雌雄栝樓的差異及其性別決定機(jī)制研究進(jìn)展

束紅梅,何曉蘭,崔曉霞,倪萬潮,郭書巧

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，江蘇 南京 210014)

栝樓(TrichosantheskirilowiiMaxim.)是葫蘆科栝樓屬多年生宿根攀援草本植物。近年來，栝樓用途不斷被開發(fā)，除了作為中藥材外，其種子被開發(fā)為休閑保健食用栝樓籽、栝樓油等。栝樓雌雄異株，雌株以收栝樓籽為主，雄株以收獲根為主。因此，在生產(chǎn)中因種植目的不同，雌雄株種植比例存在差異。目前，生產(chǎn)中栝樓繁殖主要通過根莖營養(yǎng)繁殖控制植株性別，存在繁殖系數(shù)低、耗費(fèi)大量根莖(天花粉原材料)、種苗價格貴、易攜帶病毒等問題。為提高栝樓的種植面積和效益，用種子繁殖是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，但研究認(rèn)為種子繁殖時雌株只占10%～30%，雌雄株比例嚴(yán)重失調(diào)且無法控制[1]。因此若能明確雌雄栝樓苗期差異及其性別形成機(jī)制，可為通過種子繁育培育優(yōu)質(zhì)栝樓提供鑒定方法。因此，本文主要綜述了雌雄栝樓形態(tài)、生理、多態(tài)性標(biāo)記等方面的差異，以及其他雌雄異株植物性別決定機(jī)制的研究進(jìn)展，為研究和鑒定栝樓雌雄植株差異提供參考依據(jù)。

1 雌雄栝樓的差異

1.1 雌雄栝樓的形態(tài)差異

目前，對雌雄栝樓形態(tài)方面的研究表明，苗期雌雄栝樓植株形態(tài)無明顯差異，直到開花期雌雄栝樓在花器官上表現(xiàn)出明顯差異。栝樓花為雌雄異株，僅有雌花、雄花2種花性別分化，其形態(tài)、分化時期存在差異[2]。栝樓雄花為單性花[2]，包括花托、花萼、花瓣、雄蕊，分化階段包括雄花花芽未分化期、花芽分化初期、花序分化期、花萼原基分化期、花瓣原基分化期及雄蕊原基分化期共6個時期，在整個發(fā)育過程中僅見雄蕊原基的分化及生長。栝樓雌花為兩性花[2]，包括花托、花萼、花瓣、子房、柱頭、花柱、退化雄蕊，分化階段包括花芽未分化期、花芽花序分化期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期及雄蕊原基退化期共7個時期，在整個發(fā)育期存在雌蕊和雄蕊的共同發(fā)育階段，但是隨后雄蕊發(fā)育失敗。

1.2 雌雄栝樓的生理差異

為了解雌雄栝樓的生理差異，前人利用多種檢測方法比較了栝樓雌雄植株的多個生理指標(biāo)，包括植物激素、多胺、可溶性糖、光合色素、內(nèi)源保護(hù)酶等，發(fā)現(xiàn)雌雄植株的這些生理指標(biāo)存在差異。郭曉亮[3]研究發(fā)現(xiàn)，雄性栝樓幼苗葉片中水溶性酚類物質(zhì)、光合色素、可溶性糖、葉綠素、類胡蘿卜素等含量均顯著高于雌性，而雌性栝樓葉片中還原糖含量則高于雄性植株。李珊等[4]以幼嫩栝樓葉片為材料研究發(fā)現(xiàn)，雄株的光合色素、可溶性蛋白質(zhì)含量、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)酶活性均高于雌株，而雌株的丙二醛(MDA)、可溶性糖含量高于雄株。曲超等[5]研究發(fā)現(xiàn)，苗期栝樓雄株葉片中水溶性酚含量顯著高于雌株，而雌株葉片中可溶性糖、脫落酸(ABA)和玉米素核苷(ZR)的含量均顯著高于雄株。劉蕓等[6]對不同生長階段的栝樓葉片激素含量的分析發(fā)現(xiàn)，在檢測的各生長階段，雄株中脫落酸含量均高于雌株，而雌株栝樓吲哚乙酸含量高于雄性植株；但玉米素核苷、赤霉素在栝樓不同生長階段表現(xiàn)不太一致，在營養(yǎng)生長期，其在雄株中的含量高于雌株；進(jìn)入生殖期后，雄株中玉米素核苷、赤霉素含量下降。同時劉蕓等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)生長階段，雄株栝樓葉片的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率均大于雌株；雄株比雌株提前進(jìn)入生殖生長階段，當(dāng)雄株進(jìn)入生殖生長階段后，其光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度均大于雌株，但水分利用效率略小于雌株；當(dāng)雌株進(jìn)入生殖生長階段后，其蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度大于雄株，而光合速率和水分利用效率顯著小于雄株。

