全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2016, 52 (4): 551–559　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0703 551
收稿 2016-01-06　　修定 2016-02-16
资助 “十二五”国家科技支撑计划(2012BAD02B03)。
* 共同通讯作者(E-mail: qzw303@126.com; E-mail: zxy0604@
126.com)。
低夜温下黄瓜生理生化指标的变化及对雌花形成的影响
刘欣童, 王春华, 辛明, 周秀艳*, 秦智伟*
东北农业大学园艺学院, 哈尔滨150030
摘要: 选用温敏型黄瓜‘C09-123’为试材, 设置3个不同的夜温处理, 调查其20节内雌花分化情况, 同时测定二叶一心茎尖内
各激素(乙烯、赤霉素、生长素、脱落酸和玉米素)、糖(蔗糖、葡萄糖)、18种氨基酸含量以及相关基因的表达量。结果
表明: 不同夜温处理下, 内源乙烯、葡萄糖和蔗糖的含量随处理温度的升高而降低, 生长素、赤霉素、脱落酸和玉米素未
表现出相同的变化趋势; 黄瓜雌花分化率与内源激素和糖的相关性分析表明, 雌花分化率与葡萄糖含量极显著正相关
(P<0.01)、与内源乙烯含量呈显著正相关(P<0.05), 同时乙烯和葡萄糖含量均与蔗糖含量显著正相关; 乙烯合成所需的甲硫
氨酸和天冬氨酸的含量也在低夜温下显著升高; 糖代谢中的关键酶己糖激酶和谷草转氨酶在生理和分子水平均表现出随
处理夜温的升高而降低, 特别谷草转氨酶基因表达量在低夜温12°C时较18和24°C时提高了4倍, 并与乙烯合成关键基因
(CsACS2和CsACO2)的表达量随温度升高的变化趋势一致。
关键词: 黄瓜; 低夜温; 性别分化; 糖; 氨基酸; 激素
黄瓜(Cucumis sativus)是葫芦科一年生草本植
物, 也是性别表达研究的模式植物。由于其性别
表现直接与产量和品质有关, 所以研究黄瓜的性
别分化不论在理论上还是实际应用上都具有重要
意义(邹晓艳2007; Yamasaki等2001; 金晓霞等
2007)。从遗传学角度来看, 黄瓜的性别决定由3个
主效基因F、M、A和4个微效基因Tr、gy、In-F、
m-2共同决定(孟晶晶等2013), 其中M基因决定单
性花的形成, 通过调控乙烯含量来抑制雄花且认
为M基因化学实质是CsACS2基因, 为乙烯生物合
成的关键基因(Yamasaki等2003; Li等2009)。
黄瓜的性别表达除受遗传因素的控制外, 也
受环境因素和植物激素的影响。研究表明, 低温
短日照可促进黄瓜雌性分化, 植物激素中乙烯是
影响黄瓜雌性分化的关键(金晓霞等2007)。乙稀
的生物合成、信号转导途径及同源异型基因的研
究, 促进了在分子水平对黄瓜性别分化的机制研
究(Chen等2012; Liu等2008; 刘进平2013)。研究证
明, 赤霉素(GA)有促进雄性分化的作用, 生长素
(IAA)、脱落酸(ABA)以及油菜素内酯(BR)在一定
程度上可促进黄瓜雌性分化, 并有研究表明其均
通过调控黄瓜体内乙烯含量的变化来影响雌性分
化(Fujii等2000; Rudich和Halevy 1974; Papadopou-
lou和Grumet 2005; 张菊平2009)。糖类物质在植物
体内既是能量的来源和结构物质, 又是一种信号
物质(王玉华等2004)。糖信号和植物激素间存在
复杂的互作关系(Leon和Sheen 2003)。己糖激酶
(HK)是糖酵解的关键酶。蔗糖、葡萄糖均能被
HK磷酸化, 且HK是一个具有催化功能和调节功能
的双功能酶(Xiao等2000)。氨基酸作为蛋白质的
结构前体, 不仅影响蛋白质的代谢, 也参与了植物
激素的合成。甲硫氨酸(Met)为植物激素乙烯的合
成前体(陈新建等2002), 色氨酸(Trp)为生长素的合
成前体(王家利等2012), 但是关于氨基酸与低温或
者性别分化关系的研究还鲜有报道。
通过本课题组先期研究结果表明, 黄瓜‘C09-
123’为温敏型试验材料, 其性别分化受夜间温度影
响较为明显, 12°C的低温条件有利于‘C09-123’雌
花形成(程国辉等2012)。然而低夜温促进黄瓜
‘C09-123’雌花分化的原因尚不明确, 鉴于此本文
以温敏型黄瓜品种‘C09-123’为试材, 研究不同夜
温条件下雌花分化率与糖类物质、内源激素、氨
基酸的变化规律以及与雌性形成的关系, 旨在揭
示低夜温诱导黄瓜雌花分化的生理生化机制, 为
黄瓜分子育种研究提供参考。
材料与方法
1 试验材料
