果樹器官脫落研究現(xiàn)狀及其展望

楊加虎 丁志偉 李 莎 劉位芬 李振南 李鎮(zhèn)剛

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑蜜蜂研究所,云南蒙自 661101)

果實(shí)脫落在果樹中普遍存在,貫穿于整個(gè)果樹的生長周期,雖然落花落果有利于果樹的進(jìn)化,但是對(duì)于生產(chǎn)上花、果實(shí)的非正常脫落會(huì)讓產(chǎn)量和品質(zhì)降低,最終導(dǎo)致果農(nóng)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)虧損[1]。長果桑果實(shí)因獨(dú)特的顏色、長而大、掛果性強(qiáng)、水分含量適中、糖分含量高及其特殊的香味等特點(diǎn),越來越受到人們的青睞。然而在生產(chǎn)栽培中,存在長果桑果實(shí)在未發(fā)育成熟前極易發(fā)生脫落的現(xiàn)象,特別是長果桑經(jīng)剪伐矮化后果實(shí)脫落率會(huì)顯著升高,尤其是當(dāng)年生枝條的果實(shí),嚴(yán)重影響了種植戶的經(jīng)濟(jì)收入,制約了該品種的產(chǎn)業(yè)化和種植戶的經(jīng)濟(jì)效益。因此在水果生產(chǎn)中研究果樹的落花落果規(guī)律,實(shí)時(shí)控制花果的脫落不僅能提高產(chǎn)量,還能提高果實(shí)品質(zhì),增加果農(nóng)收入。近年來對(duì)果實(shí)脫落機(jī)理等已有大量研究,但關(guān)于長果桑果實(shí)脫落機(jī)制鮮有研究,因此本文對(duì)果樹器官脫落發(fā)生部位離區(qū)形成、果實(shí)脫落模式、脫落影響因素、脫落機(jī)理及其調(diào)控脫落的分子機(jī)制方面進(jìn)行綜述,為研究長果桑野生馴化及其果實(shí)脫落機(jī)理提供理論參考。

1 植物器官脫落發(fā)生部位和形成機(jī)理研究

脫落的發(fā)生一般在一個(gè)可預(yù)知的部位——離區(qū)(abscission zone,AZ),而離區(qū)將進(jìn)一步分化形成離層和保護(hù)層。離層是器官脫離母體的位置,一般由5～50層排列緊密的小細(xì)胞組成[2],不同物種或不同器官的離層不一致,酸櫻桃和柑橘果實(shí)與果柄的離層細(xì)胞分別為5～8、10～17層,而日本柿花萼與花梗的離層細(xì)胞為7層[3]。前人的研究發(fā)現(xiàn)器官脫落模式一般分為4個(gè)階段:第一階段為脫落器官基部分化成離層;第二階段為對(duì)脫落信號(hào)的反應(yīng)能力(如內(nèi)源激素的變化);第三階段為離層被激活致器官脫落;第四階段為分化形成保護(hù)層[4]。

離區(qū)的形成受到自身的遺傳因素調(diào)控,當(dāng)前與離區(qū)形成相關(guān)的基因以JOINTLESS基因研究較多,屬于MADS-Box基因家族。HEO等[5]通過對(duì)脫落蘋果“saiKa”的果梗早期脫落過程中的MADS-Box研究發(fā)現(xiàn)了JOINTLESS基因?qū)ü５陌l(fā)育調(diào)節(jié)以及側(cè)果的脫落起著重要作用;將梨的JOINTLESS基因轉(zhuǎn)入到模式植物番茄中發(fā)現(xiàn),該基因促進(jìn)了番茄植株花柄脫落,花柄離區(qū)纖維素酶活性升高,離區(qū)中脫落相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和細(xì)胞壁代謝酶基因表達(dá)量上升;TABUCHI等[6]研究發(fā)現(xiàn),番茄突變體JOINTLESS-2和野生型植株花柄離區(qū)分生組織發(fā)育不一致,表明了JOINTLESS-2基因能夠調(diào)控離區(qū)形成和發(fā)育。然而,在果實(shí)脫落過程中僅有離區(qū)形成并不代表果實(shí)脫落,果實(shí)脫落啟動(dòng)還需有特定的脫落信號(hào)反應(yīng),如外界環(huán)境影響、內(nèi)源激素和細(xì)胞壁代謝等。

