植物激素調(diào)控草莓花芽分化及果實發(fā)育的作用

胡彩珠，孫東宇，宋世威

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣州 510505）

草莓，也稱為洋莓、雞冠果等，在植物學(xué)上屬于薔薇科草莓屬的多年生草本植物，最早產(chǎn)于南美洲，后來傳入到中國和歐洲等地。被譽為“水果皇后”[1]。因為它的生長期很短，從開花到果實成熟只需1 個月左右，而且富含豐富的營養(yǎng)，具有很高的經(jīng)濟價值，因此受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。隨著農(nóng)村經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們對高品質(zhì)生活的追求，消費者對草莓的期望值也在不斷提高，對早熟、長果期、耐儲運且口感良好的草莓需求量巨大[3]。目前，大棚草莓的上市期一般在每年12 月底至來年1 月初，但在1 月底之前，早期的產(chǎn)量較低，這嚴(yán)重影響了設(shè)施草莓的經(jīng)濟效益[4]。

果實的生長發(fā)育是指從開花到果實衰老的完整過程，這個過程受到內(nèi)源激素的調(diào)控[5]。其中，成花誘導(dǎo)期是植物生長的關(guān)鍵階段，它是一個復(fù)雜的形態(tài)建立過程，需要植物體內(nèi)外環(huán)境因素的共同作用來協(xié)調(diào)完成[6]。因此，影響成花誘導(dǎo)期的因素非常多。對于草莓而言，在生長發(fā)育過程中，花芽分化需要經(jīng)歷一段時間的低溫積累，才能進(jìn)行生殖生長。也就是說，只有當(dāng)外界溫度達(dá)到所需的低溫要求時，草莓才能在溫度回升時開出花蕾[7]。此外，草莓的開花還與其自身營養(yǎng)水平和內(nèi)源激素的分布水平有關(guān)[8]。如果草莓的管理不當(dāng)，就會出現(xiàn)過度生長的情況，導(dǎo)致花芽分化不良或推遲。特別是當(dāng)?shù)蔬^多、硼鈣等微量元素不足、澆水過多、溫度偏高等多種因素同時存在時，會使得植物體內(nèi)的營養(yǎng)和激素分布不均，從而直接影響到草莓的花芽分化過程。

植物激素是一類具有活性的天然物質(zhì)，它們在植物細(xì)胞接收環(huán)境信號的刺激下合成產(chǎn)生[9]。它們能夠調(diào)節(jié)植物的生長、發(fā)育和分化過程。植物激素的調(diào)節(jié)功能包括細(xì)胞的分裂和伸長、組織和器官的分化、開花和結(jié)實、成熟和衰老、休眠和萌發(fā)等[10]。為了實現(xiàn)這種調(diào)節(jié)作用，人們可以通過改變外源激素的濃度和比例或使用人工合成的植物生長調(diào)節(jié)劑來控制植物的生長和發(fā)育過程[11]。常見的植物激素主要有赤霉素、生長素、細(xì)胞分裂素、乙烯和脫落酸。近期的研究發(fā)現(xiàn)，這五類激素對草莓的生長和發(fā)育有不同程度的影響。

