番茄心室形成研究進(jìn)展

劉 爽

（1福建農(nóng)林大學(xué)-戴爾豪西大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，福州350002；

2福建農(nóng)林大學(xué)蔬菜研究所，福州350002；3福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福州350002）

0 引言

番茄是漿果類蔬菜研究的模式植物，露地和設(shè)施栽培面積大，經(jīng)濟(jì)效益高。番茄果實(shí)生長發(fā)育受許多因素的影響，其中番茄果實(shí)心室直接影響果實(shí)的形狀和大小，心室數(shù)越多，果實(shí)越大，越容易產(chǎn)生畸形果；反之心室數(shù)減少，果實(shí)變小，越不易產(chǎn)生畸形果[1]，因此番茄心室形成與畸形果發(fā)生密切相關(guān)。番茄畸形果的大量發(fā)生給生產(chǎn)者造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。目前研究認(rèn)為畸形果的發(fā)生除了與品種自身的遺傳特性有關(guān)外，花芽分化階段的環(huán)境和營養(yǎng)水平是主要的影響因素，同時(shí)也受到植物生長調(diào)節(jié)劑的調(diào)控。番茄心室形成的研究主要集中在環(huán)境及植物生長調(diào)節(jié)劑方面，而遺傳及相關(guān)基因的研究較少，且研究不深入。筆者將系統(tǒng)的闡述環(huán)境與激素對(duì)番茄心室形成的影響，并全面深入地分析近幾年番茄心室形成相關(guān)遺傳和基因的最新研究進(jìn)展。

1 環(huán)境因素對(duì)番茄心室形成影響

1.1 溫度

苗期低夜溫，番茄心室數(shù)增加，其中花芽分化期是畸形果發(fā)生關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)期遇低溫，畸形果的發(fā)生率高達(dá)50%以上[2-6]。低夜溫能促進(jìn)番茄幼苗體內(nèi)源激素含量的增加，在6、12和18℃3種夜溫處理中，6℃夜溫處理中，番茄幼苗內(nèi)源GAs、ZR、Ety的含量最高，其含量隨苗期夜溫的升高而逐漸降低，其中赤霉素含量變化最顯著[7]。同時(shí)低溫降低番茄花器官與頂端生長點(diǎn)中生長素與赤霉素含量的比值，特別是雌蕊形成期的赤霉素和生長素的含量顯著高于對(duì)照高溫區(qū)的含量[8]。因此，低溫對(duì)心室形成的影響主要是番茄苗期花芽分化階段，從而增加番茄心室數(shù)。從激素的含量變化分析低溫對(duì)番茄心室形成的影響可能是通過調(diào)節(jié)番茄內(nèi)源激素含量來起作用的，其中關(guān)鍵的激素之一就是赤霉素。

1.2 光照

弱光減少番茄心室數(shù)，降低畸形果的發(fā)生率，特別是苗期光照強(qiáng)度對(duì)番茄多心室型畸形果發(fā)生有顯著的影響，隨著光照強(qiáng)度的降低，降低畸形果發(fā)生的作用就更大[9-11]。光照對(duì)番茄畸形果的影響主要通過植物體內(nèi)的物質(zhì)積累起作用，弱光處理減少植株體內(nèi)物質(zhì)積累，心室數(shù)正常，畸形果的發(fā)生率降低，而GAs、IAA的含量隨著光照強(qiáng)度的降低而增加[11]。栽培在光照不足條件下的番茄，直接在花序上外用芐基腺嘌呤(6-BA)與赤霉素以促進(jìn)其發(fā)育，這2種化合物在控制花序發(fā)育上有先后效應(yīng)，BA的作用首先發(fā)揮，而GA僅跟隨在BA作用之后。GA4+7在與BA混合時(shí)，較GA3促進(jìn)花序發(fā)育更為有效，測(cè)定花序中碳水化物含量表明，在外源激素處理期，可溶糖類及淀粉水平顯著增加[12]。因此，光照主要通過植物碳水化合物的積累從而影響番茄心室形成，而通過外源植物生長調(diào)節(jié)劑可以減弱光照對(duì)番茄心室形成的影響，從而降低番茄畸形果的發(fā)生。

