番茄果实发育的激素调节

高　原

[摘要]果实发育是一个复杂的同时也是受严格调控的过程。发育的果实先后经过细胞分离、膨大以及伴随其间的大量代谢过程的变化，最终达到成熟。众所周知植物激素影响果实生长和发育的许多方面。作为对5种经典的激素(生长素，赤霉素，细胞分裂素，脱落酸和乙烯)的补充，我们正在认识一些在果实发育中发挥作用的新生长调节子。通过对不同生长时期的果实施加外源激素和内源激素的定量分析，已经为我们揭示了这些因子在果实发育中的重要作用。本文中，我们以番茄为模式生物，对激素控制果实发育的相关研究进行综述。

[关键词]果实发育；番茄(Lvcopersieon esculenmm)；激素调节；生长素；细胞分裂素；赤霉素；脱落酸；乙烯；单性结实。

果实发育和成熟是一个周密协调的，时间和空间紧密调控的复杂的生物学过程，它涉及大量生物和非生物因子的相互作用。很久以前，植物激素就开始作为果实发育和成熟的重要调节因子而被广泛研究(Crane 1964,1969；Nitsch 1970)。大量研究已经很好的揭示了5种传统激素一生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸和乙烯，在果实发育的多个时期发挥作用(Ozga和Rienecke2003)。除此之外，诸如多胺类化合物(PAs)、水杨酸、荣莉酸和油菜素等调节物在果实发育和成熟中的作用也开始有所研究(Li等1992；Cohenl998；Mehta等2002；Vardhini和Ra02002；Sheng等2003)。

番茄作为一种肉质性的呼吸跃变果实，在很长一段时间里被视为是研究果实发育和成熟的理想模式材料。对于这种植物的大量研究产生了许多完善的突变体，这为分析果实发育和成熟提供了一个很好的系统，特别是在研究激素调节方面。公认的番茄果实发育被分为4个时期，由果实生长开始至成熟表现为一个“S”型曲线(Crane 1964)。时期I表现为花的发育，授粉，受精和坐果。时期II涉及授粉后7~14天细胞分裂过程(Mapelli等1978)。在这一时期绝大多数的果实细胞已经形成，但果实生长速度较慢，一般仅会到达最终鲜重的10％。时期III主要包括果实细胞膨大过程，一般持续3~5周并达到最大形态，该过程受基因型影响(Ho和Hewitt 1986)。果实体积主要由时期II形成的细胞数决定(Ho 1996)，同时还是受精前子房细胞数，子房内成功受精的种子数和细胞增大程度影响(Bohner和Bangerth 1988)。时期Iv涉及果实成熟阶段，表现为生长缓慢而代谢反应强烈。自受精至“红熟”期番茄果实一般需要40～70天。诸如栽培品种，坐果位置，气候条件和果实种植条件等因素都会影响整个果实发育过程。

1番茄果实发育中激素的作用

之前关于对发育的果实施加多种外源激素的研究表明，这些激素在果实发育的不同阶段起作用(crane 1964)。事实上施加外源激素并不意味着它们的细胞内作用方式也是如此，因此就有必要检测果实发育和成熟过程中的内源激素水平。在某一特定时期某些激素水平高于其它的现象说明这些激素可那在这一发育时期发挥作用。外源施加激素处理和内源激素定量分析试验为我们研究番茄果实发育中激素的作用提供了帮助。

在开花期对番茄柱头施加赤霉素(GAs)可以导致未成熟的子房细胞膨大，从而导致单性结实现象(Fos等2000)。对未授粉番茄花进行GAs处理可以导致子房内生长素水平的提高(Sastry和Muirl963)。这可能说明被花粉诱导产生的GAs可以导致子房中生长素的增加，并可以作为坐果和随后细胞分裂的信号(Gillaspy等1993)。幼嫩的未成熟番茄果实中可以检测到很高的GA水平(Koomneef等1990)。GA可能在开花，增加结实率和种子发育过程中发挥作用(Rebers等1999)。生物学分析表明，正常结实番茄植株中内源GA类物质含量表现出一种双峰曲线模式，其第一次峰值出现在开花期至授粉后8天，第二次出现在授粉后15天至成熟期(Mapelli等1978；Sjut和Bangerth 1982)。气相色谱一质谱／选择离子测定法(GC-SIM-MS)分析表明，GAs类物质最重要的生理形式，GAl和GA20，在果皮和种子中含量很高，随着果皮的发育GAI的含量下降，但授粉后15～30天种子中GA水平增加至最大量(Bohner等1988)。GA含量的两个峰值期与番茄果实发育的细胞分裂期(时期II)和膨大期(时期III)相一致。