1 內(nèi)源激素對草莓花芽分化和果實發(fā)育的影響

1.1 赤霉素

赤霉素（GA）是一種內(nèi)源植物生長素，對植物的生長發(fā)育起著調(diào)節(jié)作用。其作用機制主要是通過與植物細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)的信號傳遞和基因表達(dá)，以調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育[12]。許多需要低溫春化的植物，開花過程中需要春化的誘導(dǎo)，可以部分或全部地被GAs 所替代[13]。在經(jīng)過低溫處理后，接受了低溫處理的植物部位中，GA 合成前體異殼杉烯酸的含量顯著增加[14]。研究證明，GA 能夠促進(jìn)開花，它通過降解DELLA 蛋白來實現(xiàn)這一功能。在開花轉(zhuǎn)變過程中，DELLA 蛋白會抑制CO、FLC、SOC1和FT 等花芽誘導(dǎo)基因的表達(dá)，從而延緩花芽分化[15]。活性GAs 通過與可溶性受體蛋白GID1 結(jié)合，然后構(gòu)象變化，與DELLA 蛋白的N-端結(jié)構(gòu)域相互作用，通過泛素化/26S 蛋白酶體途徑使DELLA 蛋白降解，從而促進(jìn)花芽分化[16]。在草莓的生產(chǎn)過程中，赤霉素起著重要的調(diào)控作用[17]。早在申小麗等[18]的研究中，就發(fā)現(xiàn)赤霉素能夠抑制草莓的成花。而盧俊霞等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，在草莓花芽分化前期施用25～50 毫克/升的赤霉素，能夠使草莓提前進(jìn)行花芽分化，進(jìn)而提高產(chǎn)量。此外，侯智霞等[20]的研究還指出，赤霉素可以打破草莓成花所需的短日照環(huán)境，從而迫使頂端分生組織發(fā)生逆轉(zhuǎn)，使其無法形成花芽。在草莓果實發(fā)育過程中，內(nèi)源GAs 對花托細(xì)胞的擴大起著重要的調(diào)節(jié)作用[21]。草莓果實中含有生物活性物質(zhì)（GA1、GA3和GA4），其中GA4或GA1含量最豐富。研究表明，赤霉素對草莓的果實發(fā)育和產(chǎn)量有促進(jìn)作用[22]。這是因為赤霉素能夠平衡果實內(nèi)源激素，促進(jìn)果實的成熟。因此，在草莓生產(chǎn)中，赤霉素具有重要的應(yīng)用價值（圖1、圖2）。

1.2 生長素

圖1 赤霉素作用機制（Ouyang F，et al.，2015）[23]

圖2 赤霉素對草莓花芽分化和果實發(fā)育的影響

生長素是一種關(guān)鍵的植物激素，對植物的生長和發(fā)育起著重要作用。它通過多種機制如刺激細(xì)胞分裂、促進(jìn)細(xì)胞伸長、調(diào)節(jié)生長周期以及調(diào)控生理代謝等方面發(fā)揮作用[24]。生長素在花器官的分化和發(fā)育中起著重要作用[25]，通過參與赤霉素途徑間接抑制DELLA 蛋白的表達(dá)，從而促進(jìn)花朵形成[26]。在草莓生長周期中，生長素的作用至關(guān)重要。之前的研究指出，生長素對果樹花芽分化具有抑制作用[27]。近期的研究顯示，生長素在植物開花過程中也具有促進(jìn)作用，其促進(jìn)作用與生長素用量和濃度密切相關(guān)[28-29]。開花的好壞與果實發(fā)育密切相關(guān)，生長素在草莓果實生長調(diào)節(jié)中起著重要作用，可以在瘦果（種子）中合成，影響花托細(xì)胞的擴張，決定果實大小以及草莓果實的成熟過程[30]。去除瘦果后，花青素含量會下降，這表明生長素也參與顏色的發(fā)育[31]。適量的生長素可以促進(jìn)草莓果實的膨大和成熟，提高品質(zhì)[32-33]。然而，過量的生長素會導(dǎo)致草莓果實變軟、變形，對品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[34]。因此，在草莓種植中，合理使用生長素至關(guān)重要（圖3、圖4）。

圖3 生長素作用機制（Ouyang F，et al.，2015）[23]

