全 文 ：第 28卷第 3期 江 西 农 业 大 学 学 报 Vo.l 28, No. 3
2006年 6月 Acta Ag ricu lturae Unive rsitatis Jiangx iensis June, 2006
文章编号:1000 - 2286(2006)03 - 0323 -04
从芸薹属作物同工酶和蛋白质
表型差异探讨杂种优势机理
范淑英 ,吴才君 ,曲雪艳 ,成广杰 ,王家辉 ,乐建刚 ,夏华英
(江西农业大学 农学院 ,江西 南昌 330045)
摘要:以芸薹种(B rassica campestris L. , syn. B. rapa L. )的 3个亚种 , 即白菜(B. campestris L. ssp. chinensis
M ak ino)、大白菜(B. campestris ssp. pek inensisO lsson)和芜菁(B. campestris ssp. rapifera (Matzg. ) S insk)等芸薹
作物为研究材料 ,对其杂种优势形成进行同工酶和蛋白质分析 , 结果表明:不同品种在同一生育期或同一品种
在不同生育期酶谱和蛋白质表型有差异 , 但把各品种不同生育期的谱带叠加 ,所得到的总谱带是相同的;品种
间杂交其 F1的同工酶和蛋白质谱带不存在 “杂种带”或 “互补带”;酶谱和蛋白质表型上的差异 , 可能是芸薹属
作物杂种优势产生的生理基础之一。
关键词:芸薹;杂种优势;同工酶;蛋白质
中图分类号:S643. 7　　文献标识码:A
Approach to theM echan ism ofHeterosis from Phenotypic
D iversity of Isozyme and Protein inBrassica Crops
FAN Shu - ying, WU Cai - jun, QU Xue - yan, CHENG Guang - jie ,
WANG Jia - hui, LE Jian - gang, X IA Hua - ying
(Co llege of Agronomy, JAU , Nanchang 330045, Chnia)
　　Abstract:W ith the inbred lines “A ijiaohuang 97 - 3 -2” , “Huangx inw u 003 - 27”, “Shanghaiqing 98 - 4
- 2” of Chinese cabbage - pak - choi (Brassica campestris L. ssp. chinensisMak ino;syn. B. rapa L. ssp.
ch inensis) , the inbred line “Baimanjing 001 -24” of turnip [B. campestris L. ssp. rapifera (M atzg. ) S insk;
syn. B. rapa L. ssp. rapifera] , the inbred line “Huangyacai 97 - 8 - 6” of Chinese cabbage - pe - tsai(B.
campestris L. ssp. pek inensisO lsson, syn. B. rapa L. ssp. pekinensis) and 6 hybrids as the expe rimenta lma te-
ria ls, the deve lopmen t of heterosisw as stud ied by using polyacry lam ide ge l electropho resis of isozyme and pro-
tein. The fo llow ing resu lts we re obta ined:In spite of the enzyme and pro tein diversity at one grow th stage be-
tw een diffe rent cu ltivars, the piled - up enzyme and p ro tein patterns of all the g row th stages we re sim ilar to
each o ther. The pattern diffe rences be tw een F1 generation and its parents could be detected at one grow th
stage, and the “hybrid band” or “ complementary band” cou ld be found in F1 ’ s pattern a t that stage, bu t the
same band cou ld a lso be found in its parents’ pattern a t ano ther stage. The pheno typic diversity of enzyme and
pro tein pa tte rnsw as due to diffe rences in gene expression of F1 gene ra tion and its parents , which is con trolled
by the gene regu lation system. A ll th is shou ld be conside red as the basis o f heterosis ofB rassica c rops.
