赤霉素的生物合成及其在葡萄栽培上的應(yīng)用

張曉瑩，宋長(zhǎng)年，房經(jīng)貴，王西成

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院江蘇省果樹品種改良與種苗繁育工程中心，江蘇南京210095)

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的功能主要是調(diào)整株型、提高抗性、增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)、調(diào)控發(fā)育進(jìn)程、加快根莖膨大等[1]。它們?cè)诳刂泼劝l(fā)和生長(zhǎng)，促進(jìn)扦插生根、開花結(jié)果，防止落花落果，疏花疏果，形成無籽果實(shí)，增加產(chǎn)量，提高抗逆力等方面顯示出重要的調(diào)控作用[2－3]。隨著人們對(duì)植物激素生理作用的深入研究與認(rèn)識(shí)，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用日漸得到重視，并且已成為果樹生產(chǎn)技術(shù)的一部分。尤其以赤霉素使用居多，又以在葡萄上的應(yīng)用最為普及與實(shí)用化。赤霉素(Gibberellin，GA)是指在化學(xué)結(jié)構(gòu)上彼此非常接近的雙帖類化合物，具有19或20個(gè)碳原子(圖1)。根據(jù)赤霉素分子中碳原子的不同，可分為19-C赤霉素和20-C赤霉素。

圖1 赤霉素的基本結(jié)構(gòu)

1 赤霉素的生物合成

鑒于赤霉素在葡萄栽培中的廣泛應(yīng)用及重要作用，研究赤霉素的作用機(jī)理十分必要。分子生物學(xué)的發(fā)展為研究與認(rèn)識(shí)赤霉素的作用機(jī)理提供了有利條件，并且對(duì)赤霉素的作用機(jī)理有了一定的了解，而且對(duì)其生物合成的調(diào)節(jié)以及赤霉素發(fā)育調(diào)節(jié)的機(jī)制有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。而赤霉素的生物合成更是認(rèn)識(shí)赤霉素的作用機(jī)理的基礎(chǔ)。為揭示赤霉素在葡萄發(fā)育中的的作用機(jī)理，本文首先介紹赤霉素的生物合成途徑，從而進(jìn)一步達(dá)到利用赤霉素的目的。

在真菌細(xì)胞內(nèi)或者一些植物的無細(xì)胞體系里，甲羥戊酸(MVA)可以被轉(zhuǎn)化成赤霉素的前體，故MVA一直被認(rèn)為是植物體內(nèi)合成赤霉素的最初前體[4]。但在完整的植株和組織中MVA卻無法轉(zhuǎn)化成異戊烯焦磷酸(IPP)或者其他赤霉素前體。1996年Schwender[5]發(fā)現(xiàn)某些藻類可以將3—磷酸甘油醛或者丙酮酸鹽轉(zhuǎn)化成IPP。隨后Lichtenthaler[6]證明在高等植物的原質(zhì)體內(nèi)也存在這樣一條途徑。目前3—磷酸甘油醛/丙酮酸鹽是公認(rèn)的赤霉素合成最初前體[7]。

根據(jù)赤霉素生物合成參與酶系的不同以及參與酶的細(xì)胞區(qū)隔化，將整個(gè)合成途徑分為3個(gè)步驟[8－9](圖2):第1步發(fā)生在原質(zhì)體(Proplastid)內(nèi)，牻牛兒牻牛兒焦磷酸(GGPP)到內(nèi)根—貝殼杉烯(Ent-kaurene)階段，有關(guān)的酶不與膜結(jié)合;第2步發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上(Endoplasmic reticulum)，由依賴細(xì)胞色素P450類的單加氧酶催化內(nèi)根—貝殼杉烯(Ent-kaurene)轉(zhuǎn)化成GA12的階段，需要O2和NADPH;第3步在細(xì)胞質(zhì)(Cytosol)內(nèi)催化C20、C19 GAs的產(chǎn)生，從GA12轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類GA的途徑則因植物種類而異。一般來說，從GA12開始的反應(yīng)有一個(gè)共同的順序，就是C-20逐漸氧化，以喪失CO2的方式轉(zhuǎn)變成C19-GA，然后在3-β位引入羥基，這樣形成具有生物活性的C19-GA;若在2-β位引入羥基則形成無生物活性的GA[10]。

圖2 高等植物赤霉素生物合成途徑

2 葡萄中主要赤霉素類型

迄今已發(fā)現(xiàn)的赤霉素有100余種，在葡萄上命名的也有幾十種。

已有研究表明，不同植物中赤霉素的種類不同，且同一植物不同組織所含赤霉素的種類也有所不同。以葡萄來說，葡萄中主要有GA1、GA3、GA4、GA7等十幾種。表1列出部分赤霉素類在葡萄上的來源情況。

