植物生長素影響單性結實的研究進展*1

凌丹燕， 張清楊， 劉 姍， 丁燕倩， 吳旭峰，孫莉莉， 郭衛東， 廖芳蕾

(浙江師范大學 化學與生命科學學院,浙江 金華 321004)

植物生長素影響單性結實的研究進展*1

凌丹燕， 張清楊， 劉 姍， 丁燕倩， 吳旭峰，孫莉莉， 郭衛東， 廖芳蕾

(浙江師范大學 化學與生命科學學院,浙江 金華 321004)

主要闡述了植物單性結實的研究歷史和現狀、單性結實形成的分子機制和相關基因的分離克隆及鑒定方法的一些最新研究進展；從植物生長素響應途徑調節和其他相關基因調節兩方面，探討了植物生長素對單性結實果實發育的具體影響，并對未來這一領域的研究方向作了進一步的展望.

生長素；單性結實；果實發育；坐果

在植物學上，單性結實(parthenocarpy)是指子房不經過受精作用而形成不含種子果實的現象，可分為天然的單性結實和人工的單性結實2類.與種子敗育不同，單性結實發育出來的果實是真正無籽的[1].由于無籽果實具有較高的商業價值，因此單性結實的理論研究得到了廣泛關注.目前，研究集中在單性結實的形成機理[2-3]、鑒定方法[4-5]、擴增片段長度多態性(AFLP)分子標記[6-7]、影響因素[8]等方面.本文從單性結實的生理現象、分子機制及相關基因的分離克隆出發，探討了植物生長素在單性結實中的作用.

1 單性結實的概況

1.1單性結實介紹

從植物的遺傳特性來說，植物的開花結果大多要經過受精作用，卵細胞經過受精發育成胚，胚珠發育成種子，子房發育成果實[9].但是，在受到諸如激素[10-11]、高溫[12]等外界條件刺激，或者在自然狀態下不經任何處理，子房不經授粉受精即可完成坐果的現象，在植物學上稱為單性結實.George等[13]指出，一個植株要么是單性結實株，要么就是非單性結實株.單性結實果實未經受精，可產生無籽果實，因此是目前果樹生產中最常見的無籽果實的生產類型[14-16].無籽果實與有籽果實相比具有食用方便、可食率高、貨架期長[17]等諸多優點，在生產上具有較高的應用價值.單性結實的機制研究將為無籽果實的生產開辟新的途徑.

1.2單性結實的研究歷史

單性結實的研究起源于1902年，Noll[2]最先在黃瓜中發現了單性結實的現象.Winkler[3]通過對黃瓜的研究，把單性結實定義為產生無籽果實和空癟果實的現象，他認為非天然單性結實是在傳粉以后或者受到別的刺激而產生的無籽果實，天然單性結實無需傳粉和別的刺激.在之后的幾十年間，對于瓜果單性結實的研究幾乎停滯.1951年，Nitch首次提出了單性結實的概念，他采用去雄技術，在授粉前切除番茄雄蕊，用適當的營養液造成未授粉的番茄子房發育，從而在體外誘導單性結實，報告中還指出植物子房在體外培養中不改變其發育機制[4].文獻[18-19]則在研究番茄的單性結實品種時發現PAT-2基因的影響.自此之后，植物單性結實的機制被更多地研究和發掘，并且應用到農業、林業、園藝等各個方面.

1.3單性結實的鑒定方法

1.3.1 田間鑒定法和解剖學鑒定法

單性結實的鑒定方法也是研究單性結實相關內容的重要部分之一，方法眾多，原理不一.常規鑒定一般采用結果期田間鑒定法[4].茄果類蔬菜等兩性花作物的單性結實鑒定可采用自然逆境鑒定、蕾期人工去雄、人工去柱頭等方法[5,20].另外，對茄子花蕾期人工去雄和去柱頭實驗相比較，發現去柱頭法節約了人工去雄后對花隔離的費時操作，操作簡單、效率高，也可用于茄子單性結實的鑒定[5,20].

