Identification and physiological study of variation in reproductive fertility in clonal lines of Medicago sativa cultivar ‘Qingshui’

doi:10.11686/cyxb2021390

Abstract

Abstract:

A fertility analysis and identification and physiological characteristics of sterile material was undertaken in Medicagosativa cultivar ‘Qingshui’ to provide support for breeding sterile lines. Six clonal propagation lines （GN-A₁， GN-A₂， GN-A₃， GN-A₄， GN-A₅ and GN-A₆） with fertility variations were studied together with plants of normal fertility （CK）. At the full flowering growth stage， pollen grains were collected for I₂-KI staining to determine fertility and flower buds were analyzed for nutrient metabolism indexes （soluble sugar， SS； soluble protein， SP； starch， Sta and proline， Pro） and for indicators of membrane lipid peroxidation （catalase， CAT； peroxidase， POD； superoxide dismutase， SOD and malondialdehyde， MDA） at different development stages. It was found that the pollen vital staining rate of fertile CK plants was up to 98.37%， and pollen grains were full and spherical. The pollen staining rates of GN-A₁， GN-A₂， GN-A₃ and GN-A₆ plants were all lower than 5%， and the pollen grains were dried up and mostly had elliptical or irregular shapes， and these were preliminarily identified as sterile plants. The pollen staining rate of GN-A₄ and GN-A₅ plants were 54.80% and 63.60%， respectively with the majority of pollen grains elliptical， and relatively few dried grains. These were classified as typical semi-sterile plants. The supply of SS， SP， Sta and Pro of sterile plants （GN-A₁， GN-A₂， GN-A₃ and GN-A₆） was insufficient as the floral development period progressed. Indicators of membrane lipid peroxidation， POD and SOD activities in sterile plants were higher than those in the fertile plants for the whole floral development period， while CAT activity of sterile plants was higher than that of fertile plants at floral development stage Ⅰ and Ⅱ， and then decreased gradually. The content of MDA in the fertile plants was significantly higher （P<0.05） than that in the sterile plants at floral development stages Ⅰ， Ⅱ and Ⅳ. CAT， POD and SOD activities， and SS and SP levels showed variation in the flower buds of sterile plants， but were comparatively stable during the development of fertile plants， indicating that the changes of the measured physiological indexes were closely linked to reproductive fertility.

Key words: Medicago sativa cultivar ‘Qingshui’, fertility identification, physiology, coefficient of variation

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Figures/Tables 8

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育性分类 Fertility classification	花粉败育率 Staining rate of pollen grains （%）
不育Sterility	>95.1
半不育Semi-sterility	10.1~95.1
典型半不育Typical semi-sterility	40.1~60.0
可育 Fertility	0~10.0

育性分类 Fertility classification	花粉败育率 Staining rate of pollen grains （%）
不育Sterility	>95.1
半不育Semi-sterility	10.1~95.1
典型半不育Typical semi-sterility	40.1~60.0
可育 Fertility	0~10.0

编号 Serial number	黑色花粉粒数 Number of black pollen grains	黄色或黄褐色花粉粒数 Number of yellow or yellowish-brown pollen grains	花粉粒总数 Number of pollen grains	染色率 Staining rate （%）	败育率 Sterility rate （%）
CK	1328	22	1350	98.37	1.63
GN-A₁	2	196	198	1.01	98.99
GN-A₂	3	142	145	2.07	97.93
GN-A₃	2	166	168	1.19	98.81
GN-A₄	257	212	469	54.80	45.20
GN-A₅	276	158	434	63.60	36.40
GN-A₆	3	145	148	2.03	97.97

编号 Serial number	黑色花粉粒数 Number of black pollen grains	黄色或黄褐色花粉粒数 Number of yellow or yellowish-brown pollen grains	花粉粒总数 Number of pollen grains	染色率 Staining rate （%）	败育率 Sterility rate （%）
CK	1328	22	1350	98.37	1.63
GN-A₁	2	196	198	1.01	98.99
GN-A₂	3	142	145	2.07	97.93
GN-A₃	2	166	168	1.19	98.81
GN-A₄	257	212	469	54.80	45.20
GN-A₅	276	158	434	63.60	36.40
GN-A₆	3	145	148	2.03	97.97

指标 Index	Ⅰ		Ⅱ		Ⅲ		Ⅳ		Ⅴ
指标 Index	可育株 Fertile plant	不育株 Sterile plant	可育株 Fertile plant	不育株 Sterile plant	可育株 Fertile plant	不育株 Sterile plant	可育株 Fertile plant	不育株 Sterile plant	可育株 Fertile plant	不育株 Sterile plant
可溶性糖SS	7.30	7.42	12.08	6.17	5.48	8.26	3.21	13.32	8.76	11.92
游离脯氨酸Pro	8.03	5.11	2.66	7.88	4.56	6.79	6.00	5.16	5.17	4.90
可溶性蛋白SP	5.78	1.21	11.83	5.38	13.69	11.37	6.37	3.33	8.05	6.72
淀粉Sta	2.61	3.34	7.51	1.27	0.83	3.92	1.53	2.97	4.24	2.92
超氧化物歧化酶SOD	1.56	2.04	0.60	4.33	2.58	2.88	3.49	3.43	1.96	6.16
过氧化氢酶CAT	0.86	6.02	2.00	1.30	2.67	6.84	2.18	8.70	1.40	4.68
过氧化物酶POD	3.35	2.04	1.22	2.02	1.86	6.04	0.93	3.60	1.73	3.43
丙二醛MDA	7.66	4.53	2.30	3.03	5.46	3.61	3.62	1.42	2.20	4.48