选用温敏型黄瓜(Cucumis sativus L.) ‘C09-
123’为材料(程国辉等2012), 种子由东北农业大学
园艺学院黄瓜课题组提供。
植物生理学报552
2 植物培育及温度处理条件
试验材料于2014年10月至2015年5月按不同
处理分批种植于东北农业大学设施园艺工程中心
人工气候室内。将黄瓜‘C09-123’种子于65°C水浴
10 min后置于室温浸种 6 h, 28°C暗培养保湿催芽
12 h后待用。用花卉营养土与蛭石1:1混匀后装入
9 cm×9 cm的营养钵中, 浇透底水, 将催芽后的种子
单株播种覆土。每个温度处理播种1 200株。设置
培养温度26°C, 黑暗直至露出子叶, 调整培养箱温
度和光周期, 光周期设为12 h/12 h (昼/夜, 下同), 光
照强度600 µmol·m-2·s-1, 日温26°C, 夜温18°C, 湿度
70%。待子叶全部展平后进行不同夜间温度处理:
低夜温 12°C、高夜温 24°C, 对照18°C; 日温均为
26°C; 光周期保持12 h /12 h, 600 µmol·m-2·s-1。子叶展
平后开始每隔5 d浇水一次, 以自来水和全营养液
间隔定量施用。
每个温度处理选留10株长势较为一致的幼苗
进行盆栽管理, 处理温度、光周期保持不变, 直至其
生长到20节用作雌性分化表型调查。雌花分化率为
主蔓上着生雌花的节位数占总节位数的百分率。
3 样品制备
每个温度处理均于二叶一心时期进行生理指
标样品和RNA样品的取样。每一重复随即选取10
株长势一致的植株, 每个指标取3次重复。取茎尖
(包括2 cm以下幼叶)剪碎混合, 称量, 用液氮速冻,
保存在–80°C备用; 氨基酸样品取鲜样于65°C下烘
干至恒重备用。
4 测定项目及方法
谷草转氨酶(GOT)和己糖激酶(HK)采用苏州
科铭常量法试剂盒进行测定, 乙烯(ETH)含量采用
气象色谱法(Miao等2011), 生长素(IAA)、脱落酸
(ABA)、赤霉素(GA)和玉米素(ZT)均由中国农业
大学王保民教授酶联免疫吸附试剂盒(ELISA)测
定(Wang等2012); 蔗糖采用间二苯酚法, 葡萄糖采
用蒽酮法(张志良等2009)进行测定。
氨基酸含量, 由北京市营养源研究所测定。
样品处理: 色氨酸以4.2 mol NaOH水解; 以过甲酸
氧化法处理测定胱氨酸; 其余氨基酸以6 mol HCl
水解测定。检测方法: GB/T 5009.124-2003。
总RNA采用TRIzol法进行提取(Chen等2011)。
使用反转录试剂盒(MBI)进行cDNA的合成。qRT-
PCR引物设计使用Primer Premier 5.0 (Premier Bio-
soft International, Palo Alto, CA), 引物设计序列见
表1, 由上海生工合成引物序列。qRT-PCR采用
Thermal Cycler Dice系统, 利用SYBR Premix Ex
Taq II (TaKaRa, Ohtsu, Japan), 内参基因选用Cu-
cumber elongation factor 1a (CsEF1α) (Wan等2010),
上游引物5′-CCTTGGTGTCAAGCAGATGA-3′, 下
游引物5′-TGAAGACACCTCCTTGATGATTT-3′,
使用iQ™5软件进行分析, 数据处理方法釆用2-∆∆CT
法(Kenneth和Thomas 2001)。
5 数据处理
统计分析、方差分析、显著性测验以及相关
性分析等利用Microsoft Excel 2003软件和DPS 7.05
版数据处理系统完成, 图片处理采用Origin 8软件。
实验结果
1 不同夜温对黄瓜雌性分化的影响
不同夜温处理下黄瓜性别分化的情况如表2
所示。随着处理温度的升高, 第一雌花节位升高;
表1 荧光定量选用基因及引物
Table 1 Primers of genes selected for qRT-PCR
基因名 GenBank登录号 引物(5′→3′)
CsACS2 Csa4M049610.2 上游: CATTTCTTGTTCCTGTTCCTTA
下游: AACTATTTCCACTCCTGTCCTC
CsaACO2 Csa6M511860.1 上游: GATCAACGACACTGATTGGG
下游: TCCAGTTCAGCTGCAAATTC
CsaHK1 Csa2M000830.1 上游: TCCCTGTTAGGCAAACATCA
下游: CGCATGTCGAGTTTCAGTTT
CsaASP5 Csa2M382520.1 上游: TTGAGGCACTTATGCTGGAG
