內(nèi)源激素對木本植物花芽分化影響研究進展

杜立言，俞潔蕾，周春玲

(青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院，山東青島 266109)

花芽分化是植物開花的先決條件，它是一個高度復雜的生理生化和形態(tài)發(fā)生的過程[1-3]。木本植物花芽分化指木本植物每年形成的營養(yǎng)頂端向生殖頂端生長轉(zhuǎn)化的過程，即木本植物枝條上的生長點由分生出營養(yǎng)芽轉(zhuǎn)變?yōu)榉只龌ㄑ康倪^程[2-3]。了解木本植物花芽分化對調(diào)控花期、?；ū９?、增加產(chǎn)量以及提高植物觀賞價值具有重要意義。長期以來人們就很注意研究花芽分化的內(nèi)因和外因，并提出了多種控制花芽分化的學說：有碳氮比(C/N)學說、臨界節(jié)位假說、內(nèi)源激素平衡說、遺傳基因控制論、成花素學說和多因子控制理論，當前普遍被人接受的是碳氮比學說、內(nèi)源激素平衡學說和遺傳基因控制論。

目前被科學界公認的六大類植物內(nèi)源激素有植物生長素類(auxins，IAA)、赤霉素類(gibberenllins，GA)、細胞分裂素類(cytokinins，CTK)、乙烯(ethylene,ETH)、脫落酸(abscisic acid，ABA)、油菜素甾醇類(brassinosteroids，BR)。已經(jīng)被確定為植物激素的為9種，除公認的六大類外還有茉莉酸(jasmonic acid, JA)、水楊酸(salicylic acid, SA)、獨角金內(nèi)酯(strigolactones, SL)[4-5]。植物激素能夠影響植物發(fā)芽、生根、開花、結(jié)實、性別決定、休眠和脫落，對植物的生長發(fā)育有重要的調(diào)控作用。植物激素與始花期調(diào)控密切相關，并且作為信號物質(zhì)能夠讓植物對一定環(huán)境條件下的生物和非生物脅迫造成的生理反應進行調(diào)節(jié)[6-8]。植物內(nèi)源激素可以通過與特定的蛋白質(zhì)受體結(jié)合來調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，對木本植物花芽分化起著微量高效的調(diào)節(jié)作用。眾多研究表明植物內(nèi)源激素含量的變化影響了木本植物花芽分化，植物內(nèi)源激素的平衡也影響花芽分化的進行。隨著遺傳學和分子生物學的發(fā)展，植物內(nèi)源激素調(diào)控木本植物花芽分化的研究有了比較深入的了解，但是木本植物花芽分化是一個復雜的過程，內(nèi)源激素對木本植物花芽分化的調(diào)控效果還存在較大爭議。

本文就木本植物花芽分化的規(guī)律及花芽分化過程中內(nèi)源激素的含量變化進行綜述，探討植物內(nèi)源激素調(diào)控木本植物花芽分化的機制，為外源激素對木本植物花芽分化進行調(diào)控提供參考和幫助。

1 木本植物花芽分化的規(guī)律

1.1 木本植物花芽分化的過程

Bangerth[9]認為木本植物花芽分化是不可逆的過程，需要植物激素瞬間變化調(diào)控花芽分化的發(fā)端。但在嚴苛條件下龍眼、荔枝和柑橘的花芽均可逆轉(zhuǎn)為葉芽，這預示植物內(nèi)源激素對成花具有更為復雜且未知的作用[10-11]?；ㄑ糠只饕浅苫ɑ蚩刂频纳砩^程，成花基因啟動后引起的一系列有絲分裂等特殊發(fā)育活動分化出花器原始體、花芽孕育完成的現(xiàn)象稱為花芽發(fā)端，而花芽原始體進一步發(fā)育構(gòu)成完整的花器的過程，則被稱為花芽發(fā)育階段或花芽形態(tài)建成[12]。

對于木本植物花芽生理分化以及形態(tài)分化的研究較多，蘋果[13]、櫻桃[14]、木蘭[15]、梨[16]、櫻花[17]、丁香[18]、桂花[19]等均有報道?；ㄑ糠只臅r期一般是根據(jù)各部分原基出現(xiàn)來劃分的，其分化速率反映了植物本身的節(jié)律和特性。木本植物的花芽分化通常在新梢停止生長后開始，可分為生理分化期和形態(tài)分化期，其又可以細分為未分化期、分化初期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期和雌蕊原基分化期。

