全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 4期，2008年 8月656
长穗颈温敏核不育水稻穗颈节间伸长与内源激素的关系
肖辉海 *
湖南文理学院生命科学系, 湖南常德 415000
提要: 以水稻品种 ‘长选 3S’为研究对象, 以 ‘培矮 64S’为对照, 检测幼穗不同发育时期水稻穗颈节间中GA1、IAA、Z、ZR
和ABA含量变化的结果表明, 从二核期至始花后第 3天,‘长选 3S’穗颈节间中的GA1和 IAA含量先升后降, 三核期出现峰
值, ‘长选 3S’穗颈节间中的GA1和 IAA含量分别比 ‘培矮 64S’高 6.5~10.6倍和 9.5~26.9倍。在二核期和三核期, ‘长选 3S’
穗颈节间中GA1/ABA和 IAA/ABA比值比 ‘培矮 64S’高, 其(Z+ZR)/ABA比值稍高, 而 Z+ZR和ABA含量均比其低。这些
结果表明水稻长穗颈基因还可能是通过调节激素之间平衡而控制水稻的茎伸长生长的。
关键词: 水稻; 温敏核不育水稻; 长穗颈; 节间伸长; 内源植物激素
Relationship between Uppermost Internodes Elongation of TGMS Rice with
eui Gene and Endogenous Plant Hormones
XIAO Hui-Hai*
Department of Life Sciences, Hunan College of Arts and Science, Changde, Hunan 415000, China
Abstract: In this paper, endogenous gibberellin A1 (GA1), indole acetic acid (IAA), zeatin (Z), zeatin riboside
(ZR) and abscisic acid (ABA) contents of uppermost internodes were analyzed at different panicle development
stages, rice ‘Changxuan 3S’ with eui gene was used as materials with a control of ‘Pei’ai 64S’. The results
showed that during binucleate stage to the 3rd day after anthesis, GA1 and IAA contents of uppermost intern-
odes in ‘Changxuan 3S’ with eui gene increased immediatly, and then decreased, the content peaks of GA1 and
IAA were observed at trinucleate stage. The significant increasing GA1 and IAA contents in uppermost intern-
odes were observed in ‘Changxuan 3S’ with eui gene, about 6.5–10.6 times and 9.5–26.9 times more than those
in the control ‘Pei’ai 64S’, respectively. During binucleate to trinucleate stage, GA1/ABA and AA/ABA ratios
were more higher, (Z+ZR)/ABA ratios were less higher, whereas ABA and Z+ZR contents were more lower than
those in ‘Pei’ai 64S’. The results showed that eui gene in rice could adjust balance between endogenous hor-
mone and elongated uppermost internodes rapidly.
Key words: rice (Oryza sativa L.); thermo-sensitive genic male-sterile (TGMS) rice; elongated uppermost
internode (eui); internode elongation; endogenous plant hormone
收稿 2008-04-09 修定 2008-05-29
资助 湖南省自然科学基金(06JJ5042)和湖南省教育厅科研项
目(0 4 C4 1 7 )。
致谢 植物激素的提取和测定得到湖南农业大学植物激素重点
实验室萧浪涛先生的指导。
* E-mail: xhh-07@126.com; Tel: 0736-7186128
水稻隐性高秆基因 eui (elongated uppermost
