大樱桃生理落花落果特性及调控机制研究进展

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(1.贵州大学生命科学学院， 贵阳 550025； 2.贵州大学 农业生物工程研究院， 贵阳 550025；3.贵州大学 山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室， 贵阳 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

大樱桃(PrunusaviumL.)，是我国北方落叶果树中继中国樱桃之后成熟最早的树种之一，有“春果第一枝”的美誉，自19世纪末20世纪初引入我国以来，发展势头强劲，已成为我国水果的重要组成部分[1]。在果树生长发育过程中，从开花后到果实成熟期，由于机械作用和病虫害以外的原因引起的果实脱落称为果树的生理落果[2]。正常的生理落花落果不仅可以减少树体的营养消耗，也有利于树上果实的正常发育[3]。但在实际生产中，由于环境因素导致异常生理落花落果的现象较为普遍，不仅严重影响了果实产量及品质，也对果农的经济效益及其产业的发展带来了诸多不利影响。目前，有关大樱桃生理落花落果特性及调控机制的研究也取得较大的进展，或源于生产栽培实践，或源于相关生理因素及分子表达调控的基础研究。因此，结合前人研究，从栽培环境、花粉形态特征及活力、果柄离区组织结构、碳水化合物含量、植物激素水平及与落果相关的酶等主要生理因素,同时结合果实脱落相关分子调控机理对大樱落花落果特性及调控机制进行归纳总结，旨在为全面解析大樱桃生理落花落果特性及调控机制提供更多研究思路,同时为后续的研究提供参考资料。

1 大樱桃生理落花落果特性

生理落花落果作为一种普遍发生现象，贯穿大樱桃生长发育的始终，但在此过程中伴有2～3次生理落花落果高峰，其中，第1次为落花高峰，大致发生在盛花后7～14 d，而第2、3次均为落果高峰，大致在盛花后14～24 d和第24～31天[4-5]。而两类高峰(落花和落果)出现时间的差异主要由种植环境和品种(基因型)而引起。Montiel等通过比较同一环境下不同品种大樱桃的落花落果规律，认为不同品种对同一环境不同的生理响应是导致大樱桃生理落果特性存在差异的主要原因[6]。而陈晓丹等通过比较同一品种大樱桃在不同地区的落果规律表明其落果特性在不同生长环境下也呈现一定的差异[7]。因此，可将影响大樱桃落花落果特性的因素分为两类：内因(基因型)和外因(环境)。不同的品种具有不同的基因型，差异基因的表达使其在生理代谢上有着较大的差异，例如表现在对光合产物的积累、树体矿质营养的吸收、内源激素的调控、逆境的响应等方面的不同，从而呈现出不同的落花落果规律。

2 大樱桃生理落花落果主要影响因素

2.1 需冷量

气候条件作为影响果实生长发育的重要因素，主要包括温度、湿度、光照、降雨量等。而大樱桃作为一种对温度较为敏感的果树，其正常的生长发育受到诸多环境因素影响，但低温积累量对其影响尤为重要。果树的需冷量，是指果树休眠期对低温的需求量，常以果树进入低温状态下累计的小时数表示，而不同的树种、不同的品种需冷量不同。目前为止，果树需冷量的计算主要有3种模型：7.2 ℃模型、0～7.2 ℃模型、犹它模型[8]。虽然就使用何种模型更能准确估计果树需冷量存在较大的争议[8-10]，但低温需冷量的不足是限制果树正常发育的重要原因已被人们广泛接受[9-11]。Hedhly等认为,低温积累量的不足降低了大樱桃花粉柱头的敏感性，导致授粉不良而造成落果[12]。此外，Fadón等研究表明,低温需求在不同大樱桃品种间存在一定的差异[13]。所以，查阅相关文献，对常见大樱桃品种需冷量(7.2 ℃模型)大致范围进行简单归纳(见表1)。

表1 常见大樱桃品种需冷量

序号 品种需冷量(h)参考文献序号 品种需冷量(h)参考文献1红鲁比(Ruby)610～618[10],[13]12卡特林(Katalin)1499[14],[17]2克里斯(Cristobalina)176～314[10],[13]13红灯(Hongdeng)900～1070[14-18]3布鲁克斯(Brooks)411.5～800[10],[13],[17]14萨米脱(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布莱特(Burlat)583～713[10],[13],[21]16尼雷尔(Rainier)750～1013[15-16]6萨默塞特(Somerset)618～933[10],[21]17大紫(Black Tartarian)624～1181[15-16]7宾库(Bing)1073～1158[13]18南阳(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拉宾斯(Lapins)400～749[13],[15],[17],[21]20斯坦勒(Stella)600～1131[15],[27],[19],[20]10先锋(Van)668～1516[13],[15],[16],[19]21龙冠(Longguan)750～1013[16],[17]11奇好(Cropлpи)600～1501[14],[17]22艳阳(Sunburst)800～1214[17],[20]

