切花月季生理病害及相关性状分子研究进展

石力匀，王 政，李明霞，何松林

(1.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002; 2.河南科技学院，河南 新乡 453003)

月季是蔷薇科蔷薇属的半常绿木本植物，因其丰富饱满的花型、缤纷绚烂的色泽、浓郁甜蜜的香气深受人们的喜爱，是世界四大切花之一，具有极高的经济价值[1]。月季为日中性植物(Day-neutral plant)，受自身发育状态的控制，在适宜的温度下可四季开花[2]。切花月季的花期可通过光度和温度进行调控[3]，其品质取决于月季的花型、花色和花香等[4]。然而，不适宜的生长环境会引起月季植株发育异常，导致花朵畸形，引发切花月季的生理性病害[5]，严重影响其观赏品质及商品价值。

在众多国内外研究成果的基础上，梳理了切花月季几种常见的生理性病害及其产生的原因，结合花器官发育的分子基础[6-7]，探析花器官特性基因在生理性病害形成中的作用机制，以期为进一步减少切花月季生理性病害及提高其生产和观赏品质提供理论依据。

1 切花月季的生理病害

1.1 变叶病

月季变叶病最早是1790年德国著名文学家、自然科学家Goethe发现并报道的，他认为花器官(萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊)是等同并可以相互转换的，并提出了“花是适应于繁殖功能的变态枝条”的假说[8]。

切花月季的变叶病依照现象可分为2个类型：花瓣、萼片、雄蕊、雌蕊等花器官全部被含有叶绿素和气孔的类似叶片的结构所替代的“花变叶”及花瓣正常，但雄蕊、雌蕊缺失，取而代之的是长有叶片和花朵的小枝[9]。按照症状的持续性可以分为稳定表现型和不稳定表现型。稳定表现型如中国古老月季品种绿萼(R.chinensisViridiflora)是变叶病的稳定突变体，这类变叶病的症状不受环境条件的影响，并且可以通过无性繁殖的方法保持。不稳定表现型则是由不适宜的栽培条件如温度、水分或者病虫害引起的，如切花月季Motrea[10]。不稳定表现型的变叶病多发生在接近根部的枝条上，相较于嫁接的植株，扦插的植株更容易出现这种现象[11]。Chmelnitsky 等对切花月季Motrea花芽分化进程进行了解剖学研究，发现Motrea在花芽发育到直径3.0～4.5 mm的第3阶段(雌蕊开始分化)开始出现畸形[12]。

高温是引起变叶病的重要原因之一[8,13]，研究显示，在26 ℃/21 ℃(昼/夜)的高温环境下，切花月季变叶病的发生率较21 ℃/15 ℃(昼/夜)环境高出4倍。高温引发了植株体内细胞分裂素(Cytokinin)的分布不均，高温下生长的植株体内细胞分裂素含量与低温环境相比减少了83%。与正常植株相比，表现变叶病植株的雌蕊中细胞分裂素含量降低了87.5%[11]。而经外源赤霉素(Gibberellin)处理后，变叶病的现象得到了抑制[13]。

植原体病害通过影响植物激素的平衡引发切花月季的变叶病，主要依靠叶蝉和飞虱等从韧皮部取食的刺吸式昆虫及植物营养繁殖材料传播，也可通过人工嫁接等方式传播[14]。

切花月季变叶病的分子机制研究显示，变叶病的形成是由于“ABCDE模型”中的基因突变或表达受到干扰，导致相应的植物激素表达异常而引起。2003年以色列科学家Chmelnitsky等[15]发现，月季RAG是AGAMOUS的同源基因，在正常的月季植株RosachinensisRagged Robin和RosahybridMotrea花芽分化的各个阶段均有显著的表达，而在切花月季变叶病的不稳定表现型Motrea和稳定表现型绿萼的花芽分化早期均不表达。RAG的异常表达有可能引起了变叶病的表型。Yan等[16]进一步揭示了变叶病的稳定表现型绿萼形成的分子机制，认为在花器官的第2轮(花瓣)中，花瓣的缺失是由于B功能基因RcPI、RcAP3和E功能基因RcSEP3的下调，而RcSOC1的上调被认为是花瓣叶结构化的原因。在第3轮和第4轮(雄蕊和雌蕊)中，A功能基因RcAP2的异位表达和E功能基因RcSEP3的下调以及B功能基因RcPI、RcAP3在雄蕊中的下调，C功能基因RcAG在雌蕊中的下调，导致了雄蕊和雌蕊的缺失以及其向叶结构的转化。MIKCC是保守的转录因子家族，参与调控植物的开花时间和花器官发育。最新的研究显示，在心皮分化阶段，花变叶的稳定表现型绿萼中RcFUL2、RcFUL3和RcFUL5的表达量显著高于月月粉(RosachinensisOld Blush)。绿萼中RcAP3.3在萼片分化阶段没有表达，同时原本在心皮分化时期表达的RcAP1.1、RcAP1.2在雄蕊及萼片分化期才有所表达；RcAP3.2、RcAP3.4、RcPI3和RcPI5在心皮分化阶段没有表达[17]。然而，月季花变叶不稳定表现型的形成机制以及与稳定表现型的差异原因目前尚未明晰，有待进一步研究。

