西瓜雄性不育系花蕾不同發育時期生理特性的變化

摘" " 要：比較西瓜雄性不育株和可育株雄花蕾不同發育時期抗氧化酶活性、代謝物質及內源激素含量的變化，以探究西瓜雄性不育生理生化機制。以西瓜雄性不育系GMS4為試材，測定分析雄花蕾不同發育時期的生理生化指標。結果表明，在整個花蕾發育時期，不育株SOD活性和CAT活性整體下降，POD活性整體上升。不育株雄花蕾整個時期可溶性蛋白含量均低于可育株，脯氨酸含量不育株呈下降趨勢，而可育株與其相反。不育株和可育株雄花花蕾中的IAA、ABA、ZR、GA3和JA等內源激素含量差異明顯，且變化趨勢不同。結果表明，抗氧化酶活性、代謝物質和內源激素含量的變化可能與西瓜花藥敗育有關。

關鍵詞：西瓜；雄性不育；抗氧化酶；代謝物質；內源激素

中圖分類號：S651 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）12-060-06

收稿日期：2024-09-06；修回日期：2024-10-16

基金項目：財政部和農業農村部：國家現代農業產業技術體系（CARS-25）；河南省農業科學院優秀青年科技基金項目（2022YQ12）；河南省農業科學院自主創新資助項目（2024ZC031）；河南省重大科技專項（221100110400）

作者簡介：高寧寧，女，助理研究員，主要從事西瓜甜瓜分子育種研究。E-mail：gnnzhu@163.com

通信作者：趙衛星，男，副研究員，主要從事西瓜甜瓜育種與逆境生理研究。E-mail：wxzhao2008@163.com

Physiological characteristics changes of flower buds of watermelon male sterile lines in different developmental stages

GAO Ningning， LI Xiaohui， KANG Liyun， WANG Yan， CHANG Gaozheng， LI Hailun， WANG Huiying， ZHAO Weixing

（Horticulture Institute， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou 450002， Henan， China）

Abstract： In order to explore the physiological and biochemical mechanism of male sterility in watermelon， the changes of antioxidant enzymes， metabolic substances and endogenous hormones in male flower buds of male sterile strains and fertile strains were compared at different developmental stages. Using the male sterile line GMS4 of watermelon as the test material， the physiological and biochemical indicators of male bud at different developmental stages were determined. The results showed that the SOD and CAT activities decreased overall and while the POD activity increased during the whole bud development period. The soluble protein content of male buds of sterile strains was lower than that of fertile strains， and the proline content of male buds of sterile strains showed a decreasing trend， while that of fertile strains was the opposite. The content of IAA， ABA， ZR， GA3 and JA endogenous hormones in male flower buds bewteen sterile and fertile strains were significantly different， and the change trend was different. The results showed that the changes of antioxidant enzyme activity， metabolic substances and endogenous hormone contents might be related to watermelon anther abortion.

Key words： Watermelon; Male sterility; Antioxidant enzymes; Metabolic substances; Endogenous hormone

植物雄性不育的發生是一個較為復雜的過程，會伴隨著一系列異常的生理代謝和基因表達[1]。將植物雄性不育的生理變化過程與遺傳和形態建成聯系起來，有利于充分全面地了解雄性不育發生機制[2]。目前，雄性不育在玉米、小麥、水稻等作物生產中已經得到應用[3-5]，在細胞學、形態學、生理生化及分子生物學等方面取得了一些新進展[6-8]，研究發現，脂質代謝、淀粉和糖代謝異常會導致玉米和小麥花粉壁發育異常，茉莉酸（JA）含量變化會影響水稻雄蕊花絲早期伸長和花藥開裂，從而導致雄性不育的發生。近年來，不少學者研究了雄性不育材料在抗氧化酶活性、物質代謝和內源激素含量方面的生理生化機制。抗氧化酶參與活性氧的清除過程，在對水稻[9]、厚軸茶[10]、百合[11]等不育株和可育株花蕾不同發育時期POD、SOD和CAT等抗氧化酶活性的研究中表明兩者存在不同程度的差異。脯氨酸能夠促進花粉的發育和花粉管的伸長，在對西瓜[12]、小麥[13]、煙草[14]等雄性不育材料的研究中發現，不育株花藥中脯氨酸含量低于可育株。內源激素能夠協同調控植物的生長發育，通過對小麥[15]、水稻[16]、百合[17]等雄性不育系的研究發現，雄性不育花藥敗育與內源激素含量不均衡關系密切。雄性不育是西瓜雜交育種中一種重要的種質資源，能夠大幅提高育種效率，但西瓜雄性不育的發生涉及多方面因素，包括基因調控、植物體內的生理生化反應、表型特征等。目前關于西瓜生理生化機制的研究較少，筆者分別從抗氧化酶活性、物質代謝及內源激素含量等的變化對西瓜花藥敗育進行探索，以期為西瓜雄性不育生理生化機制的研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為西瓜雄性不育系GMS4，該材料是由1對隱性基因控制的細胞核雄性不育。由河南省農業科學院園藝研究所西甜瓜課題組提供。試驗于2022年3－6月在河南省農業科學院現代農業科技試驗示范基地連棟棚內進行，利用基質穴盤育苗，棚內定植的行株距為1.1 m×0.4 m。

