番茄果實(shí)發(fā)育的激素調(diào)節(jié)

高　原

[摘要]果實(shí)發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜的同時(shí)也是受?chē)?yán)格調(diào)控的過(guò)程。發(fā)育的果實(shí)先后經(jīng)過(guò)細(xì)胞分離、膨大以及伴隨其間的大量代謝過(guò)程的變化，最終達(dá)到成熟。眾所周知植物激素影響果實(shí)生長(zhǎng)和發(fā)育的許多方面。作為對(duì)5種經(jīng)典的激素(生長(zhǎng)素，赤霉素，細(xì)胞分裂素，脫落酸和乙烯)的補(bǔ)充，我們正在認(rèn)識(shí)一些在果實(shí)發(fā)育中發(fā)揮作用的新生長(zhǎng)調(diào)節(jié)子。通過(guò)對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期的果實(shí)施加外源激素和內(nèi)源激素的定量分析，已經(jīng)為我們揭示了這些因子在果實(shí)發(fā)育中的重要作用。本文中，我們以番茄為模式生物，對(duì)激素控制果實(shí)發(fā)育的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

[關(guān)鍵詞]果實(shí)發(fā)育；番茄(Lvcopersieon esculenmm)；激素調(diào)節(jié)；生長(zhǎng)素；細(xì)胞分裂素；赤霉素；脫落酸；乙烯；單性結(jié)實(shí)。

果實(shí)發(fā)育和成熟是一個(gè)周密協(xié)調(diào)的，時(shí)間和空間緊密調(diào)控的復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，它涉及大量生物和非生物因子的相互作用。很久以前，植物激素就開(kāi)始作為果實(shí)發(fā)育和成熟的重要調(diào)節(jié)因子而被廣泛研究(Crane 1964,1969；Nitsch 1970)。大量研究已經(jīng)很好的揭示了5種傳統(tǒng)激素一生長(zhǎng)素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸和乙烯，在果實(shí)發(fā)育的多個(gè)時(shí)期發(fā)揮作用(Ozga和Rienecke2003)。除此之外，諸如多胺類(lèi)化合物(PAs)、水楊酸、榮莉酸和油菜素等調(diào)節(jié)物在果實(shí)發(fā)育和成熟中的作用也開(kāi)始有所研究(Li等1992；Cohenl998；Mehta等2002；Vardhini和Ra02002；Sheng等2003)。

番茄作為一種肉質(zhì)性的呼吸躍變果實(shí)，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里被視為是研究果實(shí)發(fā)育和成熟的理想模式材料。對(duì)于這種植物的大量研究產(chǎn)生了許多完善的突變體，這為分析果實(shí)發(fā)育和成熟提供了一個(gè)很好的系統(tǒng)，特別是在研究激素調(diào)節(jié)方面。公認(rèn)的番茄果實(shí)發(fā)育被分為4個(gè)時(shí)期，由果實(shí)生長(zhǎng)開(kāi)始至成熟表現(xiàn)為一個(gè)“S”型曲線(Crane 1964)。時(shí)期I表現(xiàn)為花的發(fā)育，授粉，受精和坐果。時(shí)期II涉及授粉后7~14天細(xì)胞分裂過(guò)程(Mapelli等1978)。在這一時(shí)期絕大多數(shù)的果實(shí)細(xì)胞已經(jīng)形成，但果實(shí)生長(zhǎng)速度較慢，一般僅會(huì)到達(dá)最終鮮重的10％。時(shí)期III主要包括果實(shí)細(xì)胞膨大過(guò)程，一般持續(xù)3~5周并達(dá)到最大形態(tài)，該過(guò)程受基因型影響(Ho和Hewitt 1986)。果實(shí)體積主要由時(shí)期II形成的細(xì)胞數(shù)決定(Ho 1996)，同時(shí)還是受精前子房細(xì)胞數(shù)，子房?jī)?nèi)成功受精的種子數(shù)和細(xì)胞增大程度影響(Bohner和Bangerth 1988)。時(shí)期Iv涉及果實(shí)成熟階段，表現(xiàn)為生長(zhǎng)緩慢而代謝反應(yīng)強(qiáng)烈。自受精至“紅熟”期番茄果實(shí)一般需要40～70天。諸如栽培品種，坐果位置，氣候條件和果實(shí)種植條件等因素都會(huì)影響整個(gè)果實(shí)發(fā)育過(guò)程。