2.2 花粉特性

虽然有关花粉特性对大樱桃落花落果影响的研究报道较少，但花粉作为种子植物的雄配子体，在有性繁殖中发挥着重要作用。花粉的形态、结构、成分和生活力等特性直接影响授粉，进而影响坐果。这种观点已在梨[22]、芒果[23]等多种果树上得到证实。中川昌一等认为，花粉粒的大小、形态等直观反映了花粉生活力的强弱，较小的或形状不规则的、萌发孔过多或过少的花粉均为败育花粉，用此类花粉授粉，花粉不能萌发，也不能受精坐果[24]。适宜的温度对花粉萌发过程有着至关重要的作用，Hedhly等通过比较2个不同来源地大樱桃发现，在一定温度范围内两者花粉萌发率均随着温度的上升而降低，但在有性繁殖过程中两类花粉对温度条件有着不同的响应，表明花粉特性除受外界因素影响以外，主要还受自身遗传因素的影响[25]。在短低温种植区，年低温量的不足导致大樱桃萌芽开花不整齐、花器官(特别是胚囊、胚珠)畸形，最终导致果实脱落[26]。此外，雨水[27]、树体营养元素[28]对植物授粉及后续坐果也有重要的影响。例如，Usenik等研究表明，叶面喷施锌、硼后能有效减少大樱桃的落果[29]。总之，高质量的花粉对提高大樱桃坐果有着重要的作用，而影响花粉质量及授粉的因素较多，除了本身的基因型以外，也受环境因素(温度、雨水、矿质元素等)的影响。

2.3 离区形成及其相关酶类

从进化上看，器官脱落作为植物界普遍发生的一种生理现象，是植物长期生长发育过程中形成的对环境的适应性，是细胞结构、生理生化代谢及基因表达等过程共同作用的结果[30]。

而离区的形成是造成落果的直接原因[31-35]。Vashisth等认为，蓝莓离区形成于果柄与茎(pedicel-peduncle junction, PPJ)连接处[31]，而桔[32]、柑橘[33]等大多数果树离区发生在果实与果柄(fruit-pedicel,FPJ)连接处。在大樱桃上，Kilian等研究发现，其离区形成也发生在果实与果柄连接处[34]。而有关樱桃离区形成的原因，最早Stösser等研究发现，酸樱桃离层组织由5～8层细胞组成，随着落果进程的推进，在酶类催化下，离层细胞壁果胶被降解，部分细胞质被破坏，离层细胞壁多聚糖的含量较相邻细胞少，与相邻细胞间粘附力降低，最终导致细胞分离，形成离区[35]。众所周知，任何生物过程的发生，都离不开酶的催化，有关离区形成相关酶类的研究，主要集中于纤维素酶(EG)和多聚半乳糖醛酸酶(PG)两类水解酶，且他们作为离区形成的关键酶在苹果[36]、桃[37]等果树上的功能具有高度的相似性，其主要与离区细胞壁的降解有关。这2种酶在大樱桃果柄离区的形成中是否具有类似的功能，还待进一步的研究。同样地，过氧化物酶(POD)在调控果实脱落过程中也有重要的作用，Wittenbach等通过研究樱桃发现，POD通过降低离区组织生长素的水平，影响离区组织的正常发育，从而促进器官的脱落[38]。此外，参与离层细胞壁降解的酶类还有果胶甲醋酶(PME)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、多酚氧化酶(PPO)等。有关植物器官脱落的过程，Mcmanus等认为，高等植物离层组织形成后，部分组织细胞分化形成具有特定接收识别脱落信号的细胞，这些感受脱落信号的细胞在接收脱落信号后，在相关酶及调控物质的作用下离区细胞被激活，细胞结构等发生变化，最终在外力(重力、风力)的作用下导致脱落[39]。所以，可将大樱桃果实脱落的生理过程大致描述如图1所示。

