蓖麻鑲嵌系與雌性系間的生理差異研究

何曉琳，施玉珍，殷學(xué)貴，楊 婷，陸建農(nóng)

（1.廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣東 湛江 524088）

【研究意義】蓖麻（Ricinus communis L.）屬大戟科蓖麻屬，正常情況下蓖麻為雌雄同株異花的常異花授粉作物，為世界十大油料作物之一。蓖麻油及其衍生物在醫(yī)藥、染織、機械、化工、航空等多個領(lǐng)域都有應(yīng)用［1-2］。隨著工業(yè)的發(fā)展，蓖麻油的需求量逐年增多，但由于蓖麻單產(chǎn)不高，遠遠無法滿足市場需求。而采用蓖麻雌性系培育雜交種是蓖麻高產(chǎn)育種的重要手段，但當(dāng)前還存在對蓖麻性別表達的生理及遺傳機制了解不深、制種過程中種子純度不高、蓖麻雌性系繁種困難等諸多問題?！厩叭搜芯窟M展】蓖麻花序分為兩性花序（花序軸上部著生雌花、下部著生雄花）、單雌花序（只著生雌花）、鑲嵌花序（單雌花序上鑲嵌著生少量雄花）［3］。蓖麻的性別分化受基因控制，同時，激素、溫度、植株營養(yǎng)狀況等同時影響花序的性別分化［4］。關(guān)于蓖麻單雌性狀的遺傳研究，已報道的有細胞質(zhì)基因控制［5］、核顯性單基因控制［6］、核隱性單基因控制［7］、核隱性多基因控制［8］。Shifriss［4,6］認為蓖麻鑲嵌雄花由雌性基因與鑲嵌基因（id）共同決定。同時提出部分id基因為環(huán)境敏感基因。Zimmerman等［9］推斷環(huán)境敏感型蓖麻鑲嵌雄花由多基因控制。William等［10］認為蓖麻鑲嵌雄花的表達量取決于id基因的劑量，id1/id1、id2/id2表現(xiàn)型為高度鑲嵌。Lavanya［11］認為蓖麻高度鑲嵌類型后代會出現(xiàn)10%～12%鑲嵌株，低、中度鑲嵌型后代則趨向于雌性系。Lu等［12］提出蓖麻單雌性狀是由一系列隱性基因、至少1對顯性上位基因和多基因共同控制，當(dāng)顯性上位基因不存在時單雌可能轉(zhuǎn)變?yōu)殍偳叮瑫r，單雌基因和鑲嵌基因間的相對優(yōu)勢也影響鑲嵌性狀表達，且鑲嵌基因也由主基因和多基因共同控制。Tan等［13］以1對相同遺傳背景的兩性系和雌性系蓖麻為研究材料，通過轉(zhuǎn)錄組測序獲得了大量與激素反應(yīng)及生物合成相關(guān)的差異表達基因，包括激素反應(yīng)調(diào)控相關(guān)基因，DNA轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、性別分化、花粉、細胞程序性死亡、生殖發(fā)育、組蛋白甲基化/脫甲基相關(guān)基因等8大類共31個差異基因。在不同性別花序內(nèi)源激素研究中，汪磊等［14］發(fā)現(xiàn)蓖麻單雌花序中生長素、脫落酸含量高于兩性花序，而兩性花序中雄花脫落酸含量顯著高于雌花。文淡悠［15］發(fā)現(xiàn)蓖麻雌性系與蓖麻兩性系間內(nèi)源乙烯釋放量在六葉期前無差異，而在現(xiàn)蕾期差異顯著，在開花期達到極顯著水平，且均表現(xiàn)為兩性系高于雌性系，由此表明乙烯是蓖麻性型決定的關(guān)鍵因素之一。在外源激素對蓖麻性別分化研究中，Shifriss［16］認為噴施赤霉素能增加兩性株蓖麻花序的雌花分化。譚美蓮等［17］報道指出，100 mg/L赤霉素處理有利于蓖麻雌花分化，而250 mg/L赤霉素則有利于雄花形成。代夢媛等［18］認為噴施赤霉素合成抑制劑-多效唑有促雄作用。赤霉素和硝酸銀均能誘導(dǎo)單雌蓖麻出現(xiàn)鑲嵌雄花［19］。NAA、6-BA和激動素處理均能增加促雌［17,20］。有研究認為噴施乙烯利能減少蓖麻鑲嵌雄花的數(shù)目［21-22］，但也有研究認為高濃度的乙烯利能促進蓖麻雄花。【本研究切入點】目前蓖麻性別決定的遺傳和生理機制尚不完全清楚，蓖麻雌性系與蓖麻鑲嵌系間的生理差異比較尚未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以高度純合、遺傳背景相同的蓖麻鑲嵌系和雌性系為材料，在主穗現(xiàn)蕾期、盛花期分別對光合效率、營養(yǎng)物質(zhì)含量及內(nèi)源激素進行分析，旨在為蓖麻性別分化形成機理研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

