蘋果屬植物無融合生殖研究進展

摘要：無融合生殖是指不經過精卵融合即可繁殖后代的一種特殊無性生殖方式，由于其具有固定雜種優勢、加速育種進程、積累優良基因的優勢，因此在農業生產上具有重要的意義和潛力。本文主要從無融合生殖的類型、鑒定、作用機理及應用等方面概述了近幾年來有關蘋果屬植物無融合生殖的研究進展，并提出了今后的研究方向。

關鍵詞：蘋果屬；無融合生殖；作用機理

中圖分類號：S661.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942(2010)07-0024-05

自1931年在蘋果屬植物中發現無融合生殖現象以來，其研究已涉及胚胎學、遺傳學、分子生物學及其在育種栽培中的應用等方面。無融合生殖的種子在蘋果栽培中具有特殊的應用價值。我國目前的蘋果苗木多采用實生苗嫁接繁殖，砧木對于調控樹體生長、生態適應性和抗逆性具有決定性作用，而無融合生殖提供了一種保證砧木種子繁殖一致性的手段。因此，研究植物無融合生殖具有非常重要的意義。

本文主要從無融合生殖的類型、能力、鑒定、作用機理及應用等方面概述了近幾年來有關蘋果屬植物無融合生殖的研究進展，并提出今后的研究方向。

1 無融合生殖的定義及類型

無融合生殖是指不經過精子與卵細胞的受精結合而直接產生無性胚和無性種子的一種特殊的無性繁殖。無融合生殖根據其胚囊內組織起源不同可分為4種類型，即無孢子生殖、二倍體孢子生殖、不定胚生殖和單性生殖，而單性生殖又包括孤雌生殖和孤雄生殖。

無融合生殖按照其發生的完全程度還可分為專性無融合生殖和兼性無融合生殖兩種。其中專性無融合生殖可保持遺傳的純一性和穩定性，而兼性無融合生殖的植株會在后代發生性狀分離，但兩者之間并無明顯界限，且對環境改變較敏感。Olien等(1987)的研究表明，已知的蘋果屬種或品種的無融合生殖都是兼性的，董紹珍等(1987)也有相關報道。

2 具有無融合生殖能力的蘋果屬植物

自Smith(1814)在麻桿屬中首先發現植物的無融合生殖現象以來，現已在29目35科434種被子植物中發現了無融合生殖的現象，其中禾本科中數量最多。蘋果屬植物的無融合生殖現象最早是Sax于1931年進行梨亞科屬間雜交試驗時發現的湖北海棠(M.hupehennsis Rehd.)的孤雌生殖，從而開創了對蘋果屬植物無融合生殖的研究。目前已報道的具有無融合生殖的果樹涉及蘋果屬、柑桔屬、芒果屬、核桃屬等，而具有無融合生殖能力的蘋果屬植物僅有10種(表1)，其中6種原產于我國，包括約23個不同的類型。

3 蘋果屬植物的無融合生殖能力及鑒定方法

3.1 無融合生殖能力及其倍性

在現具有無融合生殖特性的蘋果屬植物中，不同種類間其無融合生殖能力有很大的差異，我國蘋果屬植物無融合生殖能力的大小為：湖北海棠>小金海棠>錫金海棠>變葉海棠>麗江山定子>三葉海棠。

毛寶琴等(1995)對20個蘋果屬植物的研究表明，二倍體種類一般不具有無融合生殖能力，而多倍體種類多具有較強的無融合生殖能力。

周志欽等(1995)研究了7個蘋果屬種去雄套袋后的坐果率，結果表明，泰山海棠92.38％，平邑甜茶87.88％，盧氏三葉海棠62.22％，南坪湖北海棠26.67％，珠眉海棠2.22％等。

曲曉玲等(2006)通過研究去雄套袋后的坐果率得到觀賞海棠不同品種間的無融合生殖能力的差異：M.Strawberry parifit 95.2％、M.‘Snowdrift’26.2％、M‘Indian sumMER’18.4％。而其余品種可視為不具無融合生殖能力。

3.2 無融合生殖的鑒定方法

由于無融合生殖在農業生產上的重要意義和潛力，建立、發展和完善一套簡單、準確的植物無融合生殖的鑒定體系是非常必要的。目前已有的鑒定方法主要有形態學觀察法(遺傳學鑒定)、顯微結構和超微結構觀察法(細胞胚胎學鑒定)、生化鑒定法、分子生物學法及其他方法。

在鑒定無融合生殖植物時，要從各個水平進行全面的研究，才能得出準確、可靠和符合實際情況的結論。除進行大孢子發生、胚囊發育、胚原始細胞的來源和早期胚胎發生等的細胞胚胎學和遺傳學研究外，還要在此基礎上進行RAPD、RFLP標記及eDNA表達等分子方面的研究，這對闡明無融合生殖方式和機理是非常必要的。

4 無融合生殖作用機理

近年來，分子標記技術RAPD、RFLP、原位雜交、流式細胞儀、mRNA差異顯示等生物技術的應用，為深入了解無融合生殖的胚胎學及遺傳分子機理增加了大量的新知識。

4.1 無融合生殖的細胞胚胎學機理

對無融合生殖細胞胚胎學的研究，以前多采用切片技術，現在主要采用整體透明、組化熒光技術，同時多進行超微結構的觀察，以了解無融合生殖的胚胎學機制。

目前蘋果屬植物無融合生殖的細胞胚胎學機理，多認為屬于無孢子生殖類型，如Sehmidt等(1970)對三葉海棠和廖飛雄等(1997)對變葉海棠的研究。但姜中武等(2008)用石蠟切片發現，平邑甜茶的胚囊具有大孢子母細胞(MMC)，部分MMC可以減數分裂，減數后的胚囊與外源花粉雜交后形成三倍體。

