全 文 ：葫芦科瓜类蔬菜性别分化控制研究进展
李明珠,陈清华,程志学,于 远,彭庆务
(广东省农科院蔬菜研究所,广东 广州 510640)
摘 要:高等植物性别分化是长期进化的产物,研究方向主要包括:性别决定基因的分离与分析、诱导信号对性别决
定的影响、性别分化特异大分子标记物的鉴定、性别分化程序的研究等。近年来,葫芦科瓜类蔬菜性别分化控制方面的研
究取得了较大的成绩,介绍葫芦科瓜类蔬菜性别分化的时空研究、控制机理,并阐述了葫芦科瓜类蔬菜性别分化的主要影
响因素包括激素、光周期、温度以及金属离子等的研究进展。
关键词:葫芦科瓜类蔬菜;性别分化控制;影响因素
中图分类号:S642 文献标识码:A 文章编号:1004-874X(2008)08-0041-03
Progressofthestudyonthecontrolofsexdiferentiation
incucurbitaceousmelon
LIMing-zhu,CHENQing-hua,CHENGZhi-xue,YUYuan,PENGQing-wu
(VegetableResearchInstitute,GuangdongAcademyofAgriculture,guangzhou510640,China)
Abstract:Sexdiferentiationinhigherplantsistheproductofevolutionoveralongperiodoftime.Itmainlyimpliessome
fieldsofresearch:theisolationandanalysisofsexdeterminationgene,theinfluenceofthesignalsinducingsexorgans,the
identificationofmacromolecularmarkersspecificforsexdiferentiation,andfinalythestudyofexpressionprogramofsex
diferentiation.Inrecentyears,agoodprogresshasbeenmadeinthestudyonsexdiferentiationcucurbitaceousmelon.This
articlemainlyreviewstheprogressofthestudyabouttimeandspace,controlmechanisminthefieldsofsexdiferentiationof
cucurbitaceousmelon.Theprogressofmaininfluencefactorsincludinghormone,photoperiod,temperatureandmetalionsect
arealsodescribed.
Keywords:cucurbitaceousmelon;controlofsexdiferentiation;influencingfactors
性别是生物长期进化的产物,是高等生物的重要
进化标志。在高等植物中,植株营养体本身很少表现出
明显的雌、雄性别特征,但却具有专门的雌性或雄性生
殖器官。具两性花植物的同一朵花中同时具有雌蕊和
雄蕊,很难决定其性别,因此高等植物的性别主要是对
雌、雄异花同株植物(又称雌、雄单性同株植物)和雌、雄
单性异株植物而言。这些植物的雌、雄生殖过程分别在
植株的不同部位或在不同植株个体上完成,雌、雄生殖
器官的结构表现出明显差异。分子水平上的研究表明,
植物的性别分化就是性别决定基因在诱导信号等的作
用下,发生去阻遏作用,使特异基因选择性地表达,从
