不同倍性西瓜植株生长过程中内源激素的变化

打开文本图片集

摘要：为了探讨不同倍性西瓜植株发育时期内源激素的变化规律，以同基因型不同倍性（2x、3x、4x）西瓜品种‘蜜枚’为供试材料，采用酶联免疫法（ELISA）对西瓜植株生长过程根、茎、叶中生长素（IAA）、脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）、玉米素核苷（ZR）和油菜素内酯（BR）5种内源激素含量进行测定分析。结果显示，叶片中各个内源激素的含量均较高，而茎中含量相对较低；IAA、ABA含量在不同倍性西瓜的根、茎、叶中都相对较高，而GA、BR含量相对较低；5种内源激素含量在不同倍性间差异不明显，在各发育时期不同倍性间有差异。本研究初步阐明了不同倍性西瓜植株发育过程内源激素的变化规律，为以后深入研究西瓜内源激素积累的机制奠定了基础。

关键词：西瓜；倍性；内源激素；不同组织

Changes of endogenous hormones in different ploidy watermelon during plant development

DOU Junling， ZHAO Shengjie， LU Xuqiang， HE Nan， LIU Wenge

（Zhengzhou Fruit Research Institute， CAAS， Zhengzhou 450009， Henan， China）

Abstract： To explore the relation among different hormones， genotypes with different ploidy（2x，3x，4x）watermelon‘Mimei’were used as materials. In order to clarify the changes of endogenous hormones in different ploidy watermelon during devel？ opmental period， the content of endogenous hormones（IAA，ABA，GA，ZR，BR） in roots， stems and leaves were tested by ELI？ SA（enzyme linked immunosorbent assay） . The results showed that， the endogenous hormone content in the leaves was high？ er， and the content in stems was relatively low during plant development， there has higher content of IAA and ABA in differ？ ent ploidy watermelon plant， while lower content of GA and BR. There has no obvious difference among different ploidy dur？ ing plant development. This study preliminary illustrated the changes of different ploidy watermelon plant， laying a founda？ tion for future research of watermelon endogenous hormone.

Key words： Watermelon；Ploidy；Endogenous hormones；Different tissues

植物激素是指植物细胞接受特定环境信号诱导产生的、低浓度时可调节植物生理反应的活性物质。他们在细胞分裂与伸长、组织与器官分化、开花与结实、成熟与衰老、休眠与萌发以及离体组织培养等方面分别或相互协调的调控植物的生长、发育与分化[1]。植物内源激素在调控植物生长发育过程中起着重要的作用[2]。在刺梨、苹果和葡萄上研究内源激素对坐果及果实发育的生理作用，可为诱导果实发育和提高坐果率提供依据[3-5]。对内源激素的研究表明，多种植物激素协调作用对调控梨果实生长发育起着重要的作用[6]。在草莓中的研究表明，GA3具有促进草莓花芽分化的作用，而IAA则与草莓花芽分化存在一定的负相关[7]。

同时，植物激素也在植株的生长过程中发挥着重要的作用。生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯和脱落酸的分布及含量在根的形成过程中起着重要的作用。生长素是促进不定根形成的主要因素，在生长素对根的形成作用中，NO和cGMP是生长素促进不定根形成的信号分子[8-12]。植物激素既可以影响叶的形状、颜色、大小和厚度，也能调节叶的生理周期。研究发现，白化叶片中的ABA水平明显低于绿叶，但细胞分裂素水平高于绿叶。虽然细胞分裂素处理能促使白化叶和绿叶气孔张开，但白化叶对细胞分裂素的敏感程度低于绿叶，因此，未受损伤的叶绿体或叶绿体基因的表达对细胞分裂素处理的响应是必需的[13]。同时，植物茎的长短、粗细与生长素、细胞分裂素、赤霉素、油菜素内酯和乙烯等有关。内源激素对茎的调控表现在2个方面：一是内源激素水平调控，即通过内源激素的合成或降解调控茎的生长；二是借助植物激素之间的相互作用调控茎的长短、粗细[14]。

