植物生长素影响单性结实的研究进展*1

凌丹燕， 张清杨， 刘 姗， 丁燕倩， 吴旭峰，孙莉莉， 郭卫东， 廖芳蕾

(浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江 金华 321004)

植物生长素影响单性结实的研究进展*1

凌丹燕， 张清杨， 刘 姗， 丁燕倩， 吴旭峰，孙莉莉， 郭卫东， 廖芳蕾

(浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江 金华 321004)

主要阐述了植物单性结实的研究历史和现状、单性结实形成的分子机制和相关基因的分离克隆及鉴定方法的一些最新研究进展；从植物生长素响应途径调节和其他相关基因调节两方面，探讨了植物生长素对单性结实果实发育的具体影响，并对未来这一领域的研究方向作了进一步的展望.

生长素；单性结实；果实发育；坐果

在植物学上，单性结实(parthenocarpy)是指子房不经过受精作用而形成不含种子果实的现象，可分为天然的单性结实和人工的单性结实2类.与种子败育不同，单性结实发育出来的果实是真正无籽的[1].由于无籽果实具有较高的商业价值，因此单性结实的理论研究得到了广泛关注.目前，研究集中在单性结实的形成机理[2-3]、鉴定方法[4-5]、扩增片段长度多态性(AFLP)分子标记[6-7]、影响因素[8]等方面.本文从单性结实的生理现象、分子机制及相关基因的分离克隆出发，探讨了植物生长素在单性结实中的作用.

1 单性结实的概况

1.1单性结实介绍

从植物的遗传特性来说，植物的开花结果大多要经过受精作用，卵细胞经过受精发育成胚，胚珠发育成种子，子房发育成果实[9].但是，在受到诸如激素[10-11]、高温[12]等外界条件刺激，或者在自然状态下不经任何处理，子房不经授粉受精即可完成坐果的现象，在植物学上称为单性结实.George等[13]指出，一个植株要么是单性结实株，要么就是非单性结实株.单性结实果实未经受精，可产生无籽果实，因此是目前果树生产中最常见的无籽果实的生产类型[14-16].无籽果实与有籽果实相比具有食用方便、可食率高、货架期长[17]等诸多优点，在生产上具有较高的应用价值.单性结实的机制研究将为无籽果实的生产开辟新的途径.

1.2单性结实的研究历史

单性结实的研究起源于1902年，Noll[2]最先在黄瓜中发现了单性结实的现象.Winkler[3]通过对黄瓜的研究，把单性结实定义为产生无籽果实和空瘪果实的现象，他认为非天然单性结实是在传粉以后或者受到别的刺激而产生的无籽果实，天然单性结实无需传粉和别的刺激.在之后的几十年间，对于瓜果单性结实的研究几乎停滞.1951年，Nitch首次提出了单性结实的概念，他采用去雄技术，在授粉前切除番茄雄蕊，用适当的营养液造成未授粉的番茄子房发育，从而在体外诱导单性结实，报告中还指出植物子房在体外培养中不改变其发育机制[4].文献[18-19]则在研究番茄的单性结实品种时发现PAT-2基因的影响.自此之后，植物单性结实的机制被更多地研究和发掘，并且应用到农业、林业、园艺等各个方面.

1.3单性结实的鉴定方法

1.3.1 田间鉴定法和解剖学鉴定法

单性结实的鉴定方法也是研究单性结实相关内容的重要部分之一，方法众多，原理不一.常规鉴定一般采用结果期田间鉴定法[4].茄果类蔬菜等两性花作物的单性结实鉴定可采用自然逆境鉴定、蕾期人工去雄、人工去柱头等方法[5,20].另外，对茄子花蕾期人工去雄和去柱头实验相比较，发现去柱头法节约了人工去雄后对花隔离的费时操作，操作简单、效率高，也可用于茄子单性结实的鉴定[5,20].

