全 文 ：园 　艺 　学 　报 　2008, 35 (3) : 377 - 382
Acta Horticulturae Sinica
收稿日期 : 2007 - 08 - 27; 修回日期 : 2007 - 11 - 25
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30470120) ; 国家 ‘863’计划项目 ( 2006AA10Z1A8, 2006AA100108) ; 国家科技支撑计划
项目 (2006BAD13B06) ; 江苏省高新技术项目 ( 2007) ; 国际腌渍协会腌渍种子研究基金项目 ( Pickle Seed Research Fund of Pickle
Packer International, Inc. )3 通讯作者 Author for correspondence ( E2mail: jfchen@njau1edu1cn)
黄瓜与酸黄瓜异源多倍体 3种同工酶表达基因组剂
量效应
罗向东 1, 2 , 戴亮芳 1, 2 , 钱春桃 1 , 娄群峰 1 , 陈劲枫 13
(1作物遗传与种质创新国家重点实验室 , 南京农业大学园艺学院 , 南京 210095; 2江西师范大学生命科学学院 , 南昌
330022)
摘 　要 : 以甜瓜属 (Cucum is) 黄瓜与酸黄瓜的 3种不同倍性异源多倍体 —双单倍体种间杂种 F1 ( 2n
= 2x = 19, HC)、异源三倍体黄瓜 (2n = 3x = 26, HCC) 和异源四倍体 C1hytivus (2n = 4x = 38, HHCC) 及
其双亲为试材 , 比较研究过氧化物酶 ( POD)、谷氨酸脱氢酶 ( GDH ) 和天冬氨酸转氨酶 (AAT) 在不同
倍性异源多倍体中的酶谱表达特性 , 探讨基因组剂量对酶谱表达的影响。结果表明 : 不同倍性异源多倍体
的酶带染色力表现出明显的差异 , 但酶带数和酶带分布基本一致。在 AAT同工酶中 , 酶带的表达随基因组
剂量的提高而增强 , 在 POD和 GDH同工酶中 , 大部分酶带的表达随基因组剂量的提高而减弱。这些结果
表明甜瓜属异源多倍体在不同的酶系统中 , 酶谱表达可能会表现出截然相反的基因组剂量效应。本研究结
果可为鉴定甜瓜属异源多倍体和阐述异源多倍体因倍性引起的表型差异提供同工酶证据。
关键词 : 甜瓜属 ; 黄瓜 ; 同工酶 ; 基因组剂量 ; 异源多倍体
中图分类号 : S 64212　　文献标识码 : A　　文章编号 : 05132353X (2008) 0320377206
Genom e D osage Effect on Three K inds of Isozym e Expression Pa ttern s in
C ucum is A llopolyplo id
LUO Xiang2dong1, 2 , DA IL iang2fang1, 2 , Q IAN Chun2tao1 , LOU Qun2feng1 , and CHEN J in2feng13
(1N ationa l Key Laboratory of C rop Genetics and Germ plasm Enhancem ent, College of Horticu lture, N anjing A gricultural U niversi2
ty, N anjing 210095, China; 2 College of L ife Science, J iangx i N orm al U niversity, N anchang 330022, Ch ina)
Abstract: Three allop loids with different p loidies from interspecific hybridization in Cucum is [ interspe2
cific hybrids (2n = 2x = 19, HC) , allotrip loid (2n = 3x = 26, HCC) , and allotetrap loid C1hytivus (2n = 4x
= 38, HHCC) ] and their parents were used for the comparative studies on exp ression pattern of peroxidase
( POD) , glutamate dehydrogenase ( GDH) , and aspartate am inotransferase (AAT). The results showed that
the zymogram s in the allop loids were sim ilar in band number and band distribution. The intensity of band in
these allopolyp loids, however, p resents significant difference, which was caused by genome dosage. In AAT
zymogram, the intensity of band was positively correlated with p loidy level. In POD and GDH zymogram, how2
ever, the intensity of band was negatively correlated with p loidy level. It was indicated that the coherence be2
tween genome dosage and isozyme exp ression pattern would be opposite in different enzyme system s. These da2
ta will be helpful to illum inate the morphological changes caused by the polyp loid level.
