荔枝花雄蕊和雌蕊发育过程中碳氮化合物的动态变化（可编辑）

荔枝花雄蕊和雌蕊发育过程中碳氮化合物的动态变化（可编辑） 荔枝花雄蕊和雌蕊发育过程中碳氮化合物的动态变化 应用与环境生物学报 !""!,( ! #): !$%" !"#$ % &’’ $*#+,$ -#, & .//012234 3567 !""!’"!’! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! " 荔枝花雄蕊和雌蕊发育过程中碳氮化合物的动态变化 , , # ! # # % "" 肖华山 吕柳新 肖祥希 # ( 福建农林大学园艺系 福州 ) %"""! ! % ( 福建师范大学生物学院 福州 ;福建省林业科学研究院 福州 ) %""" %""#! 摘 要 比较分析了荔枝花性决定中碳氮化合物的动态变化,结果发现:*+,较 大有利于雄蕊分化,反之则有利于雌 蕊分化;氨基酸含量较高有利于雌蕊分化,雄蕊的氨基酸含量仅为雌蕊的一 半;脯氨酸与花粉育性存在着密切相关关 系。另外,探讨了雌蕊或雄蕊败育的生理意义,在长期的进化中,败育的雌蕊 或雄蕊”废物”重新被利用,为同一花中迅 速发育的雌蕊或雄蕊提供能量和物质的需求- 参 #% 关键词 荔枝;花器官;性别决定;碳氮比;氨基酸 "#" .$$-#"# $%&’" "*’&+,- ./ "’01.&20$, $30&+ ( ) $,4,#.5,&2 ./ #2"* 8.9!:. !:.00/./ -.&&6 5-2# ’&$ -2’,& , , # ! # # % "" , /012 3456758 9: 9;4;8 /012 /;58; # ( !"#$%&’"& * +%&,-./&.%",0.1,$ 23%,-./&.%" $4 0%"5&%6 7,8"%5,&6,?4@7A4 %"""!,*7;85) ! ( 9,"3,""%,3 ://"3",0.1,$ ;%’$/ 7,8"%5,&6,?4@7A4 %""",*7;85) % ( 0.1,$ 2-$4"’6 * 0%"5&%6,?4@7A4 %""#!,*7;85) ’789:;9 BC DAEF5G;8 58H 585IC@;8 J7K HC85E;D D758K6 AL D5GMA8;JG;HK ;8 H4G;8 J7K LIAG5I 6K HKJKGE;85J;A8 , ; I;JD7; ;J N56 LA48H J75J 7;7KG *+, 58H IANKG 5E;8A 5D;H DA8JK8J NKGK MK8KL;D;5I JA 58HGAKD;4E H;LLKGK8J;5J;A8 DA8OKG6KIC,IANKG *+, 58H 7;7KG 5E;8A 5D;H DA8JK8J NKGK 5HKP45JK LAG C8AKD;4E H;LLKGK8J;5J;A8;J7K 5E;8A 5D;H ; DA8JK8J ;8 58HGAKD;4E N56 A8IC 75IL AL J75J ;8 C8AKD;4E FGAI;8K N56 566AD;5JKH N;J7 FAIIK8 HKOKIAFEK8J5I D5F5D’ , ;JC- BK6;HK6 J7K F7C6;AIA;D5I 6;8;L;D58DK AL 58HGAKD;4E AG C8AKD;4E 5MAGJ;A8 N56 H;6D466KH- 08 J7K KOAI4J;A8 AL IA8 FKG;AH AL J;EK,J7K 5MAGJKH 58HGAKD;4E AG C8AKD;4E”6DG5F”DA4IH MK 46KH MC J7K 65EK LIANKG JA ALLKG K8KG’ , C 58H 64M6J58DK LAG LIANKG HKOKIAFEK8J- Q5M RKL #% ; ; ; ; ?