牛角蕉和桂蕉6号内源激素及主要酶系调控花柱脱落的作用机理

李小泉 韦莉萍 韦绍龙 韦弟 覃柳燕 李朝生 黄素梅 田丹丹 张进忠 周维 龙盛风 杨柳

摘要：【目的】揭示香蕉（桂蕉6号）花柱脱落机制，为采用诱导因子调控香蕉花柱脱落酶系统活性及基因表达提供理论依据。【方法】以大蕉品种牛角蕉和香蕉品种桂蕉6号为研究对象，根据果指上花柱的枯萎程度分5个阶段（Stage 1～ Stage 5）进行取样，探讨分析蕉类花柱近端、离区及远端的内源激素[生长素（IAA）、脱落酸（ABA）、萘乙酸（NAA）和细胞分裂素（KT）]及脱落相关酶（果胶酶、纤维素酶、半乳糖醛酸酶）的变化趋势。【结果】在花柱脱落的过程中，牛角蕉花柱不同部位的IAA和NAA含量变化明显，花柱近端IAA含量随花柱脱落整体上呈逐渐增加趋势，至花柱完全脱落时（Stage 5）其含量达24.69 ?g/gFW；离区IAA含量在脱落过程中呈先增后降的变化趋势，至Stage 5其含量最低（4.73 ?g/gFW）。桂蕉6号花柱离区IAA含量整体上随花柱的枯萎不断升高；NAA和ABA的含量变化趋势则呈M形，在Stage 2和Stage 4均有一个增长高峰；KT在不同部位的变化幅度相对较小。从近端IAA/远端IAA的比值分析来看，牛角蕉近端IAA/远端IAA比值均大于1.00，当花柱枯萎进入Stage 3后，其比值急剧上升，在Stage 4即70%花瓣脱落时达2.84，至Stage 5达6.34；而在桂蕉6号花柱枯萎脱落过程中，近端IAA/远端IAA的比值均小于0.70。此外，在花柱脱落过程中，牛角蕉花柱离区的平均总蛋白含量（66.08 mg/gFW）明显高于桂蕉6号（40.95 mg/gFW）；相关性分析结果表明，牛角蕉和桂蕉6号的花柱脱落与总蛋白含量、果胶酶活性、半乳糖醛酸酶活性、纤维素酶活性均呈正相关。【结论】蕉类花柱离区IAA含量对花柱脱落具有重要影响，离区IAA含量降低，可加速花柱脱落，反之则抑制其脱落；蕉类离区近端IAA/离区远端IAA比值变化符合植物器官脱落的生长素梯度理论。此外，花柱总蛋白含量、果胶酶活性、半乳糖醛酸酶活性、纤维素酶活性蕉类对花柱脱落可能呈正向调节作用。

关键词： 牛角蕉；桂蕉6号；花柱脱落；内源激素；脱落相关酶

中图分类号： S668.101 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）07-1351-07

0 引言

【研究意义】香蕉抹花可避免香蕉干枯花柱碰伤其果实表皮，是香蕉栽培管理过程中提高其外观品质的重要环节，但随着人工劳务费用的不断上涨，香蕉抹花成本也在不断提高（陆丹等，2012）。不同蕉类品种的花柱脱落存在明显基因型差异，如牛角蕉的花柱在成熟过程中可自动脱落，香芽蕉则很难脱落。因此，合理调控香蕉花柱脱落，不仅能降低生产成本，还可减少收获和运输过程中花柄对蕉果造成的机械损伤，提高果品质量，对促进香蕉产业发展具有重要意义。【前人研究进展】几乎所有的植物激素在植物器官脱落过程中均发挥一定作用。乙烯是促进植物器官脱落的主要激素（Uheda and Nakamura，2000；常娟娟等，2018），如在拟南芥的花器官脱落过程中可能存在乙烯依赖性和乙烯独立性两种途径，但也有部分植物如柑橘的果柄并不受乙烯诱导而发生脱落（Pattison and Catalá，2012；Frankowski et al.，2017）。一般认为，生长激素对于植物器官脱落具有抑制作用，其控制离区细胞在适当时间对乙烯产生应答（Roberts and Gonzalez-Carranza，2007）。脱落酸（Abscisic acid，ABA）对某些植物的叶片和花器官具有诱导作用，但早期的研究结果证实其并非直接作用，而是通过乙烯实现脱落过程；随后又有研究表明ABA在种子及花器官脱落中可扮演更直接的角色（Aneja et al.，1999；Wilmowicz et al.，2016）。由此可见，植物器官发生脱落是多种激素间平衡或协同作用的结果，受植物自身遗传因素与外界环境因素的双重控制（Taylor and Whitelaw，2010）。在植物器官脱落过程中起直接作用的是一些关键酶，目前已证实与脱落相关的酶类主要有纤维素酶（Cellulase，EG）、多聚半乳糖醛酸酶（Polygalac-turonase，PG）及果胶（甲）酯酶（Pectinmethylesterase，PME）。此外，过氧化物酶（Peroxidase，POD）、苯丙氨酸解氨酶（Phenylalanine ammonialyase，PAL）、几丁质酶（Chitinase）等与植物器官脱落也存在一定关联（王权帅等，2009；齐明芳等，2010；Patharkar and Walker，2015）。【本研究切入点】对不同基因型蕉类花柱脱落机理进行研究，可为合理调控香蕉花柱脱落及降低生产成本提供重要的技术参考，但至今有关香蕉花柱器官脱落机理的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以花柱易脱落的牛角蕉为对照，探讨分析桂蕉6号花柱脱落过程中的内源激素及与器官脱落主要相关酶类（纤维素酶、果胶酶、多聚半乳糖醛酸酶）活性的变化趋势，揭示其花柱脱落机制，为采用诱导因子调控香蕉花柱脱落酶系统活性及基因表达提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

