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        赤霉素(GA3)對菠菜性別分化的影響及分子機制

        2017-04-15 11:01:26秦瑞云王少凈劉新鑫杜亞茹王冰肖
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年5期
        關(guān)鍵詞:赤霉素菠菜

        秦瑞云+王少凈+劉新鑫+杜亞茹+王冰肖+李忠徽+閆寧寧+李書粉+高武軍+鄧傳良

        摘要:以日本大葉菠菜為供試材料,采用溫室內(nèi)盆栽種植的方式,利用赤霉素(GA3)進行處理,探討其對雌雄異株植物菠菜性別分化的影響。結(jié)果表明,試驗組在第1次處理后植株就有明顯的生長,表現(xiàn)為植株莖稈變長、較對照組粗壯、開花期提前。與對照組相比,試驗組雌雄比例(1.33)明顯大于對照組(0.96)。此外,發(fā)生性反轉(zhuǎn)植株中,雌株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑昱c雄株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦甑谋壤秊?.14。利用Y染色體緊密連鎖的雄性特異T11A分子標記對性反轉(zhuǎn)植株進行檢測,結(jié)果表明,雌株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑?,雄性特異條帶出現(xiàn);雄株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦?,雄性特異條帶消失。本研究結(jié)果為進一步研究激素對菠菜性別分化影響的分子機制奠定了基礎(chǔ)。

        關(guān)鍵詞:菠菜;赤霉素(GA3);T11A分子標記;性反轉(zhuǎn);性別分化

        中圖分類號: S636.101文獻標志碼: A

        文章編號:1002-1302(2017)05-0133-02

        菠菜(Spinacia oleracea L.)為藜科菠菜屬一年生或二年生草本植物,染色體組成為(2n=2x=12),具有生長周期短、表型豐富、營養(yǎng)價值高等特點,是一種大面積種植的蔬菜作物。菠菜系雌雄異株植物,其性別分化不但受到性別決定基因控制,還受到激素的影響[1]。在早期研究中,Chailakhyan等認為在長日照類型的菠菜中,赤霉素對性別表現(xiàn)的影響為促進雄性化[2];El-Gizawy等的研究也表明赤霉素處理菠菜具有促雄作用[3-4];而曹宗巽等則報道赤霉素在菠菜中有促雌作用[1]。由此可見,不同研究學(xué)者利用赤霉素處理菠菜,其誘導(dǎo)結(jié)果是有差異的。赤霉素對其他植物性別分化的影響也不盡相同,赤霉素可以促使某些植物雄性化,但是也可以導(dǎo)致某些植物雌性化,赤霉素對黃瓜雌性系性別分化的影響表現(xiàn)為能促進雄花分化,阻礙雌花分化[5]。在赤霉素對小桐子處理的試驗中,結(jié)果表明外施赤霉素誘導(dǎo)小桐子雌花中原來停止發(fā)育的雄蕊重新正常發(fā)育,進而將其變成兩性花[6]。在玉米不同的發(fā)育階段,對葉面噴施赤霉素,能夠使玉米雄花穗變成雌性、雄性不育或保持雄性可育[7]。赤霉素還可以誘導(dǎo)寬葉慈菇雄株及三性花同株向雌株性別的轉(zhuǎn)換[8]。

        盡管前期有不少學(xué)者研究了赤霉素對菠菜性別分化的影響,并得出了不同的結(jié)論,但是其研究結(jié)果只關(guān)注于赤霉素對菠菜外觀形態(tài)特征的影響,至于赤霉素為什么會導(dǎo)致菠菜的性別轉(zhuǎn)化缺乏深入的研究。本研究以日本大葉菠菜為供試材料,采用外源赤霉素處理受試菠菜植株,觀察處理前后菠菜性別變化的情況,并利用菠菜Y染色體緊密連鎖雄性特異標記T11A對性反轉(zhuǎn)植株進行基因組檢測,從分子水平探討其對雌雄異株植物菠菜性別分化的影響,本研究結(jié)果為進一步揭示赤霉素對菠菜性別分化影響的分子機制奠定了基礎(chǔ)。

        1材料和方法

        1.1試驗材料

        供試材料為日本大葉菠菜。2013—2014年連續(xù)在河南師范大學(xué)植物組織培養(yǎng)室種植菠菜。種植前先將種子進行人工春化(4 ℃,7 d左右),然后播種于含有培養(yǎng)土和蛭石(培養(yǎng)土、蛭石體積比為1 ∶[KG-*3]1.5)的土壤中(混合后放入植物組織培養(yǎng)室常用的小型花盆中),并給予充足的水分。培養(yǎng)條件為光照14~16 h、黑暗8~10 h的長日照,均采用日光燈管照明,經(jīng)照度計檢測光照度為3 000 lx,培養(yǎng)溫度(20±2)℃,直至全部正常開花。

        1.2試驗方法

        1.2.1赤霉素處理

        將種植的菠菜隨機分為2組,試驗組和對照組,每組均為100株。對試驗組進行處理,根據(jù)前期學(xué)者研究結(jié)果[1],將赤霉素處理濃度定為50 mg/L,對每株菠菜植株均勻噴灑赤霉素,對照組則噴水。每隔3 d用同一濃度赤霉素處理1次,處理后觀察植株的變化,隨后均正常澆水。試驗組由于每棵植株開花時間略有差異,因此每隔2 d統(tǒng)計1次,統(tǒng)計時嚴格按照菠菜雌雄植株開花特點,準確區(qū)分絕對雌株、絕對雄株及兩性株,直至試驗組和對照組菠菜植株均全部正常開花。

