大櫻桃生理落花落果特性及調控機制研究進展

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(1.貴州大學生命科學學院， 貴陽 550025； 2.貴州大學 農業(yè)生物工程研究院， 貴陽 550025；3.貴州大學 山地植物資源保護與種質創(chuàng)新教育部重點實驗室， 貴陽 550025)Advances in Studies on the Flower and Fruit Dropping Characteristics and Regulatory Mechanism of Sweet CherryGUO Kaibin1,2,3, LI Sheng1,2,3, QIAO Guang1,2,3

大櫻桃(PrunusaviumL.)，是我國北方落葉果樹中繼中國櫻桃之后成熟最早的樹種之一，有“春果第一枝”的美譽，自19世紀末20世紀初引入我國以來，發(fā)展勢頭強勁，已成為我國水果的重要組成部分[1]。在果樹生長發(fā)育過程中，從開花后到果實成熟期，由于機械作用和病蟲害以外的原因引起的果實脫落稱為果樹的生理落果[2]。正常的生理落花落果不僅可以減少樹體的營養(yǎng)消耗，也有利于樹上果實的正常發(fā)育[3]。但在實際生產中，由于環(huán)境因素導致異常生理落花落果的現象較為普遍，不僅嚴重影響了果實產量及品質，也對果農的經濟效益及其產業(yè)的發(fā)展帶來了諸多不利影響。目前，有關大櫻桃生理落花落果特性及調控機制的研究也取得較大的進展，或源于生產栽培實踐，或源于相關生理因素及分子表達調控的基礎研究。因此，結合前人研究，從栽培環(huán)境、花粉形態(tài)特征及活力、果柄離區(qū)組織結構、碳水化合物含量、植物激素水平及與落果相關的酶等主要生理因素,同時結合果實脫落相關分子調控機理對大櫻落花落果特性及調控機制進行歸納總結，旨在為全面解析大櫻桃生理落花落果特性及調控機制提供更多研究思路,同時為后續(xù)的研究提供參考資料。

1 大櫻桃生理落花落果特性

生理落花落果作為一種普遍發(fā)生現象，貫穿大櫻桃生長發(fā)育的始終，但在此過程中伴有2～3次生理落花落果高峰，其中，第1次為落花高峰，大致發(fā)生在盛花后7～14 d，而第2、3次均為落果高峰，大致在盛花后14～24 d和第24～31天[4-5]。而兩類高峰(落花和落果)出現時間的差異主要由種植環(huán)境和品種(基因型)而引起。Montiel等通過比較同一環(huán)境下不同品種大櫻桃的落花落果規(guī)律，認為不同品種對同一環(huán)境不同的生理響應是導致大櫻桃生理落果特性存在差異的主要原因[6]。而陳曉丹等通過比較同一品種大櫻桃在不同地區(qū)的落果規(guī)律表明其落果特性在不同生長環(huán)境下也呈現一定的差異[7]。因此，可將影響大櫻桃落花落果特性的因素分為兩類：內因(基因型)和外因(環(huán)境)。不同的品種具有不同的基因型，差異基因的表達使其在生理代謝上有著較大的差異，例如表現在對光合產物的積累、樹體礦質營養(yǎng)的吸收、內源激素的調控、逆境的響應等方面的不同，從而呈現出不同的落花落果規(guī)律。

2 大櫻桃生理落花落果主要影響因素

2.1 需冷量

氣候條件作為影響果實生長發(fā)育的重要因素，主要包括溫度、濕度、光照、降雨量等。而大櫻桃作為一種對溫度較為敏感的果樹，其正常的生長發(fā)育受到諸多環(huán)境因素影響，但低溫積累量對其影響尤為重要。果樹的需冷量，是指果樹休眠期對低溫的需求量，常以果樹進入低溫狀態(tài)下累計的小時數表示，而不同的樹種、不同的品種需冷量不同。目前為止，果樹需冷量的計算主要有3種模型：7.2 ℃模型、0～7.2 ℃模型、猶它模型[8]。雖然就使用何種模型更能準確估計果樹需冷量存在較大的爭議[8-10]，但低溫需冷量的不足是限制果樹正常發(fā)育的重要原因已被人們廣泛接受[9-11]。Hedhly等認為,低溫積累量的不足降低了大櫻桃花粉柱頭的敏感性，導致授粉不良而造成落果[12]。此外，Fadón等研究表明,低溫需求在不同大櫻桃品種間存在一定的差異[13]。所以，查閱相關文獻，對常見大櫻桃品種需冷量(7.2 ℃模型)大致范圍進行簡單歸納(見表1)。

