無患子科果樹無核果實(shí)研究進(jìn)展①

譚文麗 周玉杰 崔志富③ 劉志崴 王春燕 李建華

(1海南省農(nóng)墾科學(xué)院 海南海口 570311 2海南省天然橡膠質(zhì)量檢驗(yàn)站 海南?？?570206)

通常意義上說的無核果實(shí)是指完全沒有種子(真正無核)或只是有極少種子(焦核或細(xì)核)的果實(shí)[1]。大多數(shù)時(shí)候說的無核果包括焦核、細(xì)核和真正無核。果實(shí)的無核是一個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)性狀，也是果樹科技工作者選育果樹新品種的首選優(yōu)良性狀。眾所周知，無核果實(shí)因?yàn)槭秤梅奖?、品質(zhì)優(yōu)良而廣受人們喜愛，無論在鮮食還是加工等方面都具有極重要的意義。在琳瑯滿目的水果市場上，品質(zhì)優(yōu)良的無核果倍受廣大消費(fèi)者青睞。

無患子科果樹屬于雙子葉植物，大約有150個(gè)屬2 000多個(gè)種，廣泛的分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，中國有25個(gè)屬和56個(gè)種，多個(gè)省份地區(qū)都有分布，但是主產(chǎn)地集中在西南部和南部。無患子科果樹主要有龍眼、荔枝和紅毛丹等，分別是龍眼屬、荔枝屬和韶子屬，它們有很類似的有性繁殖，比如花序是圓錐狀的頂生或雜性花、果實(shí)是由假種皮發(fā)育而成的等。

從 《廣東荔枝志》可以查到無核荔枝屬于非常珍貴的荔枝資源，在海南的儋州、瓊山地區(qū)均發(fā)現(xiàn)過無核荔枝的實(shí)生單株[2]。并且已經(jīng)篩選出了好幾個(gè)無核或者焦核的品種(系)，例如 ‘荔13’、‘南島無核’、‘小丁香’、‘A4無核’等，尤其以 ‘A4無核’和 ‘南島無核’的栽培最為廣泛[3]?？萍佳芯咳藛T也選育出了一系列無核的優(yōu)良龍眼品系，如‘名嬌1號(hào)’、‘名嬌2號(hào)’、‘名嬌3號(hào)’、‘名嬌4號(hào)’和 ‘名嬌5號(hào)’。其中 ‘名嬌4號(hào)’無核果實(shí)獲得率較高且穩(wěn)定，收獲的果實(shí)相對較大，果肉也較厚，綜合品質(zhì)優(yōu)異，產(chǎn)量高[4]。

無核果實(shí)的成因包括內(nèi)在因素影響和外在因素的刺激。目前對無患子科果樹荔枝、龍眼的無核機(jī)理研究已有報(bào)道。如無核果實(shí)形成的種胚發(fā)育、生理機(jī)制以及培育途徑等。

