园艺作物的单性结实及应用

园艺作物的单性结实及应用 園藝作物的單性結實及應用 121 陳學好 曾廣文 曹碚生 12(揚州大學園藝系,揚州 225009,浙江大學生命科學院 杭州 310029) 摘要: 就園藝作物單性結實的生理基礎、環境因數與單性結實的關係、單性結實的遺傳特性、單性結實新品種選育和單性結實轉基因進行了綜述,並對今後這一領域的研究作了展望。 關鍵字: 園藝作物; 單性結實 園藝作物單性結實(Parthenocarpy)性能早爲人們所知,意指子房不經授粉或別 [ 1 ]的刺激而發育成果實。但需要指出的是無籽果或只有空癟種子的果實不一定就 [2]是單性結實果,這一現象通常又稱爲僞單性結實,例如柿的的一些品種在授粉受精(即具有兩性過程)後由於胚乳細胞的形成異常,胚停止發育而不形成種子但形成果實;葡萄的無核白品種在授粉受精(兩性過程)後由於合子的分裂在時間上落後於胚乳核兩周也不能形成種子;西洋梨、甜櫻桃等在授粉受精(兩性過程)後由於染色體異常或營養供應不足,使胚發育不正常或是中途停止發育,因而成熟果無種子。 爲了與這種具有兩性過程而結出無籽或空癟種子果實的僞單性結實相區別,自動或天然單性結實:automatic or natural parthenocarpy :的確切含義應該是指胚珠未經受精,而子房、花被或花托發育形成果實的現象。 1 單性結實的生理基礎 [ 3 ] 子房中胚珠的有無及數量與單性結實的關係 Nitch在50年代就曾指出番茄單性結實果中具有類似於種子結構的珠心組織(nucellar tissue),它産生果實生 [4]長所需的生長素;Lin等也證實在番茄單性結實品種Severianin中確實有一種跟 [ 5 ]種子很類似的結構物質(seed-like structures)存在。曾驤指出單性果的胚珠可能在短期內操縱座果及果實的初始發育,其所提供的初始刺激啓動了子房壁自我催化 [ 6 ]合成生長激素,從而刺激子房發育成果實。據最近的研究,能天然單性結實的園藝作物,子房中胚珠多的種類或品種容易單性結實,瓜類和茄果類蔬菜,柿、柑桔、葡萄等均屬此類型;相反含胚珠少的桃、李、杏等則較難産生單性結實。 [7]顯然,胚珠越多,越有助於更多的生長激素合成,以致坐果和果實膨大。 [ 8 ] 激素及其平衡與單性結實的關係 關於園藝作物的單性結實,Gustafson最早從激素入手展開了研究,並首先提出天然單性結實的生長素學說,這一學說認爲能單性結實的植物在花蕾期就含有較高濃度的生長素,刺激子房發育成爲果 [ 9 ][ 10 ]實。曹碚生等和戴惠學分別在黃瓜和番茄的單性結實研究中得到了與Gustafson一樣的結論,即花前2d至花後4d子房中IAA含量顯著高於非單性結實 99 品種,在黃瓜、番茄的子房發育中IAA與幼果單重均呈顯著正相關r黃瓜, [11,12][11]0.9248**,r番茄,0.9383。但也有與Gustafson觀點不一致的報道,王碧青等 [12]和張上隆等在分別研究禾蝦串荔枝和溫州蜜柑的單性結實性能時發現花前IAA在子房中含量較低,溫州蜜柑中IAA始終處於較低的水平,而在禾蝦串荔枝中在花後第3d才有一個IAA含量高峰。 [12] 在其他激素研究中,張上隆等的實驗表明,能單性結實的溫州蜜柑子房在開花當天的ZT含量就較高,約爲500 ng/果,是非單性結實品種廣橙的2倍,至花後第3d未授粉的廣橙子房ZT僅增至303.57 ng/果,而溫州蜜柑子房在花後第4d單性果中ZT含量增至1 250 ng/果,其子房發育與ZT含量呈顯著正相關r,0.9432**,說明ZT對 [ 13 ]子房的早期發育有著重要作用。Koshioka等認爲高水準的赤黴素特別是GA對番1 [ 10]茄單性結實是特別重要的。