綜合比較前人的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雌雄栝樓存在生理差異，但是在不同時期不同研究中同一指標(biāo)在雌雄株間的結(jié)果不太一致，這也說明單純依靠生理指標(biāo)來比較栝樓雌雄株差異受到多種因素的影響。所以普遍認(rèn)為不能通過生理指標(biāo)的差異來準(zhǔn)確鑒定出雌雄栝樓植株。

1.3 雌雄栝樓的多態(tài)性標(biāo)記研究

前期研究人員通過比較栝樓雌雄株的過氧化物酶、多酚氧化酶同工酶活性及條帶差異來研究雌雄栝樓差異。于鳳池等[8]研究發(fā)現(xiàn)，栝樓雌株葉片的過氧化物同工酶活性高于雄株，且雌株葉片中有一條特異性的過氧化物酶同工酶譜帶；孫永剛[9]在栝樓葉片中得到4條與性別相關(guān)的過氧化物氧化酶譜帶，其中3條是與雌株相關(guān)的多酚氧化酶條帶。

隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，近年來研究人員利用多種標(biāo)記方法鑒定到一些與栝樓性別相關(guān)的多態(tài)性標(biāo)記。孫永剛[9]檢測到71個AFLP多態(tài)性標(biāo)記，其中40條來自雌株、31條來自雄株。曲益濤等[10]利用RAPD體系得到1條600 bp雄株特異條帶，并將其轉(zhuǎn)化為SCAR標(biāo)記。但其他實(shí)驗(yàn)室[11]未能通過此標(biāo)記有效鑒定出栝樓雌雄植株。Nanda等[12]利用ISSR引物在雄性野蛇瓜(TrichosanthesdioicaRoxb.)中得到一條720 bp特異條帶。

由此可以看出，雖然研究人員通過不同方法對栝樓雌雄植株的多態(tài)性標(biāo)記進(jìn)行了研究，但目前尚未得到有效穩(wěn)定地區(qū)分苗期雌雄栝樓的標(biāo)記。說明目前所獲得的標(biāo)記具有一定的局限性。

2 雌雄異株植物性別決定機(jī)制

植物的性別決定不同于動物，其具有不穩(wěn)定性和多樣性的特點(diǎn)。近年來，隨著遺傳學(xué)和基因組學(xué)的快速發(fā)展，在植物性別研究方面取得了一些進(jìn)展，主要集中在性染色體、性別決定基因、激素調(diào)控3個方面。

2.1 雌雄異株植物性染色體的類型

在有花植物中，雌雄異株植物僅占6%[13]，而且僅在少部分雌雄異株植物中發(fā)現(xiàn)性染色體[14]，一般分為同型性染色體(XX與ZZ)和異型性染色體(XY與ZW)2種類型，最為常見的是XY型[13,15-16]。

植物性染色體是由1對常染色體進(jìn)化而來，而且植物性染色體的發(fā)育包括幾個階段[13]。進(jìn)化初期的性染色體與常染色體無法從形態(tài)上區(qū)分,這類性染色體至少在20個被子植物中存在,如弗吉尼亞草莓、蘆筍和番木瓜等[17]。在進(jìn)化過程中,性染色體逐漸形成自身的形態(tài)特征,演變成異型的性染色體,主要表現(xiàn)為X(Z)與Y(W)染色體之間以及性染色體與常染色體之間長度上的差異。性染色體進(jìn)化的一個主要階段就是重復(fù)序列的累積，異染色質(zhì)的觸發(fā)和重組抑制現(xiàn)象的出現(xiàn)致使性染色體結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生分化，從而引發(fā)Y染色體退化以及X染色體劑量補(bǔ)償效應(yīng)，最終導(dǎo)致性染色體的進(jìn)化[13,15]。

目前，具有性染色體的植物較少，這可能與多數(shù)雌雄異株植物進(jìn)化時間較短有關(guān)，許多雌雄異株植物性染色體于相對近期形成。但是，研究人員認(rèn)為所有的雌雄異株植物都具有進(jìn)化出性染色體的潛能[13]。栝樓作為雌雄異株植物，其是否存在性染色體？有人對栝樓屬大苞栝樓(Trichosanthesbracteata)的染色體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其不存在性染色體[18]，雌雄大苞栝樓的染色體核型一致。栝樓是否也跟這個同屬植物相似而不存在性染色體，有待進(jìn)一步研究。