1 無患子科果樹無核果實(shí)的胚胎發(fā)育

荔枝的胚胎學(xué)研究已有報(bào)道?？萍脊ぷ髡邔⒗笾ε咛グl(fā)育類型分為3種，即正常型、敗育型、部分?jǐn)∮汀ＵＰ褪侵阜N胚的發(fā)育是屬于正常的，成熟的果實(shí)具有正常的果核；敗育型是指種胚全部敗育，成熟果實(shí)中沒有正常的果核或者果核非常小，稱為 “焦核”；部分?jǐn)∮蛣t是指在同一植株、甚至同一果穗上所結(jié)的果實(shí)，部分正常部分?jǐn)∮?。既有大核果也?“焦核”果，而且大核和 “焦核”的比例通常表現(xiàn)不穩(wěn)定。這里的大核果是屬于前面第一種類型--正常型，但是這些 “焦核”果是因?yàn)槠渑咛ピ诎l(fā)育中后期陸續(xù)敗育，導(dǎo)致果核要比正常型的小。其胚胎敗育早晚不一樣，核的大小也不同。敗育時(shí)間越早其核越小，敗育時(shí)間越晚其核越大，趨近正常型。通常認(rèn)為無核荔枝的形成屬于敗育型和部分?jǐn)∮?。例?‘綠荷包’屬于種胚敗育型荔枝，在授粉后大約10 d，其胚胎發(fā)育受阻，胚珠表現(xiàn)已經(jīng)明顯萎縮。 ‘蘭竹’屬于部分種胚敗育型荔枝，花后形成球型胚之后，胚胎在發(fā)育過程中，表現(xiàn)為不同時(shí)期敗育，最終形成焦核果[5]。李明芳等[6]總結(jié)前人多年探索成果，認(rèn)為荔枝無核的形成主要是因?yàn)榇箧咦釉诎l(fā)育各階段出現(xiàn)異常無法完成正常受精以及單性結(jié)實(shí)。陳健輝等[7-9]經(jīng)過試驗(yàn)探索，均認(rèn)為雌花中的大孢子發(fā)育異常無法完成受精和單性結(jié)實(shí)是導(dǎo)致荔枝無核的主要原因，陳健輝等曾用東莞 ‘無核荔’為試材，馮蔚等以 ‘南島無核’荔枝為試材，探索了大孢子的發(fā)育過程。研究表明，其大孢子在發(fā)育過程不同時(shí)期均會(huì)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е屡吣覂?nèi)無法形成正常的卵器，無法順利完成受精過程，形成不了正常的胚胎，最終導(dǎo)致敗育現(xiàn)象，產(chǎn)生無核。

有關(guān)焦核龍眼種胚敗育的研究也有報(bào)道。鄭少泉等[10]提出，液態(tài)胚乳發(fā)育受阻、停止或干涸是焦核龍眼種胚敗育的主要原因。胚乳存在的時(shí)間及發(fā)育的程度跟焦核龍眼種胚發(fā)育、敗育有一定的相關(guān)性。許家輝等[11]認(rèn)為多方面的原因引起龍眼焦核，但是可能受母本的基因型影響更大，即龍眼單株本身的遺傳本質(zhì)可能起決定性作用，同時(shí)龍眼胚珠的敗育過程可能有多基因參與調(diào)控。

2 無患子科果樹果實(shí)無核生理機(jī)制

2.1 生理生化調(diào)控

李蕾等[12]利用二維聚丙烯酰胺凝膠電泳(2DE)及計(jì)算機(jī)輔助圖像分析技術(shù)，推測蛋白質(zhì)極有可能參與種胚敗育的調(diào)節(jié)和控制，其分析了開花20 d的荔枝正常種胚和敗育種胚的蛋白質(zhì)圖譜，發(fā)現(xiàn)胚內(nèi)蛋白質(zhì)成分在種胚敗育過程中發(fā)生了明顯變化。

科技工作者進(jìn)一步從內(nèi)源激素和蛋白質(zhì)組學(xué)等方面對無核荔枝的種胚敗育進(jìn)行了較深入研究。植物內(nèi)源激素是植物體內(nèi)痕量信號(hào)分子，調(diào)控植物各種生長發(fā)育過程。植物的發(fā)芽、生根、發(fā)育、性別決定、開花、結(jié)實(shí)和休眠等過程是由多種激素分別或相互協(xié)調(diào)共同起作用。種子的發(fā)育也必然受到多種激素的共同調(diào)節(jié)。

王碧青等[13]以具有自然單性結(jié)實(shí)能力的 ‘禾蝦串’為試材，研究表明，其開花前后子房內(nèi)植物激素(GA3)和細(xì)胞分裂素(CTK)水平保持較高以及花后生長素(IAA)含量持續(xù)升高以及脫落酸(ABA)含量持續(xù)下降均與其單性結(jié)實(shí)能力有密切相關(guān)性。

陳偉等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)，可能因?yàn)樯L促進(jìn)物質(zhì)的供給不足限制了種胚的細(xì)胞分裂和生物大分子物質(zhì)的合成，影響了營養(yǎng)物質(zhì)和能量交換，使胚停止發(fā)育而形成早期敗育現(xiàn)象。他們認(rèn)為一元酚具有很強(qiáng)的促進(jìn)IAA側(cè)鏈氧化的能力，導(dǎo)致種胚敗育。胚胎出現(xiàn)敗育時(shí)胚珠中生長素(IAA)水平急劇下降，顯著低于正常胚珠，其證實(shí)了荔枝胚珠中的一元酚是對羥基苯甲酸(C7H6O3)，且荔枝敗育的胚珠中一元酚含量明顯比正常胚珠的高。

