甘藍(lán)型油菜發(fā)育進(jìn)程中赤霉素動(dòng)態(tài)變化及其與產(chǎn)量的關(guān)系

謝伶俐，韋丁一，章子爽，徐勁松，張學(xué)昆，許本波

甘藍(lán)型油菜發(fā)育進(jìn)程中赤霉素動(dòng)態(tài)變化及其與產(chǎn)量的關(guān)系

謝伶俐1,2，韋丁一1,2，章子爽1,2，徐勁松1,3，張學(xué)昆1,3，許本波1,2

1長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北荊州 434025；2長(zhǎng)江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，湖北荊州 434025；3長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖北荊州 434025

中國(guó)甘藍(lán)型油菜品系與歐洲甘藍(lán)型油菜品系存在較大的遺傳差異，二者組配的雜種F1產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。測(cè)定不同來(lái)源的甘藍(lán)型油菜發(fā)育進(jìn)程中GA的動(dòng)態(tài)變化，研究GA含量與親本及雜種F1產(chǎn)量的關(guān)系，分析親本及雜種后代GA合成途徑關(guān)鍵酶基因的轉(zhuǎn)錄水平，為探明GA對(duì)甘藍(lán)型油菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響及其在產(chǎn)量形成過(guò)程中的作用奠定基礎(chǔ)。2020年11月至2021年5月，利用高效液相色譜法測(cè)定15個(gè)不同來(lái)源的中國(guó)甘藍(lán)型油菜品系及15個(gè)歐洲甘藍(lán)型油菜品系GA含量的動(dòng)態(tài)變化；2021年11月至2022年5月，以雜種F1產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)較強(qiáng)的YG2009×YC4、ZS11×YC4及其親本YG2009、ZS11、YC4為材料，考察3個(gè)不同時(shí)期（D1：2022年1月15日；D2：2022年2月15日；D3：2022年3月15日）親本及雜種F1的GA含量變化、生長(zhǎng)指標(biāo)（株高、根長(zhǎng)和鮮重等）、產(chǎn)量及構(gòu)成因子（單株角果數(shù)、角粒數(shù)和千粒重）和光合指標(biāo)（光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度），分析GA含量隨溫度變化的趨勢(shì)，GA含量與親本及雜種F1的農(nóng)藝性狀、光合特性和產(chǎn)量的關(guān)系，并利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)，分析親本及雜種F1不同時(shí)期（D1、D2和D3）GA合成途徑關(guān)鍵酶基因的轉(zhuǎn)錄水平變化。GA總量與環(huán)境溫度密切相關(guān)，供試甘藍(lán)型油菜GA含量隨溫度的變化均呈先降低后升高的趨勢(shì)，但來(lái)源于歐洲的甘藍(lán)型油菜品系平均GA含量高于中國(guó)品系。F1產(chǎn)量表現(xiàn)為明顯的優(yōu)勢(shì)，YG2009×YC4產(chǎn)量比其父、母本分別提高18.06%和10.35%；ZS11×YC4產(chǎn)量比其父、母本分別提高29.92%和28.6%。親本和雜種F1的部分農(nóng)藝性狀差異顯著，產(chǎn)量與GA含量存在相關(guān)性。親本及雜種F1中、及轉(zhuǎn)錄水平的變化較大。來(lái)源于歐洲的甘藍(lán)型油菜品系GA總量高于中國(guó)油菜品系，而且對(duì)溫度變化更加敏感；歐洲油菜和中國(guó)油菜品系雜交能產(chǎn)生產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)，其雜種優(yōu)勢(shì)與GA含量存在一定相關(guān)性；在發(fā)育過(guò)程中，歐洲油菜和中國(guó)油菜品系及其F1中、的變化與GA含量密切相關(guān)。

