番茄心室形成研究進展

劉 爽

（1福建農林大學-戴爾豪西大學聯合實驗室，福州350002；

2福建農林大學蔬菜研究所，福州350002；3福建農林大學園藝學院，福州350002）

0 引言

番茄是漿果類蔬菜研究的模式植物，露地和設施栽培面積大，經濟效益高。番茄果實生長發育受許多因素的影響，其中番茄果實心室直接影響果實的形狀和大小，心室數越多，果實越大，越容易產生畸形果；反之心室數減少，果實變小，越不易產生畸形果[1]，因此番茄心室形成與畸形果發生密切相關。番茄畸形果的大量發生給生產者造成嚴重的經濟損失。目前研究認為畸形果的發生除了與品種自身的遺傳特性有關外，花芽分化階段的環境和營養水平是主要的影響因素，同時也受到植物生長調節劑的調控。番茄心室形成的研究主要集中在環境及植物生長調節劑方面，而遺傳及相關基因的研究較少，且研究不深入。筆者將系統的闡述環境與激素對番茄心室形成的影響，并全面深入地分析近幾年番茄心室形成相關遺傳和基因的最新研究進展。

1 環境因素對番茄心室形成影響

1.1 溫度

苗期低夜溫，番茄心室數增加，其中花芽分化期是畸形果發生關鍵時期，此時期遇低溫，畸形果的發生率高達50%以上[2-6]。低夜溫能促進番茄幼苗體內源激素含量的增加，在6、12和18℃3種夜溫處理中，6℃夜溫處理中，番茄幼苗內源GAs、ZR、Ety的含量最高，其含量隨苗期夜溫的升高而逐漸降低，其中赤霉素含量變化最顯著[7]。同時低溫降低番茄花器官與頂端生長點中生長素與赤霉素含量的比值，特別是雌蕊形成期的赤霉素和生長素的含量顯著高于對照高溫區的含量[8]。因此，低溫對心室形成的影響主要是番茄苗期花芽分化階段，從而增加番茄心室數。從激素的含量變化分析低溫對番茄心室形成的影響可能是通過調節番茄內源激素含量來起作用的，其中關鍵的激素之一就是赤霉素。

1.2 光照

弱光減少番茄心室數，降低畸形果的發生率，特別是苗期光照強度對番茄多心室型畸形果發生有顯著的影響，隨著光照強度的降低，降低畸形果發生的作用就更大[9-11]。光照對番茄畸形果的影響主要通過植物體內的物質積累起作用，弱光處理減少植株體內物質積累，心室數正常，畸形果的發生率降低，而GAs、IAA的含量隨著光照強度的降低而增加[11]。栽培在光照不足條件下的番茄，直接在花序上外用芐基腺嘌呤(6-BA)與赤霉素以促進其發育，這2種化合物在控制花序發育上有先后效應，BA的作用首先發揮，而GA僅跟隨在BA作用之后。GA4+7在與BA混合時，較GA3促進花序發育更為有效，測定花序中碳水化物含量表明，在外源激素處理期，可溶糖類及淀粉水平顯著增加[12]。因此，光照主要通過植物碳水化合物的積累從而影響番茄心室形成，而通過外源植物生長調節劑可以減弱光照對番茄心室形成的影響，從而降低番茄畸形果的發生。

1.3 水分

關于水分對番茄畸形果發生的影響，有人認為灌水量越大，越容易產生畸形果，村松等[9]發現，在所進行的4個灌水量處理pF 0.9、1.9、2.5、2.7的試驗中，隨著灌水量增大，番茄畸形果發生率逐漸增高。不同灌水點處理對番茄心室形成有很大影響，隨著灌水間隔天數的減少，番茄多心室型畸形果率顯著降低，其發生程度也顯著減輕[13]。而劉浩等[14]研究認為番茄苗期適度水分虧缺（土壤水分保持在田間持水量的50%～55%）可提高坐果率，降低多心室型畸形果比率；開花坐果期過度水分虧缺（土壤水分降到田間持水量的65%以下）易形成小果和畸形果。以上研究結果表明番茄植株不同生長發育時期、灌水量、灌水頻率均會影響番茄心室形成。

