周 圍,陳建華,王曉明,陳亮明,曾惠杰,喬中全
(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.湖南省林業(yè)科學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410018)
花芽發(fā)育是一個(gè)高度復(fù)雜的生理生化和形態(tài)發(fā)生過(guò)程,不僅受外界環(huán)境因子的影響,而且植物體內(nèi)各種生理因素也必須共同作用、相互協(xié)調(diào),從而對(duì)成花進(jìn)行調(diào)控。作為結(jié)構(gòu)物質(zhì)和能量物質(zhì)的碳水化合物在花芽發(fā)育中起著重要的作用,它的積累與花芽分化密切相關(guān)。羅允等[1]研究發(fā)現(xiàn),草莓植株在成花前可溶性糖、還原糖和淀粉含量均處于高水平,隨著頂芽轉(zhuǎn)入花芽分化狀態(tài),碳水化合物被大量消耗,在第二花序分化前又升高,進(jìn)入第二花序原始體大量分化階段時(shí)則再次降低??扇苄缘鞍踪|(zhì)作為一種結(jié)構(gòu)物質(zhì),對(duì)各種物質(zhì)的合成均起到重要作用,許多研究認(rèn)為蛋白質(zhì)代謝紊亂引起營(yíng)養(yǎng)失調(diào)是敗育的主要原因[2-4]。與此同時(shí),植物在有氧生理過(guò)程中,體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生具有消極作用的活性氧對(duì)植物產(chǎn)生傷害,從而引起相關(guān)組織的生理生化紊亂。超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)對(duì)于清除氧自由基有增強(qiáng)作用,避免活性氧因聚集在植物體內(nèi)而造成的脂膜受損。過(guò)氧化物酶(POD)可氧化自由的IAA,可催化H2O2作為氧化物,可使IAA和H2O2含量降低[5]。劉麗華等[6]以板栗為材料研究其雄性不育機(jī)制,發(fā)現(xiàn)活性氧清除系統(tǒng)的破壞可能是導(dǎo)致板栗雄花序敗育的生理原因。脯氨酸也是花藥和花粉發(fā)育過(guò)程中不可缺少的一種氨基酸,是花粉粒形成的前提保障。它不僅可轉(zhuǎn)化為谷氨酸等其他氨基酸供給花粉發(fā)育的物質(zhì)代謝,而且還能起到調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透以及清除自由基的作用[7]。
紫薇Lagerstroemiaindica原產(chǎn)于亞洲,為千屈菜科紫薇屬落葉灌木或小喬木,栽培歷史悠久,花色艷麗,觀賞價(jià)值高,是中國(guó)重要的園林景觀植物,廣泛種植于我國(guó)12個(gè)省份。紫薇用途廣泛,常用于公園公路綠化、防沙、護(hù)坡,同時(shí)植株還可入藥,花朵可提取香精。紫薇屬植物約有55種,我國(guó)有紫薇屬植物約21種,目前中國(guó)紫薇栽培品種繁多,現(xiàn)有的品種多是自然變異后選擇而得。本研究團(tuán)隊(duì)于2006年在野外偶然發(fā)現(xiàn)一株不結(jié)實(shí)紫薇,并選育為新品種“湘韻”[8],與結(jié)實(shí)紫薇相比,該不結(jié)實(shí)紫薇花謝后無(wú)果實(shí),花期長(zhǎng)達(dá)115~132 d,觀賞價(jià)值高。前人對(duì)植物的花器官營(yíng)養(yǎng)元素含量與其育性的相關(guān)性做了大量研究[9],但對(duì)于紫薇的研究相對(duì)較少。為此,本研究通過(guò)對(duì)紫薇花芽發(fā)育過(guò)程中的物質(zhì)代謝和保護(hù)酶活性、營(yíng)養(yǎng)元素等測(cè)定,分析紫薇花芽發(fā)育過(guò)程中的生理生化變化規(guī)律,進(jìn)一步探討紫薇結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)的生理生化機(jī)制,為紫薇不結(jié)實(shí)機(jī)理研究提供理論依據(jù)。
