甜櫻桃裂果機(jī)理研究現(xiàn)狀與展望

王紅明，李雪，汪海燕，王順才*

(1.天水師范學(xué)院生物工程與技術(shù)學(xué)院，甘肅天水 741000；2.甘肅省大櫻桃技術(shù)創(chuàng)新中心，甘肅天水 741000；3.天水市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，甘肅天水 741000)

甜櫻桃成熟期裂果一直是影響其果實(shí)品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益的重要因素，全球每年因裂果造成的損失約占總產(chǎn)量的30%[1，2]。筆者從裂果的內(nèi)外因素、裂果機(jī)理及裂果防治措施3個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)甜櫻桃裂果的研究進(jìn)展，并提出了今后研究的重點(diǎn)方向，為>甜櫻桃生產(chǎn)和裂果機(jī)理研究提供參考和借鑒。

1 甜櫻桃裂果的類型

甜櫻桃裂果是一類生理性病害，可分為果頂部半圓形和不規(guī)則龜裂、胴部縱向和橫向龜裂、梗洼部輪狀和星芒狀縱向龜裂三種類型[1]。

2 甜櫻桃裂果的外部因素

2.1 水分

水分是影響裂果最直接的因素。雨水引起的果實(shí)開裂是甜櫻桃栽培中最重要的原因之一，對(duì)這一現(xiàn)象的研究已有一個(gè)多世紀(jì)[2-8]。普遍認(rèn)為，降雨后，土壤含水量急劇增加，根系吸收大量水分，果實(shí)短期快速生長(zhǎng)，導(dǎo)致果肉的生長(zhǎng)速度超過(guò)果皮生長(zhǎng)速度，誘發(fā)裂果。同時(shí)，吸附在果皮表面的水分及空氣中的水汽均可誘導(dǎo)裂果發(fā)生。避雨棚內(nèi)溫度急劇升降，會(huì)導(dǎo)致果實(shí)呼吸加強(qiáng)，進(jìn)而引起果實(shí)大量吸水而發(fā)生裂果。Winkler 等比較分析了采后浸水、未摘暴露在模擬降雨及采后置于樹冠下且暴露在模擬降雨中的3種甜櫻桃果實(shí)，發(fā)現(xiàn)浸入水中的甜櫻桃吸水率最高，裂果最快[9]，表明水分對(duì)裂果有重要的影響。

2.2 溫度

氣溫影響裂果的發(fā)生。隨著氣溫逐漸升高(16～35 ℃)，甜櫻桃裂果率也直線上升[10]。可能原因是溫度升高使熱量向果內(nèi)傳遞，導(dǎo)致果肉細(xì)胞的膨脹速率大于果皮細(xì)胞的膨脹速率，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。另外，高溫、日灼使果實(shí)表皮產(chǎn)生灼傷點(diǎn)，果皮組織細(xì)胞產(chǎn)生大量的自由基，易誘發(fā)細(xì)胞膜發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)產(chǎn)生潰解，形成微裂紋[11]。

2.3 礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)

果實(shí)中鈣、鉀、硼等礦質(zhì)元素的含量與裂果有密切關(guān)系[2, 12]。其中鈣元素對(duì)甜櫻桃裂果的影響最明顯。在果實(shí)發(fā)育期外源補(bǔ)鈣，可提高果肉中Ca2+濃度，降低裂果率[13]，對(duì)果實(shí)噴施速硼鈣可顯著降低裂果率[14]，在根部施用多肽螯合鈣肥，果實(shí)中Ca2+濃度也增加，裂果率降低[15]。這表明，果實(shí)中Ca2 +濃度增加，可降低甜櫻桃裂果率。

