木本果树成花途径研究进展

木本果树成花途径研究进展摘要木本果树成花机理的阐明是对其进行开花调控的基础。与草本植物相比，木本果树由于生命周期长，成花机理研究实施相对困难，研究进展较缓慢。但是随着分子生物学技术的飞速发展，草本植物成花机理逐步被阐明，以此为借鉴，从分子水平和蛋白质水平对木本果树成花机理的诠释也在不断深入。该文简要介绍了木本果树成花的环境调控、激素调控、营养成分调控途径，综述了木本果树成花分子机理的国内外研究进展，以期为相关研究提供参考。关键词木本果树；开花；调控植物成花主要通过4个途径：光周期诱导、赤霉素诱导、春化作用和自主开花，且这4个途径之间存在相互作用。此外，植物自身新陈代谢、栽培环境因子等也影响植物开花，如植物体内淀粉、蔗糖等碳水化合物含量及组成比例也对开花时间有一定影响[1]。以拟南芥为模式植物的草本植物营养生长向生殖生长转变的机理及其调控已经逐步被阐明，而木本果树由于其复杂生理，其成花机理及调控一直是果树栽培学和育种学研究的难点和热点之一。已有研究表明，果树花芽形成是一个高度复杂的过程，顶端分生组织由营养生长向生殖生长的转变，即成花过程是由外部环境条件和内部生长发育状态共同作用的[2]。关于果树花芽分化的激素调控、营养成分调控等研究进展已有相关评述，该文在已有文献基础上，进一步综述了木本果树成花分子机理的国内外最新研究进展，以期为相关研究提供参考。1木本果树成花的环境调控1.1温度与草本植物春化作用相似，低温也可以诱导多种木本果树，如芒果、荔枝、柑橘、苹果、橄榄等的成花[3-4]。草本植物春化作用所需的温度一般较低，如冬小麦等的春化作用所需有效温度范围在-1～10℃，而木本果树成花诱导所需要的温度一般较高，如热带亚热带果树需要15～20℃左右，方为低温诱导成花的有效温度。1.2水分通过水分胁迫、经水分胁迫后再浇水，可以诱导柑橘、枇杷、桃等木本果树发生花芽分化进而成花。在花芽分化期适当控水，树体受一定程度的水分胁迫，使营养生长受到限制，碳水化合物及激素积累发生改变，从而间接地促进了花芽分化[2]。1.3光照光是影响花芽分化的重要因子。一般认为多数木本果树花芽形成对光周期无反应，只有少数几种果树的花芽形成对光周期较敏感，如南高丛蓝莓在低于8h的短日照下开花，但在长日照下或者在夜晚有1h的短日照中断就不能开花[5]。光照强度也能影响木本果树花芽分化，如苹果和猕猴桃，遮光条件下每一根枝条萌发的花芽比暴露在光照下的枝条萌发的花芽少，有些苹果品种在中等强度光照条件下的开花量最多[2]。2营养生长与生殖生长植物的营养生长为生殖生长提供必要的碳水化合物、矿质营养和水分等，是其开花发育的物质基础，但是如果营养生长过旺，则会抑制花芽形成，二者相互联系、相互制约。生长点内部由叶芽的生理状态转向花芽的生理状态（即生理分化过程），既取决于果树营养状况，也取决于外界气候条件。过度地营养生长会抑制多数果树的花芽分化，但是如果选用矮生砧木，则能使多数果树提早开花。在协调营养生长和生殖生长的关系方面，生产上积累了许多经验。如加强肥水管理，防止营养器官的早衰；控制水分和氮肥的使用，防止营养器官生长过旺；适当疏花、疏果，使营养上收支平衡并有积余，以消除“大小年”，适当提高贮藏营养可为翌年的果树丰产、稳产提供基础。3植物生长调节剂对成花的调控一般认为，赤霉素（GA）抑制果树花芽分化，而细胞分裂素（CTK）、ABA、乙烯等则促进果树花芽分化。GA能抑制芒果、桃、甜樱桃、葡萄等的花芽分化，而降低内源GA水平，会促进柑橘、荔枝等成花，GA生物合成抑制剂能促进芒果、荔枝等开花[6]。外施CTK能促进多种果树开花，青鲜素可以抑制梨、苹果的生长，促进开花，主要通过增加内源CTK水平实现[7]。乙烯可用来促进凤梨、苹果等的开花[2]。对桃的研究表明，GA对桃成花起抑制作用，其通过抑制成花关键基因LFY及MADS6的正常表达实现[8]。4木本果树开花相关基因与拟南芥等模式植物相比，木本果树开花调控分子机理研究相对落后，研究进展较缓慢。由于木本果树生命周期长，再生率较低，以遗传转化为主要手段的基因功能验证相对困难，多数木本果树开花基因功能验证是通过转化拟南芥等模式植物进行的，也有的将拟南芥等植物的开花基因转入果树中使果树提早开花。近年来，核桃、苹果、梨、柑橘等果树均有转基因成功报道，为木本果树成花分子机理研究奠定了基础。4.1自主开花途径与自主开花途径相关的TFL、LFY、AP1基因在木本果树中研究较多，LFY和AP1基因已经在枇杷、苹果、柑橘、龙眼等多种木本果树中成功分离[9]。LFY基因是一个促进营养分生组织向花分生组织转变的花分生组织特征基因，已被证明是一个开花“开关”，是花形成最早的标记基因之一，AP1基因是花分生组织决定基因，AP1对从花序分生组织转变成花分生组织是必须的。LFY基因的过量表达可以促进拟南芥、烟草等植物提早开花，在枳中过量表达拟南芥LFY或AP1基因，可使其开花期提前[10]。表明LFY和AP1这2个拟南芥中花分生组织决定关键基因，对调节柑橘类果树童期也同样起作用。TFL1基因通过抑制LFY和AP1/AP2基因在花序分生组织中的活性，从而抑制开花，对木本果树维持童期起重要作用。