桑树繁殖生物学研究现状与展望

2017-01-14胡兴明莫荣利朱志贤

中国蚕业 2017年4期

关键词：桑树生物学植物

李勇邓文于翠胡兴明莫荣利朱志贤熊超

(1湖北省农业科学院经济作物研究所，湖北武汉 430064； 2华南农业大学生命科学学院，广东广州 510642)

桑树繁殖生物学研究现状与展望

李勇1，2邓文1于翠1胡兴明1莫荣利1朱志贤1熊超1

(1湖北省农业科学院经济作物研究所，湖北武汉 430064；2华南农业大学生命科学学院，广东广州 510642)

综述了桑树繁殖生物学中桑树花器官发生及繁育系统的研究现状，探讨了研究桑树花性特征、成花机理、发育机制、传粉生物学和生殖生物学特征对桑树种质资源保存、育种与栽培的重要性，初步揭示了桑树繁殖生物学的研究意义。

桑树育种；繁殖生物学；有性繁殖；无性繁殖；生物信息学；花性

中国是世界丝绸业的发源地，中国的丝绸业已经有5 000多年的历史。中国的桑树种质资源异常丰富，已经收集并整理了3 000多份桑树种质资源[1]，经整理和鉴定后，有15个种4个变种。

桑树的繁殖有有性繁殖和无性繁殖2种方法，其中无性繁殖的方法包括嫁接、扦插、压条等[2]。从遗传学的角度看，无性繁殖是指某些生物的增殖或增加数量不需要交换或获得新的遗传信息，但大多数多细胞生物主要来自那些已经得到的DNA或与其他细胞通过DNA交换而形成1个新个体。本文综述了桑树繁殖生物学中桑树花器官发生及繁殖系统的研究现状，探讨了桑树繁殖生物学的研究意义，展望了今后桑树繁殖生物学的研究方向，供同仁参考。

1 植物繁殖生物学的研究概况

植物繁殖生物学研究的内容包括植物的繁殖系统(breeding system)、柱头与花粉生物学(stigma and pollen biology)、性选择(sexual selection)以及结实(seed production)。植物繁殖生物学的研究始于植物学家CINERARIUM(1665—1721年)对植物花器官的研究和关注[3]。瑞典植物分类学家LINNANEUS提出雄蕊花数的标准[4]加深了对植物花重要性的认识。KOLREUTER和SPRENGEL发现了植物的传粉作用，促进了“传粉生态学”的发展[4-7]。

20世纪50年代，繁殖体散布及其媒介、生殖生物学、生殖进化及其机理的研究共同组成了植物繁殖生物学的研究方向[8]。20世纪60年代，科学工作者的重点研究方向趋向于营养生长和生殖生长的关系，并深入到生殖生理等[9]。20世纪70年代，对植物繁殖生物学的研究方向主要集中在繁殖分配、繁殖策略、生殖值、生育成本和生命的历史演变，研究水平和研究方法都有了很大的进步[10]。20世纪80年代，植物繁殖生物学研究领域主要是生殖物候、生殖分配、生殖生产、生殖策略等[11-12]。21世纪，随着生物技术的进步和发展，研究者开始从分子的角度探索该领域的微观世界，研究了控制圆叶牵牛花颜色的基因，在分子水平检验其花色性状与生态适应性[13-17]。

随着科学技术的进步及其在植物繁殖生物学领域应用的发展，植物繁殖生物学研究已逐步进入植物种群的繁殖机制，群落的演替、物种的进化策略等领域。而且随着DNA分子标记、克隆等先进技术手段的应用，遗传机制、生理和生化机制将得到深入的研究，这将促进植物繁殖生物学的进一步发展。

2 桑树繁殖系统研究进展

WYATT[18]将直接影响后代的所有遗传成分(花粉的形态特征，花粉种类和传粉频率，自相似性和交配系统)定义为植物繁殖系统，生物体通过物质、能量和信息的传播而繁殖。

2.1 桑树花性研究概况

桑树花性多种多样，有雌花和雄花、雌雄同花、雌雄同穗等。按每棵树开花的种类不同分为雌雄同株，雌雄异株。研究桑树花的特性一直是学者们关注的焦点。桑树的性别分化受诸多环境因素和遗传特性的影响。JAISWAL等[19]通过研究黑桑性别分化过程中过氧化物酶活性变化发现，其花的分生组织与顶端分生组织中的过氧化物酶活性是不同的，用酞酰亚胺处理黑桑植株发现，雌雄异株开雌花的植株可诱导产生两性花和雄花。LAL等[20]检测黑桑的酸性磷酸酶的活性，发现两性花和雄花中的酸性磷酸酶活性均高于雌花，高温(28～35 ℃)、长日照、高碳氮比会导致桑树雄花发育。