internode)是能使水稻最上节间(即穗颈节间)明显伸
长的隐性单基因, 是Rutger和Carnahan (1981)最先
在粳稻中发现并命名的。EUI基因在育种中的应
用, 主要是选育不包穗或少包穗的长穗颈不育系(申
宗坦等1987; 何祖华和申宗坦1991; 梁康迳等1992)
和高秆隐性恢复系(Virmani等1988), 从而达到种子
生产过程中不用或少用赤霉素, 提高种子的产量和
质量, 降低成本和减少环境污染的目的。EUI转入
籼型雄性核不育系育成长穗颈核不育系时, 可以
“模拟 ”外源喷施赤霉素(GA3)的作用, 促使籼稻不
育系穗颈节间的显著伸长, 这从遗传学上基本解除
了水稻雄性核不育系中普遍存在的包穗缺陷的问题
(申宗坦等 1987; 杨仁崔等 2002)。在长穗颈核不
育系推广到生产应用的同时, 探索长穗颈核不育水
稻穗颈节间伸长生长的生理机制, 将有助于了解长
穗颈水稻独特的生物学特性, 从而指导以长穗颈核
不育系为基础的种子生产技术和此类水稻的育种技
术。
此外, 何祖华和李德葆(1994)的研究表明, 带
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有长节间eui基因的‘珍长A’, 不论在苗期还是抽穗
期, 其对GA3的敏感性均高于 ‘珍汕 97A’, 含有 eui
基因的水稻苗期至抽穗期GAs含量逐步上升, 且高
于含有其他株高基因的水稻, IAA含量也以eui稻株
为最高, 而 ABA含量则低。季兰等(2005)的研究
表明, 在抽穗期, 含 eui基因的 ‘协青早 ’保持系
(‘XeB1’和‘XeB2’)幼穗和剑叶中的GA1含量显著增
加, 分别约为对照 ‘协青早B’的 16倍和 3.4倍。通
过对光温敏核不育系 ‘培矮 64S’ 进行辐射诱变筛
选得到的长穗颈光温敏核不育突变株(周广洽等
2000, 后命名为 ‘长选 3S’), 是育性更稳定、不育
临界温度低的新株系(徐孟亮等 1999)。此种不育
系的长穗颈性状由一对隐性 eui基因控制, 不育临
界温度为 22 ℃左右(梁满中等 2004)。有关此种长
穗颈光温敏核不育水稻中 eui基因表达的温度条
件、时空规律以及穗颈节间伸长的细胞学机制已
有较深入的研究(肖辉海等2005; 钟卫华等2005; 肖
辉海 2007), 但关于此种不育系穗颈节间伸长过程
中的内源激素含量变化尚未见报道。本文以长穗
颈光温敏核不育水稻品种 ‘长选 3S’为材料, 以其
亲本光温敏核不育水稻 ‘培矮64S’为对照, 检测两
者幼穗不同发育时期的穗颈节间(即最上节间)中
GA1、IAA、ZR、Z、ABA的含量变化, 阐明长
穗颈光温敏核不育水稻穗颈节间伸长生长与内源植
物激素之间的关系, 以揭示长穗颈光温敏核不育水
稻穗颈节间伸长的生理机制。
材料与方法
水稻(Oryza sativa L.)长穗颈光温敏核不育系
‘长选 3S’和光温敏核不育系 ‘培矮 64S’均由湖南
师范大学生命科学学院提供。
水稻 ‘长选3S’和 ‘培矮64S’于2007年5月15
日播种, 6月 12日移栽于盆栽桶中, 每桶 12株, 水
肥、防治病虫按常规管理。按丁颖(1961)、杨文
钰和屠乃美(2003)书中的划分方法确定幼穗分化时
期。材料于幼穗分化的花粉母细胞形成期置入人
工控温冷水池中(陈良碧等2002), 自然长日照(每天
照光 14.3~14.1 h), 水温为 25 ℃, 连续处理 10 d后
移回自然条件下。在幼穗分化的二核期、三核
期、始花期和始花后第 3天, 用 2%碘 -碘化钾溶
液染色, 在显微镜下检查花粉育性, 分别取 ‘长选
3S’和 ‘培矮 64S’花粉败育率达 99%的单株各 30
个测量穗颈节间长度, 然后进行统计学分析。
为避免因花粉育性波动对穗颈节间激素水平
的影响, 在幼穗分化的二核期、三核期、始花期
和始花后第3天, 取花粉败育率达99%的单株穗颈
节间经液氮冷冻和真空冷冻干燥后放入-80 ℃超低
温冰箱中保存备用。
内源激素的提取和测定采用王若仲等(2002)文
中改进的高效液相色谱法。准确称取冻干样品 0.5
g左右(精确到 0.1 mg), 分 4次(分别为 5 mL、2
mL、2 mL和 2 mL)加入预冷的 80%甲醇, 累计为
11 mL, 在弱光下冰浴中研磨成匀浆, 4 ℃冷藏箱中
浸提过夜(约 15 h, 注意避光), 并不断搅拌。于 4
℃下以 3 000×g离心 10 min, 取上清液, 沉淀加入 2
mL预冷的 80%甲醇后旋涡振荡 5 min, 再离心
(3 000×g, 10 min, 4 ℃), 取上清液, 沉淀重复上述操
作一次后丢弃, 合并上清液, 然后将其真空冷冻、
离心、浓缩除去甲醇, 加入 8 mL醋酸铵(0.1 mol·L-1,
pH 9.0)复溶, 离心(16 000×g, 20 min), 上清液经过聚
乙烯聚吡咯烷酮(PVPP)柱和二乙基氨基乙基交联
葡聚糖凝胶(DEAE sephadex A-25)柱, 以Sep-PakC18