而实现性别分化程序表达的过程。根据这一思路,通常
把性别分化研究分为3个层次,即分化程序、诱导信号
和性别决定基因[1]。一般认为性别决定基因调节雄性或
雌性分化途径的相对活性,在性别分化程序表达中发
挥决定性的作用[2]。细胞遗传学及分子遗传学的研究表
明,高等植物的性别决定不仅受性别决定基因的影响,
还与性染色体有关。有些植物的性别还受体细胞所拥
有的性染色体与常染色体组之间的比例的控制。葫芦
科瓜类蔬菜的性别分化主要受内外源激素水平、光照
长短、温度、营养条件等的影响。现将葫芦科瓜类蔬菜
性别分化的研究进展概述如下。
1葫芦科瓜类蔬菜的性别分化时空研究
前人对性别分化过程的形态学研究表明,大多数
植物种类单性花的性别决定是由性器官原基的选择性
诱导或败育引起的。2种性器官原基在发育的起始都
出现,即单性花发育的初期先经过一个“两性花”时期,
但其维持的时间在不同植物中有所不同。由于性别决
定基因的作用,其中一种原基在特定的阶段发育停滞,
致使生殖器官败育而丧失功能[1]。
葫芦科瓜类蔬菜都是雌雄同株异花作物,瓜类作
物的性别表达规律在雌雄同株植物中具有一定的普遍
性,即一般是雄花先开,然后是两性花和雄花混合出现,
收稿日期:2008-06-13
基金项目:国家“863”计划项目(2008AA10Z150SQ,2007AA1
0Z132245)
作者简介:李明珠(1979-),女,硕士,研究实习员
通讯作者:陈清华(1964-),男,博士,研究员,E-mail:qinghua
c13@hotmail.com
广东农业科学 2008年第8期 41
DOI:10.16768/j.issn.1004-874x.2008.08.041
最后才是单纯雌花。不少研究表明,瓜类的雄花向两性
花、雌花过渡是一系列相关基因时空表达的结果,其中
牵涉到激素信号的传导和特异蛋白的表达。Friedlander
等[3]测定黄瓜茎尖内源激素含量发现,第一雄花形成
时,内源赤霉素含量有一峰值,而第一雌花形成时,内
源赤霉素含量则降至很低。汪俏梅等[4-5]发现,苦瓜的性
别分化过程要先经过一个两性期,再分别向雄性或雌
性的方向发育。通过对苦瓜的两性期和雌、雄花早期发
育过程中的3个时期花蕾,利用毛细管电泳技术对花
蕾可溶性蛋白质进行分析,发现了一些与性别分化有
关的特异蛋白质。其中11kD的蛋白质从幼雌花时期
开始出现,并且在雌花发育的3个典型时期都存在,很
可能是雌花分化程序表达中的一种关键蛋白。而30kD
的蛋白质很可能是雄花程序表达中的一种关键蛋白。
这些在某一性别的花中表达的特异蛋白,其功能可能
在一定途径抑制性别相反的花的发育,而这些特异蛋
白的表达与否和表达数量的多少则与环境(如营养、温
度、日照、外源激素、刺激物)和内源激素密切相关并受
其调控。在葫芦科瓜类中表现出的雌性植株中,可能是
表达雌花特异蛋白的基因对上游的正调节作用相应的
敏感性增大或是对负调节作用响应的阈值增大,故能
使该特异蛋白的基因超量表达,从而抑制了雄花的发
育;或是控制雄花特异蛋白的基因发生突变,不能表达
或表达出无功能的导致雄花发育的特异蛋白的结果。
2 葫芦科瓜类蔬菜性别分化控制的机理研究
植物性别分化是一个复杂而且具有系统性的过
程,从感受信号到特定基因开启再到性器官形成是受
到多层次、多步骤、多因子的精确而严密调控的。
2.1 性别分化是性别相关基因表达的共同结果
遗传学研究表明,黄瓜F基因控制雌性表达,但其
表达强度受到环境及一些背景基因(如In-F)的修饰,a
基因控制雄性表达,M基因则控制着花原基向雌花或