坐果率统计分析是鉴定的基本方法之一[21].单性结实品系植株坐果率较高，去雄处理的坐果率也较高；非单性结实品系在去除雄蕊后，基本不能结果.通过对果实的计数可以轻易分辨出该植物是否为单性结实[22].在对茄子的研究中发现，单性结实性的茄子植株具有良好的结果习性，非单性结实茄子落花率较高[23].子房及果实的组织形态观察也可作为单性结实的鉴定方法[24].采用石蜡切片法在显微镜下连续观察胚胎、果实发育情况，也可研究单性结实茄子与有性结实茄子果实的发育过程[25].因此，解剖性状也可作为单性结实选育的辅助手段.上述2种方法操作简单，往往作为生产实践中鉴定单性结实的常用手段.

1.3.2 分子标记技术

除了结果期田间鉴定方法，近些年分子标记技术也被越来越多地应用到单性结实的鉴定当中.陈学好等[26]采用分离群体分组法对黄瓜单性结实基因进行了ISSR多态性筛选，发现了与黄瓜单性结实基因连锁的N92多态性引物，该引物可以扩增出非单性结实果实具有的特异性条带.刘富中等[6]采用AFLP分析技术和改良BAS法，获得了一个与茄子单性结实基因紧密连锁的AFLP标记E75/M53-70，该标记不仅可以应用于单性结实的鉴别，还可用于辅助育种，加速茄子单性结实基因的转育和利用.Shimomura 等[7]通过AFLP 技术和DH群体获得了与茄子单性结实基因紧密连锁的AFLP 标记smpc77(EcoRⅠ-AGG/MseⅠ-CTG).利用分子标记技术可在苗期对单性结实进行鉴定选择，大大提高了育种效率，而且不断发现的新的分子标记基因有利于单性结实品种的早期选育.该技术也有相对的缺点，因其耗时长、鉴定效率低，在实际生产中应用并不广泛.为了改进这项技术，发现更为保守的单性结实的标记基因是当务之急.

2 生长素与单性结实的关系

对单性结实机理的研究首先会关注激素水平的变化.许多实验证明，在天然单性结实的果实中，果肉组织代替了种子的作用，导致激素分泌不平衡而引发植物的单性结实[27-28].Philouze等[29]发现单性结实番茄花蕾中含有较多的生长素；Gibson等[30]证实番茄单性结实品种69的单性结实率与游离生长素(IAA)浓度成正相关，其花蕾的生长素浓度在授粉前就明显大于普通番茄.对茄子单性结实的研究中发现，单性结实植物果实坐果和发育与生长素的变化有密切关系[31].此外，邱似德[32]在对单性结实及激素的研究中指出，单性结实在开花期生长素含量就高于有籽果，即使在未受精或种子未发育的情况下，果实也能继续发育[33].因此，推测在单性结实中，生长素对坐果及果实发育有重要的作用[34-36].

以单性结实的柑橘属为例，肖家欣等[37]对单性结实的温州龟井蜜柑果实发育过程中不同部位IAA含量的变化进行了测量，发现IAA含量在花后(果实生长发育前期)72 d相对较高，之后急剧回落至相对较低的稳定水平，推测龟井蜜柑果肉的迅速膨大不需较高含量的生长促进类激素IAA.对柑橘开花前后IAA含量动态研究结果显示，单性结实的子房(幼果)的IAA浓度在花前至盛花期这一阶段明显高于自花结实的果实，说明单性结实的子房本身含有较高的生长素类物质，这对花后子房(幼果)进一步生长发育起着尤为重要的作用[38].广橙经过人工授粉处理后ABA(脱落酸)与IAA的比例呈有规律下降[37].上述研究表明，单性结实与生长素有密切的关系.果实生长发育初期，自花授粉幼果内源激素促进类激素含量低于异花授粉处理；果实迅速增长期间，内源IAA有2个明显的高峰期，显示IAA与果实迅速膨大有密切关系[39].

3 生长素对单性结实果实发育的影响

3.1生长素响应途径的调节

文献[8]和文献[40-41]通过改变不同的生长素信号转导通路的途径，实现了单性结实果实的发育.因此，生长素响应途径有可能在果实发育中起着关键的作用.

