Investigating pollination success between Pinus radiata and selected pine species

Ham, Hannel (2018-03)

Thesis (PhDFor)--Stellenbosch University, 2018.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: Pinus radiata is not only an important commercial plantation species in the Southern Hemisphere, but it is highly susceptible to Fusarium circinatum. Interspecific hybridisation attempts between P. radiata and some pine species is an ongoing process to improve F. circinatum tolerance. To date, limited pollination success between P. radiata and some pine species (P. tecunumanii, P. oocarpa, P. pringlei and P. patula) might be a result of biological or reproductive barriers that limit gene flow between species. Seven Pinus species (P. tecunumanii, P. oocarpa, P. pringlei, P. maximinoi, P. elliottii, P. taeda and P. patula) and one interspecific hybrid (P. patula×tecunumanii) with F. circinatum tolerance were selected as possible hybridisation partners for P. radiata. Previous studies indicated that the eight pure pine species are grouped in three distinctly different subsections with no difference in the karyotype. A generic Pinus cross-pollination protocol was developed and tested. Pollination success was evaluated with pathology diagnostic tests and DNA fingerprinting. Not only did the pathology tests indicate that all the screened seedlings were indeed infected and susceptible to F. circinatum (as would be expected from P. radiata pure species seedlings), but DNA fingerprinting assigned seedlings to the P. radiata population. Low pollen germination and pollen contamination from external sources might have contributed to the limited pollination success. However, Computed Tomography (CT) scans were successfully conducted to determine seed set of intact cones at 104 weeks after pollination. The generic protocol was adapted (green woven cloth bags to be replaced regularly, seal openings created by bulb applicators daily, sterilise breeding equipment, needles and female strobili before bagging and pollination events) and tested to determine whether pollination success could be improved. Studies on the climatic conditions inside (micro) and outside (macro) the pollination bags indicated that placement of the bags in the top northern side of P. radiata trees at the Karatara seed orchard, might increase temperatures closer to Sabie temperatures where the eight pine taxa (eight pure species and one hybrid) yield viable seed. Temperature fluctuations between day and night time are more severe at Karatara than Sabie and might be a constraint to pollination success. Three circadian models were developed to simulate climatic conditions at Karatara (micro and macro) and Sabie (average between Tweefontein, Witklip and Spitskop seed orchards). Biplots (discriminant analysis and principal component analysis), resembling the natural provenance climate data, grouped P. elliottii, P. taeda and P. radiata with Karatara, indicating good site species matching. When altitude was ignored as a vector, P. patula was grouped with the trio as well. In vivo pollination success between P. radiata, P. tecunumanii, P. oocarpa and P. maximinoi were determined by counting the number of visible ovules, pollen grains inside the ovules, pollen grains outside the ovules and pollen tubes. Data was collected with a standard fixation-dehydration-embedding histology sequence over the seven-week period, indicating that P. radiata×oocarpa, P. radiata×tecunumanii and P. radiata×maximinoi, differed significantly from P. radiata×radiata for all four factors investigated. The paraffin wax method was not suitable to study conelets older than eight weeks. MicroCT scans were used to confirm if fertilisation occurred between 15 to 16 months after pollination. Seed were visible from week 68 after pollination and viability of seed could be determined with quantitative porosity and defect analyses. Pearson correlation with biplots between natural provenance data (altitude, precipitation and temperature), PTGR (length and width) and hydrated pollen grain size (length and width) at micro- and macrotemperature