下游: GCAACACGTTGCTGCTTAAT
CsEF1α Csa2M139820.1 上游: CCTTGGTGTCAAGCAGATGA
下游: TGAAGACACCTCCTTGATGATTT
刘欣童等: 低夜温下黄瓜生理生化指标的变化及对雌花形成的影响 553
糖和蔗糖的含量变化如图1所示。总体上看, 在低
夜温(12°C)条件下, 检测的5种激素中只有乙烯和
脱落酸两种激素的含量显著高于对照(18°C)和高
夜温(24°C), 其他3种激素在低夜温条件下表现不
突出。随着处理夜温的升高, 内源乙烯含量呈现
下降趋势且处理间差异显著, 即12°C>18°C>24°C
(图1-A); 内源生长素含量呈抛物线的变化趋势,
即: 18°C>24°C>12°C, 且18°C处理下生长素含量显
著高于12°C和24°C处理(图1-B); 内源脱落酸含量
呈先降低后升高的变化趋势, 18°C处理下含量最
少, 12°C处理下含量最多, 处理间差异显著(图1-C);
赤霉素含量逐渐增加, 且24°C处理显著高于12°C
和18°C处理(图1-D); 玉米素含量则呈先增加后降
低的趋势, 18°C处理下含量最多, 24°C处理下含量
最少, 处理间差异显著(图1-E)。低夜温条件下, 黄
瓜茎尖中蔗糖和葡萄糖的含量较18°C和24°C均有
表2 不同夜温处理对黄瓜雌性分化的影响
Table 2 The formation of cucumber female flowers effected
by different night temperatures
处理温度/°C 第一雌花节位 雌花分化率/%
12 11.5±1.27b 35.0±0.67a
18 14.3±0.82a 21.5±0.48b
24 – 0c
　　同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。–: 无雌花
分化。
20节内的雌花分化率呈现降低的趋势 , 低夜温
12°C的雌花分化率为35.0%, 18°C时为21.5%, 24°C
时20节内无雌花分化, 处理间差异显著。说明低
夜温有利于黄瓜‘C09-123’的雌花形成。
2 不同夜温处理下黄瓜茎尖中内源激素和内源糖
含量的变化
不同夜温处理下黄瓜茎尖中内源激素、葡萄
图1 不同夜温下黄瓜茎尖内源激素和内源糖的变化
Fig.1 Changes of cucumber shoot apex endogenous hormone and sugar contents under different night temperatures
各柱形上不同小写字母表示差异显著(P<0.05); 下图同此。
植物生理学报554
显著提高。蔗糖的含量在低夜温12°C中较18°C和
24°C提高近1倍(图1-F); 葡萄糖的含量随着处理夜
温的升高而降低, 即12°C>18°C>24°C, 处理间差异
显著(图1-G)。
3 不同夜温黄瓜内源激素、内源糖与雌花分化的
相关性
由表3可知, 黄瓜‘C09-123’的雌花分化率与内
源乙烯、脱落酸、玉米素、蔗糖以及葡萄糖呈正
相关, 其中与乙烯呈显著正相关, 与葡萄糖呈极显
著正相关, 相关系数分别为0.95和1.00。雌花分化
率与生长素、赤霉素呈现负相关, 但相关性不显
著。说明内源乙烯和葡萄糖含量对黄瓜雌花分化
率有影响。此外, 内源乙烯与葡萄糖、蔗糖的含
量也呈显著正相关, 相关系数分别为0.95和0.97。
4 不同夜温处理下黄瓜茎尖中氨基酸含量的变化
本研究测定了不同夜温下黄瓜茎尖内18种氨
基酸含量(表4)。总的来说, 在低夜温(12°C)条件
下, 除色氨酸(Trp)和胱氨酸(Cys)外, 其余16种氨基
酸含量均显著高于对照(18°C)和高夜温(24°C)。在
低夜温12°C中, 天冬氨酸(Asp)、甲硫氨酸(Met)、
表3 不同夜温下黄瓜内源激素、糖与雌花分化相关性分析
Table 3 Correlation analysis with endogenous hormones, sugar and sex differentiation of cucumber under different night temperatures
雌花分化率 乙烯 生长素 赤霉素 脱落酸 玉米素 蔗糖 葡萄糖
雌花分化率 1 0.95* –0.11 –0.79 0.32 0.38 0.80 1.00**
乙烯 1 –0.41 –0.56 0.60 0.08 0.95* 0.97*
生长素 1 –0.52 –0.98* 0.88 –0.69 –0.17
赤霉素 1 0.32 –0.87 –0.26 –0.75