雄花转变的过程[6]。Yamasaki等[7]研究F、M基因的功能
时,建立了黄瓜性别表达的“F、M位点互作模型”,该
模型认为F基因控制“性激素”乙烯的生成量,M基因
通过调节乙烯信号转导和表达抑制雄蕊的发育,但不
影响乙烯对雌蕊发育的诱导作用,M基因上位于 F基
因。因此黄瓜可能是通过控制乙烯生成量的F基因和
控制乙烯基因信号转导的M基因的调控,组合成开花
习性不同的多种黄瓜类型。目前,对于黄瓜性别相关基
因的分子标记研究相当多,已有的分子标记连锁图对
F基因作了初步的定位,与F基因最近是一个距离为
5.0的标记[8]。
2.2 多胺在性别分化信号传导过程中起到媒介作用
多胺在植物基因表达和蛋白质合成中起着重要作
用,它调节生长、分化和胁迫响应等多种生理过程。研
究表明,在黄瓜雌性转雄过程中,茎尖赤霉素(GA3)、腐
胺(Put)和可溶性蛋白质(SP)含量升高,而生长素(IAA)、
细胞分裂素(ZT)和亚精胺(Spd)含量则下降。与此相
反,在雄性转雌过程中,茎尖的GA3、Put、SP含量下降,
而IAA、ZT、Spd含量升高。高水平的内源Spd和Put分
别有利于雄性和雌雄的分化,在苦瓜性别分化也有类
似的结论[9-10]。一般认为,多胺是激素作用的媒介,激素
可能通过多胺的合成而引起基因表达的改变进而影响
性别分化。
2.3 与性別表现的相关蛋白具有时空特异性
贾儒珍[11]以二维电泳分析比对苦瓜根、茎、叶、果
实、雄花及雌花蛋白质,归纳出 8个花器相关蛋白;而
不同发育阶段雄花经二维电泳分析,比对出13个雄花
相关蛋白及4个雌花相关蛋白;而根据雌花不同发育
阶段的二维电泳结果,则得到 1个雄花相关蛋白及5
个雌花相关蛋白。进一步比对分析,根据与性別表现相
关蛋白的分子量等电点及不同器官和不同发育阶段的
表现,可区分为以下 4群:第 1群蛋白质在花器发育
4个阶段累积量相等;第2群蛋白质只在雄花或雌花
的发育过程累积量发生变化;第3群蛋白质在雄花及
雌花发育过程同时增加或減少;第4群蛋白质于其中
一个性別花的发育过程累积量上升,在另一性別花发
育过程中下降,经氨基酸序列比对显示,其中2种与花
性变化密切相关的蛋白质为质脂相关蛋白 (plastid-
lipidassociatedproteins,PAP)。
3 葫芦科瓜类蔬菜性别分化的主要影响因素
3.1 激素的影响
研究表明,激素作为第一信使,刺激第二信使的产
生,再由第二信使通过一系列细胞信号传导的级联反
应,将信号传递到细胞核,诱导特定的基因转录,翻译
出特定的蛋白,从而使生物体产生相应的变化。植物的
内源激素与性别分化的关系密切。植物激素是植物体
性别分化的诱导信号,它们能诱导与性别分化相关的
特异大分子标记物合成。
在葫芦科瓜类蔬菜中,不同激素水平对性别分化
的作用效果是不同的,某种与性别相关的激素在同一
植株的雌雄花中含量差异很大。陈学好等[12]通过对黄
瓜雌、雄花的内源激素测定发现,黄瓜雌花中的IAA
含量均高于雄花;雌花在大孢子母细胞时期以后直到
发育成熟,IAA含量持续增加,雄花中 IAA含量则下
降;雌性系黄瓜经硝酸银处理后,茎尖中 IAA含量减
少,有利于雄性分化;强雄性系黄瓜经乙烯利处理后,
茎尖中GA3下降,IAA含量增加,有利于雌性分化。据
此认为,内源 IAA含量可能是黄瓜性别发育的关键性
激素,其含量决定了黄瓜性别分化的方向,在 IAA低
水平条件下雄性发育,反之则雌性发育。
乙烯是黄瓜促雌效果最明显的激素,生产上常用
乙烯利作为黄瓜的促雌剂。ACC合酶是乙烯生物合成
42
过程中的关键酶,Trebitsh等[13]根据 ACC合酶的氨基
