不同化学物处理对苦瓜性别分化中生理生化及田间表现的影响

王国莉，陈勇智

开花植物性别决定的研究有关植物的进化、生物学和经济重要性，但关于植物中性别决定基因的鉴定和了解它们的互作网络是具有挑战性的难度很大的一项工作［1］.苦瓜（Momordica charantiaL.）是葫芦科苦瓜属1年生重要的特色蔬菜，它的性别表现直接与产品器官的成熟早晚、产量及品质密切相关.植物激素是重要的性别表达调控因子，乙烯促进雌花发育，是调控甜瓜和黄瓜性别表达的主要激素，其他的激素GA和IAA可能通过Crosstalk的方式与乙烯间接作用参与性别表达［2］.黄瓜和甜瓜的性别控制基因都是编码乙烯合成的限速酶ACC（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）合酶（ACC synthase，ACS）［3-4］，但关于乙烯是否是苦瓜性别决定激素还没有直接证据.有研究发现AgNO3（乙烯作用抑制剂）可调控全雌系苦瓜植株从第1朵花开始到一定节位完全转化为完全花，之后恢复为全雌花［5-6］.本研究采用外源乙烯利（乙烯作用替代物）、ACC（乙烯合成前体）、AgNO3（乙烯作用抑制剂）和1-MCP（乙烯作用抑制剂）处理苦瓜幼苗，探讨植物激素乙烯对苦瓜性别分化的影响，可以为进一步了解植物的生长发育规律以及性别分化机理奠定基础，也可以继续挖掘乙烯与苦瓜性别分化的关系，并用于生产以实现苦瓜早生、多生雌花，实现早熟高产目标.

1 材料和方法

1.1 试验材料

中华苦瓜种子由广州赛田农业科技有限公司提供，全株雄花着生数目较多.选取籽粒饱满的苦瓜种子，55℃温水中浸泡30 min，再用清水继续浸泡24 h，洗净后于30℃恒温箱催芽，待种子露白时种植于设施大棚中.

分别选择生长健壮、整齐的2叶1心期和4叶1心期苦瓜幼苗，用移液枪分别吸取50 μL 5 mmol/L的ACC溶液、300 mg/L AgNO3溶液、50 mg/L乙烯利（Ethephon）溶液以及2 mg/L 1-MCP（1-Methylcyclopropene，1-MCP）滴注苦瓜幼苗茎尖，注意1-MCP处理后的苦瓜幼苗需用白色塑料袋紧密包裹处理部位.以蒸馏水处理作为对照，连续处理3 d，每处理40株，其中.20株用于测定生理生化指标，20株用于田间性别分化观察，处理后每天定时观察植株生长状况，7 d后测定苦瓜植株基部以上第5片完全展开叶片的生理生化指标，30 d后统计主茎30节以内苦瓜性别的分化情况.

1.2 生理生化指标的测定

叶绿素含量测定参照Arnon方法；可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250法［8］；可溶性糖和淀粉含量测定采用蒽酮比色法［8］，蔗糖含量测定采用间苯二酚法［8］；过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性的测定采用紫外分光光度法［9］；过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性的测定采用愈创木酚法［10］.以上指标重复测定3次，用SPSS19.0软件进行方差分析.

1.3 苦瓜性别分化的田间统计

从基部第1片真叶算起，分别统计不同处理苦瓜植株主茎30节以内的第1雌花着生节位、雌花节位总数，并计算主茎上着生雌花的比例.采用SPSS19.0进行统计学分析.

2 结果与分析

2.1 不同处理对苦瓜叶片叶绿素含量的影响

从图1a可知，4叶1心期处理的苦瓜叶片叶绿素含量比2叶1心期处理的高，但2个处理的叶绿素含量变化趋势一致.与对照比较，乙烯利和ACC处理显著提高苦瓜叶片叶绿素含量，2叶1心期和4叶1心期处理的叶片中，乙烯利处理的叶绿素含量较对照分别提高15.96%和13.35%，ACC处理的叶绿素含量较对照分别提高23.18%和37.97%.1-MCP处理与对照的叶绿素含量差异不显著.4叶1心期时AgNO3处理的叶绿素含量较对照显著下降17.15%.