生长素可以在花粉中，以及在花粉管生长和受精过程的柱头和子房中检测到，同时外源生长素处理可以促进子房的发育而出现单性结实现象，这一切均说明这种激素极有可能在坐果期发挥作用(crane 1964)。生长素活性生物测定同样表现为一种双峰形式，其最大活性分别出现在开花后10天和开花后30天的番茄果实中，这说明其在细胞膨大期(时期III)的初始阶段和最终的胚胎发育期(时期Iv)起作用(Abdel-Rahman1977；Mapelli等1978；Gillaspy等1993)。利用气相色谱一质i普／选择离子测定和放射性免疫测定法进行更加精确的定量分析，结果证实了生长素含量在果实发育中的两个峰值，同时还发现种子中的生长素含量在果实发育的最初30天里持续增长(Bohner和Bangerth 1988；Buta和Spaulding 1994)。放射性免疫测定显示开花后5天，细胞分裂素含量达到很高水平(Bohner和Bangerth 1988)。在该研究中还发现，种子中细胞分裂素含量高于果皮。发育的果实中细胞数与细胞分裂索水平之间的相关性暗示后者可能在细胞分裂期(时期II)发挥作用。生物测定分析同样显示番茄果实中细胞分裂索含量与细胞分裂活性具有一致性(Abdel-Rahman等1975；Mapelli 1981)。气液色谱法(GLC)分析表明在果实成熟期细胞分裂素含量迅速降低，并在“红熟”期达到最低(Desai和Chism 1978)，这说明细胞分裂素在成熟期作用较微弱。种子发育过程细胞分裂素的调控模式尚不清楚。有研究假定正在发育中的种子中的细胞分裂素控制一种正向调节因子的合成，这种因子可能会扩散至周围的被发育调控而发生分裂的细胞中(Gillaspy等1993)。

种子在正常果实发育中发挥重要作用。同时，番茄果实内种子的发育也要依赖于外皮和种腔组织的发育阶段。在这些组织中脱落酸的浓度和渗透势通量表现出调节种子干燥和诱导休眠的作用，从而阻止过早萌发(Berry和Bewley 1991)。在授粉5天后，放射性免疫测定和气液色谱法检测到脱落酸的出现，随后种子和果皮中的含量逐渐增加，直至授粉后30~50天(Siut和Bangerth 1982；Bohner和Bangerth 1988；Berry和Bewley 1991)，其峰值与细胞膨大期(时期III)相吻合。

由于在果实成熟和衰亡过程中具有明显增强作用，乙烯被研究的非常深入。坐果(时期I)早期乙烯含量较高，随后有所降低，并在果实成熟期再次增加(AbdeI-Rahman 1977；Lacheene和E1-Beltagy 1986)。乙烯水平的第二次提高伴随着果实呼吸跃变(时期IV)的发生。控制番茄果实成熟期，借以延长货架期的市场需求，促进了乙烯的相关研究，并揭示了详尽的但并非完整的乙烯的作用方式(Giovannoni 2004；Klee 2004)。

与其它激素相比，在番茄果实发育和成熟过程中，乙烯作用的分子调控模式的研究非常系统和深入。高等植物中的乙烯生物合成途径已非常清晰(Yang和Hoffman 1984)，该过程包-含两步调节控制点。首先，由1一氨基环丙烷1-羧酸合成酶-(Acs)催化，以s一腺苷L-甲硫氨酸(sAM)为底物催化合成1-氨基环丙烷1-羧酸(ACC)；随后，在ACC氧化酶(ACO)的催化作用下形成乙烯(Kende 1993)。有报道称，在高等植物中存在两个乙烯调节系统(Lelievre等1998)。系统1主要在正常的营养生长阶段发挥作用，表现为乙烯的自主反馈抑制，进而在包括未成熟果实在内的所有植物组织中保持本底水平。系统2主要作用于成熟果实的呼吸跃变和花瓣衰老过程。此时乙烯表现为自主激活调节并诱导产生ACS和ACO。利用番茄果实成熟突变体，许多涉及乙烯感受和信号传导途径的分子产物被揭示(Giovannoni 2001)。番茄中发现的6个乙烯受体(ETR)中，由5个可以结合乙烯分子(Klee 2002；Klee和Tieman 2002)。并且有研究表明，在果实成熟期，这些乙烯受体中的某些成分(如LeETR4)可以发挥乙烯信号通路的负调控因子作用(Wilkinson等1995；Yen等1995；Hackett等2000；Tieman等2000；Ciardi等2000)。3个功能冗余的乙烯不敏感类基因(EIL)可以调节整个植物发育过程的多种乙烯响应现象(Tieman等2001)，然而这个家族的第四个成员，LeEIL4，具有果实成熟诱导性(Yokotani等2003)。在4个乙烯响应因子(ERF)基因家族成员中，LeERF2表现出成熟相关的诱导表达(Toumier等2003)。