戴惠學在番茄單性結實品種Os和Santian中觀察到花前GA含量就顯著高於非單性結實品種海粉901,GA與子房發育呈顯著正相關,r33 [ 9 ]=0.8977**、r=0.9899**。但是曹碚生等的研究結果顯示,GA在黃瓜單性結實os san3與非單性結實品系的授粉與不授粉處理中含量變化均無規律,表明GA在黃瓜的果實3 [ 14 ]發育中似乎不起作用。最近,Mariano 等 研究番茄pat-2基因型的單性結實性能時,發現pat-2基因型不授粉子房中的GA含量特別高而致單性結實,相反,野20 生型不授粉子房中GA含量很低而不能單性結實。 20 [15] Davison等發現酸櫻桃幼果中脫落酸類物質的變化與果實的生長速率相平 [16]行;Goldshmidt發現甜橙在開花進程中ABA含量隨器官發育而增多。張上隆等[ 12][ 9][ 10 ]、曹碚生等和戴惠學的研究均表明ABA含量與溫州蜜柑、黃瓜和番茄的子房發育均呈顯著正相關,相關係數分別爲r溫州蜜柑=0.9543**、r黃瓜=0.9504**,r番茄=0.9968**。目前這一現象的解釋認爲,細胞中的ABA高度區域化,並在這一區 [16,17,18]域內影響特定蛋白質的合成,最終庫活力增強。因此可以認爲單性結實果更依賴ABA以增強庫活力,從而在與其他器官的養分競爭中取得優勢。 [19,20] 許多研究認爲,不同激素間特定的平衡狀態對刺激子房膨大和促進果實發育的作用比單一激素的作用更大。單性結實的桔子和柿子花前1d和開花當天的生長促進物質與生長抑制物質的活性都相當高,花後3d內生長促進物質活性仍然 [19]相當高,而抑制物質水平則明顯降低,這可能是子房繼續發育的原因。經進一步鑒定,子房中的生長抑制物質主要是ABA和水楊酸,而促進物質中以IAA爲 [7,21]主,也有其他激素。柑桔、黃瓜和番茄的子房中ABA/IAA比值的結果表 [9,10,12]明,ABA/IAA隨子房發育而穩定下降。由此可以看出,在子房發育過程中, [20]IAA增加的速度超過ABA增加的速度。邱燕萍等研究荔枝單性結實品種禾蝦串荔枝內源激素平衡與座果關係的結果表明,在花前1d與開花當天的內源生長促進類激素(IAA、GAS、CTK)水平遠超過生長抑制類激素ABA,(IAA+GAS+CTK)/ABA,2.7,花後3d,二者比值進一步增大, 100 (IAA+GA+CTK)/ABA=14.8。因此,荔枝品種禾蝦串在開花期相對高水準的生長S 促進類激素保證了其子房能順利進入坐果期。 激素平衡理論的現實意義在於進行人工誘發單性結果時,只有滿足子房發育所需的幾種激素的最佳平衡狀態才能獲得成功。否則,如果造成某種激素水平的過高或過低都不利於子房的發育,就不可能誘發成功。例如,蘋果和梨過去用生長素類物質不能引起單性結實,但當用IAA+GA的混合液處理時則可成功地誘導 [7][5]單性結實;而“桔蘋”則要求IAA、GA和CTK三者混用才會有效果。最近, [22]喻景權等在瓠瓜單性結實的人工誘導研究中發現濃度相同的4種細胞激動素類物質即 [(2-氯-4-吡啶基)-N’-苯脲]:CPPU:、6-苄基腺嘌呤:6-BA:、N,N’-二苯脲:D-PU:和N-苯基吡啶脲:4-PU:,只有CPPU能顯著促進瓠瓜的座果及果實發育。産生這一現象的原因可能是4種細胞激動素類物質濃度雖然相同,但其活性不一定相同所致。 [23] 有關酶活性與單性結實關係的報道極少,僅曹碚生等在黃瓜單性結實研究中測定了過氧化物酶(POD)活性變化,其研究結果表明,開花當天至花後4d,單性結實品種EP-6的POD活性呈迅速下降的趨勢,POD與幼果的單果重呈負相關,r=-0.7935;同時測定的兩個非單性結實品種(YD-1和ZD-1) 花後不授粉子房的POD活性異常升高。 