圖4 生長素對草莓花芽分化和果實發(fā)育的影響

1.3 細(xì)胞分裂素

生殖生長階段是植物生長周期中至關(guān)重要的階段。細(xì)胞分裂素在這一過程中起著關(guān)鍵作用，它影響著植物的花朵結(jié)實和果實脫落[35]。同時，環(huán)境因素對花的發(fā)育也具有重要影響[36]。因此，落花和落果會導(dǎo)致產(chǎn)量下降并造成一定的經(jīng)濟損失，人們廣泛關(guān)注細(xì)胞分裂素的研究[37]。有研究表明，細(xì)胞分裂素還參與了植物的花朵發(fā)育。在擬南芥ckx3ckx5雙突變體生長過程中，細(xì)胞分裂素降解酶CKX 的缺失導(dǎo)致花芽和花序異常膨大，這表明細(xì)胞分裂素參與了擬南芥花芽分化的調(diào)控[38]。而在研究中發(fā)現(xiàn)，在短日照條件下，外源噴施細(xì)胞分裂素能夠上調(diào)TSF、FD 和SOC1基因的表達(dá)，從而誘導(dǎo)長日照植物擬南芥提前開花[39]。細(xì)胞分裂素對草莓果實的影響主要體現(xiàn)在果實的分裂和伸長過程中，它有助于提高果實的品質(zhì)[40]。此外，細(xì)胞分裂素還能夠調(diào)節(jié)果實中的激素平衡，促進(jìn)果實的成熟和改變果實的色澤[41]。此外，細(xì)胞分裂素還能夠提高果實的品質(zhì)，使其營養(yǎng)更豐富，口感更好[42]。為了充分發(fā)揮細(xì)胞分裂素對草莓果實的良好作用，可以采用噴灑、浸泡、灌溉等方式進(jìn)行施用[43]。其中，噴灑是最常見的應(yīng)用方式，建議在果實快速生長階段每隔7～10 天噴灑一次，以獲得最佳效果（圖5、圖6）。當(dāng)然，細(xì)胞分裂素的濃度和施用時間也需要根據(jù)不同的品種和生長環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，以確保最佳效果。

圖5 細(xì)胞分裂素作用機制（Ouyang F，et al.，2015）[23]

圖6 細(xì)胞分裂素對草莓花芽分化和果實發(fā)育的影響

1.4 脫落酸

脫落酸是一種調(diào)節(jié)種子休眠、發(fā)芽、生長和應(yīng)對環(huán)境應(yīng)激的物質(zhì)[44]。它還參與植物的開花[45]和胚發(fā)育[46]，并維持貯藏蛋白質(zhì)基因的表達(dá)[47]。當(dāng)植物在生長過程中遇到低溫時，會合成大量的脫落酸來適應(yīng)環(huán)境，而脫落酸與花芽分化和抽薹之間存在關(guān)聯(lián)[48]。已有多項研究表明，在花芽分化過程中脫落酸的含量明顯增加[49]。宋賢勇等[50]發(fā)現(xiàn)，脫落酸在現(xiàn)蕾期的變化規(guī)律與GA3類似，可以初步推斷脫落酸和GAs 都能促進(jìn)花芽分化。Riboni 等[51]的研究發(fā)現(xiàn)，脫落酸能夠提高FT和TSF基因的表達(dá)水平，促進(jìn)擬南芥的花芽分化。脫落酸和GAs 來源于甲羥戊酸，它們具有相互拮抗的生理功能。上述研究表明脫落酸在花芽分化中起到了一定的促進(jìn)作用[52]。然而，也有研究指出脫落酸含量過高會對花芽分化產(chǎn)生不利影響[53]。脫落酸還參與非躍變型水果（如草莓）的成熟過程。在草莓果實的發(fā)育過程中，脫落酸的含量從綠色期到紅色期逐漸增加，而吲哚乙酸和赤霉素的水平則逐漸降低[54]。研究顯示，瘦果中的脫落酸濃度高于花托組織，這可能與種子的成熟有關(guān)[54]。外源脫落酸的應(yīng)用對草莓果實產(chǎn)生不同的影響，可以提高花青素的水平，并促進(jìn)離體草莓果實組織中蔗糖和其他同化物的積累[56]。然而，外部施用脫落酸并不一定能促進(jìn)草莓果實的紅色積累[57]（圖7、圖8）。

1.5 乙烯

圖7 脫落酸作用機制（Ouyang F，et al.，2015）[23]

圖8 脫落酸對草莓花芽分化和果實發(fā)育的影響

草莓果實的生長和成熟受到外部環(huán)境因素的影響，包括溫度和光照等。此外，內(nèi)部植物激素也在調(diào)節(jié)草莓果實發(fā)育中扮演關(guān)鍵角色，其中乙烯被認(rèn)為是一種重要的激素[58]。在果實發(fā)育的不同階段，乙烯的含量變化呈現(xiàn)出一定的模式。在草莓綠色果實期，乙烯的含量較高。這時，乙烯參與促進(jìn)果實的生長和發(fā)育過程。隨著果實的發(fā)育，乙烯的含量逐漸減少。當(dāng)果實進(jìn)入紅色成熟階段時，乙烯的含量再次增加。這表明乙烯在草莓果實的成熟階段發(fā)揮著重要的作用[59]。盡管草莓果實中乙烯的濃度通常較低，但在果實成熟前，它對果實的生長和發(fā)育起著非常重要的調(diào)節(jié)作用[60-61]。研究表明，在轉(zhuǎn)色時施用乙烯可以促進(jìn)成熟的生理反應(yīng)[62]。這意味著通過合理使用乙烯，可以加速草莓果實從無色到紅色轉(zhuǎn)變的過程，并增加果實中可食部分的產(chǎn)量。轉(zhuǎn)色期是草莓果實從無色到紅色轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期[63]。在這個時期，果實開始積累糖分并產(chǎn)生芳香物質(zhì)。通過合理施用乙烯，可以加快果實的糖分積累和芳香物質(zhì)的生成，從而提高草莓果實的品質(zhì)和可食部分的產(chǎn)量（圖9、圖10）。

