果树矮化机理的研究进展

欧春青，姜淑苓，王 斐，宣利利，王西成，马 力

(1.农业部 果树种质资源利用重点开放实验室，辽宁 兴城 125100;2.中国农业科学院 果树研究所，辽宁 兴城 125100;3.南京农业大学园艺学院，江苏 南京 210095)

目前，我国果树栽培大多为稀植大冠或乔化密植栽培，导致树冠大，栽培管理困难;树势强，树冠郁闭，影响通风透光，果实品质差，经济效益低。而果树矮化密植栽培具有早结果、早丰产、连年结果、品质好、管理方便、品种更新快等优点，成为改变果树栽培现状的必然趋势，利用矮化砧木是实现这一趋势的重要手段［1］。近年来，国内外育种工作者经过努力，选育出许多在生产中应用的优良矮化砧木。如苹果矮化砧 GM256［2］，梨矮化砧中矮 1号［3］，柑橘矮化砧木［4］等。国内外学者在开展矮化砧木选育的同时，矮化机理的研究也逐步深入，并取得很大进展。本文就国内外关于果树矮化机理的研究情况作一综述，旨在为矮化砧木的选育和利用提供依据，同时为矮化机理的深入研究提供参考。

1 果树矮化机理研究

关于果树的矮化机理，近些年国内外学者进行了大量研究，究其结果主要为2个方面，一是矮化果树的解剖结构及其生理生化特性与树势的关系，二是矮化基因的标记和分离。

1.1 矮化果树的解剖结构及其生理生化特性与树势的关系

1.1.1 枝条、叶片及根系的解剖结构与树势的关系

自Beakbane等［5］发现乔化砧与矮化砧根部解剖结构不同，可以利用根皮率来预测砧木的生长势以来，国内外许多学者对苹果［6-8］、梨［9］、柑橘［10］、核桃［11-13］、樱桃［14］、山楂［15］等众多果树品种及砧木枝条、叶片或根的组织进行解剖研究，结果表明，枝皮率、木质部导管密度、叶片上下表皮占叶片厚度的百分率、叶片的栅海比、气孔密度、根皮率等均不同程度地与果树的生长势有一定的相关性。一般情况下，果树的枝皮率越大，木质部中导管数量越少、密度越小，导管占木质部的比率越小，叶片上、下表皮占叶片厚度的百分率越大，叶肉细胞栅海比越大，气孔密度越小，根皮率越大，果树的生长势越弱，树体趋于矮化，反之果树的生长势就越强，树体趋于乔化。然而这些性状与生长势的相关性也因树种和品种不同而具有差异，例如，刘延杰［9］对秋子梨不同类型的叶片观察得出，栅海比有一定差异，表现为开张型栅海比大于1，直立型栅海比小于1，与生长势的强弱无规律性;张玉兰等［15］对山楂的研究结果表明，山楂的气孔密度与生长势成负相关。

1.1.2 酶活性与树势的关系

与矮化性状密切相关的酶是IAA氧化酶、过氧化物酶及同工酶［16］。IAA氧化酶、过氧化物酶广泛存在于植物体内，其活性大小直接影响IAA的代谢与分布，而IAA含量的多少控制着植物的生长发育，IAA氧化酶的作用是直接将IAA氧化，使其失去生理活性，抑制树体的生长，高水平的IAA氧化酶和过氧化物酶加强了对内源激素IAA的氧化分解，减轻了对生长的刺激，使植物表现矮化［17］。

陈长兰［18］对 S系梨矮化中间砧 S2和 S5进行研究，结果表明，S2和S5中间砧段具有比接穗和基砧明显较高的生长素氧化酶活性，并且高出程度与它们对嫁接品种的矮化效应一致。因此提出S2和S5等S系中间砧是由于其皮层部具有较高的生长素氧化酶活性，减少了经皮部到达根部生长素的量，从而限制了根系的生长发育和细胞分裂素产生，反过来导致嫁接树的矮化，并且进一步提出皮部生长素氧化酶活性高低可以作为矮化砧或矮化中间砧的预选指标之一。徐继忠等［17］对苹果红富士中间砧的研究也得到了类似的结论。韩德铎等［19］对桃树叶片的IAA氧化酶活性的研究结果表明，不同基因型桃树叶片的IAA氧化酶活性与其树体的矮化程度呈显著正相关，而与其节间长度呈极显著负相关。周怀军等［20］通过对嫁接李树的研究发现IAA氧化酶活性的高低与树体生长势呈负相关，即:IAA活性越高矮化作用越好。