试验所选用的蕉类为大蕉品种牛角蕉（Musa. ABB Group Niujiaojiao）和香蕉品种桂蕉6號（Musa. AAA Cavendish，Willianms）。大蕉和香蕉的花柱脱落特性具有明显基因型差异：大蕉从抛蕾后到第一把果指花柱脱落只需7～10 d，之后每把果指花柱依次脱落，完全脱落需15 d左右；香蕉花柱在抛蕾后不会自动脱落、均附着于果指顶端，需人工抹除。

1. 2 取样方法

试验地点位于广西武鸣里建镇。根据果指上花柱的枯萎程度分为5个取样阶段（Stage 1～Stage 5），其中，牛角蕉分为花形完整期（Stage 1）、最外层花瓣脱落期（Stage 2）、花开始枯萎期（Stage 3）、花全枯萎期（Stage 4）和花完全凋落期（Stage 5）；桂蕉6号分为花形完整期（Stage 1）、外层花瓣发黄期（Stage 2）、花开始枯萎期（Stage 3）、外层花瓣枯萎脱落（Stage 4）和外层花瓣脱落且花柱干枯期（Stage 5）。取样部位则分为：离区（花柱与果指接合的部位，长约0.5 cm）、近端（花柱靠近离区部位，长约0.5 cm）和远端（果指靠近离区部位，长约0.5 cm）。

1. 3 测定指标及方法

在不同时期采集不同部位的样品用于测定其内源激素[生长素（IAA）、ABA、萘乙酸（NAA）和细胞分裂素（KT）]含量、主要酶类（果胶酶、纤维素酶、半乳糖醛酸酶）活性及总蛋白含量。其中，内源激素含量参照张莉（2016）的方法进行测定；果胶酶、纤维素酶、半乳糖醛酸酶活性和总蛋白含量的测定均采用微量法，具体操作参照苏州科铭生物技术有限公司生产试剂盒说明书。

1. 4 统计分析

试验数据采用SPSS 19.0的Duncans新复极差法进行多因素方差分析，以Excel 2010进行制图。

2 结果与分析

2. 1 蕉果不同部位主要内源激素含量的变化趋势

牛角蕉的KT和ABA含量在不同部位均处于相对稳定的范围内（0～5.00 ?g/gFW），枯萎或脱落前后的含量变化也不明显；但IAA和NAA含量在花柱脱落过程中的变化明显（图1）。牛角蕉近端的IAA含量随花柱脱落整体上呈逐渐增加趋势，至Stage 5其含量达24.69 ?g/gFW（圖1-A）；而远端的IAA含量在花柱脱落过程中呈先增后减的变化趋势，以Stage 2的含量最高（20.57 ?g/gFW）（图1-E）；离区的IAA含量在脱落过程中呈先增后降趋势，于Stage 3达最高值（20.57 ?g/gFW），至Stage 5其含量最低（4.73 ?g/gFW）（图1-C）。牛角蕉近端的NAA含量较低且变化不明显；离区的NAA含量波动较大，呈升高—降低—升高的变化趋势，在Stage 2达最高值（16.19 ?g/gFW）；远端的NAA含量总体上随花柱的脱落呈逐渐降低趋势，在Stage 2达最高值（18.55 ?g/gFW）。