1.2 木本植物花芽分化類型

根據(jù)不同樹種花芽分化的特點，木本植物花芽分化的方式可以分為5類，分別是夏秋分化型、冬春分化型、當年分化型、年內(nèi)多次分化型和不定期分化型。不同花芽分化類型的植物花芽分化時期和延續(xù)時間的長短不同，表1是部分樹種的花芽分化的時期和延續(xù)時間。隨著進一步研究，發(fā)現(xiàn)夏秋分化型的植物部分品種產(chǎn)生了變異現(xiàn)象，在多地的物候觀測中發(fā)現(xiàn)多種夏秋分化型的木本植物會在秋天(10月至11月)進行二次開花，例如蘋果、桃、連翹、榆葉梅、丁香和‘紅元寶’紫玉蘭等[19-23]，并且有木本植物相應品種存在穩(wěn)定二次開花的現(xiàn)象。郭娜[18]對‘什錦丁香’‘小葉丁香’和‘藍丁香’的兩次花芽分化對比分析認為，其體內(nèi)存在兩種花芽分化的類型，第一次開花的花芽為正常夏秋分化的花芽，第二次開花的花芽為當年一次分化的花芽。櫻花屬于夏秋分化型的植物，是典型的春季開花植物，但筆者在對‘十月櫻’開花物候的觀測中發(fā)現(xiàn)，該品種櫻花能夠每年在10月到11月之間穩(wěn)定地二次開放。

表1 部分樹種的花芽分化期

2 植物內(nèi)源激素對木本植物花芽分化的影響

2.1 生長素類

生長素(IAA)是最早發(fā)現(xiàn)的一種植物激素，具有促進側(cè)根和不定根形成，保持頂端優(yōu)勢等多種功能，一般認為IAA是花芽分化的抑制因子，IAA對于木本花芽分化的影響爭議頗多[24]。大多數(shù)木本植物IAA含量在花芽生理分化期迅速降低，促進花芽由生理分化期向形態(tài)分化期的轉(zhuǎn)變。王偉[25]對龍眼花芽內(nèi)源激素的測定發(fā)現(xiàn)，生理分化期間植物體花芽內(nèi)IAA的含量較低；邱學思等[26]對‘黃金杏’研究發(fā)現(xiàn)，‘黃金杏’進入生理分化期后IAA含量迅速下降，至生理分化期結(jié)束降至最低；桂花進入花芽形態(tài)分化期后IAA含量呈現(xiàn)下降趨勢[27]；‘首紅’蘋果花芽中IAA含量在花芽生理分化期同樣呈現(xiàn)急劇下降趨勢[30]，這都說明在生理分化期IAA下降有利于木本植物由生理分化期向形態(tài)分化期的轉(zhuǎn)化。木本植物花芽進入形態(tài)分化期后不同植物IAA含量隨著形態(tài)分化的進行有較大差別，三角梅在整個花芽分化期內(nèi)IAA相對含量最低[28]；‘首紅’蘋果花芽內(nèi)IAA含量在花芽形態(tài)分化期開始后一周含量較低且無明顯變化，趨于穩(wěn)定不變狀態(tài)[29]；研究人員對于大櫻桃的研究發(fā)現(xiàn)，隨著形態(tài)分化的進行，IAA含量呈波浪式上升趨勢，在雄蕊原基分化期芽內(nèi)IAA含量達到峰值[30]；而對于龍眼[25]和杏[26]的研究表明高濃度的IAA有利于龍眼花芽形態(tài)分化，形態(tài)分化開始后，IAA含量逐漸上升。

2.2 細胞分裂素類

細胞分裂素(CTK)為腺嘌呤的衍生物，是控制木本植物生長和發(fā)育的激素[31-33]，與IAA一起誘導植物細胞分裂，抑制葉片衰老，并且還能介導植物對環(huán)境的應激反應[34-36]。玉米素核苷(ZR)是CTK在木質(zhì)部中運輸?shù)闹饕问剑瑢χ参锘ㄑ糠只哂兄匾饬x[37]。在油橄欖較長的生理分化期內(nèi)，ZR含量一直處于較高水平，從生理分化期向花芽形態(tài)分化期轉(zhuǎn)變過程中，花芽中ZR含量迅速下降至最低含量，隨著花芽形態(tài)分化期的進行油橄欖花芽中ZR含量有所上升[38-40]。對于毛棉杜鵑和簕杜鵑花芽分化過程中ZR含量的測定同樣發(fā)現(xiàn)，花芽進入花萼原基分化期和花瓣原基分化期后ZR含量出現(xiàn)高峰，但隨著花芽形態(tài)分化的完成ZR含量急劇下降[41-43]。在大櫻桃[30]、刺梨[44]、‘首紅’蘋果[29]花芽分化的研究中發(fā)現(xiàn)，在花芽生理分化期后花芽ZR含量有提升，進入花芽形態(tài)分化期后植株花芽和葉芽中ZR含量都呈下降趨勢?？傮w來說在花芽形態(tài)分化期開始前木本植物花芽內(nèi)ZR含量較高，并且部分木本植物進入生理分化期后ZR含量略有升高，Ai等[45]研究認為高濃度的ZT有利于五味子花芽分化的進行，在文冠果[46]和板栗[47]二次花芽分化期的研究也表明在花芽分化期內(nèi)ZT含量逐漸提高。