2.2 不同处理对苦瓜叶片可溶性蛋白含量的影响

从图1b可知，2叶1心期不同处理叶片的可溶性蛋白含量与对照比差异不显著；4叶1心期时，苦瓜叶片可溶性蛋白含量较2叶1心期时变化不大，但ACC处理的叶片可溶性蛋白含量较对照显著增加11.28%；AgNO3处理的叶片可溶性蛋白含量则显著下降15.35%.乙烯利和1-MCP处理的苦瓜叶片可溶性蛋白含量与对照比差异不显著.

图1 不同处理苦瓜植株叶片中总叶绿素（a）和可溶性蛋白（b）含量的变化

2.3 不同处理对苦瓜叶片可溶性糖含量的影响

从图2a可知，不同处理时间的苦瓜叶片可溶性糖含量差异不大，不同化合物处理的苦瓜叶片可溶性糖含量变化趋势相同.与对照比较，ACC处理显著降低苦瓜叶片可溶性糖含量，2叶1心期和4叶1心期处理的叶片可溶性糖含量较对照分别下降29.75%和28.33%.乙烯利处理与对照的可溶性糖含量差异不显著.Ag-NO3和1-MCP处理显著提高苦瓜叶片可溶性糖含量，2叶1心期和4叶1心期，AgNO3处理的可溶性糖含量较对照分别增加20.25%和61.53%；1-MCP处理的可溶性糖含量较对照分别增加70.95%和61.05%.

从图2b可知，不同处理时间的苦瓜叶片蔗糖含量变化不大，不同化合物处理的苦瓜叶片蔗糖含量的变化趋势一致.与对照比较，乙烯利和ACC处理均显著提高叶片蔗糖含量，AgNO3和1-MCP处理显著降低叶片蔗糖含量.2叶1心期和4叶1心期时，乙烯利处理的叶片中蔗糖含量较对照提高13.33%和13.01%，ACC处理的蔗糖含量分别提高26.67%和36.59%.1-MCP处理的叶片蔗糖含量较对照显著下降47.50%和40.65%；AgNO3处理的蔗糖含量较对照显著下降45.83%和39.84%.

从图2c可知，不同处理苦瓜植株叶片还原糖含量变化趋势与蔗糖含量的变化趋势相同.与对照比较，乙烯利和ACC处理均显著提高苦瓜叶片的还原糖含量，AgNO3和1-MCP处理显著降低还原糖含量.2叶1心期和4叶1心期，乙烯利处理的叶片还原糖含量较对照提高16.10%和17.64%，ACC处理的还原糖含量分别提高51.70%和17.64%.1-MCP处理的叶片还原糖含量较对照显著下降16.18%和20.61%；AgNO3处理的叶片还原糖含量较对照显著下降12.93%和14.75%.

图2 不同处理苦瓜植株叶片中可溶性糖含量的变化

2.4 不同处理对苦瓜叶片抗氧化酶活性的影响

从图3a可知，4叶1心期较2叶1心期的苦瓜叶片POD活性增加较快，不同处理对POD活性的变化影响一致.乙烯利和ACC处理均显著提高叶片的POD活性，1-MCP和AgNO3处理则使POD活性显著下降.与对照比较，2叶1心期和4叶1心期时，乙烯利处理的叶片POD活性提高21.25%和70.18%；ACC处理的POD活性分别提高27.02%和54.97%；1-MCP处理的POD活性分别下降24.94%和11.11%；AgNO3处理的POD活性分别下降21.13%和11.11%.

从图3b可知，AgNO3和1-MCP处理的苦瓜叶片CAT活性显著提高，4叶1心期处理时酶活性上升较快，2个处理时期比较，AgNO3处理的苦瓜叶片CAT活性分别较对照提高216.67%和411.33%，1-MCP处理的CAT活性分别较对照提高52.78%和218.87%.ACC处理对苦瓜叶片CAT活性无显著影响，而乙烯利处理只是2叶1心期的CAT活性比对照下降63.89%.