除鈣外，鉀離子也是影響裂果的另一重要礦質(zhì)因素。適宜的K+濃度對(duì)增加果皮硬度起調(diào)節(jié)作用。據(jù)報(bào)道，在不同甜櫻桃品種果實(shí)硬核期噴施K+溶液，與對(duì)照果相比裂果中的果膠、氨基酸、脯氨酸及鉀、鈣等營(yíng)養(yǎng)成分的含量都升高。果實(shí)發(fā)育前期缺鉀會(huì)導(dǎo)致裂果，果實(shí)發(fā)育后期鉀濃度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致裂果，這可能與較高的K+濃度使果皮增厚、同時(shí)與Ca2+發(fā)生拮抗作用而影響鈣的吸收有關(guān)[2, 16]。

2.4 栽培管理

在甜櫻桃生產(chǎn)中，同一品種在不同栽培管理?xiàng)l件下裂果率常常存在較大差異[17]。對(duì)樹體的修剪、澆水、施肥等管理措施都會(huì)間接影響裂果的發(fā)生。Measham 等發(fā)現(xiàn)低產(chǎn)櫻桃樹裂果率更高，提高坐果率和合理疏果會(huì)減少裂果的發(fā)生[18]。果園基肥不足，前期施肥少，后期進(jìn)行根外施肥，造成果實(shí)后期迅速生長(zhǎng)，果個(gè)急劇增大，也會(huì)導(dǎo)致裂果。有機(jī)肥能改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤保水保肥能力，改善樹體生長(zhǎng)環(huán)境，增強(qiáng)樹體抗性，降低裂果率。另外，果實(shí)成熟期未采取避雨措施或者灌水太多，會(huì)導(dǎo)致土壤水分過(guò)大，根系吸水過(guò)量，同樣引發(fā)裂果。

3 甜櫻桃裂果的內(nèi)部因素

3.1 栽培品種

甜櫻桃裂果主要是由品種本身的遺傳特性決定的，各品種間在開裂耐受性和敏感性方面存在明顯差異，一般而言，成熟期與雨季一致的品種裂果嚴(yán)重，避開雨季成熟的品種不裂果或裂果較輕[17, 19]。因此，甜櫻桃耐裂性育種一直是重中之重，當(dāng)前已選育出很多優(yōu)良的栽培品種[6, 20, 21]，如薩米脫、Star和Sue等品種。Simon 等對(duì)51個(gè)甜櫻桃主栽品種的裂果敏感性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)裂果與品種基因型有關(guān)[10]。在表1中列舉了部分甜櫻桃品種的果實(shí)大小、果形、硬度和裂果敏感度[10, 22, 23]，其中，Star和Sue品種的抗裂果表現(xiàn)最好。然而，同一個(gè)品種在不同地區(qū)對(duì)裂果的抗性存在差異，如甜心和秦林在匈牙利較易裂果，在中國(guó)裂果率較輕[2, 10]。

表1 甜櫻桃品種的果實(shí)參數(shù)和開裂傾向

續(xù)表

3.2 砧木

不同甜櫻桃的嫁接砧木根系對(duì)水分、礦質(zhì)元素等吸收能力不同，造成裂果率也不同。Simon等對(duì)匈牙利地區(qū)的4種甜櫻桃砧木進(jìn)行了抗裂果能力分析，發(fā)現(xiàn)在不同砧木樹上收獲的甜櫻桃果實(shí)大小和硬度沒(méi)有差異，而Colt和M× M 97砧木上果實(shí)的可溶性固形物含量高于其他砧木[24]。將果實(shí)浸泡4 h后，M× M 97砧木的果實(shí)開裂率最高，而Colt砧木的果實(shí)裂果率最低；浸漬24 h后，Colt砧木上的果實(shí)裂果率最高，而M× M 97砧木上的果實(shí)裂果率最低。這說(shuō)明M×M 97砧木在降雨較多時(shí)更能抗裂果。

4 甜櫻桃裂果機(jī)理研究

4.1 裂果假說(shuō)