1.4 營養

提高番茄苗期營養水平，均會明顯提高畸形果發生率、畸形果平均級數和綜合指數，特別是多心室型畸形果。在氮、磷、鉀三要素中，以氮對番茄心室形成影響最大，磷次之，鉀的作用則相對較小，其中高氮較易使番茄產生畸形果[4-6,15]。

番茄苗期隨著氮營養的增加，幼苗內源GAs和IAA的含量及GAs/IAA比值顯著增加；而隨著磷營養的增加，番茄幼苗內源GAs含量及GAs/IAA比值增加，IAA含量降低；鉀營養則是隨著使用濃度增加，內源GAs和IAA的含量及GAs/IAA比值有較大幅度的增加[16]。由此判斷營養物質對番茄心室形成的影響也與GAs和IAA有關。

1.5 植物生長調節劑

植物生長調節劑調控番茄花的發育和形態，尤其對心室形成有顯著的影響[2,17-21]。花芽分化期，不同的生長調節劑對番茄心室的形成具有不同的影響。GA3可促進番茄花器官分化和發育，增加子房心室數，促進畸形果的發生[17-18,21-22]；B-9可使子房心室數增加；BA有促進子房心室數增加的趨勢；2,4-D減少子房心室數和畸形果發生；而IAA和NAA則有減少子房心室數的趨勢，降低畸形果發生率；TIBA的施用，會促使番茄花數增多，果實變畸形[22]。植物生長調節劑中，赤霉素對番茄心室形成的作用最大[17-22]。

2 番茄心室形成的遺傳學研究

關于番茄心室的遺傳模型，研究認為多心室為隱性，少心室為部分顯性，番茄心室的遺傳主要受基因的加性和顯性效應的影響，未發現有上位性的證據[23-27]。由于番茄果實心室數直接影響果實的形狀和大小，心室數越多，果實越大。在對番茄果實大小的QTL分析中獲得6個QTL位點，分別是fw1.1（作用值約為17%）、fw1.2(約 13%)、fw2.1(約 12%)、fw2.2(約 23%)、fw3.1(約 12%)和fw11.3(約 37%)，其中只有fw2.1(lc)和fw11.3(fasciated)這2個QTL與番茄心室形成密切相關，其中后者主要是簇生型的心室類型[28]，分別位于第11染色體和第2染色體的末端，這2個位點相互之間具有上位性作用，任一基因座都能單獨增加心室數[29]。

大部分大果多心室番茄品種攜帶fasciated突變，對于果重超過500 g的大果型品種需要fasciated和lc突變同時發生。當二者均存在時，產生具有更多心室數、更大尺寸的番茄果實。遺傳研究表明，fasciated突變是一種隱性突變進而增加心皮的數目，說明這是一種功能缺失型的突變，而lc具有加性效應[30]。fasciated和lc的特性和在果實發育中的作用只有分離得到這2個基因才能完全解釋。

3 番茄心室形成基因的克隆與功能分析

番茄果實變大的一種方式是通過細胞分裂，fw2.2是編碼細胞分裂的負調控子，主要通過調控細胞分裂來改變果實的大小，而對果實的總體結構和形狀并不起作用[31]。另一種方式是通過改變心皮或心室數來調整果實的大小。大多數的野生番茄有2個心室，而大果栽培番茄的心室數可達10個或更多，調節心室數的基因位點不僅影響果實的大小，還影響果實的種子數和果實的形狀[29]。

2011 年，Mu?os等[32]利用圖位克隆的方法獲得了fw2.1(lc)基因序列，該位點包含了一段1600 bp的堿基，位于番茄WUS的下游，存在于栽培番茄品種中，主要由于該段序列有2處發生單堿基突變從而使番茄心室數增加。從進化的角度來講，lc的突變早于fasciated發生。2017年Li等[33-35]在lc突變體番茄中利用RNAi干涉技術沉默了WUS基因，植株表現出花和果實變小，同時心室數也減少，表明WUS基因也可以使番茄心室數減少，從而調控番茄花和果實的發育。

