全 文 ：武汉植物学研究 2001, 19( 3) : 181～186
Journal of Wuhan Botanical Research
不同类型杂交水稻组合及其亲本苗期
同工酶位点分析
陈学峰　 刘　殊　 朱仁山　余　涛　 朱英国

(武汉大学植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉　430072)
摘　要: 对 6 个杂交水稻组合及其亲本苗期 14 种酶的同工酶进行检测, 并对其中较为清晰
稳定的酶带进行了位点分析, 以探讨杂种优势遗传基础。共获得了 28个位点的相关资料,包
括每个位点的性质、表型多态性和每个位点所编码的酶活性及酶带平均迁移率。所有供试材
料在其中 25 个位点上均未表现出多态性, 只有部分组合与其亲本在 Est-4、A my-1、Aat-2 等 3
个位点上存在多态性, 其中有 81. 8%的差异组合其酶带表现出共显性特征。对共显性与杂种
优势的关系进行了探讨。
关键词: 水稻; 同工酶; 位点; 杂种优势; 遗传基础
中图分类号: Q943　文献标识码: A　文章编号: 1000-470X ( 2001) 03-0181-06
Isozyme Locus Analysis in Shoots for Different Types
of Hybrids and Their Parents in Rice
CHEN Xue-Feng, LIU Shu, ZHU Ren-Shan, YU Tao , ZHU Ying-Guo
( K ey L abor atory of MOE f or Plant Dev elop mental Biology, Wuhan Univ er si ty, Wuhan　430072, C hina)
Abstract: In order to reveal g enetic basis of heterosis in rice, studies w ere per-
fo rmed on isozymes of 14 kinds of enzymes in shoots for 6 hybrids and their
parents; and isozyme loci w ere detected fo r isozyme bands w hich w ere clear and
stable. Related data to 28 loci w ere acquired, w hich include character , pheno-
type polymorphism of each locus and enzyme act ivity, average r elat ive mobility
of enzyme bands encoded by each locus. No dif ferences w er e show n among all
of the experimental materials on 25 loci, and dif ferences only appeared among 6
hybrids and their parents on 3 loci( i. e. Est-4, Amy-1, A at-2) , in w hich, iso zyme
bands o f 81. 8 percent combinat ions show ed co-dominance phenomena. In addi-
tion, the relat ionships betw een co-dominance and heterosis w ere discussed.
Key words : Rice; Iso zyme; Locus; Heter osis; Genet ic basis


收稿日期: 2000-08-28,修回日期: 2000-11-07。
基金项目:国家“863计划”资助课题(编号: Z16-01-02-03)。
作者简介:陈学峰( 1975- ) ,男,硕士研究生,遗传学专业。E-mail: xfchen2001@ yahoo. com. cn
通讯联系人。E-mail : z huyg@ pub lic. w h. h b. cn
　　杂种优势是指两个遗传基础不同的亲本杂交所得到的杂种一代在产量等经济性状、
生长势、存活力、生殖力和抗逆性等某一方面或几方面优于双亲的现象。关于杂种优势的
遗传基础,自 20世纪初 Bruce 和Shull分别提出显性假说[ 1]和超显性假说 [ 2]之后, 一直未