脱落酸 1 –0.75 0.83 0.38
玉米素 1 –0.25 0.33
蔗糖 1 0.83
葡萄糖 1
　　*: P<0.05; **: P<0.01。
表4 不同夜温处理下黄瓜茎尖18种氨基酸含量的变化
Table 4 Cucumber shoot apex individual amino acids contents under different night temperatures
氨基酸名称
氨基酸含量/g·100 g-1 (DW)
12°C 18°C 24°C
天冬氨酸(Asp) 3.61±0.082a 3.13±0.074b 3.05±0.070b
苏氨酸(Thr) 1.43±0.045a 1.17±0.020b 1.08±0.015c
丝氨酸(Ser) 1.74±0.053a 1.48±0.042b 1.22±0.021c
谷氨酸(Glu) 4.15±0.112a 3.37±0.031b 3.20±0.081c
甘氨酸(Gly) 1.81±0.040a 1.43±0.020b 1.36±0.050c
丙氨酸(Ala) 2.37±0.064a 1.70±0.021c 1.86±0.036b
缬氨酸(Val) 1.96±0.050a 1.64±0.020b 1.51±0.058c
甲硫氨酸(Met) 0.59±0.015a 0.43±0.025b 0.38±0.042b
异亮氨酸(Ile) 1.62±0.055a 1.32±0.015b 1.25±0.035b
亮氨酸(Leu) 2.91±0.067a 2.30±0.044b 2.18±0.085b
酪氨酸(Tyr) 1.33±0.084a 1.11±0.055b 1.11±0.066b
苯丙氨酸(Phe) 1.62±0.049a 1.45±0.046b 1.39±0.036b
赖氨酸(Lys) 2.25±0.051a 1.91±0.020b 1.42±0.031c
组氨酸(His) 0.75±0.017a 0.65±0.012b 0.58±0.015c
精氨酸(Arg) 2.17±0.047a 1.66±0.010b 1.56±0.061c
脯氨酸(Pro) 1.60±0.076a 1.27±0.055b 1.24±0.065b
色氨酸(Trp) 0.39±0.000a 0.38±0.000a 0.40±0.000a
胱氨酸(Cys) 0.31±0.000b 0.26±0.000b 0.43±0.000a
　　同行数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
刘欣童等: 低夜温下黄瓜生理生化指标的变化及对雌花形成的影响 555
异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、酪氨酸(Tyr)、苯丙
氨酸(Phe)和脯氨酸(Pro)含量显著高于18°C和
24°C, 且18°C与24°C差异不显著; 苏氨酸(Thr)、丝
氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、缬氨酸
(Val)、赖氨酸(Lys)、组氨酸(His)和精氨酸(Arg)这
8种氨基酸含量随处理温度的升高呈现下降趋势,
且处理间差异显著; 丙氨酸(Ala)含量随处理温度
升高呈现先降低后升高的趋势, 其中12°C处理时
含量最高, 18°C处理时含量最低; 色氨酸(Trp)含量
在3个夜温处理中无显著差异; 胱氨酸(Cys)含量在
高夜温24°C中含量显著高于12°C和18°C的夜温处
理。甲硫氨酸为乙烯合成直接前体 (陈新建等
2002)。甲硫氨酸所属天冬氨酸族氨基酸中天冬氨
酸、甲硫氨酸和异亮氨酸的含量变化趋势一致。
5 内源糖影响天冬氨酸含量的关键酶和相关基因
的变化
为探究内源糖变化与天冬氨酸族氨基酸合成
的关系, 本研究选取其中关键酶在生理与分子水
平上同时进行测定, 并测定乙烯合成关键基因的
相对表达量, 如图2和3所示己糖激酶(HK)和谷草
转氨酶(GOT)活性以及己糖激酶基因(CsHK1)、谷
草转氨酶基因 (CsASP5 )和乙烯合成关键基因
(CsACS2、CsACO2)的表达量均随处理夜温升高
而降低。在12°C条件下, 己糖激酶基因(CsHK1)的
相对表达量显著高于18°C和24°C, 而在18°C和
24°C下差异不显著(图2-A); CsHK1调控合成的己
糖激酶 (HK)的活性也在12°C下显著升高 , 与
CsHK1变化趋势一致(图3-A); 谷草转氨酶基因
(CsASP5)的相对表达量较18°C和24°C提高近4倍,
且与18°C、24°C差异显著, 18°C与24°C无明显差