2 環境因數與單性結實的關係 單性結實受許多環境因素影響,其中最重要的是溫度和光照。低溫可引起蘋 [24~29]果、梨、番茄、茄子和茄瓜等的單性結實。有人認爲是低溫促進了GA的産[7]生;也有人認爲,在較低的溫度下,黃瓜子房能正常結果的原因在於黃瓜雌蕊組 [1][30]織中生長素活性很高。Ercan等的研究表明,高溫可引起茄瓜的花粉萌發率顯著降低(0.8%~7.53%),而極低的花粉萌發率可能是茄瓜單性結實的主要原因;另有人認爲高溫打破了體內內源激素原有的平衡狀態,主要是通過抑制物的降解而 [7]有利於座果。 [ 3]短光照容易引起單性結實。Nitch發現夜間低溫和短光照是增加黃瓜雌雄同 [ 31]株品種單性結實的主要因素;Rudich則認爲光周期對單性結實的作用可能是一種生長素的效應,因爲短光照可增加生長素活性,因而他在黃瓜開花期間利用4種溫光周期即高夜溫和長光照(18:C,16h)、高夜溫和短光照(18:C,11h)、低夜溫和短光照(12:C,11h)以及低夜溫和長光照(12:C,16h)處理黃瓜的結果表明,單性結實的品種在低夜溫和短光照下更容易單性結實。 3 單性結實的誘導 3.1 授粉誘導(蒙導)單性結實 給柱頭授以不親和花粉或親和但無發芽力的 [7]花粉雖未受精,但由於授粉本身的刺激可形成單性結實果。據報道 ,用四倍體日本夏橙的花粉給日向夏橙和八朔等品種授粉都很容易得到單性結實果,這些果實 101 [32]與有種子的果實在果實大小和品質等方面均無差異;Zhang用γ射線輻射過的花粉對蘋果進行授粉,成功地誘導了Gold Delicious、Erovan X、R蘋果的單性66771-49 [24]結實;余文貴等將番茄的新鮮花粉置於100:C下8h,使其失去活力後,授到去雄後的RP75/79的柱頭上也成功地誘導了單性結實。 花粉刺激單性結實的本質在於它攜帶少量激素。但更爲重要的是,它能提供一種促進子房中激素合成的酶系統,可以確保坐果和果實生長。 3.2環剝誘導單性結實 環剝是果樹修剪中一項常規的技術措施。實踐證明,環剝可提高某些柿和葡萄品種的單性結實能力,其原因是環剝阻礙了生長素 [5](IAA)的向基部運輸,因此切口以上的IAA增多,從而刺激單性結實。環剝還可 [6]增加果實碳水化合物的積累,使柿無核果實得到豐富的營養而不斷生長。 [33][34] 3.3 振動誘導單性結實 Steve等和Murray等在研究茄瓜的單性結實性能時均發現人工振動或搖動花序可誘導單性結實。一個有趣的現象是茄瓜單性結實品種Serverianin的9個家系(來自于9個單株)在兩年的大田試驗條件下單性結實率均高達97%~100%,但當把9個家系全部種植在溫室中時,單性結實率明顯下降,最低的只有10%,最高的也不過64,,而當把這9個家系的後代再種植到大田時,單性結實率又提高到95%~97%。爲此,Steve等和Murray等均認爲,大田條件下風使植株處在經常性地擺動之中,是刺激子房發育的一個重要因素。振動誘導單性結實的機制尚未見報道。 [8] 3.4化學誘導單性結實 自從Gustafson首次用生長素成功地誘導了番茄的單性結實後,人們開始在許多果菜類蔬菜上和多種果樹上試驗用包括生長素在內 [35]的多種激素和植物生長調節劑誘導單性結實。據報道,我國學者黃昌賢第一個用生長素誘導了西瓜的單性結實。