試材結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)紫薇Lagerstroemiaindica均采自湖南省植物園(113°03′E,28°10′N),常規(guī)水肥管理,根據(jù)前期研究,大致將花芽發(fā)育過(guò)程分為花芽分化初期(時(shí)期Ⅰ),花芽分化末期(時(shí)期Ⅱ),器官形成初期(時(shí)期Ⅲ),器官形成中期(時(shí)期Ⅳ)和器官形成末期(時(shí)期Ⅴ)5個(gè)時(shí)期,每個(gè)時(shí)期取花芽鮮樣,放入冰盒,帶回實(shí)驗(yàn)室中待測(cè)。
在掃描電子顯微鏡下觀測(cè)紫薇花芽形態(tài)時(shí)各組織結(jié)構(gòu)更具層次感,觀測(cè)效果遠(yuǎn)優(yōu)于體式顯微鏡。本試驗(yàn)將5個(gè)時(shí)期新鮮花芽縱向切開(kāi),再粘放在樣品臺(tái)上后放置在離子濺射儀(MSP-mini)噴金鍍膜,掃描電子顯微鏡(Hitachi TM4000 Plus)下觀察花芽縱切面發(fā)育特征并拍照。分別采集5個(gè)時(shí)期的30個(gè)花芽,利用游標(biāo)卡尺測(cè)量其橫縱徑??扇苄蕴呛亢涂扇苄缘鞍缀繙y(cè)定參照李慧敏等[10]的方法,分別稱取烘干粉碎花芽約0.5 g,新鮮葉片約0.2 g進(jìn)行測(cè)定。游離脯氨酸含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定參照岑曉斐等[11]的方法,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和公式計(jì)算含量和活性。過(guò)氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量測(cè)定參照王凱等[12]的方法。分別稱取新鮮葉片約1、0.5 g,均取上清液進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。營(yíng)養(yǎng)元素含量的測(cè)定參照白永超等[13]的方法,主要測(cè)定K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn、B等元素的含量。
每個(gè)指標(biāo)測(cè)定3次,取其平均值,利用Excel 2010和SigmaPlot 10.0軟件制作圖表,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和單因素方差分析和鄧肯多重比較采用SPSS 17.0軟件完成。
結(jié)實(shí)紫薇與不結(jié)實(shí)紫薇花芽形態(tài)特征如圖1所示,結(jié)實(shí)紫薇花芽顏色隨時(shí)期的增大逐漸加深,從時(shí)期 Ⅲ開(kāi)始極為明顯,呈紫紅色。而不結(jié)實(shí)紫薇5個(gè)時(shí)期花芽青色居多,顏色差異不大。從掃描電鏡圖看,2種紫薇子房均在時(shí)期Ⅲ時(shí)露出胚珠,長(zhǎng)出花柱,隨著時(shí)期增大,花柱逐漸成形。結(jié)實(shí)紫薇在時(shí)期Ⅲ時(shí)已開(kāi)始長(zhǎng)出花瓣和花絲,而不結(jié)實(shí)紫薇花瓣不明顯,說(shuō)明從時(shí)期Ⅲ開(kāi)始結(jié)實(shí)紫薇比不結(jié)實(shí)紫薇發(fā)育速度更快,程度更深。結(jié)實(shí)紫薇與不結(jié)實(shí)紫薇花芽橫縱徑參數(shù)如表1所示,結(jié)實(shí)紫薇5個(gè)時(shí)期花芽大小分別為:3.67 mm×3.93 mm;5.40 mm×5.49 mm;7.08 mm×7.78 mm;7.69 mm×8.18 mm;8.45 mm×10.04 mm。不結(jié)實(shí)紫薇5個(gè)時(shí)期花芽大小分別為:3.23 mm×3.73 mm;4.61 mm×4.94 mm;6.73 mm×6.92 mm;7.17 mm×7.55 mm;8.17 mm×8.75 mm。整體來(lái)看,結(jié)實(shí)紫薇各個(gè)時(shí)期花芽大于不結(jié)實(shí)紫薇同時(shí)期花芽。