2.2 雌雄異株植物性別決定基因的鑒定

植物性別由性染色體決定，但是性染色體上大部分基因并不直接參與性別決定，個體分化為雌性還是雄性依賴于性別決定區(qū)域的關(guān)鍵基因[13]。性別決定基因是決定雌雄異株植物性別形成的關(guān)鍵因子，對于含有性染色體的植物，性別決定基因位于性染色體上[19]。目前，關(guān)于性別決定基因的研究主要集中在對性染色體連鎖基因以及花器官發(fā)育相關(guān)基因的克隆與功能鑒定上。從性染色體連鎖基因入手，挖掘雌雄性器官特異表達(dá)的基因，是鑒定性別決定基因普遍采用的方法。研究表明典型的雌雄異株植物菠菜、蘆筍的性別決定基因已定位到相應(yīng)的連鎖群[20-21]。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近期對性別決定基因的鑒定主要通過基因組、轉(zhuǎn)錄組等高通量測序方法來篩選目的基因。Jia等[22]通過基因組測序、重測序及轉(zhuǎn)錄組測序?qū)Υ菩郛愔旯麡錀蠲愤M(jìn)行比較，在8號染色體上發(fā)現(xiàn)一段59 kb的雌性特異區(qū)域，該區(qū)域包含7個預(yù)測基因，其中4個可能與雌雄花性別決定相關(guān)。Akagi等[23-25]通過基因組和轉(zhuǎn)錄組測序分析了雌雄異株的柿屬二倍體種君遷子、六倍體栽培柿、彌核桃，鑒定出這3種植物的雌雄決定基因。在君遷子(Diospyroslotus)Y染色體上鑒定出性別決定基因OGI[25]；在六倍體栽培柿(Diospyroskaki)中發(fā)現(xiàn)性染色體上OGI基因和常染色體上的MeGI基因協(xié)同調(diào)控柿雌雄發(fā)育[23]；在獼猴桃Y染色體上鑒定到的性別相關(guān)基因是一個細(xì)胞分裂素響應(yīng)調(diào)節(jié)基因SyGI[24]。這些性別決定基因通過不同的作用機(jī)制來調(diào)控雌雄性別的形成。

2.3 雌雄異株植物性別的激素調(diào)控研究

一般認(rèn)為，植物性別受成花物質(zhì)的形成和積累支配，激素對性別的調(diào)控主要是通過激素調(diào)控成花物質(zhì)的水平而引起性別的改變[26]。研究表明[26-27]，內(nèi)源激素、生長調(diào)節(jié)劑的含量和(或)比率與性別分化存在一定的聯(lián)系。相同激素在不同植物性別分化的調(diào)控作用不盡相同，有時甚至是相反的[26]。黃瓜中生長素和赤霉素對花發(fā)育的影響是間接的[26]，它們分別增加或減少了內(nèi)源乙烯的含量，而高水平的乙烯含量會促使心皮發(fā)育、抑制雄蕊發(fā)育；玉米中給雄穗添加赤霉素可使雄穗變?yōu)榇菩?，而消耗?nèi)源赤霉素會使雌穗變?yōu)樾鬯隱28]。而且在某些植物中，雌雄性別決定基因是植物激素生物合成相關(guān)基因。在雌雄同株的玉米中克隆出了2個性別決定基因分別影響油菜素內(nèi)酯和茉莉酸的生物合成[28-30]；在黃瓜中分離到2個控制性別的基因分別是乙烯生物合成相關(guān)基因CS-ACS2和CS-ACS1G[31];在甜瓜中，克隆到1個性別決定基因是乙烯生物合成相關(guān)基因CmACS-7[32]。

由此可以看出，激素以及激素合成相關(guān)基因在植物性別形成中起著重要作用，但是目前關(guān)于激素對植物性別調(diào)控的研究主要集中在雌雄同株植物，尚未有激素對雌雄異株植物調(diào)控的研究。

3 栝樓性別鑒定及調(diào)控的研究展望

從雌雄栝樓的形態(tài)、生理、多態(tài)性標(biāo)記的研究可以看出，目前尚未有切實(shí)可行的方法在苗期鑒定栝樓雌雄株?；谄渌菩郛愔曛参镄詣e決定機(jī)制的研究情況，對后續(xù)栝樓的性別鑒定以及調(diào)控研究提出以下建議：(1)對栝樓雌雄株不同生長時期植株形態(tài)、染色體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，明確雌雄栝樓的形態(tài)特征及是否存性染色體。(2)對不同生長時期栝樓雌雄株進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，篩選出雌雄栝樓的差異基因及代謝途徑。并利用ISSR分子標(biāo)記構(gòu)建栝樓雌雄植株的DNA指紋圖譜，尋找與性別相關(guān)的分子標(biāo)記。明確與栝樓雌雄性別相關(guān)的基因和多態(tài)性位點(diǎn)。(3)對不同生長時期栝樓雌雄株的激素含量、生長物質(zhì)測定分析雌雄栝樓的生理差異。并分析外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)對栝樓雌雄比例的影響，尋找栝樓雌雄株的激素代謝差異及調(diào)控栝樓雌雄比例的生長調(diào)節(jié)劑。