小柱(Classical, Waters公司生产)分别收集细胞分裂
素类激素和酸性激素, 再以50% (体积分数)甲醇水
溶液洗脱后进行高效液相色谱分析。所用液相色
谱仪型号为Agillon1100, 色谱条件为Waters C18反
相柱(4.6 mm i.d.×250 mm, 5 µm), 柱温 35 ℃, 流动
相为甲醇 -水 -乙酸(体积比为 45:54.2:0.8)溶液, 流
速1.0 mL·min-1, 进样量20 µL, 检测波长254 nm, 采
用外标法定性, 峰面积法定量, 测定重复 3次。
结果与讨论
1 ‘长选 3S’穗颈节间的伸长生长
在幼穗分化的二核期, ‘长选3S’与 ‘培矮64S’
穗颈节间长度差异不明显, t检验没有达到显著水
平。从二核期开始, ‘长选 3S’穗颈节间伸长的速
度快于‘培矮64S’, 而由三核期至始花期, ‘长选3S’
穗颈节间伸长的速度显著快于 ‘培矮 64S’, 此时期
‘长选 3S’穗颈节间伸长 20.1 cm, 伸长的长度占定
长(即始花后第3天的穗颈节间长度)后穗颈节间总
长度的 55.22%。而对照 ‘培矮 64S’穗颈节间仅伸
长8.1 cm, 伸长的长度占定长后穗颈节间总长度的
43.78%, 从幼穗分化的三核期至始花期, ‘长选 3S’
穗颈节间伸长的长度是 ‘培矮 64S’的约 2.5倍, 从
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始花期至始花后第3天两者节间伸长速度基本上一
致(表 1)。由此可知, 从二核期开始 ‘长选 3S’穗颈
节间伸长快于 ‘培矮 64S’, 此后伸长速度不断加
快, 由三核期至始花期穗颈节间的伸长速度达到最
大。这种长穗颈 eui基因的表达体现为最上节间
(即穗颈节间)的伸长, 从遗传学上解除了水稻不育
系的包颈, 不育系的穗和颖花即可以抽出剑叶叶鞘,
不育系开花时的异交特性得到改善, 柱头外露率有
所提高。这有利于提高杂交制种的产量和降低制
种成本, 种子质量提高, 又可减少喷施GA3对环境
的污染。
长穗颈光温敏核不育系在穗颈节间伸长生长过程
中, eui基因可能是通过调节穗颈节间中的GA1含量
而促进节间伸长的。
(2)从二核期至三核期, 长穗颈光温敏核不育水
稻 ‘长选 3S’与对照 ‘培矮 64S’穗颈节间中的 IAA
含量呈逐步上升趋势, 始花后逐步下降, 两者的变
化趋势基本上一致。但在二核期、三核期、始
花期和始花后第3天的长穗颈光温敏核不育水稻
‘长选 3S’穗颈节间中的 IAA含量则是对照 ‘培矮
64S’ 的 9.5~26.9倍(图 2)。这些结果表明, 从二核
期至始花后第 3天, IAA的变化与GA1的相似, 显
示两者之间可能有一定的交互作用。因此可以认
为, 在穗颈节间伸长生长过程中, 长穗颈光温敏核
不育水稻的eui基因可能是同时调节GA1和IAA而
表 1 不同发育时期幼穗的穗颈节间长度比较
Table 1 Lengths of the uppermost internodes at different
development stages of rice panicle

幼穗发育时期
穗颈节间长 /cm
‘长选 3S’ ‘培矮 64S’
二核期 2.5±0.12 2.0±0.13
三核期 13.7±0.85* 8.7±0.47
始花期 33.8±2.16** 16.8±1.57
始花后第 3天 36.4±2.25** 18.5±1.98
　　*和 **分别为 t检验达 0.05 和 0.01 显著水平。
2 ‘长选 3S’ 穗颈节间的内源激素含量变化
(1)从幼穗分化的二核期至始花后第 3天, 长
穗颈光温敏核不育水稻‘长选3S’与对照‘培矮64S’
穗颈节间中的GA1含量变化趋势基本上一致, 均表
现为先升后降, 其中以三核期含量为最高。但在二
核期、三核期、始花期和始花后第 3天, ‘长选 3S’
穗颈节间中的GA1含量均明显高于对照‘培矮64S’
(图 1)。GA1是植物体内促进茎伸长的赤霉素。有
些水稻高、矮秆突变体的突变表型即源于体内
GA1水平的变化。如Choi等(1995)报道, 具有dy基
因或 dx基因的粳稻矮秆品种 ‘Waito-C’和 ‘Tan-
ginbozu’体内GA1水平较低, 5叶期两者的幼嫩叶鞘
中GA1仅为常规品种的10%; 而具有隐性高秆eui基
因的水稻 ‘高秆珍汕97’, 抽穗期的穗颈节间中GA1
含量明显高于高秆 ‘二九丰 ’ 以及带矮秆和半矮秆
基因型的水稻(何祖华和李德葆 1994)。从二核期
至始花后第 3天, 长穗颈 eui水稻 ‘长选 3S’穗颈节
间伸长的长度约是对照 ‘培矮 64S’的 2.1倍(表 1),
其穗颈节间中的GA1含量则是其6.5~10.6倍, 说明
图 1 不同发育时期幼穗的穗颈节间中GA1含量变化
Fig.1 Changes of GA1 contents in uppermost internodes at
different development stages of rice panicle
图 2 不同发育时期幼穗的穗颈节间中 IAA含量变化