Cong等[36-37]通過圖位克隆的方法，在30多個候選基因中篩選到了fasciated基因，位于第11條染色體長臂端，認為是fw11.3位點基因。fasciatedmRNA水平在多心室和少心室番茄中差異較大，多心室只有少量的轉錄，而少心室的轉錄水平很高，fasciated的轉錄水平降低，增加了花和果實發育過程中的心皮數，產生極大型番茄果實。花發育早期fasciatedmRNA位于雄蕊和心皮，后期fasciatedmRNA位于胎座組織和胚珠組織。另外，fasciated在葉中有很強的表達，但在種子和根部不表達。在少心室和多心室基因型番茄中，多心室花芽發育期表達急劇減少，因此推斷出多心室表型是花形成期fasciated基因調控下降引起的。因此，認為fw11.3位點對番茄心室數目調控是由于fasciated轉錄因子的表達水平發生變化所引起的，并通過轉基因互補實驗對這一推測進行了驗證。然而轉基因互補株系對心室數目的恢復非常有限，且該研究并未解釋fasciated轉錄因子調控番茄心室數目的分子機理，因此該結果仍需進一步研究確認。直到2011年，經研究發現在fasciated基因的第一個內含子序列有294 kb的插入序列，正是這段插入序列導致fasciated的功能缺失，因此在fasciated互補實驗中并沒有顯著的番茄心室變化。這一結果暗示著fasciated基因也許并不是與番茄心室形成密切相關的基因[38]。

2015 年Xu等[39]研究發現，番茄fin和fab突變體的萼片、花瓣、雄蕊和心皮數都顯著高于野生型，fin和fab雙突變體擁有更多的花器官數量，且fin和fab突變體的表型變化與擬南芥中CLV的突變體相似；在fin和fab轉基因植株中，CLV3基因的表達量均顯著上升；同時在番茄的栽培馴化過程中人們選出了CLV3突變體，該突變體具有心皮數更多，種子和胎座的比例增加，果實也更大的特點。表明fin和fab對番茄心室數的改變是通過CLV3來實現的。而fw11.3位點對應的fasciated在CLV3基因的上游1 kb處，因此推測番茄心室數的增加是由于CLV3基因的作用而不是fasciated，通過構建fw11.3位點的基因插入系，發現番茄心室數并未發生變化，而番茄CLV3基因轉基因株系均表現出心室的減少和果實的變小。Xu等人還通過轉基因互補實驗證實了CLV3對番茄心室的調控作用。2017年通過對CLV3啟動子區進行基因編輯技術，得到了一系列CLV3啟動子區不同長度片段缺失的番茄突變體，其心室數目與野生型相比顯著增加，并且缺失片段長度和位置的不同，心室數目增加的程度也有所不同，這一結果進一步證實了fw11.3位點的基因就是CLV3[40]，而不是fasciated。

4 展望

目前的研究結果明確了溫度、光照、植物生長調節劑與番茄心室間的調控作用，并發現和克隆了番茄心室形成密切相關的基因，基于現有的研究基礎，可進一步進行番茄心室的形成和調控機理的研究，具體研究方向如下：

（1）隨著番茄心室形成密切相關基因lc、WUS、fin、fab和CLV3的發現與克隆，已獲得2個調控途徑，分別為WUS-lc途徑和fin/fab-CLV3途徑，均可調控番茄心室形成，但其調控機理尚不明確，需要進一步的研究來完善調控路徑。

（2）無論是環境還是激素對番茄心室形成的影響，番茄植株均需接收與傳遞環境信號與激素信號，因此需要進一步研究具體的信號轉導途徑，這些途徑很可能與上述的2個調控途徑相關聯，形成完整的調控路徑。

（3）番茄心室形成遺傳模型研究中仍有些作用值較小的基因座尚未明確其基因，且研究進展緩慢，雖然其基因作用小，但仍然影響著番茄心室的形成，需要進一步的實驗研究。