regimes for the eight pure species, identified three distinct climatic response groups. These are (1) P. oocarpa and P. tecunumanii; (2) P. maximinoi and P. patula; and (3) P. elliottii and P. taeda. Although P. pringlei and P. radiata were not included in the three distinct climatic response groups, P. pringlei grouped with P. patula because of altitude, while P. radiata grouped with P. elliottii and P. taeda due to precipitation and minimum temperature. Data collected at Karatara during this study, correlated with previous studies indicating that P. radiata is better adapted to drier summers and wetter winters than the more tropical species. Therefore, pollination success at Karatara is not likely to be constrained by site factors, but if the pollen partner is not comparable with the temperature regimes at Karatara, it might result in limited pollination success. Therefore, data collected indicated that P. elliottii and P. taeda might be potential hybridisation partners for P. radiata. During this study valuable information was collected in terms of pollen grain size, PTGR, climatic data, three circadian models, in vivo pollination success and microCT scans. As this study focused on climate and pollen aspects, future studies need to concentrate on the female strobili, such as the hormonal and/or chemical interaction and whether ovule abortions are affecting pollination success.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Pinus radiata is nie net ‘n belangrike kommersiële plantasie spesie in die Suidelike Halfrond nie, maar ook hoogs vatbaar vir Fusarium circinatum. Interspesifieke hibridisasie pogings tussen P. radiata en party dennespesies word voortdurend gedoen om weerstand teen F. circinatum te verhoog. Beperkte bestuiwing sukses tussen P. radiata en sommige dennespesies (P. tecunumanii, P. oocarpa, P. pringlei en P. patula) tot op hede mag die gevolg van biologiese of reproduktiewe versperrings wees wat gene vloei tussen spesies beperk. Sewe Pinus spesies (P. tecunumanii, P. oocarpa, P. pringlei, P. maximinoi, P. elliottii, P. taeda en P. patula) en een interspesifieke hibried (P. patula×tecunumanii) met F. circinatum weerstand is gekies as moontlike hibridisasie pasmaats vir P. radiata. Vorige studies het getoon dat die agt suiwer dennespesies gegroepeer is in drie duidelik verskillende subseksies met geen verskil in kariotipe nie. ʼn Generiese Pinus kruisbestuiwingsprotokol is ontwikkel en getoets. Bestuiwing sukses is geëvalueer met patologie ontledingstoetse en DNS vingerafdrukke. Die patologie toetse het aangedui dat al die getoetste saailinge tog met F. circinatum geïnfekteer is en vatbaar is daarvoor, soos verwag sou word van suiwer P. radiata saailinge. DNS vingerafdrukke het saailinge toegeken aan die P. radiata populasie. Lae stuifmeel ontkieming en stuifmeel kontaminasie van eksterne bronne mag bygedra het tot die beperkte bestuiwing sukses. Rekenaar tomografie (RT) skanderings is suksesvol uitgevoer om saad vorming in geslote keëls op 104 weke na bestuiwing te bepaal. Die generiese protokol is aangepas (groen geweefde lapsakkies wat gereeld vervang word, seël openinge daagliks wat veroorsaak is deur bolglasstafies, steriliseer teelgereedskap, naalde en vroulike strobili voor sakplasing en bestuiwings geleenthede) en getoets om te bepaal of hierdie aanpassings wel kanse op bestuiwings sukses verhoog. Studies op die klimaatstoestande binne (mikro) en buite (makro) die bestuiwingsakkies het getoon dat plasing van die sakkies in die top noordelike kant van P. radiata bome in die Karatara saad boord, mag die temperatuur nader aan Sabie se temperature bring waar die agt dennespesies lewensvatbare saad produseer. Temperatuur wisselinge tussen dag en nag is groter by Karatara as Sabie en mag ʼn moontlike reproduktiewe versperring wees. Drie sirkadiese modelle is ontwikkel om klimaatstoestande by Karatara (mikro en makro) en Sabie (gemiddeld tussen Tweefontein, Witklip en Spitskop saad boorde) te simuleer. Alhoewel die spesifieke posisionering van die bestuiwingsakkies in die boomtoppe en aan die noordelike kant van die bome die