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兰科植物Orchidaceae是被子植物中仅次于菊科Asteraceae的第二大科,约800属28 000种,广泛分布于热带和温带地区[1−2]。兰科植物进化水平高,拥有丰富的物种多样性、高度特化的花结构,生存繁衍对生态系统依赖程度高,是研究生态学和分子生物学的重要材料[3−5]。且兰科植物观赏价值极高,具有药理作用,有较高的经济价值,市场需求量大[6]。萼脊蝴蝶兰Phalaenopsis japonica曾被命名为萼脊兰Sedirea japonica,为萼脊兰属Sedirea,近年来根据分子生物学数据萼脊兰属被并入蝴蝶兰属Phalaenopsis [7]。产于中国浙江文成和云南盈江,及日本琉球群岛和朝鲜半岛南部,生于海拔600~1 350 m的疏林树干和山谷崖壁上[8]。按照濒危等级,萼脊蝴蝶兰被世界自然保护联盟(IUCN)评定为易危(VN),列入濒危野生动植物种国际贸易公约(CITES)附录Ⅱ。其植株较小,叶片革质,总状花序,花期4月中旬至5月底,花形似蝴蝶,有香味,中萼片和花瓣呈淡黄绿色,侧萼片和唇瓣白紫相间,是蝴蝶兰Phalaenopsis aphrodite良好的育种材料。 KIM等[9]将萼脊蝴蝶兰与29个不同品种蝴蝶兰互为父母本进行杂交,得到3个萼脊蝴蝶兰做母本的杂交组合的后代,表型更接近蝴蝶兰。中国对萼脊蝴蝶兰组培快繁、分子生物学等进行了研究[10−12],然而萼脊蝴蝶兰开花进程观察和繁育系统的研究仍欠缺。
繁育系统是指所有影响后代遗传组成的有性特征总和,主要包含花器官特征和开花进程、花粉活力与柱头可授性、花粉组织化学、杂交指数、人工控制授粉等方面[13]。前人对喇叭唇石斛Dendrobium lituiflorum、长瓣兜兰Paphiopedilum dianthum等植物的繁育系统研究[14−17],为研究萼脊蝴蝶兰开花进程与繁育系统提供方法学基础。SUETSUGU等[18]通过观察自然条件下的萼脊蝴蝶兰,发现其授粉成功率仅为7.7%,认为萼脊蝴蝶兰可能无法自发进行自花授粉。本研究以温室栽培条件下的萼脊蝴蝶兰植株为研究对象,记录其开花进程,进行人工控制授粉,测定分析其繁育系统,为人工授粉和杂交育种提供依据,以期更好地保护和利用种质资源。
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萼脊蝴蝶兰由野外采集的果实经无菌播种培育而成,随机选出长势良好的100株4年生萼脊蝴蝶兰。试验在中国农业科学院蔬菜花卉研究所无土栽培温室进行,常年保持温度26~30 ℃。春秋两季开天窗通风,夏季开风机配合水帘降温,冬季暖气供暖。全温室附60%遮阳网,夏季额外再附1层60%遮阳网。夏季每周浇水2次,春秋冬每周浇水1次。
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随机选取10株,统计单株花序数与单花序花数。随机选取盛花期全天开放的花10朵,用直尺和游标卡尺测量植株性状(株高、最大叶长/宽/厚、冠幅、花序长/粗)和花部性状(中萼片长/宽、侧萼片长/宽、花瓣长/宽、唇瓣长/宽、合蕊柱长/宽、子房长/宽、药帽直径)。并在体视显微镜(Olympus SZX7)下观察花部特征形态结构,观察盛花期成熟花粉团,用扫描电子显微镜(Hitachi S-4800)进行拍照。具体步骤:取样后立即将花粉团投入FAA固定液中(100 mL FAA:体积分数为50%的乙醇 90 mL、冰乙酸 5 mL、甲醛 5 mL),上下颠倒保证花粉团完全浸入FAA固定液,4 ℃固定24 h,随后对其进行梯度乙醇脱水(体积分数分别为70%、80%、90%、95%、100%的乙醇各处理15 min),更换100%乙醇放入冰盒等待干燥。用二氧化碳临界点干燥仪(Leica CPD300)干燥5 h,将样品待观察部位朝上放置在有双面胶的金属台上,用洗耳球轻吹使其粘牢,用离子溅射仪(Hitachi E-1010)对金属台喷金镀膜后,进行扫描电镜观察。
随机选取10 株萼脊蝴蝶兰,观察记录从花蕾显现至枯萎脱落的开花进程。单花花期为花瓣从两侧打开至凋谢的日期,单株花期为单个植株上第1朵花花瓣从两侧开放起至最后1朵花凋谢截止的日期,群体花期为群体内第1朵花花瓣从两侧打开起至群体内最后1朵花凋谢截止的日期。并依据DAFNI标准[19],用开花尺度和开花特征将开花进程细分为花蕾Ⅰ期、花蕾Ⅱ期、初花Ⅰ期、初花Ⅱ期、盛花期、末花期、凋谢期。
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在晴天上午采集不同开花时期的花粉团,将花粉团置于载玻片上滴加2滴亚历山大染色液[20],用镊子和解剖针将花粉团分为若干花粉块,立即盖上盖玻片,并在其上方附1层滤纸,用带橡皮铅笔的橡皮端用力按压盖玻片,将花粉块压为单细胞层,染色5 min,用研究级正置显微镜(Olympus BX53)统计花粉活力。以FAA固定液浸泡24 h的花粉团作为对照,在显微镜下无活力的花粉细胞为绿色或淡粉色,有活力则为紫红色。每个开花时期取不同株3个花粉团,制片后取3个视野,统计有活力花粉细胞数和总花粉细胞数(每个视野内至少有50个花粉细胞)。花粉萌发率=萌发的花粉数/视野内总花粉数×100%。
采用联苯胺-过氧化氢法[21]测定萼脊蝴蝶兰柱头可授性。每个开花时期取3个柱头进行试验,将其浸入联苯胺-过氧化氢反应液(1%联苯胺∶3%过氧化氢∶水的体积比4∶11∶22)中,用体视显微镜(Olympus SZX7)观察并拍照。依据柱头周围是否有气泡出现判别其可授性,气泡越多表明可授性越好。
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随机采取3个盛花期成熟花粉团,将每个花粉团分别置于载玻片上滴加2滴碘-碘化钾染色液[22],用镊子和解剖针将花粉团分为若干花粉块,立即盖上盖玻片,并在其上方附1层滤纸,用带橡皮铅笔的橡皮端用力按压盖玻片,将花粉块压为单细胞层,染色5 min,用研究级正置显微镜(Olympus BX53)观察花粉细胞染色情况。花粉细胞呈黄橘红色,表示其中含有脂质;呈蓝紫黑色,表示其中含有淀粉。