2 植物果實(shí)脫落研究

2.1 果實(shí)脫落模式

隨著科學(xué)家對(duì)果實(shí)脫落機(jī)制的深入研究,總結(jié)出了2種模式來解釋導(dǎo)致果實(shí)脫落的機(jī)制,分別是BANGERTHF[7]提出的驅(qū)動(dòng)脫落(correlatively driven abscission,CDA)模式和BOTTON等[8]提出的碳水化合物應(yīng)激(carbohydrate stress,CS)脫落模式。雖然2種調(diào)控果實(shí)脫落的模式都認(rèn)為是通過離區(qū)的極性生長素轉(zhuǎn)運(yùn)(PAT)減少,使其對(duì)乙烯變得敏感導(dǎo)致果實(shí)脫落;然而2種脫落模式卻提出了不同的脫落誘導(dǎo)機(jī)制。CDA模式表明,在花梗中的“自抑制連接點(diǎn)”處,小果的PAT在連接處相遇,其中來自優(yōu)勢小果的PAT可以減少來自受抑制小果的PAT(圖1)[7]。即在果柄與枝條連接處,如果一個(gè)器官的PAT在臨界水平上大于另一個(gè)小果,則較大的PAT會(huì)抑制占優(yōu)勢的小果,一旦自抑制發(fā)生,該小果就會(huì)下調(diào)PAT,使得離區(qū)變得對(duì)乙烯敏感,從而離層被激活致使果實(shí)脫落[7,9]。而CS脫落模式認(rèn)為,PAT停止是因?yàn)樘妓衔锝档秃髮?dǎo)致的化學(xué)或自然誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激致使皮質(zhì)中乙烯生物合成增加后,離層對(duì)乙烯敏感致使果實(shí)脫落(圖2)[8]。即由于外界環(huán)境或天然碳水化合物的限制,碳水化合物饑餓在皮質(zhì)中產(chǎn)生氧化應(yīng)激,蔗糖(SUC)積累并向海藻糖-6-磷酸合成酶(TPS)基因發(fā)送信號(hào),TPS基因致使脫落酸(ABA)、乙烯、活性氧(ROS)生物合成增加。而乙烯充當(dāng)皮層和種子之間的信號(hào)調(diào)節(jié),充當(dāng)脫落誘導(dǎo)的最終調(diào)節(jié)劑,當(dāng)增加的乙烯不能被乙烯受體結(jié)合后,種子胚胎死亡和PAT停止,離層對(duì)乙烯敏感,果實(shí)脫落[8-9]。2種脫落模式的區(qū)別主要在于碳水化合物在誘導(dǎo)果實(shí)脫落中所起的作用,進(jìn)而影響相關(guān)激素的表達(dá)。在CDA模式中,PAT被抑制后,導(dǎo)致乙烯激活離層,誘導(dǎo)果實(shí)脫落;而在CS脫落模式中,乙烯破壞果實(shí)中的穩(wěn)定,并且當(dāng)乙烯受體不能結(jié)合過多的乙烯時(shí),胚胎停止生長,PAT被抑制。此外,2種模式的脫落信號(hào)誘導(dǎo)部位也不同。在CS脫落模式中,皮層與種子間的信號(hào)傳導(dǎo)是誘導(dǎo)果實(shí)脫落的關(guān)鍵部位。而在CDA模式中,花梗中的自抑制連接處是PAT被抑制的部位,此時(shí)會(huì)負(fù)反饋導(dǎo)致生長素(IAA)產(chǎn)生被抑制,即花梗是脫落信號(hào)的來源,果實(shí)中的影響是次要的。因此,果實(shí)的脫落可能取決于幼果攝取關(guān)鍵碳水化合物的能力,當(dāng)碳水化合物變得有限時(shí)導(dǎo)致果實(shí)脫落。所以利用分子生物學(xué)手段對(duì)果實(shí)中PAT與碳水化合物攝取率間的關(guān)系進(jìn)行探索,了解碳水化合物在誘導(dǎo)脫落之前的限制時(shí)間,且分析果實(shí)中的乙烯受體、ABA調(diào)節(jié)劑和胚胎發(fā)育表達(dá)水平,可為長果桑的脫落模式提供理論依據(jù)。

