同工酶技术在植物研究中的应用

刘洋

（辽宁水利职业学院，辽宁沈阳 110100）

·研究综述·

同工酶技术在植物研究中的应用

刘洋

（辽宁水利职业学院，辽宁沈阳 110100）

同工酶主要指那些来源相同、催化性质相同而分子结构有差异的酶蛋白分子，普遍存在于高等植物中。同工酶技术作为1种常规的分析手段，已广泛应用于蔬菜的起源、分类、亲缘关系鉴定、遗传育种、病理和生理等研究领域，极大推动了蔬菜园艺学科的发展。

同工酶；植物分类；植物生态；栽培生理；遗传育种

同工酶主要指那些来源相同、催化性质相同而分子结构有差异的酶蛋白分子，普遍存在于高等植物中。迄今，在园艺作物上已研究过的同工酶有过氧化物酶（POD）、酯酶（EST）、苹果酸脱氢酶（MDH）、酸性磷酸酶（APS）、磷酸酯酶、α-淀粉酶、胞外漆酶（ECI）、超氧化物歧化酶（SOD）、儿茶酚酶（CAT）、醇脱氢酶（ADH）等。大多数基因性同工酶由于对底物亲和力不同和受不同因素的调节，常表现出不同的生理功能，在植物分类、植物形态、栽培生理和遗传育种上均有广泛应用。

1 同工酶技术在植物分类学上的应用

20世纪70年代，同工酶电泳技术开始在植物研究中应用，Gottlieb首次用于种子植物。1977年，Gottlieb对植物中已作过等位酶报道的28个物种进行了总结，发现种内居群间遗传一致度很高，平均值为0.95。虽然不同物种有差异，但除一例外（遗传一致度为0.54），其余种内居群间的遗传一致度均大于0.90（0.90～1.00）。可是13对种间的遗传一致度值明显下降，平均值为0.67（0.28～0.99）。这说明遗传相似性在植物种内居群间较高而在种间则较低。Crawford2次对此后数量倍增的报道进行总结分析，所得结果与10多年前Gottlieb（1977）的结果基本一致。根据迄今利用等位酶来探讨种内居群间、地理宗间、亚种（或变种）间，以及属内种间遗传趋异的大量报道，可以得出1个一般规律：随着分类等级的提高，遗传一致度下降，遗传距离加大。

在分类学领域，大量的实验已经证明同工酶电泳技术在属、种鉴定中是1项切实可行的实验手段，近年来有关这方面的报道也较多。朱光华等对鹅观草属与披碱草属属界划分的酷酶和过氧化物酶同工酶比较研究，结果发现利用酌酶和过氧化物酶同工酶很容易将二者区分开来，为鹅观草属与披碱草属的分类鉴定上提供了科学依据。伍世平等对10种草坪及地被植物的同工酶进行了研究，结果表明同工酶的方法能使种与品种（如草地早熟禾与瓦巴斯）很好地在分子水平上区分开，在区分同科同属或同科不同属（如百合科的3种植物）种类方面也取得了较好的效果。

2 同工酶技术在植物生态学上的应用

由于同工酶参与植物的大多数生理生态活动和代谢途径，因而同工酶分析技术在植物生理生态学研究中应用相当广泛［1］。在植物的不同发育阶段和不同器官组织中同工酶都具有特异性表现，其合成受一系列基因的调控，常作为遗传信息的指标来研究植物的生长发育和器官分化［2］。植物种子生活力、组织与器官分化、生长及胚胎发育，以及环境因素和植物激素都会影响同工酶的变化。植物在不同发育时期其同工酶酶谱也有差异。

比较分析水稻不同发育时期淀粉酶、醋酶同工酶的变化，结果显示，各种植物激素也可导致同工酶变化。Lee的一系列研究工作指出，烟草愈伤组织的过氧化物酶谱受到外源植物激素在量上及质上的调控。高浓度的IAA引起两个新的过氧化物酶同工酶出现，在有IAA时，赤霉素及玉米素也能诱导新的酶带。王振英等以强耐盐、一般耐盐和盐敏感3种水稻为材料，在盐胁迫下进行了RAPD和POD同工酶检测，结果强耐盐的水稻经盐胁迫后，POD同工酶增加，而对盐敏感的水稻侧根系内POD同工酶减少，一般耐盐与正常品种水稻根内POD同工酶比较稳定或略有减少现象。实验表明，POD同工酶的变化水稻耐盐与盐敏感特性存在一定的相关性，POD同工酶是1种对外界不良环境条件十分敏感的酶。环境中高浓度的盐可以诱导或抑制某些同工酶的产生。一些学者把这些特性称作适应性的反应。

3 同工酶技术在园艺作物栽培生理上的应用

过氧化物酶具有氧化吲哚乙酸、促进木质化和对感病与机械损伤等伤害的保护等多种作用。大量的实验表明，嫁接体发育过程中不同生育期及植株不同部位显示的不同过氧化物酶酶谱，与器官和组织的生理特性及代谢有关。卢善发［3］等在研究番茄嫁接体发育过程中的过氧化物酶同工酶的变化中发现，未经处理的对照中同工酶带略有变化，是植物正常生长发育的结果。嫁接和创伤处理后酶谱及酶活性变化与对照明显不同，说明处理后植物体内发生了一系列不同于对照的代谢变化。嫁接初期，因嫁接切割而引起的创伤响应可诱导产生过氧化物酶同工酶并影响酶活性。目前已经找到了一些受创伤诱导的过氧化物酶，它们可消除因创伤而产生的大量自由基并参与随后的愈合作用。创伤部位过氧化物酶同工酶的产生及酶活性的升高与此相关。

