芹菜胞質(zhì)雄性不育系與保持系生理生化特性分析

高國(guó)訓(xùn)　王武臺(tái)　吳鋒　劉惠靜　朱鑫　靳力爭(zhēng)　彭立新

摘 要： 以芹菜胞質(zhì)雄性不育系0863A及其相應(yīng)保持系0863B的花蕾、盛開花朵和葉片為試材，測(cè)定并分析了可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、脯氨酸和葉綠素含量及SOD、POD酶活性水平。結(jié)果表明，在芹菜不育系的花器官中，可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和脯氨酸含量均高于其保持系，葉綠素a和葉綠素b均低于其保持系。在葉片中，可溶性蛋白質(zhì)和脯氨酸含量均高于其保持系，但可溶性糖和葉綠素含量不育系高于保持系。SOD酶活性在花器官中不育系較低，在葉片中則是保持系較低。POD酶活性在盛開花朵中不育系較高，達(dá)到保持系的2.02倍，而在花蕾和葉片中不育系卻比保持系低很多。

關(guān)鍵詞：芹菜；雄性不育系；可溶性蛋白質(zhì)；可溶性糖；脯氨酸；SOD；POD；葉綠素

中圖分類號(hào)：S636.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.08.001

芹菜是傘形花科二年生蔬菜，在世界各國(guó)普遍栽培。芹菜為復(fù)傘形花序，花小、量大、花期長(zhǎng)而分散[1]，人工去雄雜交很困難，雜交率不高[2]。以雄性不育系做母本進(jìn)行雜交制種，可免除人工去雄過程，提高雜交率，許多作物已經(jīng)成功應(yīng)用雄性不育系開展雜交育種，選育出大量一代雜交品種[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外發(fā)現(xiàn)并公開報(bào)道的芹菜雄性不育系還很少，國(guó)外報(bào)道的一例是由Orton等人于1982年在野生芹上發(fā)現(xiàn)的核不育材料MS1[5]，國(guó)內(nèi)報(bào)道的2例分別是由筆者于2002年在芹菜自交系01-3中發(fā)現(xiàn)的核不育系01-3A[6]和利用兩個(gè)芹菜變種進(jìn)行雜交，從其后代中選育出的胞質(zhì)不育系0863A[7]。我們對(duì)核不育系的研究相對(duì)較多[8-10]，并且已經(jīng)利用核不育系雜交育成兩個(gè)芹菜一代雜交新品種[11-12]，對(duì)胞質(zhì)不育系0863A的研究則剛開始。本試驗(yàn)以現(xiàn)有芹菜胞質(zhì)不育系0863A及其保持系0863B為材料，對(duì)其生理生化特性進(jìn)行比較分析，找到兩者之間差異，進(jìn)而揭示胞質(zhì)雄性不育發(fā)生機(jī)理，為今后芹菜雄性不育系選育和利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為芹菜胞質(zhì)型雄性不育系0863A及其相應(yīng)保持系0863B。所用材料于2011年9月上旬播種，11月初在天津科潤(rùn)蔬菜研究所陽畦內(nèi)按照10 cm×10 cm株行距進(jìn)行分苗，越冬期間分別適時(shí)覆蓋塑料薄膜和草簾進(jìn)行保溫，翌年3月下旬，當(dāng)秧苗已經(jīng)通過低溫春化后進(jìn)行定植。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣方法 6月中旬，選取處于2級(jí)花序盛花期的不育系0863A及其保持系0863B各5株，分別從各個(gè)種株上剪取直徑約為1 mm的花蕾、完全開放的小花和花序下部第一片嫩葉作為3種不同測(cè)試樣本，每種樣本分別取樣約10 g，馬上放入冰盒內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行生理生化指標(biāo)測(cè)定。種株的田間管理按常規(guī)方法進(jìn)行。

1.2.2 測(cè)試方法 可溶性蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮法；脯氨酸測(cè)定采用茚三酮法；葉綠素測(cè)定采用分光光度計(jì)法；超氧化物歧化酶（SOD） 測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法；過氧化物酶（POD）測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法。各項(xiàng)生理生化指標(biāo)具體測(cè)定方法均參照文獻(xiàn)[13]進(jìn)行，設(shè)3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 可溶性蛋白質(zhì)含量

表1數(shù)據(jù)顯示，不育系0863A花蕾內(nèi)蛋白質(zhì)含量只有保持系0863B的84.0%，差異極顯著；盛開花朵內(nèi)蛋白質(zhì)含量是保持系0863B的88.4%，也存在顯著差異；而葉片內(nèi)蛋白質(zhì)含量二者幾近相同。不育系和保持系相比，3個(gè)取樣部位蛋白質(zhì)含量的變化也有所不同，不育系變化較為劇烈，而保持系相對(duì)平緩。

2.2 可溶性糖含量

表2數(shù)據(jù)顯示，可溶性糖含量在芹菜不育系0863A及其相應(yīng)保持系0863B種株上的3個(gè)不同種取樣部位測(cè)定結(jié)果相差很大，正在開放的花朵內(nèi)可溶性糖含量最高，花蕾內(nèi)含量次之，葉片內(nèi)含量最低。在花蕾和盛開花朵內(nèi)的可溶性糖含量都是不育系0863A極顯著低于保持系0863B，而在葉片內(nèi)則是不育系0863A極顯著高于保持系0863B，說明芹菜雄性不育系0863A可溶性糖在營(yíng)養(yǎng)器官和生殖器官的代謝方式與保持系0863B存在很大不同。