@A:B8 ,&-, -,"5,5 .A88- LIAG5I AG58 6K HKJKGE;85J;A8 D5GMA8’8;JGA;8 G5J;A 5E;8A 5D;H "#" .$$-#"# [] 荔枝(,&-, -,"5,5 .A88-)花有雄花、雌花以及 现雌、雄蕊的特化和性别歧 异 ,但对雄蕊或雌蕊发 育或退化的生理生化特征研究甚少 比较分析荔枝性 少数两性花和变态花(畸形花)-雄花留有退化的雌 - 器官不同发育阶段碳氮化合物的动态变化,将有助于 蕊,其子房不发达,不能形成果实;雌花上的雄蕊退 对雄蕊或雌蕊发育或退化某些生化机理的认识- 化,花丝很短,花粉囊通常不开裂 由于荔枝开花时, - 大多为雄花,消耗了大量的养分而造成严重的落花落 材料和方法 # 果,因此许多荔枝工作者对荔枝花的基本形态结构、 #-# 材料 开花特性以及荔枝的胚胎发育等进行了较为详尽的 研究材料取自栽培在福建农林大学校园内生长 [#$] 研究 荔枝花在发育初始阶段(花原基)和减数分 - 健壮的荔枝,品种为东刘 号和元红 荔枝花为复总 # - 裂之前均具有两性体原基,只是在减数分裂之后才出 状圆锥花序,由 %朵小花构成 #小穗,由数个小穗构 成 个侧穗,再由多个侧穗着生于花轴上构成花 收稿日期:!""#’"’"S 接收日期:!""#’"S’! # 福建省教委资助项目( )暨福建省” 重点学科生物工程学科” T1SS#U! !## [Z] " 序 -开花时,小穗中间的 #朵小花先开,然后是两侧 项目经费资助 .4FFAGJKH MC J7K VGAO;8D;5I WH4D5J;A85I *AEE;JJKK AL ?4X;58 的小花,由于两侧小花的性别在发育的早期很难辨 ( ) “ ” T1SS#U! 58H B;AK8;8KKG;8 ;8 YKC .4MXKDJ6 AL !## VGAXKDJ AL ?4X;58 万方数据 通讯作者 *AGGK6FA8H;8 54J7AG "" 别,另外荔枝花性分化也受环境温度等条件的影响,应用与环境生物学报 卷 " !"#$ % &’’ $*#+,$ -#, * 而东刘 号和元红第 批花花期相近,因此取样时选 或雌蕊进行测定 ! ! # 择这 个不同开花特性的品种,以保证取样的准确 方法 " !#" 性#东刘 !号的开花特性:第 !批花为雌花,位于小穗 !#"#! 蛋白质氨基酸 的测定 采用盐酸水解法, 的中央(两侧的小花也有一部分发育为雌花);第 "批 用日立 *&+$型氨基酸 自动分析仪测定# 花为雄花,共 批花,花期 左右 元红的开花特 碳氮化合物的测定 样品烘干 粉碎后,用 " !$ % # !#"#" 性:第 批花为雄花,位于小穗的中央;第 批花为雌 岛津 型全自动碳氮分析 仪测定 ! " ,-+*$ # 花(两侧的小花);第 &批花为雄花(两侧的小花)#研 结果与分析 " 究雌蕊发育和雄蕊败育的材料取自东刘 号小穗中 ! 雄蕊在不同发育阶段碳氮化合物的动态变化 "#! 央的小花(第 批雌花);研究雄蕊发育和雌蕊败育的 ! 实验表明,元红品种第 批雄花可育的雄蕊和东 ! 材料取自元红小穗中央的小花(第 !批雄花)#分别取 刘 !号第 !批雌花败育的雄蕊在不同发育阶段其有 二个品种第 !批不同发育时期的花: #减数分裂期 ! 机碳含量没有多大差异(表 ),但氮含量却有较大差 ! 前,花蕾小,花径 ,花萼未破口(用压片法 !#$!#" ’’ 异,败育的雄蕊在减数分裂前含氮量高于可育的雄 判断减数分裂时间); 减数分裂期,花萼微微破口, # " 蕊,因此可育雄蕊的碳氮比值在减数分裂期前高于败 花径 !#"#$ ’’; #花粉或大孢子发生及发育期,花 # 育的雄蕊,可见,减数分裂期前较高的氮含量不利于 蕾继续长大,花萼破裂,雌蕊或雄蕊露出花萼,花径 & 雄蕊的发育 减数分裂后,可育雄蕊与败育雄蕊的氮 # 左右; 花粉或大孢子成熟期,雌雄花完全开放, ’’ # $ 含量比值逐渐增加,至花粉成熟期其含量大于败育雄 花径约 ’’左右#从各期花挑取发育或败育的雄蕊 蕊# ! 