甘藍(lán)型油菜；雜種優(yōu)勢(shì)；赤霉素；產(chǎn)量；轉(zhuǎn)錄水平

0 引言

【研究意義】油菜是中國(guó)第一大油料作物，常年種植面積約667萬(wàn)hm2，同時(shí)，中國(guó)也是油菜籽進(jìn)口大國(guó)，年進(jìn)口油菜籽約320萬(wàn)t，因此，發(fā)展油菜生產(chǎn)對(duì)維護(hù)國(guó)家食用油供給安全具有重要的戰(zhàn)略意義[1]。油菜雜種F1具有較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)，利用雜種優(yōu)勢(shì)培育高產(chǎn)雜交油菜新品種，是保證中國(guó)食用油安全的一條有效途徑。【前人研究進(jìn)展】甘藍(lán)型油菜原產(chǎn)于歐洲，為強(qiáng)冬性油菜，20世紀(jì)50年代引入中國(guó)，由于其優(yōu)異的豐產(chǎn)性，迅速替代了中國(guó)的白菜型油菜[2]。中國(guó)引入甘藍(lán)型油菜后，對(duì)強(qiáng)冬性甘藍(lán)型油菜進(jìn)行了遺傳改良，選育出一系列適應(yīng)中國(guó)氣候的半冬性油菜[3]。胡鳴等[4]通過(guò)深度重測(cè)序，發(fā)現(xiàn)中國(guó)油菜雖然起源于歐洲油菜，但由于系統(tǒng)選育，已經(jīng)產(chǎn)生了比較大的遺傳變異，姚艷梅等[5]證明導(dǎo)入半冬性品種遺傳成分能提高甘藍(lán)型春油菜雜種的產(chǎn)量。植物激素參與多種遺傳和生理因素調(diào)控，是植物形態(tài)和功能的主要調(diào)節(jié)因子，GA作為一種重要的植物激素，在植物的整個(gè)發(fā)育周期中起調(diào)節(jié)作用，參與調(diào)控種子萌發(fā)、根的生長(zhǎng)、莖的伸長(zhǎng)及花和果實(shí)的發(fā)育等[6-10]。ZANEWICH等[11]研究發(fā)現(xiàn)自交系對(duì)外源GA3高度敏感，雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)的植株中內(nèi)源GAs含量高、GA新陳代謝旺盛、GA相關(guān)合成基因表達(dá)量增加等，表明GA與作物雜種優(yōu)勢(shì)有一定關(guān)系。MA等[12]通過(guò)內(nèi)源GA含量的定量分析和GA代謝和信號(hào)基因的表達(dá)譜分析，發(fā)現(xiàn)GAs在水稻幼苗發(fā)育的雜種優(yōu)勢(shì)中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。NICKERSON等[13]發(fā)現(xiàn)玉米基因型對(duì)GA3的敏感性與近交度有關(guān)，玉米自交系對(duì)外源GA3反應(yīng)強(qiáng)烈，雜交種含有較高的內(nèi)源GA水平以促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。ZHANG等[14]發(fā)現(xiàn)在雜種GA合成途徑中起積極作用的基因表達(dá)上調(diào)，而起消極作用的基因表達(dá)下調(diào)，進(jìn)一步證明GA與雜種優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)，而且強(qiáng)雜種優(yōu)勢(shì)植株具有較高的GA代謝水平和含量。GA合成過(guò)程復(fù)雜，首先合成內(nèi)根-貝殼杉烯，再由內(nèi)根-貝殼杉烯經(jīng)一系列復(fù)雜反應(yīng)生成GA12-醛后，再轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋偷腉A，該過(guò)程涉及多種酶和信號(hào)傳導(dǎo)因子參與，其中，CPS（copalylpyrophosphate synthase）、KS（ent-kaurence synthase）、KO（ent-kaurence oxidase）、KAO（ent-kaurenoic acid oxidase）為GA合成早期步驟的酶，GA20ox1（GA20-oxidase 1）、GA20ox4（GA20-oxidase 4）、GA3ox2（GA3-oxidase 2）、GA2ox6（GA2-oxidase 6）為GA合成晚期步驟的酶，GID1（gibberellin insensitive dwarf 1）、GID2（gibberellin insensitive dwarf 2）、SLR1（slender rice 11）、D1（dwarf 1）為GA信號(hào)傳導(dǎo)因子[11, 15-17]。近年來(lái)，隨著植物分子生物學(xué)及功能基因組學(xué)的發(fā)展，從分子水平上解析植物激素代謝調(diào)控與植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系已成為前沿和熱點(diǎn)。【本研究切入點(diǎn)】目前，中國(guó)油菜雜交種占油菜種子80%以上，雖對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳和分子基礎(chǔ)進(jìn)行了大量研究，但其機(jī)理尚不完全明確。長(zhǎng)江大學(xué)油料作物研究團(tuán)隊(duì)前期工作發(fā)現(xiàn)，中國(guó)甘藍(lán)型油菜自交系與歐洲甘藍(lán)型油菜自交系組配的雜種F1優(yōu)勢(shì)明顯，如，已登記的鄂油雜1號(hào)、長(zhǎng)油雜1號(hào)等4個(gè)油菜新品種。通過(guò)對(duì)引進(jìn)及保存的中國(guó)油菜、歐洲油菜材料及其自交系組配的雜種F1材料進(jìn)行系統(tǒng)的表型鑒定、生理生化測(cè)定，發(fā)現(xiàn)GA在產(chǎn)量形成過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以中國(guó)、歐洲來(lái)源的甘藍(lán)型油菜自交系及組配的強(qiáng)優(yōu)勢(shì)F1為試驗(yàn)材料，利用高效液相色譜法測(cè)定并分析不同來(lái)源甘藍(lán)型油菜發(fā)育進(jìn)程中GA的動(dòng)態(tài)變化，考察GA含量與親本及雜種F1的農(nóng)藝性狀、光合特性、產(chǎn)量的關(guān)系，并利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR（quantitative Real-Time PCR，qRT-PCR）方法，系統(tǒng)分析親本及雜種F1不同時(shí)期的GA合成途徑關(guān)鍵酶基因的轉(zhuǎn)錄特征，旨在解析甘藍(lán)型油菜發(fā)育進(jìn)程中GA的作用機(jī)理及GA在產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)形成過(guò)程中的作用，為油菜高效栽培及雜種優(yōu)勢(shì)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料

田間試驗(yàn)于2020—2022年在長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園試驗(yàn)基地（112o08'E，30o36'N）進(jìn)行。2年試驗(yàn)田前茬均為高粱，土壤質(zhì)地沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量10.2 g·kg-1，氮含量160.0 mg·kg-1，磷含量4.3mg·kg-1，鉀含量68.5 mg·kg-1，硼含量0.33 mg·kg-1。

2020—2021年供試材料為甘藍(lán)型油菜材料30個(gè)，其中，中國(guó)油菜材料15個(gè)，歐洲油菜材料15個(gè)（電子附表1）。

根據(jù)上一年試驗(yàn)結(jié)果，2021—2022年選取了雜種優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)的雜交組合YG2009×YC4、ZS11×YC4及其親本YG2009和ZS11（中國(guó)油菜）、YC4（歐洲油菜）為試驗(yàn)材料。