注：红色圆圈表示果柄与果实连接处正常细胞，绿色三角形表示分化形成的离区细胞，黄色正方形表示部分离区细胞分化形成的信号细胞。图1 大樱桃果实脱落生理过程

2.4 碳水化合物

碳水化合物是光合作用的主要产物，在植物体的形态构建和植株生命代谢活动中具有重要的作用，其在树体中的分布主要取决于库源关系[40]。目前为止，人们普遍认为果实中某种碳水化合物含量未能达到一定的阈值很可能引起果实的脱落[41-44]，但就哪种碳水化合物不足而导致果实脱落依树种而有所差异。例如，Mehouachi等研究发现，柑橘的果实脱落很可能与果实中蔗糖和淀粉含量的不足有关[42]，且Iglesias[43]等也得到了类似的结论。Archbold等研究苹果落果发现，蔗糖和葡萄糖含量的不足是导致落果的主要原因[44]。但就同一树种而言，引起落果的碳水化合物的类型是否因环境的不同而改变有待进一步研究。在大樱桃上，就具体哪种碳水化合物的不足引起落果的研究还鲜见报道，但Jones等的研究表明，大樱桃的正常坐果和果实发育需要大量的能量，而碳水化合物在树体内分布的失衡，引起激素信号、水分运输及气体交换等生理过程发生改变极可能是造成落花落果的重要原因[45]。而通过环剥切断碳水化合物由叶片向下的运输通道，提高光合产物的积累，可以减少大樱桃的果实脱落。

2.5 植物激素

果树的正常坐果和生理落果是复杂生理变化过程的反应，内源激素的水平与变化规律是其中至关重要的调节因素。目前，有关植物激素对果实脱落影响的研究较多的有生长素(IAA)、乙烯(ETH)和脱落酸(ABA)三类。有关IAA对大樱桃果实脱落的研究，Blanusa等认为，生长素的极性运输(PAT)能力的下降不是引起大樱桃落果的唯一原因，但PAT的正常进行有助于大樱桃的坐果[46]。这种说法与“生长梯度学说”较为吻合,此学说认为植物器官脱落与否及其速度的快慢, 不单纯决定于器官本身IAA含量的多少, 而是被贯穿在离层中IAA的梯度所调节[47]。但Wouter等认为，IAA主要是以调控离区细胞对ETH的敏感性而间接调控器官的脱落[48]。ETH对果实的脱落具有促进作用，Greene等通过ETH生物合成抑制剂AVG处理苹果树后, 能降低果实的脱落，间接证明了乙烯对落果的促进作用[49]。但其调控机制，说法不一。Iglesias认为，ETH主要通过调节离区碳水化合物的水平来调控果实脱落[43]。但Bonghi等认为，ETH促进果实的脱落主要是活化了EG和PG两种酶的活性，而这2种酶正好与离区的形成有着直接的关系[50]。人们普遍认为ABA能促进植物器官的脱落,杨波等通过比较发现，扁桃正常果实和果柄IAA含量始终大于相应落果和落果果柄IAA含量，而ABA含量则与之相反。由此直接证明了ABA与植物器官脱落有着密切的关系。同样，Nartvaranant等[51]在研究柚子果实脱落过程中得出了类似的结论。但内源激素调控生理落花落果的影响并非由某一种激素单独参与，而是在多种激素相互作用下完成复杂的调控过程。所以，植物内源激素对大樱桃生理落花落果的调控的深层机理有待进一步的研究。