Fig.2 Changes of IAA contents in uppermost internodes at
different development stages of rice panicle
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促进穗颈节间伸长的。
(3) ‘长选3S’和‘培矮64S’穗颈节间中的Z+ZR
含量变化趋势基本上一致, 且与GA1和IAA的含量
变化规律相似。但在二核期、三核期、始花期
和始花后第 3天, ‘长选 3S’穗颈节间中的Z+ZR含
量均稍低于对照(图 3)。一般来说, Z和 ZR主要是
促进细胞分裂的, 从二核期至始花后第 3天, ‘长选
3S’穗颈节间伸长生长的速度快于对照 ‘培矮 64S’
(表 1), 表明此时期 ‘长选 3S’穗颈节间细胞分裂的
速度比较快, 但其穗颈节间中的Z+ZR含量却低, 其
原因尚待进一步研究。
间的ABA含量, 三者协同作用促进节间伸长。
(5)在幼穗分化的二核期至始花后第3天, 长穗
颈光温敏核不育水稻 ‘长选3S’穗颈节间中的GA1/
ABA、IAA/ABA比值变化趋势分别与GA1和 IAA
含量变化趋势基本上一致, 且均明显比对照 ‘培
矮 64S’的高。尽管在幼穗分化的二核期至始花后
第 3天长穗颈光温敏核不育系 ‘长选 3S’穗颈节间
中的Z+ZR含量均比对照水稻低, 但在穗颈节间伸
长生长的关键时期(即二核期至三核期)却比对照水
稻的(Z+ZR)/ABA比值高(图5~7), 这可能是激素之
间交互作用的结果。
(4)从二核期至始花期 ‘长选3S’和 ‘培矮64S’
穗颈节间中的ABA含量逐步下降, 从始花期至始花
后第 3 天逐步上升。但在二核期、三核期、始
花期和始花后第3天, ‘长选3S’穗颈节间中的ABA
含量均低于对照水稻 ‘培矮64S’ (图4)。通常认为,
ABA对水稻的茎节间伸长有抑制作用。宋平等
(1998)报道, 携有半矮秆基因的水稻品种其内源
ABA含量显著高于高秆品种, 且水稻的株高、苗
高与ABA含量呈显著负相关; ABA可抑制GA1诱导
的深水稻茎节间伸长, ABA浓度达100 µmol·L-1时,
GA1诱导节间伸长的效应即完全被抑制(Hoffmann-
Benning和Kende 1992)。本文中含 eui基因的光温
敏核不育水稻‘长选3S’穗颈节间中的ABA含量低
于对照 ‘培矮 64S’, 表明在长穗颈光温敏核不育水
稻穗颈节间伸长生长过程中, eui基因可通过调节穗
颈节间中GA1和 IAA水平, 提高节间的GA1和 IAA
含量, 以及同时调节穗颈节间的ABA水平, 降低节
Hoffmann-Benning和Kende (1992)报道, 深水
稻最上节间伸长源于乙烯调节的GA1/ABA比率的
增加。季兰等(2005)也报道, 抽穗期间含 eui基因
的‘协青早’保持系的最上节间平均长度比不含eui
基因的水稻增长 20~25 cm, 而其剑叶中的ABA含
图 3 不同发育时期幼穗的穗颈节间中 Z+ZR含量变化
Fig.3 Changes of Z+ZR contents in uppermost internodes at
different development stages of rice panicle
图 5 不同发育时期幼穗的穗颈节间中GA1/ABA比值变化
Fig.5 Changes of GA1/ABA ratio in uppermost internode at
different panicle development stages of rice panicle
图 4 不同发育时期幼穗的穗颈节间中ABA含量变化
Fig.4 Changes of ABA contents in uppermost internodes at
different development stages of rice panicle
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图 6 不同发育时期幼穗的穗颈节间中 IAA/ABA比值变化
Fig.6 Changes of IAA/ABA ratio in uppermost internodes at
different development stages of rice panicle
量并不比对照水稻那样下降, 其节间和稻穗中的
ABA含量甚至比不含 eui基因的高, 剑叶和稻穗中
的GA1/ABA也比其有增加。这些结果均表明水稻
株高基因还可能是通过调节激素之间平衡而控制水
稻的茎伸长生长的。
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图 7 不同发育时期幼穗的穗颈节间中
(Z+ZR)/ABA比值变化
Fig.7 Changes of (Z+ZR)/ABA ratio in uppermost intern-
odes at different development stages of rice panicle