青鮮素(MH)是一種植物生長調(diào)節(jié)劑，有抑制植物高級(jí)分生組織的細(xì)胞分裂的作用。邱似德等[16]發(fā)現(xiàn)，在荔枝花后7～14 d噴施1.0～1.5 mg/L MH，誘導(dǎo)產(chǎn)生的焦核果率可以達(dá)到70%以上。刁森標(biāo)等[17]研究表明，實(shí)驗(yàn)用到的多種生長調(diào)節(jié)劑僅MH對荔枝種胚的發(fā)育有強(qiáng)烈抑制作用，其它幾種對荔枝焦核率影響作用不明顯；而且MH處理誘導(dǎo)無核有嚴(yán)格的臨界期才能抑制種胚發(fā)育，即一定要在種胚出現(xiàn)前使用，不能晚于雌花盛開后35 d。MH處理收獲的果實(shí)個(gè)頭比正常果小，但因?yàn)槭墙购耍墒陈试黾?，味道鮮美，因而也具有一定的商品價(jià)值。

劉國強(qiáng)等[18]利用青鮮素(MH)處理烏龍嶺龍眼，在其整個(gè)發(fā)育過程中種子內(nèi)赤霉素(GA3)、生長素(IAA)和脫落酸(ABA)含量總體呈下降趨勢，到成熟前種子內(nèi)GA3的含量達(dá)到最低值。在種子形成期間，經(jīng)MH處理的烏龍嶺龍眼種胚內(nèi)ABA/GA3和ABA/IAA值均高于對照值，這極有可能是烏龍嶺龍眼結(jié)出焦核果實(shí)的主要原因之一。

邱燕萍等[19]研究表明，荔枝開花后3 d，生長促進(jìn)類激素(生長素IAA、赤霉素GA3、細(xì)胞分裂素CTK)的水平均高于對照和脫落酸(ABA)的水平持續(xù)下降趨勢，能解釋其無核果有單性結(jié)實(shí)能力。李偉才等[20]以 ‘荔13’、‘南島無核’、‘A4無核’3個(gè)無核荔枝品種以及大核品種 ‘紫娘喜’為試材，運(yùn)用高效液相色譜法(HPLC)，測定了其果實(shí)發(fā)育過程中赤霉素(GA3)、生長素(IAA)、脫落酸(ABA)和玉米素(ZT)等內(nèi)源激素含量的波動(dòng)，結(jié)果認(rèn)為荔枝產(chǎn)生果實(shí)無核的一個(gè)重要原因是果實(shí)中IAA的含量偏高和ZT的含量偏低。

2.2 環(huán)境因素

李明芳等[21]的研究提出，有些荔枝品種開始大小孢子均能正常發(fā)育，但是如果在傳粉受精的過程中遇到連續(xù)低溫陰雨天氣，便無法完成受精，但是其子房仍然是可以發(fā)育為果實(shí)的，這樣也能產(chǎn)生無核果，如無核荔枝品種 ‘禾蝦串’就是很好的例子。