研究發(fā)現(xiàn)，甜櫻桃裂果的影響因素很多，其裂果機(jī)理十分復(fù)雜。早期普遍認(rèn)可的是“臨界膨壓”假說(shuō)。認(rèn)為水分吸收會(huì)增加果實(shí)體積、表面積和膨壓，當(dāng)果皮破裂和果實(shí)開裂時(shí)達(dá)到臨界膨壓。這與人們觀察到降雨或露水后果實(shí)長(zhǎng)時(shí)間表面濕潤(rùn)引起的開裂結(jié)果一致，該假說(shuō)對(duì)果實(shí)開裂提供了直觀合理的解釋。近年來(lái)，許多實(shí)驗(yàn)證據(jù)對(duì)“臨界膨壓”理論提出了質(zhì)疑。Knoche 等研究發(fā)現(xiàn)，甜櫻桃果實(shí)成熟時(shí)缺乏顯著膨壓，膨壓對(duì)水分吸收或蒸騰沒(méi)有反應(yīng)[5]。Winkler 等研究進(jìn)一步證明，甜櫻桃果實(shí)遠(yuǎn)非理想的滲透壓計(jì)[25]，果皮僅可滲透溶劑以及低分子溶質(zhì)[9]，而果肉比果皮具有更負(fù)的水勢(shì)[26]。鑒于此，也有研究者提出一種“拉鏈”假說(shuō)的替代模型，認(rèn)為裂紋是果皮局部缺陷的結(jié)果，而果皮局部缺陷又會(huì)引發(fā)拉鏈?zhǔn)絺鞑ヒ孕纬闪鸭y[27]。這一新的拉鏈模型認(rèn)為，果實(shí)細(xì)胞壁腫脹導(dǎo)致了表皮細(xì)胞壁破裂，最終導(dǎo)致果實(shí)開裂[28]。使用磁共振成像和光學(xué)相干斷層掃描發(fā)現(xiàn)，宏觀裂紋是由微裂紋非常局部的吸水引起，其初始點(diǎn)是單個(gè)外中果皮細(xì)胞的破裂。通過(guò)光學(xué)顯微鏡和細(xì)胞壁的免疫標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，宏觀裂紋的傳播與細(xì)胞死亡和細(xì)胞壁腫脹有關(guān)。當(dāng)單個(gè)細(xì)胞破裂時(shí)，膨脹去除，從而使細(xì)胞壁腫脹并引發(fā)蘋果酸的釋放，導(dǎo)致?lián)p傷擴(kuò)散[29]。細(xì)胞壁腫脹與細(xì)胞粘附減少直接相關(guān)，影響水果的結(jié)構(gòu)骨架(表皮和皮下組織)并最終導(dǎo)致裂縫[30]。有研究發(fā)現(xiàn)，果皮開裂主要是濕潤(rùn)持續(xù)時(shí)間和濕潤(rùn)表面積百分比的函數(shù)，而不是吸水量[9]。這一發(fā)現(xiàn)與拉鏈模型一致，因?yàn)槲⒘鸭y發(fā)展為宏觀裂紋需要果實(shí)表面持續(xù)的濕度[9]。

當(dāng)前，果實(shí)開裂被認(rèn)為是一個(gè)多步驟的過(guò)程，包括：①由早期生長(zhǎng)過(guò)程中角質(zhì)和蠟質(zhì)合成和沉積的下調(diào)引起表皮應(yīng)變形成微裂紋[5, 31, 32]，隨后將應(yīng)變的表皮暴露于潮濕環(huán)境中[33]；②通過(guò)微裂縫進(jìn)行局部水滲透[34]；③單個(gè)中果皮細(xì)胞破裂，蘋果酸滲入無(wú)細(xì)胞壁空間，損害包括表皮細(xì)胞在內(nèi)的相鄰細(xì)胞[29, 35]；④導(dǎo)致細(xì)胞壁腫脹的膨壓完全喪失[36]；⑤最后細(xì)胞壁腫脹會(huì)降低細(xì)胞壁剛度、斷裂張力和細(xì)胞間粘附，導(dǎo)致相鄰細(xì)胞分離[28]。由果皮拉傷產(chǎn)生的張力足以導(dǎo)致細(xì)胞沿其腫脹的壁分離并使果皮破裂。研究發(fā)現(xiàn)，甜櫻桃果實(shí)中的細(xì)胞壁腫脹是一個(gè)物理過(guò)程，相對(duì)于汁液負(fù)的滲透勢(shì)，其產(chǎn)生的壓力非常低。在健康細(xì)胞中，細(xì)胞膨脹可以抵消細(xì)胞壁腫脹。目前還不清楚細(xì)胞壁的哪些部分負(fù)責(zé)膨脹，有人推測(cè)細(xì)胞壁中的果膠和木葡聚糖可能對(duì)膨脹起關(guān)鍵作用[37]。