前人研究的与矮化相关的另一种酶是POD酶，多数人认为叶片POD酶活性与树体生长势呈显著负相关。如钟广炎等［21］研究认为柑橘矮化砧木的矮化特性可能是高水平的过氧化物酶活性一方面加强了对内源IAA的氧化，使IAA浓度下降，减轻了IAA对生长的刺激作用，另一方面加速了木质化进程，使细胞的伸长过早停止所致。胡国谦等［22］研究认为柑橘矮化砧木叶片过氧化物酶活性大，生长势弱，叶片过氧化物酶活性可作为柑橘矮化性状早期鉴定预选指标。周学明［23］和唐秀芝等［24］对苹果、欧毅等［25］对锦橙、周开兵等［26］对柑橘、李靖等［27］和王成霞等［28］对桃、王同坤等［29］对板栗的研究也表明，叶片 POD酶活性与枝条节间长度成负相关性，即枝条节间长度越短，矮化性状越明显，叶片POD酶活性越高。而与之相反的是，李文斌等［30］和吕斌等［31］研究发现嫁接柑橘叶片POD酶活性与树体生长势呈显著正相关，这可能是受砧木的影响和酶活性测定方法不同造成的。

1.1.3 同化物、矿质元素和水势与树势的关系

同化物、矿质元素和水都是植物生长发育所必需的，其在植物体内的运输和代谢也会对植物的生长势造成一定影响。王中英等［32］的研究结果表明，苹果树矮化中间砧对14C同化物质的运转有明显的滞阻作用，矮化中间砧苹果树地上部大部分时间14C同化物质含量显著高于根系，从而影响地上部和根系的生长、花芽分化、产量和果实品质。陈杰忠等［33］研究结果表明，锦橙和新会橙的株高、生产量与其叶片的含氮量在一定范围内呈显著正相关，他们认为砧木对树体大小的控制效应部分是通过砧木对营养的吸收来影响接穗的营养状况而实现的。陈长兰［34］认为果树矮化砧和矮化中间砧是由于其枝皮阻碍了碳水化合物由地上部向根系的运输或/和破坏 (或阻碍了)生长素由地上部向根系的运输，减少了到达根系的碳水化合物或/和生长素的量，影响到根系的生长发育或/和细胞分裂素产生，引起地上部水分及矿质养分的亏缺或/和细胞分裂素供应的减少从而导致嫁接树矮化的。古润泽［35］研究结果表明，砧木对红星苹果叶内矿质元素含量影响有一定规律性，矮砧、半矮砧氮、钾含量高于乔砧，磷、钙含量低于乔砧。铜元素含量(除红星/M6外)及铁元素含量 (除红星/M4外)矮砧、半矮砧均高于乔砧，矮砧和半矮砧之间各种元素含量无明显变化规律。王中英等［36-37］对苹果的矮化砧和乔化砧进行水势测定分析，认为低水势是树体矮化的又一标志。不同砧木的叶片、枝条和果实的水势曲线大致相同，乔化砧高于矮化砧。刘魁英等［38］研究认为渗透势和压力势可以通过调节IAA氧化酶活性来影响树势。

1.1.4 激素的含量和比例与树势的关系

果树的生长发育需要水分、矿质和有机物质的供应，激素在果树生长发育过程中也起着重要调控作用，基因通过激素控制植株高矮［39］。研究发现，植物的高矮受GA、IAA、ABA以及油菜素内酯等多种激素的影响。Faust等［40］曾把 GA作为控制树体大小最重要的激素。王丽琴等［41］研究发现以紧凑型品种作苹果砧木，矮化的作用很小，因此认为紧凑型品种的矮化主要是由地上部控制的，GA无疑是其矮化机制中最重要的激素，CTK及其它激素也参与了这一机制。GA具有促进茎、叶延长的作用，GA还可以影响IAA的活性，果树树体的大小与GA的含量以及GA的信号传导密切相关。目前，在 拟 南 芥［42］、玉 米［43］、水 稻［44］、小 麦［45］、豌豆［46］等作物上都已发现了 GA合成或信号转导受阻的突变体。沙广利［47］对辐射诱变的平邑甜茶无融合生殖矮生突变体研究发现，GA的受体DELLA蛋白发生变异，使GA无法与DELLA蛋白结合并使之降解，DELLA蛋白阻碍了植物生长发育，并使其矮化。张志华等［48］的试验结果表明，核桃实生苗的GA3含量 (尤其是根部)与树体生长势显著正相关。Lockard等［49］认为IAA是传递信息的主要物质，倒贴皮和矮化中间砧可以降低经韧皮部的IAA及其代谢物的量使树体矮化。此外ABA也能影响树体的生长，刘魁英等［38］对苹果砧木的研究证明，ABA可以提高IAA氧化酶的活性，减轻IAA刺激树体生长的作用。邵开基等［50］在对不同砧木的苹果的研究表明，叶片ABA的含量愈高，树体愈矮化，叶片ABA的含量愈低，树体愈乔化，嫁接树叶片ABA的含量与幼树树高、新梢长度成显著负相关。牛自勉等［51］通过对 M、S和SH系苹果砧木的相关分析也表明树体叶片ABA的含量水平与树体高度、树干周长及新梢长度均呈显著负相关。赵大中等［52］对柑橘的研究也证明，随株高的增加，ABA的含量下降。