西瓜（Citrullus lanatus）中植物激素的研究相对较少，关于西瓜无籽变异株以及普通西瓜雄性不育系中内源激素的变化都有一定的报道[15-16]；刘世琦[17]通过外源激素处理诱导了西瓜的单性结实。在不同倍性西瓜果实发育过程中，多倍体西瓜果实发育过程中IAA含量大于其同源二倍体，ZR、BR含量在不同倍性西瓜果实发育过程中一直较低，且不同倍性间的差异较小，说明倍性的增加对这两种激素的影响较小[18]。多倍体相对于其同源二倍体在遗传及表型上有很大的优势。一般认为，植物营养器官性状的变化与基因的剂量有关，随着基因拷贝数的增加及基因转录产物量的变化，植物的一些性状也发生相应变化[19]。多倍体西瓜果皮厚度及各组成部分的厚度均大于二倍体[20]，多倍体西瓜含糖量以及功能性成分含量也都高于其同源二倍体[21-22]。但对于多倍体西瓜植株发育过程内源激素含量的变化还未见报道。

本研究中以同基因型不同倍性的西瓜品种‘蜜枚’为试材，对其生长发育过程中植株根、茎、叶中内源激素含量的变化进行测定，并分析他们之间的相关性，以期为今后西瓜栽培生理的研究以及多倍体西瓜育种提供借鉴。

1材料与方法

1.1材料

以同基因型不同倍性（2x、3x、4x）西瓜品种‘蜜枚’为供试材料，春季开始播种，试验材料采于中国农业科学院郑州果树研究所中牟县多倍体西瓜试验田，分别在苗期（2叶1心时）、伸蔓期（植株开始匍匐生长）、花期（雌雄花开始大量开放）和成熟期（果实达到成熟）取植株的根、茎、叶材料。对各个时期每个倍性的3株长势相同的植株进行取样，样品立即投入液氮冷冻。每个样品设3次重复。

1.2方法

称取1.0 g样品，加入4 mL内含100 mg PVP（聚乙烯吡咯烷酮）的80%甲醇提取液，弱光冰浴研磨、匀浆，转入10 mL离心管，置4℃下提取4 h，1 000×g离心15 min，取上清液，过Sep-PakC18柱纯化2次，滤液定容至1.5 mL。参照刘丙花等[23]和豆峻岭等[24]的酶联免疫分析方法（ELISA）测定样品中的生长素（IAA）、脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）、玉米素（ZR）和油菜素内酯（BR）含量（以鲜质量计）。样品测定设3次重复。试剂盒由中国农业大学化控室提供。

试验数据用Excel、SPSS软件进行标准误差分析。

2结果与分析

2.1不同倍性西瓜根茎叶中IAA含量的变化

由表1可知，不同组织中IAA含量相差较大，整体上茎和叶中IAA含量要高于根，而不同发育时期IAA含量变化也不相同，根在整个发育时期IAA含量几乎不变化，一直维持在100～200 ng·g-1的水平，只是在后期有所升高；茎中苗期和伸蔓期IAA含量较高，到花期和成熟期有所降低，但是还高于根中IAA含量；2x叶中IAA含量逐渐降低，3x叶中IAA含量几乎保持不变，4x叶中IAA含量逐渐升高。在各个发育时期不同倍性间的差异也有所不同，根中不同倍性间的差异较小；茎中苗期、伸蔓期和花期都是2x中含量最高，成熟期4x含量最高；叶中变化趋势和茎相同，苗期、伸蔓期和花期都是2x中含量最高，成熟期4x含量最高。