供試材料由長(zhǎng)江大學(xué)油料作物團(tuán)隊(duì)提供。

1.2 田間種植

2020—2021年采用條播方式，于2020年10月9日播種，每個(gè)材料種植2行；2021—2022年分小區(qū)種植，于2021年10月6日播種，小區(qū)面積為6.25 m2（2.5 m×2.5 m）。整地前施基肥于地表，用旋耕機(jī)將肥料與土壤混勻，采用“三溝”配套，廂溝、腰溝寬0.3 m、深0.2 m，圍溝寬、深均為0.3 m。3—5葉期人工間苗定植，行距20 cm，株距15 cm，其他管理同農(nóng)戶常規(guī)操作。

1.3 指標(biāo)測(cè)定及方法

1.3.1 內(nèi)源赤霉素含量的測(cè)定 2020—2021年：從2020年12月30日開(kāi)始，每間隔15 d取材一次，至2021年4月15日結(jié)束，進(jìn)行GA含量的測(cè)定，用于甘藍(lán)型油菜全生育期GA動(dòng)態(tài)變化分析。

2021—2022年：根據(jù)2020—2021年試驗(yàn)結(jié)果，參考日氣溫變化趨勢(shì)，分別于2022年1月15日、2月15日、3月15日取樣，進(jìn)行GA含量的測(cè)定，用于GA動(dòng)態(tài)變化與雜種優(yōu)勢(shì)之間關(guān)系分析。

取樣時(shí)從下部第一片葉開(kāi)始計(jì)算，取相同葉位的頂部嫩葉，取樣后立即于液氮中速凍，-80℃保存，用于激素提取。每個(gè)材料3次生物學(xué)重復(fù)，3次技術(shù)重復(fù)。

內(nèi)源赤霉素采用甲醇浸提法提取，高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）測(cè)定含量，流動(dòng)相為甲醇和1%乙酸溶液（甲醇﹕乙酸溶液=45﹕55），柱溫為35℃，流速為1mL·min-1，檢波為254 nm，進(jìn)樣量10 μL[18]。

1.3.2 產(chǎn)量及產(chǎn)量組成 成熟期各小區(qū)隨機(jī)取10株進(jìn)行考種，考察單株有效角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重、單株產(chǎn)量等。每個(gè)小區(qū)采用“單打單收”的方式進(jìn)行收獲，油菜籽粒風(fēng)干后稱重，測(cè)其實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.3 農(nóng)藝性狀相關(guān)指標(biāo) 根據(jù)2020—2021年大田試驗(yàn)結(jié)果，于2022年1月15日、2月15日、3月15日分別隨機(jī)選取各個(gè)材料10株植株，考察株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、干重等農(nóng)藝性狀相關(guān)指標(biāo)。

1.3.4 光合速率的測(cè)定 采用LI6400XT光合儀，于2021年12月4日上午9：00—11：00選取長(zhǎng)勢(shì)一致油菜植株的第二、三片成熟健康葉片，進(jìn)行凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉間CO2濃度和蒸騰速率測(cè)定，每個(gè)材料5次生物學(xué)重復(fù)，3次技術(shù)重復(fù)。

1.3.5 赤霉素代謝相關(guān)基因表達(dá)水平分析 在2022年1月15日、2月15日、3月15日進(jìn)行田間調(diào)查的同時(shí)，分別取YG2009×YC4、ZS11×YC4、YG2009、ZS11和YC4的葉組織，取樣時(shí)從下部第一片葉開(kāi)始計(jì)算，取相同葉位的頂部新葉，取樣后立即于液氮中速凍，-80℃保存，用于（Invitrogen，USA）RNA提取，并用HiScript III 1st Strand cDNA Synthesis Kit試劑盒（Vazyme）完成反轉(zhuǎn)錄。根據(jù)GA代謝通路，篩選出GA應(yīng)答基因，Blast比對(duì)油菜泛基因組和比較基因組生物信息平臺(tái)（BnPIR，http://cbi.hzau.edu.cn/ bnapus）中對(duì)應(yīng)的基因，利用Primer軟件設(shè)計(jì)GA代謝途徑相關(guān)基因熒光定量PCR引物（表1）。以甘藍(lán)型油菜（登錄號(hào)：FJ529167.1）為內(nèi)參基因，在CFX96TM熒光定量PCR儀（Bio-Rad，USA）完成qRT-PCR。

表1 qRT-PCR所用引物序列

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行原始數(shù)據(jù)錄入、計(jì)算和整理，利用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Craphpad prism 8軟件作圖。處理間比較采用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）。

2 結(jié)果

2.1 不同來(lái)源甘藍(lán)型油菜全生育期GA總量動(dòng)態(tài)變化分析

為分析中國(guó)和歐洲甘藍(lán)型油菜材料生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中GA總量變化規(guī)律，對(duì)30個(gè)不同來(lái)源的甘藍(lán)型油菜材料全生育期GA總量進(jìn)行了測(cè)定。