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依据DAFNI标准[19],选取10株萼脊蝴蝶兰,测定指标并计算杂交指数。花直径<1 mm记为0,1~2 mm记为1,2~6 mm记为2,>6 mm则记为3;花药开裂时间和柱头可授粉期同时或雌蕊先熟记为0,雄蕊先熟记为1;柱头和花药处于同一空间位置记为0,空间分离记为1。三者之和为杂交指数(OCI)。评判标准:OCI为0表示闭花受精型;1表示专性自交型;2表示兼性自交型,有异交可能;3表示兼性异交型,有时需要传粉者;≥4表示异交型,部分自交亲和,多数需要传粉者。
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设置6种授粉方式:自然授粉(不去雄且不套袋)、自然自花授粉(不去雄并套袋)、去雄不授粉、人工自花授粉、人工同株异花授粉、人工异株授粉。每种授粉方式选择10朵初花Ⅱ期的花,授粉前后3 d不浇水,在晴天上午完成各处理,选不同植株重复3次。授粉成功后约7 d花朵凋谢,14 d子房膨大。授粉后100 d,果实成熟,统计结实率,并采摘。结实率=果实数/授粉朵数×100%。
每个授粉方式取3个果实测量各指标。用游标卡尺测量不同授粉方式得到的果实长和宽。将果实用手术刀剖开,把种子拨入2.0 mL离心管内,加蒸馏水1.5 mL,震荡后静置待种子沉底,挑出上层棉絮状物质,并将水吸出。向离心管中注入2.0 mL质量分数2.5%次氯酸钠溶液,常温浸泡75 min,用蒸馏水冲洗3次,再注入2.0 mL蒸馏水留在管中,室温浸泡24 h。用质量分数1% TTC溶液替换蒸馏水,避光浸泡24 h。吸出TTC溶液,蒸馏水冲洗3次,再注入1.0 mL蒸馏水,得到TTC染色后的种子悬浮液。用已剪枪头吸取悬浮液0.1 mL,制片用体视显微镜(Olympus SZX7)观察,种胚为红色即为有活力[23],在10倍镜下随机选取3个视野统计有活力种子数和种子总数,估算种子活力,种子活力=有活力种子数/种子总数。统计0.1 mL所有种子数,重复3次,并按比例尺测量种子长和宽,单果实种子总数=0.1 mL所有种子数×10。
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利用Excel 2016绘制表格,SPSS 25.0处理数据,Photoshop 2021制图。
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萼脊蝴蝶兰株高13.71 cm,冠幅24.01 cm;单株多为1~2个花序,单花序约10朵花。花由1枚中萼片、2枚侧萼片、2枚花瓣、1枚唇瓣、1个合蕊柱、1个子房组成(图1)。茎短,被宿存叶鞘包裹,叶4~6枚,叶片革质呈长圆倒卵状披针形,先端钝且有稍不等侧2裂,最大叶长13.76 cm、宽3.59 cm。总状花序微下垂,花序长12.61 cm;花苞片淡褐色,宽卵形,凹的,先端钝;萼脊蝴蝶兰呈淡黄绿色,侧萼片表面具褐紫色横向不规则条纹,唇瓣表面具粉紫色不规则斑纹,花具有香气。中萼片长圆形,先端钝,中萼片长14.27 mm、宽6.55 mm;侧萼片比中萼片稍窄,侧萼片长14.64 mm、宽6.46 mm;花瓣长圆状舌形,先端钝,花瓣长12.64 mm、宽6.81 mm;唇瓣3裂,唇瓣长14.91 mm、宽8.92 mm,侧裂片很小,近三角形,中裂片大,匙形,从基部向先端扩大为卵圆形的前部,边缘具不规则的圆齿,正面凹下而背面隆起,浅绿色距从唇瓣根部延伸,末端指向唇瓣中裂片,月牙形,内部光滑无毛,底端具有少量密状物质;合蕊柱淡黄绿色,细圆柱形,合蕊柱长13.01 mm、宽2.58 mm,药帽前端收窄成喙状,顶端增厚成短凸,直径3.31 mm;子房长8.52 mm,淡黄绿色,下位子房。通过电子扫描显微镜观察,萼脊蝴蝶兰花粉团表面不平整,有极多凸起,是由数万个花粉细胞紧密聚集而形成的(图1)。
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萼脊蝴蝶兰从4月始零星开放,群体花期4中旬至5月底,单花花期约30 d,单株花期约35 d。依据DAFNI标准,将开花进程划分为7个阶段(图2)。①花蕾Ⅰ期(开花前4~7 d):花蕾未展开,整体呈不规则椭圆形,萼片和花瓣紧闭,呈淡黄绿色,可见距。②花蕾Ⅱ期(开花前1~4 d):花蕾变大,准备开放,萼片和花瓣微微分离,侧萼片根部至中部有紫色花纹显现。花蕾长大于1.0 cm,宽大于0.5 cm。③初花Ⅰ期(开花后1~3 d):花蕾初步开放,萼片和花瓣分离,花直径大于1.5 cm,白紫色唇瓣露出,合蕊柱被唇瓣包裹在内,紫色花纹继续在整个侧萼片延伸。④初花Ⅱ期(开花后4~5 d):花蕾进一步开放,中萼片向斜上方竖起,侧萼片紫色花纹更加明显,花瓣向外延展,唇瓣展开露出合蕊柱,花直径大于2.5 cm。⑤盛花期(开花后6~25 d):花蕾完全开放,中萼片直立,侧萼片完全展开,在内面具紫色横向不规则条纹,花瓣向前延伸,白紫相间唇瓣向内隆起,可见合蕊柱顶端明显药帽和中部具黏液柱头腔。⑥末花期(开花后26~30 d):花逐步失水,由淡黄绿色变为淡黄白色,但仍可见紫色花纹,花器官均卷缩。⑦凋谢期(开花后30~40 d):花完全失水,呈褐色,自然掉落。
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萼脊蝴蝶兰花粉在花蕾期就具有一定活力,并随着开花进程,花粉活力在盛花期达到最大值84.98% (表1)。显微镜观察发现:萼脊蝴蝶兰花粉为近圆形四合花粉(图3A),花粉被碘-碘化钾染为黄橘红色(图3B),说明萼脊蝴蝶兰花粉主要由脂质组成。
表 1 花粉活力与柱头可授性检测
Table 1. Test of pollen viability and stigma acceptability
时期 花粉活力/% 柱头可授性 花蕾Ⅰ期 12.80±0.53 f − 花蕾Ⅱ期 28.23±0.52 d +/− 初花Ⅰ期 46.19±0.56 c + 初花Ⅱ期 74.13±0.91 b ++ 盛花期 84.98±0.95 a ++ 末花期 22.14±0.59 e − 凋谢期 0±0 g − 说明:数值为平均值±标准误。不同小写字母表示不同时期花粉活力之间差异显著(P<0.05)。−表示柱头不具可授性,+/−指部分柱头具可授性,+表示柱头具可授性,++表示柱头可授性强。 图 3 花粉活力亚历山大染色(A)和碘-碘化钾花粉组织染色(B)、联苯胺-过氧化氢法柱头可授性检测(C)
Figure 3. Alexander staining (A) and iodide-potassium iodide staining (B) of pollen viability, and benzidine- hydrogen peroxide method of stigma acceptability test (C)
