植物單性結實的發生誘因及其機制研究

南思楠，鄒薛，閆道良

（浙江農林大學林業與生物技術學院，浙江 杭州 311300）

單性結實是指天然或人工作用下使胚珠不經授粉而形成無籽果實的現象。單性結實可分為兩類：天然單性結實和刺激性單性結實。目前，大部分農作物的生產繁殖都依賴于昆蟲或人工授粉。近年來，由于氣候變化、棲息地被破壞等自然或人為原因，自然界中充當傳粉媒介的昆蟲數量顯著減少，致使農作物產量嚴重降低。單性結實不依賴授粉和受精，一個優點是在授粉失敗時，仍能長出果實，為傳播種子的動物提供食物；另一個優點是單性結實可以提高某些植物如番茄、黃瓜、茄子的產量、品質和經濟效益。

本文結合國內外相關文獻對植物單性結實的發生誘因及其形成機理進行研究，并對其今后的研究方向和開發利用提出建議。

1 天然單性結實

天然單性結實又稱自發單性結實，指在自然條件下，不經傳粉或其他任何刺激，便能發育結實的現象，如番茄、茄子、葡萄、柑橘、香蕉、菠蘿、無花果、柿子、黃瓜等。這些植物的祖先都是靠種子傳播的，由于種種原因，個別植株或枝條發生突變，形成了無籽果實。人們用營養繁殖方法，如扦插、嫁接等把突變枝條保存下來，形成了無核品種。這些無核品種的生長物質含量與一般有籽果實有一定不同，單性結實的內源激素IAA、GA 含量高且上升早。據分析，同一種植物，無種子的子房中生長素含量較有種子的高，尤其在開花期，無籽果的生長素含量就明顯高于有籽果。此外，如一種柑桔，無種子的生長素含量為有種子的4 倍（前者鮮重為2.39 μg/kg，后者鮮重僅為0.58 μg/kg）。但不是所有物種產生單性結實，子房中含多數胚珠的容易產生單性結實，胚珠少的如核果類，就難產生單性結實。

2 刺激性單性結實

刺激性單性結實又稱誘導單性結實，指需要通過某種外界因素的誘導才能引起單性結實的現象。誘導因素（刺激物）包括異種植物的花粉（如用爬山虎的花粉給葡萄授粉）、生長調節物質、天然提取物或其他化學物質。本文將刺激性單性結實形成的機理分為以下四類。

2.1 授粉誘導單性結實

將不親和的花粉或其他植物的花粉授粉到柱頭上，胚珠雖不會受精，卻能誘發單性結實。如用四倍體日本夏橙（Citrus sinensis）的花粉給日向夏橙和八朔品種授粉都較易得到單性果實，這類果實與正常授粉的果實在品質和產量上沒有很大的差異。另外，仲遠研究表明，通過軟X 射線發生儀（Soft-X-ray Unit OM-60R，OHMIC Ltd.）輻照花粉，誘導西瓜種子發生類似正常授粉情況下的激素信號活動，即細胞分裂素能誘導西瓜進行單性結實，且這種單性結實利用了生長素對西瓜坐果的誘導信號及赤霉素對果實膨大的誘導作用。因此，花粉刺激單性結實，本質上是激素的作用，西瓜上的試驗證明了這一點。更為重要的是，激素能提供一種酶系統，而這種酶系統促進子房中激素的合成，從而確保坐果和果實生長。有研究發現，赤霉素能使無核枇杷果實糖代謝酶活力下降，甜度隨之下降。在研究外源赤霉素誘導“巨峰”和“紅地球”葡萄形成無籽果實機理時，發現超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性減弱。以上這些試驗結果可以證明確實存在一種酶系統影響著單性結實的發生。

2.2 環剝誘導單性結實

環剝阻礙了生長素向根部的運送，使生長素大量積累在切口上而刺激單性結實，如周昌敏等對荔枝葉片進行環剝，發現葉片中生長素（IAA）含量明顯提高，有效減少了落果，果實增產了57.9%。環剝還可使果實中的養分增多，如莫建軍等對“華南9 號”甜木薯進行環剝栽培，發現甜木薯地上部分生長量及地下部分的產量均有所增加。也有研究表明，環剝“藤稔”葡萄的主干，發現果實風味及果色有明顯的改善，果肉中可溶性固形物、蔗糖含量也有所增加，同時促進了枝條、葉片以及冬芽中碳水化合物的積累。周賢軍等對幼齡的“糯米糍”荔枝主干進行環剝處理，發現能減少碳水化合物向根系轉運，果實中赤霉素類物質以及降低脫落酸類物質的含量增加了，這兩者比值的大小與坐果率的高低有密切關系。環剝處理能夠改變單性結實系碳水化合物的運輸狀態，這主要是由一些差異蛋白引起的。賈利等研究表明，協調茄子單性結實系果實的碳水化合物代謝是一些差異蛋白，與非單性結實系相比，單性結實茄子在開花前上調差異蛋白94 個，下調差異蛋白85 個；在開花后上調差異蛋白99個，下調差異蛋白96 個。

