桑树同工酶研究进展与应用

 
靳永年
(湖南省蚕桑科学研究所 41550)


   同工酶(lsozyme)是生物体内代谢的调节者,人们通常把生物催化作用相同(即做同样的工),而其分子结构、理化性质和生理功能不同的酶的分子类型,称为同工酶。
  早在1895年,Fischer就初提出了同工酶的概念,但当时人们对酶是蛋白质这点认识还不明确,直到二十世纪50年代,对酶的本质——蛋白质及其结构有了比较详尽的了解后,才明确同工酶的概念,并随着同工酶分离分析方法的进步,逐渐成为分子水平上研究生物现象的一项重要手段,在遗传学、育种学、分类学、生理学、医学、病理学中得到广泛的应用。
  桑树同工酶的研究起步较晚,70年代才开始着手,近20年来,由于学者们在这一研究领域的辛勤耕耘,在桑树遗传育种、生理学及病理学等方面,取得了可喜的进展。
  1 同工酶的研究在遗传育种中的应用
  1.l 桑树品种的分类和亲缘关系的鉴别 
  选育桑树新品种,首先必须收集和掌握一定数量的原始品种素材,并对收集的素材作全面的鉴定,杂交有种时也必须先了解桑品种之间的亲缘关系,才能正确选配亲本,而同工酶分析,能从分子水平上了解品种间的亲缘关系。
  平野久(1976)采用起放等电聚焦电泳法,对一之濑、改良鼠返、国桑21号等250多个桑品种的叶片进行了过氧化物酶(Perosidase)同工酶分析,根据电泳酶谱中各桑品种的酶带表型特征及其迁移分布的异同,来判断品种间的亲缘关系,并按其亲缘关系分成Go型、Ya型、Ka型、Ko型、Da型等5个不同类型,其中Ka型和Da型为数较多,分别约占50%和40%。
  陈道明等(1980)采用聚丙烯酰胺盘状凝胶电泳法分析了60个不同品系的桑品种侧芽的过氧化物酶同工酶谱的差异,从中找到了8个不同类型,其中红顶桑、嘉定红皮等类型I占26.3%,湖桑199号、湖桑7号等类型Ⅱ占15%,睦州青、小官桑等类型Ⅲ占18.3%,其余Ⅳ至Ⅷ类型共仅占40.4%,从电泳酶谱看出,类型Ⅷ仅有一个品种,即皮桑,是一个野生种,其酶谱与另外7个类型明显不同,说明亲缘关系很远。
  武玉壁等(1986)采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法,对40多个桑品种的幼叶和成叶,分别进行过氧化物酶同工酶比较分析,按电泳酶谱所显示的亲缘关系的远近分为5类,它们与传统的形态分类不尽相同,如:鲁桑系的“湖桑32号”,其同工酶却与白桑系的“一之濑”、“育30号”的酶谱基本一致。认为桑品种形态性状受多种环境因素影响.而同工酶是受基因直接调控,更能反映基因型的差别。
  何大彦等(1988、1990)采用聚丙烯酸核电泳法,先后对桑属几个种及品种的幼叶或冬芽的细胞色素氧化酶(cytochrome)同工酶和过氧化物酶同工酶进行分析,结果表明,桑属内各种及品种间的酶谱有显著差异,每个种都有不同的特征酶谱。桑用植物不同种、品种的同工酶在不同器官、组织的表现虽有差异,但所表达规律性的倾向是一致的,表明桑属植物的同工酶具有特异性、稳定住和重现性。桑属植物的分类,历来都是以特征形态为基本依据,通过上述两种酶的同工酶研究,为桑属植物的起源、进化、分群、分类和亲缘关系,提供了新的依据,研究中还运用植物数量分类中的极点排序法(PO)、对桑属不同种、品种间同工酶相似程度通过定量分析,直观地表达出各桑种、品种同工酶的相似性、相异性及亲缘关系的远近、亲疏。
  何大彦(1990)以桑树冬芽为材料,采用聚丙烯酰胺电泳技术,分析过氧化物酶同工酶的异同,并根据酶谱表型上酶带数量、酶带Rf值及酶谱相似系数的相近或相远程度,来识别同种异名的桑品种,这一由生化表现型反映基因型异同的方法,比依据形态学和农艺性状来鉴别其特征、性状相同而名称、来源不同的桑品种,更准确,更可靠。