gaping in dagtemperature tussen Karatara en Sabie mag verklein het, het die nagtemperature grootliks verskil. Wisseling in die nagtemperature was meer opmerklik by Karatara as by Sabie. Bistipping (diskriminantanalise en hoofkomponentanalise), wat die natuurlike herkoms se klimaatsdata weerspieël, het P. elliottii, P. taeda en P. radiata by Karatara gegroepeer, wat goeie area spesie passing aandui. Wanneer hoogte bo seevlak as vektor geïgnoreer word, kan P. patula ook by die drie gegroepeer word. Die beperkte sukses van vorige interspesifieke hibridisasie pogings met P. radiata het gedetailleerde studies op stuifmeel ontkieming en groei gewaarborg. Klimaatstelsels wat amper dieselfde as die bogenoemde mikro- en makro- klimate is, het stuifmeelkorrel grootte (hidrasie), stuifmeelbuis grootte en stuifmeelbuis groeitempo’s (SBGT) affekteer. Verder, om die hidrasie-effek van die stuifmeeldruppel op stuifmeelkorrels te simuleer, is gedehidreerde en gehidreerde stuifmeelkorrelgroottes van die nege denne taksa (ag Pinus spesies en een hibried) met mekaar vergelyk. Alhoewel daar betekenisvolle verskille was in die SBGT, stuifmeelkorrel grootte en stuifmeelbuis grootte van die verskillende spesies, het geen van die dennespesies ʼn grootte of SBGT gehad wat vergelykbaar is met P. radiata nie. Daar is tot die gevolgtrekking gekom dat die in vitro eksperimente, ten spyte van die verskille waargeneem, nie voldoende antwoorde tot die beperkte bestuiwing sukses verskaf het nie. In vivo bestuiwing sukses tussen P. radiata, P. tecunumanii, P. oocarpa en P. maximinoi is bepaal deur die aantal sigbare saadknoppe, stuifmeelkorrels binne die saadknoppe, stuifmeelkorrels buite die saadknoppe en stuifmeelbuise te tel. Data is versamel met ʼn standaard fiksasie-dehidrasie-inbedding histologie volgorde oor die sewe-week tydperk. Dit het aangewys dat P. radiata×oocarpa, P. radiata×tecunumanii en P. radiata×maximinoi aansienlik verskil het van P. radiata×radiata vir al vier faktore wat ondersoek is. Die paraffienwas metode was nie geskik om keëls ouer as agt weke te bestudeer nie. MikroRT skanderings is gebruik om te bepaal of bevrugting plaasgevind het tussen 15 tot 16 maande na bestuiwing. Saad was sigbaar vanaf week 68 na bestuiwing en lewensvatbaarheid van saad kon bepaal word met kwantitatiewe porositeit en defekte analise. Pearson korrelasie met bi-stipping tussen natuurlike herkoms data (hoogte bo seevlak, neerslag en temperatuur), SBGT (lengte en breedte) en gehidreerde stuifmeelbuis grootte (lengte en breedte) by mikroen makro-temperatuur stelsels vir die agt suiwer spesies, het drie duidelike klimaat reaksie groepe geïdentifiseer. Dit is (1) P. oocarpa en P. tecunumanii, (2) P. maximinoi en P. patula, en (3) P. elliottii en P. taeda. Pinus pringlei en P. radiata is nie ingesluit by die drie duidelike klimaat reaksie groepe nie, maar P. pringlei kan by P. patula gegroepeer word as gevolg van hoogte bo seevlak, terwyl P. radiata by P. elliottii en P. taeda gegroepeer kan word weens neerslag en minimum temperatuur. Data versamel by Karatara deur die loop van hierdie studie, het ooreengestem met vorige studies wat bewys dat P. radiata beter aangepas is by droër somers en natter winters as die meer tropiese spesies. Daarom is bestuiwing sukses by Karatara waarskynlik nie beperk deur area faktore nie, maar as die stuifmeel pasmaat nie vergelykbaar is met die temperatuurstelsels by Karatara nie, mag dit beperkte bestuiwing sukses tot gevolg hê. Dus het data wat versamel is, aangedui dat P. elliottii en P. taeda potensiële hibridisasie pasmaats vir P. radiata kan wees. Gedurende hierdie studie is waardevolle inligting versamel in terme van stuifmeelkorrel grootte, SBGT, klimaatsdata, drie sirkadiese modelle, in vivo bestuiwing sukses en mikroRT skanderings. Omdat hierdie studie gefokus het op klimaat en stuifmeel aspekte, moet toekomstige studies fokus op die vroulike strobili, soos die hormonale en/of chemiese interaksie en of saadknop aborsies bestuiwing suksesse affekteer.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/103679
This item appears in the following collections: