威廉斯香蕉矮化突变体矮化原因初探

陈晶晶等

摘 要 在对威廉斯香蕉矮化突变体8188-1（Musa spp. AAA group）形态特征观测的基础上，测定突变体8818-1及其野生型8818各器官GAs（包括总GA、GA1、GA3、GA4）、IAA、BR（brassinosteroid，油菜素内酯）、ABA、细胞分裂素异戊烯基腺嘌呤含量，再用不同浓度的IAA、GA3、24-表油菜素内酯（24-Epibrassinolide，24-eBL）对植株进行外源喷施处理，探讨植物激素调控对其矮化形成的影响。结果显示：除叶片外，8818-1各器官的总GA和IAA含量均低于8818，而两者间BR、ABA、CTK的含量无明显差异；8818-1幼假茎中的GA1和GA3含量均低于8818，差异显著；外源的GA3、IAA均能使8818-1株高恢复到野生型水平，GA3作用最明显，而外源24-eBL无法恢复其株高。推测8818-1矮化的可能与植株的GA和IAA含量降低有关，其中与活性赤霉素含量降低关系最为密切。

关键词 香蕉；矮化突变体；植物激素；赤霉素；生长素；油菜素内酯

中图分类号 S668.1 文献标识码 A

Abstract Based on investigating the botanical morphology of a dwarf banana mutant‘8818-1， the contents of GA（including total GA， GA1， GA3 and GA4）， IAA， BR， ABA and CTK in different organs of wild type（8818）and its mutant（8818-1）were compared， and the effects of exogenous IAA， GA3 and 24-eBL（24-epibrassinolide）in 8818-1 plant were examined. The study was carried out to explore the roles of phytohormone on dwarfing mechanism in banana. The results showed that the contents of total GA and IAA in all organs of 8818-1 except leaves were lower than in 8818. The contents of BR， ABA and CTK between 8818 and 8818-1 showed no obvious difference. GA1 and GA3 contents in young false stem of 8818-1 were lower than in 8818， which was of significant difference； The height of mutant 8818-1 could be increased to the level of the wild type with exogenous GA3 and IAA treatments， GA3 was much effective than IAA， while 24-eBL displayed no obvious effect in recovering the growth. The results suggested that dwarfism of Williams mutant 8818-1 might be due to reduced contents of gibberellins and IAA， especially active GAs.

Key words Banana； Dwarf mutant； Phytohormone； Gibberillin； Auxin； Brassinosteroids

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.11.008

台风灾害是香蕉栽培过程中经常遇到的问题，当风速达25 km/h以上即能将香蕉叶片撕烂折断、整株吹倒，乃至摧毁蕉园。培育矮化的香蕉品种是降低台风灾害损失的重要手段，矮化的香蕉品种植株矮壮，除能在一定程度上抵御台风损害，还具有栽培方便、便于管理、可适当密植等优点。本课题组在2008年通过EMS诱变威廉斯香蕉8818品种后获得一个矮化的突变体株系，命名为‘8818-1，经过几年的田间种植发现该突变体植株健壮，假茎短，矮化性状稳定，且对枯萎病的抗性优于其野生型[1]。威廉斯8818假茎高约2.5 m、周长约49 cm，属中秆型香牙蕉；威廉斯8818-1假茎高约1.59 m、周长约53 cm，属矮秆型香牙蕉，平均高度比亲本8818矮98 cm，明显矮化。株高是作物重要的农艺性状之一，直接影响作物品种的抗倒性能和丰产潜力，因此育种工作者十分重视株高基因的研究和利用，植物株高性状既受内部基因控制，还受各种激素和外部环境因素的影响[2]。有研究发现，多数矮化突变体都是由激素合成途径或者应答调节发生突变使植物茎的生长发育发生改变造成的，许多植物矮化突变与植物赤霉素和油菜素类固醇有关，少数植物矮化突变与生长素有关[3]。通过分析植物激素合成和信号突变体并通过外源激素喷施处理，发现赤霉素和油菜素类固醇沿着纵轴调节植物细胞及器官的扩张，极大地影响植物的高度和器官的大小[4]，是引起植物矮化的主要激素。植物激素引起的矮化可分为两类：缺陷型和不敏感型。激素缺陷型矮化突变体是活性激素的生物合成途径被抑制或阻断，使得植物体内源活性激素缺乏或痕量存在，通过外施相应的活性激素后可恢复野生型表型。激素不敏感型矮化突变体，可能是激素的信号吸收、传递、代谢调控基因或下游相应基因出现障碍，在外施相应的活性激素后不能恢复野生型表型[3，5]，因为不同植物激素间也存在着相互作用，因此有些突变体有时也很难归类。前人对模式植物拟南芥和水稻等的矮化机制研究较为深入，认为主要是通过植物激素的作用调控了植株的矮化[2]，但对单子叶植物香蕉的矮化原因及机制研究甚少。本文从引起植物矮化的主要植物激素入手，通过比对突变体与野生型植株内源激素含量和外源植物激素喷施处理，探讨香蕉矮化突变体矮化的可能原因，为香蕉矮化机制的阐明和矮化品种的筛选奠定良好的基础。