1番茄果實(shí)發(fā)育中激素的作用

之前關(guān)于對(duì)發(fā)育的果實(shí)施加多種外源激素的研究表明，這些激素在果實(shí)發(fā)育的不同階段起作用(crane 1964)。事實(shí)上施加外源激素并不意味著它們的細(xì)胞內(nèi)作用方式也是如此，因此就有必要檢測(cè)果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程中的內(nèi)源激素水平。在某一特定時(shí)期某些激素水平高于其它的現(xiàn)象說(shuō)明這些激素可那在這一發(fā)育時(shí)期發(fā)揮作用。外源施加激素處理和內(nèi)源激素定量分析試驗(yàn)為我們研究番茄果實(shí)發(fā)育中激素的作用提供了幫助。

在開(kāi)花期對(duì)番茄柱頭施加赤霉素(GAs)可以導(dǎo)致未成熟的子房細(xì)胞膨大，從而導(dǎo)致單性結(jié)實(shí)現(xiàn)象(Fos等2000)。對(duì)未授粉番茄花進(jìn)行GAs處理可以導(dǎo)致子房?jī)?nèi)生長(zhǎng)素水平的提高(Sastry和Muirl963)。這可能說(shuō)明被花粉誘導(dǎo)產(chǎn)生的GAs可以導(dǎo)致子房中生長(zhǎng)素的增加，并可以作為坐果和隨后細(xì)胞分裂的信號(hào)(Gillaspy等1993)。幼嫩的未成熟番茄果實(shí)中可以檢測(cè)到很高的GA水平(Koomneef等1990)。GA可能在開(kāi)花，增加結(jié)實(shí)率和種子發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮作用(Rebers等1999)。生物學(xué)分析表明，正常結(jié)實(shí)番茄植株中內(nèi)源GA類(lèi)物質(zhì)含量表現(xiàn)出一種雙峰曲線模式，其第一次峰值出現(xiàn)在開(kāi)花期至授粉后8天，第二次出現(xiàn)在授粉后15天至成熟期(Mapelli等1978；Sjut和Bangerth 1982)。氣相色譜一質(zhì)譜／選擇離子測(cè)定法(GC-SIM-MS)分析表明，GAs類(lèi)物質(zhì)最重要的生理形式，GAl和GA20，在果皮和種子中含量很高，隨著果皮的發(fā)育GAI的含量下降，但授粉后15～30天種子中GA水平增加至最大量(Bohner等1988)。GA含量的兩個(gè)峰值期與番茄果實(shí)發(fā)育的細(xì)胞分裂期(時(shí)期II)和膨大期(時(shí)期III)相一致。

