黄瓜种子胎萌生理特性及相关基因表达分析

南方农业学报JournalofSouthernAgriculture2024，51（09）：2090-2096·2090·南方农业学报ISSN2095-1191；CODENNNXAABhttp://www.nfnyxb.com51卷DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2024.09.005黄瓜种子胎萌生理特性及相关基因表达分析

莫雨杏1，王

磊1，周

祎1，孙倩楠1，贺为毅1，陈惠明2，萧浪涛1，王若仲1*

（1湖南农业大学植物激素与生长发育湖南省重点实验室，长沙410128；2湖南省农业科学院湖南省蔬菜研究所，长沙410125）

摘要：【目的】探明黄瓜种子胎萌发生的生理生化特性及相关基因的表达模式，为揭示双子叶蔬菜类作物的胎萌发生机制提供理论依据。【方法】以黄瓜高代自交系Cs10A（易胎萌）和M-1（不胎萌）为试验材料，分别在授粉后30、35、40、45和50d进行取样，统计黄瓜种子胎萌率，测定并分析种子中可溶性糖、脂肪酸、主要植物激素［脱落酸（ABA）和赤霉素（GA3）］含量及胎萌相关基因的表达模式。【结果】Cs10A种子在授粉后40d发生胎萌，胎萌率为4.2%；在授粉后45和50dCs10A种子胎萌率极显著高于M-1（P<0.01，下同），分别为28.4%和71.1%。M-1授粉后30~50d均未出现胎萌现象。授粉后30~50d，Cs10A种子内可溶性糖含量呈先增加后降低的变化趋势，尤其在授粉后35~45d显著（P<0.05，下同）或极显著高于M-1种子，而M-1种子可溶性糖含量呈增加─降低─增加的变化趋势。授粉后30~50d，Cs10A种子脂肪酸含量呈先降低后增加的变化趋势，而M-1种子脂肪酸含量变化不明显，仅后期稍有增加，且在授粉后40d时二者的脂肪酸含量非常接近，其他时间均存在极显著差异。授粉后50d，Cs10A种子和囊衣中的ABA含量均极显著低于M-1；Cs10A种子和囊衣中的GA3含量均低于M-1，其中Cs10A囊衣中的GA3含量极显著低于M-1，但其种子中的GA3含量与M-1无显著差异（P>0.05）；Cs10A种子中的GA3含量高于囊衣。Cs10A种子中ABA/GA3比值低于M-1种子。授粉后30~50d，Cs10A种子中CsVp1、CsVp5和CsVp10基因的表达量均极显著低于M-1，其中，对于CsVp1和CsVp5基因表达模式而言，Cs10A与M-1恰好相反，但CsVp10基因在二者中的表达模式相同。【结论】种子发育成熟至发生胎萌前，种子中可溶性糖含量较高、ABA含量和ABA/GA3比值较低易导致种子发生胎萌，且种子中脂肪酸可转化成可溶性糖为种子胎萌的发生提供能源物质；囊衣中高含量ABA可有效抑制黄瓜种子胎萌的发生。此外，易胎萌黄瓜品种通过抑制与ABA合成及其敏感性相关的胎萌基因表达，从而降低ABA含量及对ABA的敏感性，最终导致胎萌发生。

关键词：黄瓜；种子胎萌；可溶性糖；脂肪酸；ABA；生理特性；胎萌相关基因中图分类号：S642.203.8

文献标志码：A

文章编号：2095-1191（2024）09-2090-07

Physiologicalcharacteristicsandrelatedgeneexpressionof

viviparyincucumberseeds

MOYu-xing1，WANGLei1，ZHOUYi1，SUNQian-nan1，HEWei-yi1，

CHENHui-ming2，XIAOLang-tao1，WANGRuo-zhong1*

（1HunanProvincialKeyLaboratoryofPhytohormonesandGrowthDevelopment，HunanAgriculturalUniversity，

2

Changsha410128，China；HunanVegetableResearchInstitute，HunanAcademyofAgriculturalSciences，

