糖代謝與信號調控果實脫落的研究進展

楊為海， 陸超忠， 向沛錦，3

(1.宜春學院生命科學與資源環境學院，江西宜春 336000； 2.中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江 524091；3.華中農業大學園藝林學學院，湖北武漢 430070)

果實脫落是植物生殖發育過程中普遍存在的一種生理現象，受到環境因子、生理生化代謝和基因表達等多種因素的協同調控。在果樹生產上，果實除正常成熟或衰老而引起的自然脫落外，還發生生理脫落和脅迫脫落。其中，生理落果是樹體調節營養生長與生殖生長平衡的結果，通過發揮植株自身的遺傳生理機制來調控樹體養分資源集中保障留樹果實的正常發育；脅迫落果則是逆境條件通過影響碳水化合物的供求平衡而使得植株必須利用有限的碳素營養來保障其子代的生存，是樹體應對逆境脅迫的一種必然表現。然而，由這些內外因素所誘發的果實脫落主要通過調控果實的糖代謝和內源激素平衡來實現。

糖不僅是細胞所必需的結構成分，還是其生命過程中能量及信號物質的重要來源。在果實發育過程中，糖代謝是整個生物代謝的中心，并影響著內源激素代謝。因此，研究果實糖代謝參與調控果實脫落的機制對全面揭示落果機制具有重要意義。近年來，國內外學者對果實脫落調控機制的研究取得了長足的進步，前人就內源激素調控果實脫落的分子生理機制研究進展也有過相關綜述，但對糖在落果中的調控作用卻尚未有相關論述。本文主要側重于評述近年來有關影響果實脫落的糖營養、代謝和信號轉導及其與激素信號交聯調控等方面的研究進展，以期為落果機制的研究提供參考。

1 糖營養與果實脫落

在植物生理代謝中，糖不僅是主要的碳源和能量物質，還是重要的光合產物，對植物產量起著關鍵作用。眾所周知，果實發育是在授粉受精后由子房的內源激素啟動，且依賴光合產物的供應得以持續。作為一個庫力強大的異養器官，果實通過自身光合作用生產的光合產物遠不能滿足其發育的需求，主要依賴外源營養，特別是葉片的光合產物供應。在大多數果樹的成熟葉片中，蔗糖是其光合作用的主要產物，亦是其碳水化合物運輸的主要形式。當糖類被運輸至果實后，主要以淀粉和(或)可溶性糖的形式進行碳素營養積累，以供果實生長發育和應對非生物脅迫。研究發現，碳素營養的供求平衡在坐果/脫落中扮演重要的調節作用。降低和阻斷光合產物的供應，如遮陰、去葉、噴施光合抑制劑和果柄環剝等，以及光合產物需求的增加，如競爭器官的生長，均導致碳素營養供求失衡，引發大量落果，造成減產；而提高樹冠碳素營養水平的枝干環剝處理和蔗糖注射處理等，則顯著促進坐果。這種由碳素營養的供求平衡調節落果的現象被認為是果樹坐果的自我調節。然而，這一自我調節的生理機制并未得到深入研究。換言之，碳素營養不足時如何啟動果實脫落尚不清楚。

在果實生長發育過程中，糖類是其直接利用的碳素營養，暗示糖含量可能是調控果實脫落發生與否的重要因子。對柑橘、龍眼、芒果等的研究表明，果實的糖含量低于其生長所需的臨界閾值時，就會觸發果實脫落。通過饑餓脅迫處理誘導果實脫落的各種試驗表明，遮陰導致易于脫落的蘋果幼果內的葡萄糖濃度明顯降低，以促進蘋果枝梢生長來加劇營養脅迫的6-芐氨基腺嘌呤(6-benzylaminopurine，6-BA)處理顯著降低幼果內的蔗糖含量，柑橘去葉處理致使幼果內葡萄糖相對降幅高于蔗糖，龍眼結果母枝環剝+去葉處理則使得果實中蔗糖的相對降幅最大，其后依次為葡萄糖與果糖。筆者亦通過對澳洲堅果結果枝進行環剝+去葉處理以誘導落果，發現果皮及種仁的蔗糖含量相對降幅均明顯高于葡萄糖與果糖(未發表)。此外，果實脫落與果柄離層的形成密切相關。糖饑餓會誘導果柄中產生大量活性氧，進而導致離層加速形成，誘發果實脫落。果實脫落誘導試驗表明，柑橘果柄環剝會明顯降低果柄內的蔗糖含量，蘋果遮陰亦導致果實離區內的海藻糖水平降低。因此，果實內糖營養供應不足可能是啟動果實脫落的原初事件。然而，究竟是何種糖組分物質誘導了果實脫落，仍需深入研究。