1 材料与方法

1.1 植物材料

威廉斯香蕉8818及其突变体8818-1由本研究室提供，成年植株种植在中国热带农业科学院南亚热带作物研究所香蕉种质资源圃，香蕉植株行距为2 m×2.5 m。实验以成年8818和8818-1植株和两者的第3代组培苗为试材。

1.2 方法

1.2.1 内源植物激素含量测定 选取长至12片叶的幼苗测定幼根、幼假茎、幼叶，以及断蕾后100 d的香蕉果实、叶片、假茎中的植物激素含量。分别称取8818和8818-1的各组织1 g，激素的提取、纯化按照邓代信等[6]的方法进行，购买美国Rapidbio（RB）公司进口分装酶联免疫试剂盒，按照说明书方法测定生长素吲哚乙酸（indoleacetic acid，IAA），总赤霉素（gibberillin，GA），植物油菜素内酯（BR）、细胞分裂素异戊烯基腺嘌呤（isopentenyladenine），脱落酸（abscisic acid，ABA），活性赤霉素GA1、GA4、GA3。每种组织各取3份样品，每个样品重复测定3次取平均值。总活性赤霉素含量是由GA1、GA4、GA3相加计算得来。

1.2.2 外源植物激素喷施处理 外源植物激素处理选取长至7～8片叶的组培苗进行。选取引起8818-1矮化可能性最大的3种植物激素（赤霉素，生长素，油菜素内酯）各自常用的外部喷施的3种形式GA3、IAA、24-eBL，通过设置不同浓度梯度对8818-1进行喷施处理，对威廉斯香蕉8818及其矮化突变体8818-1进行喷施处理，而对8818-1只喷施3种激素的最适浓度。每种植物激素设置浓度梯度，分别为IAA（0、50、100、200 mg/L），GA3（0、50、100、200 mg/L），24-eBL（0、0.1、1、10 mg/L）。每个浓度处理8818和突变体8818-1各10～15盆，每隔5 d喷施1次，共喷施6次，30 d后分别测量各处理的植株高度。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS19.0统计分析软件进行作图和数据分析，表1用多重比较中的Duncan新复极差测验法（SSR）进行差异显著性检验，其余数据用SPSS均值比较中的独立样本t检验进行分析。

2 结果与分析

2.1 威廉斯8188及其矮化突变体8818-1不同发育时期各器官总GA含量比较

威廉斯8818及其突变体8818-1 不同发育时期各器官总赤霉素含量比较见图1。由图1可以看出，8818-1在不同发育时期，除了叶片，大部分器官中的总GA含量均低于8818的水平，其中8818成年植株假茎中总GA含量是突变体8818-1中含量的2.13倍，在p≤0.05水平上达差异显著；香蕉苗幼假茎中的总GA含量是8818-1中的2.45倍，差异显著；果实总GA含量是8818-1中2.45倍，在幼根中是1.39倍，均达到了显著差异水平；在成年植株叶片和幼叶中8818-1中总GA含量高于8818，其中成熟叶片中差异显著，而在幼叶中差异不显著。假茎与植株高度密切相关，在8818-1中，无论在成年期还是幼苗期，假茎中的总GA含量均显著低于8818，推测8818-1株高明显矮于8818，可能是赤霉素的含量下降引起的。

2.2 威廉斯8188及其矮化突变体8818-1不同发育时期各器官IAA含量比较

威廉斯8818及其突变体8818-1不同发育时期各器官生长素含量比较见图2。从图2可知，除叶片外，8818-1大部分组织器官中的IAA含量均不同程度低于8818的水平。其中8818-1在假茎、幼假茎、果实和幼根中的IAA含量分别比8818-1低了16.65%、11.59%、16.78%、19.65%，其中只在幼根中达差异显著水平；而在成年叶片和幼叶中8818-1 IAA含量分别比8818高了22.53%、60.79%，在成年叶片中差异达到了显著水平。由于8818-1大部分器官中IAA含量低于8818-1，显示8818-1的矮化也可能和IAA含量下降有关。

2.3 威廉斯8188及其矮化突变体8818-1不同发育时期各器官BR含量比较

8818-1和8818各器官中的BR含量的差异较GA和IAA小（图3），8818-1假茎，幼假茎、幼叶中的BR含量不同程度的低于8818，分别比8818低了16.62%、6.89%、10.39%，在假茎中达差异显著水平；而果实、幼根中分别比8818高了48.25%、25.67%，差异达到显著水平（p≤0.05）；成熟叶片两者间含量几乎没有差异。由于两者器官之间BR含量的差异无明显的规律，8818-1的矮化是否是由于BR含量的下降引起的，还需要进一步验证。