由圖1（國(guó)家氣象局）可知，試驗(yàn)點(diǎn)2020年12月平均氣溫相對(duì)較高，平均最低/最高氣溫為4.1/13.0℃，供試甘藍(lán)型油菜均處于苗期，中國(guó)油菜和歐洲油菜生長(zhǎng)差異不大。由圖2可知，在整個(gè)生育期間，不同來(lái)源的甘藍(lán)型油菜GA總量隨溫度的變化均呈先降低后升高的趨勢(shì)。2020年12月30日時(shí)，中國(guó)油菜材料GA總量普遍高于歐洲油菜材料，其中，中國(guó)油菜材料GA平均含量為294.2 ng·g-1，顯著高于歐洲油菜材料（253.6 ng·g-1）；后隨氣溫下降，供試甘藍(lán)型油菜GA總量呈下降趨勢(shì)，中國(guó)油菜下降幅度高于歐洲油菜，至2021年1月15日時(shí)，中國(guó)油菜材料GA平均含量為87.7ng·g-1，低于歐洲油菜材料的98.4 ng·g-1。2021年1月15日至3月2日，每半個(gè)月平均最低/最高氣溫分別為3.3/10.5℃、2.6/11.4℃、4.7/12.1℃，氣溫較低，變化幅度不大，所有供試甘藍(lán)型油菜材料GA總量均維持在一個(gè)較低水平，但歐洲油菜材料GA總量高于中國(guó)油菜材料。2021年3月2日時(shí)，中國(guó)油菜材料GA平均含量為61.5 ng·g-1，低于歐洲油菜材料（90.3 ng·g-1），此時(shí)，中國(guó)油菜材料由蕾薹期進(jìn)入花期，而歐洲油菜材料繼續(xù)處于苗期。至4月15日時(shí)，氣溫大幅度上升，半月平均最低/最高氣溫為8.0/16.9℃，此時(shí)，歐洲油菜材料GA總量迅速上升，達(dá)到195.1 ng·g-1，而中國(guó)油菜材料GA總量?jī)H56.8ng·g-1，兩者呈差異顯著水平。此時(shí)歐洲油菜生長(zhǎng)期則是進(jìn)入蕾薹期，而中國(guó)油菜材料GA總量變化不大，生育期進(jìn)入盛花期。

綜上，甘藍(lán)型油菜需要經(jīng)歷一段時(shí)間低溫來(lái)實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，但歐洲油菜對(duì)低溫敏感，相對(duì)中國(guó)油菜需要更長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間。中國(guó)油菜在較低的溫度下也能完成從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變；而歐洲油菜則需要合適的溫度促進(jìn)植株內(nèi)GA總量的升高，刺激其完成從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變。

圖1 2020-10-01—2021-06-01試驗(yàn)點(diǎn)日氣溫

圖2 甘藍(lán)型油菜全生育期GA動(dòng)態(tài)變化

2.2 產(chǎn)量及構(gòu)成分析

由表2可知，中國(guó)油菜YG2009、ZS11與歐洲油菜YC4雜交后，F(xiàn)1均表現(xiàn)出顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，其中，YG2009×YC4產(chǎn)量比其父、母本分別提高18.06%和10.35%；ZS11×YC4產(chǎn)量比其父、母本分別增產(chǎn)29.92%和28.6%，均達(dá)到差異顯著水平。在對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)指標(biāo)的分析中發(fā)現(xiàn)，YG2009×YC4單株角果數(shù)顯著高于父本，每角粒數(shù)、千粒重顯著高于母本，單株產(chǎn)量顯著高于父、母本；ZS11×YC4每角粒數(shù)顯著高于母本，單株角果數(shù)、單株產(chǎn)量均顯著高于父、母本。說(shuō)明雜種F1具有較強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，在生長(zhǎng)勢(shì)、結(jié)實(shí)率等方面優(yōu)于親本，使產(chǎn)量大幅度升高。

表2 親本及雜種F1產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成分析

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。下同

The data in the table are mean ± standard error. Different lowercase letters in the same column indicated a difference of 0.05 levels. The same as below

2.3 農(nóng)藝性狀分析

由圖3（國(guó)家氣象局）可知，試驗(yàn)點(diǎn)2022年1月1日至1月15日、1月16日至2月15日、2月16日至3月15日平均最低/最高氣溫分別為0.714/7.71℃、1.16/8.33℃和7.18/16.55℃，溫度變化趨勢(shì)與2020—2021年同期基本相同。由表3可知，2022年1月15日時(shí)YG2009×YC4株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、根長(zhǎng)、鮮重、干重分別比母本YG2009增加10.64%、12.9%、8.21%、2.2%、23.45%、30.46%和53.44%；分別比父本YC4增加41.94%、0.01%、45.67%、22.75%、9.63%、78.92%和58.99%，其中，雜種F1的株高、鮮重、干重與父、母本相比均達(dá)到差異極顯著水平。ZS11×YC4株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、根長(zhǎng)、鮮重、干重分別比母本ZS11增加3.79%、-12.9%、26.81%、15.82%、19.63%、-1.88%和-0.75%；分別比父本YC4增加55.5%、-6.25%、51.20%、25.93%、1.77%、30.53%和-5.68%，其中，葉長(zhǎng)與父母本、株高與父本相比均達(dá)到差異極顯著水平，葉寬、鮮重顯著高于父本。2022年1月15日至2月15日氣溫變化幅度不大（圖3），親本及雜種F1相關(guān)農(nóng)藝性狀增幅變化差異不顯著；2022年2月15日至3月15日氣溫大幅度上升，油菜進(jìn)入旺盛生長(zhǎng)期，親本及雜種F1相關(guān)農(nóng)藝性狀差異顯著。3月15日時(shí)，YG2009×YC4株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、根長(zhǎng)、鮮重、干重分別比母本YG2009增加6.8%、1.96%、26.98%、12.17%、36.84%、37.31%和81.53%；比父本YC4增加88.03%、20.93%、56.86%、43.33%、14.71%、228.09%和396.72%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，葉長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重極顯著高于母本YG2009，考察的所有農(nóng)藝性狀指標(biāo)均極顯著高于父本YC4。ZS11×YC4株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、根長(zhǎng)、鮮重、干重是母本ZS11的5.99%、-24.42%、25.00%、7.69%、14.06%、-28.58%和-10.77%，父本YC4的149.3%、51.16%、76.47%、40.00%、7.35%、439.05%和482.97%，其中，葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、鮮重、干重與母本相比均達(dá)到差異極顯著水平，株高、葉寬極顯著高于父本YC4。