甜橙TFL转录水平积累与童期成正相关，而与LFY和AP1的表达呈负相关[11-12]。苹果中TFL1基因为多拷贝基因[13]。Esumi等[14]将TFL1基因归类为2个分支，即TFL1-1、TFL1-2，在日本梨、欧洲梨、柑橘、甜橙和枇杷中均证明了TFL1-1、TFL1-2的存在。日本梨中TFL1的表达在顶端分生组织中较高，而在花芽分化前明显降低，这可能表明TFL1表达的降低可以诱导成花[15]。将苹果MdTFL1转入拟南芥中，过量表达MdTFL1延迟了营养生长向生殖生长的转变[16]，转基因苹果中抑制MdTFL1的表达则缩短了童期，使苹果提早开花，转基因植株在嫁接后8个月即开花[17]。此外，在拟南芥中表达甜橙CsTFL基因使拟南芥延迟开花[12]，在拟南芥中表达葡萄VvTFL1基因，使其延迟开花[18]。这些结果均表明，多年生木本果树中的TFL1基因与拟南芥中的TFL1基因功能相似，对其进行进一步研究，可以为缩短木本果树童期提供依据。4.2春化作用途径葡萄、苹果、枳等果树有春化作用途径相关基因的报道提出，在一种早实枳突变体中分离到了FLC基因PtFLC，它是开花抑制因子，表达分析显示PtFLC在冬天上调，在春天和夏天则下调表达[19]。4.3光周期途径相关虽然多数木本果树成花对光周期无反应，但是由于光周期与温度等环境因子密不可分，因此，温度等的变化也会调节光周期途径相关基因的表达，进而影响木本果树成花。FT基因可以促进开花，当FT运送到顶端分生组织后，会激活FD的表达，而后FT和FD组成蛋白复合物共同激活AP1、LFY的表达，从而促进成花。柑橘成花对光周期不敏感，但是在柑橘中表达FT基因，使开花明显提早[10]。温洲蜜柑的花芽分化是在秋天和冬天较低的温度下进行的，CiFT基因在秋天和冬天表达上升，而CsLFY和CuSEP则在早春开花前表达上升。而柑橘AP1和FRUITFULL（FUL）基因CsAP1、CuFUL的表达则没有明显的季节性改变。枳为落叶果树，其花芽分化是在早夏进行的，CiFT、CsLFY、CsAP1、CuSEPs和CuFUL的表达在早夏上升，与其花芽形成及花芽发育相关[20]。早实枳中表达CiFT可使其提早开花，与野生型相比，在转化CiFT基因的植株，芽中转录因子、细胞壁修饰和胁迫响应基因的表达明显提高。将SEP和FUL同源基因CuSEP1、CuSEP3、CuFUL在拟南芥中过量表达，均使拟南芥提早开花[21]。苹果FT基因MdFT1主要在成年树有花枝的顶芽中表达，而在童期树中不表达，而MdFT2主要在花芽及幼果中表达。将这2个基因转入拟南芥中，均使野生型拟南芥提早开花。将MdFT1在苹果中过量表达，也使苹果提早开花，并且改变了其他成花基因的表达[22]。[17]KOTODAN，IWANAMIH，TAKAHASHIS，etal.AntisenseexpressionofMdTFL1，aTFL1-likegene，reducesthejuvenilephaseinapple[J].JournaloftheAmericanSocietyforHorticulturalScience，2006，131（1）：74-81.[18]BOSSPK，SREEKANTANL，THOMASMR.AgrapevineTFL1homologuecandelayfloweringandalterfloraldevelopmentwhenoverexpressedinheterologousspecies[J].FunctionalPlantBiology，2006，33（1）：31-41.[19]ZHANGJZ，LIZM，MEIL，etal.PtFLChomologfromtrifoliateorange（Poncirustrifoliata）isregulatedbyalternativesplicingandexperiencesseasonalfluctuationinexpressionlevel[J].Planta，2009，229（4）：847-859.[20]NISHIKAWAF，ENDOT，SHIMADAT，etal.DifferencesinseasonalexpressionoffloweringgenesbetweendeciduoustrifoliateorangeandevergreenSatsumamandarin[J].TreePhysiology，2009，29（7）：921-926.[21]NISHIKAWAF，ENDOT，SHIMADAT，etal.TranscriptionalchangesinCiFT-introducedtransgenictrifoliateorange（PoncirustrifoliataL.Raf.）[J].TreePhysiology，2010，30（3）：431-439.[22]KOTODAN，HAYASHIH，SUZUKIM，etal.MolecularcharacterizationofFLOWERINGLOCUST-likegenesofapple（MalusxdomesticaBorkh.）[J].PlantCellPhysiol，2010，51（4）：561-575.