表1 常見大櫻桃品種需冷量

序號 品種需冷量(h)參考文獻序號 品種需冷量(h)參考文獻1紅魯比(Ruby)610～618[10],[13]12卡特林(Katalin)1499[14],[17]2克里斯(Cristobalina)176～314[10],[13]13紅燈(Hongdeng)900～1070[14-18]3布魯克斯(Brooks)411.5～800[10],[13],[17]14薩米脫(Summit)1070～1081[14],[19],[20]4新星(New Star)654～996[10],[13],[21]15桑蒂娜(Santina)671～1143[14],[20]5布萊特(Burlat)583～713[10],[13],[21]16尼雷爾(Rainier)750～1013[15-16]6薩默塞特(Somerset)618～933[10],[21]17大紫(Black Tartarian)624～1181[15-16]7賓庫(Bing)1073～1158[13]18南陽(Nanyo)400～960[15],[17]8甜心(Sweet heart)649～929[13],[21]19沙蜜豆(Honey bean)600～1296[15],[17]9拉賓斯(Lapins)400～749[13],[15],[17],[21]20斯坦勒(Stella)600～1131[15],[27],[19],[20]10先鋒(Van)668～1516[13],[15],[16],[19]21龍冠(Longguan)750～1013[16],[17]11奇好(Cropлpи)600～1501[14],[17]22艷陽(Sunburst)800～1214[17],[20]

2.2 花粉特性

雖然有關花粉特性對大櫻桃落花落果影響的研究報道較少，但花粉作為種子植物的雄配子體，在有性繁殖中發(fā)揮著重要作用?；ǚ鄣男螒B(tài)、結構、成分和生活力等特性直接影響授粉，進而影響坐果。這種觀點已在梨[22]、芒果[23]等多種果樹上得到證實。中川昌一等認為，花粉粒的大小、形態(tài)等直觀反映了花粉生活力的強弱，較小的或形狀不規(guī)則的、萌發(fā)孔過多或過少的花粉均為敗育花粉，用此類花粉授粉，花粉不能萌發(fā)，也不能受精坐果[24]。適宜的溫度對花粉萌發(fā)過程有著至關重要的作用，Hedhly等通過比較2個不同來源地大櫻桃發(fā)現，在一定溫度范圍內兩者花粉萌發(fā)率均隨著溫度的上升而降低，但在有性繁殖過程中兩類花粉對溫度條件有著不同的響應，表明花粉特性除受外界因素影響以外，主要還受自身遺傳因素的影響[25]。在短低溫種植區(qū)，年低溫量的不足導致大櫻桃萌芽開花不整齊、花器官(特別是胚囊、胚珠)畸形，最終導致果實脫落[26]。此外，雨水[27]、樹體營養(yǎng)元素[28]對植物授粉及后續(xù)坐果也有重要的影響。例如，Usenik等研究表明，葉面噴施鋅、硼后能有效減少大櫻桃的落果[29]?？傊哔|量的花粉對提高大櫻桃坐果有著重要的作用，而影響花粉質量及授粉的因素較多，除了本身的基因型以外，也受環(huán)境因素(溫度、雨水、礦質元素等)的影響。

2.3 離區(qū)形成及其相關酶類

從進化上看，器官脫落作為植物界普遍發(fā)生的一種生理現象，是植物長期生長發(fā)育過程中形成的對環(huán)境的適應性，是細胞結構、生理生化代謝及基因表達等過程共同作用的結果[30]。