Key words:Ch inese cabbage - pak - choi;heterosis;isozyme;pro tein
收稿日期:2005 - 12 - 08
基金项目:国家自然科学基金项目(30560087)和江西省自然科学基金项目(0530046)资助
作者简介:范淑英(1963 -), 女 ,教授 , 主要从事蔬菜育种理论与技术研究。
　江 西 农 业 大 学 学 报 第 28卷
　　芸薹属 (B rassica campestris L. )作物也是杂种优势利用最为普遍的一类作物 ,与其他农作物杂种优
势的大规模应用是 20世纪作物育种的一项重大突破 。为了更有效地利用杂种优势现象为人类服务 ,人
们十分重视杂种优势产生机制的研究 。近一个世纪以来对杂种优势机制的研究 ,国内外学者做了大量
的理论和实验探讨 ,在方法和指导思想上都有了明显的进步 ,不仅取得了一些进展 ,提出了许多的学说 ,
而且带动了杂种优势广泛利用 。但是 ,杂种优势产生的机制仍然是一个末解之谜 ,还有许多问题需要深
入研究 。在用同工酶分析杂种杂种优势的报道中 ,大都肯定了同工酶与杂种优势的关系 [ 1 ～ 5] 。尽管杂
种 F1的基因及其互作对杂种优势表现起决定作用 , 但必须通过 DNA →mRNA →蛋白质才能对最终性
状起作用。 Srivastava[ 6]认为杂种优势是由于 F1 DNA复制 、RNA转录和蛋白质转译上量的增加 ,是由于
遗传信息量和核糖体 DNA重复数的增加 ,是由于杂种细胞中各种酶和调控单元工作效率的提高 。杂种
优势的形成是一个多方面动态积累的过程 ,涉及到一系列生理生化代谢 。虽然上述研究肯定了氧化酶 、
同工酶 、蛋白质等物质与杂种优势的关系 ,但是它们与杂种优势的关系究竟如何  不得而知 ,因此 ,本研
究从芸薹蔬菜的杂种及其亲本的同工酶和蛋白质表现入手 ,探讨芸薹作物杂种优势产生的机制 ,为芸薹
作物杂交育种和杂种优势的利用提供一些理论依据 。
1　材料与方法
1. 1　实验材料
以 “矮脚黄”白菜自交系 “97 - 3 - 2”、“黄心乌”自交系 “ 003 - 27” 、“上海青”自交系 “98 - 4 - 2”、
“黄芽菜 ”自交系 “97 - 8 -6”和 “白蔓菁 ”芜菁自交系 “ 001 - 24”为亲本 (分别以大写字母 C、B、G、D、F
表示)及其杂交后获得 F1代(B ×F、B×G、C ×G、C ×D、C ×F、G ×F)为材料 , 9月播于苗床 , 10月移栽
于试验田 ,按照完全随机区组设计 ,重复 3次 ,田间管理按常规进行。在莲座期前 (莲座期前 20 d)、莲
座期 、莲座期后(莲座期后 20 d)取叶备用 ,并对取样调查的植株编号挂牌。
1. 2　酯酶聚丙烯酰胺凝胶电泳分析
取 1 g新鲜材料 ,加入 1mL提取液 (0. 1 mo l /L T ris -HC l, φ=20 %蔗糖 , pH7. 5),在冰上研磨后转
入 1. 5 mL的离心管中 ,离心 15 m in(4 000 r /m in, 4 ℃),取上清液 ,供酯酶电泳分析用 。酯酶采用 α-
醋酸萘酯 -坚牢蓝 RR盐染色法[ 3] 。
1. 3　SDS - PAGE分析
取上述材料的叶片各 0. 5 g,加 0. 5mL的抽提缓冲液(250 mmo l /L Tris -HC l pH 6. 8 , 1%的 β -巯
基乙醇 ),冰浴研磨 , 4 ℃下 12 000 r /m in离心 20 m in, 取上清液 , 4 ℃保存 。制备 ω=12%的分离胶 ,浓
缩胶的质量分数为 4%。总蛋白样品与样品缓冲液 (100 g /LSDS 2 mL、β -巯基乙醇 0. 5mL、蔗糖 4 g
或甘油 1 mL)、溴酚兰 2 mg、0. 05 mo l /L Tris -HC l(pH 8. 0)2 mL, dH2O加至总体积 10mL置棕色瓶
内 , 4 ℃贮存备用(最好临用前配制 )以体积比 1∶1混合 ,沸水浴 3 m in,立即置于冰上 。室温下电压先调