圖1 結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)紫薇花芽形態(tài)Fig.1 Fruiting and unfruiting L.indica flower bud morphology
表1 結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)紫薇花芽形態(tài)特征參數(shù)Table 1 Fruiting and unfruiting L.indica morphological characteristics of flower buds
由圖2可以看出,結(jié)實(shí)紫薇與不結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育過(guò)程中可溶性糖含量變化趨勢(shì)相同,兩者均呈先上升后下降的趨勢(shì)。其中,時(shí)期Ⅰ到時(shí)期Ⅱ可溶性糖含量顯著上升,當(dāng)花芽發(fā)育處于時(shí)期Ⅲ時(shí),結(jié)實(shí)和不結(jié)實(shí)花芽的可溶性糖含量均達(dá)到最大值。而從時(shí)期Ⅳ開(kāi)始,花芽的可溶性糖含量緩慢下降。在整個(gè)花芽發(fā)育過(guò)程中,不結(jié)實(shí)紫薇花芽的可溶性糖含量均低于同時(shí)期的結(jié)實(shí),說(shuō)明糖類物質(zhì)的虧缺可能導(dǎo)致小孢子的育性降低,是引起紫薇花雄性不育的原因之一??扇苄缘鞍椎娜碧潓?dǎo)致花器官中蛋白質(zhì)合成的異常,是影響植物不育的重要原因之一。紫薇結(jié)實(shí)和不結(jié)實(shí)花芽發(fā)育不同時(shí)期中可溶性蛋白的測(cè)定結(jié)果如圖2所示。隨著花芽的發(fā)育,結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)的可溶性蛋白含量均呈下降趨勢(shì),并在花芽發(fā)育后期降到最低值。不結(jié)實(shí)在不同時(shí)期花芽中的可溶性蛋白含量均低于結(jié)實(shí),其中時(shí)期Ⅲ不結(jié)實(shí)相比結(jié)實(shí)降低了22%。
游離脯氨酸可為花粉的萌發(fā)和花粉管的伸長(zhǎng)提供能源和氨源。由圖3可以看出,在花芽發(fā)育過(guò)程中,結(jié)實(shí)花器官中游離脯氨酸一直處于持續(xù)積累的狀態(tài),到時(shí)期Ⅴ達(dá)到最大值(83.12 μg·g-1),較時(shí)期Ⅰ提高了58.9%。而不結(jié)實(shí)的游離脯氨酸含量?jī)H在時(shí)期Ⅰ高于結(jié)實(shí),其余4個(gè)時(shí)期含量均低于同時(shí)期的結(jié)實(shí),從時(shí)期Ⅲ到時(shí)期Ⅴ含量增加緩慢,時(shí)期Ⅴ較時(shí)期Ⅰ僅提高了20%,說(shuō)明不結(jié)實(shí)在花芽發(fā)育過(guò)程中游離脯氨酸積累較少。
圖3 花芽發(fā)育過(guò)程中游離脯氨酸含量的變化Fig.3 Changes of free proline content during flower bud development
