万寿菊花形态作为花粉多样性指标及配子体选择潜力评估

本研究针对万寿菊（Tagetes erecta L.）育种中父本花粉特征缺乏系统评价的问题，首次通过扫描电镜（SEM）量化分析了六种花型（单瓣、半重瓣、重瓣、无瓣雄性不育及瓣化雄性不育）的花粉形态特征。发现花粉呈辐射对称、三沟孔型，表面具锥状刺突，且花型显著影响花粉大小（极轴22.64–39.57 μm）和形状（扁球形为主）。关键突破在于揭示花粉群体内形态变异（如双峰分布）可为配子体选择提供依据，推动杂交育种中父本优化策略。

　　

研究背景：为何关注万寿菊花粉？

万寿菊（Tagetes erecta L.）作为全球广泛栽培的观赏作物，其商业价值高度依赖花型多样性——包括单瓣、半重瓣、重瓣及雄性不育类型（无瓣/瓣化）。然而，杂交育种中父本花粉的特性长期被忽视，而花粉竞争（即配子体选择）可显著影响后代性状。尽管花粉形态在植物分类学中被视为稳定特征，但万寿菊因广泛适应性导致种内变异显著，其花粉是否因花型差异而存在可筛选的多样性，成为育种优化的关键突破口。

研究设计与方法

印度农业研究委员会-印度园艺研究所（ICAR-Indian Institute of Horticultural Research）团队选取9个基因型（涵盖6类花型），通过扫描电镜（SEM）对每基因型30粒花粉进行形态量化。核心参数包括：

1. 极轴（P）与赤道轴（E）长度——计算P/E比值判定形状（扁球形、近扁球形等）；
2. 萌发沟长度及外壁刺突特征；
3. 统计分析与遗传距离评估——采用Duncan检验、D2聚类（Mahalanobis）及频率分布检验（D'Agostino）。

核心结果：花型驱动花粉分化

1. 统一特征中的多样表达

所有基因型花粉均呈辐射对称、三沟孔型，外壁具金字塔形锥刺（图1a-f）。但形状以扁球形（FI=0.89–0.99） 为主（占比最高），其次为近扁球形，罕见扁圆形。

2. 花型显著影响花粉尺寸（表3）

• 瓣化雄性不育系的可育株花粉最大（极轴32.16 μm、赤道轴35.26 μm）；
• 半重瓣可育株花粉最小（极轴27.35 μm、赤道轴30.21 μm）；
• 重瓣花与无瓣雄性不育系可育株无显著差异，但二者均小于瓣化类型。

3. 基因型内变异揭示选择潜力

• 双峰分布现象：IIHRMY1-4（重瓣）、IIHRMO 2337 SF（无瓣单瓣）的赤道轴长度，以及IIHRMO 2330（半重瓣）、IIHRM 2-3 SF（瓣化单瓣）的极轴长度呈现双峰分布（图3），偏离正态分布（p<0.01），表明花粉群体存在形态分化亚群。
  
  
• 离群值广泛存在：如IIHRMO 2335（重瓣）的花粉周长存在上下离群值（图2箱线图），印证了基因型内异质性。
  
  

4. 聚类挑战传统花型分类（表5）

基于花粉形态的D2聚类将基因型分为5群，但重瓣类型（含无瓣系可育株）全部聚于Cluster I，而单瓣类型分散至独立群，说明花型不能完全预测花粉形态相似性。

结论与意义：花粉形态学赋能精准育种

本研究首次建立了非洲万寿菊的花粉形态特征库，并揭示三大核心价值：

1. 花型特异性标记：瓣化雄性不育系的花粉显著大于其他类型，可作杂交父本筛选的形态指标；
2. 配子体选择（Gametophytic Selection）可行性：花粉群体内非正态分布（如双峰）表明单倍体阶段存在可遗传变异，通过花粉竞争可定向富集优良等位基因（如大尺寸花粉可能提升受精优势）；
3. 育种程序优化：结合花粉形态量化与雄性不育系利用，可规避人工去雄、提升杂交种子生产效能。

未来需进一步探索花粉外壁厚度、刺突密度与萌发率的关系，以完善基于花粉表型的高通量筛选体系。此研究为菊科作物育种提供了从"花型观赏性"到"花粉功能型"的范式转换依据。

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注：所有结果与结论均严格基于原文数据，未添加非文献内容；专业术语如配子体选择（Gametophytic Selection）、三沟孔型（tricolporate）等保留原文表述；机构名称按国内惯例翻译并标注原文缩写（ICAR-IIHR）。