Key words: Cucum is; cucumber; isozyme; genome dosage; allopolyp loid
甜瓜属 (Cucum is) 黄瓜与其近缘野生种酸黄瓜不同倍性的异源多倍体 ———种间杂种 F1 (2n = 2x
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
= 19, HC)、异源三倍体 (2n = 3x = 26, HCC) 和异源四倍体 (2n = 4x = 38, HHCC) 之间不仅在育
性上差异明显 , 而且在形态和生长势上也存在较大差异 (Chen et al. , 2003, 2004)。而导致这些差
异的根本原因是它们具有不同的基因组剂量。因此研究和探讨不同倍性种间资源的基因组剂量对相关
基因表达的影响具有重要意义。
尽管近年来 DNA标记已成为遗传研究的主要手段 , 但共显性的同工酶标记由于其快速、便捷、
稳定等优点 , 仍不失为一种有效的遗传标记 , 尤其对于基因组剂量效应的研究 ( Tanksley & O rton,
1983)。关于基因组剂量或基因组倍性对同工酶表达的影响 , 在小麦 (M itra & Bhatia, 1971)、玉米
( Tsaftaris et al1, 1981 )、甜菜 (Nakai, 1977 )、十字花科 (Nakai, 1977 ) 和柑橘 ( King et al. ,
1996) 等作物已有较多的专门研究 , 并且发现不同多倍体物种中同工酶蛋白的表达与倍性具有一定
的相关性 (O sborn et al. , 2003)。
此前我们曾利用天冬氨酸转氨酶 (AAT)、苹果酸脱氢酶 (MDH ) 以及酯酶 ( EST) 准确鉴定甜
瓜属种间杂种 (罗向东 等 , 2006a) , 并且初步研究了不同倍性种间资源的过氧化物酶 ( POD ) 和酯
酶 ( EST) 的酶谱表达特性 (罗向东 等 , 2006b) , 但对不同倍性的异源多倍体在其它酶系统中的表
达特性以及倍性是否影响这些同工酶的表达还不清楚。而探明这些问题对甜瓜属异源多倍体育种后代
的遗传分析、有用基因的表达以及倍性材料筛选具有重要意义。
因此 , 作者以甜瓜属黄瓜与其近缘野生种酸黄瓜不同倍性异源多倍体及其双亲为试材 , 比较研究
过氧化物酶 ( POD )、谷氨酸脱氢酶 ( GDH) 和天冬氨酸转氨酶 (AAT) 同工酶在不同倍性种间杂种
中的酶谱表达特性 , 分析基因组剂量对酶谱表达的影响 , 为今后进一步深入研究基因组剂量与基因表
达的关系提供有用信息。
1　材料与方法
本研究使用的材料列于表 1。酸黄瓜 (C1hystrix)、栽培黄瓜 (C1sa tivus) ‘北京截头 ’和异源四
倍体 C1 hytivus是本研究室自交保存的材料。双单倍体种间杂种 F1 (Chen et al1, 1997) 和异源三倍
体 (Chen et al1, 2003) 是此前通过胚胎培养获得并在无菌条件保存。无菌苗进行生根驯化后 , 与其
它参试材料一起定植于南京农业大学蔬菜实验地 , 按照常规的方法进行田间管理。
表 1　本研究所用的材料及其编号
Table 1　Germ pla sm s used in th is study
基因组代号
Genome code
材料名称
Name
材料来源
Pedigree
染色体数
Chromosome number
HH 酸黄瓜 C1hystrix 近缘野生种 W ild species 2n = 2x = 24
CC ‘北京截头’‘Beijing J ietou’ 栽培黄瓜 C1sativus‘Beijing J ietou’ 2n = 2x = 14
HC 双单倍体种间杂种 酸黄瓜 ב北京截头’ 2n = 2x = 19
Interspecific hybrid in dip loid C. hystrix בBeijing J ietou’
HCC 异源三倍体 异源四倍体 ב北京截头’ 2n = 3x = 26