到 70V ,待样品跑到浓缩胶与分离胶的交界面时 ,再将电压调到 100 V ,待溴酚蓝迁移到距玻板底边
1 cm处结束电泳。电极缓冲液采用 Tris -甘氨酸缓冲液[ 7] (T ris 6. 0 g、甘氨酸 28. 8 g、SDS 1 g,溶解到
1 000mL dH2O中)。室温下银染 20 m in ,然后显色并拍照记录。
2　结果与分析
2. 1　不同时期不同杂交组合酯酶同工酶分析
酯酶是催化复杂酯类化合物水解的酶系 ,一般为单链或二聚体蛋白质 ,具有转酯和解毒的生理作
用 ,由于它的酶谱比较稳定 ,许多研究者把它用来作为研究遗传特性的生化指标 [ 1, 3, 5] 。本实验的酯酶
同工酶分析结果显示 (图 1),自交系间(C ×G)和变种间(B×G)的 F1与亲本比较条带无差异;亚种间
(B ×F)的 F1与亲本在莲座期后存在互补型谱带;亚种间(C ×D)的 F1与亲本在莲座期 、莲座期后存在
互补型谱带;亚种间(C ×F和 G ×F)的 F1与亲本比较 ,有一条带仅出现在父本中 ,而在母本和杂种中没
有出现 。在酶活性方面 , 6个组合都是从莲座期开始加强。
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第 3期 范淑英等:从芸薹属作物同工酶和蛋白质表型差异探讨杂种优势机理
图 1　芸薹类蔬菜不同时期不同组合的酯酶(EST)分析
　　　F ig. 1 The analyses o f the EST elec trophoresis of inbred line and their
hybrids in B rassica campestris L. at differen t developmenta l stage
　　A为 “黄心乌”和 “山西白蔓菁”
及其杂种 ,从左到右 , 依次为:1. “黄心
乌”(莲座期前);2. “白蔓菁 ”(莲座期
前);3. F1(莲座期前 );4. “黄心乌 ”
(莲座期);5. “白蔓菁 ” (莲座期);6.
F1(莲座期 );7. “黄心乌” (莲座期
后);8. “白蔓菁 ” (莲座期后 );9. F1
(莲座期后);B为黄心乌和上海青及
其杂种 ,排列次序如 A;C为矮脚黄和
黄芽菜及其杂种 ,排列次序如 A;D为
矮脚黄和白蔓菁及其杂种 , 排列次序
如 A;E为矮脚黄和上海青及其杂种 ,
排列次序如 A;F为上海青和白蔓菁
及其杂种 ,排列次序如 A。
2. 2　不同时期不同杂交组合的
蛋白质分析
蛋白质是基因的产物 。采用
蛋白质电泳技术检测植物蛋白质
的异质性 ,并据此鉴定作物品种已为人们所重视 ,并在小麦等作物上形成了较系统的鉴定方法[ 8] 。本
实验的蛋白质电泳分析结果显示 (图 2), 6个组合在莲座期显示的谱带比较多 。自交系间(C ×G)和变
种间(B ×G)的 F1与亲本比较条带无差异。在莲座期 ,亚种间(B ×F, C ×D和 C ×F)的 F1与亲本存在
互补型谱带;亚种间(G ×F)的 F1与亲本比较 , F1有一条分子量约为 20. 1 kD a的特异条带 。
3　讨　论
同工酶和蛋白质是基因表达的直接产物 ,在很大程度上能反映植物个体的遗传差异 ,常用作探测基
因差异和遗传关系及品种遗传性状的指标 ,也可广泛用于分析研究品种的起源和演化。关于杂种优势
形成的机理 ,一直存在争议 。用同工酶分析杂种优势的报道中 ,大都肯定了同工酶与杂种优势的关系。
Schw artz
[ 9]在玉米胚乳中发现有酯酶同工酶的 “杂种酶带”;刘文芳等 [ 1]把杂交水稻的酯酶同工酶酶谱
分为 5种类型:互补型 、偏父型 、偏母型 、同型和 “杂种 ”酶谱;何文安等 [ 2]运用聚丙烯酰胺凝胶电泳法及
等电聚焦电泳法对高梁核质杂种芽期的过氧化物酶同工酶 、酯酶同工酶进行了电泳分析 ,认为高梁核质
杂种的同工酶应是 “多型”的 ,而不是简单地局限于 “互补”或 “杂合”型。许如根等[ 3]以大麦杂种为材
料 ,在苗期利用酯酶同工酶对大麦杂种优势进行了分析 ,发现酯酶同工酶谱带为互补型的杂种优势强 ,
同亲本型的杂种优势弱。林碧英等 [ 5]利用过氧化物酶和酯酶同工酶对结球甘蓝杂种优势进行了分析 ,