=表示離區(qū),//表示自抑制連接點(diǎn)。

圖2 碳水化合物應(yīng)激(CS)脫落模式

2.2 環(huán)境因子對(duì)果實(shí)脫落的影響

器官的脫落除受自身品種特性的影響外,還會(huì)受到外界環(huán)境的影響。果樹花果脫落是一個(gè)復(fù)雜的生理過程,可分為果樹本身衰老或成熟引起的正常脫落、果樹自身生理代謝不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的生理脫落和環(huán)境效應(yīng)引起的應(yīng)激脫落等3種類型[3]。其中,環(huán)境脅迫引起的脫落也是生產(chǎn)上易發(fā)生且危害最大的類型,包括高溫脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫、光照不足、營養(yǎng)不良、病蟲害和鹽脅迫等(表1)。這些非生物脅迫導(dǎo)致果樹自身的生理機(jī)能紊亂,特別是果樹自身內(nèi)源激素失衡和糖類代謝異常,從而引起花、果實(shí)的脫落[3]。我們發(fā)現(xiàn)低溫冷害、干旱、多雨等氣候因素對(duì)長果桑開花、胚胎敗育和落果等方面影響較大;姚珍珍[10]研究發(fā)現(xiàn)晚熟臍橙落花落果會(huì)受到溫度、濕度和日照的影響,并且在溫度(高/低)脅迫下,果樹的雌雄間發(fā)育不同步;RODRIGO和HERRERO[11]研究發(fā)現(xiàn)杏花在溫暖條件下花期加快,雌蕊發(fā)育更少、質(zhì)量減輕、坐果率降低;還有研究發(fā)現(xiàn),在溫度脅迫下,歐洲甜櫻桃[12](開花前25 ℃)、蘋果[13-14](小于0 ℃)、櫻桃[15](小于0 ℃)、李[16](盛花期20 ℃)等出現(xiàn)了落果和胚胎敗育等現(xiàn)象。在干旱條件下,果樹根系萎蔫且根系活力下降,果樹生長受限,促進(jìn)花果實(shí)脫落;而在水澇條件下,根系產(chǎn)生的大量乙烯擴(kuò)散到果柄離區(qū)造成落花落果。如荔枝和柑橘開花期間在干旱條件下促進(jìn)了花和果實(shí)脫落,嚴(yán)重影響果實(shí)的產(chǎn)量和品質(zhì)[17-18];蘋果、葡萄、梨和荔枝等果樹在弱光或遮陰處理時(shí)落果率均顯著升高[19-22]。這些不利環(huán)境對(duì)果樹生產(chǎn)帶來了不利影響,最終導(dǎo)致果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的降低。

表1 果樹落花落果相關(guān)逆境

2.3 果實(shí)脫落的生理機(jī)制

果樹落花落果與激素的調(diào)節(jié)密不可分,是多種激素相互配合、相互作用的一個(gè)高度連續(xù)的過程,脫落附近的激素調(diào)節(jié)不平衡是導(dǎo)致落花落果的主要因素,并且生長素和乙烯之間的平衡是導(dǎo)致脫落的關(guān)鍵。

2.3.1 生長素對(duì)脫落的調(diào)控 IAA具有促進(jìn)和延緩脫落雙重作用,根據(jù)“生長素梯度學(xué)說”,當(dāng)遠(yuǎn)軸端IAA梯度濃度高于近軸端時(shí),植物器官不脫落;相反時(shí),脫落程序會(huì)啟動(dòng),加速器官的脫落進(jìn)程[3]。XIE等[25]研究發(fā)現(xiàn),IAA能夠抑制柑橘果實(shí)的脫落,其抑制方式主要是遠(yuǎn)軸端和近軸端之間呈現(xiàn)出濃度依賴,而在花柄離區(qū)中的乙烯合成和信號(hào)傳導(dǎo)等則直接被IAA抑制,從而抑制了器官的脫落;并且IAA以濃度依賴的方式發(fā)揮作用,濃度低至30～40 mg/L時(shí)導(dǎo)致柑橘果實(shí)脫落[26],此外,IAA還會(huì)刺激乙烯的合成,從而參與果實(shí)衰老過程。LIU等[27]發(fā)現(xiàn),外源施用IAA加速了乙烯的合成,并且導(dǎo)致康乃馨花的枯萎。2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)和1-萘乙酸(NAA)2種IAA均能抑制或者延緩器官的脫落。MESEJO等[28]研究發(fā)現(xiàn)2,4-D處理成熟柑橘時(shí),2,4-D通過重新激活花瓣IAA通量和減少CitIDA3的表達(dá)來延遲柑橘果實(shí)脫落,而不改變乙烯合成;ROA等[29]發(fā)現(xiàn)植物結(jié)果時(shí)噴施適宜濃度的2,4-D使得果柄處不會(huì)產(chǎn)生離區(qū),致使果實(shí)在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)脫落?？梢娡庠碔AA對(duì)果實(shí)亦或是其它器官起著雙重作用。但是,器官脫落時(shí)果柄離區(qū)中的IAA濃度梯度是否在長果?；蛘咂渌参镏卸计毡榇嬖谶€沒有定論。因此,當(dāng)乙烯生物合成時(shí),IAA起到刺激亦或是抑制作用由多因素決定,包括不同的物種、器官和發(fā)育階段,并表現(xiàn)出不同的生物學(xué)機(jī)制和功能。