A llotrip loid in Cucum is A llotetrap loid C1 hytivus בBeijing J ietou’
HHCC 异源四倍体 C1hytivus 种间杂种加倍而成 Chromosome doubling of‘HC’ 2n = 4x = 38
分别选取旺盛生长植株顶端的第一片刚展开的健康嫩叶作过氧化物酶 ( POD )、谷氨酸脱氢酶
( GDH) 和天冬氨酸转氨酶 (AAT) 的提取材料。各试材称取嫩叶 015 g, 分别加入 115 mL酶抽提液
研磨。抽提液为 011 mol·L - 1的 Tris - HCl缓冲液 (pH 715) , 内含 012%巯基乙醇和 10%蔗糖。研磨
匀浆后在 5 000 r·m in - 1下离心 10 m in, 取上清液保存于 - 20 ℃冰箱中待用。
用上清酶液做垂直平板聚丙烯酰胺凝胶电泳。分离胶浓度为 8% , 浓缩胶浓度为 3% , 电极缓冲
液为 Tris -甘氨酸缓冲液 (pH 817)。每样品槽加样 20μL, 用溴酚蓝作前沿指示剂。在 4 ℃冰箱中
873
　3期 罗向东等 : 黄瓜与酸黄瓜异源多倍体 3种同工酶表达基因组剂量效应 　
电泳 , 稳压 , 浓缩胶 130 V , 约 30 m in, 分离胶 260 V , 约 3 h。电泳完毕 , POD、GDH和 AAT同工
酶的染色按何忠效和张树政 (1999) 的方法进行。根据谱带迁移率大小分别对 POD和 GDH的酶谱进
行命名和分析 , 谱带迁移率 Rf =酶带迁移距离 /溴酚蓝迁移距离。AAT的酶谱命名参照我们此前的
报道方法进行 (罗向东 等 , 2006a)。
2　结果与分析
211　过氧化物酶 ( POD ) 酶谱分析
从图 1可看出 , 参试材料的 POD同工酶比较丰富 , 从负极到正极共有 8条酶带。为了便于分析 ,
将 POD同工酶酶谱从负极到正极分为 3个区 , 即 POD1 (Rf = 0118～0135)、POD2 (Rf = 0147～0158)
和 POD3 (Rf = 0168～0185) , 其基本酶谱与 Kato等 (1998) 报道的 POD同工酶酶谱相似。
电泳分析表明 , 酸黄瓜 (C. hystrix) 和栽培黄瓜 ‘北京截头 ’分别表现出 6条和 7条谱带。在
POD3区 , ‘北京截头 ’的酶活性远大于酸黄瓜中的酶活性。与双亲相比 , 只有种间杂种 F1完全表现
为互补双亲的酶带 , 共 8条谱带 ; 异源三倍体 (HCC) 和异源四倍体 (HHCC) 分别比种间杂种 F1
(HC) 少了 1条 ( POD2a ) 和 2条 ( POD2a、POD2b ) 谱带 (图 1)。在 POD3区 , 3种不同倍性异源多
倍体的酶带数量和分布基本一致 , 但种间杂种 F1 (HC) 的酶带浓度最强 , 异源三倍体 ( HCC) 其
次 , 异源四倍体 (HHCC) 最弱 , 带的浓度比约 4∶2∶1, 表明 Cucum is属异源多倍体中 POD同工酶的
表达强度随着倍性的增加而减弱。
图 1　甜瓜属 3种不同倍性种异源多倍体及其双亲的过氧化物同工酶 ( POD ) 酶谱及模式图
HHCC: 异源四倍体 ; HC: 二倍体种间杂种 ; HCC: 异源三倍体 ;
HH: 酸黄瓜 ; CC: 栽培黄瓜 ‘北京截头’。
F ig. 1　The zym orgram s pa ttern of perox ida se ( POD ) isozym es of 3 a llopolids and the ir paren ts
HHCC: A llotetrap loid C. hytivus; HC: Interspecific hybrids in dip loid; HCC: A llotrip loid in Cucum is;
HH: C. hystrix; CC: C. sativus‘Beijing J ietou’.