SOD是植物體活性氧清除系統(tǒng)的重要保護(hù)酶之一,對(duì)于自由基的產(chǎn)生和清除系統(tǒng)之間的平衡起積極作用。由圖4可以看出,在花芽的發(fā)育過(guò)程中,不育株紫薇SOD活性呈下降趨勢(shì),其中時(shí)期Ⅱ顯著下降,之后下降幅度較小??捎曜限盨OD的活性總體呈先下降后上升的趨勢(shì),時(shí)期Ⅲ是SOD活性的轉(zhuǎn)折點(diǎn),此時(shí)期SOD活性降到最低,僅為142.31 U·g-1·min-1,時(shí)期Ⅴ雖然SOD活性上升,但仍然低于時(shí)期I,且時(shí)期I的SOD活性是時(shí)期Ⅴ的1.5倍。對(duì)比2個(gè)品種,除時(shí)期Ⅲ外,其他時(shí)期花芽的SOD活性均是結(jié)實(shí)高于不結(jié)實(shí)。
圖4 花芽發(fā)育過(guò)程中超氧化物歧化酶活性的變化Fig.4 Changes of SOD activity during flower bud development
CAT是植物保護(hù)自身免受H2O2毒害的關(guān)鍵酶之一,催化H2O2分解為氧分子和水,從而有效清除植物體內(nèi)的H2O2。由圖5可知,不結(jié)實(shí)紫薇和結(jié)實(shí)紫薇花芽中CAT活性的變化均呈下降的趨勢(shì),其中結(jié)實(shí)的CAT活性下降幅度要大于不結(jié)實(shí)。整體而言,不結(jié)實(shí)的CAT活性在花芽發(fā)育各階段均顯著低于同時(shí)期可結(jié)實(shí)的活性,當(dāng)花芽發(fā)育到時(shí)期Ⅴ時(shí)結(jié)實(shí)的CAT活性是不結(jié)實(shí)的1.6倍,說(shuō)明不結(jié)實(shí)紫薇的CAT代謝并不旺盛。
圖5 花芽發(fā)育過(guò)程中過(guò)氧化氫酶活性的變化Fig.5 Changes of CAT activity during flower bud development
POD是植物體內(nèi)的一種關(guān)鍵酶,其活性與花藥內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累密切相關(guān),在植物體內(nèi)生長(zhǎng)素含量方面起著重要作用。不結(jié)實(shí)紫薇和結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育的不同階段,花芽中POD活性變化如圖6所示。在花芽發(fā)育的5個(gè)時(shí)期中,不結(jié)實(shí)和結(jié)實(shí)的POD活性呈相反的變化趨勢(shì)。結(jié)實(shí)POD活性緩慢下降,從時(shí)期Ⅰ的225.12 U·g-1·min-1下降至?xí)r期Ⅴ的171.03 U·g-1·min-1,不結(jié)實(shí)的POD活性顯著上升,由時(shí)期Ⅰ的154.61 U·g-1·min-1上升至?xí)r期Ⅴ的246.26 U·g-1·min-1。在時(shí)期 Ⅲ時(shí),結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)的POD活性無(wú)顯著差異(P>0.05)。
圖6 花芽發(fā)育過(guò)程中POD活性的變化Fig.6 Changes of POD activity during flower bud development
丙二醛是植物脂質(zhì)過(guò)氧化的一個(gè)重要生理指標(biāo),丙二醛在花芽發(fā)育時(shí)期的大量積累會(huì)使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞,從而引起細(xì)胞內(nèi)生理生化代謝的紊亂。由圖7可知,在不結(jié)實(shí)紫薇和結(jié)實(shí)紫薇花芽發(fā)育過(guò)程中,不結(jié)實(shí)和結(jié)實(shí)花芽的丙二醛含量表現(xiàn)為花芽發(fā)育程度越深,丙二醛含量越高,并且不結(jié)實(shí)的丙二醛含量均高于同時(shí)期的結(jié)實(shí)。結(jié)實(shí)紫薇的丙二醛含量緩慢上升,尤其是從時(shí)期Ⅱ到時(shí)期Ⅴ僅上升3.7 μmol·g-1。不結(jié)實(shí)紫薇的丙二醛含量在時(shí)期Ⅳ和時(shí)期Ⅴ顯著增加,其含量分別是同時(shí)期結(jié)實(shí)的1.4和1.6倍。從花芽分化時(shí)期Ⅳ開(kāi)始,不結(jié)實(shí)紫薇丙二醛含量顯著升高,說(shuō)明丙二醛的持續(xù)積累可能是紫薇不結(jié)實(shí)的一個(gè)原因。