异(图3-B); 由CsASP5调控合成的谷草转氨酶
(GOT)的活性也随着处理夜温的升高而降低, 处理
间差异显著(图2-B)。CsACS2的相对表达量为
12°C>18°C>24°C, 处理间差异显著; CsACO2表达
量在低夜温中较对照和高夜温提高近3倍, 对照与
高夜温中差异不明显(图3-C和D)。
讨　　论
黄瓜的性型分化是遗传因素与环境因素共同
决定的(Yamasaki等2003)。Yamasaki等(2003)认为
除个别黄瓜品种外, 低温都有利于黄瓜雌花的形
成。子叶展开后10~30 d内进行低温处理, 并保持
大的温差(夜温14~15°C, 昼温25~28°C), 光照时间
控制在8 h·d-1, 是黄瓜雌花分化的最佳条件。程国
辉等(2012)研究表明, 黄瓜‘C09-123’在夜温12°C雌
花分化率达到最大, 而24°C时10节内无雌花分化,
且该品种受光照时长影响差异不显著。本研究中
黄瓜‘C09-123’雌花分化率随处理夜温的升高而降
低, 表现为: 12°C>18°C>24°C, 24°C处理下20节内
无雌花形成。
植物激素与黄瓜性别分化的关系一直是研究
的热点。有研究表明, 黄瓜雌花分化与内源乙烯
含量呈显著正相关, 而ABA参与调控雌花分化, 但
ABA本身并不会改变乙烯以及雌花的形成(Miao
等2011), 也有研究认为ABA对黄瓜性别发育的影
响很小; 同时GA被普遍认为是促进雄花发育的激
素; 而内源IAA可能是黄瓜性别表达的关键性激
图2 不同夜温对黄瓜茎尖己糖激酶(HK)和谷草转氨酶(GOT)活性
Fig.2 Cucumber shoot apex hexokinase (HK) and glutamic oxalacetic transaminase (GOT) activities under
different night temperatures
植物生理学报556
素, 低水平IAA促进雄花发育, 高水平的IAA则促
进雌花发育, 且IAA的促雌作用可能是通过调控乙
烯的合成实现的(陈学好等2002; 曹毅等2002; 梁永
宏等2010)。本研究中, 黄瓜雌花分化率与内源乙
烯和内源ABA的含量呈正相关, 且与乙烯含量呈
显著相关, 而GA、IAA与雌花分化率呈负相关。
不同夜温下黄瓜雌花分化率可能是受内源乙烯含
量变化诱导的。
氨基酸是蛋白质的基本组成单位, 同时部分
植物激素也为氨基酸的衍生物。植物体内各种氨
基酸含量的变化, 直接影响植物体内蛋白质和植
物激素的种类。有关氨基酸在性别分化方面的研
究鲜有报道, 但氨基酸在应答非生物胁迫方面的
研究已早有报道。研究表明, 在50 μmol·L-1镉胁迫
下, 除Met和Trp外, 各氨基酸含量均有升高, 且
Asn、Lys、Gln和Pro显著增加(Chaffei等2004)。
Gly、Ser、Asp和Ala的含量在各非生物胁迫下均
会增加(Rani 2007)。本试验中, 处理夜温12°C与
24°C、18°C相比, 所引起的氨基酸含量的变化是
复杂多样的。其中乙烯合成前体Met含量在12°C
下显著升高, 而在18°C和24°C无明显差异。与Met
差异模式相同的6个氨基酸 , Asp、Ile、Leu、
Tyr、Phe和Pro, 其中Asp、Met和Ile均来自于天冬
氨酸族的氨基酸, 其共同碳架为草酰乙酸。Leu来
自于丙氨酸族, 其碳架为丙酮酸。Pro来自于谷氨
酸族, 其碳架为α-酮戊二酸。而Try和Phe为芳香族
氨基酸。草酰乙酸、丙酮酸以及α-酮戊二酸均是
糖代谢的中间产物。由此推断, 可能是天冬氨酸
族氨基酸的代谢增强, 增加了乙烯的合成量。
蔗糖和葡萄糖均可作为信号分子, 蔗糖的信
号转导分为依赖己糖激酶和不依赖己糖激酶的两
个途径(王玉华等2004)。前人研究表明, 施用外源
葡萄糖能使乙烯的合成增加, 并且促进雌花的分
化; 同时低夜温诱导的黄瓜性别表达是通过己糖
激酶参与的糖信号途径来实现的(Rolland等2006;
Miao等2011)。本研究中, 蔗糖和葡萄糖的含量均
随处理温度的增加呈降低的趋势, 且与雌花分化
率表现正相关, 与乙烯含量变化显著正相关。夜
温12°C处理下, 糖信号和代谢关键的己糖激酶活
性显著升高, 指导该酶合成的CsHK1相对表达量也
图3 不同夜温对黄瓜茎尖有关基因表达的影响
Fig.3 Genes relative expression of cucumber under different night temperature
刘欣童等: 低夜温下黄瓜生理生化指标的变化及对雌花形成的影响 557
显著增加, 说明低夜温可能促进了糖进入依赖己