而離區(qū)的形成是造成落果的直接原因[31-35]。Vashisth等認為，藍莓離區(qū)形成于果柄與莖(pedicel-peduncle junction, PPJ)連接處[31]，而桔[32]、柑橘[33]等大多數果樹離區(qū)發(fā)生在果實與果柄(fruit-pedicel,FPJ)連接處。在大櫻桃上，Kilian等研究發(fā)現，其離區(qū)形成也發(fā)生在果實與果柄連接處[34]。而有關櫻桃離區(qū)形成的原因，最早St?sser等研究發(fā)現，酸櫻桃離層組織由5～8層細胞組成，隨著落果進程的推進，在酶類催化下，離層細胞壁果膠被降解，部分細胞質被破壞，離層細胞壁多聚糖的含量較相鄰細胞少，與相鄰細胞間粘附力降低，最終導致細胞分離，形成離區(qū)[35]。眾所周知，任何生物過程的發(fā)生，都離不開酶的催化，有關離區(qū)形成相關酶類的研究，主要集中于纖維素酶(EG)和多聚半乳糖醛酸酶(PG)兩類水解酶，且他們作為離區(qū)形成的關鍵酶在蘋果[36]、桃[37]等果樹上的功能具有高度的相似性，其主要與離區(qū)細胞壁的降解有關。這2種酶在大櫻桃果柄離區(qū)的形成中是否具有類似的功能，還待進一步的研究。同樣地，過氧化物酶(POD)在調控果實脫落過程中也有重要的作用，Wittenbach等通過研究櫻桃發(fā)現，POD通過降低離區(qū)組織生長素的水平，影響離區(qū)組織的正常發(fā)育，從而促進器官的脫落[38]。此外，參與離層細胞壁降解的酶類還有果膠甲醋酶(PME)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)等。有關植物器官脫落的過程，Mcmanus等認為，高等植物離層組織形成后，部分組織細胞分化形成具有特定接收識別脫落信號的細胞，這些感受脫落信號的細胞在接收脫落信號后，在相關酶及調控物質的作用下離區(qū)細胞被激活，細胞結構等發(fā)生變化，最終在外力(重力、風力)的作用下導致脫落[39]。所以，可將大櫻桃果實脫落的生理過程大致描述如圖1所示。

注：紅色圓圈表示果柄與果實連接處正常細胞，綠色三角形表示分化形成的離區(qū)細胞，黃色正方形表示部分離區(qū)細胞分化形成的信號細胞。圖1 大櫻桃果實脫落生理過程

2.4 碳水化合物

碳水化合物是光合作用的主要產物，在植物體的形態(tài)構建和植株生命代謝活動中具有重要的作用，其在樹體中的分布主要取決于庫源關系[40]。目前為止，人們普遍認為果實中某種碳水化合物含量未能達到一定的閾值很可能引起果實的脫落[41-44]，但就哪種碳水化合物不足而導致果實脫落依樹種而有所差異。例如，Mehouachi等研究發(fā)現，柑橘的果實脫落很可能與果實中蔗糖和淀粉含量的不足有關[42]，且Iglesias[43]等也得到了類似的結論。Archbold等研究蘋果落果發(fā)現，蔗糖和葡萄糖含量的不足是導致落果的主要原因[44]。但就同一樹種而言，引起落果的碳水化合物的類型是否因環(huán)境的不同而改變有待進一步研究。在大櫻桃上，就具體哪種碳水化合物的不足引起落果的研究還鮮見報道，但Jones等的研究表明，大櫻桃的正常坐果和果實發(fā)育需要大量的能量，而碳水化合物在樹體內分布的失衡，引起激素信號、水分運輸及氣體交換等生理過程發(fā)生改變極可能是造成落花落果的重要原因[45]。而通過環(huán)剝切斷碳水化合物由葉片向下的運輸通道，提高光合產物的積累，可以減少大櫻桃的果實脫落。