生長(zhǎng)素可以在花粉中，以及在花粉管生長(zhǎng)和受精過(guò)程的柱頭和子房中檢測(cè)到，同時(shí)外源生長(zhǎng)素處理可以促進(jìn)子房的發(fā)育而出現(xiàn)單性結(jié)實(shí)現(xiàn)象，這一切均說(shuō)明這種激素極有可能在坐果期發(fā)揮作用(crane 1964)。生長(zhǎng)素活性生物測(cè)定同樣表現(xiàn)為一種雙峰形式，其最大活性分別出現(xiàn)在開(kāi)花后10天和開(kāi)花后30天的番茄果實(shí)中，這說(shuō)明其在細(xì)胞膨大期(時(shí)期III)的初始階段和最終的胚胎發(fā)育期(時(shí)期Iv)起作用(Abdel-Rahman1977；Mapelli等1978；Gillaspy等1993)。利用氣相色譜一質(zhì)i普／選擇離子測(cè)定和放射性免疫測(cè)定法進(jìn)行更加精確的定量分析，結(jié)果證實(shí)了生長(zhǎng)素含量在果實(shí)發(fā)育中的兩個(gè)峰值，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)種子中的生長(zhǎng)素含量在果實(shí)發(fā)育的最初30天里持續(xù)增長(zhǎng)(Bohner和Bangerth 1988；Buta和Spaulding 1994)。放射性免疫測(cè)定顯示開(kāi)花后5天，細(xì)胞分裂素含量達(dá)到很高水平(Bohner和Bangerth 1988)。在該研究中還發(fā)現(xiàn)，種子中細(xì)胞分裂素含量高于果皮。發(fā)育的果實(shí)中細(xì)胞數(shù)與細(xì)胞分裂索水平之間的相關(guān)性暗示后者可能在細(xì)胞分裂期(時(shí)期II)發(fā)揮作用。生物測(cè)定分析同樣顯示番茄果實(shí)中細(xì)胞分裂索含量與細(xì)胞分裂活性具有一致性(Abdel-Rahman等1975；Mapelli 1981)。氣液色譜法(GLC)分析表明在果實(shí)成熟期細(xì)胞分裂素含量迅速降低，并在“紅熟”期達(dá)到最低(Desai和Chism 1978)，這說(shuō)明細(xì)胞分裂素在成熟期作用較微弱。種子發(fā)育過(guò)程細(xì)胞分裂素的調(diào)控模式尚不清楚。有研究假定正在發(fā)育中的種子中的細(xì)胞分裂素控制一種正向調(diào)節(jié)因子的合成，這種因子可能會(huì)擴(kuò)散至周?chē)谋话l(fā)育調(diào)控而發(fā)生分裂的細(xì)胞中(Gillaspy等1993)。

種子在正常果實(shí)發(fā)育中發(fā)揮重要作用。同時(shí)，番茄果實(shí)內(nèi)種子的發(fā)育也要依賴(lài)于外皮和種腔組織的發(fā)育階段。在這些組織中脫落酸的濃度和滲透勢(shì)通量表現(xiàn)出調(diào)節(jié)種子干燥和誘導(dǎo)休眠的作用，從而阻止過(guò)早萌發(fā)(Berry和Bewley 1991)。在授粉5天后，放射性免疫測(cè)定和氣液色譜法檢測(cè)到脫落酸的出現(xiàn)，隨后種子和果皮中的含量逐漸增加，直至授粉后30~50天(Siut和Bangerth 1982；Bohner和Bangerth 1988；Berry和Bewley 1991)，其峰值與細(xì)胞膨大期(時(shí)期III)相吻合。

由于在果實(shí)成熟和衰亡過(guò)程中具有明顯增強(qiáng)作用，乙烯被研究的非常深入。坐果(時(shí)期I)早期乙烯含量較高，隨后有所降低，并在果實(shí)成熟期再次增加(AbdeI-Rahman 1977；Lacheene和E1-Beltagy 1986)。乙烯水平的第二次提高伴隨著果實(shí)呼吸躍變(時(shí)期IV)的發(fā)生?？刂品压麑?shí)成熟期，借以延長(zhǎng)貨架期的市場(chǎng)需求，促進(jìn)了乙烯的相關(guān)研究，并揭示了詳盡的但并非完整的乙烯的作用方式(Giovannoni 2004；Klee 2004)。