IAA在調(diào)控果實(shí)脫落時(shí),必須要有IAA受體及其響應(yīng)因子兩者參與其中才能完成該路徑調(diào)控行使功能。IAA基因(auxin1,AUX1)為主要的受體之一,位于細(xì)胞膜上,其主要作用是控制IAA進(jìn)入細(xì)胞,相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),番茄初期脫落時(shí),AUX1基因表達(dá)量下調(diào)使得IAA進(jìn)入細(xì)胞行使功能的途徑受阻,致使果實(shí)脫落[30]。IAA調(diào)控器官脫落的生物學(xué)機(jī)制還需要生長素反應(yīng)因子(auxin response factor,ARF)結(jié)合實(shí)現(xiàn),ARF蛋白結(jié)構(gòu)域有3個(gè),包括1個(gè)N末端DNA結(jié)合域,1個(gè)C末端DNA結(jié)合域可以與IAA早期響應(yīng)基因(AUX/IAA)結(jié)合形成AUX/IAA-ARF,中間區(qū)域活化或抑制基因轉(zhuǎn)錄,這3個(gè)蛋白結(jié)構(gòu)域可與IAA響應(yīng)元件(auxin response element,AuxRE)的TGTCTC結(jié)構(gòu)結(jié)合,使IAA調(diào)控的基因表達(dá)被激活或抑制,從而調(diào)控IAA的諸多生理效應(yīng)[30]。

2.3.2 乙烯對(duì)脫落的調(diào)控 在對(duì)果樹的諸多研究中表明,乙烯能夠促進(jìn)果樹器官脫落。其主要過程如下:當(dāng)受到外界刺激或自身生理響應(yīng)時(shí),乙烯生物合成增加,脫落的相關(guān)基因被表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞壁水解酶活性升高,致使離區(qū)的細(xì)胞分離,最終導(dǎo)致果樹器官脫落[31]。DUTTA等[26]發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)柑橘果實(shí)脫落的主要激素是乙烯;ROONGSATTHAM等[32]和YING等[1]研究也表明,乙烯是導(dǎo)致油桐和荔枝果實(shí)脫落的主要信號(hào)分子。此外,外源乙烯也能導(dǎo)致果樹花果脫落,ABELES等[33]發(fā)現(xiàn),對(duì)處理組的植物噴施乙烯利后,葉片脫落顯著,而用乙烯生物合成抑制劑處理則延遲脫落[34];OZTURK等[35]研究表明,噴施乙烯抑制劑AVG降低了淀粉降解速率,從而延緩了蘋果成熟。

乙烯可以反作用于IAA,但是IAA抑制果樹器官的脫落是不可逆的。MEIR等[36]發(fā)現(xiàn)離區(qū)中IAA可能通過調(diào)控乙烯受體ETR或ERS1而使植物降低對(duì)乙烯的敏感性;亦有研究表明,乙烯通過上調(diào)番茄的外向轉(zhuǎn)運(yùn)體基因SLPINI使得離區(qū)IAA降低[3]。當(dāng)果實(shí)離區(qū)感知乙烯后,果柄中的IAA極性運(yùn)輸能力降低,之后乙烯類受體上調(diào),蔗糖降低致使果實(shí)脫落。因此,果實(shí)的脫落過程可能是離區(qū)中的IAA運(yùn)輸受到了影響,打破了IAA和乙烯的平衡關(guān)系,從而誘導(dǎo)了脫落發(fā)生。