坐果率統計分析是鑒定的基本方法之一[21].單性結實品系植株坐果率較高，去雄處理的坐果率也較高；非單性結實品系在去除雄蕊后，基本不能結果.通過對果實的計數可以輕易分辨出該植物是否為單性結實[22].在對茄子的研究中發現，單性結實性的茄子植株具有良好的結果習性，非單性結實茄子落花率較高[23].子房及果實的組織形態觀察也可作為單性結實的鑒定方法[24].采用石蠟切片法在顯微鏡下連續觀察胚胎、果實發育情況，也可研究單性結實茄子與有性結實茄子果實的發育過程[25].因此，解剖性狀也可作為單性結實選育的輔助手段.上述2種方法操作簡單，往往作為生產實踐中鑒定單性結實的常用手段.

1.3.2 分子標記技術

除了結果期田間鑒定方法，近些年分子標記技術也被越來越多地應用到單性結實的鑒定當中.陳學好等[26]采用分離群體分組法對黃瓜單性結實基因進行了ISSR多態性篩選，發現了與黃瓜單性結實基因連鎖的N92多態性引物，該引物可以擴增出非單性結實果實具有的特異性條帶.劉富中等[6]采用AFLP分析技術和改良BAS法，獲得了一個與茄子單性結實基因緊密連鎖的AFLP標記E75/M53-70，該標記不僅可以應用于單性結實的鑒別，還可用于輔助育種，加速茄子單性結實基因的轉育和利用.Shimomura 等[7]通過AFLP 技術和DH群體獲得了與茄子單性結實基因緊密連鎖的AFLP 標記smpc77(EcoRⅠ-AGG/MseⅠ-CTG).利用分子標記技術可在苗期對單性結實進行鑒定選擇，大大提高了育種效率，而且不斷發現的新的分子標記基因有利于單性結實品種的早期選育.該技術也有相對的缺點，因其耗時長、鑒定效率低，在實際生產中應用并不廣泛.為了改進這項技術，發現更為保守的單性結實的標記基因是當務之急.

2 生長素與單性結實的關系

對單性結實機理的研究首先會關注激素水平的變化.許多實驗證明，在天然單性結實的果實中，果肉組織代替了種子的作用，導致激素分泌不平衡而引發植物的單性結實[27-28].Philouze等[29]發現單性結實番茄花蕾中含有較多的生長素；Gibson等[30]證實番茄單性結實品種69的單性結實率與游離生長素(IAA)濃度成正相關，其花蕾的生長素濃度在授粉前就明顯大于普通番茄.對茄子單性結實的研究中發現，單性結實植物果實坐果和發育與生長素的變化有密切關系[31].此外，邱似德[32]在對單性結實及激素的研究中指出，單性結實在開花期生長素含量就高于有籽果，即使在未受精或種子未發育的情況下，果實也能繼續發育[33].因此，推測在單性結實中，生長素對坐果及果實發育有重要的作用[34-36].

以單性結實的柑橘屬為例，肖家欣等[37]對單性結實的溫州龜井蜜柑果實發育過程中不同部位IAA含量的變化進行了測量，發現IAA含量在花后(果實生長發育前期)72 d相對較高，之后急劇回落至相對較低的穩定水平，推測龜井蜜柑果肉的迅速膨大不需較高含量的生長促進類激素IAA.對柑橘開花前后IAA含量動態研究結果顯示，單性結實的子房(幼果)的IAA濃度在花前至盛花期這一階段明顯高于自花結實的果實，說明單性結實的子房本身含有較高的生長素類物質，這對花后子房(幼果)進一步生長發育起著尤為重要的作用[38].廣橙經過人工授粉處理后ABA(脫落酸)與IAA的比例呈有規律下降[37].上述研究表明，單性結實與生長素有密切的關系.果實生長發育初期，自花授粉幼果內源激素促進類激素含量低于異花授粉處理；果實迅速增長期間，內源IAA有2個明顯的高峰期，顯示IAA與果實迅速膨大有密切關系[39].