取得突破性进展。近年来,分子标记技术的发展为从分子水平研究杂种优势的遗传基础提
供了有力手段。Stuber [ 3]等认为超显性对杂种优势起了重要作用。Xiao[ 4]等的试验结果表
明:显性互补是水稻杂种优势形成的重要遗传基础; Yu [ 5]和 Li[ 6]的结果显示: 上位性效应
是杂种优势的重要遗传基础。杂种优势是一种普遍的生物学现象,其形成机理十分复杂,
涉及到许多数量性状座位[ 7]。普遍认为,对杂种优势遗传基础的研究应从多方面入手,包
括细胞水平、基因及表达调控水平、生理生化水平、细胞发育等诸方面, 各方面通力配合,
相互促进,才能收到良好的效果。近年来,程宁辉 [ 8]、Xiong [ 9]、Sun[ 10]等从基因表达调控角
度对玉米、水稻、小麦杂种优势机理进行了研究,为杂种优势的理论研究开辟了新的途径。
同工酶的研究, 可从基因产物认识基因的存在及表达,由生化表现型反映基因型, 将
宏观的遗传现象结合到微观的分子水平, 联系基因、酶、性状与结构、功能、调节[ 11] ,对于
从不同层次全面进行杂种优势遗传基础研究具有重要意义。以往, 对于同工酶与杂种优势
关系的研究,大多局限于杂种与亲本酶谱的简单比较, 并以此进行杂种优势预测 [ 12, 13]、种
子纯度鉴定[ 14, 15]或亲缘关系研究。然而,通过对同工酶进行位点分析,从遗传学角度探讨
杂种优势的机理则很少见报道。因此,我们利用同工酶是基因表达调控的产物,具有共显
性的特征, 结合等位酶分析方法 [ 16] ,对水稻苗期多种酶的同工酶进行了位点分析, 以探讨
杂种优势的遗传基础。我们的研究获得了 9种酶的同工酶共 28个位点的相关资料,对于
从遗传学角度、生理生化角度研究杂种优势的机理具有一定的参考价值;对于水稻品种资
源亲缘关系的鉴定、亲本间遗传差异与杂种优势关系的研究、杂种优势的预测以及杂种优
势群的划分也可提供有益的帮助。
1　材料与方法
1. 1　实验材料
采用 4个三系杂交水稻组合(汕优 63、马协 63、武大 1号、武大 4号)及其相应的不育
系、恢复系和 2个两系杂交水稻组合(两优 1106、两优 1125)及其亲本。其中,汕优 63、马
协 63为生产上大面积推广种植的优良组合,其余均为本研究室选育出的优质高产组合。
为了方便,用 A、R 分别表示不育系、恢复系; 用WD1、WD4、1106、1125分别表示武大 1
号、武大 4号、两优 1106和两优 1125,下同。
1. 2　样品制备
取所需种子浸泡 48 h后,经 0. 1% HgCl2消毒 15～20 min,双蒸水洗净, 转移到培养
皿置于 30℃恒温培养, 每日换水, 10 d后, 剪取幼苗, 清洗,吸干水分,剪碎后加入提取缓
冲液,按 300 mg 鲜重/ mL 提取液( 0. 1 mol/ L , pH7. 5 Tr is-HCl缓冲液, 5%蔗糖, 0. 1%

-巯基乙醇)加入, 冰浴研磨成匀浆, 4 000 r / min 离心 15～20 min,取上清液按 40 L/管
分装, - 20℃冰箱冷冻保存,点样 30 L。
1. 3　电泳及染色
采用单垂直板不连续聚丙烯酰胺凝胶电泳, 先200 V稳压, 指示剂进入分离胶后,
182 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 19卷　
300 V稳压 3～4 h,整个电泳过程置于 4℃冰箱中。我们共对 14种酶的同工酶进行了检
测,其中, EST、LDH、GDH、SOD、FDH、ALP、AAT 等 7种酶参照王中仁[ 16]的实验方法,
其余均参照胡能书 [ 17]的实验方法。
1. 4　位点的确定及编号
同工酶位点的确定是根据带在酶谱上垂直分布的位置、每条泳道酶带数目、酶带浓度
比、各泳道带之间相互关系,及酶的亚基组成进行综合判断的,位点编号参照王中仁[ 16]的
方法,从正极向负极依次为 1、2、3 ⋯⋯。
2　结果与分析
2. 1　同工酶染色结果及 28个位点的统计结果
我们采用 6个杂交水稻组合及其亲本,取其生长 8 d 的绿苗进行 14种酶的同工酶检
测分析,并以此进行位点分析, 结果如下: ( 1)对 ADH、CAT 染色后未出现任何酶带, 与
Steven D. T anksley
[ 18]所记载的结果相同; LDH 同工酶带很弱,酶活性很低; PER 同工酶
酶带很多, 主带易染得过浓, 另一些带难以分辨清楚且不够稳定; ALP 同工酶酶带信号
弱,且有一组带在我们的实验条件下难以分辨清楚,故以上 5种酶未列入分析范围之内。