2.3.3 脫落酸對(duì)脫落的調(diào)控 ABA是一種半萜類化合物,在植物逆境時(shí)起著非常重要的作用,并且還能夠加速果樹落花落果的進(jìn)程。諸多研究表明脫落酸能夠有效促進(jìn)果樹落花落果,但是也有一些研究發(fā)現(xiàn)ABA與果樹落花落果之間沒有太大的關(guān)聯(lián)性。朱攀攀[37]研究表明,利用ABA處理桑椹顯著縮短了桑椹脫落時(shí)間;楊波等[38]在扁桃幼果中發(fā)現(xiàn),扁桃幼果中ABA濃度降低時(shí)促進(jìn)幼果脫落,而濃度增大時(shí)則延緩脫落。當(dāng)前,對(duì)于ABA促進(jìn)花、果實(shí)等器官脫落存在著一些爭議,一些學(xué)者認(rèn)為,ABA能減少IAA的運(yùn)輸,或者通過調(diào)控合成乙烯的前體物1-氨基環(huán)丙基-1-羧酸(ACC)來誘導(dǎo)果實(shí)器官的脫落[39];而一些報(bào)道認(rèn)為,ABA誘導(dǎo)植物器官脫落是由于ABA影響了細(xì)胞壁水解酶的合成和分泌,從而刺激了脫落的第二個(gè)階段變化[40]。也有研究發(fā)現(xiàn),ABA主要調(diào)控植物器官脫落,而其他激素會(huì)影響ABA的調(diào)控作用[41]。在柑橘試驗(yàn)中經(jīng)過IAA處理后,在柑橘脫落過程中,編碼ABA的生物合成酶基因(Cs2g03271)和降解酶基因(Cs8g187880)都被顯著下調(diào)或上調(diào),這結(jié)果表明IAA與ABA之間存在拮抗關(guān)系[3]。朱攀攀等[42]利用ABA處理桑椹以及ABA和ABA合成抑制劑氟啶酮同時(shí)處理桑椹后,氟啶酮能夠有效抑制桑椹的脫落,而ABA能夠促進(jìn)桑椹的成熟與脫落。以上試驗(yàn)結(jié)果說明,植物器官脫落的發(fā)生少不了ABA的誘導(dǎo)。因此,可以進(jìn)一步研究ABA在長果桑果實(shí)脫落中的含量變化,探究ABA促進(jìn)果實(shí)脫落的作用方式,同時(shí)結(jié)合多組學(xué)等手段深入挖掘長果桑果實(shí)脫落過程中的作用機(jī)制等。

2.3.4 其他激素對(duì)脫落的調(diào)控 赤霉素(GA)是一種高效的植物生長促進(jìn)劑,在植物的整個(gè)生長周期發(fā)揮著重要作用。而關(guān)于GA調(diào)控器官脫落的調(diào)節(jié)作用說法不一,王雄等[43]在對(duì)紐荷爾臍橙的研究中發(fā)現(xiàn),外源噴施GA后增加了IAA和內(nèi)源赤霉素,進(jìn)而抑制了臍橙果實(shí)的脫落;亦有研究發(fā)現(xiàn),GA能夠抑制乙烯的合成從而抑制果實(shí)衰老[44];但也有研究證實(shí),外源噴施GA對(duì)柑橘果實(shí)的脫落沒有影響[39]。因此,赤霉素在果樹落花落果上所起的作用,目前還存在很大爭議,還需進(jìn)一步地深入研究和討論,進(jìn)而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