圖3 2021/10/1—2022/6/1試驗(yàn)點(diǎn)日氣溫

表3 親本及雜種F1農(nóng)藝性狀分析

D1、D2、D3分別表示統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2022年1月15日、2月15日、3月15日。♂表示父本，♀表示母本。*、**表示在0.05和0.01水平差異，NS表示差異不顯著

D1, D2 and D3 respectively indicate that the statistical time is January 15, February 15 and March 15, 2022. ♂ represents the father and ♀ the mother. *, ** indicate a difference of 0.05 and 0.01 levels, and NS indicates that the difference is not significant

綜上，在甘藍(lán)型油菜的生長(zhǎng)過(guò)程中，親本和雜種F1的農(nóng)藝性狀指標(biāo)差異顯著，且與氣溫密切相關(guān)，而環(huán)境溫度影響了植株內(nèi)GA的合成。

2.4 親本和雜種F1光合特性分析

由圖4可知，YG2009、ZS11和YC4光合特性差異顯著，ZS11光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著高于YG2009和YC4，胞間CO2濃度顯著高于YG2009，但與YC4差異不顯著。YG2009×YC4光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率分別比父本YC4降低28.17%、52.60%和52.76%，達(dá)到差異顯著水平；胞間CO2濃度比母本YG2009提高5.74%，達(dá)到差異顯著水平。ZS11×YC4光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率分別比母本ZS11提高59.74%、507.28%和20.94%，分別比父本YC4提高139.13%、110.87%和69.45%，均達(dá)到差異顯著水平；胞間CO2濃度顯著低于母本ZS11，降低5.14%。

2.5 內(nèi)源赤霉素動(dòng)態(tài)變化分析

2022年1月16日至2月15日，平均最低/最高氣溫1.16/8.33℃（圖3），因環(huán)境溫度較低，由圖5可知，YG2009、YG2009×YC4、ZS11×YC4葉片中內(nèi)源GA含量急劇下降，分別降低67.03%、49.04%和68.59%，達(dá)到差異顯著水平；ZS11和YC4中GA含量呈下降趨勢(shì)但變化不顯著。2月16日至3月15日平均低溫/高溫氣溫7.18/16.55℃（圖3），隨著溫度上升，YG2009、ZS11、YC4、YG2009×YC4、ZS11× YC4中GA含量呈增加趨勢(shì)，歐洲油菜YC4對(duì)溫度響應(yīng)敏感，其內(nèi)源GA含量急劇增加，其含量是1月15日的3.95倍，2月15日含量的4.07倍，結(jié)合表3可知，內(nèi)源GA含量與歐洲油菜生育進(jìn)程密切相關(guān)（D1為旺盛營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期；從D2到D3，是歐洲油菜從營(yíng)養(yǎng)生產(chǎn)向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化時(shí)期）。YG2009、ZS11、YC4內(nèi)源GA含量變化趨勢(shì)與2020—2021年大田種植條件下甘藍(lán)型油菜全生育期GA動(dòng)態(tài)變化一致（圖2），即隨著溫度的變化內(nèi)源GA呈先下降后升高的趨勢(shì)；而雜種F1YG2009×YC4、ZS11×YC4內(nèi)源GA含量的變化也呈先下降后升高的趨勢(shì)，但波動(dòng)幅度介于雙親之間。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。下同 Different lowercase letters indicated a difference of 0.05 levels. The same as below

圖5 親本及雜種F1GA動(dòng)態(tài)變化分析

2.6 赤霉素代謝關(guān)鍵基因相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平分析

由圖6可以看出，GA代謝通路各關(guān)鍵基因在親本及雜種F1的葉片中均有表達(dá)，但不同材料、不同取材時(shí)間相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平不同，且差異顯著。其中親本及雜交F1中轉(zhuǎn)錄水平相對(duì)較高，和相對(duì)較低。中、歐來(lái)源甘藍(lán)型油菜GA合成中，從內(nèi)根-貝殼杉烯轉(zhuǎn)換成GA12-醛的過(guò)程中存在顯著的基因轉(zhuǎn)錄水平差異。

2022年1月15日，日平均最低/最高氣溫為0.714/7.71℃（圖3），父本YC4中、、轉(zhuǎn)錄水平顯著高于母本YG2009、ZS11。雜種F1YG2009×YC4、ZS11×YC4中，控制GA合成早期步驟的酶、、、相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平高于母本YG2009、ZS11，低于父本YC4。控制GA合成晚期步驟的酶、、、相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平相對(duì)父母本則變化較大。YG2009×YC4中、、、分別比母本YG2009提高20.86%、-4.83%、-58.35%和29.73%，相對(duì)父本YC4提高-69.13%、139.43%、-90.58%和280.41%；ZS11×YC4中、、、相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平分別比母本ZS11提高45.50%、215.59%、17.09%和-45.22%，比父本YC4提高-61.40%、1049.45%、-62.38%和151.08%。YG2009×YC4中GA信號(hào)傳導(dǎo)因子、、、相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平分別比母本YG2009提高30.16%、-18.38%、256.76%和-12.91%，比父本YC4降低49.74%、69.06%、-59.02%和42.79%；ZS11×YC4中、、、相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平分別比母本ZS11降低21.15%、34.01%、11.29%和-38.98%，比父本YC4降低53.90%、10.20%、38.03%和4.67%。