桑树花性主要由遗传因素决定。另外，桑树的花性也会受到激素或环境的影响。如在开雄花的桑树上，用乙烯利处理会有更多的雌花出现，且雄花数量有所减少。林寿康等[21]研究发现，用赤霉素处理的效果与乙烯利处理的效果相反，雌花穗数明显地减少，雄花穗数明显地增加。商敬哲[22]通过生物信息学的方法鉴定了桑树中乙烯合成与信号传导相关的基因，结合多种软件分析了其基因结构、保守结构域和系统发生的关系，进一步检测4个家族基因(ACS、ACO、ETR、EIN3)在6个不同组织(根、皮、叶、雄花、雌花、果)中的表达发现，基因表达模式多样,同时有一些组织特异表达的基因,其中MnACS5在雌花中特异表达，MnACO1和MnACD2在果实中特异表达，MnEIN3和MnEIL1在根和果实中显示更高的表达；鉴定了有关桑树雌花乙烯生物合成的基因，分析了有关信号转导的基因，以珍珠白的雌花为试验材料，采用石蜡切片法观察了其花芽各个发育时期的形态变化，从中选择包括花性分化时期的6个样本进行转录组测序，对AP2/ERF乙烯应答信号转录因子家族的基因进行鉴定，分析了它们在不同组织中的表达情况，并着重对相关激素基因、AP2/ERF家族基因与MADS-box家族基因的表达进行了分析，结果显示MnEIN3、MnEIL1和MnEIL4、MnEIL5分别都定位在桑树基因组的同一个scaffold上；构建了4个AP2/ERF转基因过表达载体,在烟草中验证其功能。

成花诱导是植物生长发育期间的一个重要环节。CORBESIER等[23]和NOTAGUCHI等[24]发现FT(Flowering locus T)及其同源基因编码的蛋白可调控营养生长转向生殖生长。2013年，李四军[25]克隆了桑树FT基因，该基因的开放阅读框(ORF)全长为519 bp，可编码173个氨基酸，并研究了其表达模式。

2.2 桑树有性繁殖研究进展

中国通过种子有性繁殖桑树早在2 100年前的汉代农书《氾胜之书》中即有记载[26]。桑花药发育以单个细胞团开始，3个皮下细胞排列成1行，成为孢原细胞，这些细胞分裂产生初生周缘细胞和造孢细胞。有效授粉后花粉在柱头上萌发，花粉粒有2层，外层称外壁，内层称内壁，内壁通过外壁的不厚区发芽孔之一长成花粉管[2]。当花粉粒落下时细胞核分裂成1个大的造管核和1个小的生殖核，在柱头表面，生殖核分裂成2个雄配子或雄性细胞，而造管营养核解体。桑树是双受精植物，胚囊中的雄性配子来自于花粉管，花粉管把2个雄配子带入珠孔到达胚囊。配子进入胚囊后花粉管的顶端被降解，其中1个雄配子与初级胚乳核结合，而另1个配子与卵子结合，使桑树受精。胚胎由受精卵发育形成，种皮由珠被发育形成，胚乳和果实分别由初级胚乳核和子房发育而成[2]。

桑椹为多果型，每1个雌花花序发育成1个独立的小单果，花序轴和花被部分发育形成果实肉质，单独的小果和肉质花序梗融合在一起，所以把桑树的果实称为桑椹[2]。由于受精作用，雌花花被叶片受到刺激，变成肥厚多肉的含有大量汁液物质，并在形成果实时发挥作用。桑树的种子是经过开花、受精等有性过程形成的，有坚硬的外部种皮、胚和胚乳，将种子播种使其发芽生长培育成苗木的方法叫做有性繁殖，也称种子繁殖或播种繁殖。桑树种子发芽的适宜温度约为30 ℃，在有光处容易发芽，但当温度稍高时，在黑暗中也能发芽；在绿色光线下发芽良好，在蓝色光线下发芽明显不良[2]。桑树种子自然寿命很短，但在低温(2.5～5.0 ℃)、干燥(相对湿度50%～60%)的条件下，发芽能力可以维持3年以上[27]。桑树种子播种根据播种时期可分为春播、夏播和秋播3种，桑树种子播种要因地制宜掌握，但春播宜迟不宜早，夏秋播宜早不宜迟，以利于苗木的生长。苗木长至2～3片真叶时，要进行间苗、追肥，并适时灌溉、排水、防治病虫害[28]。

2.2.1 春播将上年贮藏的种子在春季播种，称为春播。春播适期根据气温而定，播种过早，往往遇到低温，使出苗延迟或出苗不齐；播种过迟，会影响苗木生长期。春播一般在终霜期后，在表土(地面下5 cm)的地温达20 ℃左右时才可以播种。

2.2.2 夏播当年采收后的桑树种子立即播种，称为夏播。夏播随收随播，不受温度限制，种子发芽率高，但要抓紧时间抢播，一般在6月，尽快种植，可以增加苗木的生长期，同时加强肥培管理，也能达到育壮苗的目的。

2.2.3 秋播广东省因气候温暖，无霜期长，桑椹1年2熟，除采用春播外，还有采用秋播的。一般在9月中旬采桑椹，9月下旬进行播种。也需要做到及时抢播，加强肥培管理，当年育成壮苗。