表1 GAs在葡萄上來源情況

3 赤霉素的生理效應(yīng)以及在葡萄栽培上的應(yīng)用

赤霉素能顯著促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)、分裂和分化，加速生長(zhǎng)發(fā)育，增加產(chǎn)量，改善品質(zhì)，促進(jìn)早熟，也能有效地打破種子休眠，促進(jìn)發(fā)芽，還能誘導(dǎo)植物抽薹開花，促進(jìn)坐果和果實(shí)的生長(zhǎng)。因此，赤霉素被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。在果樹上，赤霉素以在葡萄上的應(yīng)用最為普及，赤霉素在葡萄上的利用成為赤霉素乃至其他植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在果樹上利用的最典型代表。應(yīng)該說赤霉素在葡萄生產(chǎn)中廣泛而且成功的利用除了赤霉素的作用特點(diǎn)外也有葡萄本身的原因，如葡萄果粒小、種子數(shù)目較多、無籽葡萄品種果實(shí)偏小、生產(chǎn)模式多樣化、果實(shí)外觀品質(zhì)性狀尤其是色澤豐富并且可塑性高等都是影響葡萄生產(chǎn)中較多采用赤霉素的重要方面。葡萄上應(yīng)用赤霉素主要涉及到葡萄無核化栽培、提高坐果率、促進(jìn)無籽葡萄品種果實(shí)的生長(zhǎng)、增加穗重、提早成熟和打破種子休眠等。

3.1 赤霉素對(duì)葡萄成花、坐果的影響

發(fā)育完全的植物施用赤霉素可提早開花，并增加坐果。對(duì)于早期花序，一般赤霉素濃度在10～20 mg·L－1和200～300 mg·L－1時(shí)對(duì)形成雌花有積極作用，而濃度高于600 mg·L－1，則顯著停止雄花和雌花的發(fā)育[19]。葡萄于盛花前11～14 d以及盛花后10 d分別用100 mg·L－1GA4+7、100～150 mg·L－1BA和100 mg·L－1GA32次浸漬果穗[20]均能夠明顯提高坐果率。

3.2 赤霉素對(duì)疏花疏果的影響

美國(guó)加州用赤霉素對(duì)湯姆遜無核(無核白)進(jìn)行疏花疏果，一般噴灑2次赤霉素:在花冠脫落30%～80%的時(shí)候，用2.5～20 mg·L－1溶液噴霧，其目的是使穗軸伸長(zhǎng)，疏去30%～50%的花果，也略有增大漿果的作用，以防果穗過于緊湊而腐爛[21]。

3.3 赤霉素對(duì)增大葡萄果實(shí)的影響

無核可提高其可食性及商品性。但無核葡萄一般果粒較小，這與果實(shí)中無種子直接相關(guān)。研究表明，種子是赤霉素合成的中心[22]。通過施用赤霉素可抵消部分自身赤霉素的缺乏，從而使無核果實(shí)長(zhǎng)得和有核果實(shí)一樣大[23－24]。不同濃度的GA3對(duì)紅地球[25－26]，Vanessa[27]，Sultana[28]等品種起到了良好的膨大效果。但也因葡萄的品種、樹勢(shì)、地區(qū)、處理濃度的不同，效果也不盡相同。

3.4 赤霉素與葡萄無核化

近年來，國(guó)際鮮食葡萄生產(chǎn)和消費(fèi)的總趨勢(shì)是大粒、無核。目前我國(guó)鮮食葡萄中無核品種不到10%，無核葡萄生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。因而，采用無核化栽培技術(shù)生產(chǎn)大粒無核葡萄具有重要意義。葡萄無核化是指使有籽葡萄的種子軟化或敗育，從而轉(zhuǎn)化為無核葡萄，赤霉素可引起有核葡萄無核化。在花前和盛花期施用100 mg·L－1的赤霉素可形成一些無核葡萄品種[29]。在盛花前6～10 d用GA浸漬花穗，以抑制授粉受精并促進(jìn)早熟，可形成無核高達(dá)98.7%～99.9%[30]。楊向東等[31]初花前4 d和盛花后10 d各用50 mg·L－1赤霉素浸穗處理1次，可以使巨峰葡萄果實(shí)95%以上無核。此外陶建敏等[32]采用2種不同濃度的GA3和GA4+7在花前10 d，1 d和盛花期對(duì)巨峰葡萄進(jìn)行無核處理，花后10 d以GA3和CCPU以3種濃度組配進(jìn)行膨大處理，各處理都使巨峰葡萄的無核率大幅度提高。

3.5 赤霉素對(duì)改善果實(shí)品質(zhì)的影響

由于赤霉素能誘導(dǎo)α-淀粉酶的生成，引起淀粉水解，這樣便增加了糖的濃度，提高了細(xì)胞液的滲透壓，使水進(jìn)入細(xì)胞并使其縱向伸長(zhǎng)生長(zhǎng)。因此，在花期或花后施用赤霉素能增大果個(gè)、拉長(zhǎng)果形、提高果實(shí)可溶性固形物含量等[33－34]。

4 應(yīng)用前景

隨著赤霉素研究的不斷深入，其生理作用和在果樹上的應(yīng)用已為廣大果樹科技工作者所熟知和證實(shí)，今后必將進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，尤其在現(xiàn)代設(shè)施葡萄種植、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄種植，葡萄園觀光旅游中應(yīng)用更加廣泛。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用成為葡萄生產(chǎn)技術(shù)不可或缺的一部分，在葡萄無核化栽培、扦插繁殖、控制生長(zhǎng)、促進(jìn)花芽形成、?；ū９?、增加產(chǎn)量和提高漿果品質(zhì)等方面發(fā)揮著重要的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，要充分發(fā)揮赤霉素的作用還應(yīng)把其他植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑與其他栽培措施(如授粉受精、肥水管理等)結(jié)合起來，才能得到更好的效果。在葡萄上研究植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑勢(shì)必會(huì)引起其在其他園藝作物上的應(yīng)用，并帶來新的活力。

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