212　谷氨酸脱氢酶 ( GD H) 酶谱分析
从图 2可看出 , 参试材料的谷氨酸脱氢酶 ( GDH ) 共表现出 7条谱带 , 所有谱带的迁移率介于
Rf = 0121～0133, 分布非常紧凑 , 但仍可区分各条谱带。根据酶带的迁移率及其分布 , 大致可将谷
氨酸脱氢酶 ( GDH) 酶谱分为两个区 , GDH1 (Rf = 0121～0126) 和 GDH2 (Rf = 0128～0133) 分别
代表迁移较慢和较快的两个区。比较分析发现 , 酸黄瓜表现出 6条谱带 , 比栽培黄瓜 ‘北京截头 ’
少 1条 ( GDH1d ) , 但酸黄瓜的酶带浓度远大于栽培黄瓜 ‘北京截头 ’的酶带浓度。3种不同倍性异
973
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
源多倍体均有 7条谱带 , 完全表现为互补双亲的酶带 , 并且谱带的分布基本一致 , 但不同倍性异源多
倍体之间的酶带强弱差异很大。在 GDH2区 , 3种不同倍性异源多倍体中 GDH同工酶的表达强度随着
倍性的增加而减弱。
图 2　甜瓜属 3种不同倍性种异源多倍体及其双亲的谷氨酸脱氢酶同工酶 ( GD H) 酶谱及模式图
HHCC: 异源四倍体 ; HC: 二倍体种间杂种 ; HCC: 异源三倍体 ;
HH: 酸黄瓜 ; CC: 栽培黄瓜 ‘北京截头’。
F ig. 2　The zym orgram s pa ttern of glutama te dehydrogena se ( GD H) isozym es of 3 a llopolids and the ir paren ts
HHCC: A llotetrap loid C. hytivus; HC: Interspecific hybrids in dip loid;
HCC: A llotrip loid in Cucum is; HH: C. hystrix;
CC: C. sa tivus‘Beijing J ietou’.
213　天冬氨酸转氨酶 ( AAT) 酶谱分析
从图 3可看出 , 尽管远缘杂交亲本酸黄瓜和栽培黄瓜 ‘北京截头 ’都表现出 4条谱带 , 但谱带
的位置差异明显。
图 3　甜瓜属 3种不同倍性种异源多倍体及其双亲的天冬氨酸转氨酶同工酶 ( AAT) 酶谱及模式图
HHCC: 异源四倍体 ; HC: 二倍体种间杂种 ; HCC: 异源三倍体 ;
HH: 酸黄瓜 ; CC: 栽培黄瓜 ‘北京截头’。
F ig. 3　The zym orgram s pa ttern of a sparta te am inotran sfera se isozym es of 3 a llopolids and the ir paren ts
HHCC: A llotetrap loid C. hytivus; HC: Interspecific hybrids in dip loid;
HCC: A llotrip loid in Cucum is; HH: C. hystrix;
CC: C. sa tivus‘Beijing J ietou’.
083
　3期 罗向东等 : 黄瓜与酸黄瓜异源多倍体 3种同工酶表达基因组剂量效应 　
　　3种不同倍性的异源多倍体各具有 9条谱带 , 并且谱带位置完全一致 , 它们不仅具有双亲所有的
谱带 , 而且还表现出了 2条双亲所没有的杂合带 (Aa t21297和 Aa t222104)。根据异源多倍体及其双亲
表现出的酶谱特征以及此前有关甜瓜属作物 AAT同工酶的研究结果 , 发现参试材料的 AAT同工酶由
4个变异位点 (A at21, Aa t22, Aa t23和 A at24) 组成 , 与我们此前报道的结果 (罗向东 等 , 2006a) 一
致。
电泳分析表明 , 虽然 3种不同倍性的异源多倍体的 AAT同工酶谱型基本一致 , 但同时也观察到
异源多倍体之间由酶带的相对强弱所反映出的基因组剂量效应 (图 3)。与 POD和 GDH不同的是 ,
AAT中大部分谱带的强弱随基因组剂量的提高而增强。观察 3种不同倍性异源多倍体在 A at21酶谱可
发现 , 靠近阴极的谱带 (A at21294) 是来自 C1hystrix, 种间杂种 F1 (HC)、异源三倍体 (HCC) 和异
源四倍体 (HHCC) 在该变异位点的酶带的浓度比约 1∶1∶2, 与它们所含 ‘H’基因组的量成正比 ;
靠近阳极的谱带 (A at212100) 是来自栽培黄瓜 ‘北京截头 ’, 其酶带的浓度比约 1∶2∶2, 也同样符合
上述变化趋势 ; 对于杂合带 A at21297, 酶带的浓度比约 2∶3∶4, 表现为酶带的强弱随倍性增加而增强。
在 Aa t22的酶谱表达规律与 Aa t21一致。在 A at23, 参试材料表现为单态位点 , 不同倍性异源多倍体的
