赤霉素的生物合成及其在葡萄栽培上的应用

张晓莹，宋长年，房经贵，王西成

(南京农业大学园艺学院江苏省果树品种改良与种苗繁育工程中心，江苏南京210095)

植物生长调节剂的功能主要是调整株型、提高抗性、增加产量、提高品质、调控发育进程、加快根茎膨大等[1]。它们在控制萌发和生长，促进扦插生根、开花结果，防止落花落果，疏花疏果，形成无籽果实，增加产量，提高抗逆力等方面显示出重要的调控作用[2－3]。随着人们对植物激素生理作用的深入研究与认识，植物生长调节剂的应用日渐得到重视，并且已成为果树生产技术的一部分。尤其以赤霉素使用居多，又以在葡萄上的应用最为普及与实用化。赤霉素(Gibberellin，GA)是指在化学结构上彼此非常接近的双帖类化合物，具有19或20个碳原子(图1)。根据赤霉素分子中碳原子的不同，可分为19-C赤霉素和20-C赤霉素。

图1 赤霉素的基本结构

1 赤霉素的生物合成

鉴于赤霉素在葡萄栽培中的广泛应用及重要作用，研究赤霉素的作用机理十分必要。分子生物学的发展为研究与认识赤霉素的作用机理提供了有利条件，并且对赤霉素的作用机理有了一定的了解，而且对其生物合成的调节以及赤霉素发育调节的机制有了进一步的认识。而赤霉素的生物合成更是认识赤霉素的作用机理的基础。为揭示赤霉素在葡萄发育中的的作用机理，本文首先介绍赤霉素的生物合成途径，从而进一步达到利用赤霉素的目的。

在真菌细胞内或者一些植物的无细胞体系里，甲羟戊酸(MVA)可以被转化成赤霉素的前体，故MVA一直被认为是植物体内合成赤霉素的最初前体[4]。但在完整的植株和组织中MVA却无法转化成异戊烯焦磷酸(IPP)或者其他赤霉素前体。1996年Schwender[5]发现某些藻类可以将3—磷酸甘油醛或者丙酮酸盐转化成IPP。随后Lichtenthaler[6]证明在高等植物的原质体内也存在这样一条途径。目前3—磷酸甘油醛/丙酮酸盐是公认的赤霉素合成最初前体[7]。

根据赤霉素生物合成参与酶系的不同以及参与酶的细胞区隔化，将整个合成途径分为3个步骤[8－9](图2):第1步发生在原质体(Proplastid)内，牻牛儿牻牛儿焦磷酸(GGPP)到内根—贝壳杉烯(Ent-kaurene)阶段，有关的酶不与膜结合;第2步发生在内质网上(Endoplasmic reticulum)，由依赖细胞色素P450类的单加氧酶催化内根—贝壳杉烯(Ent-kaurene)转化成GA12的阶段，需要O2和NADPH;第3步在细胞质(Cytosol)内催化C20、C19 GAs的产生，从GA12转变为其他种类GA的途径则因植物种类而异。一般来说，从GA12开始的反应有一个共同的顺序，就是C-20逐渐氧化，以丧失CO2的方式转变成C19-GA，然后在3-β位引入羟基，这样形成具有生物活性的C19-GA;若在2-β位引入羟基则形成无生物活性的GA[10]。

图2 高等植物赤霉素生物合成途径

2 葡萄中主要赤霉素类型

迄今已发现的赤霉素有100余种，在葡萄上命名的也有几十种。

已有研究表明，不同植物中赤霉素的种类不同，且同一植物不同组织所含赤霉素的种类也有所不同。以葡萄来说，葡萄中主要有GA1、GA3、GA4、GA7等十几种。表1列出部分赤霉素类在葡萄上的来源情况。

表1 GAs在葡萄上来源情况

3 赤霉素的生理效应以及在葡萄栽培上的应用

赤霉素能显著促进细胞伸长、分裂和分化，加速生长发育，增加产量，改善品质，促进早熟，也能有效地打破种子休眠，促进发芽，还能诱导植物抽薹开花，促进坐果和果实的生长。因此，赤霉素被广泛应用于农业生产。在果树上，赤霉素以在葡萄上的应用最为普及，赤霉素在葡萄上的利用成为赤霉素乃至其他植物生长调节剂在果树上利用的最典型代表。应该说赤霉素在葡萄生产中广泛而且成功的利用除了赤霉素的作用特点外也有葡萄本身的原因，如葡萄果粒小、种子数目较多、无籽葡萄品种果实偏小、生产模式多样化、果实外观品质性状尤其是色泽丰富并且可塑性高等都是影响葡萄生产中较多采用赤霉素的重要方面。葡萄上应用赤霉素主要涉及到葡萄无核化栽培、提高坐果率、促进无籽葡萄品种果实的生长、增加穗重、提早成熟和打破种子休眠等。