2.3 振動誘導單性結實

已有試驗證實，振動可誘發茄、瓜產生單性結實。大田里的植物較溫室里的植物容易形成單性結實，可能是風吹引起振動的緣故。研究表明，在兩年的大田試驗條件下，茄、瓜單性結實品種Serverianin的9 個家系的單性結實率均高達97%~100%；在溫室中時，單性結實率降低至10%~64%。而這9 個家系的后代再種植到大田時，單性結實率又提高到95%~97%。在大田條件下，風成為刺激子房發育的一個重要誘因。

2.4 化學誘導單性結實

在生產實踐中，可用化學方法阻斷某些植物正常產生種子的途徑，使其無法形成正常的有籽果實。研究表明，外施生長素、細胞分裂素、赤霉素、矮壯素和青鮮素等都能誘導植物單性結實。主流的激素平衡理論認為，單性結實受到各激素復雜的交互作用影響，任南南研究植物生長調節劑對黃瓜單性結實的影響，結果表明，細胞分裂素、生長素和赤霉素合成相關基因及合成代謝在單性結實果實不同發育時期作用不同。不同植物有不同的最佳激素平衡濃度，且影響其結實的激素種類亦不同。大量研究表明，激素參與了果實的早期發育，并在坐果期和果實膨大生長過程中發揮了重要作用。

張立慧等對茄子的Aux/IAA 基因家族有一定的研究，基因在生長素的轉導中起重要作用。其中，Sm IAA9 基因通過影響生長素信號的傳導，促進植物出現單性結實性狀。單性結實品系在開花前及開花當天的整朵花中IAA9 的表達量明顯高于非單性結實品種。王萬清等檢測表明，當來源于葉片和子房的IAA 的濃度達到300 ng/g，單性結實能正常發育。

N-（2-chloro-4-pyridyl）-N’-phenylurea（CPPU）是細胞分裂素類的一種植物生長調節劑。李英等研究表明，CPPU 處理未受精的瓠瓜子房與NAA 和GA處理相比，不僅提高了坐果率，還能顯著提高果實生長速度。王萬清通過檢測不同部位產生內源激素的種類和含量得出，來源于子房的GA和ZT能夠促進果實單性結實形成的結論。

赤霉素對單性結實的發生是通過間接手段。唐茵心以“翠冠”梨為試驗材料，測試出赤霉素處理調節未受精子房內生長素、脫落酸、乙烯等成分的高低，即促進單性結實果中赤霉素和生長素含量的合成。因此，在誘導單性結實過程中，赤霉素、生長素和細胞分裂素起協同作用。

在生理形態上，經100 mg/L 的 CPPU、NAA、GA誘導后形成的弱單性結實（黃瓜品系），其結實率、果實長度、橫徑和重量均有所提高。鄧英毅以GA誘導枇杷單性結實，發現其機制為胚珠發育異常并逐步退化，以致胚敗育。

在內源激素成分上，GA能與ABA 發生抑制作用，枇杷果實內ABA 含量有所下降，也是使胚異常發育的原因之一，因此果實中ABA 可能主要來自于敗育胚珠。在單性結實系果實早期發育時，IAA、ABA、AR 的含量較后期高，外源激素處理和授粉主要通過誘導果實內IAA 和GA 含量的提高而促進結實。

在分子基因上，2，4-D 誘導的梨單性結實是通過促進GA的生物合成來實現的，3 個關鍵氧化酶基因：GA20ox、GA3ox 和 GA2ox，在 GA 生物合成途徑中發揮作用。任南南通過不同處理分析不同發育階段的激素合成的相關基因的表達，發現CYP735A2 和LOG2 是細胞分裂素合成相關基因、CsRR8/9b、CsRR8/9e、CsRR16/17 是細胞分裂素信號轉導相關基因、AUX22 和AUX28 是生長素信號轉導相關基因，這些相關基因在單性結實果實中表達量較非單性結實果實高；而赤霉素合成基因GA20ox在單性結實果實中表達量和非單性結實果實中類似，見表 1。

表1 主要激素的單性結實相關酶及相關基因[35]

3 假單性結實

單性結實形成無籽果實，但無籽果實并非全是單性結實所致。有些植物雖已完成了受精作用，但由于種種原因，如受精率下降、胚乳敗育等導致胚珠的敗育，而后胚的發育中止，而子房或花的其他部分繼續發育，也可成為沒有種子的果實。目前，大部分的研究是在假單性結實無核葡萄上，如江淑平等以 Flame Seedless、‘大粒紅無核’和‘京可晶’3 個假單性結實無核葡萄品種為試材，發現胚早期發育的經歷與有核葡萄品種發育階段相同，但多數胚在發育至球形胚時，便停止生長并隨之解體，只有個別可發育至心形胚或魚雷形胚。此外，孫博等對假單性結實無核葡萄敗育期進行研究發現，胚乳敗育在胚敗育之前，而胚的敗育是胚乳敗育失去養分導致的。亓桂梅以無核葡萄為實驗材料，研究發現，假單性結實葡萄在花前2～3 周，用乙烯劑100 mg/kg 處理的果穗可以得到比例較大的具有萌發力的種子。

