芹菜胞质雄性不育系与保持系生理生化特性分析

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摘 要： 以芹菜胞质雄性不育系0863A及其相应保持系0863B的花蕾、盛开花朵和叶片为试材，测定并分析了可溶性蛋白质、可溶性糖、脯氨酸和叶绿素含量及SOD、POD酶活性水平。结果表明，在芹菜不育系的花器官中，可溶性蛋白质、可溶性糖和脯氨酸含量均高于其保持系，叶绿素a和叶绿素b均低于其保持系。在叶片中，可溶性蛋白质和脯氨酸含量均高于其保持系，但可溶性糖和叶绿素含量不育系高于保持系。SOD酶活性在花器官中不育系较低，在叶片中则是保持系较低。POD酶活性在盛开花朵中不育系较高，达到保持系的2.02倍，而在花蕾和叶片中不育系却比保持系低很多。

关键词：芹菜；雄性不育系；可溶性蛋白质；可溶性糖；脯氨酸；SOD；POD；叶绿素

中图分类号：S636.3 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2013.08.001

芹菜是伞形花科二年生蔬菜，在世界各国普遍栽培。芹菜为复伞形花序，花小、量大、花期长而分散[1]，人工去雄杂交很困难，杂交率不高[2]。以雄性不育系做母本进行杂交制种，可免除人工去雄过程，提高杂交率，许多作物已经成功应用雄性不育系开展杂交育种，选育出大量一代杂交品种[3-4]。目前，国内外发现并公开报道的芹菜雄性不育系还很少，国外报道的一例是由Orton等人于1982年在野生芹上发现的核不育材料MS1[5]，国内报道的2例分别是由笔者于2002年在芹菜自交系01-3中发现的核不育系01-3A[6]和利用两个芹菜变种进行杂交，从其后代中选育出的胞质不育系0863A[7]。我们对核不育系的研究相对较多[8-10]，并且已经利用核不育系杂交育成两个芹菜一代杂交新品种[11-12]，对胞质不育系0863A的研究则刚开始。本试验以现有芹菜胞质不育系0863A及其保持系0863B为材料，对其生理生化特性进行比较分析，找到两者之间差异，进而揭示胞质雄性不育发生机理，为今后芹菜雄性不育系选育和利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为芹菜胞质型雄性不育系0863A及其相应保持系0863B。所用材料于2011年9月上旬播种，11月初在天津科润蔬菜研究所阳畦内按照10 cm×10 cm株行距进行分苗，越冬期间分别适时覆盖塑料薄膜和草帘进行保温，翌年3月下旬，当秧苗已经通过低温春化后进行定植。

1.2 试验方法

1.2.1 取样方法 6月中旬，选取处于2级花序盛花期的不育系0863A及其保持系0863B各5株，分别从各个种株上剪取直径约为1 mm的花蕾、完全开放的小花和花序下部第一片嫩叶作为3种不同测试样本，每种样本分别取样约10 g，马上放入冰盒内，带回实验室分别进行生理生化指标测定。种株的田间管理按常规方法进行。

1.2.2 测试方法 可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；可溶性糖含量测定采用蒽酮法；脯氨酸测定采用茚三酮法；叶绿素测定采用分光光度计法；超氧化物歧化酶（SOD） 测定采用氮蓝四唑法；过氧化物酶（POD）测定采用愈创木酚法。各项生理生化指标具体测定方法均参照文献[13]进行，设3次重复。

2 结果与分析

2.1 可溶性蛋白质含量

表1数据显示，不育系0863A花蕾内蛋白质含量只有保持系0863B的84.0%，差异极显著；盛开花朵内蛋白质含量是保持系0863B的88.4%，也存在显著差异；而叶片内蛋白质含量二者几近相同。不育系和保持系相比，3个取样部位蛋白质含量的变化也有所不同，不育系变化较为剧烈，而保持系相对平缓。

2.2 可溶性糖含量

表2数据显示，可溶性糖含量在芹菜不育系0863A及其相应保持系0863B种株上的3个不同种取样部位测定结果相差很大，正在开放的花朵内可溶性糖含量最高，花蕾内含量次之，叶片内含量最低。在花蕾和盛开花朵内的可溶性糖含量都是不育系0863A极显著低于保持系0863B，而在叶片内则是不育系0863A极显著高于保持系0863B，说明芹菜雄性不育系0863A可溶性糖在营养器官和生殖器官的代谢方式与保持系0863B存在很大不同。

