果树花粉直感效应形成机理研究进展

杨 芩，刘雅兰，张婷渟，彭 舒，田 鑫

（凯里学院 a.大健康学院；b.蓝莓研究所，贵州 凯里 556000）

早在1868年，Darwin 在他的《变异》一书中就用了6 页的篇幅来描述“雄性元素对母体器官的间接或直接作用”[1]，后来这被称为花粉直感，即不同基因型花粉授粉后，从受精至种子萌发期间，花粉基因型直接影响种子与果实发育及表型特征产生差异，从而具有花粉亲本表型性状的现象，也就是雌雄性细胞的结合，花粉基因型可以直接影响胚和胚乳以外的母体组织——种皮或果皮，使杂交果实、种子的性状、色泽及品质等性状产生差异的现象[2-6]。有关研究结果证明，花粉直感在果树中广泛存在，其不仅影响双受精后形成的胚乳和胚，使种子的形状、大小等[7-11]产生差异，也可以影响果实的成熟期[12]、形状[13]、大小[14-15]、果皮色泽[16-17]、风味[18-19]及内在物质含量等[20-23]。因此，关于花粉直感现象的研究对以果实或种子为主要收获对象的果树生产有着重要意义，可为生产上授粉品种的配置、产量的增加、内外品质的改善等提供理论依据；同时在果树遗传学、生理学和育种学上均有重要的理论价值[1,3,6]。 当前，许多果树种植者和园艺家都已认识到花粉直感的实践重要性与理论价值，但当前他们对花粉直感的研究主要集中于现象观察阶段，而关于花粉直感效应形成机理的研究十分缺乏，对其机理仍知之甚少，利用程度也远远不够。为此，本研究以花粉直感效应形成的生命过程为线索，从花粉直感效应与内源激素、关键物质合成酶和花粉miRNAs 转移等方面，梳理了果树花粉直感效应的形成机理，在此基础上开展综合分析与讨论，提出了以花粉直感效应形成的生命过程为线索从分子水平研究花粉直感效应形成机理的研究思路，并对今后的研究方向进行了展望，以期为进一步深入开展花粉直感效应形成机理的研究及在生产中更高效、广泛地利用花粉直感效应调控果树产量及品质提供参考依据。

1 花粉直感效应与内源激素的关系

有关研究者在对‘京白梨’[24]、‘沙田柚’[25]和刺梨[26]自花与异花授粉后果实发育过程中内源激素变化规律的研究中认为，种子作为激素合成的主要部位受花粉的遗传信息调节，这些激素可以运输至果肉或调节果肉中激素含量的变化，进而引起花粉直感现象的产生。例如，‘沙田柚’异花授粉果实的重量和体积均高于自花授粉，与未授粉处理的子房相比，授粉处理能够使子房的内源激素GA1+3、CTKs 、ABA 和IAA 水平均急剧上升，授粉后子房迅速膨大，且异花授粉处理效果 更加明显；更值得关注的是，果实生长发育初期，异花授粉的幼果中促进类内源激素的含量高于自花授粉的，其中ABA 水平明显低于自花授粉的；果实迅速增长期间，内源激素GA1+3和IAA 有两个明显的高峰期，说明GA1+3和IAA 含量与果实迅速膨大均有密切关系[25]。潘海发等人[27]的研究结果表明，用单果较大的‘圆黄’对‘砀山酥梨’授粉，在授粉后15 d 的果实细胞分裂旺盛时期，其果肉中IAA、ZR 的含量均高于用单果较小的‘鸭梨’授粉的果肉中IAA、ZR 的含量，果实细胞生长、分裂加剧，细胞基数增大，为果实增大打下了基础，因此，其花粉直感现象与果肉、种子含有的激素水平均有关。杜研等[28]研究认为，不同授粉方式引起苹果幼果果肉中IAA、GA3、ZT 的含量差异明显，进而使果肉细胞伸长和分裂均受到明显的影响，最终导致果实性状差异的产生。徐臣善[29]研究发现，不同的授粉品种通过影响苹果果实发育后期的内源激素水平，使果实生长期延长，保持相对较高的净生长速率，调控果实的生长，提高果实单果质量，表现出花粉直感效应。由此可见，不同基因型花粉授粉受精后，在果实生长发育过程中，激素水平差异较大，从而导致果实外观品质和内在品质产生差异，表现出花粉直感效应。