圖7 花芽發(fā)育過(guò)程中MDA活性的變化Fig.7 Changes of MDA activity during flower bud development
營(yíng)養(yǎng)元素作為植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物質(zhì)組成成分,同時(shí)也是植物生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)者。通過(guò)對(duì)結(jié)實(shí)紫薇與不結(jié)實(shí)紫薇花芽中K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu、Mn、B等元素含量的測(cè)定,發(fā)現(xiàn)花芽發(fā)育過(guò)程中,結(jié)實(shí)與不結(jié)實(shí)花芽中營(yíng)養(yǎng)元素的含量有較大差異(圖8)。
圖8 花芽發(fā)育過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)元素含量的變化Fig.8 Changes of nutrient elements during flower bud development
結(jié)實(shí)紫薇的K含量呈顯著上升趨勢(shì),并且在時(shí)期V達(dá)到最大值,69.56 mg·g-1,與時(shí)期Ⅰ相比,提高了64.4%。不結(jié)實(shí)紫薇的K含量在時(shí)期Ⅰ和時(shí)期Ⅱ含量較低且無(wú)顯著差異,時(shí)期Ⅲ時(shí)K含量顯著增加??傮w而言結(jié)實(shí)紫薇的K含量顯著高于不結(jié)實(shí)。結(jié)實(shí)紫薇與不結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育過(guò)程中Ca含量的變化趨勢(shì)一致,呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)。從時(shí)期Ⅰ到時(shí)期Ⅱ,結(jié)實(shí)紫薇的Ca含量顯著下降,時(shí)期Ⅱ較時(shí)期Ⅰ下降了7.9 mg·g-1,不結(jié)實(shí)紫薇Ca含量雖然也有下降,但降幅較小,僅下降4.1 mg·g-1,且時(shí)期Ⅱ不結(jié)實(shí)紫薇的Ca含量略高于結(jié)實(shí)紫薇。當(dāng)花芽發(fā)育到時(shí)期Ⅲ時(shí),結(jié)實(shí)和不結(jié)實(shí)的Ca含量均達(dá)到最大值分別為34.41 mg·g-1和32.53 mg·g-1,隨后Ca含量下降,但仍高于時(shí)期Ⅰ。
結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育的前三個(gè)時(shí)期Mg含量顯著下降,到時(shí)期Ⅲ時(shí)Mg含量最低,僅為20.11 mg·g-1,在花芽發(fā)育的后期Mg含量顯著上升,時(shí)期Ⅴ時(shí)Mg含量達(dá)到30.34 mg·g-1。不結(jié)實(shí)紫薇的Mg含量變化趨勢(shì)在花芽發(fā)育的前3個(gè)時(shí)期與結(jié)實(shí)紫薇變化趨勢(shì)一致,Mg含量顯著低于同時(shí)期的結(jié)實(shí)紫薇。結(jié)實(shí)紫薇的Fe含量在時(shí)期Ⅰ含量為934.43 μg·g-1,時(shí)期 Ⅱ到時(shí)期Ⅴ,F(xiàn)e含量呈先下降后上升再下降的變化趨勢(shì)。