糖激酶的代谢途径。糖代谢中间产物草酰乙酸与
谷氨酸通过谷草转氨酶(GOT)生成天冬氨酸(Asp),
GOT是这一过程的关键酶, 本试验中夜温12°C下
GOT在生理和分子水平都显著提高, 说明低夜温
显著促进了CsASP5在转录以及蛋白水平的表达。
表明糖代谢可能由中间产物草酰乙酸流向天冬氨
酸族氨基酸的代谢。同时, 12°C下乙烯合成关键
基因CsACS2和CsACO2的相对表达量显著高于
18°C和24°C。因此, 低夜温下糖可能作为代谢底
物或信号参与代谢, 使碳骨架流向天冬氨酸族氨
基酸代谢, 同时天冬氨酸族甲硫氨酸的积累促进
了乙烯的合成。
本研究在已有糖酵解和氨基酸代谢通路的基
础上提出了一个假想模型(图4), 为后续试验做简
单参考。低夜温一是可能通过降低夜间呼吸作用
所消耗的糖, 达到了糖积累的效果, 二是可能触发
了糖信号, 使光合作用得到的葡萄糖以蔗糖的形
式向茎尖运输, 到达茎尖又分解为己糖达到糖积
累的效果。进而糖的积累触发了依赖己糖激酶的
糖代谢途径进行, 代谢中产物草酰乙酸以GOT为
信号与谷氨酸结合形成天冬氨酸, 进入天冬氨酸
族氨基酸代谢, 增加甲硫氨酸合成, 从而植物体内
乙烯生物合成, 进而促进雌花分化。低夜温有利
于黄瓜茎尖糖的积累与其中间产物向乙烯合成方
向的流动, 从而促进了黄瓜的雌性分化。
图4 低夜温促进黄瓜雌花分化的假想模型
Fig.4 The hypothetical model about low night temperature promoting the formation of cucumber female
参考文献
Cao Y, Ren JJ, Li CM, Wang Y (2002). Effect of ethrel and gibberellin
on sex expression in cucumber. J Southwest Agric Univ, 24 (l):
42–44 (in Chinese with English abstract) [曹毅, 任吉君, 李春梅,
王艳(2002). 乙烯利和赤霉素对黄瓜性别表现的影响. 西南农
业大学学报, 24 (l): 42–44]
Chaffei C, Pageau K, Suzuki A, Houda G, Ghorbel MH, Masclaux
DC (2004). Cadmium toxicity induced changes in nitrogen man-
agement in Lycopersicon esculentum leading to a metabolic safe-
植物生理学报558
guard through an amino acid storage strategy. Plant Cell Physiol,
45 (11): 1681–1693
Chen XJ, Liu GS, Chen ZK, Zhi YB, Yi ML, Liu HX (2002). A re-
view of the pathway of ethylene biosynthesis and the relevant
genetic engineering. J Trop Subtropical Bot, 10 (1): 83–98 (in
Chinese with English abstract) [陈新建, 刘国顺, 陈占宽, 郅玉
宝, 易明林, 刘鸿先(2002). 乙烯生物合成途径及其相关基因
工程的研究进展. 热带亚热带植物学报, 10 (1): 83–98]
Chen R, Tian M, Wu X, Huang Y (2011). Differential global gene ex-
pression changes in response to low nitrogen stress in two maize
inbred lines with contrasting low nitrogen tolerance. Genes Gen-
om, 33 (5): 491–497
Chen XH, Zeng GW, Cao PS (2002). Relationship between endoge-
nous plant hormones and floral sex differentiation in cucumber
(Cucumis sativus L.). Plant Physiol Commun, 38 (4): 317–320 (in
Chinese with English abstract) [陈学好, 曾广文, 曹碚生(2002).