图3 不同处理的苦瓜叶片中POD（a）和CAT（b）活性差异

2.5 不同处理对苦瓜田间性别分化的影响

从表1可知，不同处理时间对苦瓜花性别分化的影响差异不大.ACC和乙烯利处理显著降低苦瓜植株的第1雌花节位，1-MCP处理则显著提高苦瓜植株的第一雌花节位，AgNO3处理第1雌花节位与对照比差异不显著.AgNO3和1-MCP处理的苦瓜植株30节内雌花总数显著减少，ACC和乙烯利处理的苦瓜植株雌花总数显著增加.不同处理对苦瓜植株雌花节率的影响与雌花总数相同.

表1 不同处理下苦瓜性别分化的田间调查结果

3 结论与讨论

适宜的试验系统构建对于雌雄同株植物性别分化机制的研究非常重要［11］，苦瓜作为雌雄同株植物性别分化研究的试验系统有其优越性，因为在自然条件下，苦瓜雄花数量显著地多于雌花，进行性别分化定向调控在其栽培和育种上具有很大应用价值［12］.任吉君等［13］通过对黄瓜性别决定的解剖学研究，发现第2-4片真叶期是黄瓜进行化控改变花性别的最适时期.汪俏梅等［14］认为苦瓜在现蕾5 d之内、第4-6片真叶期为化控改变花性别的最适时期.王日升［15］采用AgNO3喷施改变全雌系苦瓜性别分化的研究表明，苦瓜幼苗三叶期是性别分化的关键时期.本研究选择2叶1心和4叶1心期2个时期处理苦瓜幼苗，结果发现，两个时期同一处理的苦瓜叶片生理生化指标变化趋势相同，但对苦瓜花性别分化的影响都非常显著，所以进一步让实2叶1心至4叶1心期是开展苦瓜性别控制的关键时期.

本研究证实，乙烯在苦瓜的性别分化过程中起着重要的调控作用，乙烯释放剂乙烯利和合成前体ACC均表现出明显的促雌效应，乙烯功能抑制剂AgNO3和1-MCP则表现出明显的促雄效应［16-17］.这与乙烯在瓜类作物上表现出明显的促雌效应结果相同［18-20］.既有研究已证实ACS是控制黄瓜［21］和甜瓜［22-23］性别分化的关键基因.

本研究中，外源施用乙烯合成和作用相关化合物可以影响苦瓜叶片叶绿素、可溶性蛋白、糖含量和抗氧化酶活性，说明苦瓜性别分化与光合产物积累和抗氧化酶活性相关.乙烯利和ACC处理的苦瓜叶片叶绿素含量、蔗糖和还原糖含量显著增加，可能因为高蔗糖和还原糖含量则有利于植株雌化时的生长发育［24］.2种处理叶片的POD活性都显著增加，这与张玲玲［25］等和艾辛［24］的研究结果相同，POD活性增加与苦瓜的雌性分化正相关.

AgNO3和1-MCP促进苦瓜植株雄性分化加强，与两者都是乙烯作用抑制剂有关.研究结果中，苦瓜叶片中可溶性糖含量显著增加与张玲玲等［25］的研究结果一致；叶绿素含量显著下降（4叶1心期）与甜瓜幼苗中的研究结果相同［26］，可溶性蛋白含量下降、CAT活性显著增加，则与前人在黄瓜中的［24，27］研究结果一致.1-MCP处理植株的CAT活性也显著高于对照和乙烯利处理，说明雄性分化强的苦瓜植株光合同化物积累和CAT酶活性较高.

综上所知，乙烯是影响苦瓜性别分化的重要激素，乙烯利和ACC处理促进苦瓜植株雌性分化加强，Ag-NO3和1-MCP促进苦瓜植株雄性分化加强.苦瓜性别分化与光合产物积累和抗氧化酶活性具有相关关系，雄性分化较强的植株可溶性糖含量高，但高的蔗糖和还原糖含量有利于雌性分化，POD活性显著增加与植株雌性分化正相关，CAT活性显著增加与植株雄性分化正相关.所以，苦瓜叶片不同生理生化指标的差异是性别鉴定的理论基础，但还需要进一步深入研究和探讨二者的变化规律.

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