王廷標(biāo)[22]經(jīng)過多年試驗(yàn)研究，提出了荔枝溫敏無核理論，提出某些荔枝株系在幼果生長特定階段，如果受到溫敏效應(yīng)誘導(dǎo)則可獲得無核荔枝果。并鑒定了 ‘A4無核’屬于低溫敏型無核荔枝新株系的，和 ‘荔13’屬于高溫敏型無核荔枝新株系。發(fā)現(xiàn) ‘A4無核’物候處于并粒期時(shí)，因?yàn)榈蜏孛舾行?yīng)對幼果二室子房的影響，限制了胚胎生長發(fā)育，繼而胚珠出現(xiàn)原發(fā)性器質(zhì)萎縮，最終種胚退化，生成無核。如果晚上氣溫低于22℃，則容易形成無核果；如果夜間溫度22～24℃，則容易結(jié)焦核果；當(dāng)晚上氣溫持續(xù)高于24℃的時(shí)候，則更容易結(jié)正常果。這種現(xiàn)象的成因可能是：發(fā)生受精的過程中，由于受到外界低溫影響，導(dǎo)致精子不能很順利的進(jìn)入到卵膜內(nèi)或已經(jīng)進(jìn)入到卵后但雌雄核無法正常融合，進(jìn)而導(dǎo)致卵無法受精最終退化了；已經(jīng)完成受精的次生核在一定時(shí)間內(nèi)可能完全退化而導(dǎo)致胚珠敗育，但其假種皮仍具備正常發(fā)育能力，最后因單性結(jié)實(shí)而形成無核果。楊應(yīng)華等[23]的研究報(bào)告提出，溫敏無核荔枝是由于受到低溫影響，無法正常受精。次生核雖正常受精，還生成了核型胚乳，甚至發(fā)育成了細(xì)胞型胚，到12 d左右卻退化了，靠其假種皮繼續(xù)發(fā)育，最終獲得無核果實(shí)。 ‘桂味’品種的焦核率受花粉源影響非常大。邱燕萍等[24]以‘桂味’為試材，用不同品種花粉對其進(jìn)行授粉，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：用 ‘妃子笑’、‘糯米糍’、‘桂味’花粉授粉獲得的 ‘桂味’果實(shí)焦核率較高，用 ‘尚書懷’、‘黑葉’、‘懷枝’、‘紅繡球’、‘將軍荔’、‘雪懷子’花粉授粉獲得的 ‘桂味’果實(shí)焦核率較低。

2.3 基因調(diào)控

張以順等[25-26]以 ‘桂味’為試材，采用抑制性差減雜交(SSH)技術(shù)對花后20 d的正常發(fā)育種胚和敗育種胚進(jìn)行差異表達(dá)基因篩選分析，在敗育胚中發(fā)現(xiàn)S-腺苷甲硫氨酸合成酶基因在大量表達(dá)，由此推測該基因可能參與了其體內(nèi)乙烯合成的調(diào)控，導(dǎo)致荔枝種胚的敗育。

張潔瓊等發(fā)現(xiàn) ‘糯米糍’荔枝液態(tài)胚乳發(fā)育過程受阻是由于細(xì)胞壁酸性轉(zhuǎn)化酶活性低，致使種胚在發(fā)育早期敗育。利用病毒誘導(dǎo)的基因沉默(VIGS)技術(shù)使細(xì)胞壁酸性轉(zhuǎn)化酶(CWAI)基因保持沉默，可導(dǎo)致‘白荔’、‘黑葉’等大核荔枝品種種胚的敗育。

唐晰等[27]以無核龍眼為對象開展研究，認(rèn)為龍眼種子敗育可能跟纖維素酶基因和質(zhì)體ATP/ADP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因片段密切相關(guān)。纖維素酶基因表達(dá)上調(diào)，可降解胚胎細(xì)胞的細(xì)胞壁，迫使原生質(zhì)體裸露，容易破壞其細(xì)胞結(jié)構(gòu)和內(nèi)含物；Ca2+-ATP酶基因表達(dá)下調(diào)，會(huì)加重細(xì)胞質(zhì)中Ca2+濃度的積累，干擾細(xì)胞的能量代謝系統(tǒng)和生理功能，促進(jìn)氧自由基的生成，加速細(xì)胞失去活力；ATP/ADP轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)下調(diào)，影響質(zhì)體內(nèi)淀粉的合成及一些重要的代謝途徑。

基因的轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座通常受到DNA甲基化的抑制，研究發(fā)現(xiàn)了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶在部分?jǐn)∮?‘桂味’荔枝早期胚珠中的表達(dá)較高，這可能在一定程度上抑制了某些胚發(fā)育相關(guān)基因的正常表達(dá)，使得某些轉(zhuǎn)錄因子或功能基因無法正常發(fā)揮作用，一定程度上促使部分種胚敗育[28]。

3 無患子科果樹無核果實(shí)培育途徑

果樹培育無核果一般分為選育無核品種和人工誘導(dǎo)產(chǎn)生無核果兩個(gè)途徑。

3.1 實(shí)生無核品種選育

無核荔枝形成的原因，有的是單性結(jié)實(shí)，有的是雌性不育。中國各荔枝產(chǎn)區(qū)所報(bào)道的無核荔枝大多從海南島引入[29-31]。從海南瓊北雷虎嶺地區(qū)荔枝實(shí)生群體中選育出的無核荔枝新品種——‘南島無核’是優(yōu)秀代表，其無核率可達(dá)90%，穩(wěn)定性高，豐產(chǎn)性好，適應(yīng)性廣，品質(zhì)優(yōu)異[32]。