2022年1月15日至3月15日，溫度先下降后上升，YG2009、ZS11、YC4、YG2009×YC4、ZS11×YC4中、、相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)。因此，推測(cè)甘藍(lán)型油菜GA合成途徑中，具有溫度響應(yīng)關(guān)鍵因子調(diào)控GA信號(hào)傳導(dǎo)因子。2月15日至3月15日，隨著溫度上升，相對(duì)于低溫環(huán)境，親本及雜種F1YG2009×YC4、ZS11×YC4中、、、轉(zhuǎn)錄水平整體顯著上調(diào)。YG2009×YC4中、、、轉(zhuǎn)錄水平介于親本YG2009和YC4之間。

2022年3月15日，ZS11×YC4中轉(zhuǎn)錄水平是ZS11的1.8倍，YG2009×YC4中轉(zhuǎn)錄水平是YG2009的0.9倍，而YC4中轉(zhuǎn)錄水平顯著高于ZS11、YG2009。GID1蛋白是GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的重要受體，能特異性地結(jié)合活性GA，并進(jìn)一步與DELLA蛋白結(jié)合形成復(fù)合體，該復(fù)合體可以被特定的泛素E3連接酶復(fù)合體（SCFSLY1/GID2）多聚泛素化后被26S蛋白酶降解，從而產(chǎn)生GA效應(yīng)，為GA途徑正調(diào)控因子。ZS11×YC4、YG2009×YC4中轉(zhuǎn)錄水平介于2個(gè)親本之間，但YC4中轉(zhuǎn)錄水平顯著高于ZS11、YG2009。該轉(zhuǎn)錄水平變化與該時(shí)間段GA含量變化趨勢(shì)相符合（圖5）。

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，不同取材時(shí)間，親本及雜交F1葉片中GA相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平均有不同程度的變化。分別將2022年2月15日、3月15日和1月15日各基因的轉(zhuǎn)錄水平相比較，得到各個(gè)基因在不同時(shí)間的轉(zhuǎn)錄水平的變化幅度（圖7），發(fā)現(xiàn)、、等早期階段基因表達(dá)量下調(diào)，而、及的轉(zhuǎn)錄水平的變化幅度較大。2月15日，5個(gè)材料中的轉(zhuǎn)錄水平均上調(diào)，其中，YG2009、YC4中上調(diào)幅度較大，分別為17.14和17.22；在YG2009、ZS11×YC4中上調(diào)18.81和0.13，在其他材料中均下調(diào)，下調(diào)幅度分別為0.69、4.27和1.0；在YG2009中上調(diào)幅度較大，達(dá)到12.87，而在YC4、ZS11×YC4中下調(diào)，下調(diào)幅度分別為0.84和2.42。3月15日時(shí)，、的轉(zhuǎn)錄水平均上調(diào)，YG2009、ZS11、YC4、YG2009×YC4、ZS11×YC4中上調(diào)幅度分別為32.62、9.00、20.99、23.57和6.67；的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)幅度分別為13.09、7.82、2.86、9.99和7.66。而的轉(zhuǎn)錄水平除YC4下調(diào)1.41外，在YG2009、ZS11、YG2009×YC4、ZS11×YC4中均上調(diào)，上調(diào)幅度分別為7.44、3.42、15.91和3.73。

圖6 不同時(shí)期GA合成途徑關(guān)鍵酶基因的相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平

a：相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平變化=2022年2月15日基因相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平－1月15基因相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平；b：相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平變化=2022年3月15日基因相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平－1月15基因相對(duì)轉(zhuǎn)錄水平

植物中有活性的GA成分主要為GA1、GA3、GA4、GA7，而的轉(zhuǎn)錄水平與GA3、GA4、GA7的合成密切相關(guān)，的轉(zhuǎn)錄水平與GA1的合成密切相關(guān)，的轉(zhuǎn)錄水平與GA1、GA3、GA4、GA7前體物質(zhì)GA9、GA20合成密切相關(guān)。從1月15日到3月15日，YC4中的轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)為先下降后急劇上升，的轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的ZS11、YC4中GA含量先下降（不顯著）后顯著上升；YG2009×YC4中的轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)為先不變后急劇上升，的轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的GA含量則表現(xiàn)為先降低后升高趨勢(shì)；ZS11×YC4中與的轉(zhuǎn)錄水平表現(xiàn)為先下降后上升趨勢(shì)，GA含量則表現(xiàn)為先下降后上升趨勢(shì)，因此，與的轉(zhuǎn)錄水平與GA含量密切相關(guān)。

3 討論

3.1 GA含量變化影響甘藍(lán)型油菜從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換

中國(guó)甘藍(lán)型油菜品種多屬于半冬性品種，溫度適應(yīng)范圍較大，一般15—20 d的低溫春化（4—10℃）即可順利開(kāi)花。歐洲油菜品種多為冬性油菜，對(duì)低溫要求比較嚴(yán)格，需要15—35 d以上0—5℃低溫才能正常進(jìn)行花芽分化，開(kāi)始生殖生長(zhǎng)。