蓖麻鑲嵌系和雌性系分別為9408 ISF、9408 P，由山東家祥蓖麻研究所提供，經(jīng)連續(xù)多代自交后用于試驗。兩者除性別差異外，其他表型完全相同。蓖麻雌性系植株主穗及一級分枝為單雌花序，無雄花出現(xiàn)，蓖麻鑲嵌系植株主穗花序上一級小花為雌花，少量二、三級小花會分化為雄花（圖1）。蓖麻用桶栽，桶內(nèi)基質(zhì)由花生殼、沙子、椰糠、化肥均勻混合而成，2017年11月種植于廣東海洋大學(xué)蓖麻育種基地溫室大棚，栽培管理水平一致。

圖1 蓖麻的花序Fig. 1 Inflorescence of Ricinus communis L.

1.2 試驗方法

在蓖麻主穗現(xiàn)蕾期、盛花期用主莖倒三葉分別測定葉綠素相對含量、光合速率、可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性淀粉含量和內(nèi)源激素等指標(biāo)，3次重復(fù)。葉綠素相對含量采用便攜式葉綠素計（SPAD-502Plus）測定，LI-6400XT光合儀測定植物葉片凈光合速率，可溶性糖、可溶性蛋白、可溶性淀粉含量測定參考王學(xué)奎等［24］的方法，內(nèi)源激素采用酶聯(lián)免疫吸附測定法（ELISA）測定（試劑盒由江蘇酶標(biāo)生物科技有限公司提供）。

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel、SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓖麻鑲嵌系、雌性系葉綠素相對含量及凈光合速率變化

從圖2A可以看出，在現(xiàn)蕾期，蓖麻鑲嵌系與雌性系之間葉綠素相對含量無顯著差異。在盛花期，鑲嵌系蓖麻葉綠素相對含量比雌性系上升15.2%，差異達顯著水平；從現(xiàn)蕾期到盛花期，雌性系葉片內(nèi)葉綠素相對含量變化不顯著，而鑲嵌系卻顯著上升，在盛花期上升了19.4%。凈光合速率變化趨勢與葉綠素相同(圖2B)，即現(xiàn)蕾期兩者之間無顯著差異，盛花期鑲嵌系比雌性系高23.3%，從現(xiàn)蕾期到盛花期，雌性系凈光合速率無顯著變化，但鑲嵌系凈光合速率上升幅度達到30.5%。鑲嵌花的形成伴隨著葉綠素相對含量和凈光合速率的上升。

圖2 蓖麻鑲嵌系、雌性系葉綠素相對含量及凈光合速率變化Fig. 2 Change of chlorophyll relative content and net photosynthetic rate in ISF line and pistillate line

2.2 蓖麻鑲嵌系、雌性系營養(yǎng)物質(zhì)含量變化

現(xiàn)蕾期蓖麻鑲嵌系葉片可溶性糖含量高于雌性系36.9%，但盛花期鑲嵌系比雌性系顯著下降38.0%，差異達到顯著水平（圖3A）；從現(xiàn)蕾期到盛花期，雌性系葉片內(nèi)可溶性糖含量無顯著下降，鑲嵌系呈顯著下降，降幅達62.3%。無論現(xiàn)蕾期還是盛花期，雌性系和鑲嵌系間可溶性蛋白含量均無顯著差異，但雌性系、鑲嵌系自身可溶性蛋白含量均顯著下降，降幅分別為19.3%、31.8%（圖3B）。在現(xiàn)蕾期和盛花期，鑲嵌系可溶性淀粉含量與雌性系相比有所下降，但在現(xiàn)蕾期差異不顯著，盛花期達顯著水平，降幅達54.9%（圖3C）。從現(xiàn)蕾期到盛花期，雌性系與鑲嵌系可溶性淀粉含量均大幅上升，但未達到顯著水平。鑲嵌花形成過程中，可溶性糖、可溶性蛋白和可溶性淀粉含量總體呈下降趨勢。