細(xì)胞分裂素(CK)是一類對(duì)植物生長非常重要的小分子植物激素,能夠有效抑制植物葉片和果實(shí)的脫落。有研究發(fā)現(xiàn)將細(xì)胞分裂素應(yīng)用于芒果促進(jìn)了坐果和減少了果實(shí)的脫落[45]。其主要機(jī)制可能為噴施CK后能夠增加植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力。茉莉酸(JA)和甲酯(MJ)是一類存在于高等植物中的激素,能夠提高植物的抗逆性,還是果實(shí)脫落的促進(jìn)劑。研究發(fā)現(xiàn)用外源MJ處理柑橘后增加了果實(shí)的脫落[46]。江月玲等[47]認(rèn)為茉莉酸類物質(zhì)之所以能夠促進(jìn)果實(shí)脫落是由于其能夠促進(jìn)內(nèi)源ABA的產(chǎn)生完成生理功能,亦或者是與乙烯協(xié)同作用促進(jìn)果實(shí)脫落。

2.4 果實(shí)脫落的分子機(jī)制

果樹落花落果的直接原因是細(xì)胞壁降解松弛后致使離區(qū)細(xì)胞分離,而細(xì)胞壁的降解會(huì)受到纖維素酶、果膠酶和過氧化物酶等酶類的調(diào)控,通過這些酶類的水解,具有粘附力的果膠失去其活力,加速了花、果實(shí)的脫落,并且乙烯含量的增加還能促進(jìn)水解酶的產(chǎn)生,致使果實(shí)的脫落[2]。這也說明了激素調(diào)控器官的脫落與水解酶的生成息息相關(guān),而激素的變化是多種轉(zhuǎn)錄因子變化和基因差異表達(dá)來調(diào)控的。因此,果實(shí)脫落的生理和分子機(jī)制是相互影響的。

2.4.1 纖維素酶對(duì)脫落的調(diào)控 纖維素酶是一個(gè)復(fù)雜酶系,按組成與功能(催化反應(yīng)的不同)可分為內(nèi)切葡聚糖酶(EG)、外切葡聚糖酶(CBH)和β-葡萄糖苷酶(BG)3類。而與果實(shí)脫落相關(guān)性較大的是β-葡萄糖苷酶,研究發(fā)現(xiàn),果實(shí)脫落時(shí)離區(qū)中的纖維素酶活性都較高,在柑橘和龍眼等果樹中的研究都表明,幼果脫落時(shí)纖維素酶活性都與落果率呈顯著的正相關(guān)[48-49]。QI等[50]研究發(fā)現(xiàn),在番茄中PsJOINTLESS基因過表達(dá)使花梗脫落率上升,并且纖維素酶活性高于對(duì)照組。而GOLDENTAL等[51]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)橄欖各個(gè)器官噴施乙烯利后僅在葉離區(qū)中的纖維素酶基因上調(diào),說明器官脫落時(shí),纖維素酶具有組織表達(dá)特異性。

2.4.2 果膠酶對(duì)脫落的調(diào)控 果膠酶是主要存在于高等植物或微生物中的一類酶,包括果膠甲酯酶(PME)、多聚半乳糖醛酸酶(PG)2種,其主要功能為分解果膠質(zhì)。果膠甲酯酶主要是將在甲酯水解酶輔助下位于細(xì)胞壁和細(xì)胞之間的果膠降解為果膠質(zhì)。張莉等[52]在對(duì)擬南芥的研究中表明,果膠甲酯酶基因At4g02330在花和果的整個(gè)發(fā)育時(shí)期都高度表達(dá),控制花、果實(shí)的分離和脫落;YAGER[53]在研究煙草葉片脫落試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),煙葉葉柄處的果膠甲酯含量相對(duì)較高,能夠有效延緩葉片脫落或阻止脫落;亦有研究表明,果膠甲酯對(duì)抑制果實(shí)脫落沒有作用,在柑橘試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),在果實(shí)脫落時(shí),纖維素酶都顯著提高,而果膠甲酯則無明顯變化,并且果實(shí)脫落與纖維素酶呈現(xiàn)出顯著正相關(guān),而與果膠甲酯酶不相關(guān)[54]。果膠甲酯酶主要是通過催化果膠分子中的α-(1→4)-d-半乳糖苷鍵裂解,導(dǎo)致細(xì)胞壁中的結(jié)構(gòu)解體使得果實(shí)軟化甚至脫落[52]。ATKINSON等[55]研究發(fā)現(xiàn),過表達(dá)蘋果MdPG1基因后致使未成熟的蘋果葉片異常脫落;JIANG等[56]研究表明,TAPG基因在番茄脫落的過程中起到重要作用;西南大學(xué)柑橘研究所也發(fā)現(xiàn),柑橘幼果脫落相關(guān)的多聚半乳糖醛酸酶成員在脫落過程中都呈上升的趨勢[56]。還有研究發(fā)現(xiàn),多聚半乳糖醛酸酶基因會(huì)受到乙烯的誘導(dǎo),同時(shí)乙烯也能調(diào)控果膠甲酯酶基因的表達(dá)[3]。因此,多聚半乳糖醛酸酶是脫落過程中的主要代謝酶類,其主要作用是由于該酶促進(jìn)初生細(xì)胞壁的松弛,在脫落發(fā)生時(shí)其它內(nèi)源激素是否也會(huì)誘導(dǎo)該酶基因還未有定論。而果膠甲酯酶基因在脫落過程中亦有組織特異性。