4.2 無融合生殖的遺傳機理

目前有關植物無融合生殖的遺傳學機理，主要有兩種觀點：單基因控制學說和多基因控制學說。

Savidan(1980)等的研究表明，大黍的無孢子生殖是受1個顯性基因A控制的；在摩擦禾和玉米雜交的F1中觀察到倍體孢子生殖和有性生殖的比為1：1，因而推斷摩擦禾的二倍體孢子生殖也是由1個顯性基因控制的，其支持單基因控制學說。

而蔡雪等(1997)的研究表明，水稻84－15的無融合生殖和高粱SSA－1的自主結實受雙隱性基因控制。Taliaferro等(1966)的研究表明，巴費爾草的無融合生殖是由A基因和B基因共同控制的。Fritz Matzk等確認草地早熟禾由5個基因控制：AIT、APV、MDV、PIT和PPV基因，這些基因的表達和相互作用調控著無融合的起始和發育。

4.3 無融合生殖的分子機理

無融合生殖涉及多種基因之間不同時空表達的互作和協調作用，其遺傳機制比較復雜，雖然環境對無融合生殖的影響較大，但目前遺傳學和分子生物學研究表明，無融合生殖仍是由遺傳主導基因控制的，并不是因環境因子隨機誘導和改變的生殖過程。目前已知的與無融合生殖相關的基因列于表2。

隨著分子標記和mRNA差異顯示技術等分子生物學技術的應用，有關無融合生殖分子機理的研究報道越來越多。Pessino等(2001)研究推測ap0417、ap0398、ap0396可能與大孢子的早期發育有關；Espinoza等(2006)發現有11個AFLP的特異片段可能與無孢子生殖有關；Cal-derini等(2006)發現與水稻12號染色體有共線性的無融合生殖位點；Emidio等(2008)發現了SERK基因和APOSTART基因可能與無融合生殖有關。

控制無融合生殖的基因數目及其顯隱性的問題，在不同植物中得到了不同的結果，這就需要對植物無融合生殖遺傳機理進行進一步深入的研究，但對果樹無融合生殖分子機制的研究還未見相關的報道。

5 應用

5.1 在砧木育種上的研究應用

1989年中國農業科學院鄭州果樹研究所指出，平邑甜茶無融合遺傳傳遞能力很強，是無融合生殖實生矮砧育種的寶貴母本材料。郝玉金等(2007)利用無融合生殖砧木資源平邑甜茶與矮化砧木資源M9和B9等有性雜交，獲得了一批可以通過種子繁殖的蘋果矮生無融合生殖砧木資源。湖北省果樹研究所通過調查湖北省的湖北海棠資源，在大葉型和小葉型湖北海棠中初選出一批具矮化或半矮化性狀的單株，已確定表現較好的單株有興山35、16號。德國Schmidt等從湖北海棠的實生后代中已選出了幾個具有一定矮化潛力的單株。

5.2 在遺傳育種方面的應用

由于無融合生殖在植物育種中具有避免年年制種、固定優良基因的雜合性、利于綜合抗病蟲品種的選育、利于高產穩產、改善作物的繁殖技術等優勢，使無融合育種的前景非常廣闊。假如將具有無融合生殖能力的果樹基因轉移到栽培種中，那么果樹栽培將可以打破常規栽培方式。

5.3 在生產栽培中的研究利用

平邑甜茶對白粉病、白絹病、褐斑病及蘋果綿蚜具有天然抗性，已將其作為優良砧木推廣，在果樹田間試驗研究中也具有非常重要的意義。同時其他無融合生殖的果樹砧木也在逐步推廣應用。

6 展望

隨著當代遺傳學和分子生物學的發展，已在蘋果屬無融合生殖植物類型、細胞胚胎學、遺傳機制和遺傳育種的研究等方面取得了較大的進展，但仍存在許多值得探索的問題。

①對無融合生殖細胞胚胎學的研究多進行的是超微結構的直接觀察，對如何標記動態跟蹤有性胚囊的發育分化仍值得深入研究。

②許多研究表明，各種倍性的多倍體在蘋果屬植物中占有很大的比例，且具有無融合生殖特性的植物多是多倍體種或品種，由此可見，無融合生殖現象和染色體的多倍化有著高度的相關性，但究竟是不是倍性水平的提高誘導了無融合生殖基因的表達還有待于進一步研究。

③遺傳學的研究已初步得出結論：無融合生殖是受基因控制的遺傳性狀。但無融合生殖具有復雜的遺傳特性，不同物種的無融合生殖可能存在不同的發生機制，因而其內在的遺傳機理有待進一步發現。

④從無融合生殖材料中克隆那些控制有性生殖和無融合生殖性狀的基因是一項十分艱巨的工作。只有找到合適的材料和方法來分開大孢子母細胞和無融合生殖原始細胞，并對這兩類細胞內的基因表達進行mRNA差異分析，才能為最終揭示無融合生殖的機理奠定基礎。

⑤近幾年無融合生殖研究又取得了新的進展，如Okada等通過農桿菌介導法將loal(loss of apomeiosis 1)基因導入無融合生殖植物橘黃山柳菊(Hieracium aurantiacum)的基因組中，結果發現，轉化植株失去形成無融合生殖種子的能力，表明loal的缺失與無融合生殖的起始有關。但蘋果的原生質體培養和再生困難，使果樹的無融合轉基因尚停留在研究探索階段。

總之，將與無融合相關的基因導入到不具備無融合生殖能力的植株內使其具有無融合生殖能力，將是今后研究無融合生殖的最終也是最理想的目標。