萼脊蝴蝶兰初花Ⅱ期和盛花期时的柱头表面均变蓝且有大量气泡产生(图3C),表明此阶段可授性最强。从表1可以看出,萼脊蝴蝶兰雌雄同熟,在盛花期花粉活力最强,柱头可授性最强,因此在人工授粉时,应选择盛花期的花朵异株自交。
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萼脊蝴蝶兰花直径约为3 cm (>6 mm),记为3;花粉和柱头同步成熟,可同期授粉,记为0;花粉位于合蕊柱顶端,与柱头空间分离,且花粉与柱头腔间的蕊喙发育,阻止自交授粉发生,记为1。由此得出萼脊蝴蝶兰杂交指数为4,其繁育系统是异交型,部分自交亲和,需要传粉者。
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由表2可见:自然授粉、自然自花授粉、去雄不授粉的结实率均为0,人工自花授粉、人工同株异花收粉、人工异株授粉结实率分别为60.00%、80.00%、93.33%,均远高于前3种处理。说明萼脊蝴蝶兰繁育系统是需要传粉者传粉的且自交和异交混合的繁育系统,不存在无融合生殖现象。
表 2 不同处理下结实率
Table 2. Percentage of fertile fruit in different pollination treatments
处理方式 处理花数/朵 结实数/粒 结实率/% 自然授粉 30 0 0 c 自然自花授粉 30 0 0 c 去雄不授粉 30 0 0 c 人工自花授粉 30 18 60.00±1.15 b 人工同株异花授粉 30 24 80.00±0.58 ab 人工异株授粉 30 28 93.33±0.67 a 说明:数值为平均值±标准误;不同小写字母表示不同处理下结实率之间差异显著(P<0.05)。 萼脊蝴蝶兰授粉成功后,除合蕊柱和子房外,各花器官会在5 d内迅速枯萎,寿命远短于正常花期。授粉后3 d内柱头腔逐渐向内闭合至包裹花粉,约7 d可发现子房开始膨大。授粉后100 d,果实成熟,果实绿色油亮。萼脊蝴蝶兰的种子为粉末状,且与棉絮状物质共同存在于果实中,种子没有胚乳,只有种皮和种胚。由图4和表3可见:人工自花授粉果实较小(图4A),且种子活力与种子数均较低;人工同株异花授粉果实大小其次(图4B);而人工异株授粉果实不仅果实体积大(图4C),其种子大小、种子活力(图4D)、种子数(单果实中种子数量约43 000粒)均最高。由此可得出人工异株授粉得到的果实质量最高。
表 3 不同处理下得到的果实表型
Table 3. Phenotype of fruit obtained under the different pollination treatments
处理方式 果实长/cm 果实宽/cm 种子长/μm 种子宽/μm 种子活力/% 单果实种子总数/粒 人工自花授粉果实 2.33±0.03 c 0.46±0.02 b 135.87±16.73 b 55.58±4.76 a 50.49±0.78 c 3 000±360 c 人工同株异花授粉果实 2.87±0.09 b 0.60±0.04 a 177.45±4.32 a 49.4±3.98 a 65.64±1.79 b 21 000±1 700 b 人工异株授粉果实 3.50±0.17 a 0.67±0.02 a 189.55±3.18 a 62.08±5.16 a 82.69±3.46 a 43 000±1 800 a 说明:数值为平均值±标准误;不同小写字母表示不同处理下结实率之间差异显著(P<0.05)。 -
萼脊蝴蝶兰植株多为1~2个花序,单花序约有10朵花。花由1枚中萼片、2枚侧萼片、2枚花瓣、1枚唇瓣、1个合蕊柱、1个子房组成。单花花期约30 d,单株花期30~40 d,群体花期约45 d,其中单花盛花期为花朵展开后的6~25 d。侧萼片和唇瓣内面白紫相间的横向不规则条纹,与上萼片和花瓣的淡黄绿色形成鲜明对比。通过解剖位于萼脊蝴蝶兰唇瓣后的距,可发现其内部底端中具有少量蜜状物质。这与SUETSUGU等[18]研究相同,他们认定熊蜂属Bombus昆虫是萼脊蝴蝶兰的主要授粉者之一,并得出距内蜜状奖励物质含量与虫媒授粉成功率呈正相关关系,且花距长度与传粉者嘴部长度相关。萼脊蝴蝶兰花粉为四合花粉,即减数分裂形成的4个小孢子不分开而是结合在一起继续发育成成熟花粉。通过碘-碘化钾染色,萼脊蝴蝶兰花粉呈黄橘红色,说明萼脊蝴蝶兰花粉主要由脂质组成。通过扫描电镜对花粉团的观察,发现花粉是由多个花粉细胞紧密聚集而成,这种组成结构相对于由淀粉组成的风媒授粉植株的花粉而言,质量较大,富含营养物质较多。由此确定萼脊蝴蝶兰为虫媒授粉植株[24]
植物能否成功授粉取决于花粉活力与柱头可授性的高低。本研究通过对比不同花粉活力检测方法,得出亚历山大染色法是最适合检测萼脊蝴蝶兰花粉活力的方法。TTC染色法无法明显区别萼脊蝴蝶兰花粉活力,可能是因为萼脊蝴蝶兰对TTC染液不敏感所致,但TTC却能将长瓣兜兰[15]花粉染色,同样,醋酸洋红染色法有活力花粉和无活力花粉颜色差别不大,可能是TTC和醋酸洋红对兰科不同属间花粉的染色度不同所导致;花粉离体萌发法操作较复杂,本研究未采用此方法。本研究发现:萼脊蝴蝶兰花粉与柱头同期成熟,并且活力均先上升后下降,在盛花期达最高,这与细茎石斛Dendrobium moniliforme、葱叶兰Microtis unifolia、镰翅羊耳蒜Liparis bootanensis 等植物相似[25]。值得注意的是,萼脊蝴蝶兰的柱头在初花Ⅱ期和盛花期都具有较高的可授性,后期若进行萼脊蝴蝶兰人工授粉,可选用成熟的花粉对初花Ⅱ期的柱头进行授粉,使植株较早坐果。
在杂交指数估算时,不能以萼脊蝴蝶兰合蕊柱上花粉团与柱头的空间分布判断杂交指数。应着重观察萼脊蝴蝶兰花粉团与柱头腔间的蕊喙是否发育,以此判断植物是否能发生自交授粉。萼脊蝴蝶兰杂交指数为4,说明萼脊蝴蝶兰繁育系统是需要传粉者传粉的且自交和异交混合的繁育系统。
萼脊蝴蝶兰自然授粉、自然自花授粉、去雄不授粉3种处理结实率均为0,说明萼脊蝴蝶兰不能自主自花授粉,需要媒介授粉才能结实,因为其花粉均位于合蕊柱顶端,与柱头空间分离,但温室里没有能为其传粉的昆虫。人工自花授粉、人工同株异花授粉、人工异株授粉结实率分别为60.00%、80.00%、93.33%,且人工异株授粉果实的大小、含种子量、种子活力均高于人工自花授粉果实和人工同株异花授粉果实。这符合自然界杂种优势[26]。