2.5 植物激素

果樹的正常坐果和生理落果是復雜生理變化過程的反應，內源激素的水平與變化規(guī)律是其中至關重要的調節(jié)因素。目前，有關植物激素對果實脫落影響的研究較多的有生長素(IAA)、乙烯(ETH)和脫落酸(ABA)三類。有關IAA對大櫻桃果實脫落的研究，Blanusa等認為，生長素的極性運輸(PAT)能力的下降不是引起大櫻桃落果的唯一原因，但PAT的正常進行有助于大櫻桃的坐果[46]。這種說法與“生長梯度學說”較為吻合,此學說認為植物器官脫落與否及其速度的快慢, 不單純決定于器官本身IAA含量的多少, 而是被貫穿在離層中IAA的梯度所調節(jié)[47]。但Wouter等認為，IAA主要是以調控離區(qū)細胞對ETH的敏感性而間接調控器官的脫落[48]。ETH對果實的脫落具有促進作用，Greene等通過ETH生物合成抑制劑AVG處理蘋果樹后, 能降低果實的脫落，間接證明了乙烯對落果的促進作用[49]。但其調控機制，說法不一。Iglesias認為，ETH主要通過調節(jié)離區(qū)碳水化合物的水平來調控果實脫落[43]。但Bonghi等認為，ETH促進果實的脫落主要是活化了EG和PG兩種酶的活性，而這2種酶正好與離區(qū)的形成有著直接的關系[50]。人們普遍認為ABA能促進植物器官的脫落,楊波等通過比較發(fā)現，扁桃正常果實和果柄IAA含量始終大于相應落果和落果果柄IAA含量，而ABA含量則與之相反。由此直接證明了ABA與植物器官脫落有著密切的關系。同樣，Nartvaranant等[51]在研究柚子果實脫落過程中得出了類似的結論。但內源激素調控生理落花落果的影響并非由某一種激素單獨參與，而是在多種激素相互作用下完成復雜的調控過程。所以，植物內源激素對大櫻桃生理落花落果的調控的深層機理有待進一步的研究。

2.6 果樹器官形成與脫落部分基因的表達調控

近年來，有關果實脫落的分子調控也受到人們的普遍關注。果柄離層細胞的分化形成作為導致落果的直接原因，有關離區(qū)形成的相關基因在番茄(jointless、LS)，水稻(shi4、qSHI、OsCPL1)等作物上已被分離驗證，且與其形成相關功能酶和內源激素相關基因的表達調控也逐漸被眾多學者研究。在果柄離區(qū)形成相關功能酶的基因表達調控研究中，報道較多的則是EG、PG兩類水解酶。EG作為高等植物中由一個基因家族編碼的一類重要水解酶，Shani等[52]在模式植物擬南芥中發(fā)現至少有25個基因與EG的形成有關，且這些基因編碼的EG在同一細胞的細胞壁上都有相應的位置，在生物學過程中發(fā)揮相應的作用，比如植株的生長，果實的成熟以及植物器官的脫落。Del等在番茄花器官脫落中發(fā)現，EG基因家族的激活或抑制是一個復雜的過程，而且該基因家族所編碼的水解酶在器官脫落的每個階段所發(fā)揮的作用主要取決于當前的生理條件[53]。有關PG基因表達與離區(qū)形成的關系，Burns從柑桔中分離出在其花、葉及果柄的離區(qū)組織中高表達的兩個PG基因：CsPG1與CsPG2[54]。Peng等發(fā)現，從荔枝果柄離區(qū)分離出的PG基因LcPG1的表達量與生理落果之間呈一定的正相關關系[55]。除此之外，有關與器官脫落相關植物激素信號轉導和生物合成相關基因的表達調控以及植物激素對脫落相關基因的表達調控也有相關的研究報道。Xie等發(fā)現，SAUR(Small auxin-up RNA)是一類可被生長素誘導的并能夠參與柑橘葉片衰老、子葉脫落等多種生理過程的基因家族，并通過對全基因組搜索，從SAUR中分離出了與柑橘果實脫落相關的5個基因，且這些基因的表達水平均受IAA的調節(jié)[56]。杜藝等從23個與IAA信號轉導和ABA生物合成相關基因中篩選出了12個與荔枝果實脫落相關的基因，并且通過系統(tǒng)進化分析發(fā)現有13個基因在其同源性較高的植物上均與植物器官脫落相關[57]。在大櫻桃上，Leng等研究發(fā)現，在大櫻桃的成花、果實發(fā)育、坐果等過程中與ABA積累與ABA代謝和信號轉導相關的若干基因[58]。段續(xù)偉等結合桃基因組分析，克隆獲得了14個大櫻桃MADS-box基因，且其基因結構高度保守，主要參與調控成花與花器官發(fā)育等過程[59]。有關大櫻桃器官形成和脫落分子方面的研究只有零星的報道，所以結合其它果樹上的相關研究，筆者簡單歸納了最近10年部分與果樹器官脫落相關的基因(表2)。最重要的是，大櫻桃基因組數據的公布[65]，為挖掘其器官形成與脫落相關基因奠定了分子基礎。