2 花粉直感效应与关键物质合成酶的关系

有少数研究者从酶活性差异的角度研究了花粉直感效应的形成机理。不同基因型花粉授粉受精后，果实生长发育过程中各类酶活性存在差异，导致了果实中糖酸积累代谢水平的差异，最终导致了果实风味的差异。有关研究结果表明，用‘脆梨’和‘雪花梨’的花粉给‘鸭梨’授粉，‘雪花梨’授粉的幼果中过氧化物酶的活性低于‘脆梨’授粉的幼果，这表明前者代谢功能强于后者，这可能是‘脆梨’授粉的幼果小的原因所在，并且不同品种授粉组合间果实中的过氧化物酶同工酶酶谱存在明显的差异[3]。采用选育的海棠优系授粉树授粉后的苹果果实中的ASA 含量和抗氧化酶活性等均有不同程度的提高，并且能够增糖降酸，改善果实口感[30]。夏国海等[31]研究认为，IAA 和ABA 可能通过增强已糖异构酶的活性，加速了果糖向葡萄糖的转化，而GA 却对该过程有抑制作用，使果糖含量明显增加。戚行江等[32]的研究结果表明，在以‘东魁’为母本的授粉组合中，‘东魁’×黄岩的蔗糖合成酶（SS）活性最高，而在以‘荸荠种’为母本的授粉组合中，‘荸荠种’×黄岩的SS 活性最高，因此，这两个组合的蔗糖含量大于其他授粉组合的蔗糖含量。

3 花粉直感效应与花粉miRNAs 转移的关系

新世纪以来，许多分子生物学和细胞生物学的研究成果都表明，MicroRNAs（miRNAs）小分子能够在动物和植物的不同细胞及有机体间相互转移运输[1]，其为真核生物基因转录后的关键调控因子，具有高度的特异性，并参与调控一系列生物过程[30-31,33]，且能引起发育组织的表型变化[16,34]。 大量研究结果都表明，小RNA 在植物中普遍存 在[35]；Kudo 和Harada[36]亦发现，从西红柿砧木中转移至马铃薯叶片中的RNA，可以改变马铃薯的叶片形态。更有趣的是，这种miRNA 不仅在哺乳动物的精子中被发现，而且在植物的雄配子中亦被发现[1]。例如，Engel 等[37]发现，玉米属植物精子中具有复杂的miRNA 分子，这种小分子能够在细胞微环境中被释放和传递，其信号传递比激素更有效[34]，且可以调控园艺植物的果实发育、果实大小、果实着色和果实成熟期[35]，以及以剂量方式调控花粉的育性和受精能力[38]，由此推测，来自花粉的mRNA 可能通过胞间质传递至非双受精的母体组织中并得以表达进而可能表现出花粉直感效应[1,34]。

4 综合分析与讨论

花粉携带的父本信息是通过何种途径在果实生长发育过程中进行转录表达的，以调控花粉直感效应的呈现，这是研究花粉直感效应形成机理的核心问题。从前人研究发现的花粉直感效应类型及产生的机理来看，内源激素是形成花粉直感效应的一类关键物质，其在果实发育过程中的差异是表现出花粉直感效应的重要原因之一，但在不同类型花粉直感效应的形成过程中，引起内源激素差异的路径及扮演的角色可能存在差异。种子由胚、胚乳和种皮组成，其物质的组成主要由胚和胚乳决定，由于双受精，故胚和胚乳受到父本和母本基因型的共同影响[39]。因此，种子中的蛋白质、可溶性糖、淀粉及维生素等营养物质发生变异的种子直感效应[40-41]，可能归因于不同父本授粉后通过受精极核将父本信息在胚乳中进行表达，进而形成这一类型的直感效应，或可能归因于受精卵发育成胚的过程中释放激素的差异所致，或两者兼而有之。然而，果实直感则更为复杂，除种子外，果实还包括果肉和果皮等部分，且目前关于果实花粉直感效应的研究被关注更多的方面则是由花托和子房壁等非双受精母体组织发育而成的食用部分，其表现出的直感效应除了可能归因于种子直感效应外，亦可能归因于花粉mRNA 在花粉管生长过程中通过转移进入非双受精的母体组织，并以剂量方式调控果实发育过程中激素水平的差异，进而引起各表型特征形成关键酶的差异，以调控花粉直感效应的表达。