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萼脊蝴蝶兰为总状花序,单花花期约30 d,群体花期为4月中旬至5月底,开放时有香味。雌雄同株,且同步成熟,在盛花期(开花6~25 d )花粉活力与柱头可授性均达到最强,花粉活力高达84.98%。萼脊蝴蝶兰花粉为近圆形四合花粉,主要由脂质组成,适合虫媒授粉。杂交指数为4,其繁育系统是需要传粉者自交和异交混合的交配系统。人工异株授粉的萼脊蝴蝶兰结实率最高(93.33%),且果实质量最好,单果实中种子数量最大(约43 000粒),种子活力最高(82.69%)。
Flowering characteristics and breeding system of Phalaenopsis japonica
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摘要:
目的 研究萼脊蝴蝶兰Phalaenopsis japonica的开花特性与繁育特性,为萼脊蝴蝶兰杂交育种提供理论依据,也为濒危蝴蝶兰属Phalaenopsis植物种质资源保护提供研究基础。 方法 以温室条件下栽培的萼脊蝴蝶兰为材料,记录其花器官特性和开花进程,测定花粉活力与柱头可授性,分析花粉组织化学,估算杂交指数并进行人工控制授粉试验。 结果 ①萼脊蝴蝶兰群体花期 4月中旬至5月底,单株花期30~40 d,单花花期约30 d,开放时有香味。花蕾期为开花前1~7 d,初花期为开花后1~5 d,盛花期为开花后6~25 d,末花期为开花后26~30 d,凋谢期为开花后30~40 d。②总状花序,单株花序多为1~2个,单花序约10朵花。③萼脊蝴蝶兰花粉为近圆形四合花粉,主要由脂质组成,适合虫媒授粉。④雌雄同株,且同步成熟,在盛花期(开花6~25 d)花粉活力与柱头可授性均达到最强,花粉活力高达84.98%,杂交指数为4。⑤自然授粉、自然自花授粉、去雄不授粉3种处理后的结实率均为0,而人工自花授粉、人工同株异花授粉和人工异株授粉的结实率高达60.00%、80.00%和93.33%,且人工异株授粉果实质量最好,种子最大,种子活力最高(82.69%),单果实中种子数量约43000粒。 结论 萼脊蝴蝶兰开花始于4月中旬,结束于5月底,盛花期持续约20 d,其繁育系统属于兼性异交,需要传粉者的类型。图4表3参26 Abstract:Objective This study, with an investigation of the breeding system of the Phalaenopsis japonica, is aimed to provide theoretical basis for P. japonica hybrid breeding and research basis for the preservation and protection of the plant germplasm resources of the endangered Phalaenopsis. Method With P. japonica in greenhouses taken as materials, their floral characteristics and flowering process were recorded for observation before the pollen viability and stigma acceptability were determined, the pollen histochemistry was analyzed, the hybridization index (OCI) was estimated and artificial pollination was tested. Result (1) The P. japonica blossomed from mid April to end of May, and was fragrant and the florescence of single plant lasted for 30 to 40 days and that of a single flower is about 30 days, with the bud stage being 1 to 7 days before flowering, the initial flowering stage being 1 to 5 days after flowering, the full flowering stage being 6 to 25 days after flowering, the final flowering stage being 26 to 30 days after flowering and the flower fading stage being 30 to 40 days. (2) The P. japonica was raceme with each plant having 1 to 2 inflorescences and each inflorescence having about 10 flowers. (3) The P. japonica pollen was nearly circular tetrad pollen which was mainly composed of lipids, suitable for insect pollination. (4) The P. japonica was monoecious and the pollen viability and stigma acceptability reached the highest in the blooming stage (flowering for 6 to 25 days) with the highest pollen viability being 84.98% and OCI of P. japonica being 4. (5) The fruit setting rate of natural pollination, natural self-pollination, and emasculation without pollination were 0 but the fruit setting rate of artificial self-pollination, artificial