表 ! 雄蕊在不同发育时期碳氮化合物的动态变化 ./0 ! .12 %34/’56 61/4728 9: 6/;0945;5%2 9: %5::2;24 %229?’24 ?1/828 9: /4%;9265@’ 发育时期 ( ) ( ) - !B C , !B C -B, D E DBE D E DBE D E DBE A229?’24 ?1/82 F#G *#& !#$& "#*" &#H" $#HG !H# !&#$ !#& ! &# &#! !#$! "#H &# $#*$ !F# !# !#" " F# *#* !#$! "# "#F $#F* "$#" !F#G !#$& # !#G F#* !#$ "#& "#!& !#!$ "!#* "&# $#F& $ D:可育 D2;53;E:败育 E09;594;DBE:可育B败育 D2;53BE09;594(下同 .12 8/’2 029I)# ! 表 雌蕊在不同发育时期碳氮化合物的动态变化 " ./0 " .12 %34/’56 61/4728 9: 6/;0945;5%2 / %5::2;24 %229?’24 ?1/828 9: 7349265@’ 发育时期 -(!B C) ,(!B C) -B, D E DBE D E DBE D E DBE A229?’24 ?1/82 F#& $#! $#F* &#*F "#F! !#& !&#$ !H#" $#HG ! *#F F#H $#F* &#& "#&" !#* !#& "!# $#GH " F#F F#F !#$$ &#!H !#G& !#F !#H &$#G $#! # "#! G#F $#F$ &#$& !#&& "#"* !&#F &#" $#&F $ 雌蕊在不同发育阶段碳氮化合物的动态变化 发现它们的变化趋于一致(表 ),这就提示我们在研 "#" & 由表 "可知,东刘 !号可育的雌蕊和元红败育的 究花性别决定过程时,必须将雌雄蕊器官分开测定, 雌蕊在不同的发育阶段其有机碳含量也没有多大差 才能真正了解性器官发育或退化的生化机制# 异,但可育雌蕊的氮含量一直大于败育的雌蕊,到大 雄蕊发育过程中蛋白质氨基酸的动态变化 "#& 孢子成熟时,两者之间的氮含量相差 倍,可见雌 雄蕊发育过程中蛋白质氨基酸总量的变化动态如 "#"* 蕊在发育过程中需要较高的氮素,即 -B,比值低有 表所示#可育雄蕊在减数分裂期前氨基酸总量仅为 利于雌蕊的发育 如果将东刘 号的整朵雌花(取自 败育雄蕊的一半,该结果与 实验结果一致,即雄蕊 # ! "#! 小穗中央的 朵小花,含有败育的雄蕊)和元红的整 减数分裂期前高含量的氨基酸不利于雄蕊的发育 到 ! # 朵雄花(取自小穗中央的 朵小花,含有败育的雌蕊) 花粉发生与发育期,可育雄蕊氨基酸总量基本保持不 ! 在不同发育时期的碳氮化合物变化进行比较时,就会 变,败育雄蕊的则减少约一半#酸性氨基酸和碱性氨基 万方数据期 肖华山等:荔枝花雄蕊和雌蕊发育过程中碳氮化合物的动态变化 ! # 酸的含量变化与氨基酸总量变化趋于一致,但中性氨 见减数分裂后花粉的形成和发育过程中,可育雄蕊的 基酸中有些氨基酸变化较大,其中脯氨酸、胱氨酸和亮 氨基酸总量虽变化不大,但个别氨基酸含量却发生了 氨酸在可育雄蕊中急剧增加,而蛋氨酸、异亮氨酸和酪 激烈的变化,尤其是脯氨酸急剧增多(为败育雄蕊的 [$!%] 氨酸在可育和败育的雄蕊中同时表现为迅速下降,可 !"#$倍),这与花粉发育密切相关 " ! 表 # 雌雄花在不同发育时期碳氮化合物的动态变化 &’ # &* +,-’./0 0’-1*2 34 0’53-/65/+* ’6 +/44*5*-6 +*7*839.