2.2不同倍性西瓜根茎叶中ABA含量的变化

如表2所示，ABA含量在根、茎、叶的含量差异较大，整体几乎都表现为逐渐上升的趋势，在成熟期达到最大值。不同组织中苗期整体上表现为叶中ABA含量最高，茎中含量次之；伸蔓期茎中含量最高，而花期和成熟期根、茎、叶中ABA含量都达到最高值。不同倍性的根中ABA含量差异各不相同，苗期、伸蔓期和花期均为4x最大，而在成熟期2x中最高；茎中成熟期也为2x最高，伸蔓期和花期不同倍性间的含量差异较小；苗期4x叶中的含量最高，成熟期则为2x最高，伸蔓期各个倍性间的差异不大，花期也是4x最高。

2.3不同倍性西瓜根茎叶中GA含量的变化

如表3所示，不同组织中GA含量在整个发育期都表现为叶中含量最高，茎中含量次之，根中含量最低。相对于IAA、ABA含量，GA含量在各组织中较低，整体一直维持在较低的水平。而不同发育时期各组织中GA含量几乎都是在前期较大，后期有所减小，在成熟期GA含量达到最低值。不同倍性的各个组织间的差异也各不相同，苗期根和叶在不同倍性间含量的差异均为2x中含量最高，茎中为3x含量最高；伸蔓期根和茎不同倍性间GA含量均为3x最高，2x、3x叶中GA含量相差不大，但都大于4x；花期根中的各个倍性间的含量较低，3x中GA含量相对较高，茎中GA含量均为2x最高；成熟期根和叶中GA含量均为4x最高，而茎中2x最高。

2.4不同倍性西瓜根茎叶中BR含量的变化

如表4所示，整体上叶在各个发育期BR含量都是最高的，茎次之，根中BR含量最低。和果实中BR含量的变化趋势一样，整个发育时期它的含量变化不大，维持在一定水平，只有茎中BR含量表现出逐渐降低的趋势，苗期含量最高，成熟期最低。不同倍性间BR的含量也相差不大，根中各个倍性各个发育时期BR含量几乎都维持在20 ng·g-1～30 ng·g-1左右；茎中虽然整个发育时期BR含量逐渐降低，但每个时期不同倍性间的差异不大；苗期和伸蔓期3x叶中BR含量最高，花期2x叶中含量最高，成熟期4x叶中含量最高。

2.5不同倍性西瓜根茎叶中ZR含量的变化

如表5所示，整体上叶在各个发育期ZR含量都是最高的，茎次之，根中ZR含量最低。在整个发育过程中根、茎、叶中ZR含量的变化趋势不明显，都维持在一定的水平。而不同倍性间ZR含量有一定的差异，苗期根和叶中ZR含量均为3x最高，茎中3x、4x的差别较小，但ZR含量都大于2x；伸蔓期根中ZR含量在2x和4x间相差较小，大于3x，茎中为2x>3x>4x，叶中为3x大于2x和4x，而2x和4x中含量相差不大；花期根和叶中ZR含量都为3x最高，茎中ZR含量为2x最高；成熟期2x根中ZR含量最高，各个倍性茎中的含量相差不大，3x略高，2x叶中ZR含量最高。

3讨论与结论

西瓜根、茎、叶中几种内源激素含量的最大值都出现在花期或成熟期，这2个时期也是植株快速生长的时期，可能是植物内源激素的大量积累促进了植株的快速生长。叶片是整个发育过程中内源激素含量最高的组织，在所测定的组织中，叶片的生长最旺盛，这可能说明了内源激素的大量积累促进了叶片的快速生长，这和叶梅荣[14]的研究结果相一致。在所研究的5种内源激素中，IAA含量在前期的较高，而ABA和ZR含量在后期较高，BR和GA含量在整个发育期都维持在一个较低的水平，这也说明了激素调控植物生长发育的复杂性[25-26]。不同发育时期，根和叶中各个内源激素的含量几乎都在花期达到最大，而茎中各个激素的含量大多在成熟期达到最大，这可能与茎的特殊性有关。茎具有输导营养物质和水分以及支持叶、花和果实在一定空间的作用，前期茎向叶片以及西瓜果实输送营养物质，当西瓜果实成熟时植物茎中才开始积累较多的内源激素。植物发育后期会积累大量的营养物质，此时，细胞体积变化缓慢，细胞内开始积累大量有机物[20]，本研究中GA、ABA、ZR在花期和成熟期都有较大的积累量，且西瓜果实的营养物质在这段时间也迅速积累[24]，这可能与该时期西瓜从生殖生长向营养生长的转变有关。