cross-pollination of the same plant, and artificial cross-pollination of different plant reached 60.00%, 80.00%, and 93.33% respectively. The fruits of artificial cross-pollination between different plants had the highest quality, with the largest seeds, highest viability (82.69%), and largest amount of seeds (about 43000 seeds). Conclusion The flowering of P. japonica starts in mid April and ends at the end of May with the full blooming period lasting for about 20 days and its breeding system is a mixed mating system of self-pollination and cross-pollination that required pollinators. [Ch, 4 fig. 3 tab. 26 ref.] -
当前,树体高大、通风透光性差和管理粗放是导致针叶树种种子园采种难和雌球花花量不足的重要原因,制约着林木种子园的精细化经营和管理[1]。截顶影响营养物质流向和分配,促进结实母枝更新,是植株达到矮化效应的重要方法,对实现“果园式”林木种子园具有重要指导意义[2−3]。国外学者对花旗松Pseudotsuga menziesii进行夏季截顶和修枝后发现:虽然树冠体积减少了,但是枝条上雌雄球花密度显著增加,通过调控栽植间距,提高了单位面积球果产量[4];国内学者研究表明:截冠可提高樟子松Pinus sylvestris var. mongholica壮龄母树的产量和种子质量[3];对马尾Pinus massoniana截顶处理后发现:中产和高产无性系的雌球花量能提高20%以上[1]。
赤霉素(GAs)被认为是一种重要的双萜类植物生长调节剂,参与松树球花分化与茎伸长等许多重要的生长发育过程[5−6]。FERNÁNDEZ等[7]对辐射松Pinus radiata不同组织中内源GAs测定后发现:GA3在营养芽和雄球花中质量分数较高但比较稳定,而GA4则差异明显,推测GA4可能与它们的发育调节有关。赤霉素等激素比值的变化可表征树体内激素的不同吸收或运转规律。较高水平的Z型细胞分裂素和较低水平的脱落酸(ABA)及其代谢产物可能与雌球花的形成有关,在顶芽发育过程中GA和ABA往往表现出拮抗作用,外源注射GA4/7使顶梢ABA合成减少或通过其他途径加速了ABA代谢产物的分解,进而降低顶芽内源ABA及ABA分解代谢的主导产物ABA葡萄糖酯(ABA-ge)的质量分数,改变了它们的比值,进而提高雌球花的分化能力,增加雌球花的数量,但其机制尚不清楚[8−9]。
研究表明:外界因素首先通过植株内源激素质量分数及其比值的变化对生长和成花起作用[10]。营养芽转变为生殖芽也是植株体内各种激素在时间和空间上相互作用产生的综合结果,取决于促进和抑制开花这2类激素的平衡[11]。植物顶芽会抑制侧芽的发生,去除顶芽或抑制顶端优势则会促进侧芽的产生。截顶可通过抑制植株顶端优势形成,影响植株体内生长素和细胞分裂素的合成与再分配。在生产上,许多针叶树正是利用截顶与修枝、植物生长调节剂诱导等措施控制树体的生殖与营养生长平衡[12−13]。马尾松是中国南方主要的速生丰产优质用材树种和最重要的脂用树种[14],其雌球花多分布于主枝或侧枝顶端,生殖芽和营养芽都由新生枝梢产生,其生理状态与花芽分化密切相关[15−20]。因此,本研究采用盆栽控制试验,以高产的马尾松无性系为试材,在花原基形成前期设置生产上常用的截顶和赤霉素诱导试验,研究树体内源激素质量分数及其比值的变化和平衡,以期为马尾松结实母树的树体管理提供理论指导和技术支持。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
试验地点位于浙江省淳安县林业总场有限公司姥山分场国家马尾松良种基地(29°32′34″N, 119°04′04″E)。供试材料选用马尾松第2代无性系种子园中结实能力强的209号无性系,于2017年选取无性系同一个母株上生长基本一致的穗条进行嫁接。2018年3月,将生长势相对一致、侧枝数量相近的无性系嫁接苗移栽至无纺布容器内。容器规格为直径70 cm,高度60 cm,每个容器内放入50 kg马尾松第2代无性系种子园内0~40 cm土层的酸性红壤,土壤pH 4.71、全氮3.59 g·kg−1、全磷0.34 g·kg−1、全钾16.90 g·kg−1、碱解氮248.00 mg·kg−1、速效磷5.48 mg·kg−1、速效钾228.00 mg·kg−1、有机质67.60 g·kg−1、交换性钙3.10 cmol·kg−1、交换性镁0.34 cmol·kg−1。每盆栽植1株,栽植后立即浇水,无性系植株按照完全随机配置,放置在铺设有地布的苗圃地内,株行距为1.5 m×1.5 m。苗木栽培常规管理。苗木培育期间,为保证生长条件和栽培管理一致,不施肥,干旱时滴灌,及时除草。
在处理前,对供试幼树的树高、地径、枝长、枝粗和轮枝数进行本底调查,树高为189.3~204.2 cm,地径为35.63~40.12 mm,枝长为45.5~96.5 cm,枝粗为17.89~21.68 mm,每株树均为3层轮枝。
1.2 试验设计和取样
1.2.1 截顶和赤霉素诱导试验处理
设置未截顶、截顶后保留1层轮枝、截顶后保留2层轮枝、未截顶+100 mg·L−1赤霉素(GA4/7)、未截顶+200 mg·L−1 GA4/7和未截顶+400 mg·L−1 GA4/7共6个处理,分别记为NT、T1、T2、NT+G100、NT+G200和NT+G400。每个处理设置3个重复,每个重复3个分株。在2021年6月15日,T1和T2截顶处理采用修枝剪自下而上分别一次性截除第1层和第2层轮枝处以上的顶梢,NT+G100、NT+G200和NT+G400处理在植株叶面分别均匀喷施100、200和400 mg·L−1的GA4/7混合液,喷施至针叶湿润且叶尖有液体下滴时为止,NT处理以喷施去离子水作为对照。
1.2.2 观测和取样
