， ，

(1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 農(nóng)業(yè)生物工程研究院， 貴陽 550025；3.貴州大學(xué) 山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yù)，自19世紀(jì)末20世紀(jì)初引入我國以來，發(fā)展勢頭強(qiáng)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(shí)成熟期，由于機(jī)械作用和病蟲害以外的原因引起的果實(shí)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(shí)的正常發(fā)育[3]。但在實(shí)際生產(chǎn)中，由于環(huán)境因素導(dǎo)致異常生理落花落果的現(xiàn)象較為普遍，不僅嚴(yán)重影響了果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)，也對果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了諸多不利影響。目前，有關(guān)大櫻桃生理落花落果特性及調(diào)控機(jī)制的研究也取得較大的進(jìn)展，或源于生產(chǎn)栽培實(shí)踐，或源于相關(guān)生理因素及分子表達(dá)調(diào)控的基礎(chǔ)研究。因此，結(jié)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(jié)構(gòu)、碳水化合物含量、植物激素水平及與落果相關(guān)的酶等主要生理因素,同時結(jié)合果實(shí)脫落相關(guān)分子調(diào)控機(jī)理對大櫻落花落果特性及調(diào)控機(jī)制進(jìn)行歸納總結(jié)，旨在為全面解析大櫻桃生理落花落果特性及調(diào)控機(jī)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(xiàn)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(xiàn)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(rèn)為不同品種對同一環(huán)境不同的生理響應(yīng)是導(dǎo)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(xiàn)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(nèi)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(dá)使其在生理代謝上有著較大的差異，例如表現(xiàn)在對光合產(chǎn)物的積累、樹體礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收、內(nèi)源激素的調(diào)控、逆境的響應(yīng)等方面的不同，從而呈現(xiàn)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(shí)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(jìn)入低溫狀態(tài)下累計(jì)的小時數(shù)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(jì)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(zhǔn)確估計(jì)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(rèn)為,低溫積累量的不足降低了大櫻桃花粉柱頭的敏感性，導(dǎo)致授粉不良而造成落果[12]。此外，F(xiàn)adón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(guān)文獻(xiàn)，對常見大櫻桃品種需冷量(7.2 ℃模型)大致范圍進(jìn)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(xiàn)序號 品種需冷量(h)參考文獻(xiàn)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(guān)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(jié)構(gòu)、成分和生活力等特性直接影響授粉，進(jìn)而影響坐果。這種觀點(diǎn)已在梨[22]、芒果[23]等多種果樹上得到證實(shí)。中川昌一等認(rèn)為，花粉粒的大小、形態(tài)等直觀反映了花粉生活力的強(qiáng)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(guān)重要的作用，Hedhly等通過比較2個不同來源地大櫻桃發(fā)現(xiàn)，在一定溫度范圍內(nèi)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(yīng)，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(dǎo)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(dǎo)致果實(shí)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?，高質(zhì)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(zhì)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(zhì)元素等)的影響。

2.3 離區(qū)形成及其相關(guān)酶類

從進(jìn)化上看，器官脫落作為植物界普遍發(fā)生的一種生理現(xiàn)象，是植物長期生長發(fā)育過程中形成的對環(huán)境的適應(yīng)性，是細(xì)胞結(jié)構(gòu)、生理生化代謝及基因表達(dá)等過程共同作用的結(jié)果[30]。