  1.2 辐射育种
  在桑树突变育种中,一般只选留突变性状明显的株系继代,但这些株系由于辐射损伤过重,常常没有利用价值,而有的外观突变性状不明显,易被淘汰的突变体,却往往又是十分有用的株系。如果用同工酶技术分析,就可以鉴别外部形态难于鉴别的遗传性变异,因此,同工酶技术是鉴定突变体的有效手段。
  陈道明等(1980)对辐射诱变育成的桑品种辐1号、辐2号与亲本一之濑的过氧化物酶同工酶聚丙烯酰胺凝胶电泳酶谱的分析。
  杨今后等(1984)作了桑辐射诱变突变体R81—l及其亲本新一之濑的过氧化物酶同工酶聚丙烯酰胺凝胶电泳酶谱的分析。
  杨新华等(1988)用淀粉凝胶电泳法对桑突变体R81—1、R81-2及其亲本新一之徽濑进行过氧化物酶同工酶的电泳分析,通过对酶谱表型的比较分析,断定R81-1、R81-2都是辐射诱变产生的突变体。
  1.3 体细胞融合杂种的鉴定
  任作瑛(1989)对桑树新品种7681进行了过氧化物酶、细胞色素氧化酶同工酶电泳酶谱的分析,从酶谱表型上看到,酶带的显色和Rf值与双亲有差别,说明7681经激光外理后,在结构基因表达上发生了变化。但它具有双亲共有的酶带,证实接受了双亲的遗传物质,是双亲的显性基因起了互补作用的结果,从而令人信服地鉴定出7681是双亲体细胞融合的真杂种。
  2 同工酶研究在生理方面的应用
  2.1 桑树生长发育与同工酶
  桑树在生长发育过程中,从种子萌发、营养生长、开花到花粉及果实发育各个时期,其器官和组织的生理特性和一系列的代谢作用都发生着深刻的变化,而它们的同工酶谱类型也同步发生变化。
  印度Jaiswal,V·S·等(1982)以黑桑(Morns nigra Linn·)为材料,在性别分化期作了过氧化物酶同工酶活性与性别分化关系的研究。研究探明,黑桑过氧化物酶同工酶的B酶带有抑制生殖器官发育的功能,当其活性减弱时能促进桑花原基的发育,当B酶带缺失时,能导致过氧化物酶同工酶活性的增加。从而有效地诱发了雌花原基的发育,但是雄花原基的发育,受另外的酸带所调控.
  2.2 桑树抗寒力与同工酶的相关性
  黄永芬等(1983)采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法,对抗寒力较强的依兰、秋雨两品种及抗寒较弱的青龙、栾平两品种的桑芽分别作过氧化物酶和苹果酸脱氢酶(malic dehydrogenase)同工酶分析,电泳酶谱表明,抗寒力较强的桑品种,芽期上述两种同工酶的酶带均显示着色较深,酶带数目也较多,而抗寒力较弱的品种与之相反,反映出桑树芽期这两种同工酶着色程度、酶带数目与桑品种的抗寒力成正相关,为研究桑品种的抗寒性初步提供了系列化依据。
  2.3 桑叶氨基酸含量与同工酶的相关性
  平野久(1980)测定了不同桑品种氨基酸含量及总量的差异。在过氧化物酶同工酶的不同基因型,即PX11PX 11和PX21PX21之间,氨基酸含量和苏氨酸、天门冬氨酸和丝胶酸,有1%水平的显著性差异。异亮氨酸、甘氨酸、苯丙胺酸,有5%水平的显著性差异,但氨基酸。总量和总氮含量,却没有显著性差异。
  2.4 多胚种子形成因素的考察
  尾暮正义(1979)用B4801-3XB5等3个桑杂交组所产生的多胚种子实生苗及其亲本作材料,采用淀粉凝胶电泳法进行过氧化物酶和吲哚乙酸生长素酶(heteroauxin)的同工酶分析。电泳酶谱表明,多胚种子实生苗的同一酶带显示为两亲本的中间型,通过对一组多胚种子发芽的实生苗作个体调查,有半数的个体的同工酶有差异,说明这些个体之间存在遗传上的差异,证实多胚种子的多数不是因受精胚分割发生的,从而推断是一个胚中形成二个以上卵细胞分别授精后发生的或是一个卵细胞与另外的由胚囊构成的细胞在授精后形成的。
