自花结实鸭梨授粉受精过程中生理代谢变化规律研究

自花结实鸭梨授粉受精过程中生理代谢变化规律研究 自花结实鸭梨授粉受精过程中生理代谢变 化规律研究 第34卷第1期 2011年1月 河北农业大学 J()URNAIOFAGRICULTURAIUNIVERSITYOFHEBE1 Vo1.34NO.1 Jan.2011 文章编号:1000一l573(2011)01—0042—05 自花结实鸭梨授粉受精过程中生理代谢变化规律研究 齐国辉,徐继忠,黄瑞虹 (1.河北农业大学林学院,河北保定071001;2.河北农业大学园艺学院,河北保定071001) 摘要:对鸭梨及其白花结实变异品种一一”金坠梨”和”魏县阎庄自花结实鸭梨”的自花授粉表现,花柱抗氧化酶 活性,MDA含量,内源激素含量及比值进行了研究.结果表明:”金坠梨”和”魏县阎庄自花结实鸭梨”自花授粉 后,花粉管能进入花柱,在沿花柱向子房伸长途中未被抑制,花粉管能顺利通过花柱进人胚囊,并能完成受精作 用.鸭梨的自花结实变异品种”金坠梨”和”魏县阎庄自花结实鸭梨” 的花柱中POD活性和MDA含量极显着低 于鸭梨;气球期花柱中促进生长的激素(GA,ZR,IAA)含量高,促进生 长的激素与抑制生长的激素(ABA)比值 较高,从而有利于花粉萌发和花粉管生长,利于花粉管顺利通过花柱 进入胚囊,完成受精作用,导致自交亲和. 关键词:鸭梨;自交不亲和;自花结实变异;生理代谢 中图分类号:S661.2文献标志码:A Physiologicalmetabolicroleofself-compatibilityof self-fruitfulnessmutationsofYalipear(PyrusbretschneideriRehd.) intheprocessofpollinationandfertility olGuo.hui.XUJi—zhong.HuangRui—hong (1.CollegeofForestry.AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001,China; 2.CollegeofHorticulture,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001,China) Abstract:Self-pollinatedbehavior,activitiesofSOD,POD,CATandthecontentofMDA, hormoneScontentsandratiosinfull—whitestylesofYalipearanditssel卜 fruitfulnessmutations thatwere”Jinzhuilipear??and”Weixianyanzhuangzihuajieshiyalipear”werestudied.There— sultsshowedthatpollentubesof”Jinzhuilipear”and”Weixianyanzhuangzih uajieshiyalipear” afterselfpollinatedcouldgrowintothestyles,andhadntbeeninhibitedinstyles,thepollen tubescouldgetintomegaspore.andcompletedfertilization.PODactivitiesandMDAcontents instylesofself-fruitfulnessmutationsofYalipearthatwere”Jinzhuilipear”and”Weixian— yanzhuangzihuajieshiyali”wereverysignificantlylowerthanthatofYalipear;hormonescon— tentsofpromotedgrowthsuchasGA,ZR,IAAinstylesofself-fruitfulnessmutationsofYali pearwerehigherthanthatofABA,andtheratiosofGA3/ABA,IAA/ABA,ZR/ABAand (GA3+IAA+ZR)/ABAwerehigherthanthatofYalipear,whichwasbeneficialtopollen germinationandpollentubegrowth,andhelpedpollentubesgetintomegaspore,completefer— tilization,andtherebyresultedinself—compatibility. Keywords:Yalipear;self_incompatibmty;self-fruitfulnessmutations;physiologicalmetabolic 收稿日期:2009—10—23 基金项目:河北省自然科学基金资助项目(C2006000429). 