果樹花粉直感效應(yīng)形成機(jī)理研究進(jìn)展

楊 芩，劉雅蘭，張婷渟，彭 舒，田 鑫

（凱里學(xué)院 a.大健康學(xué)院；b.藍(lán)莓研究所，貴州 凱里 556000）

早在1868年，Darwin 在他的《變異》一書中就用了6 頁的篇幅來描述“雄性元素對母體器官的間接或直接作用”[1]，后來這被稱為花粉直感，即不同基因型花粉授粉后，從受精至種子萌發(fā)期間，花粉基因型直接影響種子與果實發(fā)育及表型特征產(chǎn)生差異，從而具有花粉親本表型性狀的現(xiàn)象，也就是雌雄性細(xì)胞的結(jié)合，花粉基因型可以直接影響胚和胚乳以外的母體組織——種皮或果皮，使雜交果實、種子的性狀、色澤及品質(zhì)等性狀產(chǎn)生差異的現(xiàn)象[2-6]。有關(guān)研究結(jié)果證明，花粉直感在果樹中廣泛存在，其不僅影響雙受精后形成的胚乳和胚，使種子的形狀、大小等[7-11]產(chǎn)生差異，也可以影響果實的成熟期[12]、形狀[13]、大小[14-15]、果皮色澤[16-17]、風(fēng)味[18-19]及內(nèi)在物質(zhì)含量等[20-23]。因此，關(guān)于花粉直感現(xiàn)象的研究對以果實或種子為主要收獲對象的果樹生產(chǎn)有著重要意義，可為生產(chǎn)上授粉品種的配置、產(chǎn)量的增加、內(nèi)外品質(zhì)的改善等提供理論依據(jù)；同時在果樹遺傳學(xué)、生理學(xué)和育種學(xué)上均有重要的理論價值[1,3,6]。 當(dāng)前，許多果樹種植者和園藝家都已認(rèn)識到花粉直感的實踐重要性與理論價值，但當(dāng)前他們對花粉直感的研究主要集中于現(xiàn)象觀察階段，而關(guān)于花粉直感效應(yīng)形成機(jī)理的研究十分缺乏，對其機(jī)理仍知之甚少，利用程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為此，本研究以花粉直感效應(yīng)形成的生命過程為線索，從花粉直感效應(yīng)與內(nèi)源激素、關(guān)鍵物質(zhì)合成酶和花粉miRNAs 轉(zhuǎn)移等方面，梳理了果樹花粉直感效應(yīng)的形成機(jī)理，在此基礎(chǔ)上開展綜合分析與討論，提出了以花粉直感效應(yīng)形成的生命過程為線索從分子水平研究花粉直感效應(yīng)形成機(jī)理的研究思路，并對今后的研究方向進(jìn)行了展望，以期為進(jìn)一步深入開展花粉直感效應(yīng)形成機(jī)理的研究及在生產(chǎn)中更高效、廣泛地利用花粉直感效應(yīng)調(diào)控果樹產(chǎn)量及品質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 花粉直感效應(yīng)與內(nèi)源激素的關(guān)系

