甜櫻桃裂果機理及調(diào)控途徑*

張立恒，夏國芳，李俞濤，鄭 瑋，趙柏霞，肖 敏，潘鳳榮

（大連市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 116036）

甜櫻桃（Prunus aviumL.）是一種重要的溫帶落葉果樹，具有“春果第一枝”的美譽。根據(jù)報道，2020 年全球甜櫻桃產(chǎn)量260.96 萬t，種植面積為44.51 萬hm2[1]，而我國現(xiàn)有甜櫻桃產(chǎn)量和栽培面積約170 萬t 和23.33 萬hm2[2]，已成為甜櫻桃生產(chǎn)第一大國。但隨著全球氣候的異常，歐亞大陸初夏降雨頻率越來越高[3]，這不僅加劇了甜櫻桃的雨后裂果，更使得裂果部位很容易受到微生物的侵染，最終導(dǎo)致甜櫻桃失去商品性[4]，倘若裂果超過25%，那么將直接影響到當(dāng)年的經(jīng)濟效益[5]。因此，裂果成為甜櫻桃生產(chǎn)中亟待解決的問題。

關(guān)于甜櫻桃裂果的理論研究早在20 世紀30 年代就已經(jīng)進行[6-7]，但對裂果機理尚未清晰闡明。目前主流研究認為，甜櫻桃裂果是降雨后雨水通過果實表皮或根系進入果實引起[8]。本文對甜櫻桃裂果特點、機理及預(yù)防途徑方面進行了綜述，最終給出防范裂果的控制途徑，旨在為緩解甜櫻桃裂果提供理論幫助。

1 甜櫻桃裂果特點

甜櫻桃果實生長呈雙S 形，一般將果實發(fā)育期分為3 個階段：第一階段，從盛花期到硬核前期，該階段為果實細胞的快速分裂時期；第二階段，以胚胎發(fā)育和果核硬化為特征；第三階段，以細胞擴大為特征，最終決定果實大小。甜櫻桃裂果主要是由于果實發(fā)育第三階段遇到降雨，雨水能夠誘導(dǎo)果實表面產(chǎn)生微裂紋[9]，但這種微裂紋主要發(fā)生在果皮角質(zhì)層中，并不會影響到表皮和皮下細胞層[9-10]，因此這種微裂紋的產(chǎn)生很難用肉眼觀察到，這將導(dǎo)致甜櫻桃在采后容易受到真菌感染，成為采后爛果的最主要原因[11]。甜櫻桃裂果的主要方式為果梗端的圓形或半圓形裂紋、果頂端的裂紋以及最為嚴重的果實側(cè)向長而深且不規(guī)則的側(cè)裂[12-13]。這些裂紋又被稱為宏觀裂紋，主要是由雨水侵入果實后，果實表面產(chǎn)生了微裂紋，使得角質(zhì)層失去滲透作用，加速了果實的吸水能力，最終在果實內(nèi)部膨壓的作用下導(dǎo)致表皮和皮下細胞層開裂[9]。在宏觀裂果中裂果方式與果實的吸水方式有關(guān)[14]。例如，甜櫻桃果梗端開裂主要是雨水在果梗處聚集難以快速蒸發(fā)，導(dǎo)致果梗端吸水時間較長所致[15]；果實頂端開裂是由于果實成熟期糖分開始積累，較高的滲透勢增加了果實吸水能力，進而導(dǎo)致果頂裂紋的產(chǎn)生；而果實的側(cè)裂主要是通過根部吸水經(jīng)果梗向果實內(nèi)輸送水分，最終導(dǎo)致果實內(nèi)部膨壓增加所致[15-16]。

2 甜櫻桃裂果的機理

2.1 果肉開裂的機理

2.1.1果肉的滲透勢

滲透勢是甜櫻桃果實水勢的一個重要組成部分，是果實吸收水分的動能[17]。有研究認為，甜櫻桃果實的滲透勢下降導(dǎo)致內(nèi)部膨壓增加是裂果機制的關(guān)鍵因素[18-20]。這是由于當(dāng)甜櫻桃處于果實成熟期的第三階段時，糖分通過果梗在果實內(nèi)部快速積累，降低了果肉的滲透勢導(dǎo)致果實內(nèi)部膨壓增加，而糖分的積累對果皮滲透勢影響較小使得水分更容易進入果肉內(nèi)部，最終果肉的膨脹超出果皮角質(zhì)層彈性后導(dǎo)致裂果的發(fā)生[18]。