1.2 牛头蕾和双心花

牛头蕾也叫平头花，指切花月季花无法正常开花、花瓣变短，内外部花瓣长度相近，形成平头状[18]。牛头蕾与正常花相比，花的直径变大，花瓣或类似花瓣结构的器官数量变多，花瓣从外向内逐渐变小，出现花瓣与雌雄蕊的过渡形态，形成花瓣与雌雄蕊相间而生或花丝瓣化的现象。雌雄蕊的数量由外向内逐渐减少或者退化，花苞的高宽比变小[19]。有研究认为，双心花是牛头蕾的一种表型[20]，除了花瓣增多及雌雄蕊数量减少之外，在一朵花中形成2个或2个以上的花心，里层的花瓣比正常花的花瓣小且碎[21]。

出现牛头蕾或双心花与温度有密切的关系。研究显示，低温是导致切花月季过度重瓣化从而形成牛头蕾或双心花的主要原因[22]。Halevy等[23]研究显示，在植株生长发育的早期，低温环境(5 ℃)下生长的月季出现牛头蕾的比率远远高于对照组(18 ℃)，而生长发育的晚期月季对低温的敏感度降低。低温环境下，与正常花相比牛头蕾中的赤霉素活性明显降低，而细胞分裂素的活性升高。在此条件下，增施外源赤霉素后牛头蕾的现象得到了有效地抑制，细胞的长度和宽度较不经赤霉素处理的畸形花相比显著增长，并恢复到正常的长度。而经过细胞分裂素处理后的植株没有受到明显的影响，但赤霉素+6-苄基氨基嘌呤的处理则会抵消赤霉素对牛头蕾的抑制作用[24]。在正常温度25 ℃/15 ℃ (昼/夜)条件下生长的月季，双心花出现的比例为2%，而在低温15 ℃/5 ℃ (昼/夜)条件下，双心花的比例上升至88%。通过显微镜观察，低温环境下月季雄蕊和雌蕊原基的分化进程被推迟，相较于正常花，双心花在多发育了4片花瓣原基后雄蕊原基才开始分化。花芽直径较正常温度下显著增大，同时整个花芽分化的持续时间延长[25]。

通过基因时空表达分析，双心花的过度重瓣化由切花月季中C功能基因RhAG的异常表达所引起[26]。拟南芥中AG是调控雄蕊与心皮发育的转录因子，影响雄蕊与花瓣的分化[27]。RhAG在月季雄蕊和雌蕊分化期表达水平相对较高，在低温条件下，RhAG的表达水平明显降低。但无论在低温还是在正常温度下，RhAG在花萼和花瓣分化期都没有表达[20]。最近的研究显示，F-box蛋白、APETALA2/TOE、gyplp超家族蛋白的Ypt/Rab-GAP结构域及四肽类重复超家族蛋白这4个蛋白编码基因的异常表达可使雄蕊转换为花瓣，与月季的重瓣性相关，但其在双心花及牛头蕾中的作用机制需要进一步验证[28]。花器官的发育是一个复杂的过程，重瓣化的基因调控网络需要进一步研究，产生双心花的分子机制也尚不明晰。同时，影响牛头蕾与双心花形成的基因是否一致也需要进一步验证。

1.3 弯梗现象

弯梗也是月季畸形发育的现象之一，不同于月季采后因水分胁迫引起的弯颈。在植株生长过程中，子房下方的花梗朝一方弯曲，形成 5°～90°的夹角，导致花器官无法正常开放，形成弯梗[29-30]。根据Cook 定义的萼片顺序[31]，1号萼片发生叶变(Phylloid)现象，并且相较于其他4片萼片下移 0～3 cm，引发了其他4片萼片及花器官的错位表达。正常植株的1、2号萼片两边皆有羽状裂片，3号萼片仅一边有羽状裂片，4、5号萼片两边光滑。而发生“弯梗现象”植株的2、3 号萼片两边、4 号萼片的一边出现了羽状裂片，同时，原本1 号萼片出现的位置被半瓣半萼或者花瓣状的器官替代。花梗弯曲的部分伴随着扁平化(Fasciation)现象，严重影响了花器官的发育[29,32]。

弯梗现象常见于 6—8 月的高温环境条件下[33]，多发于长势健壮的年轻枝条[30]。萼片分化前期，高温环境中切花月季Beast出现的弯梗率是正常温度下的3倍左右；当花芽分化完成后，高温对弯梗的影响有所下降[34]。