Changsha410125，China）Abstract：【Objective】Thispaperfoundoutthephysiologicalandbiochemicalcharacteristicsandrelatedgeneexpres-sionpatternsofviviparyincucumber（CucumissativusL.），withaviewtoprovidereferenceforrevealingthemechanism

oftheoccurrenceofviviparyofdicotyledonousvegetablecrops.【Method】TakingcucumberhighgenerationinbredlinesCs10A（easyvivipary）andM-1（uneasyvivipary）asmaterials，samplesweretakenat30，35，40，45and50dafterpollina-tion，andtheviviparousgerminationrateofcucumberseedswascounted.Thispapercomparedandanalyzedthecontentofsolublesugar，fattyacid，mainplanthormones［abscisicacid（ABA）andgibberellin（GA3）］andrelatedgeneexpres-sionsofcucumberafterdifferentpollinationdays.【Result】ViviparyofCs10Aseedsoccurredaround40dafterpollina-tion，withaviviparousgerminationrateof4.2%.TheviviparousgerminationratesofCs10AseedswereextremelyhigherthanthoseofM-1seedsat45and50dafterpollination（P<0.01，thesamebelow），whichwere28.4%and71.1%，respec-收稿日期：2024-05-05基金项目：国家自然科学基金项目（31871714，31671777）；湖南省教育厅科学研究重点项目（19A221）；长沙市科技计划项目

（kq1907041）

作者简介：*为通讯作者，王若仲（1971-），教授，主要从事植物生理学研究工作，E-mail：wangruozhong@hunau.edu.cn。莫雨杏

（1993-），研究方向为植物激素与生长发育，E-mail：1483631781@qq.com

9期莫雨杏等：黄瓜种子胎萌生理特性及相关基因表达分析

·2091·tively.M-1hadnoviviparyphenomenonat30and50dafterpollination.ThesolublesugarscontentofCs10Aseedsgenera-llyshowedatrendofrisingfirstandthendecreasingin30-50dafterpollination.ThesolublesugarsofCs10Aseedsin35-45dafterpollinationweresignificantly（P<0.05，thesamebelow）orextremelyhigherthanseedsofM-1.ThesolublesugarcontentinM-1seedsshowedanincreasing-decreasing-increasingtrend.ThefattyacidcontentofCs10Aseedsshowedatrendoffallingfirstandthenrisingin30-50dafterpollination，whileM-1didnotchangemuchinthewholepro-cess，andshowedaslowupwardtrendinthelaterperiod.At40dafterpollination，thefattyacidcontentofseedsinbothspecieswereveryclose，andtherewereextremelysignificantdifferencesatothertimes.At50dafterpollination，thecon-tentofABAofseedsandcapsulesinCs10AwereextremelylowerthanM-1.TheGA3contentinseedsandcapsulesofCs10AwerelowerthanM-1，andtheGA3contentincapsulesofCs10AwasextremelylowerthanM-1，buttheGA3con-tentinitsseedswasnotsignificantlydifferentfromM-1（P>0.05）.TheGA3contentinseedsofCs10Awashigherthanthatinthecapsule.TheratioofABA/GA3inseedsofCs10AwaslowerthanM-1.Theexpressionlevelsofthevivipary-relatedgenesCsVp1，CsVp5andCsVp10ofseedsinCs10AwereextremelylowerthanthoseinM-1in30-50dafterpolli-nation.Amongthem，thegeneexpressionpatternsofCsVp1andCsVp5inCs10AandM-1wereexactlytheopposite，butthegeneexpressionpatternsofCsVp10inbothwerethesame.【Conclusion】Thisstudyshowsthatthehighercontentofsolublesugar，lowercontentofABAandlowerABA/GA3valueinseedsduringseedmatureandbeforeviviparyarecloselyrelatedtotheoccurrenceofseedvivipary.Andthefattyacidsinseedscanbeconvertedintosolublesugarstoprovideenergyfortheoccurrenceofvivipary.ThehighcontentofABAinthecapsulecaneffectivelysuppresstheoccurrenceofvivipary.Moreover，thecucumberwitheasyviviparycanreducethecontentandsensitivityofABAbyinhibitingtheexpressionofviviparousgerminationgenesrelatedtothesynthesisandsensitivityofABA，whichleadstotheoccurrenceofviviparyeventually.