*-6’8 9’2*2 34 .’8* ’-+ 4*.’8* 483:*5 发育时期 ( ) ( ) ! A ! A ;*7*839.*-6’8 9’2*@ ?@@ ?@@ ?@ BC"$ B$"C %"$D E"FD E"$B %"$G !C"B !C"$ %"$G ! BF"$ D!"C %"$D #"%E #"%$ %"$F !C"E !C"G %"$G " B$"E D%"! %"$F #"%% #"%% !"%% !C"# !C"G %"$F # D%"F D!"E %"$$ #"%$ E"FD !"%F !C"B !F"% %"$! $ ?:雌花 ?*.’8* 483:*5;@:雄花 @’8* 483:*5;?@:雌花雄花 ?*.’8* 483:*5@’8* 483:*5" ! H! 表 雄蕊发育过程中氨基酸的动态变化( ) B !.1 1 H! ( ) &’ B &* +,-’./0 0’-1*2 34 ’./-3 ’0/+ /- 6* +*7*839.*-6’8 9530*22 34 ’-+53*0/I. !.1 1 减数分裂期前 花粉发生与发育期 氨基酸 K*435* .*/32/2 L388*- 1*-*5’6/-1 9*5/3+ J./-3 ’0/+J ?JJ ?J M,2 E"CF D"D! %"B$ E"DC #"BB %"GB J51 E"DE G"EC %"#D E"CE #"E$ %"F% 碱性氨基酸 N/2 !"%B E"E# %"BG %"$E !"!F %"GF K’2/0 ’./-3 ’0/+ 小计 C"EB !D"%% %"BE C"!% G"$! %"GG OI636’8 J29 B"CF $"D# %"B$ #"$$ D"BG %"G# 酸性氨基酸 P8I D"C% !#"#% %"BE G"!E F"E% %"FG J0/+/0 ’./-3 ’0/+ 小计 !%"EF EE"F# %"BG !!"!! !#"CG %"F! OI636’8 &5 E"E# B"B% %"D! !"FD E"D$ %"G! O*’ E"CF D"C% %"BF E"B% #"EB %"GB P8, E"BB B"FF %"D% E"%$ E"CC %"G$ J8’ #"%D D"EE %"DF E"E! E"G$ %"G$ ,2 %"CB !"!! %"DF !"EC !"%! !"EC 中性氨基酸 Q’8 E"#B D"!C %"BD E"B% E"D% %"$C A*I65’8 ’./-3 ’0/+ @*6 !"#D E"GF %"B$ %"E$ %"B! %"G! R8* B"$F !%"#! %"BF !"C$ !"$C %"FC M*I %"FD !"FC %"BC #"!$ B"#D %"G# &,5 !"$% #"GC %"D! %"$% !"## %"CF L* E"GC #"CG %"GD E"%C E"C% %"G$ L53 !"FB #"C$ %"D% #"%F E"EE !"#$ 小计 OI636’8 EG"%C DE"BB %"DE E#"BE EF"CC %"FE 总计 &36’8 B#"DF $%"EG %"BF B%"C# B$"EB %"F# E"B 雌蕊发育过程中蛋白质氨基酸的动态变化 倍,即氨基酸含量高时有利于雌蕊的发育,该结果也 由表 D可知,减数分裂前可育和败育的雌蕊蛋白 与E"E实验结果一致"对减数分裂期前不同种类氨基 质氨基酸总量的变化差异不大,但到大孢子发生与发 酸含量进行分析发现:可育雌蕊的 种碱性氨基酸含 # 育期时,可育雌蕊的氨基酸总量为不育雌蕊的 量比败育的雌蕊高 倍左右,可见较高碱性氨基 !"CF !"#C 万方数据应用与环境生物学报 卷 % !"#$ % &’’ $*#+,$ -#, " 酸比值有利于雌蕊发育 除了丙氨酸、甘氨酸、苏氨酸 发育有促进作用 减数分裂后,可育的雌蕊亮氨酸含 ! ! 