1.2 方法

1.2.1 取樣 隨機采集30株西瓜雄性不育系GMS4可育和不育植株不同發育時期的雄花蕾，采集后迅速放入液氮中進行冷凍，取出后于-70 ℃冰箱保存。花蕾長度參考王永琦[12]的分級，分別取0.5～1.5 mm（花粉母細胞期）、2～3 mm（減數分裂期）、4～5 mm（單-雙核小孢子期）和當天開放的雄花（花粉粒成熟期），雄花蕾的長度為花托至花蕾頂部[12]。

1.2.2 抗氧化酶活性測定方法 采用WST-8法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）活性，采用紫外波長轉換到可見波長檢測過氧化氫酶（CAT）活性，檢測試劑盒均由蘇州格銳思生物科技有限公司提供。每個樣品3次重復。

1.2.3 代謝物質測定方法 采用BCA法測定可溶性蛋白含量，采用苯酚法測定可溶性糖含量，采用磺基水楊酸法測定脯氨酸（PRO）含量，檢測試劑盒均由蘇州格銳思生物科技有限公司提供。每個樣品3次重復。

1.2.4 內源激素測定方法 內源激素 IAA、ABA、ZR、GA3、JA的樣品提取參照黃志[18]的方法，采用液相色譜法參考趙衛星等[19]的方法測定。每個樣品3次重復。

1.2.5 數據統計分析 采用Excel與SPSS 18 軟件分析試驗數據。

2 結果與分析

2.1 花蕾抗氧化酶活性的變化

雄性可育株與不育株SOD活性在花蕾不同發育時期的變化一致，均呈不斷下降趨勢，在花粉母細胞期和減數分裂期可育株SOD活性高于不育株，分別是不育株的1.2倍和1.5倍，在后期兩者趨于一致（圖1）。在花蕾不同發育時期雄性可育株POD活性先升高后降低再升高，不育株POD活性先降低后升高，在減數分裂期兩者差異最大，可育株是不育株的1.2倍，在后期兩者趨于一致，不育株略高于可育株（圖2）。CAT活性雄性可育株一直處于下降趨勢，在花粉母細胞期達到最高值，在花粉粒成熟期活性達到最低值，不育株先升高后下降，在減數分裂期達到最高值，在花粉粒成熟期最低，可育株是不育株的2.9倍（圖3）。

2.2 花蕾代謝物質含量的變化

雄性可育株可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢，在單-雙核小孢子期達到最高值，而雄性不育株可溶性蛋白含量先下降后上升，在單-雙核小孢子期含量最低，可育株是不育株的1.6倍（圖4）。雄性可育株脯氨酸含量在花粉母細胞期和減數分裂期差異不大，在單-雙核小孢子期含量上升，雄性不育株前期脯氨酸含量變化較小，在花粉粒成熟期含量降到最低值，可育株是不育株含量的3.1倍（圖5）。雄性不育與可育株可溶性糖含量變化基本一致，在前三個時期的含量變化比較平穩，在花粉粒成熟期含量上升至最高值（圖6）。

2.3 花蕾內源激素含量的變化

由表1可知，花蕾不同發育時期IAA含量差異較大，雄性可育株IAA含量先升高后降低再升高，不育株IAA含量先降低后升高，減數分裂期和單-雙核小孢子期IAA含量低于可育株；ABA含量在花蕾發育早期雄性可育株和不育株差異不明顯，ABA含量在花粉粒成熟期不育株顯著高于可育株，是可育株含量的2.0倍；雄性可育株ZR含量先升高后降低，而不育株ZR含量呈升高趨勢，但在花蕾發育后期差異不大，花蕾發育早期ZR含量雄性可育株高于不育株，后期則相反；GA3含量僅在花粉母細胞期不育株高于可育株，其他時期可育株均高于不育株，在可育株中隨著花蕾的發育，GA3含量整體呈升高趨勢，在不育株中先降低后升高；JA含量可育株高于不育株，不育株JA含量變化不明顯，一直處于較低水平，可育株JA含量變化差異較大，發育前期高于后期。

3 討論與結論

植物雄性不育的發生是一個較為復雜的過程，通常受植物體內外各種因素的影響，并伴隨著一系列生理生化反應。活性氧在植物體內的積累被認為是雄性不育發生的重要因素之一[1]，SOD、POD和CAT等是酶促防御系統的主要成分。王永琦等[20]在對西瓜核雄性不育兩用系Se18的研究中發現，SOD活性僅在減數分裂期低于可育株，其他時期SOD活性均高于可育株，POD活性不育株高于可育株。馬雪璟等[21]在研究萬壽菊花藥時發現，POD和CAT活性均為不育株高于可育株。但是抗氧化酶活性與作物種類關系很大，張子學等[22]研究發現，辣椒雄性不育系從花藥減數分裂前開始，不育株中SOD活性持續低于可育株。汪李宏[23]在研究小麥不育材料時發現，雄性可育花蕾中的CAT活性顯著高于不育花蕾。在本研究中，SOD活性在花蕾發育前期不育株低于可育株，在花粉粒成熟期不育株高于可育株。不育株POD活性先降低后升高，在減數分裂期可育株高于不育株，在花粉粒成熟期降到最低。不育株CAT活性先升高后下降，僅在減數分裂期高于可育株。馮小磊等[2]認為，SOD和CAT活性降低可能是植物雄性敗育的原因。