  3 同工酶研究在病理方法的应用
  3.1 桑病早春诊断和休眠期检疫
  丁正民等(1985)采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法,对4月上、中旬采集的健珠和桑黄化型萎缩病病株腋芽、叶片作过氧化物酶同工酶分析,结果表明,病株腋芽和叶片的酶带与健株有明显差异,病株有些酶带缺失,酶带数目较少,这为早春病症尚未显现时,作过氧化物酶同工酶分析,能为早期诊断桑黄化型萎缩病提供依据,试验中还对病、健株叶片和晚秋落叶后采集的病、健殊桑技韧皮都作酯酶(esterase)同工酶分析,酶谱表型显示,病株、健株叶片和韧皮部的酶谱均有差异,病株酶带数目数少,且部分酶带着色较浅,为休眠期桑黄化型萎缩病的生化诊断的检疫提供了途径。
  3.2 不同抗病性桑品种与同工酶的相关性
  作者近年与雷国新等合作,在研究桑树抗病机制中,开展了桑黄化型萎缩病不同抗性品种与过氧化物酶同工酶相关性的研究。试验采用聚丙烯酰胺凝胶电泳法,以高抗品种育2号、湘456,中抗品种湖桑197号,感病品种湘7920、湖桑32号等5个品种的一年生枝皮为材料,进行电泳图谱分析。结果表明,抗病性强的品种酶谱显示的酶带数目较多,感病品种酶带数目较少,说明抗病性与酶带数成正相关。研究中,还采用病穗脱管套接法分别对上述5个供试桑品种进行病原MLO接种,然后用同一电泳法进行过氧化物酶同工酶分析,酶谱显示,各品种的酶带数目和Rf值分别与各自未接种的对照区无显著差别,但接种后酶带着色加深,带幅增宽,表现酶带加强和酶的活性增高的态势。抗病品种感病后,酶带加强程度最为明显,中抗品种次之,说明感病后酶带加强程度与抗病性也成正相关,因此,可以利用不同抗病性品种同工酶酶谱的表型特征及不同桑品种感病后酶带加强程度的变化,作为育种中筛选抗病品种的一个生化指标。
  4 同工酶研究与应用前景
  桑树同工酶研究和应用所取得的成果,已显示出这一新兴学科的强大生命力,但不少重大的课题有待科技工作者进一步探索。
  许多农作物同工酶研究资料表明,在遗传基因定位,远缘杂种的鉴定以及杂种优势的预测等方面已取得很大成果。预测杂种优势,是桑树育种工作者长期以来的愿望,已有研究资料证明,有优势的杂种一代除出现双亲的同工酶类型外,还出现一种新的“杂种酶带”,并且,这种酶带在代谢中具有比亲本更高的活性。因此,对桑树深入开展上述各项的研究,是加快桑树育种进程,提高育种效率的一条有效途径。
  在植物生长发育方面,通过大量研究,说明植物从胚胎发育、种于萌发、营养生长到开花结果的各个发育时期,调控代谢作用的同工酶都在不断发生变化。深入研究桑树同工酶的出现和变异与其生长发育之间的内在联系和因果关系,从而应用这些研究成果,按人们的要求去调控桑树生长发育进程,提高桑叶的产量和质量,是今后值得研究的一个重要课题。
  同工酶是桑树体内的天然标记,可以从分子水平上反映出机体内的各种变化,其中包括感病后内部发生的变化,因此,全面了解机体内各种病变与同工酶的关系,对及时、正确诊断病害,具有现实意义。同时,研究资料表明,感病品种与抗病品种在同工酶谱的表型和酶的活性上存在差异,这对抗病育种工作是十分重要的,但由于同工酶的种类繁多,对某一种或某一品种抗那一种病原?与那几件酶有关?以及抗性与有关酶的相关性如何?有待今后在探索桑树抗病机理中进一步研究。
  桑树同工酶研究与应用的进展.为桑树遗传育种和高产栽培开拓了新的领域。我们相信,随着同工酶研究的深入和应用的扩大,对桑树栽培和育种学的基础理论和实践技术水平的提高.将会发挥越来越重要的作用。


             (转自《蚕桑通报》1995年第3期)