GA是植物重要的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑之一，可以打破種子休眠期，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高開(kāi)花坐果率，改進(jìn)品質(zhì)，增加作物產(chǎn)量[6-10]。本研究發(fā)現(xiàn)，甘藍(lán)型油菜由苗期進(jìn)入到蕾薹期和花期，GA含量迅速增加。GA途徑與春化途徑對(duì)開(kāi)花有著至關(guān)重要的作用，GAs具有代替某些植物開(kāi)花所需低溫的作用，促進(jìn)開(kāi)花。長(zhǎng)日照植物或二年生要求低溫的植物在成花誘導(dǎo)過(guò)程中體內(nèi)GA含量都增加[19-20]，BAO等[21]也發(fā)現(xiàn)GA在擬南芥開(kāi)花過(guò)程中起重要作用，說(shuō)明GA與低溫均對(duì)春化有重要作用。這與本研究的結(jié)果相吻合，年后GA含量升高，甘藍(lán)型油菜從幼苗期進(jìn)入蕾薹期，進(jìn)一步證明GA含量變化影響甘藍(lán)型油菜從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換。

3.2 親本GA代謝差異是雜種優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)

雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象是普遍存在于自然界的生物學(xué)現(xiàn)象之一，是作物遺傳改良的重要手段[22-23]。盧晶等[24]發(fā)現(xiàn)白菜型冬油菜雜交組合的不同性狀的超親優(yōu)勢(shì)率出現(xiàn)差異較大；張書芬等[25]發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)型油菜各重要農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢(shì)同樣存在豐富的變異。本研究發(fā)現(xiàn)雜種F1YG2009×YC4、ZS11×YC4光合作用增強(qiáng)，其株高、葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬等優(yōu)于親本；雜種F1的產(chǎn)量顯著高于親本。但通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，GA含量與農(nóng)藝性狀無(wú)顯著相關(guān)性。GA含量受環(huán)境條件影響較大，因此大田試驗(yàn)的同時(shí)也完成了室內(nèi)相對(duì)恒定條件下GA含量的測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GA含量對(duì)溫度敏感（圖8）。在5℃培養(yǎng)條件下，親本YG2009中GA含量顯著高于YC4，而YC4中GA含量顯著高于雜種F1YG2009×YC4和ZS11×YC4；15℃時(shí)，5個(gè)材料整體GA含量有增加的趨勢(shì)，但雜種F1YG2009×YC4和ZS11×YC4 GA含量增加更加明顯，含量介于兩親本之間；25℃時(shí)，雜種F1YG2009×YC4和ZS11×YC4 GA含量進(jìn)一步升高，顯著高于親本YG2009和YC4。小區(qū)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，雜種F1YG2009×YC4和ZS11× YC4 GA的產(chǎn)量也顯著高于親本，表現(xiàn)出產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

圖8 植物培養(yǎng)室相對(duì)恒定培養(yǎng)條件下親本和雜種F1幼苗GA含量

綜上可知，雜種F1與親本性狀間關(guān)系復(fù)雜，既互補(bǔ)又相互克制，一些性狀的加強(qiáng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致某些性狀的加強(qiáng)或者削弱。因此，要提高雜種優(yōu)勢(shì)，必須要抓住關(guān)鍵性狀的選擇，諸如倒伏指數(shù)、GA含量、株高，同時(shí)還要考慮雜交種與親本間同一性狀的相關(guān)性，兼顧各性狀雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，最終達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。

3.3 上游溫度響應(yīng)因子可能是中國(guó)和歐洲油菜材料應(yīng)答低溫環(huán)境的重要元件

GA在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，參與調(diào)控細(xì)胞分裂伸長(zhǎng)、生殖發(fā)育、打破種子休眠及應(yīng)答各種脅迫，從而起到調(diào)控植物株高[26-27]、花期控制[28-29]、應(yīng)對(duì)應(yīng)激反應(yīng)[30-34]等。

GA信號(hào)傳導(dǎo)路徑中的主要元件由活性GA受體GID1蛋白、核心調(diào)控DELLA蛋白、泛素E3連接酶復(fù)合體（SCFSLY1/GID2）和降解作用的26S蛋白酶等組成[35-37]。研究表明，GA信號(hào)可被GA受體GID1感知到，GID1是一種可溶性蛋白，定位在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中，可識(shí)別活性GAS，是一種DELLA蛋白，是GA響應(yīng)的負(fù)向調(diào)控因子，GA-GID1-SLR1復(fù)合物中的SLR1，由SCFGID2復(fù)合物中的F-box蛋白GID2識(shí)別后被降解，從而引起GA響應(yīng)[12]。另外，GA結(jié)合GID1提高了GID1與DELLA相互作用，加速降解DELLA渠道的泛素化通路[38-39]。本研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)和歐洲油菜品種GA合成過(guò)程中，從內(nèi)根-貝殼杉烯轉(zhuǎn)換成GA12-醛的過(guò)程中存在顯著的基因轉(zhuǎn)錄水平差異。結(jié)合2022年1月15日至3月15日YC4中GA含量上升的趨勢(shì)，推測(cè)YC4中、、在其GA合成中起著關(guān)鍵作用。植物中有活性的GA成分主要為GA1、GA3、GA4、GA7，而的轉(zhuǎn)錄水平與GA3、GA4、GA7的合成密切相關(guān)，的轉(zhuǎn)錄水平與GA1的合成密切相關(guān)，的轉(zhuǎn)錄水平與GA1、GA3、GA4、GA7前體物質(zhì)GA9、GA20合成密切相關(guān)。分析ZS11、YC4、YG2009×YC4和ZS11×YC4中與的轉(zhuǎn)錄水平變化，GA含量變化，發(fā)現(xiàn)與的轉(zhuǎn)錄水平與GA含量密切相關(guān)。