( 2) MDH、GDH、6PGDH、ATPase、SOD、FDH 6种酶的同工酶均可获得稳定、清晰、分辨
率较高的酶带,但在供试材料中无多态性, 酶带浓度上的微细差异,我们认为是系统误差。
( 3) EST、Amy lase、AAT 等 3种酶的同工酶在部分杂种与亲本间存在多态性, 且多数酶
带较为清晰稳定。我们对这 3种酶的同工酶差异位点也进行了较为深入的分析和讨论。
对以上 9种酶中较为清晰稳定、易于识别的酶带进行了位点分析,并对每个位点的性
质(纯合/杂合)、表型多态性和每个位点所编码的酶活性、酶带平均迁移率(即: 该位点上
近阳极酶带的迁移率与近阴极酶带的迁移率的平均值)进行了统计, 共获得了 28 个位点
的相关资料, 结果见表 1。
表 1　实验材料中 28个位点的统计资料
Table 1　Statist ical data fo r 28 loci in exper imental mater ials
位点名称
L ocus
name
位点性质
L ocus
character
编码的酶
活性
Activ it y o f
enzyme
encoded by
each locus
表型多态性
Phenotype
polymor-
phism
编码酶带的
平均迁移率
A verage Rf * of
enzyme bands
encoded by
each lo cus
Est-1 纯合 + 无 0. 92
Est-2 纯合 + 无 0. 88
Est-3 纯合 + 无 0. 86
Est-4 杂合 + + + 有 0. 74
Est-5 纯合 - 无 0. 63
Est-6 纯合 - 无 0. 60
Est-7 纯合 - 无 0. 37
G6PD-1 杂合 + 无 0. 45
G6PD-2 纯合 - 无 0. 40
Mdh-1 纯合 - 无 0. 61
Mdh-2 纯合 + + + 无 0. 58
Mdh-3 杂合 + + + 无 0. 50
A my-1 杂合 + + 有 0. 52
A my-2 纯合 - 无 0. 43
位点名称
L ocus
name
位点性质
L ocus
character
编码的酶
活性
Act iv it y of
enzyme
encoded by
each locus
表型多态性
Phenot ype
polymor-
phism
编码酶带的
平均迁移率
A verage R f * of
enzyme bands
encoded by
each lo cus
A my -3 纯合 - 无 0. 41
A my -4 纯合 - 无 0. 16
G dh-1 杂合 + + 无 0. 22
A at-1 纯合 + + + 无 0. 69
A at-2 纯合 + 有 0. 65
A at-3 纯合 + + + 无 0. 40
S od-1 纯合 + 无 0. 78
S od-2 纯合 + + 无 0. 75
S od-3 纯合 + + 无 0. 64
S od-4 纯合 - 无 0. 38
F dh-1 纯合 + 无 0. 37
A tp ase-1 纯合 + + 无 0. 69
A tp ase-2 纯合 + + 无 0. 40
A tp ase-3 纯合 + + 无 0. 37
　　注: “+ ”表示酶活性强; “- ”表示酶活性弱; * Rf : 迁移率。
　　Note: “+ ”denote st rong enzyme act ivity; “- ”denote w eak en zyme act ivity; * Rf : relat ive mobilit y.
183　第 3期　　　　　　　　 陈学峰等:不同类型杂交水稻组合及其亲本苗期同工酶位点分析
2. 2　多态性位点分析
结果显示: 部分杂种与亲本在 Est-4、Amy-1、A at-2等 3个位点上表现出多态性。其
中,在 Est-4、A my-1两个位点上存在多态性的组合均表现出一个共同特征, 即: 每个组合
的双亲各具有一条不同的浓带, 而杂种汇集了来自亲本的两条带, 但每条带的浓度约只有
亲本的一半, 称之为“共显性”酶带, 具有“共显性”酶带特征的组合占全部差异组合的
81. 8% ,见图 1: a、b(如箭头所示)。
从理论上说,对于单体酶,在纯合位点上只表现出一条浓带, 在杂合位点上则表现出
两条带,且每条带的浓度只有纯合时的一半, 因此可以确定, E st-4、A my-1两个位点均是
杂合的(即:同一基因座位上的两个等位基因不同) ,而且, EST、Amylase在对应的位点上
均表现为单体。“共显性”酶带,实质上是因为双亲在同一座位上分别具有不同的纯合等位