研究表明，Aux/IAA(植物生长素)能和ARFs(生长素应答因子)形成杂合二聚体，在生长素的作用下，Aux/IAA被降解，从而启动生长素信号途径[42-43].如，番茄中的IAA9基因(生长素应答基因)反义抑制后，植株即获得单性结实[39].现已在多种植物中发现了Aux/IAA基因家族的基因抑制使植物获得单性结实[44-45].最近，研究发现在拟南芥和番茄中ARF基因(生长素反应因子基因)家族中有一些基因可以通过突变和负调控导致果实在未受精下发育，最终形成单性结实[40,46].植物中的ARF-8即被证实为一种负调节因子，可以改变心皮中果皮细胞的分裂和促使无籽果实的产生[47].杜黎明等[48-49]则利用RT-PCR和RACE技术从杭州红茄中克隆得到一个生长素响应因子家族基因SmARF8和GA响应因子相关基因片段SmGAI.SmARF8与番茄单性结实调控基因SlDELLA高度相似，但要证实其是否参与调控茄子的单性结实过程则需要进一步的研究.

根据序列同源性、序列比对、结构域分析等生物信息学和系统发育学的方法，黄瓜中生长素信号传导途径中两大转录因子Aux/IAA和ARF家族已被分离、鉴定和分析[50-51].对这两个家族的基因进行表达分析，发现9个ARF基因的表达水平显示出了很大的差异.鉴于Aux/IAA和ARF家族的保守性，推测其在其他物种的单性结实果实发育过程中发挥着相当的作用.因此，检测生长素响应途径相关基因在植物坐果前后的表达变化，可作为检验该植株单性结实的指征.

3.2其他基因对生长素的调节

生长素合成的特异启动子转入植物，在子房或胚珠特异性表达后可引起单性结实果实的发育[52-54].陈新伟[55]发现，pat-2/pat-2基因型番茄在正常授粉条件下，pat-2基因(单性结实基因)会明显降低其结籽，实验说明pat-2基因对番茄的结实有一定的调节作用.而Carmi等[56]发现，农杆菌中的rolB基因即植物激素合成代谢相关基因，具有子房表达特异性，通过实验将rolB基因融合到子房或幼果的特异性启动子TPRP-F1中构建含有嵌合体的番茄，可诱导产生无籽番茄.但尚不清楚rolB基因是如何促使果实发育的.有观点认为，rolB基因可操控一种酪氨酸磷酸酶的活性，其对生长素的合成分泌有直接影响[57-58]，进一步说，rolB基因改变了生长素信号转导通路，但是目前为止尚无定论.

4 展 望

随着生物技术的发展，采用人为手段促使植物单性结实仍然是一个技术难题.如何使栽培植物能够单性结实，并提高坐果率，从而增产增收，是目前农业生产中的重要课题.我们推测,未来单性结实的研究将从以下几个方面开展：1)许多植物单性结实的原因是由生长素引起的，如果将生长素作为一种外源激素应用于非单性结实植物中，诱导无籽果实的产生，不仅可以产生巨大的经济效益，更重要的是避免了分子水平的操作，利于扩大推广范围.因此，对生长素在植物单性结实中的分子机制研究仍会是未来的研究热点.2)尽管生长素在单性结实果实的生长发育中起着关键作用，但果实的坐果是由多种激素在转录水平共同作用的结果[59-60]，包括赤霉素、乙烯、细胞分裂素，各种不同的激素在植物体内的协同作用造成了单性结实现象的产生,而激素的作用过程大多数是由激素调控的基因表达来起始或介导的.目前,科学家们对于不同种类激素之间的作用关系有了一定的认识,但对于多种激素诱导果树单性结实的机制仍不十分清楚.因此，不同激素之间如何交互作用导致单性结实也将会是未来研究的热点之一.3)单性结实植物果实的优点是无籽化、货架期长，但有些果实瘦小、品质不高[61].因此，对特定基因进行改造成为新的优化果实品质的方向，充分利用基因工程，克隆出与单性结实相关的基因并进行改造，利用基因工程将单性结实的范围扩大至例如山竹、石榴、杨梅等非单性结实的植物果实中，在不降低营养价值的前提条件下方便人们的食用.