3 生長素對單性結實果實發育的影響

3.1生長素響應途徑的調節

文獻[8]和文獻[40-41]通過改變不同的生長素信號轉導通路的途徑，實現了單性結實果實的發育.因此，生長素響應途徑有可能在果實發育中起著關鍵的作用.

研究表明，Aux/IAA(植物生長素)能和ARFs(生長素應答因子)形成雜合二聚體，在生長素的作用下，Aux/IAA被降解，從而啟動生長素信號途徑[42-43].如，番茄中的IAA9基因(生長素應答基因)反義抑制后，植株即獲得單性結實[39].現已在多種植物中發現了Aux/IAA基因家族的基因抑制使植物獲得單性結實[44-45].最近，研究發現在擬南芥和番茄中ARF基因(生長素反應因子基因)家族中有一些基因可以通過突變和負調控導致果實在未受精下發育，最終形成單性結實[40,46].植物中的ARF-8即被證實為一種負調節因子，可以改變心皮中果皮細胞的分裂和促使無籽果實的產生[47].杜黎明等[48-49]則利用RT-PCR和RACE技術從杭州紅茄中克隆得到一個生長素響應因子家族基因SmARF8和GA響應因子相關基因片段SmGAI.SmARF8與番茄單性結實調控基因SlDELLA高度相似，但要證實其是否參與調控茄子的單性結實過程則需要進一步的研究.

根據序列同源性、序列比對、結構域分析等生物信息學和系統發育學的方法，黃瓜中生長素信號傳導途徑中兩大轉錄因子Aux/IAA和ARF家族已被分離、鑒定和分析[50-51].對這兩個家族的基因進行表達分析，發現9個ARF基因的表達水平顯示出了很大的差異.鑒于Aux/IAA和ARF家族的保守性，推測其在其他物種的單性結實果實發育過程中發揮著相當的作用.因此，檢測生長素響應途徑相關基因在植物坐果前后的表達變化，可作為檢驗該植株單性結實的指征.

3.2其他基因對生長素的調節

生長素合成的特異啟動子轉入植物，在子房或胚珠特異性表達后可引起單性結實果實的發育[52-54].陳新偉[55]發現，pat-2/pat-2基因型番茄在正常授粉條件下，pat-2基因(單性結實基因)會明顯降低其結籽，實驗說明pat-2基因對番茄的結實有一定的調節作用.而Carmi等[56]發現，農桿菌中的rolB基因即植物激素合成代謝相關基因，具有子房表達特異性，通過實驗將rolB基因融合到子房或幼果的特異性啟動子TPRP-F1中構建含有嵌合體的番茄，可誘導產生無籽番茄.但尚不清楚rolB基因是如何促使果實發育的.有觀點認為，rolB基因可操控一種酪氨酸磷酸酶的活性，其對生長素的合成分泌有直接影響[57-58]，進一步說，rolB基因改變了生長素信號轉導通路，但是目前為止尚無定論.

4 展 望

隨著生物技術的發展，采用人為手段促使植物單性結實仍然是一個技術難題.如何使栽培植物能夠單性結實，并提高坐果率，從而增產增收，是目前農業生產中的重要課題.我們推測,未來單性結實的研究將從以下幾個方面開展：1)許多植物單性結實的原因是由生長素引起的，如果將生長素作為一種外源激素應用于非單性結實植物中，誘導無籽果實的產生，不僅可以產生巨大的經濟效益，更重要的是避免了分子水平的操作，利于擴大推廣范圍.因此，對生長素在植物單性結實中的分子機制研究仍會是未來的研究熱點.2)盡管生長素在單性結實果實的生長發育中起著關鍵作用，但果實的坐果是由多種激素在轉錄水平共同作用的結果[59-60]，包括赤霉素、乙烯、細胞分裂素，各種不同的激素在植物體內的協同作用造成了單性結實現象的產生,而激素的作用過程大多數是由激素調控的基因表達來起始或介導的.目前,科學家們對于不同種類激素之間的作用關系有了一定的認識,但對于多種激素誘導果樹單性結實的機制仍不十分清楚.因此，不同激素之間如何交互作用導致單性結實也將會是未來研究的熱點之一.3)單性結實植物果實的優點是無籽化、貨架期長，但有些果實瘦小、品質不高[61].因此，對特定基因進行改造成為新的優化果實品質的方向，充分利用基因工程，克隆出與單性結實相關的基因并進行改造，利用基因工程將單性結實的范圍擴大至例如山竹、石榴、楊梅等非單性結實的植物果實中，在不降低營養價值的前提條件下方便人們的食用.