2.1.2果肉的代謝產(chǎn)物

甜櫻桃的裂果不僅僅受到滲透勢的影響，還會受到果實內(nèi)代謝產(chǎn)物的影響。蘋果酸作為甜櫻桃果汁中的主要有機酸，在甜櫻桃裂果過程中能夠引發(fā)一系列反應(yīng)。有報道指出，蘋果酸從共質(zhì)體滲透到質(zhì)外體，細胞壁內(nèi)的Ca2+在蘋果酸的作用下溶解，從而削弱了細胞壁強度并增加了細胞膜透性，最終導(dǎo)致裂果現(xiàn)象的發(fā)生[21]。Giné-Bordonaba 等[22]同樣發(fā)現(xiàn)，易裂品種相較于抗裂品種具有較高水平的蘋果酸，但他認為，蘋果酸合成通過蘋果酸合酶發(fā)生，蘋果酸合酶是參與乙醛酸循環(huán)并受乙烯調(diào)節(jié)的關(guān)鍵酶，甜櫻桃果實蘋果酸含量可能是乙烯直接誘導(dǎo)的。

2.1.3果肉中的激素

果實的生長發(fā)育離不開植物激素的調(diào)節(jié)作用。生長素作為果實生長過程中重要的植物激素在裂果中產(chǎn)生一定作用，例如Michailidis 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在雨水的作用下易裂品種果實中生長素含量較高，這表明在雨水誘導(dǎo)下易裂品種生長素活性更易被激活，導(dǎo)致果實快速膨脹，果皮細胞壁壓力增加，最終導(dǎo)致裂果。同時甜櫻桃果實吸水后脫落酸（ABA）被誘導(dǎo)，乙烯合成相關(guān)基因表達水平增加，這是由于ABA 刺激了甜櫻桃中乙烯的產(chǎn)生[24]，隨后在乙烯的作用下細胞壁被降解，最終導(dǎo)致裂果[22]。

2.1.4果肉中的水孔蛋白

水孔蛋白屬于跨膜蛋白，可作為水或小分子溶質(zhì)穿過生物膜的通道[25]。最近研究發(fā)現(xiàn)，甜櫻桃果肉中水孔蛋白高度表達[26]，這為研究甜櫻桃裂果提供了新的研究方向。Chen 等[26]指出水孔蛋白在甜櫻桃果實發(fā)育第三階段的跨膜運輸?shù)淖饔么嬖谝韵聨追N方式：首先，當(dāng)?shù)谌A段果肉中快速積累碳水化合物時導(dǎo)致內(nèi)部滲透勢下降，水孔蛋白可通過調(diào)節(jié)水勢進而調(diào)節(jié)果肉膨壓；其次，果實吸水后表皮細胞的面積增加，但其厚度減小，水孔蛋白能夠降低質(zhì)膜對水運輸?shù)牡挚沽?，這將使水更容易在共質(zhì)體和質(zhì)外體之間分配，從而減輕果實表皮的拉力；最后，甜櫻桃表皮細胞的滲透濃度低于果肉細胞[18]，水孔蛋白可以促進果肉和果皮之間的水分運輸，防止裂果的發(fā)生。Michailidis 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在水浸潤時抗裂品種相比于易裂品種水孔蛋白基因（PaTIP 1;1、PaPIP 1;3和PaSIP 1;1）更容易被激活表達，這表明抗裂品種能夠增強水分子的跨膜運輸來抵抗裂果的發(fā)生。Chen 等[26]對易裂甜櫻桃品種施用0.5%CaCl2后，發(fā)現(xiàn)果實內(nèi)水孔蛋白基因PaPIP 1;4高度表達，同時減輕了裂果的發(fā)生。