[1]许敏,黄作喜.瓜类单性结实的研究进展[J].北方园艺,2009(11):118-122.

[2]Noll F.Über fruchtbildung ohne vorausgegangene bestäubung (parthenocarpie) bei der gurke[M].Bonn：Sitzber d Niederrh Gesellsch f Naturu,1902:149-162.

[3]Winkler H K A.Über parthenogenesis und apogamie im pflanzenreiche[J].Progressus Rei Bothanicae,1908,2(3):293-454.

[4]杜永臣.黄瓜种质资源描述规范和数据标准[M].北京：中国农业出版社,2005：4-13.

[5]成玉富,薛萍,张金凤.茄子单性结实习性的研究[J].中国蔬菜,2008(增刊):29-31.

[6]刘富中,万翔,陈钰辉,等.茄子单性结实基因的遗传分析及AFLP分子标记[J].园艺学报,2008,35(9):1305-1309.

[7]Shimomura K,Koga T,Sueyoshi T,et al.Development and suitability of DNA markers for breeding of parthenocarpic eggplant[J].Horticultural Research (Japan),2010,9(1):13-17.

[8]Wang Hua,Jones B,Zheng Guoli,et al.The tomato Aux/IAA transcription factor IAA9 is involved in fruit development and leaf morphogenesis[J].The Plant Cell Online,2005,17(10):2676-2692.

[9]Gillaspy G,Ben-David H,Gruissem W.Fruits:a developmental perspective[J].Plant Cell,1993,5(10):1439-1451.

[10]Bukovac M J,Retamales J B,Xu Shaoying,et al.Induction of parthenocarpic fruit growth in sour cherry withN-substituted phthalimide and NAA[J].Hort Science,1985,20(6):1083-1085.

[11]Pandolfini T.Seedless fruit production by hormonal regulation of fruit set[J].Nutrients,2009,1(2):168-177.

[12]Ercan N,Akilli M.Reasons for parthenocarpy and the effects of various hormone treatments of fruit set in pepino (SolanummuricatumAit.)[J].Sci Hortic,1996,66(3):141-147.

[13]George W L,Scott J W,Splittstoesser W E.Parthenocarpy in tomato[J].Horticultural Reviews,1984,6:65-84.

[14]Arias M,Carbonell J,Agusti M.Endogenous free polyamines and their role in fruit set of low and high parthenocarpic ability citrus cultivars[J].Plant Physiol,2005,162(8):845-853.

[15]杨光,曹雪,房经贵,等.‘藤稔’葡萄VvGAI基因的克隆,亚细胞定位及时空表达分析[J].园艺学报,2011,38(10):1883-1892.

[16]Zhang Caixi,Lee U,Tanabe K.Hormonal regulation of fruit set,parthenogenesis induction and fruit expansion in Japanese pear[J].Plant Growth Regulation,2008,55(3):231-240.

[17]王西成,王晨,房经贵,等.植物激素对果树单性结实调控的研究进展[J].植物生理学报,2012,48(7):629-636.

[18]Lin S,Splittstoesser W E,George W L.A comparison of normal seeds and pseudoembryos produced in parthenocarpic fruit of ′Severianin′ tomato[J].Hort Science,1983,18(1):75-76.

[19]Lin S,George W L,Spittsoesser W F.Experession and inheritance of pathenocarpy in "Severianin" tomato[J].J Hered,1988,75(1):62-66.

[20]张映,刘富中,陈钰辉,等.低温下茄子单性结实特性的研究[J].中国蔬菜,2009(2):16-20.

[21]田时炳,刘富中,王永清,等.茄子单性结实性的遗传分析[J].园艺学报,2003,30(4):413-416.

[22]张雅.茄子温度抗性及单性结实研究[D].杭州：浙江大学农业生物学院,2008.