2 糖代謝與果實脫落

糖代謝能夠為細胞的生命活動提供能量，一旦能量缺乏則引發新陳代謝紊亂，導致細胞程序化死亡。果實作為一個強大的代謝庫，其碳水化合物水平的高低與糖代謝密切相關。對蘋果與荔枝進行樹冠遮陰以誘導果實脫落，發現影響果實脫落的最大一類功能基因與糖代謝有關。糖代謝主要包括蔗糖代謝和己糖代謝，其中蔗糖代謝是碳水化合物積累與代謝的關鍵環節，也是影響果實脫落的重要因素之一。

在蔗糖代謝過程中，轉化酶(invertase，INV)、蔗糖合成酶(sucrose synthase，SUSY)和蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)可調控蔗糖分解與合成反應，是果實中蔗糖積累和代謝的關鍵酶，其活性的變化決定了果實的糖代謝進程，進而影響果實的糖組分水平，這在蘋果、荔枝、番茄、柑橘、扁桃等樹種上已有大量報道。在果實脫落誘導期間，蔗糖代謝以蔗糖轉化分解為主。楊子琴等通過環剝+去葉處理誘導龍眼果實脫落，發現酸性轉化酶(acid invertase，AINV)活性在果實中明顯增強。付崇毅指出AINV與柑橘生理落果有關。黃永敬等認為柑橘夏梢生長增強了果實AINV與中性轉化酶(neutral invertase，NINV)的活性，加速了果實中蔗糖的消耗，是導致果實脫落的原因之一。郭春苗等進一步研究發現蔗糖分解方向的酶(AINV和SUSY)活性增加與扁桃幼果脫落密切相關。在分子水平上，果實的糖含量與糖代謝相關基因的表達有關，如和參與調控蔗糖的分解。在遮陰誘導蘋果幼果脫落期間，果柄離區內編碼胞質INV與細胞壁INV的基因表達增強，導致離區蔗糖含量下降。筆者通過饑餓脅迫處理誘導澳洲堅果幼果脫落時，發現樹體遮陰處理明顯上調了果實內的表達，結果枝環剝+去葉處理也明顯增強了果皮與果柄內的表達水平(未發表)。另有研究表明，INV不僅直接參與蔗糖代謝以增加庫強，還通過產生己糖信號來調控庫強，在果實脫落調控中發揮重要作用。

己糖代謝是光合產物運輸至果實后進行其他生理代謝的基礎。葡萄糖和果糖是果實中最重要的己糖，在己糖代謝過程中葡萄糖是最通用的反應底物，但果糖比葡萄糖更容易被消耗。研究表明，己糖激酶(hexokinase，HXK)和果糖激酶(fructokinase，FRK)具有很強的專一性及親和力，可分別催化葡萄糖與果糖發生磷酸化，二者活性的變化會直接調控果實中葡萄糖與果糖的比率。在一定程度上，HXK和FRK是植物糖代謝和糖分平衡的核心。對蘋果脫落誘導研究發現，遮陰促進了果皮表達，表明己糖代謝相關基因可能參與果實脫落調控。

