果树器官脱落的研究进展 郝紫微 吴潇 刘哲 谢智华 张绍铃 王鹏摘要：器官脱落是植物通过可控方式将某一器官与母体分离的过程，在植物界普遍发生，也是果树重要的农艺性状器官脱落发生的位置称为离区，离区的发育是多种基因参与的精细而复杂的调控过程本文通过总结近年来对果树器官脱落的研究报道，在生理生化和分子机制方面阐述了果树器官脱落最新研究进展，以期提高对器官脱落的理解，为进一步深入研究果树脱落机理提供思路与参考关键词：果树;器官脱落;调控机制;研究进展;工作假说：S660.1文献标志码：A：1002-1302（2020）16-0058-09器官脱落是植物界普遍存在的生理现象果树中常见花、果、叶和枝的脱落这些器官的非正常脱落最终均会影响果品的质量和产量，甚至导致严重的经济损失张全军等研究发现，砂梨的返花返青现象与梨树早期落叶密切相关[1-2]，严重影响翌年果实的产量和品质所以在果树生产中，实时控制好花果的脱落不仅能减少疏花疏果的人工费用支出，还能提高果实品质，增加收入在脱落的起始阶段，脱落器官的基部分化出离区，离区会进一步分化产生离层和保护层[3]离层是器官脱落母体的位置，植物器官的离层因物种和器官存在差异，一般由5～50层细胞组成[4]。
而果树中的离层细胞一般有5～17层[5-6]，其中酸樱桃的果实与果柄的离层细胞有5～8层，柑橘的果实和果柄，叶柄、叶片分别有10～17、15层，日本柿花萼与花梗的脱落层由7层细胞组成本文从影响果树器官脱落的内外因素及相关基因进行阐述，并对器官脱落提出工作假说及展望，希望为进一步深入研究脱落机理，改良果树农艺性状提供理论依据1 影响器官脱落的内外因素果树器官脱落是一个由多种因素协调控制的复杂的生理过程，可分为衰老或成熟引起的正常脱落、植物自身生理活动引起的生理脱落和逆境条件引起的胁迫脱落3种类型[7]逆境条件、植物内源激素及相关的酶均可以影响果树器官脱落其中，逆境条件产生的脱落最容易发生且危害严重，也是引起果树器官非正常脱落的主要原因，包括水分胁迫、温度胁迫、光照不足、矿物质与碳水化合物的缺失以及病虫害等（表1）这些不利的外界条件通过影响果树体内的生理机能，尤其是影响果树体内的激素平衡和糖代谢2个过程，从而引起果树器官的脱落在水涝条件下，根系进行无氧呼吸产生乙烯运输到果柄离层处造成落果;光照不足、营养物质的缺失以及病虫害的发生影响树体的养分供应，造成树势衰弱;反常的气候条件会使果树生长受损，发生早期落叶;在温度胁迫下，苹果[8]、樱桃[9]、李子[10]、甜樱桃[11]等还表现出胚胎败育等现象。
这些非正常脱落对果树生长和生产造成不利影响，导致果实产量和品质的下降大量研究表明，激素也是调节果树器官脱落的重要因素之一脱落进程的启动，需要离区感受脱落信号，而植物激素可以作为信号调节剂影响植物器官脱落[12-15]生长素（IAA）与离层形成直接相关，具有延缓脱落的作用[16]，其对器官脱落的影响程度与浓度、时间、部位相关生长素梯度”学说指出决定脱落的是生长素相对浓度[17]生长素相对浓度高时，即远轴端生长素含量高于近轴端时，离層对乙烯的敏感性小，器官不脱落;相对浓度低时，离层细胞对乙烯的敏感性增加，启动脱落进程，加速离层形成，引起器官脱落[7]Xie等发现，IAA以浓度依赖的方式抑制柑橘果实脱落，而花柄离区中的IAA则可以直接抑制乙烯的生物合成和信号传导，从而抑制脱落[18]另外，有研究报道表明，生长素刺激了乙烯的合成，参与衰老过程例如，外源施用IAA加速了乙烯产生和康乃馨花的萎蔫[19]，2，4-二氯苯氧乙酸（2，4-D）引起花柱、子房和花瓣中ACC（乙烯前体）合成酶基因的表达[20]此外，生长素抑制或刺激乙烯生物合成依赖于多种因素，包括植物物种、器官和发育阶段等，并且显示出不同的调节机制和生物学功能[21]。
