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甘蓝自交不亲和性的化学控制



全 文 :植物生理学通讯 第 45卷 第 11期,2009年 11月 1137
收稿 2009-07-30 修定  2009-10-21
资助 国家科技部支撑项目(20 06 BAD0 1 A7 -2 -0 3)、重庆市
“ 十一五 ” 科技攻关项目( 1 0 3 7 6 )和西南大学校基金
(2 0 7 0 4 0 3 )。
* 通讯作者(E-mail: chqli@swu.edu.cn; Tel: 023-68251611)。
植物生理学与农业及生产应用 Plant Physiology and Agriculture and Applications
甘蓝自交不亲和性的化学控制
刘璐, 李成琼 *, 任雪松, 宋洪元, 司军
西南大学园艺园林学院, 重庆市蔬菜学重点实验室, 重庆 400715
Chemical Control of the Self-Incompatibility of Brassica oleracea L.
LIU Lu, LI Cheng-Qiong*, REN Xue-Song, SONG Hong-Yuan, SI Jun
Chongqing Key Laboratory of Olericulture, College of Horticulture and Landscape, Southwest University, Chongqing 400715,
China
提要: 本文介绍甘蓝自交不亲和性的化学控制研究进展。
关键词: 甘蓝; 自交不亲和性; 化学控制
甘蓝(Brassica oleracea L.)是我国栽培面积较
大的蔬菜作物之一。以前, 甘蓝杂种一代的制种主
要采用自交不亲和系, 这虽然有杂种优势强、选育
较容易和周期短等优点, 但长期连续自交会导致后
代生活力的衰退, 种子繁殖系数下降, 而且繁殖自
交不亲和系需要在蕾期进行人工授粉, 操作麻烦, 费
时费工, 效率低, 大大增加了制种的成本。
所谓自交不亲和性(self-incompatibility, SI)是指
雌雄二性配子均有正常的生活受精能力, 在不同基
因型的株间授粉能正常结籽, 但花期自交则不能结
籽或结籽率极低。植物自交不亲和的实质是: 雌蕊
细胞分泌出识别物质以识别或拒接同源花粉的分子
反应(华志明 1999)。
按照形态学和遗传学的分类方法, 自交不亲和
性分成异型(heteromorphic)和同型(homomorphic)两
大类。同型自交不亲和性又分成孢子体自交不亲
和性(sporophytic self-incompatibility, SSI)和配子体
自交不亲和性(gametophytic self-incompatibility,
GSI)。异型自交不亲和性又分为二形花柱的自交
不亲和性和三形花柱的自交不亲和性。
1763年, Ko1reuter首次从紫毛蕊花(Verbascum
phoeniceum)中发现了自交不亲和现象(胡适宜
1982)。在自然界大约有 3 000种以上的植物存在
自交不亲和性, 而在十字花科植物中自交不亲和性
最为普遍(East 1940), Bateman (1955)分析182种十
字花科作物的结果表明, 有80种作物表现自交不亲
和。Takahata和 Hinata曾考察十字花科芸薹属
(B ra s s ic a )植物及其近缘野生种组成的芸薹族
(Brassicaceae)植物 59种, 有 50种表现为自交不亲
和(官春云 1981)。
1 甘蓝的自交不亲和性
甘蓝是一种典型的孢子体型自交不亲和性植
物, SI识别系统主要受S位点基因家族的复等位基
因控制, 具有独特的遗传规律(吴能表2003; 杨继涛