4 環境因素的影響

4.1 溫度

溫度是誘導植物單性結實的主要氣象因子之一。李冰等以茄子單性結實系D-11 為材料，研究表明，低溫是誘導茄子單性結實基因表達的主要環境因素。薛萍以單性結實品系的茄子為材料，研究表明，低溫脅迫是茄子結實習性提高的原因。溫度的高低，對內源生長素的合成及活性有一定的影響。楊連俊等研究表明，低溫能夠提高瓜類組織中生長素的活性或有利于GA 的合成。李艷瑋等研究自然低溫對茄子子房內源激素的影響，低溫主要是在果實發育初期對玉米素核苷（ZR）及ABA 有影響，表現為日平均最低溫度14.3 ℃不利于ZR 的合成，但顯著提高了ABA 的含量，進而提高果實單性結實能力。也有研究表明，茄子單性結實系具有較強的耐冷性，冷害指數較非單性結實系顯著低。低溫會抑制植物的光合作用以及降低葉綠素含量，但對單性結實系影響較小。

4.2 光照

除溫度以外，光照也是誘導植物單性結實的環境因素，其又可分為光強度以及光周期兩個不同方面的因素。研究表明，弱光下容易形成單性結實。高秀瑞等以茄子單性結實品系和非單性結實材料為材料，以低溫弱光脅迫處理，研究發現單性結實材料對弱光的利用能力較強，且低溫弱光脅迫主要是通過改變光合機構內部的活性而影響上述兩種材料幼苗的光合作用。

對于瓜類來說，夜間低溫和短光照是增加單性結實的主要因素，如西葫蘆在長日照下抑制了單性結實果實的發育，而在正常的日照條件下可獲得最重和最長的果實。

5 遺傳分析及分子機理

植物單性結實發生過程受到多種因素的影響，其中包括了遺傳因素。上世紀九十年代，人們便開始注重單性結實遺傳本質的研究，尤其是對茄子的研究，從Restaino 認為的茄子單性結實為1 對隱形基因控制，到Kuno 分析的茄子單性結實為單基因顯性控制，再到為顯性核基因遺傳，茄子單性結實的遺傳機制是存在多個基因控制的。不同材料遺傳特性存在差異，如閆立英等以雌雄同株黃瓜單性結實為試驗材料，研究發現其遺傳受2 對主基因+多基因控制（E-1-0，E-1-2）。張立慧利用 PCR 技術，研究結果表明，茄子單性結實相關基因ARF 家族基因抑制果實的快速發育過程，推測GH3.6 基因主要在花發育及坐果階段起作用，在果實快速發育階段作用不明顯。對黃瓜的單性結實及主效QTL 分析，有許多研究結果。位于2 號染色體上SSR00684-SSR22083 之間的Parthenocarpy 2.1 是控制黃瓜單性結實性狀的主效QTL 位點，其他位點都為微效位點。PAR2.2 在兩個不同的生長環境中均被檢測到，可作為標記分子在黃瓜單性結實中篩選育種。

6 討論

單性結實的應用非常廣泛，在某些植物中，單性結實的增產效力相當顯著，如用來制作腌黃瓜的黃瓜品種大多是經雜交選育的可單性結實品種。不過，目前植物單性結實仍存在一些問題，如研究的植物大部分是在葡萄、茄子、黃瓜、番茄等上，植物種類還不夠廣泛。因此，應加大資源的開發和創新；同時，積極與新型技術聯合研究，開展單性結實的綜合利用，具體包括：

（1）近年來，已有學者開始研究單性結實在轉基因上的應用。如將金魚草的啟動子和薩氏假單孢菌（Pseudomonas syringae pv.savastanoi）合成色氨酸單氧酶（該酶可催化生長素形成）的基因結合，植入茄子中，茄子產量顯著提高，甚至較未經轉基因、但經激素處理的品種還高。今后，這種轉基因技術可以應用到更多的單性結實系果實上。

（2）近年來，已發現振動誘導單性結實現象，但對具體的發生機理還不明確，需要進一步研究探討。同時，有許多單性結實材料的研究已經涉及到基因層面，如單性結實果實的發育過程中的特異表達鈣調素類似蛋白基因CML25-like，今后可以在此基礎上，反過來作用于單性結實系果實的產量及質量的研究和開發。

（3）目前，植物生長調節物質能誘導和促進單性結實。如在自然條件下，一些核果類果樹不能單性結實，但如用赤霉素和生長素混合處理，則可使甜櫻桃和杏單性結實。今后，可用各種適當的植物生長調節物質來誘使各種果樹和其他植物不經授粉受精而結果，增加經濟效益。