目前在柑橘、葡萄等果树中较多研究表明，在叶片和花果自然脱落、幼胚败育、发生病虫害时，体内会产生大量乙烯，促进了果树器官的脱落[22]（表1）另外，乙烯可以反作用于生长素，可以通过上调番茄外向转运体基因SlPIN1（Solanum lycopersicum Pin-Formed1）降低离区生长素芒果果实离区感知乙烯后，花柄中的极性生长素运输能力减弱，随后乙烯受体上调，蔗糖含量降低导致果实脱落[23-24]此外，乙烯还可以通过调节一系列主要细胞过程促进荔枝果实脱落，包括乙烯生物合成和信号传导、生长素转运和信号传导、转录调节、蛋白质泛素化、活性氧反应，钙信号传导和细胞壁修饰等过程[25]脱落酸（ABA）是植物在不同发育阶段非生物胁迫抵抗机制的激活剂和调节因子，可以加速植物器官脱落进程[26]但这一作用会受到乙烯和生长素等其他植物激素的影响柑橘果实经IAA处理后，编码脱落酸（ABA）生物合成酶基因Cs2g03270和ABA降解酶基因Cs8g18780在脱落过程中分别被显著地下调和上调，表明了生长素与ABA存在拮抗关系（图1）目前，有大量研究表明，脱落酸可以促进葡萄、柑橘、苹果等果树落花落果（表1）。
其他激素中，赤霉素（GA）和茉莉酸（JA）可以加速脱落，细胞分裂素（CK）、油菜素内脂（BR）为脱落的抑制剂在柑橘中，与合成JA相关的3个基因（Cs7g12890、Cs5g28310、Cs2g21000）和与BR信号相关的5个基因（Cs9g18950、Cs9g15900、Cs6g20340、Cs5g08340、Cs4g02270）都受到IAA的影响[18]除了一些激素外，植物生长发育调节物质多胺（PA）也为脱落的抑制剂并且多胺含量与梨树二次开花过程中花芽萌芽率之间存在显著相关关系在发生环境胁迫时，其含量增加可以使乙烯含量减少，延缓植物的衰老[27]，但它们的具体作用机制尚不清楚此外，器官脱落还受到一些酶的调控有研究指出，果树中纤维素酶和果胶酶等水解酶活性增强，导致细胞壁松动，促进器官脱落（表1）这些水解酶参与脱落区的细胞壁和中间层的降解，并且乙烯可以促进水解酶的生成，最终导致器官脱落[28]这也说明激素可以促进一些水解酶合成，进而调控器官脱落其中纤维素酶中的β-葡萄糖苷酶（BG）与器官脱落相关性较大，桃和柑橘果实离区中乙烯的增加能够诱导该酶含量升高，从而降解细胞壁，引起果实脱落Qi等发现，将梨萼片脱落基因PsJOINTLESS过表达在转基因番茄中，编码纤维素酶基因CEL2上调且纤维素酶活性显著增加，引起了花柄脱落[29]。
Yang等研究表明，使用H2O2清除剂可以抑制纤维素酶活性的增加，减少龙眼果实的脱落[30]另外，Goldental等利用乙烯利处理橄榄叶、果实、花梗，发现仅在叶离区中纤维素酶基因上调[31]，说明纤维素酶在脱落过程中具有组织表达特异性果胶酶具有分解细胞壁间果胶质的功能，主要包括多聚半乳糖醛酸酶（PG）和果胶甲酯酶（PME）2种酶PG是参与中间层降解的关键酶，多位于细胞发生分离的区域，乙烯能够诱导PG的生成，其活性的升高与离区脱落进程中强度相一致Chersicola等用1-甲基环丙烯（1-MCP）（乙烯抑制剂）处理番茄，发现1-MCP可以通过抑制PG的表达阻止细胞的分离[32]Srivignesh等报道表明，番茄的3个PG基因（TAPG1、TAPG2和TAPG4）参与离区的形成[33]PME基因的表达同样受乙烯的调控，但其在器官脱落方面的具体作用存在争议较多研究结果表明，果胶甲酯酶对植物器官的脱落有促进作用[12，34]，但也有不同观点，如该酶在柑橘叶柄和龙眼果实中并没发现具有调控脱落功能[35-36]过氧化物酶（peroxidase，POD）是植物呼吸过程中呼吸末端氧化酶之一，对植物器官脱落有一定的促进作用。