作者简介:齐国辉(1969一),女,河北省遵化市人,博士,教授,主要从事 经济林栽培教学及研究工作. E-mail:bdqgh@sina.corn 第1期齐国辉等:自花结实鸭梨授粉受精过程中生理代谢变化规律 研究43 自交不亲和性(Self-incompatibility)是被子植 物为了实现异花受精和遗传重组而形成的一种精密 的繁殖体系,被认为是被子植物进化迅速的主要原 因之一[】].它在植物界普遍存在,在开花植物中有 1/3,i/2的科表现有自交不亲和的现象.由于自 交不亲和是植物重要生命过程——生殖的一种现 象.因此,它已成为果树及其他植物的研究热点,也 是当前植物分子生物学研究的热点之一. 梨为配子体自交不亲和果树,生产中必须合理 配置适宜授粉品种或通过人工授粉才能保证产量. 自交亲和品种在梨树生产中具有很大优势,可以避 免因授粉树配置不当,花期气候不良或人工授粉不 及时而造成减产,因此,在20世纪8O年代日本已将 其作为果树育种的重要任务,且已从”二十世纪(Ni— jisseiki,基因型SS)”中选出自交亲和性栽培种 “奥嘎二十世纪(Osa—Nijisseiki,基因型S2SsM)”, 并对其进行了广泛的研究,认为亲和原因是S基因 花柱部分突变,S.基因的表达量减少及S基因 仅在柱头表达E2].从”奥嘎二十世纪”的杂交后代中 又选出了多个自交亲和品种(品系)l3.目前”奥嘎 二十世纪”已被广泛作为梨自交不亲和机理研究的 重要材料. 鸭梨是我国经过2000多年栽培的古老优良品 种,近年来,已从中选出”金坠梨”,”魏县阎庄白花结 实鸭梨”等自交亲和变异,因它们白花结实,免去了 人工授粉的工序,而其他特性与鸭梨基本一致,因 此,这2个品种在各鸭梨产区均有引种栽培[4].但 这2个重要材料目前还未引起我国学者的足够重 视,对其自交亲和机理的研究还未开展,这极大限制 了我国梨自交不亲和性研究和自交亲和品种选育_T 作的开展,因此急需对其亲和机理进行深入研究. 目前对梨自交不亲和性的研究主要集中在S基因 型的鉴定方面【5],未见关于自交亲和品种自交亲和 机理方面的研究.本试验以鸭梨及其自花结实变异 “金坠梨”和”魏县阎庄自花结实鸭梨”为材料,从白 花授粉表现,花柱抗氧化酶活性,MDA含量,内源 激素含量及比值等生理生化角度来揭示鸭梨白花结 实变异品种A交亲和的机理. 1材料与方法 1.1材料 试材为鸭梨,”金坠梨”,”魏县阎庄白花结实鸭 梨”(以下简称”阎庄鸭梨”),取自河北省魏县.采集 开花前气球期的花蕾,剥去花瓣,花丝,花药,切取花 柱,放在离心管中于一70.C冰箱中,用于抗氧化酶, 激素的测定. 1.2方法 1.2.1花粉的制备采集各品种气球期花蕾,剥去 花瓣,取下花药,放在用硫酸纸做的纸盒中,在25? 培养箱中使花粉散出,筛去花药和花丝,放在干燥洁 净的玻璃瓶中备用. 1.2.2自花授粉坐果率调查对每个品种选取有 代表性的树3株,在气球期对发育比较一致的花序 套报纸袋,每株套3o个花序;套袋前数各花序花朵 数.盛花期取各自花粉用毛笔进行人工白花授粉, 授粉后立即重新套好纸袋,2d后再人工授粉1次. 盛花后45d调查各品种花序坐果率和花朵坐果率. 花序坐果率()=坐果花序数/授粉花序数×100, 花朵坐果率()一果实数/授粉花朵数×100. 1.2.3花柱半离体培养方法参照张绍铃方法_7]. 将各品种开花前1d的花蕾剥去花瓣,花丝,花药, 立即白花授粉,然后将花柱平子房上端切下,进行花 柱半离体培养.每个品种花柱处理1o根左右,重复 3次,在25?,黑暗条件下培养48h后,在花柱切口 附近滴几滴0.1%的苯胺蓝,在显微镜下观察统计 从花柱基部伸出花粉管数及伸出花粉管的花柱比率 (花柱比率一伸出花粉管的花柱数/供试花柱数× 100%). 1.2.4花柱抗氧化酶活性,激素含量的测定花柱 SOD活性测定用NBT(氮蓝四唑)光还原法【8], POD活性测定用愈创木酚法l_8],CAT活性测定用 KMnO滴定法_8],MDA含量测定用TBA(硫代巴 比妥酸)法_9].