而離區(qū)的形成是造成落果的直接原因[31-35]。Vashisth等認(rèn)為，藍(lán)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(shù)果樹離區(qū)發(fā)生在果實(shí)與果柄(fruit-pedicel,FPJ)連接處。在大櫻桃上，Kilian等研究發(fā)現(xiàn)，其離區(qū)形成也發(fā)生在果實(shí)與果柄連接處[34]。而有關(guān)櫻桃離區(qū)形成的原因，最早St?sser等研究發(fā)現(xiàn)，酸櫻桃離層組織由5～8層細(xì)胞組成，隨著落果進(jìn)程的推進(jìn)，在酶類催化下，離層細(xì)胞壁果膠被降解，部分細(xì)胞質(zhì)被破壞，離層細(xì)胞壁多聚糖的含量較相鄰細(xì)胞少，與相鄰細(xì)胞間粘附力降低，最終導(dǎo)致細(xì)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(guān)離區(qū)形成相關(guān)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(guān)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(xì)胞壁的降解有關(guān)。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(jìn)一步的研究。同樣地，過氧化物酶(POD)在調(diào)控果實(shí)脫落過程中也有重要的作用，Wittenbach等通過研究櫻桃發(fā)現(xiàn)，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(jìn)器官的脫落[38]。此外，參與離層細(xì)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(guān)植物器官脫落的過程，Mcmanus等認(rèn)為，高等植物離層組織形成后，部分組織細(xì)胞分化形成具有特定接收識別脫落信號的細(xì)胞，這些感受脫落信號的細(xì)胞在接收脫落信號后，在相關(guān)酶及調(diào)控物質(zhì)的作用下離區(qū)細(xì)胞被激活，細(xì)胞結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，最終在外力(重力、風(fēng)力)的作用下導(dǎo)致脫落[39]。所以，可將大櫻桃果實(shí)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(shí)連接處正常細(xì)胞，綠色三角形表示分化形成的離區(qū)細(xì)胞，黃色正方形表示部分離區(qū)細(xì)胞分化形成的信號細(xì)胞。圖1 大櫻桃果實(shí)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(chǎn)物，在植物體的形態(tài)構(gòu)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(guān)系[40]。目前為止，人們普遍認(rèn)為果實(shí)中某種碳水化合物含量未能達(dá)到一定的閾值很可能引起果實(shí)的脫落[41-44]，但就哪種碳水化合物不足而導(dǎo)致果實(shí)脫落依樹種而有所差異。例如，Mehouachi等研究發(fā)現(xiàn)，柑橘的果實(shí)脫落很可能與果實(shí)中蔗糖和淀粉含量的不足有關(guān)[42]，且Iglesias[43]等也得到了類似的結(jié)論。Archbold等研究蘋果落果發(fā)現(xiàn)，蔗糖和葡萄糖含量的不足是導(dǎo)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(jìn)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(shí)發(fā)育需要大量的能量，而碳水化合物在樹體內(nèi)分布的失衡，引起激素信號、水分運(yùn)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(yùn)輸通道，提高光合產(chǎn)物的積累，可以減少大櫻桃的果實(shí)脫落。

2.5 植物激素

果樹的正常坐果和生理落果是復(fù)雜生理變化過程的反應(yīng)，內(nèi)源激素的水平與變化規(guī)律是其中至關(guān)重要的調(diào)節(jié)因素。目前，有關(guān)植物激素對果實(shí)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(guān)IAA對大櫻桃果實(shí)脫落的研究，Blanusa等認(rèn)為，生長素的極性運(yùn)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(jìn)行有助于大櫻桃的坐果[46]。這種說法與“生長梯度學(xué)說”較為吻合,此學(xué)說認(rèn)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(diào)節(jié)[47]。但Wouter等認(rèn)為，IAA主要是以調(diào)控離區(qū)細(xì)胞對ETH的敏感性而間接調(diào)控器官的脫落[48]。ETH對果實(shí)的脫落具有促進(jìn)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(shí)的脫落，間接證明了乙烯對落果的促進(jìn)作用[49]。但其調(diào)控機(jī)制，說法不一。Iglesias認(rèn)為，ETH主要通過調(diào)節(jié)離區(qū)碳水化合物的水平來調(diào)控果實(shí)脫落[43]。但Bonghi等認(rèn)為，ETH促進(jìn)果實(shí)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(guān)系[50]。人們普遍認(rèn)為ABA能促進(jìn)植物器官的脫落,楊波等通過比較發(fā)現(xiàn)，扁桃正常果實(shí)和果柄IAA含量始終大于相應(yīng)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(guān)系。同樣，Nartvaranant等[51]在研究柚子果實(shí)脫落過程中得出了類似的結(jié)論。但內(nèi)源激素調(diào)控生理落花落果的影響并非由某一種激素單獨(dú)參與，而是在多種激素相互作用下完成復(fù)雜的調(diào)控過程。所以，植物內(nèi)源激素對大櫻桃生理落花落果的調(diào)控的深層機(jī)理有待進(jìn)一步的研究。