酶谱强弱差异显著 , 酶带的浓度比也约为 2∶3∶4。在 A at24, 参试材料的谱带较弱 , 但同样可以观察
到酶带强弱与基因组剂量之间的正比例关系。
3　讨论
不同倍性的多倍体是基因剂量研究中的一个很重要的试验体系。作者利用同工酶技术 , 对甜瓜属
3种不同倍性异源多倍体的 POD、GDH以及 AAT同工酶的表达特性作了比较研究 , 结果发现不同倍
性种间杂种的同工酶谱型基本一致 , 主要表现互补双亲的酶带 , 但同时也发现不同倍性异源多倍体间
存在酶带数量的差异以及酶带表达强弱呈现基因组剂量效应 , 表明本文的试验结果将不仅对不同倍性
种间杂种的鉴定、渐渗系材料的选育具有指导作用 , 而且可为阐述甜瓜属异源多倍体因基因组剂量引
起的表型差异提供同工酶证据。
此前有关基因组剂量或倍性对同工酶表达的影响 , 大多都认为同工酶蛋白的表达随倍性增加而增
强 ( Tanksley & O rton, 1983) , 如小麦 (M itra & Bhatia, 1971)、玉米 ( Tsaftaris et al. , 1981)、甜菜
(Nakai, 1977) 等 , 这与本文的 AAT结果一致。但在 POD和 GDH同工酶中 , 酶带的强弱随倍性增
加而减弱 , 与甘蓝中的酯酶同工酶研究结果一致 (Nakai, 1977)。表明甜瓜属异源多倍体在不同的酶
系统中 , 酶谱表达可能会表现出截然相反的基因组剂量效应。这可能是由各个酶系统本身的性质以及
它在代谢中所起的作用决定的。当然 , 基因组剂量对植物表型性状表达的影响的机理还不清楚 , 有待
于进一步研究。
我们此前的研究表明 , 甜瓜属 3种不同倍性异源多倍体的生长速度、生长势 ( Chen et al. ,
2004) 以及不定芽的分化能力 (罗向东 等 , 2004) 均随倍性增加而减弱。而本文 POD和 GDH的大
部分谱带浓度也表现出随倍性增加而减弱 , 这暗示着 POD和 GDH酶带数量或活力高低与异源多倍体
的长势和分化能力可能存在一定的内在联系。这与水稻 (陈学峰 等 , 2001) 和甘蓝型油菜 (于晓莉
和唐泽静 , 1995) 等作物中有关同工酶与杂种优势关系的报道结果基本一致。表明 POD同工酶可能
能够预测甜瓜属作物的杂种优势。然而 , 也有部分学者认为产量性状基本上是由微效多基因决定 , 而
同工酶位点数量有限 , 难以反映个体间遗传、生理和生态上的真实差异 , 不能作为准确预测作物杂种
优势的手段 (马云彤 , 1999)。因此 , 同工酶是否能够用于预测甜瓜属作物的杂种优势还需进一步研
究。
183
园 　　艺 　　学 　　报 35卷
References
Chen J F, Luo X D, Staub J E, MargaretM J, Q ian C T, Zhuang F Y, Ren G. 2003. An allotrip loid derived from a amphidip loid ×dip loid mat2
ing in Cucum is I: Production, m icrop ropagation and verification. Euphytica, 131 (2) : 235 - 241.
Chen J F, Staub J E, Tashiro Y, Isshiki S, M iyazaki S. 1997. Successful interspecific hybridization between Cucum is sa tivus L. and C. hystrix
Chakr. Euphytica, 96 (3) : 413 - 419.
Chen J F, Zhuang F Y, L iu X A, Q ian C T. 2004. Recip rocal differences of morphological and DNA characters in interspecific hybridization in
Cucum is. Canadian Journal of Botany, 82: 16 - 21.
Chen Xue2feng, L iu Shu, Zhu Ren2shan, Yu Tao, Zhu Ying2guo. 2001. Isozyme locus analysis in shoots for different types of hybrids and their
parents in rice. Journal of W uhan Botanical Research, 19 (3) : 181 - 186. ( in Chinese)
陈学峰 , 刘　殊 , 朱仁山 , 余　涛 , 朱英国. 2001. 不同类型杂交水稻组合及其亲本苗期同工酶位点分析. 武汉植物学研究 , 19
(3) : 1812186.