有關(guān)研究者在對‘京白梨’[24]、‘沙田柚’[25]和刺梨[26]自花與異花授粉后果實發(fā)育過程中內(nèi)源激素變化規(guī)律的研究中認(rèn)為，種子作為激素合成的主要部位受花粉的遺傳信息調(diào)節(jié)，這些激素可以運輸至果肉或調(diào)節(jié)果肉中激素含量的變化，進(jìn)而引起花粉直感現(xiàn)象的產(chǎn)生。例如，‘沙田柚’異花授粉果實的重量和體積均高于自花授粉，與未授粉處理的子房相比，授粉處理能夠使子房的內(nèi)源激素GA1+3、CTKs 、ABA 和IAA 水平均急劇上升，授粉后子房迅速膨大，且異花授粉處理效果 更加明顯；更值得關(guān)注的是，果實生長發(fā)育初期，異花授粉的幼果中促進(jìn)類內(nèi)源激素的含量高于自花授粉的，其中ABA 水平明顯低于自花授粉的；果實迅速增長期間，內(nèi)源激素GA1+3和IAA 有兩個明顯的高峰期，說明GA1+3和IAA 含量與果實迅速膨大均有密切關(guān)系[25]。潘海發(fā)等人[27]的研究結(jié)果表明，用單果較大的‘圓黃’對‘碭山酥梨’授粉，在授粉后15 d 的果實細(xì)胞分裂旺盛時期，其果肉中IAA、ZR 的含量均高于用單果較小的‘鴨梨’授粉的果肉中IAA、ZR 的含量，果實細(xì)胞生長、分裂加劇，細(xì)胞基數(shù)增大，為果實增大打下了基礎(chǔ)，因此，其花粉直感現(xiàn)象與果肉、種子含有的激素水平均有關(guān)。杜研等[28]研究認(rèn)為，不同授粉方式引起蘋果幼果果肉中IAA、GA3、ZT 的含量差異明顯，進(jìn)而使果肉細(xì)胞伸長和分裂均受到明顯的影響，最終導(dǎo)致果實性狀差異的產(chǎn)生。徐臣善[29]研究發(fā)現(xiàn)，不同的授粉品種通過影響蘋果果實發(fā)育后期的內(nèi)源激素水平，使果實生長期延長，保持相對較高的凈生長速率，調(diào)控果實的生長，提高果實單果質(zhì)量，表現(xiàn)出花粉直感效應(yīng)。由此可見，不同基因型花粉授粉受精后，在果實生長發(fā)育過程中，激素水平差異較大，從而導(dǎo)致果實外觀品質(zhì)和內(nèi)在品質(zhì)產(chǎn)生差異，表現(xiàn)出花粉直感效應(yīng)。

2 花粉直感效應(yīng)與關(guān)鍵物質(zhì)合成酶的關(guān)系

有少數(shù)研究者從酶活性差異的角度研究了花粉直感效應(yīng)的形成機(jī)理。不同基因型花粉授粉受精后，果實生長發(fā)育過程中各類酶活性存在差異，導(dǎo)致了果實中糖酸積累代謝水平的差異，最終導(dǎo)致了果實風(fēng)味的差異。有關(guān)研究結(jié)果表明，用‘脆梨’和‘雪花梨’的花粉給‘鴨梨’授粉，‘雪花梨’授粉的幼果中過氧化物酶的活性低于‘脆梨’授粉的幼果，這表明前者代謝功能強(qiáng)于后者，這可能是‘脆梨’授粉的幼果小的原因所在，并且不同品種授粉組合間果實中的過氧化物酶同工酶酶譜存在明顯的差異[3]。采用選育的海棠優(yōu)系授粉樹授粉后的蘋果果實中的ASA 含量和抗氧化酶活性等均有不同程度的提高，并且能夠增糖降酸，改善果實口感[30]。夏國海等[31]研究認(rèn)為，IAA 和ABA 可能通過增強(qiáng)已糖異構(gòu)酶的活性，加速了果糖向葡萄糖的轉(zhuǎn)化，而GA 卻對該過程有抑制作用，使果糖含量明顯增加。戚行江等[32]的研究結(jié)果表明，在以‘東魁’為母本的授粉組合中，‘東魁’×黃巖的蔗糖合成酶（SS）活性最高，而在以‘荸薺種’為母本的授粉組合中，‘荸薺種’×黃巖的SS 活性最高，因此，這兩個組合的蔗糖含量大于其他授粉組合的蔗糖含量。