2.4 威廉斯8188及其矮化突变体8818-1不同发育时期各器官ABA含量比较

威廉斯8188及其矮化突变体8818-1 不同发育时期各器官ABA含量比较见图4。从图4可知，在成年期和幼年期的叶片中，两者ABA含量均无显著差异。8818-1在成年期果实和假茎中ABA含量分别比8818高12.88%、65.77%，差异显著（p≤0.05），而在幼年期假茎和根中ABA含量分别比8818低7.29%、37.51%，差异显著（p≤0.05），两者间ABA含量差异无明显规律。

2.5 威廉斯8188及其矮化突变体8818-1 不同发育时期各器官CTK含量比较

威廉斯8188及其矮化突变体8818-1 不同发育时期各器官CTK含量比较见图5。从图5可知，8818和8818-1的成熟叶片、假茎、果实中的CTK含量几乎没有差异。两者只在幼根、幼茎、幼叶中两者间存在差异，其中在8818-1幼根、幼茎中的CTK含量显著高于8818，而在幼叶中8818-1的CTK含量显著低于8818。图中显示在植株的幼年时期CTK含量普遍高于成年时期，说明幼年期需要较多的细胞分裂素满足生长发育的要求。

2.6 威廉斯8188及其矮化突变体8818-1活性赤霉素含量比较

根据2.1结果，8818和8818-1在发育过程中大部分器官的总GA含量存在差异，为了弄清两者间活性赤霉素是否存在差异，进一步分析了8818和8818-1苗期根、假茎、叶片中的活性赤霉素GA1、GA3、GA4的含量。从图6可知，在威廉斯香蕉8818和8818-1中，主要的活性赤霉素是GA1，其含量远远大于GA3和GA4的含量，如在叶片中GA1在8818和8818-1中的含量均超过3 pmol/（g·FW），而GA3和GA4只有0.4～0.8 pmol/（g·FW），说明GA1是两者体内主要的活性赤霉素形式。8818-1的根、假茎和叶片中，GA1的含量均不同程度的低于8818，且差异显著；对于GA3和GA4，两者在8818-1假茎中的含量均低于8818，GA3含量差异显著，GA4含量差异不显著，在叶片中的含量均高于8818，差异显著，在根中GA3含量低于8818，差异不显著，而GA4含量高于8818，差异显著；总的活性赤霉素含量在8818-1的各器官中均低于8818-1，但差异不显著。说明在8818和8818-1各器官中不同类型的活性赤霉素含量不尽相同，推测活性赤霉素之间以及与非活性赤霉素之间可能处于动态平衡中，从而使得赤霉素在不同器官及不同发育时期发挥其调控作用。由于GA1和GA3在两者假茎中含量差异显著，而GA4差异不显著，所以引起矮化的主要活性赤霉素形式是GA1和GA3的可能性较大，是GA4的可能性较小。

2.7 喷施外源植物激素对8188-1植株高度的影响

喷施外源植物激素对8188-1植株高度的影响见表1和图7。可以看出，50、100和200 mg/L的GA3浓度，均能使8818-1的株高显著增加。经过多次喷施后，植株高度比野生型8818分别高出18.21%、25.95%、47.89%，3种浓度均能使8818-1超越野生型高度，其中200 mg/L浓度的GA3对株高恢复最为显著，说明外源补充赤霉素能使8818-1株高恢复。喷施50、100和200 mg/L的IAA后，分别比喷水对照8818-1增高了10.5%、21.57%、36.06%，但喷施浓度为50、100 mg/L的IAA没有使8818-1恢复到野生型8818的高度，喷施200 mg/L的IAA使得8818-1株高比8818增加了8.85%，能使8818-1恢复到野生型水平（表1、图8）。喷施0.1、1和10 mg/L的24-eBL后，其中0.1 mg/L的24-eBL对8818-1株高恢复基本没作用，1 mg/L和10 mg/L的24-eBR分别比喷水对照8818-1增高了15.85%、9.16%，但喷施3种浓度的24-eBL均没有使8818-1恢复到野生型8818的高度。

3 讨论与结论

正常生长条件下，威廉斯8818植株高约2.5 m，而矮化突变体8818-1仅1.59 m左右，呈现明显矮化的表型，且较为粗壮，这在抵抗台风损害方面具有优势，也便于田间管理。经观察统计，从定植到收获，8818-1所用时间较8818短，这是由于矮化突变体假茎伸长缓慢，假茎短。因此从表型上分析，参与茎杆生长发育的激素，在香蕉矮化突变体8818-1株高调控中发挥作用的可能性较大。虽然8818-1果指变短，产量也低于8818，但其矮化性状在指导香蕉育种和生产上具有积极的意义，作为育种资源探究其矮化的原因对于培育矮化的香蕉品种具有重要的理论指导意义。