[1]許敏,黃作喜.瓜類單性結實的研究進展[J].北方園藝,2009(11):118-122.

[2]Noll F.über fruchtbildung ohne vorausgegangene best?ubung (parthenocarpie) bei der gurke[M].Bonn：Sitzber d Niederrh Gesellsch f Naturu,1902:149-162.

[3]Winkler H K A.über parthenogenesis und apogamie im pflanzenreiche[J].Progressus Rei Bothanicae,1908,2(3):293-454.

[4]杜永臣.黃瓜種質資源描述規范和數據標準[M].北京：中國農業出版社,2005：4-13.

[5]成玉富,薛萍,張金鳳.茄子單性結實習性的研究[J].中國蔬菜,2008(增刊):29-31.

[6]劉富中,萬翔,陳鈺輝,等.茄子單性結實基因的遺傳分析及AFLP分子標記[J].園藝學報,2008,35(9):1305-1309.

[7]Shimomura K,Koga T,Sueyoshi T,et al.Development and suitability of DNA markers for breeding of parthenocarpic eggplant[J].Horticultural Research (Japan),2010,9(1):13-17.

[8]Wang Hua,Jones B,Zheng Guoli,et al.The tomato Aux/IAA transcription factor IAA9 is involved in fruit development and leaf morphogenesis[J].The Plant Cell Online,2005,17(10):2676-2692.

[9]Gillaspy G,Ben-David H,Gruissem W.Fruits:a developmental perspective[J].Plant Cell,1993,5(10):1439-1451.

[10]Bukovac M J,Retamales J B,Xu Shaoying,et al.Induction of parthenocarpic fruit growth in sour cherry withN-substituted phthalimide and NAA[J].Hort Science,1985,20(6):1083-1085.

[11]Pandolfini T.Seedless fruit production by hormonal regulation of fruit set[J].Nutrients,2009,1(2):168-177.

[12]Ercan N,Akilli M.Reasons for parthenocarpy and the effects of various hormone treatments of fruit set in pepino (SolanummuricatumAit.)[J].Sci Hortic,1996,66(3):141-147.

[13]George W L,Scott J W,Splittstoesser W E.Parthenocarpy in tomato[J].Horticultural Reviews,1984,6:65-84.

[14]Arias M,Carbonell J,Agusti M.Endogenous free polyamines and their role in fruit set of low and high parthenocarpic ability citrus cultivars[J].Plant Physiol,2005,162(8):845-853.

[15]楊光,曹雪,房經貴,等.‘藤稔’葡萄VvGAI基因的克隆,亞細胞定位及時空表達分析[J].園藝學報,2011,38(10):1883-1892.

[16]Zhang Caixi,Lee U,Tanabe K.Hormonal regulation of fruit set,parthenogenesis induction and fruit expansion in Japanese pear[J].Plant Growth Regulation,2008,55(3):231-240.

[17]王西成,王晨,房經貴,等.植物激素對果樹單性結實調控的研究進展[J].植物生理學報,2012,48(7):629-636.

[18]Lin S,Splittstoesser W E,George W L.A comparison of normal seeds and pseudoembryos produced in parthenocarpic fruit of ′Severianin′ tomato[J].Hort Science,1983,18(1):75-76.

[19]Lin S,George W L,Spittsoesser W F.Experession and inheritance of pathenocarpy in "Severianin" tomato[J].J Hered,1988,75(1):62-66.

[20]張映,劉富中,陳鈺輝,等.低溫下茄子單性結實特性的研究[J].中國蔬菜,2009(2):16-20.