2.1.5果肉中的ROS

甜櫻桃裂果過程中吸收過量的水分會導(dǎo)致果肉產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），因此不同品種對ROS的清除能力會對裂果產(chǎn)生一定影響[27]。例如Giné-Bordonaba 等[22]指出，易裂品種在整個果實發(fā)育期的抗氧化能力和總酚含量顯著低于抗裂品種。Michailidis 等[13]表明抗裂品種甜櫻桃不僅含有較高水平抗非生物脅迫的海藻糖，同時還含有較高水平的黃酮類紫杉葉素（3,5,7,3,4-五羥基黃烷酮或二氫槲皮素），通過清除ROS 來降低甜櫻桃的裂果。

2.2 果皮開裂的機理

2.2.1果皮的角質(zhì)層

甜櫻桃果實生長發(fā)育過程中，角質(zhì)層的主要功能是防御病原體的侵入、養(yǎng)分流失以及減少水分流失[28]。Knoche 等[29]在蘋果和番茄的裂果研究中發(fā)現(xiàn)，果實發(fā)育過程中果皮表面積的增加與角質(zhì)層的不斷合成呈正相關(guān)。角質(zhì)層有2 種主要類型：角質(zhì)和蠟質(zhì)[30]。在甜櫻桃中，蠟質(zhì)在透水性中起重要作用，其直接影響水分的攝入量[31]。甜櫻桃果實裂果主要發(fā)生在果實發(fā)育第三階段，此時果實體積快速增加但角質(zhì)和蠟質(zhì)水平保持不變，單位面積角質(zhì)層厚度的減少是導(dǎo)致果實表面微裂紋產(chǎn)生的重要原因[32]。例如，抗裂品種在果實發(fā)育第一、二階段的蠟酯合酶（PaWS）和3-酮脂酰CoA 合酶（PaKCS6）的表達水平均高于易裂品種，這表明這些基因的上調(diào)表達穩(wěn)定了角質(zhì)層，避免果實在快速生長的第三階段微裂紋的產(chǎn)生[33-35]。

2.2.2果皮的細胞壁

細胞壁的分解、修飾和組成會影響果皮的性能，是決定裂果敏感性的重要因素[36-38]。因此，調(diào)節(jié)細胞壁代謝的酶和蛋白在抵抗裂果過程中顯得尤為重要，例如聚半乳糖醛酸酶（PG）、β-半乳糖苷酶（β-Gal）以及擴張蛋白（EXP）等[39]。

Balbontín 等[40]研究發(fā)現(xiàn)，甜櫻桃果實中細胞壁基因β-Gal的上調(diào)能促使果皮更加具有韌性和彈性，這對抗裂果具有一定的作用。Knoche 等[41]報道指出，在甜櫻桃發(fā)育過程中，抗裂果品種的β-Gal在整個果實發(fā)育期表達水平較高，這為果實細胞壁提供了更大的韌性，提高了品種的抗裂能力。

EXP 是參與細胞壁延伸的非酶促蛋白，其通過破壞纖維素和木葡聚糖分子之間的聯(lián)系而發(fā)揮作用使果實軟化[42]。在蘋果[43]和荔枝[44]等果樹中研究表明，編碼EXP 基因的轉(zhuǎn)錄水平與裂果具有相關(guān)性。Karaaslan 等[45]通過SDS-PAGE 和免疫印跡法認證了酸櫻桃果實不同發(fā)育階段EXP 的存在。Balbontín等[36]進一步證明，抗裂品種的EXP 在果實成熟的第三階段高表達，這為果實細胞壁提供了延伸能力，以避免果實表面出現(xiàn)裂縫。

3 甜櫻桃裂果的預(yù)防途徑

3.1 避雨栽培

甜櫻桃裂果的發(fā)生主要是由果實表面或根系長時間處在潮濕環(huán)境下所致，同時加之光照和溫度等因素的影響引起裂果的發(fā)生。Khan 等[46]報道稱避雨栽培是目前防治甜櫻桃裂果最直接的方式之一，其通過隔離雨水對果實和樹體的浸潤方式起到防治裂果的目的。Zadravec 等[47]同樣指出，避雨栽培能夠顯著降低甜櫻桃裂果率及腐爛率。然而，避雨栽培也具有一定的弊端：首先，搭建過程需要額外增加果園設(shè)施成本，這導(dǎo)致該技術(shù)受到了一定的限制；其次，避雨栽培后相較于外部環(huán)境，樹頂部的溫度和濕度明顯升高，這將對樹體頂部果實品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。