1.2 矮化基因的标记和分离

果树的矮化机理比较复杂，它不仅受果树本身的生物学特性、激素以及病毒的影响，还受基因的控制。随着分子生物学技术的发展，标记基因技术被应用到了果树研究中，基因标记就是筛选与目的基因紧密连锁的遗传标记，利用分子标记可以迅速寻找样品DNA分子间异区相连锁的标记，从而将目的基因定位在这一区域内。目前标记目的基因的方法有3种:连锁图法，近等基因系法 (NIL)，分离群体分组分析法 (bulk segregation analysis，BSA)。BSA法已成为标记果树重要农艺性状基因的重要方法。利用BSA法已经在一些果树上获得了与矮化基因紧密连锁的连锁标记。田义轲等［53］获得了一个与梨矮化型突变基因pcDw连锁距离为9.3 cm的SSR标记KA14210，由此将该基因定位到了梨品种Barlett遗传图谱的第16连锁群上。通过SSR标记，石丽雪［54］把舞美 (Maypole)苹果的矮化基因——Md基因定位在苹果 L12染色体上。距离Md基因最近的标记的遗传距离为1.59 cm。毕晓颖等［55］运用 RAPD技术，采用集群分析法，获得了与苹果抗寒矮化种质资源扎矮76〔Malus baccata(L.)Borkh.〕显性矮生主基因Dw连锁的分子标记，其连锁距离为0.69 cm。

矮生突变体是研究植物矮化的优良试材，研究者们已经从拟南芥、豌豆等植物的矮生突变体上获得了许多与矮化性状相关的基因，同时通过PCR扩增克隆技术又可以根据已知的矮化基因序列来克隆其它植物的与矮化相关的基因序列，因此，在许多作物上都已经克隆到了一些与矮化相关的基因，但果树上的研究还较少。这些已知的矮化基因多数为影响GA合成与信号转导的相关酶基因及其转录因子，由于基因突变而导致相关酶的功能缺失，使植物的GA合成减少或使植物对活性GA不敏感，进而使植株矮化。沙广利［47］从湖北海棠中克隆了与赤霉素信号转导相关的基因Mh GAI1和MhGAI2，序列对比发现矮生突变体C2的MhGAI2基因发生了缺失突变，导致该基因编码的蛋白质缺失47个氨基酸，这个结果为解释突变体的表型变化提供了分子水平的证据。田义轲［56］利用氨基酸保守区域的简并引物克隆了苹果GA合成途径中较早的贝壳杉烯氧化酶基因，并研究了该基因在苹果上表达，结果表明柱型苹果在GAs合成过程中，由贝壳杉烯到GA12-醛转变这一步骤中，贝壳杉烯氧化酶基因的少量表达可能导致GA12-醛合成量减少，进而可能引起GAs合成量的减少，其结果可能是导致树型柱型化的一个原因。石琰景［57］研究了贝壳杉烯氧化酶的表达活性，结果表明碧桃和普通桃在植株高度上有着显著的差异，但两者的贝壳杉烯氧化酶的表达活性并没有显著的差异，说明两者在赤霉素合成的上游部分并没有很大的差异。他认为碧桃的矮化可能由于其GA合成在下游部分利用的合成途径与普通桃不同，因而引起其GA的种类和比例与普通桃不同而引起的。其研究结果还表明M26矮化砧木中贝壳杉烯氧化酶的合成能力比其它类型的苹果都低，而且它还引起了接穗赤霉素合成的减少，故在砧木与接穗的相互关系中，影响赤霉素合成也是砧木引起矮化的作用方式之一。

2 前景与展望

实践证明，果树矮化密植栽培不仅提高了果实品质，还具有早结果、早丰产，栽培管理简便等优点，因此是今后果树发展方向。但目前应用的矮化砧木和矮化品种较少，因此，选育和开发利用抗性强、繁殖容易、矮化性好的砧木和优良矮化品种是目前亟待解决的问题，尤其是苹果、梨等大宗果树更是势在必行。矮化机理的研究不仅为矮化育种提供理论依据，更重要的是可以加快矮化砧木和品种的选育进程，加快果树产业发展。目前矮化机理的研究已经从解剖生理研究逐渐转向分子机理研究，通过总结前人的经验，作者认为果树的矮化无论是由于自身组织结构的差异还是体内合成物质的不同，归根到底都是基因调节的结果，因此直接从基因角度研究矮化机理是最直接的方式。通过基因标记的方式寻找矮化基因是其中的一个途径，但进展较慢;果树的生长受激素的调节，研究与生长相关的激素如赤霉素、生长素、油菜素内酯等的生物合成及信号转导过程，以及寻找这些过程中的调控因子可能是获得矮化基因最为直接和快捷的方法，这在其它作物上已经取得了很大进展，可以在果树上加以借鉴和应用。不同树种或同一树种不同类型的矮化资源的致矮机理可能是不同的，因此，关于果树矮化机理还需要做更广泛和更深入的研究。

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