2.3 脯氨酸含量

从脯氨酸含量绝对值来看，在芹菜种株的3个不同取样部位中，不育系都极显著地低于保持系（表3）。从3个部位的脯氨酸含量变化还可以看出，盛开花朵内脯氨酸含量最高，不育系0863A盛开花朵脯氨酸含量大约是叶片和花蕾内的1.9倍，保持系0863B大约是1.2～1.5倍，说明在开花过程中，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）和过氧化物酶（POD）活性

由表4可知，不育系SOD活性在盛开花朵中极显著低于保持系，活性水平只是保持系的63.5%；在花蕾中二者没有显著差异；而在叶片中则正好相反，不育系SOD活性高于保持系43.9%。从SOD活性水平变化来看，不育系的SOD活性水平相对保持系而言，各器官相差较小，盛开花朵中的SOD活性是叶片中的78.7%；而保持系的SOD活性在各器官之间相差较大，盛开花朵中的SOD活性是178.5%。

POD活性在不育系和保持系之间也存在差异，在叶片和花蕾中是不育系比保持系低，不过花蕾中的差异未达到显著性水平；在盛开花朵中则是不育系高，达到保持系的2.02倍。从3个取样部位POD活性水平变化来看，不育系的POD活性变化剧烈，盛开花朵中的POD活性水平达到叶片和花蕾的4.77倍和4.41倍；保持系的POD活性水平以叶片中最高，是花蕾和盛开花朵中的2.25倍和1.51倍。

2.5 叶绿素含量

表5数据表明，无论是不育系还是保持系，其花蕾和盛开花朵中的叶绿素a和叶绿素b含量都极显著地低于叶片含量。盛开花朵与花蕾相比，叶绿素a和叶绿素b含量都略有上升，保持系上升更快一些，但差异没有达到显著水平。不育系与保持系相比，不育系叶片内叶绿素含量极显著高于保持系，而花蕾内差异很小，盛开花朵内则低于保持系，叶绿素a 和叶绿素b以及总含量都是这样趋势。

3 讨 论

植物雄性不育基因在表达过程中，会发生一系列复杂的生理生化反应[14]。测定发现，在芹菜不育系的叶片、花蕾和盛开花朵中，脯氨酸含量都普遍低于相应保持系。已有研究证明，植物体内脯氨酸含量减少会抑制谷氨酸、α-酮戊二酸等其它氨基酸的转化，从而使糖代谢受阻，导致可溶性糖含量降低；脯氨酸缺乏还影响蛋白质的合成，使蛋白质含量下降[15]。在本试验中，芹菜不育系的叶片中可溶性蛋白质含量与保持系非常接近，可溶性糖含量要比保持系显著高；而在花蕾和盛开花朵中，上述两种物质含量在不育系中大幅下降，显著低于保持系，这与以往其它蔬菜作物上进行的研究结果非常相符，如胡萝卜[16]、白菜[17]、辣椒[18]等多种蔬菜也有相似的测定结果。目前普遍认为，植物体内营养物质严重亏缺是引起雄性不育发生的重要原因[14]。

SOD和POD是植物体内两种非常重要的抗氧化酶。SOD能清除植物代谢中产生的有氧自由基，防止活性氧在植物体内积累过多导致脂膜受损。SOD活性降低会导致膜脂结构受损，花药不能正常发育，从而引起雄性不育发生。在本试验中，芹菜不育系叶片中的SOD活性比保持系要高，但在花蕾和盛开花朵中有所下降，而在保持系的花蕾和盛开花朵中明显上升，在盛开花朵中，不育系SOD活性极其显著地低于保持系，这一结果与上述观点基本相符。POD活性对控制植物体内的IAA含量水平起着关键作用，而IAA直接关系到花药营养物质的积累和运输，POD活性增高会导致花药内源IAA氧化分解，从而引起小孢子败育[19]。本试验中芹菜不育系叶片和花蕾POD活性较保持系低，而在盛开花朵中却大幅上升到保持系的2倍。这种POD酶活性随着不育系花朵发育而增强的现象，在胡萝卜[16]、白菜[17]、辣椒[20]、花椰菜[21]等多种蔬菜雄性不育机理研究中均有类似的表现。

有研究显示，在植物雄性不育材料的光合器官中，叶绿体少、叶绿体内囊体少，叶绿素含量低[22]。本试验测定结果表明，不育系盛开花朵所含叶绿素a和叶绿素b含量都少于保持系，花蕾叶绿素含量二者差别不明显；而叶片叶绿素含量则是不育系显著高出保持系。这一结果与在茄子[23]、甘蓝[24]、大白菜[25]等蔬菜不育系所做试验结果不尽一致，需要进一步试验加以验证。

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