不結(jié)實(shí)紫薇的Fe含量均顯著低于同時(shí)期的結(jié)實(shí)紫薇,且變化趨勢(shì)有較大差異,不結(jié)實(shí)呈先下降后上升的變化趨勢(shì),在花芽發(fā)育的時(shí)期Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,F(xiàn)e含量顯著降低,在花芽時(shí)期Ⅴ才有所上升。結(jié)實(shí)紫薇的Zn含量在花芽發(fā)育的前期顯著下降,在時(shí)期Ⅲ上升至80.56 μg·g-1,在時(shí)期Ⅴ達(dá)到最低值70.04 μg·g-1。不結(jié)實(shí)紫薇的Zn含量變化趨勢(shì)與結(jié)實(shí)不同,在花芽發(fā)育前期Zn含量顯著上升,從時(shí)期Ⅲ開(kāi)始Zn含量顯著下降,并在后期含量保持平穩(wěn)??傮w而言結(jié)實(shí)含量顯著高于不結(jié)實(shí),結(jié)實(shí)Zn含量的平均值是不結(jié)實(shí)的1.58倍。結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育過(guò)程中Cu含量的變化呈先升高后下降的變化趨勢(shì),在時(shí)期Ⅱ達(dá)到最大值為66.13 μg·g-1,較時(shí)期Ⅰ升高了63.5%,從時(shí)期 Ⅲ開(kāi)始緩慢下降,但時(shí)期Ⅴ的Cu含量仍顯著高于時(shí)期Ⅰ,是時(shí)期Ⅰ的1.24倍。不結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育過(guò)程中Cu含量變化不大,從相對(duì)含量上來(lái)看,除時(shí)期Ⅰ外,其他時(shí)期均顯著低于同期結(jié)實(shí)紫薇。結(jié)實(shí)紫薇在時(shí)期Ⅱ時(shí)Mn含量最高,為70.14 μg·g-1,而后隨著花芽的發(fā)育呈逐漸下降的趨勢(shì),時(shí)期Ⅴ為最低值43.52 μg·g-1,較時(shí)期Ⅱ降低了37.9%。不結(jié)實(shí)紫薇Mn含量在花芽發(fā)育過(guò)程中變化較大,前期顯著升高在時(shí)期Ⅱ達(dá)到最大值,隨后時(shí)期Ⅲ顯著下降,在時(shí)期Ⅳ再次上升,時(shí)期Ⅴ含量顯著下降。從相對(duì)含量來(lái)看,不結(jié)實(shí)紫薇Mn含量顯著高于結(jié)實(shí)紫薇,尤其是在花芽發(fā)育后期,時(shí)期Ⅳ和時(shí)期Ⅴ不結(jié)實(shí)紫薇的Mn含量均在結(jié)實(shí)紫薇的1.6倍以上。結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育的初期(時(shí)期 I)含量最高為116.13 μg·g-1,隨著花芽的持續(xù)發(fā)育結(jié)實(shí)紫薇硼含量出現(xiàn)一定波動(dòng),先下降后上升再下降。不結(jié)實(shí)紫薇硼含量與結(jié)實(shí)紫薇變化趨勢(shì)相似。不結(jié)實(shí)紫薇上升轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在時(shí)期Ⅳ,而結(jié)實(shí)紫薇從時(shí)期Ⅲ開(kāi)始。從相對(duì)含量來(lái)看,不結(jié)實(shí)紫薇硼含量顯著低于結(jié)實(shí)紫薇。
花芽分化包括生理分化、形態(tài)分化和性細(xì)胞形成3個(gè)階段,決定著植物開(kāi)花和結(jié)果過(guò)程[14-15]。紫薇經(jīng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)后,當(dāng)外界環(huán)境成熟時(shí),芽分生組織開(kāi)始發(fā)生生理變化和一系列形態(tài)變化,逐漸產(chǎn)生各花器官原基最終發(fā)育為成熟花器官[16]。本研究發(fā)現(xiàn)2種紫薇在時(shí)期 Ⅰ和時(shí)期 Ⅱ內(nèi)外部形態(tài)發(fā)育差異不大,從時(shí)期 Ⅲ開(kāi)始結(jié)實(shí)紫薇比不結(jié)實(shí)紫薇發(fā)育速度更快,程度更深。