黄瓜花性别分化和内源激素的关系. 植物生理学通讯, 38 (4):
317–320]
Chen YH, Fu XM, Wu H, Zang J (2012). CsACO4, an ACC oxidase
gene regulating male differentiation in cucumber. Afr J Biotech-
nol, 11 (67): 13069–13074
Cheng GH, Qin ZW, Feng Z, Wang CH (2012). The impact of pho-
toperiod and temperature on sex differentiation of cucumber
varieties ‘C09-13’. Northern Hort, (15): 35–37 (in Chinese with
English abstract) [程国辉, 秦智伟, 冯卓, 王春华(2012). 光周期
和温度对黄瓜品种‘C09-123’性别分化的影响. 北方园艺, (15):
35–37]
Fujii N, Kamada M, Yamasaki S, Takahashi H (2000). Differential ac-
cumulation of Aux/IAA mRNA during seedling development and
gravity response in cucumber (Cucumis sativus L.). Plant Mol
Biol, 42 (5): 731–740
Jin XX, Qin ZW, Dong YL (2007). Research of cucumber sex differ-
entiation. China Vegetables, (2): 38–42 (in Chinese with English
abstract) [金晓霞, 秦智伟, 董延龙(2007). 黄瓜性别分化研究
进展. 中国蔬菜, (2): 38–42]
Kenneth JL, Thomas DS (2001). Analysis of relative gene expression
data using real-time quantitative PCR and the 2-ΔΔCT methods.
Methods, 25 (4): 402–408
Leon P, Sheen J (2003). Sugar and hormone connections. Trends Plant
Sci, 8 (3): 110–116
Li Z, Huang S, Liu S, Pan J, Zhang Z, Tao Q, Shi Q, Jia Z, Zhang W,
Chen H, et al (2009). Molecular isolation of the M gene suggests
that a conserved-residue conversion induces the formation of bi-
sexual flowers in cucumber plants. Genetics, 182 (4): 1381–1385
Liang YH, Li GL, Guo T, Wei Q (2010). The molecular mechanism of
sexual differentiation in cucumber. Chin Bull Life Sci, 22 (11):
1177–1183 (in Chinese with English abstract) [梁永宏, 李广林,
郭韬, 魏强(2010). 黄瓜性型分化的分子机制. 生命科学, 22
(11): 1177–1183]
Liu JP (2013). Advances in research on key enzyme genes of ethylene
biosynthesis. Chinese J Trop Agric, 33 (1): 51–57 (in Chinese
with English abstract) [刘进平(2013). 乙烯生物合成关键酶基
因研究进展. 热带农业科学. 33 (1): 51–57]
Liu S, Xu L, Jia Z, Xu Y, Yang Q, Fei Z, Lu X, Chen H, Huang S
(2008). Genetic association of ETHYLENE-INSENSITIVE3-like
sequence with the sex-determining M locus in cucumber (Cu-
cumis sativus L.). Theor Appl Genet, 117 (6): 927–933
Meng JJ, Qin ZW, Zhou XY, Xin M (2013). Progress of study on func-
tional genes in cucumber. Acta Hortic Sin, 40 (9): 1767–1778 (in
Chinese with English abstract) [孟晶晶, 秦智伟, 周秀艳, 辛明
(2013). 黄瓜功能基因研究进展. 园艺学报, 40 (9):1767–1778]
Miao M, Yang X, Han X, Wang K (2011). Sugar signaling is involved
in the sex expression response of monoecious cucumber to low
temperature. J Exp Bot, 62 (2): 797–804
Papadopoulou E, Grumet R (2005). Brassinosteroid-induced female-
ness in cucumber and relationship to ethylene production. Hort
Sci, 409 (6): 1763–1767
Rani G (2007). Changes in protein profile and amino acids in Clado-
phora vagabunda (Chlorophyceae) in response to salinity stress.
J Appl Phycol, 19 (6): 803–807
Rolland F, Baena-Gonzalez E, Sheen J (2006). Sugar sensing and
signaling in plants: conserved and novel mechanisms. Annu Rev
Plant Biol, 57: 675–709
Rudich J, Halevy AH (1974). Involvement of abscisic acid in the reg-
ulation of sex expression in the cucumber. Plant Cell Physiol, 15
(4): 635–642
Wan H, Zhao Z, Qian C, Sui Y, Malik A, Chen J (2010). Selection of
appropriate reference genes for gene expression studies by quan-
titative real-time polymerase chain reaction in cucumber. Anal
Biochem, 399 (2): 257–261
Wang JL, Liu DC, Guo XL, Zhang AM (2012). Research advances in
auxin biosynthesis. Chin Bull Bot, 47 (3): 292–301 (in Chinese
with English abstract) [王家利, 刘冬成, 郭小丽, 张爱民(2012).