2.3 赤霉素類

赤霉素(GA)是一種在植物體內(nèi)廣泛存在的激素，在對木本植物花芽分化的影響方面研究豐富，但其中不乏相互矛盾之處。大櫻桃花芽分化期中GA3含量在生理分化期處于低含量狀態(tài)，形態(tài)分化期開始后逐漸上升[30]。桂花花芽生理分化期GA3含量增多，進入形態(tài)分化期后含量下降，一直到花芽分化結(jié)束[48]。安麗君[49]用外源赤霉素處理桃花品種‘八月脆’后發(fā)現(xiàn)，GA1對桃花花芽分化具有抑制作用，并且具有一定的時期性，GA3能夠抑制成花基因PpLEAFY及MADS6的正常表達，從而抑制‘八月脆’的花芽分化。油桐在花芽生理分化期開始前含量較高，從生理分化期到形態(tài)分化期過程中含量快速下降，在形態(tài)分化過程中含量一直維持在較低的水平，花芽分化結(jié)束后含量上升[50]。研究發(fā)現(xiàn)無花果隨著花芽分化的進行GA1、GA3在芽內(nèi)的含量不斷下降，保持較低的水平，一直到花芽分化的完成[51]。白芝蘭等[31]用不同濃度的GA3處理‘紐荷爾臍橙’容器大苗，發(fā)現(xiàn)300 mg/L對花芽分化抑制效果最好。不同濃度外源GA對油茶進行葉面噴施，發(fā)現(xiàn)300 mg/L的處理對枝條花芽形成和當年果實品質(zhì)的影響最大[52]。不同木本植物同一時期或者是在生理分化期向形態(tài)分化期轉(zhuǎn)化的關鍵時刻，赤霉素含量和變化趨勢不同，對多數(shù)木本植物來說是主要的成花抑制激素。

2.4 脫落酸

脫落酸(ABA)主要合成于處于休眠狀態(tài)和將要脫落的器官中，是一種調(diào)節(jié)休眠、脫落及植物脅迫反應的生長抑制物質(zhì)[53]。ABA對木本植物花芽分化的影響可能是多種因素共同決定的，不同的花芽分化階段ABA的變化趨勢存在較大差異，一般來看較高濃度的ABA有利于木本植物開啟花芽分化。但是對于枇杷花芽分化的研究發(fā)現(xiàn)，ABA在枇杷花芽分化過程中起到抑制作用，對枇杷的植株用外源ABA進行處理，會導致枇杷成花困難甚至不能成花[54]；在對梨的研究中也發(fā)現(xiàn)高濃度的ABA對花芽分化產(chǎn)生抑制作用[55]。在大櫻桃[30]和杏[26]花芽的生理分化期中，花芽ABA含量迅速升高，ABA含量迅速躍升有利于植物生理分化期的進行，轉(zhuǎn)入花芽進入形態(tài)分化期后ABA含量迅速下降。在蘋果花芽分化研究過程中發(fā)現(xiàn)ABA含量在生理分化期較低，隨著花芽分化的進行ABA含量不斷上升，進入形態(tài)分化期后ABA平穩(wěn)地維持在高水平[30]。對簕杜鵑[44]和無花果[51]的研究測定同樣表明，進入花芽分化階段后隨著花芽分化的進行ABA含量逐漸上升。