從外部形態(tài)看,不結(jié)實(shí)紫薇與結(jié)實(shí)紫薇柱頭和子房發(fā)育正常,這與許歡[17]的研究結(jié)果相似。物質(zhì)代謝是植物生命活動(dòng)的基礎(chǔ),花器官生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要積累大量的蛋白質(zhì)、氨基酸和糖類物質(zhì)。研究人員以小麥和玉米[18]為材料的研究發(fā)現(xiàn),不育系花芽的游離脯氨酸含量降低。在本研究中,不結(jié)實(shí)紫薇花芽中游離脯氨酸含量時(shí)期Ⅰ外,隨著花芽的發(fā)育其余4個(gè)時(shí)期含量均低于同時(shí)期的結(jié)實(shí)紫薇,說(shuō)明不結(jié)實(shí)在花芽發(fā)育過(guò)程中游離脯氨酸積累較少,其游離脯氨酸的缺乏可能是導(dǎo)致花粉敗育的一個(gè)重要原因。本研究中不結(jié)實(shí)紫薇在不同時(shí)期花芽中的可溶性蛋白含量明顯低于同時(shí)期結(jié)實(shí)紫薇,并且在花芽發(fā)育過(guò)程中呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明不結(jié)實(shí)材料可能由于可溶性蛋白的缺乏,致使一些正常的生理代謝反應(yīng)不能有效地進(jìn)行,而產(chǎn)生敗育,這與劉金兵[19]對(duì)于辣椒的研究結(jié)果一致。本研究中,結(jié)實(shí)紫薇與不結(jié)實(shí)紫薇在花芽發(fā)育過(guò)程中雖然可溶性糖含量變化趨勢(shì)相同,但是不結(jié)實(shí)可溶性糖含量均低于同時(shí)期的結(jié)實(shí),說(shuō)明糖類物質(zhì)的虧缺可能導(dǎo)致小孢子的育性降低,導(dǎo)致紫薇花的雄性不育。
膜脂穩(wěn)定是維持細(xì)胞正常生命活動(dòng)的基本條件,丙二醛則是反映植物脂質(zhì)過(guò)氧化的一個(gè)重要指標(biāo)。本研究表明,在花芽發(fā)育的所有時(shí)期,不結(jié)實(shí)紫薇的丙二醛含量均明顯高于結(jié)實(shí)紫薇,在不結(jié)實(shí)花器官中一直存在過(guò)量積累的現(xiàn)象。這與彭婧[20]在辣椒上的研究結(jié)果一致,由此推測(cè),不育株的形成可能與花芽中MDA的過(guò)量積累有關(guān),雖然上部外觀還沒(méi)表現(xiàn)出敗育現(xiàn)象,但MDA的積累可能使得內(nèi)部組織細(xì)胞已經(jīng)受到破壞。植物體內(nèi)的保護(hù)機(jī)制主要依靠活性氧酶清除系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中SOD、POD和CAT是活性氧清除系統(tǒng)重要的保護(hù)酶。前人研究認(rèn)為植物不育與SOD密切相關(guān)[21-23],CAT在消除植物體內(nèi)自由基方面也起重要作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明,不結(jié)實(shí)紫薇的CAT活性從花芽發(fā)育初期至發(fā)育末期都比相應(yīng)的可育株紫薇低,SOD活性除時(shí)期 Ⅲ外,其他時(shí)期與CAT活性一致,均為不結(jié)實(shí)低于結(jié)實(shí),該結(jié)果與劉莉等[24]在水稻不育方面的研究結(jié)果相似。在植物不育機(jī)制中,保護(hù)酶的影響通常有兩種學(xué)說(shuō),一種是不育系保護(hù)酶活性低于可育系;另一種是不育系保護(hù)酶高于可育系導(dǎo)致活性氧升高產(chǎn)生的保護(hù)反應(yīng)[25]。