與其它激素相比，在番茄果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程中，乙烯作用的分子調(diào)控模式的研究非常系統(tǒng)和深入。高等植物中的乙烯生物合成途徑已非常清晰(Yang和Hoffman 1984)，該過(guò)程包-含兩步調(diào)節(jié)控制點(diǎn)。首先，由1一氨基環(huán)丙烷1-羧酸合成酶-(Acs)催化，以s一腺苷L-甲硫氨酸(sAM)為底物催化合成1-氨基環(huán)丙烷1-羧酸(ACC)；隨后，在ACC氧化酶(ACO)的催化作用下形成乙烯(Kende 1993)。有報(bào)道稱(chēng)，在高等植物中存在兩個(gè)乙烯調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Lelievre等1998)。系統(tǒng)1主要在正常的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段發(fā)揮作用，表現(xiàn)為乙烯的自主反饋抑制，進(jìn)而在包括未成熟果實(shí)在內(nèi)的所有植物組織中保持本底水平。系統(tǒng)2主要作用于成熟果實(shí)的呼吸躍變和花瓣衰老過(guò)程。此時(shí)乙烯表現(xiàn)為自主激活調(diào)節(jié)并誘導(dǎo)產(chǎn)生ACS和ACO。利用番茄果實(shí)成熟突變體，許多涉及乙烯感受和信號(hào)傳導(dǎo)途徑的分子產(chǎn)物被揭示(Giovannoni 2001)。番茄中發(fā)現(xiàn)的6個(gè)乙烯受體(ETR)中，由5個(gè)可以結(jié)合乙烯分子(Klee 2002；Klee和Tieman 2002)。并且有研究表明，在果實(shí)成熟期，這些乙烯受體中的某些成分(如LeETR4)可以發(fā)揮乙烯信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控因子作用(Wilkinson等1995；Yen等1995；Hackett等2000；Tieman等2000；Ciardi等2000)。3個(gè)功能冗余的乙烯不敏感類(lèi)基因(EIL)可以調(diào)節(jié)整個(gè)植物發(fā)育過(guò)程的多種乙烯響應(yīng)現(xiàn)象(Tieman等2001)，然而這個(gè)家族的第四個(gè)成員，LeEIL4，具有果實(shí)成熟誘導(dǎo)性(Yokotani等2003)。在4個(gè)乙烯響應(yīng)因子(ERF)基因家族成員中，LeERF2表現(xiàn)出成熟相關(guān)的誘導(dǎo)表達(dá)(Toumier等2003)。

2其它植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子的作用

2.1油菜素：作為一種較晚鑒定的植物激素，油菜素(BRs)是一類(lèi)多羥基甾體類(lèi)化合物，它可以在植物生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮多種作用(Bishop 2003)。油菜素處理番茄果皮組織可以提高番茄紅素和碳水化合物水平，降低葉綠素和維生素c含量(vardhini和Rao 2002)。番茄果實(shí)油菜素缺失突變體(dx-fruits)表現(xiàn)為推遲成熟，碳水化合物含量明顯下降進(jìn)而導(dǎo)致干重下降，酸轉(zhuǎn)化酶活性降低，產(chǎn)量減少。相反，該突變體中氨基酸含量上調(diào)，這可能是由于蛋白質(zhì)降解增強(qiáng)的結(jié)果。油菜素處理可以部分地互補(bǔ)以上這些變化(Lisso和Altman 2003)。這些結(jié)果表明，油菜素在控制番茄果實(shí)成熟時(shí)間和調(diào)節(jié)果實(shí)內(nèi)含物的組成方面發(fā)揮作用。

2.2茉莉酸：亞麻酸衍生物，茉莉酸(JA)及其甲酯(茉莉酸甲酯：MeJA)，可以調(diào)節(jié)果實(shí)成熟，花粉活力，根系生長(zhǎng)和對(duì)昆蟲(chóng)和病害侵染的抗性(creelman和Mullet 1997)。內(nèi)源茉莉酸含量在果實(shí)開(kāi)始進(jìn)入成熟期時(shí)開(kāi)始增加，同時(shí)外源茉莉酸處理促進(jìn)乙烯的產(chǎn)生和果實(shí)顏色的轉(zhuǎn)變(Imanishi和Nagata 2003)。表達(dá)分析表明茉莉酸甲酯處理可以增加ACO，ACS2和ACS6基因mRNA的積累，但不影響ACS4。此外，榮莉酸誘導(dǎo)的防衛(wèi)響應(yīng)可以明顯影響番茄的生殖習(xí)性，大量茉莉酸處理的植物可以產(chǎn)生更少量的但更大的果實(shí)，這些果實(shí)具有更小的單位鮮重種子數(shù)(Redman等2001)。這些研究表明，如同在防御響應(yīng)中的表現(xiàn)一樣，茉莉酸在乙烯介導(dǎo)的果實(shí)成熟過(guò)程中發(fā)揮作用。