1.3 水分

關(guān)于水分對(duì)番茄畸形果發(fā)生的影響，有人認(rèn)為灌水量越大，越容易產(chǎn)生畸形果，村松等[9]發(fā)現(xiàn)，在所進(jìn)行的4個(gè)灌水量處理pF 0.9、1.9、2.5、2.7的試驗(yàn)中，隨著灌水量增大，番茄畸形果發(fā)生率逐漸增高。不同灌水點(diǎn)處理對(duì)番茄心室形成有很大影響，隨著灌水間隔天數(shù)的減少，番茄多心室型畸形果率顯著降低，其發(fā)生程度也顯著減輕[13]。而劉浩等[14]研究認(rèn)為番茄苗期適度水分虧缺（土壤水分保持在田間持水量的50%～55%）可提高坐果率，降低多心室型畸形果比率；開花坐果期過度水分虧缺（土壤水分降到田間持水量的65%以下）易形成小果和畸形果。以上研究結(jié)果表明番茄植株不同生長發(fā)育時(shí)期、灌水量、灌水頻率均會(huì)影響番茄心室形成。

1.4 營養(yǎng)

提高番茄苗期營養(yǎng)水平，均會(huì)明顯提高畸形果發(fā)生率、畸形果平均級(jí)數(shù)和綜合指數(shù)，特別是多心室型畸形果。在氮、磷、鉀三要素中，以氮對(duì)番茄心室形成影響最大，磷次之，鉀的作用則相對(duì)較小，其中高氮較易使番茄產(chǎn)生畸形果[4-6,15]。

番茄苗期隨著氮營養(yǎng)的增加，幼苗內(nèi)源GAs和IAA的含量及GAs/IAA比值顯著增加；而隨著磷營養(yǎng)的增加，番茄幼苗內(nèi)源GAs含量及GAs/IAA比值增加，IAA含量降低；鉀營養(yǎng)則是隨著使用濃度增加，內(nèi)源GAs和IAA的含量及GAs/IAA比值有較大幅度的增加[16]。由此判斷營養(yǎng)物質(zhì)對(duì)番茄心室形成的影響也與GAs和IAA有關(guān)。

1.5 植物生長調(diào)節(jié)劑

植物生長調(diào)節(jié)劑調(diào)控番茄花的發(fā)育和形態(tài)，尤其對(duì)心室形成有顯著的影響[2,17-21]?；ㄑ糠只冢煌纳L調(diào)節(jié)劑對(duì)番茄心室的形成具有不同的影響。GA3可促進(jìn)番茄花器官分化和發(fā)育，增加子房心室數(shù)，促進(jìn)畸形果的發(fā)生[17-18,21-22]；B-9可使子房心室數(shù)增加；BA有促進(jìn)子房心室數(shù)增加的趨勢(shì)；2,4-D減少子房心室數(shù)和畸形果發(fā)生；而IAA和NAA則有減少子房心室數(shù)的趨勢(shì)，降低畸形果發(fā)生率；TIBA的施用，會(huì)促使番茄花數(shù)增多，果實(shí)變畸形[22]。植物生長調(diào)節(jié)劑中，赤霉素對(duì)番茄心室形成的作用最大[17-22]。