Keywords：cucumber；seedvivipary；solublesugars；fattyacids；ABA；physiologicalcharacteristics；viviparyre-latedgene

Foundationitem：NationalNaturalScienceFoundationofChina（31871714，31671777）；KeyScientificResearchProjectofHunanProvincialDepartmentofEducation（19A221）；ChangshaScienceandTechnologyPlanningProject（kq1907041）

0引言

【研究意义】黄瓜（CucumissativusL.）为葫芦科一年生蔓生或攀援草本植物，其优质种子是高效生产栽培的重要保证。但在黄瓜制种过程中，种子发育成熟后不经脱水干燥直接在母体植株上萌发（采前发芽或胎萌）而导致制种产量及质量降低，极大影响黄瓜优质品种的推广（曹明明等，2016）。因此，研究影响黄瓜胎萌发生的生理生化特性及相关基因的表达变化，对揭示双子叶蔬菜类作物胎萌的发生机制具有重要意义。【前人研究进展】禾本科谷类作物如玉米（ZeamaysL.）（Malufetal.，1997）、小麦（TriticumaestivumL.）（杨燕等，2007）和水稻（Ory-zasativaL.）（高永峰等，2010）等存在采前发芽现象，又称为穗萌；葫芦科、茄科等瓜果类作物如黄瓜（曹明明等，2016）、番茄（Solanumlycopersicum）（王旭，2016）和甜瓜（C.meloL.）（刘文君等，2017）等则存在胎萌现象。高温、高湿及化学物质是导致胎萌或穗萌发生的主要因素，发生期间遗传物质和植物激素发挥着重要作用（张会杰等，2024）。大量研究表明，大部分作物胎萌或穗萌突变体均与脱落酸（ABA）敏感性或生物合成有关（FangandChu，2008），如玉米Viviparous（Vp）基因的突变体vp1（Mccartyetal.，1991）、vp14（Schwartzetal.，1997b）、vp5（Hable

etal.，1998）、vp7（Singhetal.，2003）、vp10/vp13（Porchetal.，2006）和vp15（Suzukietal.，2006），拟南芥（Arabidopsisthaliana）的aba1、aba2和aba3突变体（Schwartzetal.，1997a），水稻的phs1~phs4突变体（Fangetal.，2008；FangandChu，2008）。胎萌现象在黄瓜制种过程中普遍存在，且不同品种的胎萌性状差异明显，如授粉后34d，品种S6腔内种子发生胎萌，但品种P1未出现胎萌；授粉45d后，品种S6胎萌率仅为30%，而品种P1胎萌率高达80%以上（庞金安等，2002；曹明明等，2016）。经研究证实，黄瓜胎萌发生受环境因素影响较小，主要受遗传基因的影响，且其遗传模式符合D-1模型（庞金安等，2002；曹明明等，2024）。【本研究切入点】目前，关于黄瓜胎萌发生机制的相关研究主要是简单分析影响黄瓜胎萌发生的因素及其遗传模式，而针对胎萌生理生化特性、分子机制等方面研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】以易胎萌黄瓜品种Cs10A和不胎萌品种M-1为研究对象，比较种子中可溶性糖和脂肪酸含量的动态变化及种子和囊衣（包裹种子的胶原物质）中ABA、赤霉素（GA）等主要植物激素水平，并结合同源胎萌相关基因Vp1、Vp5和Vp10的差异表达分析，揭示黄瓜胎萌发生的生理生化及分子机制，为深入探究双子叶蔬菜类作物的胎萌发生机制提供理论依据。

·2092·南方农业学报51卷1材料与方法

1.1

试验材料

供试黄瓜品种包括高代自交系Cs10A（易胎萌）和M-1（不胎萌），由湖南省蔬菜研究所陈惠明老师惠赠提供。主要试剂：正己烷和甲醇均为高效液相色谱（HPLC）级，购自德国默克公司；DNAMarker、2×EasyTaq?PCRSuperMix、TransZolUpPlusRNA试剂盒和反转录试剂盒购自北京全式金生物技术有限公司；2×SYBRGreenqPCRMasterMix试剂盒购自南京诺唯赞生物科技有限公司；其他生化试剂均购自生工生物工程（上海）股份有限公司。主要设备仪器：G6400系列超高效液相色谱串联三重四极杆质谱仪（Agilent，美国）、GCMS-TQ8040气相色谱质谱联用仪（Shimadzu，日本）、凝胶成像系统（Protein-Simple，美国）、CFX96/CFXConnect/384定量PCR仪Bio-Rad，美国）和多功能酶标仪（Tecan，瑞士）。1.2试验方法

1.2.1种植及样品采集黄瓜种植于湖南农业大学温室大棚，按常规栽培进行田间管理。每个品种均在授粉后第30d开始取样，每隔5d采集9个大小一致的种瓜，共5次。每次采集的样品随机分成3份，将种子和囊衣用液氮处理后，-80℃保存备用。1.2.2胎萌率测定待种子成熟后（约开花授粉后30d）连续进行剖瓜观察，每隔5d统计1次胎萌率，计算公式：