3.2 防裂果噴劑

3.2.1礦質(zhì)元素

鈣是細胞壁和細胞膜的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性所需的重要元素[48]，缺鈣可能會增加果實裂果[49-50]。這是由于質(zhì)外體中釋放的酸會引起細胞壁果膠[51]及鈣[21]的溶解，進而導(dǎo)致細胞壁膨脹使果皮斷裂失去彈性，加劇水分進入果實引起果實開裂[37]。因此，通過改變細胞壁鈣含量，可以抑制細胞壁膨脹，從而增強細胞壁的機械強度減少裂果。由于鈣在樹體內(nèi)由“源”轉(zhuǎn)化到“庫”的能力較差，因此將鈣直接施加到果實表面更有利于果實對鈣的吸收[52]。有研究表明，在甜櫻桃成熟前25 d 左右噴施含鈣化學(xué)物質(zhì)3～4 次，如氯化鈣、硝酸鈣、氫氧化鈣、醋酸鈣和酪蛋白酸鈣等可有效防止甜櫻桃裂果[53-56]。在這些含鈣化合物中，氯化鈣和硝酸鈣是應(yīng)用較為廣泛的鈣制劑[56]。雖然鈣可以有效防止裂果的發(fā)生，但其也會抑制果實的大小[57]。針對這一點，Correia等[58]發(fā)現(xiàn)，在對CaCl2中添加1 mL/L 甘氨酸甜菜堿可抑制鈣對果實大小的影響。

隨著研究的不斷深入，研究人員不再局限于果實表面噴施鈣溶液對裂果的防控，噴施其他礦質(zhì)元素同樣可以起到防裂果的作用，例如Beyer 等[59]證明，F(xiàn)eCl3、Fe（NO3）3、Fe2（SO4）3和AlCl3通過降低甜櫻桃果皮的電導(dǎo)率控制水分吸收有助于減少裂果。一些礦物鹽（CuCl2、HgCl2、AlCl3和FeCl3）通過陽離子與細胞壁成分交互作用，增加了細胞壁的強度，從而降低吸水率[60-61]。

3.2.2其他試劑對裂果的影響

近些年，外源噴施化合物的出現(xiàn)成為防御裂果的一種新型手段[62]。該方法可用于減少甜櫻桃的開裂現(xiàn)象并延長其采后保質(zhì)期，其中包括殼聚糖[63]、蘆薈凝膠[64]、納米乳劑[65]、海藻生物刺激劑[66]、CaCl2復(fù)合物（赤霉酸、脫落酸、水楊酸、甘氨酸甜菜堿、泡葉藻）[58]、脫落酸和茉莉酸甲酯[67]。這些化合物對櫻桃裂果具有一定的防御作用。

3.3 抗性育種

甜櫻桃裂果在品種之間差異較大，但目前為止沒有一個品種能夠具有完全抗裂的性狀[68-70]。因此，研發(fā)具有高抗裂品種及鑒定抗裂基因成為主要的育種目標(biāo)[17]。研究人員常將雷潔娜[13,17,21,70]、費爾米娜[17]、柯瑞斯特林娜[22]、拉賓斯[71-72]、科迪亞[40]作為抗裂品種，而早大果[13,23,71]、賓庫[12,40,72]、布魯克斯[17]作為易裂品種進行抗裂試驗研究。這些品種的鑒定為研究人員在抗裂品種的親本選擇上提供了有力支撐。隨著對甜櫻桃裂果研究的深入，基因組和轉(zhuǎn)錄組測序信息為研究果實抗裂提供了新的契機。例如Quero-García 等[70]對甜櫻桃裂果的耐受性在不同連鎖群中的QTL 定位進行了研究，這為將來的分子育種提供了有力的支撐。