通过分析发现8818和8818-1不同发育时期的器官当中，ABA、CTK与8818-1的矮化关系不是很大，其中在8818-1中赤霉素、生长素和油菜素内酯在假茎，幼假茎中的含量均不同程度的低于8818，因此推测8818-1的矮化与GA、IAA、BR的关系较大，这也和大多数的研究相一致[2-5]。由于矮化突变体8818-1在连续喷施不同浓度的GA3和IAA处理下，株高均有不同程度的恢复，说明该突变体对GA3、IAA敏感，且连续外施GA3，IAA可以恢复该矮化突变体的株高，突变体株高显著增加，恢复到甚至超过野生型植株的株高水平，并未发现突变体的节间数目有所增加，表明GA3和IAA处理主要是通过增加节间长度增加来恢复突变株株高。赤霉素在低浓度下，通过促进细胞生长和分裂而促进叶鞘和茎秆的伸长，使植株明显增高，但节间数不改变，节间长度的增加是由于细胞伸长和细胞分裂的结果[7]。而对于油菜素内酯，通过外源喷施和内源测定的结果来看，8818-1属于BR类型的突变体的可能性较小。

赤霉素家族中的大部分成员都是无活性的前体物或者代谢物，只有少数赤霉素存在生物活性，例如GA1、GA3、GA4[8]。结果发现，威廉斯香蕉8818和8818-1中占主导地位的活性赤霉素是GA1，GA1和GA3在假茎中差异显著，外源喷施GA3也能使其株高恢复甚至超过野生型，因为活性赤霉素之间在植物体内可以相互转换，虽无法最终确定GA1和GA3哪个是最主要激素，但可以说明8818-1的矮化可能由于活性赤霉素含量降低引起的，至于活性赤霉素含量下降是由于关键酶基因发生变异或者转录水平发生变化造成的还需要进一步研究。当GA生物合成途径或信号传导途径发生阻塞之后，植物就会发生矮化，其矮化的程度取决于受阻步骤在途径中的先后位置，如受阻部位发生在合成途径较早的位点，如早期合成酶基因CPS、KO、KS上，得到的植株是极其矮化的类型，并可能不育，像CPS基因发生突变的拟南芥突变体ga1[9]；若受阻部位发生在合成途径较晚的步骤上时，则会得到半矮化的植株，如GA20ox基因发生突变的拟南芥ga5突变体[10-11]，GA3ox基因发生突变的ga4[11]。根据表型分析发现，8818-1相对于8818，并不是属于极其矮化的类型，而是属于半矮化型的矮化突变体，因此受阻部位发生在合成途径较晚的步骤上的可能性较大。通过测定发现GA1是8818和8818-1中含量最高的活性激素，并且不同器官中GA1、GA3、GA4的含量并不一致，说明植株有可能通过体内平衡机制调控不同组织器官形成不同类型的活性GA，适应植物的生长需求，至于8818-1中活性赤霉素含量下降是否是由于GA20ox或GA3ox表达量发生变化或突变引起，还需要进一步研究。

有研究发现，植物激素间存在着广泛的相互协同和拮抗关系[12-15]，这使得植物激素对植物生长发育的调控较为复杂。植物激素间的相互调控主要包括：通过调控激素合成相关基因表达相互作用；通过调节激素的运输相互作用；植物激素间可以共享信号通路元件[16-18]。研究发现，生长素和赤霉素间存在广泛的相互联系，如生长素可能通过上调GA代谢基因或生长素信号直接调控GA合成基因表达，影响GA的合成，而这种调控可能具有组织特异性[19-20]。在本研究结果显示体外喷施GA3和IAA均能使8818-1恢复到亲本的高度，并且8818-1内源IAA和活性赤霉素含量在大部分器官中均低于8818，说明这2种激素在矮化突变体中的平衡被打破，8818-1的矮化也有可能与生长素含量降低有一定关系，对于引起这种结果是2种激素独立的叠加效应还是共同作用的结果，及赤霉素和生长素在8818-1的矮化中是如何发挥作用的及两者间可能存在的相互作用还需要进一步研究。

综上所述，威廉斯矮化突变体8188-1属于矮秆型香牙蕉，赤霉素和生长素在8818-1各器官的含量除叶片外均低于8818，其中在8818-1假茎中总GA，GA1和GA3显著低于8818，通过外源补充赤霉素和生长素也发现，8818-1能恢复到野生型8818的株高水平，因此8818-1矮化与赤霉素或IAA 含量降低有关，其中与赤霉素含量降低关系最为密切。

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