酸序列中的两个保守区域设计了一对简并引物,从雌
性系黄瓜中克隆到一个受IAA诱导表达的特异片段。
分子生物学的研究表明,ACC合酶基因 ACSG可能是
黄瓜雌性系的分子标记。ACC合酶基因对黄瓜的雌性
表达可能为一种“有”和“无”的关系,黄瓜基因组中此
ACC合酶基因的存在导致其性别向雌性系或强雌性
转变,但其并不能使黄瓜变为全雌性,暗示了在黄瓜
性别表达过程中,可能尚有另一个(或多个)基因与该
基因共同作用使黄瓜成为全雌性品种[14-15]。
植物激素对不同种属的葫芦科瓜类蔬菜的性别分
化影响是不同的。在黄瓜、节瓜、瓠瓜中,GA3是很好的
促雄因子,但在苦瓜中,GA3却有明显的促雌作用[16]。
激素对某种植物性别分化的作用效果也不是绝对的,
这与激素的浓度和植株所处的生长发育期有着非常
密切的关系。有研究表明,低浓度的矮壮素(CCC,50～
200mg/L)表现出促雄作用,而高浓度的 CCC(500
mg/L)则表现为促雌作用[16]。陈清华等[17]在进行节瓜强
雌系化学诱雄剂筛选中发现,GA3在春季诱导强雌系
节瓜的雄花分化以第3真叶期的效果较好,大田生产
表证,随着叶期的增加,GA3的诱雄效果反而下降,第
4真叶期的诱雄效果不如第 3真叶期,至 13片真叶
时,用GA31.5mmol/L浓度诱雄完全无效。
纵观包括研究激素种类对葫芦科瓜类蔬菜性别分
化方向的影响、激素浓度分化程度的影响以及激素作
用的生理期在内的试验结果均表明,激素作为一种信
号诱导性决定基因发生去阻遏或阻遏作用,使特异基
因选择性地表达,从而实现性别分化程序表达的过程。
3.2 光周期和温度的影响
与激素类似,不同的光周期和温度差异均会对葫
芦科植物性别分化产生较大影响。光的主要作用方式
是:首先被植物细胞中光受体接受,然后通过各信号
系统(如G蛋白、Ca2+和Ca调素)的级联传递或光受体
直接作用于下游蛋白因子调节光形态建成[18]。温度对
开花的作用有3个方面:(1)成花诱导(春化作用);(2)促
进花发育;(3)抑制开花(极端温度)。光照强度和长度
(日照长度)对花的性别分化都有一定的作用,但一般
以光照长度更为重要,长日照可促进短日照植物雄化,
促进长日性植物雌化(Heslop-Harison)。有研究表明,
短日照能促进瓜类雌花增加[19]。低温短日照能够加速
包括黄瓜、丝瓜、苦瓜、节瓜、西葫芦在内的葫芦科瓜类
蔬菜的雌性发育,有利增加雌花数和降低着生节
位[20-22]。相反地,高温长日照则促进了葫芦科植物雄花
的发育,雄花数显著增加,第一雄花的着生节位下降。
试验发现,苦瓜苗期所处的环境条件会影响其性别表
现,短日使植株的发育提早,并促进雌性发育,长日的
效果恰好相反。苦瓜在出苗至 6片真叶时以短日处理
效果最明显。低温可以增强短日效应,高温则使苦瓜的
生殖生长推迟,并削弱短日效应,短日低温是苦瓜苗期
最适宜的环境条件[10]。杨龚等[23]在研究不同温度对苦瓜
性别分化的影响试验中发现,其影响因苦瓜试验材料
的不同而存在差异,于是推测这可能主要由内在的遗
传物质起决定作用,不同温度除了苦瓜植株产生的性
别分化效果仅仅是数量上的变化而非性质上的变化,
并且应该结合日照时间长短的影响来综合评价外界生
态环境因素对苦瓜性别分化的影响效应。
3.3 金属离子的影响
Ag+作为葫芦科瓜类作物常用的诱雄剂,在黄瓜诱
导雄花发生上的效果特别明显,在苦瓜诱雄上也有相
当的效应[23]。Ag+发挥作用的主要原因很可能是其能抑
制乙烯生物合成最后一个催化步骤的 ACC氧化酶的
活性,使得 ACC(氨基环丙烷基羧酸)无法转变为乙
烯。Co2+、Ca2+也是ACC氧化酶的抑制剂,同样能够促进