表2 部分與果樹器官形成與脫落相關的基因

基因名稱 基因功能 果樹樹種 代表文獻Aux/IAA,AUX/IAA,SAU,GH響應碳水化合物脅迫,調控與子葉脫落相關基因的表達荔枝[41]PG花、葉及果柄離區(qū)的形成中PG的合成相關柑桔,荔枝,龍眼[55]SAUR在果實脫落過程中其表達水平受IAA調控柑橘,荔枝[56]TIR,ARP,PIN,SDRAux/IAA,NCED在果實脫落中與IAA信號轉導和ABA生物合成相關荔枝[57]PaNCED1,PaCYP707A,PaNCED,PaPYL等與成花、果實發(fā)育、坐果等過程中ABA積累與ABA代謝和信號轉導大櫻桃[58]PaSOC1,PaAG等14個MADS基因與成花相關大櫻桃[59]ACS調節(jié)乙烯合成,與果實脫落相關荔枝,橄欖,蘋果[60]EG葉片脫落過程中EG的合成相關柑桔,桃,荔枝[61]PME與離區(qū)的形成相關,且接受ABA調控表達水平柑桔,荔枝[62]IDA、JOINTLESS與萼片脫落相關梨[63]OESAMDC1,OESPDS1果實脫落過程中參與多胺生物合成途徑有關橄欖[64]

3 展 望

通過對大櫻桃落花落果規(guī)律及調控機制兩方面研究內容的總結和分析，可以看出影響大櫻桃生理落花落果規(guī)律因素大致可以歸為外因(環(huán)境)和內因(品種)兩類，而環(huán)境因素中溫度最為關鍵，其主要表現為對低溫的需求。而在全球氣溫日漸變暖背景下，低溫需求量的不足是影響大櫻桃生理落花落果的重要外界因素，同時，光照強度、濕度、水分等也在此過程中起著一定的作用。大櫻桃生理落花落果是一個多方面、多因素相互作用的復雜調控過程，整個過程涉及酶類、植物激素、碳水化合物、礦質營養(yǎng)、水分等多種物質的調節(jié)，且各類物質在此過程中存在關聯(lián)性，例如：激素水平的變化往往伴隨著碳水化合物含量以及相關酶活的變化。此外，與果實脫落相關基因的表達調控也在多種果樹上研究報道，且這類基因的表達調控影響相關活性物質的合成，同時，其表達水平也受到相關物質的反饋調節(jié)。但是,從目前的研究現狀也可以看出,有關大櫻桃生理落花落果的研究還處于一個需要繼續(xù)深化的階段,例如由碳水化合物含量不足引起的大櫻桃果實脫落，其具體的碳水化合物的類型還需要進一步的研究；在其它果樹樹種上分離的有關與器官脫落的相關基因是否在大櫻桃上有類似的功能還需進一步的驗證。而這些內容的研究對于提高大櫻桃產量及果實品質都是必需的, 值得科研工作者對其進行更進一步的研究。