基因( AA 和 aa, 各编码一条浓带) , 减数分裂时, 各产生一个配子( A 和 a) , 经自由组合,
在杂种中形成杂合子( Aa) ,杂种在表型上具有两条不同的酶带,分别是由等位基因 A 和
a 编码,等位基因 A 和 a 在同一位点上表现为共显性关系。
汕优 63、马协 63两个组合在 A at-2位点上表现出多态性,结果显示: Aat-2位点上的
等位基因只在汕优 63和马协 A 中特异表达,且只有一条带,见图 1: c(如箭头所示)。揭示
了同一个座位上的等位基因既可能在杂种中特异表达,也可能在亲本中特异表达。程宁
辉[ 8]、熊立仲 [ 9]等的结果也证实了这一点。
图 1　多态性位点上杂种及其亲本酶谱照片与模式图
Fig. 1　Zym ogr ams ph otoes an d pat terns of some hyb rids an d their parents on polymorphic loci
184 武汉 植 物学 研究　　　　　　　　　　　　　　　　　第 19卷　
3　讨论
结果显示: 81. 8%的差异组合表现出典型的共显性酶带。据此,我们推测共显性对杂
种优势的形成可能起着重要作用。Leonardi[ 19]、Romagnoli[ 20]等的结果表明:某些特定位
点表达水平的变化对杂种优势的形成可能十分重要。肖翊华 [ 21]的结果显示: 具有互补酶
带的杂交组合与显性杂种优势有密切的正相关。Gupta[ 22]等发现稻谷产量有优势的组合,
其酯酶酶带以加性方式互补;邓鸿德等[ 23]也发现分析酯酶同工酶显性互补带与杂种优势
密切相关,认为互补酶谱是反映杂种优势的一个重要指标(以上所述的互补酶带即为共显
性酶带)。
共显性是杂种汇集了来自双亲同一座位上不同等位基因共同表达的结果。同一座位
上不同等位基因之间的共显性对于杂种优势形成的影响可能是多层次的,主要体现在转
录调控、mRNA 翻译调控和酶代谢调节等不同水平上。真核生物的基因表达调控涉及到
不同的转录因子与特定 DNA 序列的结合、转录因子之间的相互作用以及转录因子与常
规转录元件的相互作用 [ 24]。在转录调控和翻译调控过程中,调控蛋白质与 DNA 或 RNA
之间以及调控蛋白质之间结构上的相互识别对于这种相互作用起着重要作用。若杂种中
编码这类调控蛋白质的等位基因表现为共显性,将会产生结构上存在微细差异、形式多样
的调控蛋白, 结构形式多样性有利于形成最佳的结构识别体系,从而优化杂种的表达调控
系统,有利于杂种优势的形成。此外, 功能基因尤其是编码有催化活性的酶基因,其共显性
可以在杂种中产生多种功能相似的表达产物,对机体维持正常物质代谢具有重要作用。当
机体内某种酶的形成或其催化的代谢途径发生障碍时,其同工酶可以替代它继续发挥催
化作用,从而增强其抗逆能力和适应性, 使生物体在不同条件下能够正常生长发育,也有
利于杂种优势的形成。根据 Aat-2位点所表现出的多态性,我们推测杂种优势的形成不能
根据某些基因在亲本中特异表达还是在杂种中特异表达简单地加以判断。有25个位点在
表型上无多态性, 揭示了杂种与亲本在这 25个位点上无论是基因结构与功能还是表达调
控方面均无明显差异, 因此,可以认为这25个位点与杂种优势的形成关系不大。至于检测
到的多态性位点的数量较少,一方面因为供试材料群体较小, 而且检测的酶种类有限; 另
一方面,是由同工酶技术固有局限性决定的。
众所周知,杂种一代优势性状的表现是一系列新陈代谢的最终结果,代谢过程中涉及
到许多种酶, 酶在调控系统的作用下通过活性改变和含量变化可对催化的反应进行调节。
50%以上的酶都具有同工酶,同工酶催化相同的生化反应, 但各自对于底物浓度、pH 值、
最适温度的要求是不同的, 而且,组织分布与活性也有所差别,因此,它们对于响应机体在
不同条件下代谢调节极为重要。由此可见,同工酶与杂种优势的形成必然存在密切关系。
至于不同的报道对于同工酶与杂种优势的关系结论不一,一方面, 是由杂种优势机理本身
的复杂性所决定的,另一方面,可能与实验材料的差别、检测的酶种类、数量不同以及同工
酶具有组织特异性和发育阶段特异性相关。然而,同工酶是基因表达调控的产物,是一种
共显性标记, 操作简便、快速,不需要进行 Northern杂交就可以直观地对一些基因的表达
状况进行检测与分析, 对于植物分类、亲缘关系的鉴定、杂种优势群的划分、杂种优势的预
测及杂种优势机理的研究仍然具有重要作用。
185　第 3期　　　　　　　　 陈学峰等:不同类型杂交水稻组合及其亲本苗期同工酶位点分析
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