[21]田時炳,劉富中,王永清,等.茄子單性結實性的遺傳分析[J].園藝學報,2003,30(4):413-416.

[22]張雅.茄子溫度抗性及單性結實研究[D].杭州：浙江大學農業生物學院,2008.

[23]曹培生,繆旻珉,陳學好,等.黃瓜子房(幼果)中內源激素含量和過氧化物酶活性變化及其與單性結實的關系[J].植物生理學通訊,1998,34(5):347-349.

[24]Sun Z,Staub J E,Chung S M,et al.Identification and comparative analysis of quantitative trait loci associated with parthenocarpy in processing cucumber[J].Plant Breeding,2006,125(3):281-287.

[25]張偉春,魏毓棠,王靜,等.茄子單性結實與非單性結實品系胚胎發育及果實解剖結構的觀察[J].沈陽農業大學學報,2008,39(5):534-537.

[26]陳學好,王佳,徐強,等.一個與黃瓜單性結實基因連鎖的ISSR標記[J].分子植物育種,2008,6(1):85-88.

[27]Vivian-Smith A,Luo M,Chaudhury A,et al.Fruit development is actively restricted in the absence of fertilization in Arabidopsis[J].Development,2001,128(12):2321-2331.

[28]Gorguet B,van Heusden A W,Lindhout P.Parthenocarpic fruit development in tomato[J].Plant Biology,2005,7(2):131-139.

[29]Philouze J,Maisonneuve B.Heredity of the natural ability to set parthenocarpic fruits in the Soviet variety Severianin[J].Tomato Genet Coop Rep,1978,28:12-13.

[30]Gibson R A,Schneider E A,Wightman F.Biosynthesis and metabolism of indol-3yl-acetic acid Ⅱ.in vivo experiments with 14C-labelled precursors of IAA in tomato and barley shoots [J].Journal of Experimental Botany,1972,23(2):381-399.

[31]李香景,劉富中,張映,等.茄子單性結實研究進展[J].中國蔬菜,2012(6):8-14.

[32]邱似德.單性結實與激素[J].植物生理學通訊,1984(2):1-5.

[33]Gustafson F G.The cause of natural parthenocarpy[J].American Journal of Botany,1939，26(2):135-138.

[34]Barendse G W M,Peeters A J M.Multiple hormonal control in plants[J].Acta Bot Neerl,1995,44(1):3-17.

[35]Nitsch J P.Hormonal factors in growth and development[J].Biochemistry of Fruits and Their Products,1970，1:145-147.

[36]Ozga J A,Reinecke D M.Hormonal interactions in fruit development[J].Journal of Plant Growth Regulation,2003,22(1):73-81.

[37]肖家欣,彭抒昂.柑橘開花前后子房(幼果)鈣,硼營養與IAA,GA1/3動態研究[J].果樹學報,2004,21(2):132-135.

[38]張上隆,劉春榮.柑桔授粉處理和單性結實子房(幼果)內源IAA,ABA和ZT含量的變化[J].園藝學報,1994,21(2):117-123.

[39]周碧燕.植物激素與果實生長發育的關系研究概述[C]//中國園藝學會第五屆青年學術討論會論文集.廣州：中國園藝學會第五屆青年學術討論會，2002:43-50.

[40]Goetz M,Vivian S A,Johnson S D,et al.Auxin response factor 8 is a negative regulator of fruit initiation in Arabidopsis[J].The Plant Cell,2006,18(8):1873-1886.

[41]Goetz M,Hooper L C,Johnson S D,et al.Expression of aberrant forms of auxin response factor 8 stimulates parthenocarpy in Arabidopsis and tomato[J].Plant Physiology,2007,145(2):351-366.

[42]Dharmasiri N,Estelle M.Auxin signaling and regulated protein degradation[J].Trends in Plant Science,2004,9(6):302-308.

[43]Leyser O.Dynamic integration of auxin transport and signalling[J].Current Biology,2006,16(11):424-433.

[44]Fujii N,Kamada M,Yamasaki S,et al.Differential accumulation of Aux/IAA mRNA during seedling development and gravity response in cucumber (CucumissativusL.)[J].Plant Molecular Biology,2000,42(5):731-740.