3.2 環(huán)境調(diào)控

王廷標(biāo)[22]通過溫敏效應(yīng)誘導(dǎo)調(diào)控花期，使荔枝授粉、座果與相應(yīng)的臨界溫度對應(yīng)的方法，成功地選育出了高溫敏型和低溫敏型兩種無核荔枝果。溫敏無核荔枝是海南省的稀有珍貴品種，果實(shí)成熟后類似圓球形，單果個(gè)頭大，味道香甜，產(chǎn)量高，是發(fā)展成地方名品的潛力品種。

3.3 植物生長調(diào)節(jié)劑輔助培育

據(jù)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)，在大核種 ‘淮枝’荔枝花后7～14 d用青鮮素(MH)1 000～1 500 μg/mL噴果，可產(chǎn)生73.1%以上的細(xì)核果，且對品質(zhì)無不良影響，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)對龍眼也有類似的效果[33]。萬泉[34]、李明[35]選擇用赤霉素(GA3)、多效唑(PP333)、2，4，5-三氯苯氧丙酸(2，4，5-TP)、6-芐氨基嘌呤(6-BA)和青鮮素(MH)等五種植物生長調(diào)節(jié)劑處理烏龍嶺龍眼果實(shí)，均在一定程度上收獲焦核果實(shí)，其中6-BA和MH比其他3種誘導(dǎo)效果更好。

邱似德等[33]、許家輝等[36]的研究表明，用MH處理的方法是誘導(dǎo)荔枝果實(shí)無核/細(xì)核和提高龍眼焦核率的有效途徑之一。

4 展望

近年來，很多專家學(xué)者關(guān)注無患子科果樹(特別是荔枝和龍眼)無核果的研究，采用越來越多的試驗(yàn)來探索其無核果實(shí)形成機(jī)理，取得了系列重要進(jìn)展。然而，目前在其種胚發(fā)育分子調(diào)控機(jī)制方面的研究還不多，對于至今發(fā)現(xiàn)的幾種調(diào)控種胚發(fā)育途徑互作和如何調(diào)控下游基因也不是很明晰。關(guān)于荔枝種胚發(fā)育的研究僅局限于生理學(xué)和解剖學(xué)，對荔枝種胚敗育的分子調(diào)控機(jī)制的研究還處于剛剛起步階段，有待進(jìn)一步研究突破。我國荔枝種質(zhì)資源豐富，種胚發(fā)育穩(wěn)定的品種和種胚發(fā)育不穩(wěn)定且易受環(huán)境影響的品種都很多。無核果實(shí)性狀的形成是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，果實(shí)發(fā)育過程中若干因素的變化都有可能導(dǎo)致無核果實(shí)的生成，其內(nèi)在機(jī)制至今還不是很清楚。因此，無患子科果樹無核果實(shí)性狀的分子機(jī)制研究有待更全面地開展，探索種胚敗育、其核發(fā)育變?nèi)鹾推浜税l(fā)育停止的分子機(jī)制也將是無患子科果樹無核機(jī)制研究的重要內(nèi)容。

大量研究表明，無患子科果樹結(jié)出無核果實(shí)可能是與生長素(IAA)、細(xì)胞分裂素(CTK)、赤霉素(GA3)等植物內(nèi)源激素生物分子合成途徑和信號(hào)傳導(dǎo)途徑相關(guān)的基因發(fā)生了突變有密切相關(guān)性。開花前后子房內(nèi)這些激素含量急劇上升，從而引發(fā)胚囊敗育，無法完成受精，無法形成正常的種子，最后結(jié)出無核果實(shí)。因此，探明激素信號(hào)途徑和激素間的互作與無患子科果樹單性結(jié)實(shí)之間的關(guān)系，是進(jìn)一步深入研究無患子科果樹形成無核果機(jī)制的一個(gè)重要方向。