        1.2.2性反轉(zhuǎn)植株的分子檢測

        為了檢測性反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的分子機制,進行如下處理:在赤霉素處理之前,剪取培養(yǎng)約2周的菠菜葉片,用改良的2×CTAB法提取每株菠菜的DNA[9-10],用菠菜Y染色體緊密連鎖的雄性特異標記T11A分子標記[11]鑒定菠菜的原始性別,引物序列為T11A-F,5′-CCCTAATTAACTCCTCTTTACCCAA-3′;T11A-R,5′-TACAAGCCCCATTATCATAACAGTC-3′。T11A反應(yīng)體系(20 μL)為0.5 μL上游引物,0.5 μL下游引物,14.4 μL H2O,2 μL buffer,1.5 μL dNTP,0.1 μL Taq DNA聚合酶;其擴增程序為94 ℃ 2 min,94 ℃ 15 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,72 ℃ 10 min,4 ℃恒溫;另外,對赤霉素處理后的菠菜植株的開花情況進行性別統(tǒng)計,將統(tǒng)計結(jié)果與處理前鑒定的菠菜原始性別進行比較,找出發(fā)生性別反轉(zhuǎn)的植株,保存葉片,提取DNA,并再次利用T11A對性反轉(zhuǎn)植株進行鑒定,并借助瓊脂糖凝膠電泳檢測處理前后條帶變化情況。

        2結(jié)果與分析

        [HTK]2.1赤霉素處理對菠菜性別分化的影響[HT]

        赤霉素處理后菠菜形態(tài)特征產(chǎn)生一些變化,與對照組相比,試驗組在第1次處理后植株有了明顯的生長,表現(xiàn)為植株莖稈變長、明顯粗壯、開花期提前。

        赤霉素處理對菠菜性別分化的影響也非常明顯,如表1所示,與對照組相比,試驗組雌雄比例(1.33)明顯大于對照組(0.96)。另外,在發(fā)生性反轉(zhuǎn)植株中,雌株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑昱c雄株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦甑谋壤秊?.14,結(jié)果表明50 mg/L赤霉素對雌雄異株菠菜的性別分化有明顯的影響,既有利于雌株的分化又有利于雄株的分化。

        3討論

        關(guān)于植物的性別分化,分子水平上的研究結(jié)果表明,植物的性別分化就是性別決定基因在誘導(dǎo)信號等作用下,發(fā)生去阻遏作用,使特異基因選擇性地表達,從而實現(xiàn)性別分化程序表達的過程[2]。赤霉素作為一種誘導(dǎo)信號,在高等植物的各個生長發(fā)育階段都具有重要的調(diào)控作用[3]。外源赤霉素常常用作調(diào)節(jié)植物生長和性別分化。赤霉素經(jīng)常被認為是男性荷爾蒙,赤霉素處理可以誘導(dǎo)黃瓜和菠菜的雌株雄性化[12]。在番木瓜上噴施赤霉素抑制劑,可以誘導(dǎo)雄株上出現(xiàn)心皮發(fā)育,說明了赤霉素在保持番木瓜雄性特征中的作用[13]。

        性反轉(zhuǎn)是指生物個體從一種性別特征轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相反的性別特征的性別轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在動物中比較常見,也研究的比較透徹。李尚偉等利用抑制性差減雜交技術(shù)(SSH),結(jié)合SMART cDNA合成和RACE-PCR方法,從性反轉(zhuǎn)雄魚性腺中克隆到鈣調(diào)蛋白基因(ECaM),進一步分析表明ECaM基因可能是促使石斑魚由雌向雄轉(zhuǎn)變的重要功能基因之一[14]。劉曉翌等探討了人類性反轉(zhuǎn)綜合征發(fā)生與性別分化相關(guān)基因[WTBX][STBX]SRY、SOX9[WTBZ][STBZ]之間的關(guān)系,研究結(jié)果表明SRY易位是導(dǎo)致性反轉(zhuǎn)發(fā)生的重要原因之一,某些性反轉(zhuǎn)的發(fā)生可能與[WTBX][STBX]SOX9[WTBZ][STBZ]基因異常有關(guān)[15]。性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象在植物中也時有發(fā)生,但是對其分子機理研究未見相關(guān)報道。本研究利用菠菜Y染色體緊密連鎖雄性特異的T11A分子標記對菠菜性反轉(zhuǎn)植株進行檢測,結(jié)果表明,赤霉素處理菠菜可以導(dǎo)致雌株轉(zhuǎn)變?yōu)樾壑?,也可以?dǎo)致雄株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦辏淮浦贽D(zhuǎn)變雄株,雄性特異條帶出現(xiàn);雄株轉(zhuǎn)變?yōu)榇浦?,雄性特異條帶消失。目前,未有決定菠菜性別基因克隆的報道,如果利用抑制性差減雜交技術(shù)篩選到菠菜性反轉(zhuǎn)前后的差異表達基因,將可能會為揭示菠菜發(fā)生性反轉(zhuǎn)的分子機制提供線索。此外,在菠菜性反轉(zhuǎn)過程中,Y染色體緊密連鎖雄性特異的T11A分子標記為什么會出現(xiàn)或者消失,以及其與性別決定基因的關(guān)系還需要進一步進行深入研究。

        參考文獻:

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