[45]Shimizu M,Miyazawa Y,Fujii N,et al.p-Chlorophenoxyisobutyric acid impairs auxin response for gravity-regulated peg formation in cucumber (Cucumissativus) seedlings[J].Journal of Plant Research,2008,121(1):107-114.

[46]Jong M,De woltersarts M,Feron R,et al.TheSolanumlycopersicumauxin response factor 7(SIARF7) regulates auxin signaling during tomato fruit set and development[J].The Plant Journal,2009,57(1):160-170.

[47]嵇怡,徐強,繆曼珉，等.與黃瓜矮生基因連鎖的ISSR標記及其SCAR轉換[J].園藝學報,2008,35(11):1627-1634.

[48]杜黎明,毛偉海,包崇來,等.茄子生長素響應因子SmARF8的克隆與分析[J].中國農業科學,2009,42(7):2434-2441.

[49]杜黎明,包崇來,胡天華,等.茄子GA響應因子SmGAI的克隆與分析[J].中國蔬菜,2009(16):26-30.

[50]王壘.黃瓜單性結實相關基因的分離、表達及SSR標記分析[D].南京:南京農業大學農學院,2011.

[51]王壘,陳勁楓,婁麗娜,等.黃瓜果實中ARF和Aux/IAA基因對外源激素的應答[J].西北植物學報,2011,31(6):1127-1131.

[52]Schwabe W W.Hormones and parthenocarpic fruit set,aliteraturesurvey[J]Hortic Abstr,1981,51:661-698.

[53]Bhojwani S S,Woong-Young S.Current trends in the embryology of angiosperms[M].Berlin:Springer Netherlands,2001.

[54]Vivian-Smith A,Koltunow A M.Genetic analysis of growth-regulator-induced parthenocarpy in Arabidopsis[J].Plant physiology,1999,121(2):437-452.

[55]陳新偉.不同授粉處理對pat-2/pat-2基因型番茄結實性的影響[J].中國蔬菜,1996,16(4):12-15.

[56]Carmi N,Salts Y,Dedicova B,et al.Induction of parthenocarpy in tomato via specific expression of therolBgene in the ovary[J].Planta,2003,217(5):726-735.

[57]Filippini F,Rossi V,Marin O,et al.A plant oncogene as a phosphatase[J].Nature,1996,379(6565):499-500.

[58]Spena A,Saedler H,Sommer H,et al.Methods for producing parthenocarpic or female sterile transgenic plants and methods for enhancing fruit setting and development:US,6483012[P].2002-11-19.

[59]Vriezen W H,Feron R,Maretto F,et al.Changes in tomato ovary transcriptome demonstrate complex hormonal regulation of fruit set[J].New Phytologist,2008,177(1):60-76.

[60]Pascual L,Blanca J M,Caizares J,et al.Transcriptomic analysis of tomato carpel development reveals alterations in ethylene and gibberellin synthesis duringpat3/pat4 parthenocarpic fruit set[J].BMC Plant Biology,2009,9(1):67.

[61]張映.茄子單性結實特性評價及單性結實相關基因的表達分析[D].北京：中國農業科學院,2008.

(責任編輯 薛 榮)

TheprogressofparthenocarpyinplantLING Danyan, ZHANG Qingyang, LIU Shan, DING Yanqian, WU Xufeng,

SUN Lili, GUO Weidong, LIAO Fanglei

(CollegeofChemistryandLifeSciences,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

It was focused on the research progress of parthenocarpic history and current situation, including the parthenocarpy molecular mechanisms and related genes, the development of identification methods. The specific effects of auxin on parthenocarpic fruit development were discussed and a further outlook from the auxin response pathway and other related gene were presented.

auxin; parthenocarpy; fruit development; fruit set

10.16218/j.issn.1001-5051.2015.02.014

2014-06-30

凌丹燕(1990-)，女，浙江海寧人，碩士研究生.研究方向：生物化學與分子生物學.

Q945.6

A

1001-5051(2015)02-0201-05