2 番茄心室形成的遺傳學(xué)研究

關(guān)于番茄心室的遺傳模型，研究認(rèn)為多心室為隱性，少心室為部分顯性，番茄心室的遺傳主要受基因的加性和顯性效應(yīng)的影響，未發(fā)現(xiàn)有上位性的證據(jù)[23-27]。由于番茄果實(shí)心室數(shù)直接影響果實(shí)的形狀和大小，心室數(shù)越多，果實(shí)越大。在對(duì)番茄果實(shí)大小的QTL分析中獲得6個(gè)QTL位點(diǎn)，分別是fw1.1（作用值約為17%）、fw1.2(約 13%)、fw2.1(約 12%)、fw2.2(約 23%)、fw3.1(約 12%)和fw11.3(約 37%)，其中只有fw2.1(lc)和fw11.3(fasciated)這2個(gè)QTL與番茄心室形成密切相關(guān)，其中后者主要是簇生型的心室類型[28]，分別位于第11染色體和第2染色體的末端，這2個(gè)位點(diǎn)相互之間具有上位性作用，任一基因座都能單獨(dú)增加心室數(shù)[29]。

大部分大果多心室番茄品種攜帶fasciated突變，對(duì)于果重超過500 g的大果型品種需要fasciated和lc突變同時(shí)發(fā)生。當(dāng)二者均存在時(shí)，產(chǎn)生具有更多心室數(shù)、更大尺寸的番茄果實(shí)。遺傳研究表明，fasciated突變是一種隱性突變進(jìn)而增加心皮的數(shù)目，說明這是一種功能缺失型的突變，而lc具有加性效應(yīng)[30]。fasciated和lc的特性和在果實(shí)發(fā)育中的作用只有分離得到這2個(gè)基因才能完全解釋。

3 番茄心室形成基因的克隆與功能分析

番茄果實(shí)變大的一種方式是通過細(xì)胞分裂，fw2.2是編碼細(xì)胞分裂的負(fù)調(diào)控子，主要通過調(diào)控細(xì)胞分裂來改變果實(shí)的大小，而對(duì)果實(shí)的總體結(jié)構(gòu)和形狀并不起作用[31]。另一種方式是通過改變心皮或心室數(shù)來調(diào)整果實(shí)的大小。大多數(shù)的野生番茄有2個(gè)心室，而大果栽培番茄的心室數(shù)可達(dá)10個(gè)或更多，調(diào)節(jié)心室數(shù)的基因位點(diǎn)不僅影響果實(shí)的大小，還影響果實(shí)的種子數(shù)和果實(shí)的形狀[29]。

2011 年，Mu?os等[32]利用圖位克隆的方法獲得了fw2.1(lc)基因序列，該位點(diǎn)包含了一段1600 bp的堿基，位于番茄WUS的下游，存在于栽培番茄品種中，主要由于該段序列有2處發(fā)生單堿基突變從而使番茄心室數(shù)增加。從進(jìn)化的角度來講，lc的突變?cè)缬趂asciated發(fā)生。2017年Li等[33-35]在lc突變體番茄中利用RNAi干涉技術(shù)沉默了WUS基因，植株表現(xiàn)出花和果實(shí)變小，同時(shí)心室數(shù)也減少，表明WUS基因也可以使番茄心室數(shù)減少，從而調(diào)控番茄花和果實(shí)的發(fā)育。

Cong等[36-37]通過圖位克隆的方法，在30多個(gè)候選基因中篩選到了fasciated基因，位于第11條染色體長臂端，認(rèn)為是fw11.3位點(diǎn)基因。fasciatedmRNA水平在多心室和少心室番茄中差異較大，多心室只有少量的轉(zhuǎn)錄，而少心室的轉(zhuǎn)錄水平很高，fasciated的轉(zhuǎn)錄水平降低，增加了花和果實(shí)發(fā)育過程中的心皮數(shù)，產(chǎn)生極大型番茄果實(shí)?；òl(fā)育早期fasciatedmRNA位于雄蕊和心皮，后期fasciatedmRNA位于胎座組織和胚珠組織。另外，fasciated在葉中有很強(qiáng)的表達(dá)，但在種子和根部不表達(dá)。在少心室和多心室基因型番茄中，多心室花芽發(fā)育期表達(dá)急劇減少，因此推斷出多心室表型是花形成期fasciated基因調(diào)控下降引起的。因此，認(rèn)為fw11.3位點(diǎn)對(duì)番茄心室數(shù)目調(diào)控是由于fasciated轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平發(fā)生變化所引起的，并通過轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)這一推測(cè)進(jìn)行了驗(yàn)證。然而轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)株系對(duì)心室數(shù)目的恢復(fù)非常有限，且該研究并未解釋fasciated轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控番茄心室數(shù)目的分子機(jī)理，因此該結(jié)果仍需進(jìn)一步研究確認(rèn)。直到2011年，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在fasciated基因的第一個(gè)內(nèi)含子序列有294 kb的插入序列，正是這段插入序列導(dǎo)致fasciated的功能缺失，因此在fasciated互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)中并沒有顯著的番茄心室變化。這一結(jié)果暗示著fasciated基因也許并不是與番茄心室形成密切相關(guān)的基因[38]。