花柱IAA,GA.,ZR,ABA用酶联免 疫测定法[83,检测读数使用Bio—RADModel550 Microplatereader,检测波长490nm. 2结果与 2.13个品种自花授粉表现 2.1.1自交坐果率调查鸭梨,”金坠梨”,”阎庄鸭 梨”自交坐果率调查结果见表1.表1表明,”阎庄 鸭梨”和”金坠梨”的花序坐果率和花朵坐果率都极 显着高于鸭梨,且花朵坐果率在60%以上,能满足 丰产要求,目前这2个品种在鸭梨产区已有引种栽 培.1o_11]. 44河北农业大学第34卷 表l各品种自交坐果率 Table1Fruitsetpercentageofeach cultivarspollinatedbyselfpollen70 注:表中各列不l司大写字母表不1差异水平.F同. 2.1.2花柱基部伸出花粉管的比率和花柱基部伸 出花粉管数各品种花柱自花授粉后,半离体培养 从花柱基部切口伸出花粉管比率和从花柱基部切口 伸出花粉管数见表2.结果表明,伸出花粉管花柱 比率品种间存在极显着差异,其中,”金坠梨”,”阎庄 鸭梨”从花柱基部伸出花粉管的比率分别为 54.76和69.44,鸭梨仅为2.0.这与自花授 粉后坐果率高低基本相吻合.平均每根花柱的伸出 花粉管数品种间也存在极显着差异,其中,”金坠 梨”,”阎庄鸭梨”从花柱基部伸出的花粉管数分别为 1.76和1.81条,鸭梨仅为0.02条(图1),表明从花 柱基部伸出的花粉管数与自交亲和性密切相关;”金 坠梨”,”阎庄鸭梨”自花授粉后,花粉管能进入花柱. 在沿花柱向子房伸长途中未被抑制,花粉管能顺利 通过花柱. 表2自花授粉花柱内花粉管生长状况 Table2Pollentubegrowthstateinstyleofselfpollination 1.金坠梨;2.阎庄鸭梨;3.鸭梨(花柱基部切口无花粉管伸出). 图l花柱白花授粉后半离体培养从花柱基部切口 伸出花粉管情况(箭头示从花柱基部切口处伸出的花粉管) Fig.1Self-pollinatedstylesbysemivitroculturewith protrudingpollentubesfromcutendsfarrows indicateedpollentubesprotrudedfromcutends) 2.1.3自花授粉果实的种子形成数”金坠梨”和 “阎庄鸭梨”白花授粉与鸭梨异花授粉所结果实中的 种子数在9,10粒,饱满种子数均在6粒以上,显着 性分析结果显示,三者平均种子数,饱满种子数之间 无显着性差异(表3),表明三者均为正常的授粉受 精果实,不存在单性结实现象.由此可见,”金坠梨” 和”魏县阎庄自花结实鸭梨”自花授粉后花粉管在沿 花柱向子房伸长途中未被抑制,能顺利完成受精 作用. 表3鸭梨异花授粉及其自交亲和变异 自花授粉形成果实的种子数 Table3ThenumberofseedsofcrossedfruitofYaliand selfedfruitofitsself-compatiblamutation 种 Av 均 era 种 ge 子 n 数 uro.1~er 饱 u 种 mber 粒不 um 尊b 子 er 致/0t 粒 … Ol Llt?. 0fa11seedssatiatedseedsunsatiatedseed. 2.2自花结实的生理生化机制 2.2.1花柱抗氧化酶活性及MDA含量的差异3个 品种气球期花柱抗氧化酶活性及MDA含量(FW) 测定,结果见表4.结果表明,花柱中CAT活性 (FW)3个品种之问存在极显着差异,”阎庄鸭梨”和 “金坠梨”花柱中CAT活性极显着高于鸭梨;”阎庄 鸭梨”花柱SOD活性(FW)极显着高于鸭梨和”金 坠梨”;”阎庄鸭梨”和”金坠梨”花柱中MDA含量 (FW)极显着低于鸭梨;但POD活性极显着低于鸭 梨,其中鸭梨花柱P0D活性为2.48OD/(g? min),是金坠梨的15.5倍,”阎庄鸭梨”7.4倍.而 高等植物中的P()D具有IAA氧化酶的活性,是催 化IAA降解的主要酶[,这可能使二者花柱中 IAA含量高于鸭梨,从而利于花粉管生长. 表4气球期花柱抗氧化酶活性及MDA含量 Table4ActivitiesofSOD,POD,CAT.thecontentof „ MDAinfull-whitestylesofeachcultivar 2.2.2气球期花柱激素含量及激素比值的差异3个 品种气球期花柱内源激素含量见表5.结果表明, “阎庄鸭梨”和”金坠梨”花柱中GA.,IAA,ZR含量 极显着高于鸭梨,ABA含量(Fw)极显着低于鸭梨, 其中”阎庄鸭梨”花柱IAA含量高达2101.50ng/ g,是鸭梨的2.34倍,这与花柱中POD活性相反. 