圖9 乙烯作用機制（Ouyang F，et al.，2015）[23]

圖10 乙烯對草莓花芽分化和果實發(fā)育的影響

2 ABA相關(guān)酶在草莓果實發(fā)育中的作用

目前，對草莓中的大部分構(gòu)造基因和調(diào)控基因進(jìn)行了廣泛的研究。一項轉(zhuǎn)錄組分析研究發(fā)現(xiàn)[64]，野生草莓Yellow Wonder 中參與植物花青素合成功能的關(guān)鍵基因C4H、CHS、F3H、DFR的轉(zhuǎn)錄豐度顯著降低，這些基因是參與植物花青素合成功能的關(guān)鍵基因，因此猜測這可能是草莓果皮變黃的原因。另一項研究表明，在成熟的草莓中，CHS基因的表達(dá)量增加，該基因可能在類黃酮生物合成過程中起關(guān)鍵作用[65]。阿爾比草莓的DFR基因在果實發(fā)育前期和果實發(fā)育后期的表達(dá)量最高[66]。此外，野生草莓的白果性狀與ANS基因的低量表達(dá)有關(guān)[67]。為了抑制草莓果實的成熟，研究人員通過下調(diào)FaNCED1的方法降低ABA 濃度。同時，他們對草莓中的BG1 進(jìn)行了酶學(xué)和功能分析，發(fā)現(xiàn)該酶能夠催化脫落酸糖酯的水解，從而釋放出具有生物活性的脫落酸[68]。研究人員發(fā)現(xiàn)，草莓果實紅色發(fā)育的開始伴隨著FaBG1表達(dá)的急劇增加，而下調(diào)FaBG1導(dǎo)致內(nèi)源ABA 含量明顯下降，從而抑制果實的成熟[69]。

MYB基因家族在植物的次生代謝過程中扮演著重要的角色。多項研究證明，如FaMYB1、FaMYB5和FaMYB10等基因在草莓成熟的過程中對花青素的積累起著關(guān)鍵的調(diào)控作用[70]。然而，對于這些轉(zhuǎn)錄因子在花色素生物合成和果實成熟中的確切調(diào)控機制仍存在許多疑問。在草莓果實中，F(xiàn)aMYB1的表達(dá)量在小綠期和白期較為不足，但在紅期達(dá)到最高峰。過度或不足表達(dá)FaMYB1會分別導(dǎo)致草莓果實的花色素含量降低或增加[71]。同樣的，F(xiàn)cMYB1表達(dá)的降低也會導(dǎo)致草莓品種Fragaria Chiloensis 中花色素含量的降低。相反地，在草莓花托發(fā)育過程中，F(xiàn)aMYB10的表達(dá)在小綠期到白期幾乎可以忽略不計，但在紅期明顯增加。隨著ABA 和花色素含量的增加，F(xiàn)aMYB10的表達(dá)水平也隨之提高。需要注意的是，F(xiàn)aMYB10的表達(dá)與FaMYB1無關(guān)，它們彼此獨立工作。

3 展 望

草莓花芽分化受到多個因素直接和間接地復(fù)雜調(diào)控。科研人員已經(jīng)進(jìn)行了一系列關(guān)于草莓的研究，主要集中在人工調(diào)控和物質(zhì)含量的變化方面。相比之下，對于蘋果、柑橘等果樹的花芽分化機制的研究更為深入。這些研究成果對草莓的花芽分化機制的解析具有重要借鑒作用，對促進(jìn)草莓的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要意義。