圖3 蓖麻鑲嵌系、雌性系營養(yǎng)物質(zhì)含量變化Fig. 3 Change of soluble nutrients content in ISF line and pistillate line

2.3 蓖麻鑲嵌系、雌性系內(nèi)源激素含量變化

現(xiàn)蕾期鑲嵌系蓖麻葉片赤霉素含量較雌性系低25.6%（圖4A），但盛花期鑲嵌系較雌性系高13.8%，差異均達到顯著水平。從現(xiàn)蕾期到盛花期，雌性系的赤霉素含量無顯著變化（圖4B），而鑲嵌系盛花期較現(xiàn)蕾期顯著上升了51.7%。現(xiàn)蕾期蓖麻鑲嵌系細胞分裂素含量較雌性系高61.5%，盛花期差異不顯著。鑲嵌系盛花期細胞分裂素含量較現(xiàn)蕾期下降33.0%，雌性系差異不顯著。盛花期生長素含量為鑲嵌系高于蓖麻雌性系，高達33.5%，達到顯著水平（圖4C）；而現(xiàn)蕾期差異不顯著。雌性系盛花期生長素含量比現(xiàn)蕾期下降24.3%，鑲嵌系不顯著。盛花期脫落酸含量較現(xiàn)蕾期均顯著上升，雌性系上升了39.0%，鑲嵌系上升了10.1%（圖4D）。而現(xiàn)蕾期雌性系與鑲嵌系間脫落酸含量無顯著差異，盛花期鑲嵌系脫落酸含量比雌性系降低14.8%，差異達顯著水平。乙烯含量在現(xiàn)蕾期差異不明顯（圖4E）；盛花期，鑲嵌系較雌性系高73.8%。雌性系盛花期乙烯含量比現(xiàn)蕾期下降31.2%，而鑲嵌系蓖麻上升20.0%。表明蓖麻鑲嵌雄花的分化需要較高濃度的赤霉素、乙烯，較低濃度的脫落酸。

圖4 蓖麻鑲嵌系、雌性系內(nèi)源激素含量變化Fig. 4 Change of endogenous hormones content in ISF line and pistillate line

3 討論

性別分化與植株營養(yǎng)物質(zhì)及內(nèi)源激素之間的關(guān)系一直廣受關(guān)注［14-15，25-27］。以往對蓖麻性別分化研究主要集中于雌性系與兩性系間內(nèi)源激素含量與性別的關(guān)系及不同外源激素處理對性別分化的影響。本研究主要分析蓖麻鑲嵌系與雌性系間的葉綠素相對含量、凈光合速率、營養(yǎng)物質(zhì)及內(nèi)源激素的差異。

在蓖麻鑲嵌雄花形成前，鑲嵌系與雌性系表型是完全相同的。伴隨著蓖麻鑲嵌雄花的形成，二者在表型和生理上出現(xiàn)顯著差異。無論蓖麻鑲嵌系還是雌性系，從現(xiàn)蕾期到盛花期可溶性營養(yǎng)物質(zhì)的變化趨勢相同，均是可溶性糖和可溶性蛋白含量下降、可溶性淀粉含量上升，但二者之間有明顯差異。在現(xiàn)蕾期，蓖麻鑲嵌系可溶性糖、細胞分裂素含量顯著高于雌性系，赤霉素含量顯著低于雌性系?？扇苄蕴鞘侵参镎麄€生長發(fā)育過程的主要能量物質(zhì)來源，蓖麻鑲嵌雄花的形成較雌性系需要儲備更多的的物質(zhì)能量。蓖麻鑲嵌雄花的形成前期主要以細胞數(shù)目增加為主，因而需要較高的細胞分裂素含量。因此可溶性糖與細胞分裂素的增加是鑲嵌雄花形成的前期生理基礎(chǔ)。蓖麻鑲嵌系赤霉素含量顯著低于雌性系是細胞分裂素對赤霉素的拮抗作用所致，因細胞分裂素能阻礙赤霉素的合成且促進赤霉素的降解［28］。