生长素合成途径的研究进展. 植物学报, 47 (3): 292–301]
Wang Y, Li B, Du M, Egrinya AE, Wang B, Duan L, Li Z, Tian X
(2012). Mechanism of phytohormone involvement in feedback
regulation of cotton leaf senescence induced by potassium defi-
ciency. J Exp Bot, 63 (16): 5887–5901
Wang YH, Yang Q, Chen M (2004). Sugar sensing and signaling in
plants. Chin Bull Bot, 21 (3): 273–279 (in Chinese with English
abstract) [王玉华, 杨清, 陈敏(2004). 植物糖感知和糖信号传
导. 植物学通报, 21 (3): 273–279]
Xiao W, Shen J, Jang JC (2000). The role of hexokinase in plant sug-
ar signal transduction and growth and development. Plant Mol
Biol, 44 (4): 451–461
Yamasaki S, Fujii N, Matsuura S, Mizusawa H, Takahashi H (2001).
The M locus and ethylene-controlled sex determination in an-
dromonoecious cucumber plants. Plant Cell Physiol, 42 (6):
608–619
Yamasaki S, Fujii N, Takahashi H (2003). Photoperiodic regulation
of CS-ACS2, CS-ACS4 and CS-ERS gene expression contributes
to the femaleness of cucumber flowers through diurnal ethylene
production under short-day conditions. Plant Cell Environ, 26 (4):
537–546
Yamasaki S, Matsuura S, Takahashi H (2003). Characterization of eth-
ylene effects on sex determination in cucumber plants. Sex Plant
Report, 16: 103–111
Zhang JP (2009). Sex determination of cucumber flowers. Bull Biol,
刘欣童等: 低夜温下黄瓜生理生化指标的变化及对雌花形成的影响 559
44 (6): 7–10 (in Chinese) [张菊平(2009). 黄瓜花的性别决定.
生物学通报, 44 (6): 7–10]
Zhang ZL, Qu WJ, Li XF (2009). Plant Physiology Experiment. Bei-
jing: Higher Education Press, 103–107 (in Chinese) [张志良, 瞿
伟菁, 李小方(2009). 植物生理学实验指导. 北京: 高等教育出
版社, 103–107]
Zou XY (2007). Genetic dissection of sex expression and studies on
the distribution and expression of genes related to sex determina-
tion in cucumber (Cucumis sativus L.) (Master’s thesis). Beijing:
Chinese Academy of Agricultural Sciences (in Chinese with En-
glish abstract) [邹晓艳(2007). 黄瓜性型遗传规律及性别决定相
关基因的分布和表达研究(硕士论文). 北京: 中国农业科学院]
Changes of cucumber physiological and biochemical indexes and their effects
on formation of female flowers under low night temperature
LIU Xin-Tong, WANG Chun-Hua, XIN Ming, ZHOU Xiu-Yan*, QIN Zhi-Wei*
College of Horticulture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China
Abstract: Temperature-sensitive cucumber ‘C09-123’ was selected as the material, and three different night
temperature treatments were set up for this research. The formation of female flowers within 20 nodes was in-
vestigated. Meanwhile, the biomass of endogenous hormone (ethylene, GA, IAA, ABA and ZT), sugars (su-
crose and glucose), individual amino acids, and the relative expression of the related genes in shoot apex were
measured. Results showed that the biomass of endogenous ethylene, glucose and sucrose decreased with the in-
creased night temperatures. But the biomass of IAA, GA, ABA and ZT did not show the same tendency. Cor-
relation analysis showed that cucumber female flower differentiation rate and glucose content were highly sig-
nificant positive correlation; Female flower differentiation rate and the endogenous ethylene content were
significantly positive correlation. At the same time, both ethylene and glucose were significant positive correlat-
ed with sucrose content. Methionine and aspartic which were needed in ethylene synthesis also increased sig-
nificantly under low night temperature. Glucose metabolism key enzyme hexokinase and glutamic oxalacetic
transaminase decreased with the increased night temperatures under both physiological and molecular levels,
especially the expression of CsASP5 in 12°C compared with 18°C and 24°C increased by 4 times. The relative
expression of ethylene synthesis genes (CsACS2 and CsACO2) showed the same tendency.
Key words: cucumber (Cucumis sativus); low night temperature; sex differentiation; sugar; amino acid; hor-
mone
Received 2016-01-06 Accepted 2016-02-16
This work was supported by “Twelfth Five-Year” National Science and Technology Support Plan (Grant No. 2012BAD02B03).
*Co-corresponding authors (E-mail: zxy0604@126.com; E-mail: qzw303@126.com).