由此可見(jiàn),紫薇的不結(jié)實(shí)屬于酶活受到抑制,這可能會(huì)導(dǎo)致不結(jié)實(shí)花器官中的活性氧不能及時(shí)分解,從而造成對(duì)細(xì)胞膜的傷害從而影響小孢子正常發(fā)育。POD是植物體內(nèi)的一種關(guān)鍵酶,可有效阻止H2O2的積累[26]。本研究中不結(jié)實(shí)紫薇的POD活性除花芽發(fā)育Ⅰ、Ⅱ時(shí)期外,其他3個(gè)時(shí)期都高于同期的結(jié)實(shí)紫薇,整體呈緩慢上升趨勢(shì)。劉金兵等[27]在甜椒不育系抗氧化酶活性研究中也發(fā)現(xiàn),同時(shí)期不育系花藥內(nèi)POD活性均顯著高于保持系POD活性,推測(cè)POD活性偏高將大量分解和氧化IAA,導(dǎo)致IAA濃度偏低,造成花器官發(fā)育過(guò)程中生長(zhǎng)素的虧損、物質(zhì)代謝紊亂、能量代謝虧損,從而影響小孢子正常發(fā)育。
礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)作為電子載體的組分、酶的組成部分或激活劑,對(duì)花器官發(fā)育和保持正常生理生化特征具有重要的作用。Fe和Cu是植物體呼吸作用的電子傳遞鏈許多成員的組分,本研究中不結(jié)實(shí)紫薇在整個(gè)花芽發(fā)育過(guò)程中Fe和Cu的含量均低于結(jié)實(shí)紫薇,而且在花芽發(fā)育過(guò)程中的差異達(dá)到了顯著水平。說(shuō)明不結(jié)實(shí)花芽發(fā)育過(guò)程中,可能由于鐵和銅含量的不足,最終使得花藥的發(fā)育受到明顯的影響。Mn作為吲哚乙酸氧化酶的輔因子,其含量將影響IAA氧化酶的活性和植物體內(nèi)IAA水平。不結(jié)實(shí)紫薇的Mn含量在花芽發(fā)育過(guò)程中顯著高于結(jié)實(shí),說(shuō)明其可能發(fā)生IAA虧損,導(dǎo)致維管束發(fā)育不正常,使得水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入花藥的通道受阻,影響花粉發(fā)育。Zn在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及基因的表達(dá)、細(xì)胞分裂、蛋白質(zhì)合成等方面均具有極為重要的作用[28]。不結(jié)實(shí)紫薇Zn含量在各時(shí)期均顯著低于結(jié)實(shí),可能會(huì)間接地影響花粉的發(fā)育。在花芽發(fā)育的各階段,不結(jié)實(shí)紫薇的K、Mg和Ca含量均低于相應(yīng)時(shí)期的結(jié)實(shí),說(shuō)明花器官的發(fā)育需要較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)提供支撐,而營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的不足會(huì)直接使得花器官的發(fā)育受阻,具體有關(guān)機(jī)理還需進(jìn)一步深入研究。
結(jié)實(shí)紫薇各個(gè)時(shí)期花芽橫縱徑大于同時(shí)期不結(jié)實(shí)紫薇,結(jié)實(shí)紫薇在時(shí)期Ⅲ時(shí)已開(kāi)始長(zhǎng)出花瓣和花絲,而不結(jié)實(shí)紫薇的花瓣不明顯。不結(jié)實(shí)紫薇花芽的可溶性糖、可溶性蛋白含量均低于同時(shí)期的結(jié)實(shí)紫薇。糖類物質(zhì)的虧缺可能導(dǎo)致小孢子的育性降低,導(dǎo)致紫薇花的雄性不育。不結(jié)實(shí)在花芽發(fā)育過(guò)程中游離脯氨酸積累較少。不結(jié)實(shí)紫薇的CAT代謝并不旺盛,丙二醛的持續(xù)積累可能是不結(jié)實(shí)敗育的一個(gè)原因。不結(jié)實(shí)花芽發(fā)育過(guò)程中,可能由于各營(yíng)養(yǎng)元素含量的不足,使與之相關(guān)的酶活性受到影響,最終使得花藥的發(fā)育受到明顯的影響。