胎萌率（%）=胎萌种子数/种子总数×100

1.2.3可溶性糖和脂肪酸含量测定取开花授粉后30、35、40、45和50d的种子，每组重复3次，其可溶性糖含量通过蒽酮比色法进行测定；采用植物激素与生长发育湖南省重点实验室建立的气相色谱法检测脂肪酸含量：将研磨的种子用浸提液（甲醇∶浓硫酸=95∶1，v/v）进行63℃过夜处理，加入正己烷溶液，充分摇匀，离心后取上清液备用，利用GCMS-TQ8040气相色谱质谱联用仪进行测定，进样量为1μL，分流进样，进样口温度为240℃。

1.2.4ABA和GA3含量测定采用植物激素与生长发育湖南省重点实验室建立的液相色谱—质谱联用法（LC-MS/MS）测定ABA和GA3含量：取开花授粉后50d的种子和囊衣，每组重复3次，加入液氮迅速研磨至粉末状，用80%甲醇于4℃下浸提过夜，重复浸提1次后合并上清液，真空浓缩干燥后备用，利用G6400系列超高效液相色谱串联三重四极杆质谱仪进行测定，流动相成分为甲酸和乙腈溶液，进样量为10μL，柱温40℃，走样时间26min。1.2.5实时荧光定量PCR从NCBI数据库下载玉

米胎萌基因Vp1、Vp5和Vp10序列，并进行同源搜索，最终获得黄瓜同源基因CsVp1（LOC101214226）、CsVp5（LOC101210522）和CsVp10（LOC101214811），利用Primer5.0设计实时荧光定量PCR扩增引物，如表1所示。取开花授粉后30、35、40、45和50d的种子，利用RNA提取试剂盒提取其总RNA。经多功能酶标仪检测RNA浓度后，使用反转录试剂盒反转录合成cDNA，以其为模板，采用实时荧光定量PCR检测CsVp1、CsVp5和CsVp10基因的表达情况，以黄瓜Actin为内参基因（AB010922.1）。反应体系10.0μL：2×ChamQUniversalSYBRqPCRMasterMix5.0μL，10μmol/L上、下游引物各0.2μL，cDNA模板0.4μL，用ddH2O补足至10.0μL。每个基因重复3次。扩增程序：95℃预变性30s；95℃5s，60℃30s，进行45个循环。采用2-ΔΔCt方法计算各目的基因的相对表达量。

表1实时荧光定量PCR扩增引物

Table1Primerofreal-timefluorescencequantitativePCRamplification

基因Gene引物序列PrimersequenceCsVp1F：5'-TCTCATTCGGGTGACGCCT-3'R：5'-GAGCAACCTTTTACTTTTAGACCCA-3'

CsVp5F：5'-GCTTCAATGTGTCCTCACGC-3'R：5'-GAAAGGGATCTTTGCCGGGT-3'CsVp10F：5'-TATCCAAAAACATTAGCAGTCAGGT-3'R：5'-CAACAACACTGACCCCTCCTAA-3'Actin

F：5'-AGTGGACGTACCACTGGTATCGTGC-3'R：5'-CTTTGCAGTCTCGAGTTCTTGTTCG-3'

1.3

统计分析

试验数据采用Excel2010进行整理统计，以GraphPadPrism6制图，采用SPSS18.0进行显著性分析。

2结果与分析

2.1

不同黄瓜种子胎萌表型的差异比较结果由图1可知，授粉后30~50d，Cs10A种子在果实内明显萌发，M-1种子在果实内则未萌发。由图2可知，Cs10A种子在授粉后40d发生胎萌，胎萌率为4.2%；随着授粉后天数的增加，Cs10A种子胎萌现象逐渐明显，在授粉后45和50d其胎萌率极显著高于M-1（P<0.01，下同），在授粉后45d发生胎萌的种子胚根明显伸长，胎萌率达28.4%；授粉后50d胎萌率急剧升高，达71.1%，此时大部分种子长出须根，且子叶转绿。M-1授粉后30~50d均未出现胎萌现象。2.2黄瓜种子可溶性糖和脂肪酸含量的动态变化

由图3-A可知，授粉后30~50d，Cs10A种子可溶

（