桂蕉6号花柱枯萎过程中，不同部位不同时期各内源激素水平变化明显。随花柱的枯萎，离区IAA含量整体上呈不断升高趋势，NAA和ABA的含量变化趋势则呈M形，在Stage 2和Stage 4均有一个增长高峰（图1-D）。远端的IAA含量一直保持较高水平，均超过（10.00 ?g/gFW），但随花柱的枯萎不断下降；远端的NAA含量在Stage 1较高（10.00 ?g/gFW），随后迅速下降，并维持在低于5.0 ?g/gFW的水平直至Stage 5（图1-F）。在桂蕉6号花柱枯萎过程中，KT在不同部位的变化幅度相对较小。

在牛角蕉和桂蕉6号花柱的枯萎脱落过程中，内源激素变化趋势差异最明显的部位是远端和近端，尤其是IAA和NAA含量的变化截然相反。据此推测，桂蕉6号离区两端的IAA和NAA含量是影响其花柱脱落的重要因素。从图2可看出，牛角蕉近端IAA/远端IAA的比值始终大于1.00，在Stage 2以前（花形尚保持完全）的比值较低，维持在1.00～2.00，说明此时牛角蕉花柱已进入脱落状态，只是还附着在果实顶部尚未完全脱落；当花柱开始枯萎进入Stage 3后比值急剧上升，Stage 4的比值达2.84，当完全脱落时达6.34（图2-A）。而在桂蕉6号花柱枯萎脱落过程中，近端IAA/远端IAA的比值均小于0.70，花柱无脱落现象（图2-B），符合器官脱落的生长素梯度理论。

2. 2 与蕉类花柱脱落相关酶的变化趋势

花柱脱落过程中，牛角蕉离区的平均总蛋白含量（66.08 mg/gFW）明显高于桂蕉6号（40.95 mg/gFW）。牛角蕉花柱的总蛋白含量在其脱落过程中呈急剧下降趋势，至完全脱落时才略有回升（Stage 5，50.60 mg/gFW）；而桂蕉6号花柱的总蛋白含量变化趋势相对较平缓（图3-A）。在牛角蕉花柱脱落过程中，其离区果胶酶活性略低于桂蕉6号，牛角蕉离区果胶酶活性在Stage 2达最高值[（0.84 mg/gFW·h）]，随后开始下降（图3-B）；纤维素酶活性则在Stage 3达最高值[1.13 mg/（gFW·min）]，而后开始下降（图3-C）。桂蕉6号离区的果胶酶活性变化趋势与牛角蕉相近，但纤维素酶活性在Stage 2达最高值[1.30 mg/（gFW·min）]，Stage 3的活性最低[1.14 mg/（gFW·min）]，之后略有提升（图3-C）。牛角蕉离区的半乳糖醛酸酶活性从Stage 1到Stage 2呈急剧下降趋势，至Stage 3时达最低值[0.63 mg/（gFW·h）]，此后开始回升，至Stage 5时达1.46 mg/（gFW·h）；而桂蕉6号离区的半乳糖醛酸酶活性变化相对较平缓，花柱枯萎后其含量无明显变化（图3-D）。

2. 3 蕉类花柱脱落与内源激素及脱落相关酶的相关性

蕉类花柱脱落与其内源激素的相关性分析结果（表1）表明，牛角蕉花柱脱落过程与其近端IAA、近端KT、离区ABA和远端ABA的含量呈负相关，与其近端ABA、近端NAA、离区IAA、离区NAA、离区KT、远端IAA、远端NAA和远端KT的含量呈正相关，其中与近端IAA和离区ABA的含量呈极显著负相关（P<0.01，下同），与近端ABA、近端NAA、离区IAA、离区NAA、远端IAA和远端NAA的含量呈极显著正相关。桂蕉6号花柱枯萎脱落过程与其近端ABA、近端KT、离区IAA、离区NAA、离区KT、远端IAA、远端ABA和远端KT的含量呈负相关，与其近端IAA、近端NAA、离区ABA和远端NAA的含量呈正相关，其中与近端ABA、近端KT、离区IAA和远端NAA的相关性均达极显著水平，与近端IAA和离区KT的相关性达显著水平（P<0.05，下同）。可见，除近端NAA、近端KT、远端ABA和远端NAA外，桂蕉6号与牛角蕉在花柱脱落过程中与不同部位内源激素的相关性基本相反。

蕉类花柱脱落与脱落相关酶的相关性分析结果表明，蕉类花柱脱落与其总蛋白含量、果胶酶活性、半乳糖醛酸酶活性、纤维素酶活性均呈正相关（表2）。其中，牛角蕉花柱脱落与其总蛋白含量呈极显著正相关，与果胶酶活性呈显著正相关；桂蕉6号花柱脱落与其果胶酶活性呈极显著正相关。

