISH analysis within the progenies further illuminate the principle of seed formation and the occurrence of unreduced gamete or apomixes. The study results should guide the utilization of triploid parent in breeding work of Erigeron breviscapus.

植物三倍体高度不育，但可形成少量种子。依据后代倍性和分子标记结果，推测三倍体有性杂交中，可通过受精合子、无融合生殖、未减数配子等途径，产生性状稳定的二倍体或不同倍性的多倍体子代，育种利用价值大。为了研究短葶飞蓬（灯盏花）三倍体(2n = 3x = 27)杂交子代形成机制，本项目在前期研究的基础上，以短葶飞蓬三倍体有性生殖及其杂交子代形成过程为研究主线，采用激光共聚焦显微观察、流式细胞倍性分析等技术，进行三倍体雌雄配子体发育、配子体育性研究，明确三倍体功能配子形成概率、倍性分布、结构特征；进行三倍体与二倍体的正反杂交试验、观测杂交受精、胚胎发育进程，确定子代发生起源，比较三倍体雌、雄配子体在子代形成中的作用；进行子代胚及胚乳倍性分析、亲缘关系分析，最终阐明三倍体子代的形成机制，探讨未减数配子、孤雌生殖、无融合生殖发生可能及其规律，为短葶飞蓬三倍体的育种利用提供理论依据。

短葶飞蓬是云南特色药材灯盏花的原植物，其三倍体种质表现出长势强，产量高，有效成分高等特性。项目组前期研究发现，短葶飞蓬三倍体人工授粉可少量结实，具有杂交育种应用前景。为了研究短葶飞蓬三倍体(2n=3x=27)杂交子代形成机制，本项目以四倍体与二倍体杂交获得的三倍体为试验材料，开展了雌雄配子体发育显微观察、基于转录组分析的有性生殖差异表达基因筛选以及有性杂交子代鉴定分析。结果表明，三倍体雄配子发育主要停滞在单核居中或单核靠边时期，不能形成正常的三核花粉，花粉育性极低，同时与二倍体比较，三倍体花药壁的绒毡层细胞降解延迟；短葶飞蓬二倍体雌配子体发育为四孢子发生，经过2次有丝分裂形成16细胞的成熟雌配子体；三倍体大孢子母细胞减数分裂可形成四孢子、双孢子、三孢子以及单孢子等多种类型，其经过有丝分裂可发育形成具备卵细胞、助细胞以及极核结构的成熟雌配子体；通过三倍体与二倍体的转录组分析，GO和KEGG数据库分类注释，发现一批与生殖发育、DNA复制相关的差异表达基因；与三倍体雌雄配子体发育及其育性特征相对应，三倍体与二倍体杂交可结实，结实率达到31.77%，而二倍体与三倍体杂交未结实。基于上述研究结果，初步阐明了短葶飞蓬三倍体有性生殖特性及其子代形成规律。三倍体绒毡层细胞延迟降解可能是造成雄配子发育停滞以及花粉不育的主要原因；三倍体可发育形成较正常的雌配子体，具备参与受精及有性杂交的形态结构基础；双孢子的形成证实了短葶飞蓬三倍体可产生未减数配子进行无融合生殖。