多倍体西瓜植株发育过程中IAA含量大于其同源二倍体，这说明倍性的增加可能造成了IAA含量的增加；倍性的增加会造成西瓜植株生长延后，这也可能是IAA含量在多倍体西瓜植株中增加的原因。而GA、BR含量在不同倍性西瓜果实发育过程中含量一直较低，且不同倍性间的差异较小，说明倍性的增加对这2种激素的影响较小。究其原因，可能是染色体人工加倍形成的同源多倍体中与这2种激素相关的基因变异较小[19，27]，受等位基因剂量效应、转录因子数量和遗传的影响，某些基因的表达在同一物种不同倍性之间存在一定的差异，这可能也解释了倍性的增加对不同激素造成的差异有所不同的原因。有研究证明GA有促进IAA产生的作用[28-29]，而本研究中没有得到相关结论，不同倍性西瓜植株GA与IAA在发育过程中没有必然的相关性。GA含量在不同组织不同倍性间一直处于较低水平，而IAA含量一直处于较高的水平。我们推测，GA可能对西瓜植株根茎叶生长的影响较小，而含量相对较高的其他激素弥补了GA含量的不足，这和张勇[16]在无籽西瓜变异株上的研究结果相一致。本研究中IAA、ABA含量在多倍体中都有所增加，且在发育后期他们的积累量明显多于前期的积累量，这可能是因为倍性的增加造成了植株生长发育的延迟，从而造成了激素含量的变化。

大量研究表明，细胞分裂的速度和时间与细胞分裂素水平成正相关，细胞体积大小与细胞膨压和赤霉素水平密切相关，赤霉素和生长素在促进细胞生长和体积增大方面有重要作用。植物激素对果实生长发育的调控是一个很复杂的过程，该过程不仅取决于某一种激素的消长及其绝对浓度的变化，内源激素间的相互平衡及相互间的协同作用也显得更重要[25]。植株的生长环境也是影响植物内源激素的一个重要因子，本研究所采用的植株都是在同样的生长环境中进行的，避免了试验的误差。同时激素的调控途径也与类胡萝卜素以及植物内许多营养物质的合成途径相互联系[26]。因此植物体内的激素合成以及他们对植物生长发育的调控是一个相互联系的整体。

参考文献

[1]Perkins-Veazie，Julie K Collins，Angela R Davis. Carotenoid content of 50 watermelon cultivars[J]. Agricultural and Food Chemistry，2006，54： 2593-2597.

[2]唐莉娟，万益群.植物激素的分析研究进展[J].食品科学，2009，30（21）：393-398.

[3]樊卫国，安华明，刘国琴，等.刺梨果实与种子内源激素含量变化及其与果实发育的关系[J].中国农业科学，2004，37（5）： 728-733.

[4]闫国华，甘立军，孙瑞红，等.赤霉素和细胞分裂素调控苹果早期生长发育机理的研究[J].园艺学报，2000，27（1）： 11-16.

[5]陈发河，蔡慧农，冯作山，等.葡萄浆果发育过程中激素水平的变化[J].植物生理与分子生物学报，2002（5）： 391-395.

[6]廖明安，刘旭，邓国涛，等.梨2个品种果实发育期间内源激素含量的变化[J].果树学报，2009，26（1）：25-31.

[7]钟晓红，马定渭，黄远飞.草莓果实发育过程中内源激素水平的变化[J].江西农业大学学报，2004，26（1）： 107-111.

[8]王金祥，严小龙，潘瑞炽.不定根形成与植物激素的关系[J].植物生理学通讯，2005，41（2）： 133-142.

