新牧4号紫花苜蓿受精前后胚珠发育及种子形成动态

doi:10.11686/cyxb2024028

摘要/Abstract

摘要：

果实水平上的“胚珠多种子少”现象是种子生产中的一个共性问题，其中，有性繁殖过程至关重要，进行受精前后胚珠发育及种子形成动态的研究，对揭示种子产量的形成机制具有重要意义。以新牧4号紫花苜蓿为研究对象，通过切片、荧光观察及人工控制试验等，对其受精前后胚珠的发育、受精过程及结籽格局等进行研究，探讨有性繁殖方面制约种子产量形成的因素。结果表明：1）受精前，胚珠发育没见异常，腹缝线上也不具有维管分布的位置效应，但在受精过程中，19.6% 的成熟胚囊被胼胝质包裹而不能正常受精。2）异花授粉较自花授粉具有更高的花粉萌发率和花粉管生长速度，进入子房后的花粉管优先达到子房的中部和基部，并使得这些位置的胚珠优先受精。3）自然条件下，授粉后第2天，中部和基部胚珠优先膨大，第3~6天，膨大胚珠的比例进一步增加，随后基部和中上部已经膨大的部分胚珠出现败育，最终形成荚果内两端胚珠败育率高、中间低的结籽格局。4）资源调控试验表明资源限制不仅影响受精前胚珠形成的数目，还加剧受精后已膨大胚珠的败育率。综上所述，新牧4号紫花苜蓿胚珠的发育与种子的形成受胼胝质沉积、受精顺序、资源分配状况及位置效应多种因素的影响，其中，由胼胝质沉积引起的受精率低以及资源限制引起的受精后胚珠的败育率高是影响种子产量的主要因素。

关键词: 新牧4号紫花苜蓿, 胚珠发育, 种子形成, 结籽格局, 影响因素

Abstract:

The phenomenon of “more ovules and less seeds” at the fruit level is a common problem in seed production， in which the process of sexual reproduction is crucial. It is important to study the dynamics of ovule development and seed formation before and after fertilization to reveal the mechanism of the formation of seed yield. In this study， we explored ovule development before and after fertilization， the fertilization process， and the seed-setting pattern of Medicago sativa cv. Xinmu No. 4 by observations of paraffin sections stained with fluorescent dyes. We also conducted artificial controlled experiments to explore the factors restricting the formation of seed yield from the viewpoint of sexual reproduction. The main results of our study are as follows： 1） Before fertilization， there were no abnormalities in ovule development， and there was no location effect on the distribution of the vascular bundle on the ventral sutures. However， during fertilization， 19.6% of mature embryo sacs were coated with callus and could not be fertilized normally. 2） The pollen germination rate and pollen tube growth rate were higher after cross-pollination than after self-pollination. After entering the ovary， the pollen tubes preferentially reached the middle and base of the ovary， and fertilized the ovule in these positions. 3） Under natural conditions， on the second day after pollination， the middle and base parts of the ovule expanded， and on the third to sixth day after pollination， the proportion of the enlarged parts of the ovule had further increased. Subsequently， the basal part of the ovule became further enlarged and the middle to upper parts of the ovary began to abort. Finally， the seed setting pattern was formed with high ovule abortion rates at both ends of the pod and a low ovule abortion rate in the middle. 4） Resource restriction not only affected the number of ovules that formed before fertilization， but also increased the abortion rate of enlarged ovules after fertilization. In summary， many factors affect the development of ovules and the formation of seeds in M. sativa cv. Xinmu No. 4， including callose deposition， the fertilization sequence， resource allocation， and location effects. The low fertilization rate caused by callose deposition and high abortion rate of ovules after fertilization M. sativa cv. Xinmu No. 4 were identified as the main factors affecting seed yield.

Key words: Medicago sativa cv. Xinmu No.4, ovule development, seed formation, seed set pattern, influencing factors

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图/表 6

图1 雌配子体的发育及维管分布A：大孢子母细胞Megaspore mother cell； B：二核胚囊2-nuclear embryo sac； C：四核胚囊4-nuclear embryo sac； D：八核胚囊（EC：卵细胞； S：助细胞）8-nuclear embryo sac （EC： Egg cell； S： Synergidae）； E：花芽的横切（成熟花药） Cross section of bud （Mature anther）； F， G：子房中维管束及其分布Vascular distribution in ovary。图中刻度Scale bar： 100 μm （A~D， F）； 250 μm （E， G）.

Fig.1 The development of female gametophytes and vascular distribution in M. Sativa cv. Xinmu No.4

图2 花粉萌发、花粉管生长及胚珠胼胝质的沉积A， B：子房内胚珠的胼胝质沉积Callose deposition of ovules at different positions； C，D：花粉的萌发与花粉管的生长Pollen germination on stigma and pollen tubes growth in style； E， F：花粉管的“N”形生长与分布The pollen tube distribution and entering micropyle in an “N” shape； G， H：发育胚珠和不发育胚珠的胼胝质沉积Callose deposition of devoloping ovules and undevoloping ovules。图中刻度Scale bar： 250 μm （A， B）； 100 μm （C~H）。

Fig.2 The germination of pollen， growth of pollen tube and callose deposition on ovules in M. Sativa cv. Xinmu No.4

图3 子房内不同位置胚珠的胼胝质沉积率

Fig.3 The callose deposition rate of ovule in different positions of ovary

图4 开花后第3~21天新牧4号紫花苜蓿胚珠败育及种子形成动态

Fig.4 The ovule abortion and seed formation at different positions in ovary at 3-21 days after opening in M. sativa cv. Xinmu No.4

图5 胚珠最先发育的位置分布

Fig.5 The distribution frequency of ovules developing first in position

图6 新牧4号紫花苜蓿胚珠与种子发育的资源调控不同小写字母表示疏花芽处理与对照差异显著（P<0.05），不同大写字母表示疏花苞处理与对照差异显著（P<0.05）。Different lowercase letters indicate the significant difference at 0.05 among treatments of removing small buds and contrast； Different capital letters indicate the significant difference at 0.05 between treatments of removing large buds and contrast.

Fig.6 The development of ovule and seed of M. sativa cv. Xinmu No.4

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