各处理在每株自下而上的第1层轮枝处(H1)和第2层轮枝处(H2)选择东、西、南、北4个方位的一级侧枝及顶梢(H3)作为固定观测对象。分别于2021年花原基形成前期(S1,6月20日)、花原基形成期(S2,7月20日)和花原基形成后期(S3,8月20日)测定枝长和枝粗。同时,于S1、S2和S3时期,分别在H1处4个方位的一级侧枝顶端选取1.0 g以上针叶,置于液氮中速冻,带回实验室,保存于−80 ℃超低温冰箱中,用于内源激素质量分数测定,研究截顶和GA4/7诱导对花原基形成期前后的针叶主要激素质量分数及其比值影响。2022年4月25日调查每株观测枝的雌球花数量。
此外,还针对T1、T2和NT处理,分别在截顶处理(2021年6月15日)后1、4、7、10、13、16和19 d取样。每次取样选取第1层轮枝处(H1)、第2层轮枝处(H2)一级分枝顶端和顶梢处(H3)的针叶,每个部位取样1.0 g以上,带回实验室,保存于−80 ℃超低温冰箱中,研究截除顶梢后短期内内源激素质量分数在时间和空间上的变化特征。每个处理设置3个重复,每个重复3个分株。
1.3 内源激素测定
委托南京瑞源生物技术有限公司采用安捷伦1290高效液相色谱仪串联Qtrap 6500质谱仪(AB公司)测定内源激素。测定的内源激素包括:吲哚乙酸(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA4和GA7)、水杨酸(SA)和玉米素核苷(ZR)。。
1.4 数据分析
采用SPSS 20.0软件对不同截顶强度和赤霉素诱导处理的结果进行差异性分析。试验数据经Levene检验满足方差齐性后,采用单因素和Duncan差异性检验(P<0.05)进行方差分析和多重比较。图和表中数据均为平均值±标准误。
2. 结果与分析
2.1 截顶与GA4/7诱导对马尾松雌球花量和新梢生长的影响
与S1时期相比,到S3时期时,T1和T2处理后H1处的枝长增长量分别比NT高181.55%和119.31% (P<0.05),枝粗增长量分别高出NT的35.78%和9.17% (P<0.05);H2处的枝长和枝粗增长量分别比NT高的150.45%和111.49% (P<0.05)。T1处理下的枝长和枝粗增长量略高于T2处理,但差异不显著(表1)。截顶后第2年,T1与T2处理的标准枝雌球花密度均显著高于NT,其中,T1处理H1处的雌球花密度较NT增加126.00%,T2处理H1和H2处的雌球花密度较NT分别增加82.67%和 66.52%。说明截顶削弱了顶端优势,促进下层结实母枝的生长和结实层下移,雌球花密度增加。
表 1 截顶和赤霉素诱导处理对雌球花密度和枝生长的影响Table 1 Effect of top pruning and gibberellin induction on female cones density and branch growth处理 H1 H2 H3 枝长净增
长量/cm枝粗净增
长量/cm雌球花密度/
(个·枝−1)枝长净增
长量/cm枝粗净增
长量/cm雌球花密度/
(个·枝−1)枝长净增
长量/cm枝粗净增
长量/cm雌球花密度/
(个·枝−1)NT 2.33±0.11 d 1.09±0.08 b 1.50±0.06 c 2.22±0.10 c 0.87±0.03 c 2.33±0.09 c 9.33±0.26 ab 1.66±0.09 a 2.94±0.13 b NT+G100 5.26±0.16 bc 1.03±0.06 b 2.93±0.12 ab 3.89±0.13 b 1.76±0.09 ab 3.17±0.15 ab 11.80±0.31 a 1.69±0.09 a 4.50±0.19 a NT+G200 8.42±0.25 a 1.18±0.09 ab 3.27±0.16 a 6.22±0.18 a 1.76±0.10 ab 3.39±0.16 ab 9.67±0.28 ab 1.06±0.04 ab 4.67±0.21 a NT+G400 6.14±0.17 b 1.56±0.11 a 2.67±0.10 ab 5.22±0.14 ab 2.01±0.12 a 3.33±0.16 ab 12.33±0.33 a 1.04±0.03 ab 3.33±0.15 b T1 6.56±0.18 b 1.48±0.09 a 3.39±0.16 a - - - - - - T2 5.11±0.14 bc 1.19±0.07 ab 2.74±0.11 ab 5.56±0.15 ab 1.84±0.11 ab 3.88±0.18 a - - - 说明:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05);-表示无此项。 在S3时期,截顶与赤霉素处理相比,除T1和T2处理H1处的枝长增长量显著(P<0.05)低于NT+G200处理外,T1与T2处理的雌球花密度与NT+G100、NT+G200、NT+G400处理结果差异均不显著;T1和T2处理其他轮枝处的枝长和枝粗增长量与GA4/7各处理间差异不显著。说明截顶和赤霉素处理均促进了马尾松结实母枝生长和雌球花形成。
2.2 截顶和GA4/7诱导对不同时期针叶主要激素质量分数及其比值的影响
2.2.1 截顶的影响
在S1时期,与NT相比,T1和T2处理的针叶IAA质量分数分别下降11.24%和9.62%,T2处理的IAA质量分数高于T1处理,但随着截顶程度的加重而降低(图1A);T1和T2处理的GA7质量分数分别下降0.27%和1.26% (图1B),GA4分别下降9.36%和12.62% (图1C),ZR分别下降23.38%和18.77% (图1D),而ABA分别增加15.09%和8.15%,T1处理的ABA质量分数高于T2处理(图1E),但T1和T2处理两者间差异不显著。
在S2时期,无论截顶与否,针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数均较S1时期增加,其中,T1处理的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别增加了1.21、1.21、0.92和0.80 ng·g−1,T2处理分别增加了1.45、0.77、0.86和0.76 ng·g−1,显著高于NT处理的增加量(0.30、24.67、0.04和0.11 ng·g−1,P<0.05),截顶处理后ABA质量分数较S1时期降低,其中,T1和T2处理分别降低52.97和48.06 ng·g−1。说明受截顶影响,在之后1个月时间,IAA、GA7、GA4和ZR质量分数呈恢复增长变化,其质量分数在S2时期并未受截顶强度加重显著降低。