3.1 赤霉素对葡萄成花、坐果的影响

发育完全的植物施用赤霉素可提早开花，并增加坐果。对于早期花序，一般赤霉素浓度在10～20 mg·L－1和200～300 mg·L－1时对形成雌花有积极作用，而浓度高于600 mg·L－1，则显著停止雄花和雌花的发育[19]。葡萄于盛花前11～14 d以及盛花后10 d分别用100 mg·L－1GA4+7、100～150 mg·L－1BA和100 mg·L－1GA32次浸渍果穗[20]均能够明显提高坐果率。

3.2 赤霉素对疏花疏果的影响

美国加州用赤霉素对汤姆逊无核(无核白)进行疏花疏果，一般喷洒2次赤霉素:在花冠脱落30%～80%的时候，用2.5～20 mg·L－1溶液喷雾，其目的是使穗轴伸长，疏去30%～50%的花果，也略有增大浆果的作用，以防果穗过于紧凑而腐烂[21]。

3.3 赤霉素对增大葡萄果实的影响

无核可提高其可食性及商品性。但无核葡萄一般果粒较小，这与果实中无种子直接相关。研究表明，种子是赤霉素合成的中心[22]。通过施用赤霉素可抵消部分自身赤霉素的缺乏，从而使无核果实长得和有核果实一样大[23－24]。不同浓度的GA3对红地球[25－26]，Vanessa[27]，Sultana[28]等品种起到了良好的膨大效果。但也因葡萄的品种、树势、地区、处理浓度的不同，效果也不尽相同。

3.4 赤霉素与葡萄无核化

近年来，国际鲜食葡萄生产和消费的总趋势是大粒、无核。目前我国鲜食葡萄中无核品种不到10%，无核葡萄生产远远不能满足市场需求。因而，采用无核化栽培技术生产大粒无核葡萄具有重要意义。葡萄无核化是指使有籽葡萄的种子软化或败育，从而转化为无核葡萄，赤霉素可引起有核葡萄无核化。在花前和盛花期施用100 mg·L－1的赤霉素可形成一些无核葡萄品种[29]。在盛花前6～10 d用GA浸渍花穗，以抑制授粉受精并促进早熟，可形成无核高达98.7%～99.9%[30]。杨向东等[31]初花前4 d和盛花后10 d各用50 mg·L－1赤霉素浸穗处理1次，可以使巨峰葡萄果实95%以上无核。此外陶建敏等[32]采用2种不同浓度的GA3和GA4+7在花前10 d，1 d和盛花期对巨峰葡萄进行无核处理，花后10 d以GA3和CCPU以3种浓度组配进行膨大处理，各处理都使巨峰葡萄的无核率大幅度提高。

3.5 赤霉素对改善果实品质的影响

由于赤霉素能诱导α-淀粉酶的生成，引起淀粉水解，这样便增加了糖的浓度，提高了细胞液的渗透压，使水进入细胞并使其纵向伸长生长。因此，在花期或花后施用赤霉素能增大果个、拉长果形、提高果实可溶性固形物含量等[33－34]。

4 应用前景

随着赤霉素研究的不断深入，其生理作用和在果树上的应用已为广大果树科技工作者所熟知和证实，今后必将进一步拓宽其应用领域，尤其在现代设施葡萄种植、高产优质葡萄种植，葡萄园观光旅游中应用更加广泛。植物生长调节剂的应用成为葡萄生产技术不可或缺的一部分，在葡萄无核化栽培、扦插繁殖、控制生长、促进花芽形成、保花保果、增加产量和提高浆果品质等方面发挥着重要的作用。在实际应用中，要充分发挥赤霉素的作用还应把其他植物生长调节剂与其他栽培措施(如授粉受精、肥水管理等)结合起来，才能得到更好的效果。在葡萄上研究植物生长调节剂势必会引起其在其他园艺作物上的应用，并带来新的活力。

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