研究表明，植物對(duì)環(huán)境溫度升高的反應(yīng)涉及誘導(dǎo)生長(zhǎng)素和赤霉素（GA）生物合成基因，這些基因受PIF4控制[40-41]，一方面GAs控制DELLA蛋白的數(shù)量[42]，另一方面，在環(huán)境溫度升高后GA生物合成基因和轉(zhuǎn)錄水平提高，促進(jìn)GA合成[43]。基本螺旋-環(huán)-螺旋（bHLH）轉(zhuǎn)錄因子光敏色素相互作用因子4（PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4，PIF4）是熱形態(tài)發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子之一[44]，PIF家庭成員則參與對(duì)變化環(huán)境的發(fā)展反應(yīng)[45]。溫度升高后誘導(dǎo)GA生物合成可以通過(guò)降解DELLA蛋白質(zhì)激活PIF4，而PIF的正向調(diào)節(jié)和[46]。而在、、（）轉(zhuǎn)錄因子作用下，與和的結(jié)合增強(qiáng)，直接參與高溫條件下GA生物合成[47]。

綜上所述，在中國(guó)油菜和歐洲油菜GA合成過(guò)程中，可能存在溫度響應(yīng)因子的差異，導(dǎo)致對(duì)溫度響應(yīng)的敏感性不同，從而調(diào)控GA合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平差異，故不同生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)源GA的含量差異顯著。

4 結(jié)論

來(lái)源于歐洲的甘藍(lán)型油菜品系平均GA含量高于中國(guó)品系且對(duì)溫度響應(yīng)更加敏感。中國(guó)油菜品系與歐洲油菜品系雜交，F(xiàn)1在農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量等方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)。歐洲油菜和中國(guó)油菜品系及其F1在發(fā)育過(guò)程中，、及的轉(zhuǎn)錄水平的差異較大，導(dǎo)致不同生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)源GA的含量不同，影響產(chǎn)量的形成。

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Dynamic Changes of Gibberellin Content During the Development and Its Relationship with Yield ofL.

XIE Lingli1,2, WEI Dingyi1,2, ZHANG Zishuang1,2, XU Jinsong1,3, ZHANG Xuekun1,3, XU Benbo1,2

1Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland, Ministry of Education, Yangtze University, Jingzhou 434025, Hubei;2College of Life Science, Yangtze University, Jingzhou 434025, Hubei;3College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou 434025, Hubei

It was found that there were significant genetic differences between Chinese and Europeanlines, and the yield advantage of hybrid F1was obvious. To explore the effect of gibberellin (GA) on the growth and development of, the dynamic changes of GA during the developmental process offrom different lines were measured. For explaining the role of GA in the formation of yield, the transcriptional levels of key enzyme genes involved in GA synthesis were analyzed, and the relationship between GA content and yield in parents and F1was clarified.The dynamic changes of GA content in.lines (15 Chinese lines and 15 European lines) with different sources from November 2020 to May 2021were determined using high performance liquid chromatography. Two F1hybrid lines (YG2009×YC4, ZS11×YC4) with strong heterosis and their parents were used as materials to investigate the changes of GA content in different periods (D1, 15 January 2022; D2, 15 February 2022; D3, 15 March 2022)and measure growth indicators (plant height, root length, fresh weight, etc.), yield and component factors (silique number per plant, seed number per silique and thousand-seed weight), as well as photosynthetic indicators (photosynthetic rate, stomatal conductance, transpiration rate and intercellular CO2concentration).The change trend of GA content with temperature and the relationship between GA content and agronomic characters, photosynthetic characteristics and yield of parents and F1hybrid from November 2021 to May 2022 were analyzed. Besides, the transcriptional levels of key enzyme genes involved in GA synthesis of the parents and F1at different stages (D1, D2, D3) also examined by quantitative real-time PCR.The content of GA was closely related to the ambient temperature, and the GA content in the testedlines decreased first and then increased with the change of temperature. However, it was found that the average content of GA inlines from Europe was higher than that of Chinese lines. F1showed significant yield heterosis. Compared with the male and female parents, the yield of YG2009×YC4 and ZS11×YC4 increased by 18.06% and 10.35%, and 29.92% and 28.6%, respectively. There were significant differences in agronomic traits between parents and F1, and the yield was correlated with GA content. The results also showed that the transcriptional levels of,andSLR1 in parents and hybrid Fvaried greatly. The GA content oflines from Europe was more sensitive to temperature changes, but its average content of GA was higher than that from China. The yield of F1between European rape and Chinese rape lines showed strong heterosis, which was correlated with GA content. The transcriptional levels ofandregulated the GA content.

L.; heterosis; gibberellins; yield; transcription level

2022-07-31；

2022-09-05

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部項(xiàng)目（15214011）、湖北省農(nóng)業(yè)廳項(xiàng)目（鄂農(nóng)油[2021]9號(hào)）

謝伶俐，E-mail：linglixie@yangtzeu.edu.cn。韋丁一，E-mail：253232710@qq.com。謝伶俐和韋丁一為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者許本波，E-mail：benboxu@yangtzeu.edu.cn。通信作者張學(xué)昆，E-mail：zhangxuekun@yangtzeu.edu.cn

（責(zé)任編輯 李莉）