2008; Edh等 2009)。迄今为止, 认为在甘蓝 S位点
上, 至少有 3个蛋白参与花粉与柱头的相互识别过
程, 它们分别是: 受体激酶(S-locus receptor kinase,
SRK)、S位点特异糖蛋白(S-locus glycoprotein,
SLG)、花粉外壁蛋白(S-locus cysteine-rich protein,
SCR)。除此以外, 还鉴定出一些与自交不亲和性
相关但不与 S位点连锁的蛋白, 如 ARC1、SLG、
水孔蛋白、THL1/THL2、MLPK等等, 但对它们
的生物学功能的了解还甚少(芦岩和李玉花2005; 卢
军等 2007; Holdereqqer等 2008)。
在甘蓝SI反应中, 各个成员紧密配合, 调控着
这一精细的反应。因此, 有人将甘蓝 SI信号转导
模式总结为: SRK在开花前一天其柱头上乳状突起
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细胞中迅速积累, 而 SCR在花药中表达。自交授
粉后, SCR经过花粉胞被蛋白形成的附着区转运到
乳状突起细胞表面时, 立刻在花粉和柱头之间形成
接触层。当SRK胞外域与配体SCR发生特异性作
用后, 胞内丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶的活性得到激
活, 于是SRK磷酸化, 形成一系列信号级联反应, 最
终花粉萌发受到抑制。而SRK下游的信号由ARC1、
THL1/THL2、MOD等因子传递到乳状突起细胞的
一种水孔蛋白中, 调节水孔蛋白的活性, 防止柱头
分泌水分, 以致花粉不能发生水合作用, 最终导致
花粉不能在柱头上萌发(汤青林 2002; 刘珠琴和张
绍铃 2008; Rea和Nasrallah 2008)。
2 甘蓝自交不亲和性的化学控制
为了在授粉期间降低甘蓝自交不亲和性, 以利
于其繁殖和自交不亲和系的保存, 现已有多种方法
用于克服甘蓝的自交不亲和性(李惠民2008), 例如
高温处理(Roggen和van Dijk 1976)、电刺激(Roggen
等1972)、CO2处理(Nakanishi和Hinata 1975; Taylor
1982)、混合花粉授粉(Pandey 1979)、钢刷授粉
(Roggen和 van Dijk 1972)、γ射线辐射(Stone等
1999)等物理、生物学和机械方法, 这些方法可在
一定程度上提高甘蓝的自交结实率, 但操作起来较
为繁琐, 柱头也容易受到损伤。
目前, 甘蓝自交不亲和系的繁殖, 一般都采用
蕾期授粉的方法, 但这种方法繁殖亲本工作量大, 种
子生产成本高。因此认为喷洒化学药剂是克服甘
蓝自交不亲和性中较为有效的方法。从20世纪70
年代以来, 人们越来越关注用化学方法来克服甘蓝
的自交不亲和性, 并取得了一定的效果。
2.1 生长调节物质 NAA、IBA和GA3等植物生长
调节物质均可以克服矮牵牛属、万寿菊属、白车
轴草和甘蓝属植物等的自交不亲和性。推测其效
应是抑制花的脱落, 因而生长很慢的花粉管可以到
达子房, 也可能是由于这些物质可以中和子房分泌
到花柱里的阻碍花粉管发育的物质生成的结果(杨
平华和叶青敏 1989)。
2.2 糖类和植物凝集素 Sharma等(1985)研究花粉
中类似植物凝集素成分和雌蕊中特殊含糖物质在自
交不亲和性识别中的作用的结果表明, 在开花前用
糖类处理花粉或用植物凝集素处理柱头, 可以有效
地蒙蔽自交不亲和性的识别作用。这一方法在克
服自交不亲和性中有很大的应用潜力, 特别是对于
那些抑制区存在于柱头中的不亲和体系来说, 更为
重要。
2.3 NaCl溶液 杨锐等(1995)经过 1979~1981三年
四代的试验研究, 筛选出可克服油菜、甘蓝和大白
菜等芸薹属作物自交不亲和性的极其普通而有效的