高温条件下，切花月季中生长素(IAA)含量的增加是引发弯梗现象的重要原因之一。在月季生长1、2阶段，如果向正常植株的梗部注射IAA，出现跟畸形花类似的弯折现象，花梗会朝与注射侧相反的方向弯折，然而这种现象是临时性的，70%的弯折梗会在随后的几日恢复正常。虽然在不同的生长阶段注射 IAA 都会引起这种临时的弯折现象，但是切花月季不同的生长阶段表现出不同程度的恢复。在第1阶段，80%的弯折在注射 IAA 后的7 d恢复正常，但是在生长发育的后期，这一数据降低至 40%[29]。Jihyeon等[33-35]研究表明，正常花中的IAA含量在花芽分化前期较高，随着植株的发育，IAA含量逐渐降低，而弯梗植株中IAA的含量始终维持在较高的水平。切花月季花芽分化前期，如果将叶变的萼片摘除，部分品种弯曲的花梗会恢复到正常状态。相较于正常枝条，发生弯梗现象的枝条在折枝压枝后再次形成弯梗畸形的概率更高[29]。

目前，国内外对弯梗现象的研究仅限于外部形态分析和环境因子对弯梗现象的影响，内部植物激素和分子机制的影响方面尚未有深入、系统的研究。弯梗现象中1号萼片叶变和其他萼片组的错位表达表明，这种畸形现象或许和 A、B功能基因表达异常有关，但需要进一步的验证。

2 月季花器官发育的分子基础

为了解释各类花器官的发育，Coen等[36]于1991年首次提出“ABC模型”，随着研究的深入和大量花器官特征基因的发现和补充，“ABCDE模型”成为目前广为接受的花器官发育模型[37]。花器官的正常发育和形成是由A、B、C、D、E 5组基因共同作用完成的，这5组基因中1组或者2组的正常表达决定了每一轮花器官的特征。A组基因控制萼片和花瓣的发育，B组基因控制萼片及雄蕊的发育，C组基因控制雄蕊、心皮和胚珠的发育(在月季中只控制雄蕊和心皮的发育)，D组基因控制胚珠和心皮的发育，E组基因则参与了全部5轮花器官的发育。如果基因发生突变或异常表达，则花器官的形态将出现异常[38-42]。

A组功能基因中，RoAP1a在花器官分生组织中表达，RoAP1b则在花器官分生组织及花芽中表达[43]。2011年，Mibus等[44]在切花月季中分离出RhAP1-1、RhAP1-2和RhFUL3个A组功能基因，RhAP1-1和RhAP1-2控制萼片及花瓣的发育，而RhFUL仅在萼片内表达。在B组功能基因的研究中，Kitahara等[45]和Hibino等[46]学者分别分离出3类B功能同源基因：PI的同源基因MASAKOBP在花瓣和雄蕊中表达；TM6的进化系MASAKOB3在花瓣和雄蕊中表达；euAP3的进化系AP3、MASAKOeuB3、MASAKOeuB3在花发育的第1、2、3、4轮均有表达，AP3仅在花瓣和雄蕊中表达。MASAKOBP、MASAKOB3和MASAKOeuB3控制着花瓣和雄蕊的分化，这3个基因的异常表达会导致拟南芥花器官发育的错位[47]。C组功能基因MASAKOC1和MASAKOD1是野蔷薇中AGAMOUS的同源基因[48]，在雄蕊和心皮中均有表达，如果表达异常，会引起拟南芥花萼向心皮、花瓣向雄蕊的转变[49]。RhAG是月季中MASAKOC1的同源基因，在RosachinensisRagged Robin和RosahybridaMotrea花芽分化的各个阶段均有明显的表达[44]。“ABCED模型”中的A组和C组基因相互抑制，月季中C功能基因RhAG的异常表达会使A功能基因RhAP1-1、RhAP1-2和RhFUL在雄蕊和心皮中大量表达，花叶病及过度重瓣都与其有关。月季的D功能同源基因为SEEDSTICK(STK)和SHATTERPROOF(SHP)，其中SHP1在雄蕊中表达。SHP基因可能具有一些C功能基因的功能[50]，C组基因MASAKOC1和MASAKOD1也具备一些D组基因的功能，因此，月季的雄蕊、心皮和胚珠的形成是C组、D组基因共同作用的结果[49,51]。E组功能基因MASAKOS1和S3是拟南芥SEP1/2和3的同源基因。MASAKOS3的超表达引发了变叶病稳定表现型绿萼花瓣的消失，RcSEP3的异常表达引发了变叶病中雄蕊和雌蕊的缺失[16,51-52]。

3 小结

月季的成花是一个复杂的多层次、多元化反应过程。切花月季花型的正常发育决定了其观赏品质及商业价值。不适宜的栽培环境会导致月季植株内源激素的不平衡；同时，ABCED组花器官发育基因的异常表达引发了花器官的错位，形成了各类畸形花，成为月季生产中亟待解决的问题。探析切花月季生理性病害的诱发条件及畸形花形成的分子机制，对生产高品质的月季切花产品有重要的理论和实践意义，同时为月季花器官发育研究提供更多信息。