2.3多胺：多胺(Pas)是廣泛存在的低分子量有機(jī)陽(yáng)離子，它們可以影響包括植物在的內(nèi)許多生物的發(fā)育和生理過(guò)程(Wahers 2003)。它們也會(huì)影響早期果實(shí)發(fā)育和成熟。揮發(fā)性多胺可以作為衰老抑制劑，減緩果實(shí)顏色轉(zhuǎn)變，增加果實(shí)耐儲(chǔ)性，推遲乙烯散發(fā)，抑制呼吸速率增加，減弱低溫傷害(valero等2002)。番茄中的兩條多胺合成途徑，鳥(niǎo)氨酸脫羧酶(ODC)和精氨酸脫羧酶(ADC)途徑都是具有活性的(Alabadi和Carbonell 1998)。多胺處理未授粉子房導(dǎo)致部分單性結(jié)實(shí)現(xiàn)象發(fā)生。未授粉的pat-2突變體子房中較高的多胺含量與ODC途徑的活性有關(guān)，這一現(xiàn)象也可能收到這些子房中升高的赤霉素水平的影響(Fos等2003)。精氨酸酶和ODC活性在番茄坐果期后下降，這些現(xiàn)象暗示ADC途徑在細(xì)胞膨大階段起作用，而ODC途徑番茄果實(shí)生長(zhǎng)早期的細(xì)胞分裂階段發(fā)揮功能(cohen等1982；Alabadi等1996)。在過(guò)表達(dá)一條酵母s一腺苷甲硫氨酸脫羧酶的番茄轉(zhuǎn)基因系中，發(fā)現(xiàn)亞精胺，精胺，番茄紅素和乙烯含量均增加，并且果實(shí)果汁粘性也增高。這些品系中增加的多胺成分似乎抑制了更高水平乙烯應(yīng)該產(chǎn)生的衰老效應(yīng)，表明利用相同底物(SAM)的兩條生物合成途徑可以在植物體內(nèi)同時(shí)存在。作為與茉莉酸相同的番茄傷害響應(yīng)基因抑制因子，多胺被認(rèn)為可以通過(guò)調(diào)節(jié)ACC合成酶轉(zhuǎn)錄本的積累，進(jìn)而調(diào)控乙烯的生物合成(Lj等1992)。

3結(jié)語(yǔ)

全面系統(tǒng)的了解植物激素在果實(shí)發(fā)育中的調(diào)節(jié)作用非常重要，這不僅涉及果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程的分子水平的研究，還對(duì)表現(xiàn)在改善果實(shí)品質(zhì)，延長(zhǎng)貨架期，提高營(yíng)養(yǎng)成分等應(yīng)用方面?？紤]到果實(shí)發(fā)育過(guò)程的復(fù)雜性，孤立的研究某一種激素的作用效果和分子機(jī)制將顯得單薄，嘗試研究?jī)煞N甚至多種激素成分的互作將愈發(fā)重要。在以后的研究中，多種涉及座果，果實(shí)發(fā)育和成熟過(guò)程的信號(hào)分子，將被逐步闡明。在不久的將來(lái)，應(yīng)用表達(dá)芯片分析，蛋白質(zhì)組學(xué)和功能基因組學(xué)工具，我們可以更加全面的分析果實(shí)發(fā)育中的基因表達(dá)情況，進(jìn)而在不同的代謝途徑和信號(hào)通路間建立起聯(lián)系。我們同樣也可以了解這些基因表達(dá)的時(shí)空信息，包括對(duì)環(huán)境因子，激素和其它生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子響應(yīng)的系統(tǒng)藍(lán)圖。