5 研究展望

目前花粉直感效应形成的机理已引起国内外学者的重视和关注，但对其产生的生理机理和分子机制的研究报道仍甚少，关于花粉直感效应产生的机制，特别是花粉直感怎样通过生理机理和分子机制调控直感效应的形成，至今仍未有明确的解释。前人关于果树花粉直感效应及产生机理的研究虽然为果树花粉直感效应形成的分子机制研究提供了良好思路，但前人在研究具体的花粉直感效应形成的过程中，主要关注人类食用的果实部位，对于板栗和山核桃等果树的相关研究，更多的是关注经双受精发育获得的种子部分，而对于梨和苹果等果树的相关研究，关注更多的是非双受精母体组织发育的果肉部分，却未能依据果实各器官的来源组织是否在双受精过程中融入父本信息进行比较分析，这使得花粉直感效应形成的原因一直扑朔迷离。因此，笔者认为，开展果树花粉直感效应及其形成机理的研究，应以直感效应产生的部位是否来源于双受精母体组织为基础和依据而开展，在前人将花粉直感效应分为种子直感和果实直感的基础上，进一步将其分为双受精直感、非双受精直感和兼容直感。

另外，花粉是产生花粉直感的根源，其功能是产生精子并运载使之进入胚囊实现双受精，在这一过程中，由于不同花粉的活力、内源激素与多胺，不同品种授粉亲和性及花柱中内源多胺、激素含量，以及不同亲和程度引起的种子数、幼果果肉中内源激素的差异，或者这一过程中来自不同基因型花粉的遗传信息转移和表达的差异都可能导致花粉直感效应。由此可见，花粉直感效应的形成是一个极其复杂的过程，因此，笔者认为，研究花粉直感效应的形成机理，应以其形成的生命过程为线索开展双向追踪式研究，以及进行授粉前、授粉至受精和受精至果实发育成熟的阶段化和系统化的思考与设计。正向研究方面，首先选取花粉直感现象明显、亲缘关系近、遗传杂合度低的两个品种作为研究材料，授粉前分别收集花粉进行转录组测序，弄清两个亲本花粉之间的差异SNP、indel 标记基因和miRNAs；同时，分别对影响花粉活力、花粉管生长和授粉亲和性的内源激素和多胺等物质进行定量分析。授粉至受精阶段，分别测定分析授粉前后花柱和子房中内源激素和多胺的差异；利用转录组测序技术弄清各授粉处理组合花柱和子房授粉前后的差异SNP、indel 标记基因和miRNAs，以及检测双受精组织和非双受精组织miRNAs 的转运情况。受精至果实成熟阶段，跟踪调查和分析果实发育进程，以明确花粉管直感效应形成的关键时期，采用石蜡切片技术，弄清不同授粉组合胚胎发育进程的差异和发育关键时期，在此基础上，采用转录组测序技术弄清不同授粉组合间各关键时期的差异SNP、indel 标记基因和miRNAs。

此外，也可逆向思维，在明确花粉直感效应的基础上，首先开展花粉直感效应形成进程的跟踪调查和分析，明确花粉直感效应形成的关键时期，针对每一种花粉直感效应表型参数，以其代谢合成途径为线索，采用代谢组学和转录组学研究技术开展因果关系的反向追因研究，重点关注合成途径的关键酶活性和调控基因表达差异。最后开展正反双向研究结果关联分析，以明确父本的相关信息是在授粉、受精或果实发育过程中的哪一个时期、通过什么方式进入母本组织的，是未通过双受精组织直接进入母本组织呈现花粉直感效应，还是通过双受精组织间接影响，或以小RNA 形式进入母体非双受精组织，或兼而有之，进而明确花粉直感效应形成的差异基因功能富集和通路与调控网络模块及分子机制。