在S3时期,与S2时期相比,T1和T2处理下针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数下降,其中,T1处理分别下降6.32%、7.21%、46.03%和30.04%,T2处理分别下降6.52%、5.52%、42.16%和28.03%;与S1时期相比,T1处理的针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别增加7.34%、2.08%、2.65%和1.58%,T2处理分别增加9.30%、0.55%、4.32%和0.76%;而T1和T2处理的针叶ABA质量分数较S1和S2时期持续降低。
由图1F看出:在S1时期,T1和T2处理的(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值较低,分别为7.22和7.61,均低于NT (8.33),而在S2时期,T1和T2处理的(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值迅速增加,分别为11.32和11.23,均高于NT (10.21),进一步印证了在花原基形成前期实施截顶,内源激素的比值显著下降,在花原基形成期间,生长促进型激素恢复增长,抑制型激素下降,内源激素的比值显著增加。
2.2.2 截顶与GA4/7诱导的对比分析
由图1A~D可知:在S1时期,T1和T2处理的针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数显著低于NT+G100、NT+G200和NT+G400处理,而ABA质量分数显著增加 (P<0.05),其中,T1处理下的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别比GA4/7处理低38.25%~56.39%、24.05%~27.06%、73.91%~101.09%和47.39%~76.31%,ABA质量分数比GA4/7处理高15.92%~27.52%;T2处理下的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数分别比GA4/7处理低35.77%~53.59%、25.30%~29.17%、80.79%~109.04%和40.08%~67.56%,ABA质量分数则比GA4/7处理高10.53%~22.88%。
在S1~S3期间,NT+G100、NT+G200和NT+G400处理的IAA质量分数逐渐降低,马尾松针叶GA7、GA4和ZR质量分数均先增加后降低,S3时期的激素质量分数低于S1时期,ABA则先降低后增加;截顶与GA4/7诱导后主要激素质量分数的变化趋势不同,T1和T2处理的马尾松针叶IAA、GA7、GA4和ZR质量分数均为先增加后降低,但是,S3时期的激素高于S1时期,ABA则为持续降低。从图1F可看出:在S2时期,NT+G400处理的(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值最高,比NT+G200、NT+G100、T2和T1处理依次高5.97%、12.34%、20.67%和21.64%。
2.3 截顶后短期内内源激素质量分数在时间和空间上的变化特征
2.3.1 短期内的动态变化
由图2A可知:在花原基形成前期截除顶梢,T1和T2处理的马尾松针叶IAA质量分数呈先降低后增加的趋势,到第16天时比NT高33.33%~45.45%。截顶后针叶的GA7质量分数趋势变化不显著,T1处理和T2处理的针叶GA7质量分数也均无显著性差异(图2B)。截顶后马尾松针叶的GA4质量分数呈显著下降 (P<0.05),在第10天达到最低,并比NT处理显著低24.26%~35.32% (P<0.05),之后逐渐增加(图2C)。T1和T2处理的马尾松针叶ZR质量分数均比NT处理显著低4.39%~57.65% (P<0.05),而T1和T2处理间差异不显著(图2D)。说明截顶处理打破了马尾松原有的激素平衡,使针叶中的IAA和GA4生长促进型激素出现短期内先下降后升高的现象。T1和T2处理的ABA质量分数呈降低趋势,但始终高于NT处理(图2E)。在第1~4天时,T1和T2处理马尾松针叶的SA质量分数急剧上升,之后逐渐下降,至第16天时,与NT处理差异不显著(图2F)。
2.3.2 不同高度处的空间变化
在不同高度处,未截顶的马尾松针叶IAA质量分数从高到低依次为H3、H2、H1,T2处理IAA质量分数为H2大于H1;在第10天之后,T1处理H1处的针叶IAA质量分数显著高于T2处理(图2A,P<0.05)。在第13天之后,未截顶H3处的马尾松针叶GA7质量分数与H2和H1处相比差异不显著(图2B),T2处理H1处针叶GA7质量分数和H1处差异不显著,未截顶的针叶GA4质量分数从高到低依次为 H3、H2、H1,T2处理GA4质量分数为H2大于H1,T1处理H1处针叶的GA4质量分数在截顶后第10天低于T2处理,之后逐渐高于T2处理(图2C)。未截顶的ZR质量分数从高到低依次为 H3、H2、H1,T2处理针叶的ZR质量分数在H2处最高,T1处理H1处的ZR质量分数始终最低(图2D)。说明截顶强度影响着不同轮枝处针叶的IAA、GA4和ZR激素质量分数。未截顶的ABA质量分数从高到低依次为H1、H2、H3,T2处理ABA质量分数为H1大于H2,T1处理H1处的针叶ABA质量分数比T2处理高2.85%~7.84% (图2E)。未截顶时,SA质量分数在H1、H2和H3处差异不显著,随截顶程度的加重,在第1~13天,T1处理H1处的SA质量分数比T2处理H1处显著高1.88%~90.88% (P<0.05,图2F)。
3. 讨论