小孢子發育需要積累糖類、氨基酸、蛋白質等大量營養物質，代謝物質的變化會導致花藥敗育。在植物花發育過程中，脯氨酸為其提供營養物質和能量，促進花粉發育和花粉管伸長[24-25]。可溶性蛋白包括各種酶分子、酶原等物質，在花蕾形成發育過程中起到重要作用。王永琦[12]通過對西瓜核雄性不育系兩用系的研究發現，不育株雄花蕾整個時期可溶性蛋白含量均低于可育株，游離脯氨酸含量在單-雙核小孢子期和花粉粒成熟期可育株花蕾顯著高于不育株。劉齊元等[26]對煙草雄性不育系的研究發現，不育系的游離脯氨酸含量低于保持系，認為造成花藥敗育的原因是脯氨酸合成能力減弱。本研究結果跟前人的研究結果一致，雄性不育株雄花蕾可溶性蛋白含量除在花粉母細胞時期高于可育株雄花蕾，其他時期均低于可育株，雄性不可育株花蕾脯氨酸含量在單-雙核小孢子期和花粉粒成熟期均顯著低于可育株花蕾。糖類是植物體內主要的一類有機物，許多學者發現，在雄性不育發生過程中可溶性糖含量也發生了變化。李冰等[27]發現，茄子反向溫敏雄性不育材料花蕾可溶性糖含量均低于可育材料，推斷是由營養物質含量不足導致敗育發生。與本研究中不育株花蕾整個發育時期可溶性糖含量低于可育株結果一致。

植物內源激素是調節生長發育的重要因素，雄性不育的發生與內源激素含量密切相關。許小勇等[28]研究發現，大白菜CMS7311雄性不育系花藥發育后期可育株花蕾的 IAA 含量高于不育株，表明IAA虧缺是白菜敗育的原因之一。在小麥[29]、百合[11]、西瓜[20]等雄性不育系材料的研究中也得到了相似的結果。本研究結果表明，在減數分裂期和單-雙核小孢子期可育株花蕾IAA含量高于不育株。IAA缺乏會使不育株體內營養物質不足，導致小孢子發育異常產生敗育。劉紅艷等[30]認為，ABA積累會加速花粉母細胞的死亡，與花粉敗育發生密切相關。王永琦等[20]發現，西瓜雄性不育花蕾在減數分裂期和單-雙核小孢子期ABA含量高于可育雄花蕾，并認為不育雄花蕾的較早掉落可能與ABA 含量的變化異常有關。本研究結果表明，ABA含量在花蕾發育早期雄性可育和不育株差異不明顯，在花粉粒成熟期不育株花蕾高于可育株，是可育株的2.0倍。吳智明等[31]在辣椒花蕾發育過程的研究中發現，細胞質雄性不育材料花蕾的ZR含量明顯低于可育材料。而在亞麻雄性不育系花蕾發育過程中發現，不育花藥ZR含量高[32]。在本研究中，雄性可育株花蕾發育早期ZR含量高于不育株，后期不育株含量高于可育株，整個發育期不育株ZR含量波動不大，可育株發育前期高于后期。安巖等[33]對胡蘿卜雄性不育系花蕾的研究表明，不育系GA3含量均低于保持系。黃煒[34]對辣椒核雄性不育兩用系的研究發現，不育雄花蕾GA3含量顯著低于可育株。本研究結果表明，GA3含量在減數分裂期、單-雙核小孢子期、花粉粒成熟期可育株均高于不育株，在可育株中隨著花蕾的發育，GA3含量不斷升高，不育株在減數分裂期GA3含量最低，因此GA3缺乏可能與不育的發生有關。這與Sawhney等[35]提出的GA3降低可能會導致雄性不育的論點一致。Delker等[36]發現，擬南芥雄性不育株中JA含量低，花絲無法伸長，花藥開裂異常。在本研究中，不育株JA含量變化不明顯，但一直處于較低水平，可育株JA含量變化差異較大，發育前期高于后期，整個發育期JA含量可育株均高于不育株。JA含量不足可能是前期虧缺的延續，也可能是雄性不育發生的結果。

綜上所述，筆者推斷雄花蕾中抗氧化酶SOD、POD 和 CAT活性變化，代謝物質可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量差異及內源激素IAA、ABA、ZR、GA3和JA的盈虧與西瓜花藥敗育的發生密切相關，其含量過高或是過低可能導致西瓜雄性不育發生。

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