药剂——NaCl溶液。3% NaCl溶液(肖祥和严家芸
1997)对克服大白菜的效果最为明显, 白菜结荚率和
结籽率可显著提高, 而且简便易行和经济有效, 现
已广泛用于生产实践。NaCl的作用主要是由于
Na+和Cl-都是酶的激活剂, 能改变柱头表膜某些可
溶蛋白的极性, 进而使之变性和失去自交不亲和性
的识别作用, 从而克服自交不亲和性。
后来, 曹必好和王远欧(1998)在5% NaCl溶液
中加入 0.3%硼酸, 也可提高甘蓝的亲和指数。由
于硼可促进一些植物花粉的萌发和花粉管的生长,
致使植株体内可溶性糖含量增加, 抗坏血酸氧化酶
活性受到激活, 故两者一起喷施可提高甘蓝自交不
亲和系的亲和指数, 同时也提高种子的千粒重和生
活力。
不过, 在实验中这种方法具有一定的可逆性。
药剂处理的时间很重要, 以NaCl喷施柱头后0.5~1 h
的授粉效果较明显。处理 1 h以后, 相隔时间愈长,
授粉效果愈低, 推测是柱头上蛋白质的 “隔离层 ”
被NaCl破坏后还可以逐渐重新形成所致。此现象
可能与甘蓝自交不亲和性中的信号转导有关, 具体
转导机制尚不清楚。
2.4 槲皮素(quercetin) 槲皮素是一种具有生物活
性的天然黄酮类化合物, 具有多种药理作用, 能抑
制血小板聚集和癌细胞的DNA合成, 还可抑制多种
激动剂信号传递通路中蛋白激酶 C (protein kinase
C, PKC)的活性和某些受体酪氨酸蛋白激酶活性
(Kang和 Liang 1997)。
甘蓝自交不亲和系开花前 2周的花蕾以槲皮
素处理并授粉后, 其乳状突起细胞壁变薄而透明, 有
些破裂, 花粉粒大多能萌发长出花粉管, 并伸入到
乳状突起细胞内部。与花期对照相比, 自交亲和指
数明显提高, 甚至转变为自交亲和系。柱头蛋白的
聚丙烯酰胺凝胶电泳显示, 槲皮素处理后柱头蛋白
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质有所增加, 初步推测其新增蛋白为逆境蛋白(周庆
红 2004)。
槲皮素作为蛋白激酶抑制剂, 还可抑制自交不
亲和系柱头中的SRK活性, 从而阻止自交不亲和性
的信号转导, 并可克服甘蓝的自交不亲和性(吕俊等
2001)。其中以 1 500 μmol·L-1槲皮素处理的效果
最佳(李成琼等 2005)。
2.5 其他化学物质 其他一些化学物质也可以克服
自交不亲和性。例如用KH2PO4溶液处理甘蓝柱头
后, 可能是K+能激活某些酶催化分解柱头上某些表
膜蛋白后, 糖蛋白活性受抑制, 以致柱头表膜失去
对自交花粉的识别能力, 从而促使自交花粉萌发, 于
是自交不亲和得到克服(周庆红 2004)。尤其是
KH2PO4溶液本身就是一种营养物质, 其对植株和土
壤非但没有危害, 而且还可以促进植株生长。
多效唑是一种植物生长调节物质, 有抑制赤霉
素的生物合成和调节代谢平衡的作用。多效唑之
所以能提高甘蓝的自交结实率, 可能是其可抑制柱
头识别蛋白形成的缘故, 但其具体作用机制尚待进
一步研究(雷建军等 1995)。
其他的化学物质也常常用于克服甘蓝的自交
不亲和性。授粉前用乙烷处理柱头就非常有效。
一般认为, 乙烷的作用是其可消除柱头上的不亲和
因子或者是可促使这些因子失去活性(方瑾1996)。
除了上述物质以外, 乙醚和KOH溶液(景士西
2000)也均有一定的克服芸薹属植物自交不亲和性
的效果。
总之, 为了解决甘蓝自交不亲和亲本繁殖过程
中的问题, 今后应在探明自交不亲和反应内部的调
控机制、完善细胞信号转导模式的基础上, 寻找更
经济实用的克服方法。而用化学方法克服甘蓝自
交不亲和性的潜在应用前景较大, 值得关注。
参考文献
曹必好, 王远欧(1998). 克服甘蓝自交不亲和性的探讨. 天津农业
科学, 4 (1): 32~34
方瑾(1996). 植物的生殖讲座(五)——被子植物的自交不亲和性.