現在用生長素及其化合物可以誘導無花果、芒果、醋栗、番石榴、油梨、黑刺莓、番茄、茄子、大椒、茄瓜、西葫蘆和南瓜等作物的單性結實,赤黴素可有效誘導蘋果、梨、越桔、甜橙、番茄、茄瓜的單性結[3,6,32][2,22]實;細胞分裂素可使葡萄、無花果、瓠瓜單性結實;許多試驗表明,兩種 [7,28,36]或兩種以上的激素混用誘導單性結實的效果顯著好于單一激素的效果,如用 -6-1-6-1-6-1GA500×10μL.L +NAA20 ×10μL.L+BA100 ×10μL.L處理4個梨品種,其單性結實率都較單一激素高,其中長十郎和菊水兩個梨品種比授粉果還好,含糖量也都高於有種子的果實。生長素和赤黴素混用可使桃、梅、杏、番石榴、枇杷等幾乎不能單獨用生長素誘導其單性結實的果樹獲得單性結實能力;南瓜開花期間用赤黴素,萘乙酸處理雌蕊更容易引起單性結實。一些植物生長延緩劑或抑制劑也能有效地誘導單性結實,如葡萄在開花期用矮壯素(二氯乙基三甲基氯化銨)處理,柑桔、荔枝、芒果和黃皮用青鮮素(順丁烯二酰肼)處理都能誘導單性結實[5,7][ 37 ]-1,汪俏梅 用50 mgL CCPU處理苦瓜雌花能誘導苦瓜單性結實和提高座果率。 102 對某些作物來說,化學方法誘導的單性結實並未賦予被誘導作物的單性結實能力,而是通過化學誘導阻礙或破壞了形成正常有籽果的機能,從而激發了某些 [5]-6-1品種原來具有的單性結果的潛能。例如用GA的100×10μL.L溶液在花期處3 理葡萄品種“玫瑰露”,花粉發芽率降至零:因GA是一種殺花粉劑:,子房壁和珠心的發育受到顯著促進,胚因而處於嚴重的發育落後狀態,開花時,異常的和未分化的胚比率大大上升。這兩者結合,再加上該品種本身的單性結實潛能(正常授粉受精時單性果率可達30%~50%),GA誘導的單性結實率幾乎達到100%。 3 4 單性結實的遺傳特性及單性結實品種的選育 [38] George等指出,一個植株如果能結出1個以上的、在大小形狀與有籽果實差不多的果實時,就可視其爲單性結實株.因此,他認爲單性結實是一種質量性狀,一個植株要末是單性結實株,要末就是非單性結實株。黃瓜的單性結實一直被認爲是一種質量性狀,由一個不完全顯性基因P控制,純合條件下PP早期就能單性結實,雜合條件下Pp形成單性結實果比純合子PP遲,單性結果數也少,隱性純 [39]合子pp不能單性結實。Ponti根據自己的研究得出結論認爲不可能有很多微效基因影響黃瓜的單性結實;單性結實受3個獨立的,同分異構的,具有加性效應和上 [40]位性作用的主基因共同決定。曹碚生等運用數量遺傳學原理研究了黃瓜單性結實的遺傳效應,認爲基因效應符合加性一顯性模型,且以加性效應爲主,控制單 [41]性結實果數和單性結實産量的最少基因對數分別是3對和4對。El-Shawaf則認爲黃瓜單性結實的産量是一種數量性狀遺傳,受加性和非加性基因效應的共同作用。比較一致的看法認爲番茄單性結實的遺傳受隱性基因控制,但隱性基因對數 [42,43][42]卻不一致;薛林寶等研究番茄單性結實的結果表明,品種Os與83-15的單 [44]性結實性狀受1對隱性基因控制;但Philouze等則認爲番茄的兼性單性結實性 [45]狀是由多基因控制的數量性狀。Jaime Prohens等 研究茄瓜單性結實的結果表明,茄瓜單性結實受顯性基因P控制,純合的PP單性結實果數與有籽果數相等,在雜合狀態下Pp植株單性結果數與有籽果數之比約爲0.6:1,反映出基因P有劑量效應。在Jiame等的研究中還提出了三個屬於多基因控制的數量性狀,即::1:單性結實效率(effociency of parthenocarpy over seeded fruit set)—無籽果數與有籽果數之間的比值,其比值越高,單性結實能力越強,越有利於在不良條件下座果;:2:單性結實座果指數(parthenocarpic fruit set index ,PFSI)—無籽果數與總果數之間比值的二倍,而0