和亮氨酸,其余 种中性氨基酸含量也有相似的变化 量迅速增高,而蛋氨酸、异亮氨酸和酪氨酸含量在可 " 趋势,约为败育雌蕊的 #!$#!%倍!这些结果说明较高 育和败育的雌蕊中也 迅速下降,这 %种氨基酸增多或 含量的碱性氨基酸和中性氨基酸对大孢子的发生和 减少的趋势与雄蕊发育 过程中十分相似! *# 表 & 雌蕊发育过程中氨基酸的动态变化(!’ ) *# ( ) +,- & +./ 012,34 4.,2/5 67 ,326 ,430 32 8./ 0/9/:6;/28,: ;64/55 67 126/43 0/9/:6;/28 !’ 减数分裂期前 大孢子发生与发育期 氨基酸 ?/76/ /36535 A/,5;6/ /2/,832 ;/326 ,430 @ @’ @ @’ B15 C!#D %!&D #!EC &!"C E!E% #!F& F!G% &!FD #!EG &!#D $!GG #!F# 碱性氨基酸 H35 $!$" #!F" #!$" $!$% #!#F #!G# ?,534 ,326 ,430 小计 #C!E$ ##!G" #!EC #E!$D F!&D #!FC I-868,: 5; #D!$# G!%E #!D" "!&G %!GF #!FE J: #E!%E #$!&E #!DF #$!&" C!GF #!"D 酸性氨基酸 小计 $E!C% $#!GC #!D" $#!#F ##!G% #!FF 43034 ,326 ,430 I-868,: +. %!FG %!%% #!D" %!$E $!%# #!FC I/, &!F" %!"D #!$D &!$% $!GG #!F& J:1 &!&" &!$# #!DF %!&D E!D# #!&D :, &!"D C!D" D!G& %!GG $!FC #!"# L15 #!#C D!"$ #!%# #!E# #!$% #!DC 中性氨基酸 M,: &!$# E!CG #!%# %!D# $!&# #!CD K/8,: ,326 ,430 A/8 $!"" $!## #!EC D!&" D!FF D!F& N:/ ##!#" "!$% #!EC E!#C #!G% #!CE B/ #!&D #!%E #!D& F!$% E!G" #!"$ +1 E!G% $!G& #!E% $!C# #!%C #!FG O./ E!%E E!D" #!## %!D" $!"D #!%C O6 %!$G E!## #!E" E!"C $!&D #!&% 小计 I-868,: &&!&% %&!GC #!$# %&!"# $"!EF #!C# 总计 +68,: G&!&D GD!$F #!DC "D!#" %F!"# #!C" 蛋白质氨基酸含量的变化,可能与体内形成某 E 小结与讨论 些特异功能的蛋白质或酶类有关,从而使形成的蛋 E!# L’K与荔枝花性分化的关系 [ ] #$ 白质或酶的性质或种类也发生相应的变化 ,起到 对荔枝雌雄蕊不同发育时期 分析表明, L’K L’ 调节荔枝花性分化的方向 ! 较大时有利于雄蕊的发育,而雌蕊的发育则相反 K ! 从发育的雄蕊和发育的雌蕊氨基酸总量比较中 已知土壤条件对荔枝花性分化有较大影响,戴良昭 可以发现雄蕊的氨基酸含量比雌蕊的低,相差 #倍左 等对 生兰竹荔枝施氮肥结果表明,在株施尿素 $$ , 右,因此可以认为蛋白质氨基酸积累多,有利于雌花发 D!$&D!"D P范围内,雌花比例随施氮量增加而升 育,反之则有利于雄花的发育 在发育的雄蕊中,脯氨 [##] ! 高 因此生产上应注意土壤管理,氮肥多、水分充 ! 酸含量急速增加,脯氨酸在花粉的生理活动中起着重 足的土壤将促进雌花的分化,从而提高雌花的百分 要作用,它为花粉的萌发和花粉管的伸长提供能量、还 数 ! 原力和碳骨架,保证了花粉的可育性无论是雄蕊还是 ! 万方数据 E!$ 蛋白质氨基酸与花性表现