嫁接接合部的发育有别于伤口愈合。嫁接初期，接穗和砧木间失去共质体联络，随着嫁接面产生隔离层，植物激素如生长素的极性运输受阻，在维管束切割面附近积累并释放到周围组织，引起嫁接面激素分布发生变化。接合部激素的失衡远较具有共质体联络的伤口严重。作为氧化吲哚乙酸的关键酶之一，相关的过氧化物酶同工酶快速表达，在嫁接面的局部氧化吲哚乙酸、调节生长素水平、维持激素平衡显得非常重要。嫁接体发育还包括愈伤组织的产生、贯通接穗和砧木的维管束桥分化等几方面。在此过程中过氧化物酶参与木质素合成、细胞壁多糖间的连结及一些蛋白质分子的交联反应。人们发现过氧化物酶同工酶的产生和酶活性的变化与木质化作用相关。如在牙买加辣椒和番茄的亲和与不亲和嫁接接合部，正是过氧化物酶呈现活性的部位出现木质素沉积，此外还分离出1个在管状分子分化过程中特异地参与木质素合成的过氧化物酶同工酶。

同工酶本身是受遗传控制的，李能芳等研究嫁接后POD同工酶的变化发现，嫁接茄子植株茎叶的POD同工酶谱发生了明显的变化，可以说嫁接影响了茄子的遗传特性。前苏联学者研究辣椒亲本及其杂交种的结构蛋白成分和POD同工酶时，发现杂交优势强的杂种电泳谱中有新的特异蛋白成分及POD同工酶带。嫁接茄子也具有此特性。而且，嫁接茄子植株在结果后期，茎叶和根的POD同工酶均发生了不同程度的变化，茎叶的酶带由原来的4条增加到5条，强带由原来的2条增加到3条，根的酶带数未发生变化，仅是强弱和迁移率的变化。可见，嫁接植株中砧木对接穗的影响作用大于接穗对砧木的影响作用。

许多研究已证实同工酶具有阶段特异性和组织特异性。通过对不同时期及不同器官中的POD同工酶分析，发现贮藏期的瓜类干种子仅有3条弱的POD酶带，种子萌发时酶带迅速增至6条，但活性仍较弱，子叶期和真叶期酶带和活性都比前一阶段明显增强。用南瓜作试验证明，在休眠种子中只有1种谷氨酸脱氢酶的同工酶，萌发后2d，在子叶内又形成此酶的2种同工酶，经4d同工酶总数达5种，而经5d则有7种同工酶。

4 同工酶技术在园艺遗传育种上的应用

杂种优势的利用在农业生产中具有重要作用，但在制种过程中必须要人工去雄。这在玉米等雌雄异花作物中相对容易些，但在水稻、小麦等作物中，靠人工去雄则无法实现，必须找到雄性不育系才能制杂交种。杨太兴等对玉米T、C、M型等12个雄性不育系及其保持系的苗期叶片、灌浆期胚乳及花药进行了8个同工酶分析，除看到不育系与相应保持系花药中的过氧化物酶、酯酶和淀粉酶的同工酶酶谱有明显差异外，还观察到T型、C型和M型等3种细胞质雄性不育类型之间酶谱不同，但未发现不育系花药中其他5种同工酶酶谱与保持系之间的差异。曾孟潜等进一步用异质同核系和正常系为材料，用电泳方法分析了花药中的酯酶、过氧化物酶和α-淀粉酶同工酶酶谱，就不育系种类而论，POD第5、6带相对活性按T型、S（M）型和C型顺序递减，而第3带按S（M）型、T型和C型顺序递减。此外，在α-淀粉酶和酯酶同工酶酶谱中也观察到各型不育细胞质类型间的差异，并认为可能是划分不同不育类型的1种补充指标。刘春光等对小麦D2型细胞质不育系雄配子发育的细胞形态学特征和同工酶进行了研究，结果表明，D2型不育系花粉败育起始于单核—双核期，表现败育方式多样化。三核期花药的同工酶有明显差异，不育系酯酶比保持系少3条带。酶的总活性比保持系弱，过氧化物酶总活性比保持系弱很多，且少3条酶带。这些特征表明D2型不同于T型和K型，是新型不育类型。蔡明等用甘蓝型油菜和埃塞俄比亚芥进行正反交研究，从F3开始，在正交组合中选择雄性不育株与反交组合中的可育株成对测交和回交，筛选雄性不育和相应的保持材料。酯酶同工酶和核型分析结果表明，它的雄性不育是重组的核基因在普通甘蓝油菜细胞质遗传背景下的表现。

[1]Garkava LP，Rumpunen K，Banish IV. Genetic mlationships in Chaenomeles（Rossmae）revealed iscayme analysis[J].Hors，2000.85：21～35.

[2]Ranman M，Nim N. Use of glurmnate-oxdoecetare transandnose isxymes for detection of hybrids among genera of the citrus fruit trees[J] . Virol，1994.58：197～200.