4.2 裂果生理機(jī)制

裂果是果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)入后期出現(xiàn)的一種生理失調(diào)現(xiàn)象。Jordi 等分析了易裂甜櫻桃品種(Prime Giant)和耐裂甜櫻桃品種(Cristalina)裂果的生理機(jī)制，通過(guò)比較兩者之間的氧化應(yīng)激、乙烯呼吸、初級(jí)代謝、細(xì)胞壁修飾等生理變化，發(fā)現(xiàn)果皮開裂敏感性與果實(shí)生長(zhǎng)速率相關(guān)。與耐裂品種Cristalina相比，易裂品種Prime Giant果實(shí)生長(zhǎng)更快，呼吸活性和乙烯生成更高，H2O2凈積累和膜過(guò)氧化也更高[38]。果皮開裂不僅僅是一個(gè)果實(shí)吸水或膨壓改變的簡(jiǎn)單后果，可能是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程，而乙烯對(duì)甜櫻桃成熟和果皮開裂有重要的調(diào)控作用。

4.3 裂果分子機(jī)制

研究表明，甜櫻桃裂果受多基因調(diào)控。在果實(shí)轉(zhuǎn)色期，易裂品種果實(shí)中的膨脹素(EXP)轉(zhuǎn)錄水平更高[39]，參與角質(zhì)層形成[40]或細(xì)胞壁特性[28, 37]的基因可能是開裂耐受性/易感性的潛在候選基因。José Quero-García等利用抗裂果品種雷潔娜(Rigina)、中抗裂果品種拉賓斯(Lapins)、易裂果品種加內(nèi)特(Garnet)和佛爾斯?fàn)?Fercer)以及一個(gè)未知品種構(gòu)建了3個(gè)遺傳群體，共306份RIL遺傳材料，通過(guò)對(duì)裂果類型和裂果比率長(zhǎng)期的觀察和QTL分析，針對(duì)每種裂果類型在一個(gè)連鎖群體中至少鑒定到一個(gè)PVE大于20%的QTL位點(diǎn)。通過(guò)對(duì)其他QTL位點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)連鎖群體中都鑒定到至少兩個(gè)緊密連鎖的QTL位點(diǎn)與裂果性狀相關(guān)，這證實(shí)了甜櫻桃抗裂果QTL位點(diǎn)的復(fù)雜性。該研究開發(fā)的抗裂果QTL位點(diǎn)將對(duì)利用分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)選育甜櫻桃抗裂果品種具有重要的意義，也為進(jìn)一步定位甜櫻桃抗裂果相關(guān)基因奠定了基礎(chǔ)[41]。

5 防治措施

5.1 選育抗裂品種和砧木

實(shí)踐表明，不同甜櫻桃品種、砧木及不同砧穗組合的甜櫻桃裂果率差異較大。因此，選育抗裂品種和砧木是解決裂果的根本途徑?？沽哑贩N是由自身遺傳特性決定的，一方面可能是有相關(guān)抗裂果基因高表達(dá)調(diào)控這一生物學(xué)過(guò)程，另一方面是其成熟期推遲或提早，避開雨季、陰雨天和高溫高濕天氣，減輕采前裂果。因此，建議選用抗裂果的薩米脫、先鋒、桑提娜、拉賓斯等品種；砧木最好選用適宜當(dāng)?shù)赝寥?、氣候條件的品種，國(guó)內(nèi)目前應(yīng)用較多的有大青葉、吉塞拉6號(hào)、吉塞拉12號(hào)、馬哈利和考特等品種。