表明鸭梨自交亲和变异气球期花柱中促进生长的激 第1期齐国辉等:白花结实鸭梨授粉受精过程中生理代谢变化规律 研究45 素含量高,从而有利于花粉萌发和花粉管生长. 3个品种花柱中GA./ABA,IAA/ABA,ZR/ABA, (GA.+IAA+ZR)/ABA的值存在极显着差异,鸭 梨极显着低于”金坠梨”和”阎庄鸭梨”.以上结果表 明,鸭梨的白花结实变异品种”金坠梨”和”阎庄鸭 梨”的气球期花柱中POD活性极显着低于鸭梨;促 进生长的激素(GA.,ZR,IAA)含量高,促进生长 的激素与抑制生长的激素(ABA)比值较高,从而有 利于花粉萌发和花粉管生长,利于花粉管顺利通过 花柱进入胚囊,完成受精作用,这是二者自花结实的 生理生化机制. 表5各品种气球期花柱激素含量及激素比值 Table5Hormonescontentsandratioinfull—whitestylesofeachcultivar 3讨论与结论 自交亲和变异品种是研究自交不亲和性的重要 材料,也是培育自交亲和品种的重要材料,日本用 “奥嘎二十世纪”为亲本,已经育成自交亲和变异品 种”秋荣(Akibae)”及其他自交亲和品系如”330— 12”,”333—9”l3],而我国鸭梨的自交亲和变异品种 “金坠梨”和”魏县阎庄自花结实鸭梨”自交亲和机理 研究还未进行,这与El本对自交亲和品种”奥嘎二十 世纪”的研究差距甚远.本研究对”金坠梨”,”阎庄 鸭梨”白花授粉表现,生理生化机理机理进行了研 究,在白花授粉表现方面,”金坠梨”,”阎庄鸭梨”白 花授粉后从花柱基部伸出花粉管的比率分别为 54.76和69.44,平均每根花柱的伸出花粉管数 分别为1.76和I.81条.张绍铃等研究发现,梨杂 交亲和组合从花柱基部伸出花粉管的比率和伸出花 粉管数分别51.6,86.7和I.7,I1.6条,二者 可作为杂交亲和的指标j.由此可见,”金坠梨”和 “阎庄鸭梨”白花授粉后符合杂交亲和指标,而二者自 花授粉所结果实内种子数量与鸭梨异花授粉无差别, 因此,认为”金坠梨”,”阎庄鸭梨”白花授粉后,花粉管 能进入花柱,在沿花柱向子房伸长途中未被抑制,花 粉管能顺利通过花柱进入胚囊,并能完成受精作用, 而不存在单性结实现象. SOD,POD,CAT作为植物体内抗氧化酶系统 的重要组成部分,在清除活性氧方面发挥重要作 用口;MDA为膜脂过氧化产物,能与蛋白质,氨基 酸,核酸物质交联,破坏膜的完整性.但POD,CAT 等酶在植物器官发生,雄性不育[1等方面具有重 要作用,同时,高等植物中的过氧化物酶是催化 IAA降解的主要酶[1,并与植物自交不亲和性有 关,研究表明,不亲和授粉激活过氧化物酶四聚体产 生,破坏花粉管中促进生长的激素IAA_1].本研究 发现,鸭梨的自交亲和变异品种花柱中POD活性均 极显着低于鸭梨,表明POD在梨自交不亲和方面主 要起IAA氧化酶的作用,鸭梨花柱中POD活性极 显着高于”金坠梨”和”阎庄鸭梨”,大量分解花柱中 的IAA,致使IAA含量极显着低于”金坠梨”和”阎 庄鸭梨”,从而不利于花粉管在花柱中的生长,导致 自交不亲和.研究表明,”金坠梨”自花授粉花柱中 IAA,GA.,ZR含量一直高于鸭梨自花授粉的,且与 鸭梨异花授粉含量接近,表明花柱中高水平的 IAA,GA.,ZR有利于授粉受精正常进行,这可能是 金坠梨自花结实的主要原因n.因此,认为鸭梨的 自交亲和变异品种”金坠梨”和”阎庄鸭梨”自花结实 的生理生化机制是气球期花柱中POD活性低,促进 生长的激素含量高,从而有利于花粉萌发和花粉管 生长,利于花粉管顺利通过花柱进入胚囊,完成受精 作用.其中花柱内POD活性的降低和刺激生长的 内源激素尤其是IAA含量的提高在自交亲和过程 中起主要作用. 参考文献: [1]孟金陵.植物生殖遗传学[M].北京:科出版社, 1995:214—218. [2]张绍铃,平蟓伸,徐国华,等.梨自交不亲和及其亲和 突变品种花柱内S(S)基因的表达与作用的比较 [J].植物,2001,43(11):1172—1l78. r3]IshimizuT,InoueK,ShimonakaM,eta1.PCR—based methodforidentifyingtheS—genotypesofJapanese pearcultivarsEJ].TheoreticalandAppli~lGenetics, 1999,98:961—967. [4]郗荣庭.中国鸭梨[M].北京:中国林业出版社,1999: 46河北农业大学第34卷 4—0,. 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