2.4.3 過氧化物酶對(duì)脫落的調(diào)控 過氧化物酶(POD)廣泛存在植物體中,是活性較高的一類氧化還原酶,與植物光合作用、呼吸作用及其生長素的氧化都有一定的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),菜豆在脫落過程中,總體的酶活性升高,這就意味著菜豆在脫落的過程中,POD活性升高有利于離區(qū)形成,加快了器官脫落進(jìn)程[41]。此外,還有研究表明,POD還是果實(shí)褐變的標(biāo)志[57]。

2.4.4 轉(zhuǎn)錄因子與果實(shí)脫落MADS-Box基因是調(diào)節(jié)序列特異的一類基因家族,其編碼的一類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子廣泛存在于各類植物中,在植物的花分生組織、營養(yǎng)器官中顯示出不同的表達(dá)模型。越來越多的研究表明,MADS-Box家族轉(zhuǎn)錄因子參與植物花、果實(shí)脫落調(diào)節(jié)。VREBALOV[58]在對(duì)番茄的研究中發(fā)現(xiàn)了LeMADS-RIN和LeMADS-MC等2個(gè)MADS-box基因,主要調(diào)節(jié)花梗AZ的發(fā)育,與果實(shí)的成熟密切相關(guān),LeMADS-RIN調(diào)控了依賴于和不依賴于乙烯的成熟過程,而后者則是調(diào)節(jié)萼片的大小;NAKANO等[59]研究表明,蘋果SVP家族MADS-box基因MdJb在番茄無縫突變體中的異位表達(dá)恢復(fù)了無縫突變體花梗AZ結(jié)構(gòu)的形成,與野生型番茄植株一樣,修復(fù)后的AZs表現(xiàn)出與脫落相關(guān)的細(xì)胞壁水解酶基因表達(dá)和花梗完全脫落,推測MADS-box轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物花梗AZ發(fā)育的調(diào)控可能是保守的。

WRKY、MYB和NAC家族轉(zhuǎn)錄因子都參與到器官脫落方面。ROBATZEK等[60]在擬南芥的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),AtWRKY6在花器官中表達(dá),在器官衰老區(qū)域上調(diào)表達(dá),并且促進(jìn)啟動(dòng)了病原防御相關(guān)的PR-1蛋白活性。此外,WRKY8可以調(diào)控乙烯和脫落酸的信號(hào)通路,進(jìn)而調(diào)節(jié)器官的脫落[61],WRKY轉(zhuǎn)錄因子還可通過激活水楊酸、茉莉酸和乙烯中的信號(hào)通路,從而來調(diào)節(jié)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[62]。MYB轉(zhuǎn)錄因子ATMYB26和AID1在擬南芥的花藥開裂中發(fā)揮著重要調(diào)節(jié)作用[63];WANG等[64]通過轉(zhuǎn)錄組分析番茄花梗組織中的MYB78基因,發(fā)現(xiàn)其在花梗組織中高度表達(dá)。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn)MYB家族基因還可通過調(diào)控木質(zhì)素的合成而在植物次生細(xì)胞壁起到重要作用[65]。越來越多的研究表明NAC轉(zhuǎn)錄因子參與果實(shí)脫落,CORBACHO等[66]發(fā)現(xiàn)NAC轉(zhuǎn)錄因子在甜瓜脫落早期上調(diào)表達(dá),MA等[67]發(fā)現(xiàn)SINAP2通過改變番茄中脫落酸的含量來調(diào)控器官衰老,而UAUY等[68]發(fā)現(xiàn)NAM-B1則通過調(diào)控小麥生長的營養(yǎng)物質(zhì)來控制器官衰老。因此,十分有必要研究NAC轉(zhuǎn)錄因子在不同物種間的調(diào)控方式。