2其它植物生长调节因子的作用

2.1油菜素：作为一种较晚鉴定的植物激素，油菜素(BRs)是一类多羟基甾体类化合物，它可以在植物生长发育中发挥多种作用(Bishop 2003)。油菜素处理番茄果皮组织可以提高番茄红素和碳水化合物水平，降低叶绿素和维生素c含量(vardhini和Rao 2002)。番茄果实油菜素缺失突变体(dx-fruits)表现为推迟成熟，碳水化合物含量明显下降进而导致干重下降，酸转化酶活性降低，产量减少。相反，该突变体中氨基酸含量上调，这可能是由于蛋白质降解增强的结果。油菜素处理可以部分地互补以上这些变化(Lisso和Altman 2003)。这些结果表明，油菜素在控制番茄果实成熟时间和调节果实内含物的组成方面发挥作用。

2.2茉莉酸：亚麻酸衍生物，茉莉酸(JA)及其甲酯(茉莉酸甲酯：MeJA)，可以调节果实成熟，花粉活力，根系生长和对昆虫和病害侵染的抗性(creelman和Mullet 1997)。内源茉莉酸含量在果实开始进入成熟期时开始增加，同时外源茉莉酸处理促进乙烯的产生和果实颜色的转变(Imanishi和Nagata 2003)。表达分析表明茉莉酸甲酯处理可以增加ACO，ACS2和ACS6基因mRNA的积累，但不影响ACS4。此外，荣莉酸诱导的防卫响应可以明显影响番茄的生殖习性，大量茉莉酸处理的植物可以产生更少量的但更大的果实，这些果实具有更小的单位鲜重种子数(Redman等2001)。这些研究表明，如同在防御响应中的表现一样，茉莉酸在乙烯介导的果实成熟过程中发挥作用。

2.3多胺：多胺(Pas)是广泛存在的低分子量有机阳离子，它们可以影响包括植物在的内许多生物的发育和生理过程(Wahers 2003)。它们也会影响早期果实发育和成熟。挥发性多胺可以作为衰老抑制剂，减缓果实颜色转变，增加果实耐储性，推迟乙烯散发，抑制呼吸速率增加，减弱低温伤害(valero等2002)。番茄中的两条多胺合成途径，鸟氨酸脱羧酶(ODC)和精氨酸脱羧酶(ADC)途径都是具有活性的(Alabadi和Carbonell 1998)。多胺处理未授粉子房导致部分单性结实现象发生。未授粉的pat-2突变体子房中较高的多胺含量与ODC途径的活性有关，这一现象也可能收到这些子房中升高的赤霉素水平的影响(Fos等2003)。精氨酸酶和ODC活性在番茄坐果期后下降，这些现象暗示ADC途径在细胞膨大阶段起作用，而ODC途径番茄果实生长早期的细胞分裂阶段发挥功能(cohen等1982；Alabadi等1996)。在过表达一条酵母s一腺苷甲硫氨酸脱羧酶的番茄转基因系中，发现亚精胺，精胺，番茄红素和乙烯含量均增加，并且果实果汁粘性也增高。这些品系中增加的多胺成分似乎抑制了更高水平乙烯应该产生的衰老效应，表明利用相同底物(SAM)的两条生物合成途径可以在植物体内同时存在。作为与茉莉酸相同的番茄伤害响应基因抑制因子，多胺被认为可以通过调节ACC合成酶转录本的积累，进而调控乙烯的生物合成(Lj等1992)。

3结语

全面系统的了解植物激素在果实发育中的调节作用非常重要，这不仅涉及果实发育和成熟过程的分子水平的研究，还对表现在改善果实品质，延长货架期，提高营养成分等应用方面。考虑到果实发育过程的复杂性，孤立的研究某一种激素的作用效果和分子机制将显得单薄，尝试研究两种甚至多种激素成分的互作将愈发重要。在以后的研究中，多种涉及座果，果实发育和成熟过程的信号分子，将被逐步阐明。在不久的将来，应用表达芯片分析，蛋白质组学和功能基因组学工具，我们可以更加全面的分析果实发育中的基因表达情况，进而在不同的代谢途径和信号通路间建立起联系。我们同样也可以了解这些基因表达的时空信息，包括对环境因子，激素和其它生长调节因子响应的系统蓝图。