生物学通报, 31 (7): 28~30
官春云(1981). 油菜的自交不亲和性和杂种优势育种. 湖南农业
大学学报(自然科学版), (4): 101~109
胡适宜(1982). 被子植物生殖生物学. 北京: 高等教育出版社, 1~4
华志明(1999). 植物自交不亲和分子机理研究的一些进展. 植物
生理学通讯, 35 (1): 77~82
雷建军, 李成琼, 宋明(1995). 甘蓝自交不亲和性克服方法研究
初报. 四川果树, 23 (1): 4~6
李成琼, 周庆红, 宋洪元, 任雪松, 司军, 吴能表(2005). 槲皮素对
甘蓝自交不亲和性及 SRK活性的影响. 园艺学报, 32 (5):
878~880
李惠民(2008). 化学药剂处理克服库尔勒香梨自交不亲和性及影
响香梨品质因素研究[硕士学位论文]. 石河子: 石河子大学
刘珠琴, 张绍铃(2008). 孢子体型自交不亲和反应中信号转导的
研究进展. 安徽农业科学, 36 (32): 13959~13962
卢军, 李乐玉, 陈晓丹,朱利泉, 王小佳(2007). 芸薹属自交不亲
和功能因子及分子机制研究进展. 广西农业科学, 38 (6 ):
601~605
芦岩, 李玉花(2005). 芸薹属中自交不亲和反应的信号转导. 植物
生理学通讯, 41 (4): 547~552
吕俊, 朱利泉, 王小佳(2001). 利用蛋白激酶抑制剂和激活剂调
控甘蓝自交不亲和性. 园艺学报, 28 (3): 235~239
景士西(2 00 0) . 园艺植物育种学总论. 北京: 中国农业出版社,
173~174
汤青林(2002). 甘蓝自交不亲和系花粉与柱头离体保存及相互识
别效应研究[硕士学位论文]. 重庆: 西南农业大学
吴能表(2003). 甘蓝自交不亲和性引起的蛋白质磷酸化及其相关
特征研究[博士学位论文] . 重庆: 西南农业大学
肖祥, 严家芸(1997). 盐水处理克服大白菜自交不亲和性的应用.
云南农业科技, (1): 31~32
杨继涛(2008). 芸薹属植物自交不亲和性研究进展. 陕西农业科
学, (3): 115~121
杨平华, 叶青敏(1989). 利用理化因素克服植物自交或杂交不亲
和性. 核农学通报, (4): 190~192
杨锐, 余阳俊, 徐家炳, 陈广, 张凤兰, 孙既志, 孙天水(1995). 花
期喷盐水结合蜜蜂授粉克服大白菜自交不亲和性试验. 华北
农学报, 10 (2): 77~81
周庆红(2004). 化学方法克服甘蓝自交不亲和性及其机理研究[硕
士学位论文]. 重庆: 西南农业大学
Bateman AJ (1955). Self-incompatibility systems in angiosperms
III. Cruciferea. Heredity, 9: 52~68
East EM (1940). The distribution of self-sterility in the flower-
ing plants. Proc Am Philos Soc, 82: 449~518
Edh K, Widen B, Ceplitis A (2009). Molecular population genet-
ics of the SRK and SCR self-incompatibility genes in the wild
plant species Brassica cretica (Brassicaceae). Genetics, 181
(3): 985~995
Holdereqqer R, Haner R, Csencsics D, Anqelone S, Hoebee SE
(2008). S-allele diversity suggests no mate limitation in small
populations of a self-incompatible plant. Evolution, 62 (11):
2922~2928
Kang TB, Liang NC (1997). Effect of quercetin on activities of
protein kinase C and tyrosine protein kinase from HL-60
cells. Acta Pharmacol Sin, 18 (4): 374~376
Nakanishi T, Hinata K (1975). Self-seed production by CO2 gas
treatment in self-incompatible cabbage. Euphytica, 24 (1):
117~120
植物生理学通讯 第 45卷 第 11期,2009年 11月1140
Pandey KK (1979). Overcoming incompatibility and promoting
genetic recombination in flowering plants. New Zealand J
Bot, 17: 645~663
Rea AC, Nasrallah JB (2008). Self-incompatibility systems: barri-
ers to self-fertilization in flowering plants. Int J Dev Biol,
52 (5~6): 627~636
Roggen H, van Dijk AJ (1972). Breaking incompatibility of Bras-
sica oleracea L. by steel-brush pollination. Euphytica, 21:
424~425
Roggen H, van Dijk AJ (1976). ‘Thermally aided pollinations’: a
new method of breaking self-incompatibility in Brassica
oleracea L.. Euphytica, 25: 643~646
Roggen H, van Dijk AJ, Dorsman C (1972). ‘Electric aided’
pollination: a method of breaking incompatibility in Brassica
oleracea L.. Euphytica, 21: 181~184
Sharma N, Bajaj M, Shivanna KR (1985). Overcoming self-in-
compatibility through the use of lectins and sugars in Petu-
nia and Eruca. Ann Bot, 55: 139~141
Stone SL, Arnoldo M, Goring DR (1999). A breakdown of Bras-
sica self-incompatibility in ARC1 antisense transgenic plants.
Science, 286 (5445): 1729~1731
Taylor JP (1982). Carbon dioxide treatment as an effective aid to
the production of selfed seed in kale and Brussels sprouts.
Euphytica, 31: 957~964