2.5 其他植物生長激素

除了上述4種主要的植物激素外，乙烯和油菜素甾醇(BR)等也會對花芽的分化產(chǎn)生影響。油菜素甾醇被普遍認為是第六類植物內(nèi)源性激素，BR表現(xiàn)出生長素、赤霉素的某些特性，能影響植物的花芽分化和生長發(fā)育[56-57]。擬南芥的大多數(shù)過表達BR合成突變體和信號傳導途徑相關突變體表現(xiàn)出延長營養(yǎng)生長和推遲開花。在對荔枝施加外源BR后發(fā)現(xiàn)，其能夠在一定程度上抑制荔枝成花[58]。乙烯利通過表皮或者植物葉表面滲入細胞內(nèi)，在堿性環(huán)境下通過釋放乙烯誘導植物花芽分化，促進植物開花[59]，對簕杜鵑施加外源乙烯同樣能夠提前5 d開花，并延長花期7 d[60]。

3 內(nèi)源激素間互作對花芽分化的影響

研究者曾經(jīng)提出“成花素”的概念，但至今未能提取出來，所以人們更傾向于內(nèi)源激素對花芽分化的調(diào)控。隨著對內(nèi)源激素研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)并不是某一種內(nèi)源激素直接決定木本植物花芽分化的起始，而是多種激素的動態(tài)平衡調(diào)控花芽分化的正常進行。

1970年Luck[61]研究發(fā)現(xiàn)，蘋果短枝上花芽分化受到細胞分裂素和赤霉素共同的影響，于是他提出CTK/GA平衡影響花芽分化，后來Hoad[62]和Grochowska[63]的研究也支持這個結(jié)果。生產(chǎn)上利用乙烯利促使蘋果成花效果很好，研究認為乙烯利能夠抑制生長素的合成與傳導，進而間接促使蘋果成花。曹尚銀等[29]研究蘋果花芽分化的過程，發(fā)現(xiàn)花芽形態(tài)分化開始后ABA/IAA、ABA/GAs、ZR/GAs和ZR/IAA比值迅速升高,達到平衡狀態(tài),對提高成花率有重要作用。‘七月鮮’和‘佳縣長棗’的研究發(fā)現(xiàn)，高的ABA/GA3值對花芽孕育和花的發(fā)育均有利，ABA/IAA比值增大，IAA/GA3比值減小可促進花芽發(fā)育[63]。刺梨在花芽分化期花芽的ABA/IAA、ABA/GA、ZR/GA和ZR/IAA比值高于葉芽，這有利于刺梨的花芽分化[44]。文冠果中ZT/IAA值在芽分化初期至雌蕊原基分化期不斷上升，ABA/IAA、ABA/GA和ZT/GA在花芽分化初期至雌蕊原基分化期均處于較高水平，有利于文冠果的花芽分化[64]?；ㄑ糠只^程中激素靜態(tài)比值是激素平衡說的重要的支持論據(jù)，通常情況下花芽分化過程中各類激素處于動態(tài)變化之中，通過對不同木本植物花芽分化過程中不同激素靜態(tài)比值研究，發(fā)現(xiàn)高的ABA/IAA、ABA/GAs、ZR/GAs和ZR/IAA值有助于花芽分化的進行。由此可見，并不是單一的某種激素對花芽分化產(chǎn)生影響，而是多種內(nèi)源激素通過在時間和空間上的相互間的平衡狀態(tài)來調(diào)控花芽分化。

4 問題與展望

植物內(nèi)源激素對木本植物花芽分化的影響機理是植物生理生化研究領域重要的內(nèi)容，針對植物花芽分化的研究有利于了解植物營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變過程中生理和形態(tài)變化，也有利于調(diào)控植物的花期。隨著科技的快速發(fā)展，通過使用植物生長調(diào)節(jié)劑調(diào)控植物的生長發(fā)育和產(chǎn)品質(zhì)量逐漸被人們重視，并因此獲得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。但是現(xiàn)階段植物內(nèi)源激素的研究缺乏統(tǒng)計學分析處理的方法，沒有研究明確提出內(nèi)源激素的木本植物花芽分化的促進或抑制的濃度范圍。內(nèi)源激素對于不同植物花芽分化不同階段的影響存在較大差異，同一激素在不同植物的同一分化階段起到的作用相去甚遠。確定各種植物內(nèi)源激素對植物花芽分化促進和抑制的濃度范圍，可以為外源激素對木本植物花芽分化進行調(diào)控提供指導。

隨著植物內(nèi)源激素測定方式不斷地發(fā)展，未來對于植物內(nèi)源激素的研究可以從植物內(nèi)源激素影響花芽分化的途徑、植物激素對植物花芽分化促進和抑制的濃度范圍以及從多種植物內(nèi)源激素間平衡的進行而展開。