[9]Correa- Aragunde N，Graziano M，Lamattina L. Nitric oxide plays a central role in determining lateral root development in tomato[J]. Planta，2004，218（6）： 900-905.

[10] Pagnussat G C，Lanteri M L，Lamattina L.Nitric oxide and cyclic GMP are messengers in the indole acetic acid-induced adventitious rooting process[J]. Plant Physiol，2003，132（3）： 1241-1248.

[11] Pagnussat G C，Simontacchi M，Puntarulo S，et al.Nitric ox？ ide is required for root organogenesis[J].Plant Pbysiol，2002，129（3）： 954-956.

[12] Lanteri M L，Pagnussat G C，Lamattina L.Calcium and calci？ um-dependent protein kinases are involved in nitric oxideand auxin-induced adventitious root formation in cucumber[J]. Journal of Experimental Botany，2006，57（6）： 1341-1351.

[13] Olga N Kulaeva，Emilia A Burkhanova，Natalia N Karavaiko，et al.Chloroplasts affect the leaf response to cytokinin[J]. Plant Physiol，2002，159（12）： 1309-1316.

[14]叶梅荣，朱昌华，甘立军，等.激素间相互作用对植物茎伸长生长的调控综述[J].中国农学通报，2007，23（4）： 228-231.

[15]刘海河，侯喜林，张彦萍，等.西瓜核雄性不育系雄花蕾发育过程中内源激素和多胺动态变化分析[J].园艺学报，2006，33（1）： 143-145.

[16]张勇，张显，程智慧，等.西瓜无籽变异株果实发育期激素含量变化特征[J].西北植物学报，2011，31（6）： 1152-1156.

[17]刘世琦，邢禹贤，王冰林.外源激素诱导西瓜单性结实的研究[J].中国农业科学，2003，36（9）： 1071-1075.

[18]豆峻岭，刘文革，赵胜杰，等.西瓜果实不同发育期内源激素含量的变化[J]，中国瓜菜，2014，27（2）： 12-15.

[19]刘文革，王鸣，阎志红.西瓜二倍体及同源多倍体遗传差异的AFLP分析[J].果树学报，2004，21（1）：46-49.

[20]刘鹏，刘文革，赵胜杰，等.不同倍性西瓜果实果皮解剖结构比较[J].果树学报，2012，29（1）：296-301.

[21]万学闪，刘文革，阎志红，等.西瓜果实发育过程中番茄红素、瓜氨酸和Vc等功能物质含量的变化[J].中国农业科学，2011，44（13）： 2738-2747.

[22]袁平丽，刘文革，路绪强，等.不同倍性西瓜果实发育过程中番茄红素含量动态[J].果树学报，2012，29（5）： 890-894.

[23]刘丙花，姜远茂，彭福田，等.甜樱桃果实发育过程中激素含量的变化[J].园艺学报，2007，34（6）：1535-1538.

[24]豆峻岭，路绪强，刘文革，等.不同倍性西瓜内源激素与番茄红素积累的相关性研究[J].园艺学报，2015，42（5）： 969-978.

[25]陈昆松，李方，张上隆. ABA和IAA对猕猴桃果实成熟进程的调控[J].园艺学报，1999，26（2）： 81-86.

[26]豆峻岭，刘文革.番茄红素代谢及分子调控机理研究进展[J].果树学报，2013，30（4）： 697-705.

[27]栾丽，繁伦，何涛，等.用SSR标记检测同源四倍体与二倍体水稻的遗传差异[J].应用与环境生物学报，2004，10（5）： 556-558.

[28]樊卫国，安华明，刘国琴，等.刺梨果实与种子内源激素含量变化及其与果实发育的关系[J].中国农业科学，2004，37（5）： 728-733.

[29] Gaspar T，Kevers C，Penel C，et al. Plant hormones and plant growth regulators in plant tissue culture[J]. In Vitro Cellular& Developmental Biology-Plant，1996，32（4）： 272-289.