5.2 優(yōu)化栽培管理技術(shù)

適宜的栽培措施對(duì)樹體生長(zhǎng)發(fā)育抗逆性有著重要影響，對(duì)果實(shí)裂果也有重要作用。因此，在栽培管理中應(yīng)做好以下幾個(gè)方面：

選擇合理地段建園。選擇適宜的園址是減少甜櫻桃裂果最經(jīng)濟(jì)有效的方法[23]。除了適宜氣候條件外，在成熟期或近成熟期無(wú)降雨或降雨很少的地區(qū)，是甜櫻桃栽培最適合的地區(qū)。另外，盡量選擇壤土或砂壤土建園，土壤粘性重的地區(qū)要注重對(duì)土壤的改良，增加土壤排水性，避免積水。

加強(qiáng)果園水分管理。通過(guò)水分管理，控制水分的平穩(wěn)吸收，減輕成熟期果實(shí)濕潤(rùn)度，是防治裂果的關(guān)鍵。果實(shí)發(fā)育期，要控制澆水量，避免一次性大量灌水，導(dǎo)致根系吸水過(guò)多，濕度劇增，發(fā)生裂果。雨后要及時(shí)排水，或者搭建防雨棚，降低雨水直接留在果實(shí)表面，造成裂果。另外，可通過(guò)放風(fēng)、放生石灰等措施降低濕度，或采用直升機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)將水分從果實(shí)表皮上吹走[5]，結(jié)合地膜覆蓋、膜下滴灌、滲灌、小溝快流等措施調(diào)節(jié)土壤水分，降低果實(shí)裂果[2]。

科學(xué)修剪，合理疏花疏果。通過(guò)疏除平行枝、交叉枝等，改善樹冠內(nèi)膛的光照、通風(fēng)，減少裂果[12]。合理的疏花疏果措施，可保證果實(shí)的質(zhì)量和品質(zhì)，避免果實(shí)因數(shù)量過(guò)多發(fā)育畸形或者果實(shí)過(guò)少營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩，生長(zhǎng)太迅速，導(dǎo)致裂果。

科學(xué)施肥及噴施生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。施肥應(yīng)以完全腐熟的有機(jī)肥、人畜糞便為主，同時(shí)根據(jù)需求補(bǔ)充微量元素。在果實(shí)發(fā)育期氮肥和鉀肥不宜過(guò)多，適當(dāng)補(bǔ)充鈣肥，可降低裂果[42]。在收獲前噴灑 CaCl2或Ca(NO3)2，可減少因雨水、果汁滲漏和櫻桃苦腐病引起的開裂[43]。采果前噴施GA3可減少裂果的發(fā)生[44]。本課題組在生產(chǎn)上應(yīng)用了植物營(yíng)養(yǎng)液、高效復(fù)合生態(tài)肥等多功能葉面肥，發(fā)現(xiàn)對(duì)提高甜櫻桃坐果率、防止生理落果、提高單果重及可溶性固形物含量、降低裂果率都有較好的作用。

6 展望

甜櫻桃裂果是影響甜櫻桃經(jīng)濟(jì)效益的一個(gè)重要因素。當(dāng)前人們?cè)谶z傳因素、栽培管理措施及基因調(diào)控等方面進(jìn)行了大量研究[10, 45-50]，但其裂果機(jī)理仍不清楚，目前仍未發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)品種能夠完全抗裂果，因此，選育高品質(zhì)的抗裂果品種和分離抗性相關(guān)的基因是目前育種工作的重點(diǎn)。今后，應(yīng)用轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和代謝組等多組學(xué)技術(shù)揭示甜櫻桃裂果的分子機(jī)理已成為有效途徑，利用基因編輯技術(shù)及分子輔助育種開展培育抗裂果新品種，同時(shí)研發(fā)新型無(wú)毒無(wú)害無(wú)殘留的生物防裂產(chǎn)品也是一個(gè)研發(fā)方向。