2.6 果树器官形成与脱落部分基因的表达调控

近年来，有关果实脱落的分子调控也受到人们的普遍关注。果柄离层细胞的分化形成作为导致落果的直接原因，有关离区形成的相关基因在番茄(jointless、LS)，水稻(shi4、qSHI、OsCPL1)等作物上已被分离验证，且与其形成相关功能酶和内源激素相关基因的表达调控也逐渐被众多学者研究。在果柄离区形成相关功能酶的基因表达调控研究中，报道较多的则是EG、PG两类水解酶。EG作为高等植物中由一个基因家族编码的一类重要水解酶，Shani等[52]在模式植物拟南芥中发现至少有25个基因与EG的形成有关，且这些基因编码的EG在同一细胞的细胞壁上都有相应的位置，在生物学过程中发挥相应的作用，比如植株的生长，果实的成熟以及植物器官的脱落。Del等在番茄花器官脱落中发现，EG基因家族的激活或抑制是一个复杂的过程，而且该基因家族所编码的水解酶在器官脱落的每个阶段所发挥的作用主要取决于当前的生理条件[53]。有关PG基因表达与离区形成的关系，Burns从柑桔中分离出在其花、叶及果柄的离区组织中高表达的两个PG基因：CsPG1与CsPG2[54]。Peng等发现，从荔枝果柄离区分离出的PG基因LcPG1的表达量与生理落果之间呈一定的正相关关系[55]。除此之外，有关与器官脱落相关植物激素信号转导和生物合成相关基因的表达调控以及植物激素对脱落相关基因的表达调控也有相关的研究报道。Xie等发现，SAUR(Small auxin-up RNA)是一类可被生长素诱导的并能够参与柑橘叶片衰老、子叶脱落等多种生理过程的基因家族，并通过对全基因组搜索，从SAUR中分离出了与柑橘果实脱落相关的5个基因，且这些基因的表达水平均受IAA的调节[56]。杜艺等从23个与IAA信号转导和ABA生物合成相关基因中筛选出了12个与荔枝果实脱落相关的基因，并且通过系统进化分析发现有13个基因在其同源性较高的植物上均与植物器官脱落相关[57]。在大樱桃上，Leng等研究发现，在大樱桃的成花、果实发育、坐果等过程中与ABA积累与ABA代谢和信号转导相关的若干基因[58]。段续伟等结合桃基因组分析，克隆获得了14个大樱桃MADS-box基因，且其基因结构高度保守，主要参与调控成花与花器官发育等过程[59]。有关大樱桃器官形成和脱落分子方面的研究只有零星的报道，所以结合其它果树上的相关研究，笔者简单归纳了最近10年部分与果树器官脱落相关的基因(表2)。最重要的是，大樱桃基因组数据的公布[65]，为挖掘其器官形成与脱落相关基因奠定了分子基础。

表2 部分与果树器官形成与脱落相关的基因

基因名称 基因功能 果树树种 代表文献Aux/IAA,AUX/IAA,SAU,GH响应碳水化合物胁迫,调控与子叶脱落相关基因的表达荔枝[41]PG花、叶及果柄离区的形成中PG的合成相关柑桔,荔枝,龙眼[55]SAUR在果实脱落过程中其表达水平受IAA调控柑橘,荔枝[56]TIR,ARP,PIN,SDRAux/IAA,NCED在果实脱落中与IAA信号转导和ABA生物合成相关荔枝[57]PaNCED1,PaCYP707A,PaNCED,PaPYL等与成花、果实发育、坐果等过程中ABA积累与ABA代谢和信号转导大樱桃[58]PaSOC1,PaAG等14个MADS基因与成花相关大樱桃[59]ACS调节乙烯合成,与果实脱落相关荔枝,橄榄,苹果[60]EG叶片脱落过程中EG的合成相关柑桔,桃,荔枝[61]PME与离区的形成相关,且接受ABA调控表达水平柑桔,荔枝[62]IDA、JOINTLESS与萼片脱落相关梨[63]OESAMDC1,OESPDS1果实脱落过程中参与多胺生物合成途径有关橄榄[64]

3 展 望

通过对大樱桃落花落果规律及调控机制两方面研究内容的总结和分析，可以看出影响大樱桃生理落花落果规律因素大致可以归为外因(环境)和内因(品种)两类，而环境因素中温度最为关键，其主要表现为对低温的需求。而在全球气温日渐变暖背景下，低温需求量的不足是影响大樱桃生理落花落果的重要外界因素，同时，光照强度、湿度、水分等也在此过程中起着一定的作用。大樱桃生理落花落果是一个多方面、多因素相互作用的复杂调控过程，整个过程涉及酶类、植物激素、碳水化合物、矿质营养、水分等多种物质的调节，且各类物质在此过程中存在关联性，例如：激素水平的变化往往伴随着碳水化合物含量以及相关酶活的变化。此外，与果实脱落相关基因的表达调控也在多种果树上研究报道，且这类基因的表达调控影响相关活性物质的合成，同时，其表达水平也受到相关物质的反馈调节。但是,从目前的研究现状也可以看出,有关大樱桃生理落花落果的研究还处于一个需要继续深化的阶段,例如由碳水化合物含量不足引起的大樱桃果实脱落，其具体的碳水化合物的类型还需要进一步的研究；在其它果树树种上分离的有关与器官脱落的相关基因是否在大樱桃上有类似的功能还需进一步的验证。而这些内容的研究对于提高大樱桃产量及果实品质都是必需的, 值得科研工作者对其进行更进一步的研究。