3 花粉直感效應(yīng)與花粉miRNAs 轉(zhuǎn)移的關(guān)系

新世紀(jì)以來，許多分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的研究成果都表明，MicroRNAs（miRNAs）小分子能夠在動物和植物的不同細(xì)胞及有機(jī)體間相互轉(zhuǎn)移運輸[1]，其為真核生物基因轉(zhuǎn)錄后的關(guān)鍵調(diào)控因子，具有高度的特異性，并參與調(diào)控一系列生物過程[30-31,33]，且能引起發(fā)育組織的表型變化[16,34]。 大量研究結(jié)果都表明，小RNA 在植物中普遍存 在[35]；Kudo 和Harada[36]亦發(fā)現(xiàn)，從西紅柿砧木中轉(zhuǎn)移至馬鈴薯葉片中的RNA，可以改變馬鈴薯的葉片形態(tài)。更有趣的是，這種miRNA 不僅在哺乳動物的精子中被發(fā)現(xiàn)，而且在植物的雄配子中亦被發(fā)現(xiàn)[1]。例如，Engel 等[37]發(fā)現(xiàn)，玉米屬植物精子中具有復(fù)雜的miRNA 分子，這種小分子能夠在細(xì)胞微環(huán)境中被釋放和傳遞，其信號傳遞比激素更有效[34]，且可以調(diào)控園藝植物的果實發(fā)育、果實大小、果實著色和果實成熟期[35]，以及以劑量方式調(diào)控花粉的育性和受精能力[38]，由此推測，來自花粉的mRNA 可能通過胞間質(zhì)傳遞至非雙受精的母體組織中并得以表達(dá)進(jìn)而可能表現(xiàn)出花粉直感效應(yīng)[1,34]。

4 綜合分析與討論

花粉攜帶的父本信息是通過何種途徑在果實生長發(fā)育過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)的，以調(diào)控花粉直感效應(yīng)的呈現(xiàn)，這是研究花粉直感效應(yīng)形成機(jī)理的核心問題。從前人研究發(fā)現(xiàn)的花粉直感效應(yīng)類型及產(chǎn)生的機(jī)理來看，內(nèi)源激素是形成花粉直感效應(yīng)的一類關(guān)鍵物質(zhì)，其在果實發(fā)育過程中的差異是表現(xiàn)出花粉直感效應(yīng)的重要原因之一，但在不同類型花粉直感效應(yīng)的形成過程中，引起內(nèi)源激素差異的路徑及扮演的角色可能存在差異。種子由胚、胚乳和種皮組成，其物質(zhì)的組成主要由胚和胚乳決定，由于雙受精，故胚和胚乳受到父本和母本基因型的共同影響[39]。因此，種子中的蛋白質(zhì)、可溶性糖、淀粉及維生素等營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生變異的種子直感效應(yīng)[40-41]，可能歸因于不同父本授粉后通過受精極核將父本信息在胚乳中進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)而形成這一類型的直感效應(yīng)，或可能歸因于受精卵發(fā)育成胚的過程中釋放激素的差異所致，或兩者兼而有之。然而，果實直感則更為復(fù)雜，除種子外，果實還包括果肉和果皮等部分，且目前關(guān)于果實花粉直感效應(yīng)的研究被關(guān)注更多的方面則是由花托和子房壁等非雙受精母體組織發(fā)育而成的食用部分，其表現(xiàn)出的直感效應(yīng)除了可能歸因于種子直感效應(yīng)外，亦可能歸因于花粉mRNA 在花粉管生長過程中通過轉(zhuǎn)移進(jìn)入非雙受精的母體組織，并以劑量方式調(diào)控果實發(fā)育過程中激素水平的差異，進(jìn)而引起各表型特征形成關(guān)鍵酶的差異，以調(diào)控花粉直感效應(yīng)的表達(dá)。

5 研究展望

目前花粉直感效應(yīng)形成的機(jī)理已引起國內(nèi)外學(xué)者的重視和關(guān)注，但對其產(chǎn)生的生理機(jī)理和分子機(jī)制的研究報道仍甚少，關(guān)于花粉直感效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)制，特別是花粉直感怎樣通過生理機(jī)理和分子機(jī)制調(diào)控直感效應(yīng)的形成，至今仍未有明確的解釋。前人關(guān)于果樹花粉直感效應(yīng)及產(chǎn)生機(jī)理的研究雖然為果樹花粉直感效應(yīng)形成的分子機(jī)制研究提供了良好思路，但前人在研究具體的花粉直感效應(yīng)形成的過程中，主要關(guān)注人類食用的果實部位，對于板栗和山核桃等果樹的相關(guān)研究，更多的是關(guān)注經(jīng)雙受精發(fā)育獲得的種子部分，而對于梨和蘋果等果樹的相關(guān)研究，關(guān)注更多的是非雙受精母體組織發(fā)育的果肉部分，卻未能依據(jù)果實各器官的來源組織是否在雙受精過程中融入父本信息進(jìn)行比較分析，這使得花粉直感效應(yīng)形成的原因一直撲朔迷離。因此，筆者認(rèn)為，開展果樹花粉直感效應(yīng)及其形成機(jī)理的研究，應(yīng)以直感效應(yīng)產(chǎn)生的部位是否來源于雙受精母體組織為基礎(chǔ)和依據(jù)而開展，在前人將花粉直感效應(yīng)分為種子直感和果實直感的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其分為雙受精直感、非雙受精直感和兼容直感。