2015 年Xu等[39]研究發(fā)現(xiàn)，番茄fin和fab突變體的萼片、花瓣、雄蕊和心皮數(shù)都顯著高于野生型，fin和fab雙突變體擁有更多的花器官數(shù)量，且fin和fab突變體的表型變化與擬南芥中CLV的突變體相似；在fin和fab轉(zhuǎn)基因植株中，CLV3基因的表達(dá)量均顯著上升；同時(shí)在番茄的栽培馴化過程中人們選出了CLV3突變體，該突變體具有心皮數(shù)更多，種子和胎座的比例增加，果實(shí)也更大的特點(diǎn)。表明fin和fab對(duì)番茄心室數(shù)的改變是通過CLV3來實(shí)現(xiàn)的。而fw11.3位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的fasciated在CLV3基因的上游1 kb處，因此推測(cè)番茄心室數(shù)的增加是由于CLV3基因的作用而不是fasciated，通過構(gòu)建fw11.3位點(diǎn)的基因插入系，發(fā)現(xiàn)番茄心室數(shù)并未發(fā)生變化，而番茄CLV3基因轉(zhuǎn)基因株系均表現(xiàn)出心室的減少和果實(shí)的變小。Xu等人還通過轉(zhuǎn)基因互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了CLV3對(duì)番茄心室的調(diào)控作用。2017年通過對(duì)CLV3啟動(dòng)子區(qū)進(jìn)行基因編輯技術(shù)，得到了一系列CLV3啟動(dòng)子區(qū)不同長度片段缺失的番茄突變體，其心室數(shù)目與野生型相比顯著增加，并且缺失片段長度和位置的不同，心室數(shù)目增加的程度也有所不同，這一結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了fw11.3位點(diǎn)的基因就是CLV3[40]，而不是fasciated。

4 展望

目前的研究結(jié)果明確了溫度、光照、植物生長調(diào)節(jié)劑與番茄心室間的調(diào)控作用，并發(fā)現(xiàn)和克隆了番茄心室形成密切相關(guān)的基因，基于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，可進(jìn)一步進(jìn)行番茄心室的形成和調(diào)控機(jī)理的研究，具體研究方向如下：

（1）隨著番茄心室形成密切相關(guān)基因lc、WUS、fin、fab和CLV3的發(fā)現(xiàn)與克隆，已獲得2個(gè)調(diào)控途徑，分別為WUS-lc途徑和fin/fab-CLV3途徑，均可調(diào)控番茄心室形成，但其調(diào)控機(jī)理尚不明確，需要進(jìn)一步的研究來完善調(diào)控路徑。

（2）無論是環(huán)境還是激素對(duì)番茄心室形成的影響，番茄植株均需接收與傳遞環(huán)境信號(hào)與激素信號(hào)，因此需要進(jìn)一步研究具體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這些途徑很可能與上述的2個(gè)調(diào)控途徑相關(guān)聯(lián)，形成完整的調(diào)控路徑。

（3）番茄心室形成遺傳模型研究中仍有些作用值較小的基因座尚未明確其基因，且研究進(jìn)展緩慢，雖然其基因作用小，但仍然影響著番茄心室的形成，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。