2.6 果樹器官形成與脫落部分基因的表達(dá)調(diào)控

近年來，有關(guān)果實(shí)脫落的分子調(diào)控也受到人們的普遍關(guān)注。果柄離層細(xì)胞的分化形成作為導(dǎo)致落果的直接原因，有關(guān)離區(qū)形成的相關(guān)基因在番茄(jointless、LS)，水稻(shi4、qSHI、OsCPL1)等作物上已被分離驗(yàn)證，且與其形成相關(guān)功能酶和內(nèi)源激素相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控也逐漸被眾多學(xué)者研究。在果柄離區(qū)形成相關(guān)功能酶的基因表達(dá)調(diào)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(xiàn)至少有25個基因與EG的形成有關(guān)，且這些基因編碼的EG在同一細(xì)胞的細(xì)胞壁上都有相應(yīng)的位置，在生物學(xué)過程中發(fā)揮相應(yīng)的作用，比如植株的生長，果實(shí)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(xiàn)，EG基因家族的激活或抑制是一個復(fù)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(dāng)前的生理?xiàng)l件[53]。有關(guān)PG基因表達(dá)與離區(qū)形成的關(guān)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(dá)的兩個PG基因：CsPG1與CsPG2[54]。Peng等發(fā)現(xiàn)，從荔枝果柄離區(qū)分離出的PG基因LcPG1的表達(dá)量與生理落果之間呈一定的正相關(guān)關(guān)系[55]。除此之外，有關(guān)與器官脫落相關(guān)植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和生物合成相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控以及植物激素對脫落相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控也有相關(guān)的研究報道。Xie等發(fā)現(xiàn)，SAUR(Small auxin-up RNA)是一類可被生長素誘導(dǎo)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(shí)脫落相關(guān)的5個基因，且這些基因的表達(dá)水平均受IAA的調(diào)節(jié)[56]。杜藝等從23個與IAA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和ABA生物合成相關(guān)基因中篩選出了12個與荔枝果實(shí)脫落相關(guān)的基因，并且通過系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)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(guān)[57]。在大櫻桃上，Leng等研究發(fā)現(xiàn)，在大櫻桃的成花、果實(shí)發(fā)育、坐果等過程中與ABA積累與ABA代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的若干基因[58]。段續(xù)偉等結(jié)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(jié)構(gòu)高度保守，主要參與調(diào)控成花與花器官發(fā)育等過程[59]。有關(guān)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(jié)合其它果樹上的相關(guān)研究，筆者簡單歸納了最近10年部分與果樹器官脫落相關(guān)的基因(表2)。最重要的是，大櫻桃基因組數(shù)據(jù)的公布[65]，為挖掘其器官形成與脫落相關(guān)基因奠定了分子基礎(chǔ)。

表2 部分與果樹器官形成與脫落相關(guān)的基因

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

3 展 望

通過對大櫻桃落花落果規(guī)律及調(diào)控機(jī)制兩方面研究內(nèi)容的總結(jié)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(nèi)因(品種)兩類，而環(huán)境因素中溫度最為關(guān)鍵，其主要表現(xiàn)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(qiáng)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(fù)雜調(diào)控過程，整個過程涉及酶類、植物激素、碳水化合物、礦質(zhì)營養(yǎng)、水分等多種物質(zhì)的調(diào)節(jié)，且各類物質(zhì)在此過程中存在關(guān)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(guān)酶活的變化。此外，與果實(shí)脫落相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控也在多種果樹上研究報道，且這類基因的表達(dá)調(diào)控影響相關(guān)活性物質(zhì)的合成，同時，其表達(dá)水平也受到相關(guān)物質(zhì)的反饋調(diào)節(jié)。但是,從目前的研究現(xiàn)狀也可以看出,有關(guān)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(shí)脫落，其具體的碳水化合物的類型還需要進(jìn)一步的研究；在其它果樹樹種上分離的有關(guān)與器官脫落的相關(guān)基因是否在大櫻桃上有類似的功能還需進(jìn)一步的驗(yàn)證。而這些內(nèi)容的研究對于提高大櫻桃產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)都是必需的, 值得科研工作者對其進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。