He Zhong2xiao, Zhang Shu2zheng. 1999. Electrophoresis. Beijing: Science and Technology Press: 258 - 312. ( in Chinese)
何忠效 , 张树政. 1999. 电泳. 北京 : 科学技术出版社 : 258 - 312.
Kato K, Akashi Y, Okamoto A. 1998. Isozyme polymorphism in melon (Cucum is m elo L. ) , and app lication to seed purity test of F1 cultivars.
Japanese Journal of B reeding, 48 (3) : 237 - 242.
King B J, Lee L S, Scott P T. 1996. Identification of trip loid Citrus by isozyme analysis. Euphytica, 90 (2) : 223 - 231.
Luo Xiang2dong, Chen J in2feng, Q ian Chun2tao. 2004. M icrop ropagation of three germp lasm s with different p loidies from interspecific hybridiza2
tion in Cucum is. Plant Physiol Comm, 40 (5) : 549 - 552. ( in Chinese)
罗向东 , 陈劲枫 , 钱春桃. 2004. 甜瓜属种间杂交三种不同倍性的资源微繁研究. 植物生理学通讯 , 40 (5) : 549 - 552.
Luo Xiang2dong, Dai L iang2fang, L iu Q iang, Lou Qun2feng, Q ian Chun2tao, Chen J in2feng. 2006a. Isozyme analysis of recip rocal interspecific
hybrid F1 between Cucum is sativusand its wild relative C. hystrix. Acta Phytotaxonom ica Sinica, 44 (5) : 488 - 493. ( in Chinese)
罗向东 , 戴亮芳 , 刘　强 , 娄群峰 , 钱春桃 , 陈劲枫. 2006a. 甜瓜属正反交种间杂种 F1的几种同工酶分析. 植物分类学报 , 44
(5) : 488 - 493.
Luo Xiang2dong, Dai L iang2fang, Q ian Chun2Tao, Chen J in2feng. 2006b. Isozyme analyses of three germp lasm s with different p loidies from inter2
specific hybridization in Cucum is. Acta Bot Boreal2occident Sin, 26 (2) : 295 - 299. ( in Chinese)
罗向东 , 戴亮芳 , 钱春桃 , 陈劲枫. 2006b. Cucum is属 3种不同倍性种间杂交资源的同工酶分析. 西北植物学报 , 26 (2) : 295 -
299.
Ma Yun2tong. 1999. Relationship between peroxidase and heterosis in M aize. Journal of Xipian United University, 2 (4) : 11 - 15. ( in Chinese)
马云彤. 1999. 玉米过氧化物同工酶与杂种优势间的关系. 西安联合大学学报 , 2 (4) : 11 - 15.
M itra R, Bhatia D R. 1971. Isoenzymes and polypoidy I. Qualitative and qualitative isoezymes in the triticinae. Genet Research, 18: 57 - 69.
Nakai Y. 1977. Variations of esterase isozymes and some soluble p roteins in dip loids and their induced autotetrap loids in p lants. Japan J Genetics,
52 (3) : 171 - 181.
O sborn T C, Pires J C, B irchler J A, Auger D L, Chen Z J, Lee H S, Comai, Madlung A, Doerge R W , Colot V, Martiensse R A. 2003. Un2
derstanding mechanism s of novel gene exp ression in polyp loids. Trends in Genetics, 19 (3) : 141 - 147.
Tanksley S D, O rton T J. 1983. Isozymes in p lant genetics and breeding. Part A. New York: Elsevier Science Publishing Company.
Tsaftaris A S, Scandalios J G, Mcm illin D E. 1981. Gene dosage effects on catalase exp ression in maize. Journal of Herdity, 72: 11 - 14.
Yu Xiao2li, Tang Ze2jing. 1995. Isoenzyme studies to calculate herterosis in the early growth of rape (B. napus L. ) . Journal of SouthwestAgricul2
tural University, 17 (5) : 399 - 403. ( in Chinese)
于晓莉 , 唐泽静. 1995. 酸性磷酸酶苗期预测甘兰型油菜杂种优势的研究. 西南农业大学学报 , 17 (5) : 399 - 403.
283