盛花期蓖麻鑲嵌系可溶性糖含量顯著低于雌性系，表明鑲嵌雄花的形成需要消耗大量的可溶性糖。從現(xiàn)蕾期到盛花期可溶性淀粉含量增加，這是可溶性糖轉(zhuǎn)化的結(jié)果，但由于蓖麻鑲嵌系可溶性糖消耗較多，所以積累水平一直低于雌性系。葉綠素相對含量與葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)［29］，因而與植物光合速率緊密相關(guān)。在現(xiàn)蕾期，蓖麻鑲嵌系葉綠素相對含量和凈光合速率與蓖麻雌性系無顯著差異，但盛花期顯著高于蓖麻雌性系，以滿足鑲嵌雄花形成對營養(yǎng)物質(zhì)的需求。銀杏雄株葉綠素含量高于雌株［30］，核桃雄花分化需要消耗大量的糖［31］，均與本研究結(jié)果一致。蛋白質(zhì)是花器官形態(tài)建成的物質(zhì)基礎(chǔ)，從現(xiàn)蕾期到盛花期蓖麻花器官逐漸分化成形，可溶性蛋白含量均呈下降趨勢。

赤霉素和生長素能促進植物細胞伸長和體積增大，從而促進植物器官的形態(tài)建成。蓖麻鑲嵌系盛花期赤霉素含量顯著高于蓖麻雌性系，因此高濃度赤霉素有利于鑲嵌雄花分化。Lakshmamma等［19］報道噴施濃度為100 mg/kg的赤霉素能促進蓖麻鑲嵌雄花分化，譚美蓮等［17］報道噴施低濃度赤霉素誘導(dǎo)蓖麻雌花分化、高濃度誘導(dǎo)雄花分化，與本研究結(jié)果一致。但Shifriss［16］認為赤霉素能促進蓖麻雌花分化。赤霉素對其他作物性別分化的研究結(jié)果不一致，對甜瓜［32］有利于雌花分化，對鈍葉柃［33］有利于雄蕊發(fā)育，這可能與不同植物性別分化對赤霉素的敏感性及所需濃度閾值有關(guān)。

生長素在黃瓜［34］、大麻［26］中能促進植株雌性分化。與汪磊等［14］單雌花序生長素含量高于兩性花序的結(jié)論相反，本試驗發(fā)現(xiàn)盛花期蓖麻鑲嵌系生長素含量高于雌性系，造成這種現(xiàn)象的原因可能是為了滿足盛花期的花器官細胞伸長與體積增大的需要，也可能是脫落酸含量的顯著上升而抑制了生長素合成，影響其分布［35］。

蘆筍雌性器官發(fā)育與低水平脫落酸相關(guān)，而較高水平脫落酸則與雄性器官發(fā)育有關(guān)［36］，脫落酸有利于華中五味子雌株的分化［37］，而對黃瓜性別分化的影響較?。?4］，可見脫落酸在不同植物性別分化過程中作用不同。本試驗中盛花期蓖麻雌性系脫落酸含量顯著高于蓖麻鑲嵌系，認為高濃度脫落酸能抑制鑲嵌雄花的產(chǎn)生，與汪磊等［14］報道單雌花序中脫落酸含量高于兩性系的結(jié)論吻合。

在以往報道中，乙烯的作用多是促進雌花分化的。如譚美蓮等［17］認為在蓖麻6～7葉期噴一定濃度乙烯利能促進蓖麻雄花分化，而Vema［38］則認為一定濃度的乙烯利可抑制蓖麻鑲嵌雄花的分化。本試驗中盛花期蓖麻鑲嵌系乙烯含量顯著高于雌性系，可見，高濃度的乙烯誘導(dǎo)了蓖麻鑲嵌雄花的形成，與文淡悠等［15,39］兩性系蓖麻內(nèi)源乙烯釋放率顯著高于雌性系且乙烯合成相關(guān)基因RcACS5與雄花的生長發(fā)育相關(guān)的觀點一致。

4 結(jié)論

蓖麻鑲嵌雄花的形成是雌性花序上正常雌花形成后的又一生理變化過程。這一過程初期是可溶性糖的增加和細胞分裂素水平的上升，之后葉片葉綠素含量與凈光合速率明顯上升，可溶性營養(yǎng)物質(zhì)消耗增加，生長素、赤霉素、乙烯含量增加以及脫落酸水平降低。在蓖麻種植過程中可噴施一定濃度葉面肥及生長調(diào)節(jié)劑誘導(dǎo)蓖麻性別轉(zhuǎn)化。