其调控机制主要有2点，一是POD参与生长素的氧化进程，降低离区生长素的水平，间接促进脱落;二是POD促进离区伤痕的木质化，进而促进脱落其他对器官脱落起作用的几丁质酶（chitinase）和苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonialyase，PAL）等酶类，对于果树器官脱落后伤口的保护和脱落断面的木质化有重要作用[12，37]有研究指出，离区细胞的细胞质溶液碱性随着脱落过程的进行变强，且乙烯抑制剂的应用可以阻止胞质碱化因此，pH值的改变可能为细胞壁降解酶提供了更好的细胞环境，影响其活性，从而影响脱落[38]此外，细胞凋亡（programmed cell death，PCD）过程是离层形成的重要调控机制Bar-Dror等的研究结果表明，核糖核酸酶基因是影响器官脱落的主要基因，该基因参与了PCD过程[39]在番茄花和叶脱落后期的离层细胞中观察到PCD的一些典型特征，包括细胞活力丧失，核形态改变，DNA片段化，活性氧和酶活性水平升高，以及PCD相关基因的表达量升高，这表明PCD与脱落密切相关但二者之间潜在的调节机制还存在争议，需进一步研究活性氧（reactive oxygen species，ROS）是植物PCD的关键影响因子，与发育过程和环境应激反应有关[40]，相比于正常细胞，NADPH氧化酶基因RBOH1在离层细胞表达显著升高，ROS含量显著提高[41]。
较低剂量的ROS可以提高植物的抗逆性，而较高浓度则可能导致细胞程序性死亡研究表明，ROS可以介导碳水化合物胁迫诱导的龙眼果实的脱落[30]不同的胁迫因子在逆境胁迫条件下通过其他信号和激素的作用，直接或间接促进ROS的产生和PCD的开始，在极端情况下甚至导致组织坏死并且ROS含量的变化会影响PCD进程，从而影响离区发育2 果树器官脱落相关基因的研究进行果树器官脱落的分子机制研究，可为进一步了解器官脱落发生过程和对脱落进行调控提供更可靠的理论依据目前，在模式植物拟南芥中已报道的引起脱落的基因中，在桃、柑橘、苹果等11种果树中研究了其中14类，包括7类与花器官脱落相关和7类与果实脱落相关（表2）目前J（Jointless）是离区发育相关的研究较多的基因之一[33，59-61]，J和J-2（Jointless-2）是非等位的2个MADS-box基因，且J是J-2的上位基因[62]J的突变可以抑制花序分生组织中合轴的发育和离区的产生，维持花序分生组织的正常生长，并且对于胚珠和种子发育、果实形状也有重要作用[59，63]番茄jointless突变体不能形成离区，因此不发生果实或花的脱落[59]将梨的J基因转入到番茄植株中，发现该基因促进花柄脱落，花柄变细，离层细胞数目增加、细胞变小、破裂、排列无序，花柄离区纤维酶的活性升高，细胞壁水解酶的基因和诱导编码脱落相关的转录因子表达量上升[64]。
IDA（Inflorescence Deficient In Abscission）是模式植物拟南芥中促进花器官脱落的主要基因最新的研究表明，在IDA与受体激酶HAE/HSL2（Haesa/Haesa-Like2）结合后，SERKs（Somatic Embryognesis Receptor-Like Kinase）能够与HAE/HSL2形成复合物，从而调节花器官脱落[65]（图1）目前，IDA基因在梨、柑橘和荔枝中均有报道研究PsIDA可以促进梨萼片脱落[64]在拟南芥过表达荔枝或柑橘的IDA基因引起拟南芥的早期落花[66]柑橘中的CitIDA3还可以明显抑制拟南芥突变体ida-2花的脱落[57]，说明该基因功能比较保守此外，St等在杨树（双子叶树）和棕榈（单子叶树）研究了IDA-HAE/HSL2脱落信号通路，发现IDA-HSL在多个物种的不同离区中均有表达，为该通路的功能保守性提供进一步的证据[67]这些结果表明IDA-HAE/HSL2脱落信号通路在不同植物类群的高等植物中均起着重要作用其他几类基因如：KNAT1/BP（Knotted-Like From Arabido。