3 展望

離區(qū)是一種由特殊細(xì)胞組成的獨(dú)特組織,在整個(gè)器官發(fā)育過程中主要處于明顯缺乏分化的狀態(tài)。從IDA與受體激酶HAE/HAL2相互作用或乙烯刺激開始的脫落信號(hào)級(jí)聯(lián)已被廣泛闡明,但是已鑒定出調(diào)控脫落基因的調(diào)控機(jī)制仍不完整。此外,IDA-HAE/HSL2信號(hào)通路調(diào)控機(jī)制已被證實(shí)存在于多個(gè)物種的離區(qū)中,并可能與乙烯和生長素相互作用以調(diào)節(jié)器官脫落[69],但該機(jī)制是否在桑椹和漿果類物種中保持,仍有待確定。如果能找到一種共同的調(diào)控機(jī)制,那么應(yīng)用在果樹中不僅能夠加速育種,還能獲得更高產(chǎn)量的新作物品種,或能夠獲得花期更長的觀賞花。GOLDENTAL等[70]在乙烯利溶液中添加抗壞血酸或丁酸等抗氧化劑噴施橄欖時(shí),葉片脫落被抑制,而促進(jìn)了果實(shí)脫落。葉片脫落被抑制這一現(xiàn)象與BOTTON等[8]提出的CS脫落模式類似,由此說明葉片與果實(shí)不同器官間的脫落機(jī)制可能不同。因此,利用分子生物學(xué)手段研究各個(gè)脫落過程中特異性表達(dá)基因至關(guān)重要。另外,研究者對(duì)脫落過程中的水解酶進(jìn)行過大量研究,但是不同果樹間對(duì)脫落起作用的酶也不一致,纖維素酶亦有組織特異性,在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步探討在各個(gè)物種和各個(gè)器官中的作用,特別是在長果桑脫落過程中至今還未見報(bào)道,并且在以往的研究中對(duì)脫落的深層機(jī)制仍了解的不夠多,如激素間的相互調(diào)控作用、脫落中的信號(hào)物質(zhì)和激素與水解酶之間的協(xié)同調(diào)控機(jī)制等問題。此外,PAT與碳水化合物攝取率之間的聯(lián)系值得更進(jìn)一步探索,這可能是CDA和CS脫落模式之間的爭論點(diǎn)。鄧璇等[71]對(duì)白桑(Morusalba)幼果中的脫落果和正常果果柄進(jìn)行高通量測序發(fā)現(xiàn),植物激素調(diào)控桑椹脫落過程,并且氨基酸、黃酮類次生代謝物以及碳水化合物等物質(zhì)都能調(diào)控桑椹脫落。因此通過分子生物學(xué)手段與此類研究相結(jié)合,以更好地探究碳水化合物在誘導(dǎo)脫落之前的限制時(shí)間,并且未來研究果實(shí)脫落的重點(diǎn)應(yīng)該從種子中的乙烯受體、ABA調(diào)節(jié)劑和胚胎發(fā)育表達(dá)水平方面考慮。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)模式植物的器官脫落研究的比較深入,取得了較大的進(jìn)展,并且模式植物具有繁殖快,易于轉(zhuǎn)化等特點(diǎn),而果樹繁殖慢,遺傳轉(zhuǎn)化體系較困難,通過克隆等分子手段將果樹中的相關(guān)基因轉(zhuǎn)入到模式植物中,相關(guān)基因在模式植物中表達(dá)對(duì)研究果樹的花果脫落具有重要的參考價(jià)值。

總之,深入闡明器官脫落的分子機(jī)制,對(duì)調(diào)控器官脫落的各類物質(zhì)進(jìn)行更深層次的研究,完善各類物質(zhì)在器官脫落過程中的調(diào)控關(guān)系,特別是各類激素與細(xì)胞壁酶間的協(xié)同調(diào)控關(guān)系,才能真正解決實(shí)際問題增加產(chǎn)量,擴(kuò)大潛在的應(yīng)用,從而控制各種果樹農(nóng)藝性狀的脫落。