2.3 脯氨酸含量

從脯氨酸含量絕對(duì)值來看，在芹菜種株的3個(gè)不同取樣部位中，不育系都極顯著地低于保持系（表3）。從3個(gè)部位的脯氨酸含量變化還可以看出，盛開花朵內(nèi)脯氨酸含量最高，不育系0863A盛開花朵脯氨酸含量大約是葉片和花蕾內(nèi)的1.9倍，保持系0863B大約是1.2～1.5倍，說明在開花過程中，不育系的脯氨酸含量上升幅度要大于保持系。

2.4 超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性

由表4可知，不育系SOD活性在盛開花朵中極顯著低于保持系，活性水平只是保持系的63.5%；在花蕾中二者沒有顯著差異；而在葉片中則正好相反，不育系SOD活性高于保持系43.9%。從SOD活性水平變化來看，不育系的SOD活性水平相對(duì)保持系而言，各器官相差較小，盛開花朵中的SOD活性是葉片中的78.7%；而保持系的SOD活性在各器官之間相差較大，盛開花朵中的SOD活性是178.5%。

POD活性在不育系和保持系之間也存在差異，在葉片和花蕾中是不育系比保持系低，不過花蕾中的差異未達(dá)到顯著性水平；在盛開花朵中則是不育系高，達(dá)到保持系的2.02倍。從3個(gè)取樣部位POD活性水平變化來看，不育系的POD活性變化劇烈，盛開花朵中的POD活性水平達(dá)到葉片和花蕾的4.77倍和4.41倍；保持系的POD活性水平以葉片中最高，是花蕾和盛開花朵中的2.25倍和1.51倍。

2.5 葉綠素含量

表5數(shù)據(jù)表明，無論是不育系還是保持系，其花蕾和盛開花朵中的葉綠素a和葉綠素b含量都極顯著地低于葉片含量。盛開花朵與花蕾相比，葉綠素a和葉綠素b含量都略有上升，保持系上升更快一些，但差異沒有達(dá)到顯著水平。不育系與保持系相比，不育系葉片內(nèi)葉綠素含量極顯著高于保持系，而花蕾內(nèi)差異很小，盛開花朵內(nèi)則低于保持系，葉綠素a 和葉綠素b以及總含量都是這樣趨勢(shì)。

3 討 論

植物雄性不育基因在表達(dá)過程中，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的生理生化反應(yīng)[14]。測(cè)定發(fā)現(xiàn)，在芹菜不育系的葉片、花蕾和盛開花朵中，脯氨酸含量都普遍低于相應(yīng)保持系。已有研究證明，植物體內(nèi)脯氨酸含量減少會(huì)抑制谷氨酸、α-酮戊二酸等其它氨基酸的轉(zhuǎn)化，從而使糖代謝受阻，導(dǎo)致可溶性糖含量降低；脯氨酸缺乏還影響蛋白質(zhì)的合成，使蛋白質(zhì)含量下降[15]。在本試驗(yàn)中，芹菜不育系的葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量與保持系非常接近，可溶性糖含量要比保持系顯著高；而在花蕾和盛開花朵中，上述兩種物質(zhì)含量在不育系中大幅下降，顯著低于保持系，這與以往其它蔬菜作物上進(jìn)行的研究結(jié)果非常相符，如胡蘿卜[16]、白菜[17]、辣椒[18]等多種蔬菜也有相似的測(cè)定結(jié)果。目前普遍認(rèn)為，植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)嚴(yán)重虧缺是引起雄性不育發(fā)生的重要原因[14]。

SOD和POD是植物體內(nèi)兩種非常重要的抗氧化酶。SOD能清除植物代謝中產(chǎn)生的有氧自由基，防止活性氧在植物體內(nèi)積累過多導(dǎo)致脂膜受損。SOD活性降低會(huì)導(dǎo)致膜脂結(jié)構(gòu)受損，花藥不能正常發(fā)育，從而引起雄性不育發(fā)生。在本試驗(yàn)中，芹菜不育系葉片中的SOD活性比保持系要高，但在花蕾和盛開花朵中有所下降，而在保持系的花蕾和盛開花朵中明顯上升，在盛開花朵中，不育系SOD活性極其顯著地低于保持系，這一結(jié)果與上述觀點(diǎn)基本相符。POD活性對(duì)控制植物體內(nèi)的IAA含量水平起著關(guān)鍵作用，而IAA直接關(guān)系到花藥營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累和運(yùn)輸，POD活性增高會(huì)導(dǎo)致花藥內(nèi)源IAA氧化分解，從而引起小孢子敗育[19]。本試驗(yàn)中芹菜不育系葉片和花蕾POD活性較保持系低，而在盛開花朵中卻大幅上升到保持系的2倍。這種POD酶活性隨著不育系花朵發(fā)育而增強(qiáng)的現(xiàn)象，在胡蘿卜[16]、白菜[17]、辣椒[20]、花椰菜[21]等多種蔬菜雄性不育機(jī)理研究中均有類似的表現(xiàn)。

有研究顯示，在植物雄性不育材料的光合器官中，葉綠體少、葉綠體內(nèi)囊體少，葉綠素含量低[22]。本試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，不育系盛開花朵所含葉綠素a和葉綠素b含量都少于保持系，花蕾葉綠素含量二者差別不明顯；而葉片葉綠素含量則是不育系顯著高出保持系。這一結(jié)果與在茄子[23]、甘藍(lán)[24]、大白菜[25]等蔬菜不育系所做試驗(yàn)結(jié)果不盡一致，需要進(jìn)一步試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

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