另外，花粉是產(chǎn)生花粉直感的根源，其功能是產(chǎn)生精子并運載使之進(jìn)入胚囊實現(xiàn)雙受精，在這一過程中，由于不同花粉的活力、內(nèi)源激素與多胺，不同品種授粉親和性及花柱中內(nèi)源多胺、激素含量，以及不同親和程度引起的種子數(shù)、幼果果肉中內(nèi)源激素的差異，或者這一過程中來自不同基因型花粉的遺傳信息轉(zhuǎn)移和表達(dá)的差異都可能導(dǎo)致花粉直感效應(yīng)。由此可見，花粉直感效應(yīng)的形成是一個極其復(fù)雜的過程，因此，筆者認(rèn)為，研究花粉直感效應(yīng)的形成機(jī)理，應(yīng)以其形成的生命過程為線索開展雙向追蹤式研究，以及進(jìn)行授粉前、授粉至受精和受精至果實發(fā)育成熟的階段化和系統(tǒng)化的思考與設(shè)計。正向研究方面，首先選取花粉直感現(xiàn)象明顯、親緣關(guān)系近、遺傳雜合度低的兩個品種作為研究材料，授粉前分別收集花粉進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，弄清兩個親本花粉之間的差異SNP、indel 標(biāo)記基因和miRNAs；同時，分別對影響花粉活力、花粉管生長和授粉親和性的內(nèi)源激素和多胺等物質(zhì)進(jìn)行定量分析。授粉至受精階段，分別測定分析授粉前后花柱和子房中內(nèi)源激素和多胺的差異；利用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)弄清各授粉處理組合花柱和子房授粉前后的差異SNP、indel 標(biāo)記基因和miRNAs，以及檢測雙受精組織和非雙受精組織miRNAs 的轉(zhuǎn)運情況。受精至果實成熟階段，跟蹤調(diào)查和分析果實發(fā)育進(jìn)程，以明確花粉管直感效應(yīng)形成的關(guān)鍵時期，采用石蠟切片技術(shù)，弄清不同授粉組合胚胎發(fā)育進(jìn)程的差異和發(fā)育關(guān)鍵時期，在此基礎(chǔ)上，采用轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)弄清不同授粉組合間各關(guān)鍵時期的差異SNP、indel 標(biāo)記基因和miRNAs。

此外，也可逆向思維，在明確花粉直感效應(yīng)的基礎(chǔ)上，首先開展花粉直感效應(yīng)形成進(jìn)程的跟蹤調(diào)查和分析，明確花粉直感效應(yīng)形成的關(guān)鍵時期，針對每一種花粉直感效應(yīng)表型參數(shù)，以其代謝合成途徑為線索，采用代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究技術(shù)開展因果關(guān)系的反向追因研究，重點關(guān)注合成途徑的關(guān)鍵酶活性和調(diào)控基因表達(dá)差異。最后開展正反雙向研究結(jié)果關(guān)聯(lián)分析，以明確父本的相關(guān)信息是在授粉、受精或果實發(fā)育過程中的哪一個時期、通過什么方式進(jìn)入母本組織的，是未通過雙受精組織直接進(jìn)入母本組織呈現(xiàn)花粉直感效應(yīng)，還是通過雙受精組織間接影響，或以小RNA 形式進(jìn)入母體非雙受精組織，或兼而有之，進(jìn)而明確花粉直感效應(yīng)形成的差異基因功能富集和通路與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模塊及分子機(jī)制。