[23]曹培生,缪旻珉,陈学好,等.黄瓜子房(幼果)中内源激素含量和过氧化物酶活性变化及其与单性结实的关系[J].植物生理学通讯,1998,34(5):347-349.

[24]Sun Z,Staub J E,Chung S M,et al.Identification and comparative analysis of quantitative trait loci associated with parthenocarpy in processing cucumber[J].Plant Breeding,2006,125(3):281-287.

[25]张伟春,魏毓棠,王静,等.茄子单性结实与非单性结实品系胚胎发育及果实解剖结构的观察[J].沈阳农业大学学报,2008,39(5):534-537.

[26]陈学好,王佳,徐强,等.一个与黄瓜单性结实基因连锁的ISSR标记[J].分子植物育种,2008,6(1):85-88.

[27]Vivian-Smith A,Luo M,Chaudhury A,et al.Fruit development is actively restricted in the absence of fertilization in Arabidopsis[J].Development,2001,128(12):2321-2331.

[28]Gorguet B,van Heusden A W,Lindhout P.Parthenocarpic fruit development in tomato[J].Plant Biology,2005,7(2):131-139.

[29]Philouze J,Maisonneuve B.Heredity of the natural ability to set parthenocarpic fruits in the Soviet variety Severianin[J].Tomato Genet Coop Rep,1978,28:12-13.

[30]Gibson R A,Schneider E A,Wightman F.Biosynthesis and metabolism of indol-3yl-acetic acid Ⅱ.in vivo experiments with 14C-labelled precursors of IAA in tomato and barley shoots [J].Journal of Experimental Botany,1972,23(2):381-399.

[31]李香景,刘富中,张映,等.茄子单性结实研究进展[J].中国蔬菜,2012(6):8-14.

[32]邱似德.单性结实与激素[J].植物生理学通讯,1984(2):1-5.

[33]Gustafson F G.The cause of natural parthenocarpy[J].American Journal of Botany,1939，26(2):135-138.

[34]Barendse G W M,Peeters A J M.Multiple hormonal control in plants[J].Acta Bot Neerl,1995,44(1):3-17.

[35]Nitsch J P.Hormonal factors in growth and development[J].Biochemistry of Fruits and Their Products,1970，1:145-147.

[36]Ozga J A,Reinecke D M.Hormonal interactions in fruit development[J].Journal of Plant Growth Regulation,2003,22(1):73-81.

[37]肖家欣,彭抒昂.柑橘开花前后子房(幼果)钙,硼营养与IAA,GA1/3动态研究[J].果树学报,2004,21(2):132-135.

[38]张上隆,刘春荣.柑桔授粉处理和单性结实子房(幼果)内源IAA,ABA和ZT含量的变化[J].园艺学报,1994,21(2):117-123.

[39]周碧燕.植物激素与果实生长发育的关系研究概述[C]//中国园艺学会第五届青年学术讨论会论文集.广州：中国园艺学会第五届青年学术讨论会，2002:43-50.

[40]Goetz M,Vivian S A,Johnson S D,et al.Auxin response factor 8 is a negative regulator of fruit initiation in Arabidopsis[J].The Plant Cell,2006,18(8):1873-1886.

[41]Goetz M,Hooper L C,Johnson S D,et al.Expression of aberrant forms of auxin response factor 8 stimulates parthenocarpy in Arabidopsis and tomato[J].Plant Physiology,2007,145(2):351-366.

[42]Dharmasiri N,Estelle M.Auxin signaling and regulated protein degradation[J].Trends in Plant Science,2004,9(6):302-308.

[43]Leyser O.Dynamic integration of auxin transport and signalling[J].Current Biology,2006,16(11):424-433.

[44]Fujii N,Kamada M,Yamasaki S,et al.Differential accumulation of Aux/IAA mRNA during seedling development and gravity response in cucumber (CucumissativusL.)[J].Plant Molecular Biology,2000,42(5):731-740.