3 讨论

植物器官脱落是一个高度协调的过程，对植物的生长和生殖发育至关重要（Roberts and Gonzalez- Carranza，2007；Tranbarger et al.，2017）。Basu等（2013）研究发现，离区的IAA水平对番茄花柄脱落具有重要影响，利用离区特异表达的启动子ProAt2g41850分别启动iaaM基因和iaaL基因，可降低离区IAA含量，加速花器官脱落，反之则抑制其脱落。本研究也发现，花柱易脱落的牛角蕉在花柱完全脱落时离区IAA含量达最低值，而花柱不易脱落的桂蕉6号在花柱枯萎后IAA含量仍保持较高水平，说明离区的IAA含量对蕉类花柱脱落有重要影响。生长素梯度理论也认为，离区两端IAA含量会直接影响植物器官的脱落（van Doom and Stead，1997）。离区中正常的IAA极性运输对阻止器官脱落具有重要意义（Taylor and Whitelaw，2010；史自航等，2018），而IAA极性运输抑制剂能增加苹果果实（Drazeta et al.，2010）和番茄果實（Pattison and Catalá，2012；Meir et al.，2015；Shi et al.，2017）的脱落率。本研究结果表明，牛角蕉离区近端IAA/远端IAA的比值一直保持在大于1.00的水平，远端产生的IAA不断向近端运输，从而使得近端的IAA含量一直保持在较高水平，因此花柱一直处于易脱落状态；而桂蕉6号在整个花柱枯萎脱落过程中其近端IAA/远端IAA的比值均小于0.70，说明远端IAA极性运输受抑制，而导致花器很难脱落，与植物器官脱落的生长素梯度理论相符。

ABA能有效引起某些植物器官脱落，当植物器官细胞内ABA含量降低时能抑制植物器官脱落，反之则促进植物器官脱落（吴清来等，2004；李小玲和华智锐，2017）。本研究中，牛角蕉花柱虽然较桂蕉6号的花柱更易脱落，但ABA在不同部位的含量均低于桂蕉6号；相关性分析结果表明，牛角蕉花柱脱落与其近端ABA含量呈显著正相关，与离区和远端的ABA含量呈显著负相关，而桂蕉6号的表现与牛角蕉相反，可能是由于ABA对植物器官脱落的调控作用除受其自身调控影响外，还受其他植物激素控制。如降低离区中ABA含量或增加IAA含量时，果实的脱落程度降低，说明IAA对ABA的脱落调控机制具有一定拮抗作用（Wilmowicz et al.，2016；Frankowski et al.，2017）。

植物器官脱落过程是包括纤维素酶、多聚半乳糖醛酸酶等多种酶协同作用的结果（王权帅等，2009；齐明芳等，2010）。本研究中，蕉类花柱脱落与脱落相关酶的相关性分析结果表明，蕉类花柱脱落与总蛋白含量、果胶酶活性、半乳糖醛酸酶活性、纤维素酶活性均呈正相关。Tabuchi（2008）通过对番茄果实脱落过程中的果胶（甲）酯酶进行组织化学研究，结果发现果胶（甲）酯酶是通过水解作用改变离区组织的化学结构，诱导并参与了番茄离区细胞壁与细胞膜的降解。此外，Patharkar和Walker（2015）研究发现，在乙烯诱导梨果实脱落过程中离区的多聚半乳糖醛酸酶活性增强。本研究结果表明，牛角蕉花柱离区半乳糖醛酸酶活性从花形完整期至花柱开始枯萎时呈急剧下降趋势，在70%花柱脱落时期达最低值[0.63 mg/（gFW·h）]，而桂蕉6号的半乳糖醛酸酶活性变化相对较平缓，花柱干枯后其含量无明显变化，可能是半乳糖醛酸酶活性仅限于离区组织的远轴端，其活性升高与离区脱落进程强度的降低相符，且位于细胞发生分离的部位。

4 结论

蕉类花柱离区IAA含量对花柱脱落具有重要影响，离区IAA含量降低，可加速花柱脱落，反之则抑制其脱落；蕉类离区近端IAA/离区远端IAA比值变化符合植物器官脱落的生长素梯度理论。此外，花柱总蛋白含量、果胶酶活性、纤维素酶活性、半乳糖醛酸酶活性对蕉类花柱脱落可能呈正向调节作用。

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（責任编辑 兰宗宝）