结果显示杂交组合的过氧化物酶和酯酶同工酶酶谱有 3种类型 ,即双亲互补型酶带并兼有双亲所没有
的杂种酶带 ,二是只出现双亲互补型酶带 ,三是丢失双亲部分特征酶带 。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 ,同工酶和蛋白质是基因表达调控的产物 ,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 。
实验进行的过氧化物酶和细胞色素氧化酶同工酶不同时期不同杂交组合的分析表明 ,无论在莲座
期前 、莲座期 、还是莲座期后 , 6个组合中的任何一对亲本和 F1在条带上无质的差异。本实验的酯酶同
工酶分析结果显示 ,自交系间(C ×G)和变种间 (B×G)的 F1与亲本比较条带无差异;亚种间(B ×F)的
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　江 西 农 业 大 学 学 报 第 28卷
图 2　芸薹类蔬菜不同时期不同组合的蛋白质电泳分析
　　F ig. 2　The ana ly ses o f so luble pro te ins SDS - PAGE e lectropho resis o f inbred
line and the ir hyb rids in Brassica campestris L. at different deve lopm ental stage
A为 “黄心乌”和 “山西白蔓菁”及其杂种 , 从左到右 , 依次为:1.标准蛋白质
(靠最上的第 1 条带分子量为 97. 4 kD, 第 2 带为 66. 2 kD, 第 3 带为
43. 0 kD, 第四带为 31. 0 kD, 第五带为 20. 1 kD,第六带为 14. 4 kD);2. “黄
心乌” (莲座期前);3. “白蔓菁”(莲座期前);4. F1(莲座期前);5. “黄心乌”
(莲座期);6. “白蔓菁”(莲座期);7. F1(莲座期);8. “黄心乌”(莲座期后);
9. “白蔓菁”(莲座期后);10. F1(莲座期后);B为黄心乌和上海青及其杂
种 , 排列次序如 A;C为矮脚黄和黄芽菜及其杂种 , 排列次序如 A;D为矮
脚黄和白蔓菁及其杂种 ,排列次序如 A;E为矮脚黄和上海青及其杂种 , 排
列次序如 A;F为上海青和白蔓菁及其杂种 ,排列次序如 A。
F1与亲本在莲座期后存在互补
型谱带;亚种间 (C ×D)的 F1与
亲本在莲座期 、莲座期后存在互
补型谱带;亚种间 (C ×F和 G ×
F)的 F1与亲本比较 , 有一条带
仅出现在父本中 ,而在母本和杂
种中没有出现。蛋白质电泳分析
结果显示 , 6个组合在莲座期显
示的谱带比较多 。自交系间 (C
×G)和变种间 (B ×G)的 F1 与
亲本比较条带无差异。在莲座
期 ,亚种间 (B ×F, C ×D和 C ×
F)的 F1 与亲本存在互补型谱
带;亚种间 (G ×F)的 F1有一的
特异条带。通过对过氧化物酶 、
细胞色素氧化酶 、酯酶同工酶和
蛋白质电泳分析 ,并经过仔细比
对 ,笔者认为本实验的芸薹作物
的 6个组合 F1没有真正的 “杂种
谱带 ”和 “互补谱带 ”,虽然在某
一生育期 F1与亲本谱带对照 ,可
能出现类似 “杂种谱带 ”和 “互补
谱带”的现象 ,但把各时期所显
现的谱带叠加起来 ,可以看到各
亲本及 F1 的总谱带是一致的 。
本实验中同工酶和蛋白质电泳在
莲座期或莲座期后出现的 “杂种
谱带 ”和 “互补谱带 ”,其实质是
亲本基因表达顺序上的差异 ,这
种表达差异 ,可能更有效地组织
起杂种体内的酶系统 ,使之提高
酶的效率 ,这可能是杂种优势形
成的生理基础之一。
综上所述 ,研究杂种优势形
成机理 ,不仅要考虑结构基因 ,也
应该探讨基因调控体系的作用 ,进
一步做这方面的工作对弄清杂种
优势产生的机理将是有帮助的。
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