已有研究表明:通过截顶可以增加母树对光能的有效利用,影响叶面积与营养储藏水平,也对侧枝的生长具有重要影响[3, 21]。本研究发现:马尾松树体截顶后不仅促进了枝梢的生长,而且显著增加了雌球花密度。这与KOLPAK等[4]在夏季对花旗松进行截顶和修枝的研究结果相类似。截顶和修枝后花旗松枝条上的雌雄球花量增加,提高了单位面积球果产量。王福森等[2]研究也表明:樟子松截顶后促使母树结实层下移,平均单株球果数增加。截顶处理可以控制树体顶端优势,促使结实母枝更新。通过与赤霉素处理对比发现:截顶处理的雌球花密度与其差异不显著,说明截顶不仅可作为种子园树体管理的有效措施,而且也可促进雌球花形成。郑一等[1]研究马尾松不同结实能力无性系同样发现:截顶可提高中产和高产无性系的雌球花量20%以上。陈虎等[22]对16年生马尾松无性系截顶处理发现:随着截顶强度的增加,母树生长和结实能力增强,在保留1轮枝的情况下结实最多;HAN等[23]对红松P. koraiensis截干后同样得出结果枝数量增加,结实量提高的结果。因此,截顶处理可以控制马尾松树体顶端优势,促使结实母枝更新。植物激素,尤其赤霉素通过其自身前馈和反馈调节参与松树花器官发育并在调节植株生长、控制树势或适应逆境过程中发挥重要作用[7, 24]。马尾松顶端优势强,雌球花多分布在主枝或侧枝的顶端,植株顶芽会抑制侧芽的发生,去除顶芽或抑制顶端优势则会促进侧芽的产生。已有研究表明:树木木质部汁液中细胞分裂素和ABA质量分数与比值在胁迫信号传递中起着重要作用,较高质量分数的Z型细胞分裂素和较低水平的ABA及其代谢产物可能与雌球花的形成有关[25−26]。通过分析花原基形成期间3个阶段的主要激素质量分数与标准枝雌球花量相关性,均发现在花原基形成期,截顶处理后GA4、IAA、GA7和ZR质量分数与雌球花量相关性最高,与ABA质量分数呈显著负相关。研究表明:未截顶时,不同高度处的IAA、GAs和ZR质量分数从高到低依次为H3、H2、H1。在花原基形成前期截顶,受胁迫的影响,促进生长型激素IAA和GA4质量分数呈先降低后增加的动态变化,T2处理依然表现为H2大于H1,截顶后20 d左右,主要激素水平可恢复稳定;在花原基形成期,下部枝条的IAA、GAs和ZR质量分数较花原基形成前期显著增加,(IAA+GA+ZR)/ABA比值大幅提升,说明截顶削弱了顶端优势,促使下部侧枝的激素质量分数在空间上随高度的降低和截顶程度的加重而变化,打破了树体原有的养分平衡,可能通过内源激素的合成、极性运输和信号转导等途径,调节着营养生长与生殖生长之间的平衡。这可能是促进侧芽更快地生长和雌球花形成的主要原因之一[9, 20, 27]。
在顶芽发育过程中,GA和ABA往往表现出拮抗作用,外源注射GA4/7使顶梢ABA合成减少或通过其他途径加速了ABA代谢产物的分解,进而降低顶芽内源ABA及ABA分解代谢的主导产物ABA葡萄糖酯(ABA-ge)的质量分数。GA4/7的使用也可增加反式玉米素核苷(t-ZR)水平和降低异戊烯基腺嘌呤(IP型)细胞分裂素,改变了它们的比值,进而提高雌球花的分化能力,增加雌球花的数量[28−30]。本研究通过截顶处理和GA4/7诱导的对比试验同样得出:在花原基形成期,截顶和GA4/7诱导处理可显著降低ABA质量分数,增加ZR质量分数。国内外育种工作者已经利用GA4、GA7等极性较小的赤霉素可促进多种松树开花和诱导雌雄球花分化的能力,在生产上积累了丰富的经验[31−32]。虽然截顶处理与赤霉素诱导马尾松针叶的内源激素质量分数变化趋势有所不同,但均表明通过树体内主要激素质量分数及其比值平衡的变化,可以调控树体的生长发育,进而指导生产。此外,持续截顶或修枝措施,也是控制顶端优势的方式,对激素变化也有影响。但NEILSEN等[32]对辐射松修枝研究发现:持续修剪对枝条生长有长期影响,造成枝粗增长缓慢。
4. 结论
在花原基形成前期实施截顶和赤霉素处理均可促进马尾松结实母枝更新和雌球花形成,与针叶内源激素质量分数的变化密切相关。截除顶梢后,马尾松针叶的IAA、GA7、GA4和ZR质量分数显著下降,而ABA质量分数显著增加。截顶影响着内源激素重新分配,(IAA+GA7+GA4+ZR)/ABA比值在花原基形成期显著升高。截顶与GA4/7诱导后主要激素质量分数的变化趋势不同,在S1至S3时期,赤霉素诱导后的IAA质量分数逐渐降低,GA7、GA4和ZR质量分数先增加后降低,ABA质量分数则先降低后增加。研究结果表明:生产上通过持续截顶,优化截干技术和控制树势,配合激素诱导,可促进结实母树更新和调控雌球花形成。
-
表 1 花粉活力与柱头可授性检测
Table 1. Test of pollen viability and stigma acceptability
时期 花粉活力/% 柱头可授性 花蕾Ⅰ期 12.80±0.53 f − 花蕾Ⅱ期 28.23±0.52 d +/− 初花Ⅰ期 46.19±0.56 c + 初花Ⅱ期 74.13±0.91 b ++ 盛花期 84.98±0.95 a ++ 末花期 22.14±0.59 e − 凋谢期 0±0 g − 说明:数值为平均值±标准误。不同小写字母表示不同时期花粉活力之间差异显著(P<0.05)。−表示柱头不具可授性,+/−指部分柱头具可授性,+表示柱头具可授性,++表示柱头可授性强。 表 2 不同处理下结实率
Table 2. Percentage of fertile fruit in different pollination treatments
处理方式 处理花数/朵 结实数/粒 结实率/% 自然授粉 30 0 0 c 自然自花授粉 30 0 0 c 去雄不授粉 30 0 0 c 人工自花授粉 30 18 60.00±1.15 b 人工同株异花授粉 30 24 80.00±0.58 ab 人工异株授粉 30 28 93.33±0.67 a 说明:数值为平均值±标准误;不同小写字母表示不同处理下结实率之间差异显著(P<0.05)。 表 3 不同处理下得到的果实表型
Table 3. Phenotype of fruit obtained under the different pollination treatments
处理方式 果实长/cm 果实宽/cm 种子长/μm 种子宽/μm 种子活力/% 单果实种子总数/粒 人工自花授粉果实 2.33±0.03 c 0.46±0.02 b 135.87±16.73 b 55.58±4.76 a 50.49±0.78 c 3 000±360 c 人工同株异花授粉果实 2.87±0.09 b 0.60±0.04 a 177.45±4.32 a 49.4±3.98 a 65.64±1.79 b 21 000±1 700 b 人工异株授粉果实 3.50±0.17 a 0.67±0.02 a 189.55±3.18 a 62.08±5.16 a 82.69±3.46 a 43 000±1 800 a 说明:数值为平均值±标准误;不同小写字母表示不同处理下结实率之间差异显著(P<0.05)。 -
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