[45]Shimizu M,Miyazawa Y,Fujii N,et al.p-Chlorophenoxyisobutyric acid impairs auxin response for gravity-regulated peg formation in cucumber (Cucumissativus) seedlings[J].Journal of Plant Research,2008,121(1):107-114.

[46]Jong M,De woltersarts M,Feron R,et al.TheSolanumlycopersicumauxin response factor 7(SIARF7) regulates auxin signaling during tomato fruit set and development[J].The Plant Journal,2009,57(1):160-170.

[47]嵇怡,徐强,缪曼珉，等.与黄瓜矮生基因连锁的ISSR标记及其SCAR转换[J].园艺学报,2008,35(11):1627-1634.

[48]杜黎明,毛伟海,包崇来,等.茄子生长素响应因子SmARF8的克隆与分析[J].中国农业科学,2009,42(7):2434-2441.

[49]杜黎明,包崇来,胡天华,等.茄子GA响应因子SmGAI的克隆与分析[J].中国蔬菜,2009(16):26-30.

[50]王垒.黄瓜单性结实相关基因的分离、表达及SSR标记分析[D].南京:南京农业大学农学院,2011.

[51]王垒,陈劲枫,娄丽娜,等.黄瓜果实中ARF和Aux/IAA基因对外源激素的应答[J].西北植物学报,2011,31(6):1127-1131.

[52]Schwabe W W.Hormones and parthenocarpic fruit set,aliteraturesurvey[J]Hortic Abstr,1981,51:661-698.

[53]Bhojwani S S,Woong-Young S.Current trends in the embryology of angiosperms[M].Berlin:Springer Netherlands,2001.

[54]Vivian-Smith A,Koltunow A M.Genetic analysis of growth-regulator-induced parthenocarpy in Arabidopsis[J].Plant physiology,1999,121(2):437-452.

[55]陈新伟.不同授粉处理对pat-2/pat-2基因型番茄结实性的影响[J].中国蔬菜,1996,16(4):12-15.

[56]Carmi N,Salts Y,Dedicova B,et al.Induction of parthenocarpy in tomato via specific expression of therolBgene in the ovary[J].Planta,2003,217(5):726-735.

[57]Filippini F,Rossi V,Marin O,et al.A plant oncogene as a phosphatase[J].Nature,1996,379(6565):499-500.

[58]Spena A,Saedler H,Sommer H,et al.Methods for producing parthenocarpic or female sterile transgenic plants and methods for enhancing fruit setting and development:US,6483012[P].2002-11-19.

[59]Vriezen W H,Feron R,Maretto F,et al.Changes in tomato ovary transcriptome demonstrate complex hormonal regulation of fruit set[J].New Phytologist,2008,177(1):60-76.

[60]Pascual L,Blanca J M,Caizares J,et al.Transcriptomic analysis of tomato carpel development reveals alterations in ethylene and gibberellin synthesis duringpat3/pat4 parthenocarpic fruit set[J].BMC Plant Biology,2009,9(1):67.

[61]张映.茄子单性结实特性评价及单性结实相关基因的表达分析[D].北京：中国农业科学院,2008.

(责任编辑 薛 荣)

TheprogressofparthenocarpyinplantLING Danyan, ZHANG Qingyang, LIU Shan, DING Yanqian, WU Xufeng,

SUN Lili, GUO Weidong, LIAO Fanglei

(CollegeofChemistryandLifeSciences,ZhejiangNormalUniversity,JinhuaZhejiang321004,China)

It was focused on the research progress of parthenocarpic history and current situation, including the parthenocarpy molecular mechanisms and related genes, the development of identification methods. The specific effects of auxin on parthenocarpic fruit development were discussed and a further outlook from the auxin response pathway and other related gene were presented.

auxin; parthenocarpy; fruit development; fruit set

10.16218/j.issn.1001-5051.2015.02.014

2014-06-30

凌丹燕(1990-)，女，浙江海宁人，硕士研究生.研究方向：生物化学与分子生物学.

Q945.6

A

1001-5051(2015)02-0201-05