3 糖信號傳導與果實脫落

在植物體中，糖不但為諸多代謝活動提供前體物質和能量，還可以作為重要的信號分子來調控植物的生長發育。研究表明，綠色植物已形成了特定的糖信號感知和轉導系統來響應糖的可利用性，從而調控細胞分裂、營養生長、衰老以及脅迫響應等重要生理過程。作為一個庫力強大的異養器官，果實生長發育需消耗大量的碳水化合物營養，而碳素營養的供應水平往往直接反映在糖的水平上，這就不排除在碳素營養供應不足時，糖還能作為信號分子調控果實發育。Botton等認為，糖饑餓脅迫有助于糖信號的產生。在庫器官內，蔗糖或者蔗糖裂解的產物充當首要的糖信號，其中葡萄糖是最主要的信號分子。現已研究證實，糖信號不但可以通過特異的糖傳感器直接傳導，亦可通過能量和代謝物質調節信號傳導蛋白進行間接傳遞。此外，糖信號還能與光信號、鈣信號、內源激素信號等其他信號網絡連接，協同調節果樹的生長發育。

目前，有關糖信號調控網絡機制的研究已成為熱點。葡萄糖傳感器HXK、信號分子海藻糖-6-磷酸(trehalose-6-phosphate，T6P)以及植物激酶SnRK1(SNF1-related protein kinase 1)與TOR(target of rapamycin)是糖調控網絡的主要節點，起到反映植物營養與能量狀態變化的作用。大量證據表明，HXK是植物葡萄糖信號感知和轉導的核心組成成分，能夠作為葡萄糖傳感蛋白感知細胞間的葡萄糖水平，進而觸發葡萄糖信號。另外，植物中還存在受HXK催化活性影響的海藻糖信號轉導路徑，是通過由HXK催化葡萄糖形成的且能夠被海藻糖-6-磷酸合酶(trehalose-6-phosphate synthse，TPS)與海藻糖-6-磷酸酯酶(trehalose-6-phosphate phosphatase，TPP)所感知的T6P發揮信使功能。T6P既是反映蔗糖可利用性狀態的信號，又是蔗糖水平的負反饋調節器。Paul等認為，T6P可能是蔗糖信號網絡的關鍵組分，植物是通過T6P發揮蔗糖信號的特異性與作用機制。T6P能作為信號分子感知蔗糖的可利用性，并抑制低糖誘導的SnRK1活性。研究表明，T6P水平的變化反映了糖含量對SnRK1活性的調節，饑餓脅迫發生時T6P 水平的下降導致 SnRK1活性的增加。Botton等認為，在即將脫落的蘋果幼果中蔗糖含量降低可能導致其基因的上調表達。Zhu等通過饑餓脅迫誘導蘋果幼果脫落時發現，果皮與離區中的HXK表達增強，而TPS與TPP的表達減弱，且認為激活了依賴HXK的糖信號轉導路徑。筆者亦通過環剝+去葉處理誘導龍眼的果實脫落，發現碳水化合物饑餓脅迫下及在果皮與離區中的表達水平均明顯降低，暗示T6P水平下降，以響應蔗糖的減少；當蔗糖含量降至最低時(即果實大量脫落時)，一度表達增強，意味著果皮與離區可能產生了響應蔗糖缺乏的T6P/SnRK信號路徑，進而參與了果實脫落誘導(未發表)。在植物的糖信號網絡中，TOR激酶通過蛋白的合成正向調節植物代謝和生長，并以拮抗SnRK1激酶的作用方式響應糖的變化。有證據表明，碳素營養虧缺時SnRK1活化，而TOR活性與糖積累有關，受到葡萄糖和蔗糖的激活。然而，這種通過糖的可利用性來調節SnRK1和TOR活性的精確方式仍然有待于進一步研究。

4 糖與激素信號交聯調控果實脫落

果實脫落是一個精細協調控制的生理過程，除了受到糖信號的調控外，還受到激素、多胺等信號物質的調節。Huang等指出，植物中存在一個由糖、激素和其他營養信號相互關聯的復雜信號轉導網絡。糖與激素信號傳導路徑間的交聯反應在平衡碳水化合物利用方面發揮重要作用。植物的糖響應可通過糖信號與激素信號相偶聯來調節其生長發育。