葫芦科瓜类作物雄花的发生。
4 展望
葫芦科瓜类蔬菜性别分化是一个复杂的过程,迄
今为止,人们对该过程中各个环节的有关变化了解还
不多,我们认为,可以从以下几方面进行深入研究:(1)
寻找与性别连锁的分子标记,构建高精度、高饱和度的
遗传图谱,采用多种分子生物学手段分离、克隆、定位、
鉴定决定性别分化的相关基因 (包括调控途径中各种
相关基因),进而研究这些基因之间相互作用的分子机
制。(2)将花的形态建成与内在的发育阶段联系起来,
在细胞学水平上研究花器官性别发育时形态特征变
化,分析不同阶段花器官中内含物(主要是激素、多胺、
核酸和特异蛋白)的动态变化,研究造成雄花和雌花滞
育的激素和性别决定信号的传导过程,利用免疫定位
分析(immunolocalization)方法,确定性别特异蛋白于
雄花及雌花的表达位置,从而阐明雌、雄性器官的发育
生理学机制。(3)研究外界因子对性别分化影响的细胞
学和分子生物学途径,确定在外界因子的刺激转变为
体内激素、特异蛋白变化过程中起介导作用的物质和
受体。(4)在了解性别分化过程中各环节的相互作用之
后,在基因、细胞、植株水平上对葫芦科瓜类蔬菜的性
别分化进行精确控制,建立三维调控模型,以有利于育
种生产和进一步研究。
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43
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
广东苦瓜育种研究现状及其发展方向
郑岩松1,翟英芬2,黄红弟1
(1.广州市农业科学研究所,广东 广州 510315;2.广东省种子总站,广东 广州 510500)
摘 要:介绍了广东苦瓜育种研究的进展情况,包括品种资源分布和收集、良种繁育、有性杂交育种、杂种优势利用、强
雌系的选育与利用、育种性状遗传分析和分子生物学应用等研究,并对广东苦瓜育种研究的方向进行了探讨。
关键词:苦瓜;育种;研究进展
中图分类号:S642.5 文献标识码:A 文章编号:1004-874X(2008)08-0044-03
苦瓜(MomordicacharantiaL.)为葫芦科苦瓜属蔓性
一年生蔬菜作物,喜温怕寒。苦瓜除营养价值高外,还具
有较高的药用价值。现代医学研究表明,苦瓜具有清热
凉血、降低血糖、抗突变、抗肿瘤以及提高人体免疫力
的功效。近年来,随着人们对苦瓜营养价值和食疗功效
认识的加深,我国苦瓜生产发展迅速,栽培面积逐年扩
大。广东是我国苦瓜栽培和消费大省之一。广东苦瓜生
产经过长期的品种筛选,选育出不同于我国其他地方
的品种类型和优良新品种,同时在基础理论研究和新
技术应用领域方面取得了不少有价值的研究成果。
1研究现状
1.1品种资源的分布和收集
苦瓜起源于印度缅甸中心,南宋时期传入我国,经
过长期栽培至今已形成了丰富的品种和类型。从20世
纪50年代至90年代末,我国入库保存的苦瓜有 177
份,主要分布在广东、广西、福建、湖南、江西、四川、贵
州等省区[1]。苦瓜按采收时果皮的颜色可分为绿色、绿
白色和白色3种类型,依照果形则可分为长棒形、纺锤
形和大顶形等类型。从栽培面积、新品种和资源类型来
看,广东地区以绿皮苦瓜和长身苦瓜为主;此外,在江
门和惠州等个别传统喜食大顶苦瓜的地区或出口基
地,大顶苦瓜也有大规模栽培。
收稿日期:2008-04-29
作者简介:郑岩松(1970-),男,高级农艺师,E-mail:zys7031@
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