糖信號轉導與脫落酸(abscisic acid，ABA)、乙烯的生物合成及其信號轉導之間存在緊密聯系。ABA和乙烯是果實脫落調控機制中的關鍵激素及信號分子。在梨、甜橙與荔枝等果實上的研究發現，ABA和乙烯含量的增加可誘導果實脫落，且乙烯在脫落的起始和激活中起著重要作用。Gómez-Cadenas 等認為，幼果中ABA的積累可能是感知了糖營養脅迫，并參與了乙烯誘導的脫落激活過程。糖饑餓可能產生信號功能，促進ABA合成和乙烯產生，從而抑制生長素的合成，并限制其自果實向離區的極性運輸。研究表明，葡萄糖誘導的ABA生物合成及其信號轉導基因表達是葡萄糖信號轉導的核心機制，低濃度的葡萄糖可以明顯促進ABA合成關鍵基因與的表達以及ABA積累。在饑餓脅迫誘導的蘋果幼果脫落期間，果皮及離區的與均上調表達。Cho等認為，葡萄糖與ABA信號間的信息交流是由HXK所介導。Zhu等發現，是一個信號基因，可在遮陰或萘乙酸誘導的果實脫落期間于果皮及離區中增強表達，激活了依賴HXK的糖信號途徑。Botton等認為，基因也可作為感知營養脅迫的信號分子，參與饑餓脅迫誘導的蘋果脫落。在T6P/SnRK1信號路徑中，SnRK1在糖與ABA信號交流機制中發揮中心作用，但ABA可通過活化來抑制TOR信號轉導。筆者在碳水化合物饑餓誘導龍眼果實脫落期間，發現果皮及離區中和的表達水平一度增加，且與、的表達變化一致，這說明和可能充當了感受糖脅迫的信號基因，介導了對ABA的合成調控，也暗示了饑餓脅迫引發的龍眼果實脫落涉及了糖與ABA信號間的信息交流。另外，在HXK介導的糖信號路徑中，葡萄糖信號分子可誘導乙烯信號轉導中的關鍵轉錄因子EIN3發生降解，使其活性弱化。通過饑餓脅迫誘導果實脫落的研究發現，去葉處理易造成蜜桔幼果的ABA及乙烯前體物1-氨基環丙烷羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC)含量顯著上升，環剝+去葉處理可誘導荔枝幼果離區、果皮及種子內編碼乙烯合成的ACC氧化酶(ACC oxidase，ACO)基因與均明顯上調表達，遮陰處理也上調了蘋果幼果離區與果皮內涉及乙烯生物合成與信號轉導的基因表達水平。以上這些研究意味著糖饑餓脅迫促進了果實內ABA與乙烯的生物合成，并且表明了糖與ABA、乙烯之間存在信號交流機制，共同調控果實的脫落過程。

5 展望

果實脫落不僅取決于碳素營養，還依賴于內源激素，并由逆境和發育信號所誘導。近年來，雖已證實糖營養及其代謝和果實脫落之間存在密切聯系，也注意到糖信號轉導及其與內源激素信號間的信息交流在果實脫落調控中發揮了重要作用，但植物中存在多種糖信號發生方式，且影響脫落進程的內源激素種類也較多，從而增加了對糖信號誘導果實脫落調控機制研究的復雜性，使得糖信號轉導和糖類調控網絡的研究仍然面臨眾多挑戰。為此，進一步明確果實中糖信號的發生規律，深入研究糖信號和不同內源激素信號間的調控網絡機制，揭示糖信號在果實脫落誘導中的作用機制，將對果實脫落調控提供重要的理論支持。

隨著植物基因編輯和遺傳轉化技術的日益完善以及基因組、蛋白組與代謝組等組學技術在果樹上的廣泛應用，使得人們對果實脫落調控機制的研究工作變得高效快捷。運用這些強大的技術工具，可以進一步揭示糖信號傳導網絡中各個脫落相關基因的功能，探明糖信號通路之間相互連接的方式及其與逆境脅迫、內源激素等信號轉導途徑的相互作用，解析誘導果實脫落的綜合分子調控網絡機制，這是果樹學中未來重要的研究方向。在揭示清楚果實脫落調控機制之后，可通過制定針對性的栽培管理技術措施來提高果實產量與品質，防止不必要的損失；另外，還可通過雜交選育、遺傳轉化、基因編輯，基因敲除等生物技術對果實脫落相關基因進行定向改造，培育出低落果率的優良品種，進而推動果樹產業技術的發展。