2.3 桑树无性繁殖研究进展

无性繁殖是将植株营养器官的一部分从母体分离后，置于适宜的环境条件下培养成独立的新植物个体。无性繁殖是亲本母树营养器官生长的延续，可以保持亲本母树的优良性状。目前，桑树苗木的生产，主要是无性繁殖，包括嫁接、扦插、压条等方法，采用嫁接、扦插、压条等方法繁殖出来的苗木分别称为嫁接苗、扦插苗、压条苗等，其中嫁接和扦插最为方便、经济，在生产中被广泛应用。随着科学技术的发展，桑树组织培养和快速繁殖技术也得到了迅速的发展[1]。

赵卫国等[29]研究发现，无性繁殖可以继承亲本的优良经济性状，防止品种退化，但也有少量的遗传变异。不同品种桑树、环境和生态条件之间是否存在遗传变异仍有待深入的研究。日本从1947年开始进行桑树扦插研究，在1957年和1963年，本多和山本分别成功地进行了新稍插条和薄膜覆盖扦插[30]。在一些东南亚国家，大多用扦插繁育桑苗，20世纪50年代后期以来，中国学者应用化学处理和控制人工育苗环境的方法，进行了大量桑苗扦插繁育试验[31-33]。研究显示，与植物扦插生根关系紧密的是吲哚乙酸氧化酶、过氧化物酶和多酚氧化酶3种酶[33]。2016年，杜伟[34]对桑树扦插生根发展的3个阶段进行了分析，转录组测序和序列分析结果表明，在代谢过程中，定位系统、再生过程、生物调节、细胞成分、细胞器成分、高分子化合物均有差异基因在发挥作用，主要涉及植物病原菌的相互作用，植物激素的信号转导，淀粉和蔗糖代谢、苯丙素类化合物的生物合成、黄酮类化合物的生物合成和其他代谢途径。扦插生根是一个复杂的动态过程，受外源性和内源性物质环境等多种因素的调节，不同的处理方法产生的生根效果各异，但不同的培养条件亦会导致类似的效果[35]；在不定根形成过程中，基因、蛋白质等生理、生化和调控物质都发挥着重要作用；不定根的生长发育受调控基因与生理物质相互作用的影响[36]。

蚕桑科技工作者对桑树组织培养的研究颇多，现已建立并完善了叶片茎尖、腋芽、花药、成熟胚、未成熟胚和原生质体再生系统[37-38]。谈建中[36]研究发现，外植体愈伤组织形成的必要条件是生长素，其中2，4-二氯苯氧乙酸(2，4-D)和吲哚丁酸(IBA)对愈伤组织诱导的效果最好，并且采用花药和幼胚、胚珠、雄花穗成功诱导形成愈伤组织，获得了再生植株。陈爱玉等[37]以桑子叶悬浮细胞为材料，获得了愈伤组织，并发现桑子叶、幼叶、悬浮培养细胞核愈伤组织中桑原生质体的释放速率和产量依次递减，后又在1995年将分离的原生质体进行培养并获得桑原生质体再生植株。郑淑湘等[39]以桑树叶片为外植体，利用Co60γ射线辐照，秋水仙素、甲基磺酸乙酯处理，通过不定芽分化，获得完整植株。孔令汶等[40]在对不同桑树品种叶片离体培养产生再生植株进行试验后发现，不同桑树品种间不定芽分化率差异极明显。桑树组织培养技术可用于桑树种质资源的迅速繁殖、脱毒和加快桑树育种进程，并可用于生产有用次生代谢产物研究[38]。

3 展望

3.1 珍稀桑树繁殖生物学研究

植物在自然状态下的繁殖是对环境长期适应的反映，了解植物生活史策略和生殖器官对各种繁殖方法的适应机制，对研究生态学和保护生物学具有重要意义[41]。中国桑树种质资源丰富，其中不乏珍稀桑树种质资源，但随着经济的日益发展，桑树栖息地已受到严重威胁，开展对珍稀桑树种质资源的保护繁殖已刻不容缓，因此通过研究桑树繁殖特性、花形态、异交指标、花粉胚珠比率等，探明珍稀桑树种质资源濒危的原因，将对珍稀桑树种质资源的保护和繁殖具有重要意义。

3.2 克隆桑树繁殖生物学研究

无性繁殖的植物被称为无性系植物，也称克隆植物[42]，在繁殖、生存等方面较非克隆植物具有很大的优势。克隆植物的克隆生长特性使克隆植物具有多方面的生态功能，尤其是克隆生长的生物学意义，为生态桑发展奠定了理论基础。通过细胞学、胚胎学和进化学研究桑树无性繁殖方式的产生和特性，研究无性繁殖进行的营养扩散和生长过程以及在水平空间所占据的位置和拓展的速度，无性系植物在其生态系统中占据的生态位和表现出的不同生态对策等，探讨多种不同生态下桑树生活史策略的变化。

3.3 桑树遗传育种新途径的开拓

农业科研工作者研究的最终目的是通过科学方法繁育优良品种，尽力提高农作物的产量和质量。而通过对植物繁殖过程、机理的研究可了解其优良性状形成的机理，从而指导实践工作，育成优良的桑树品种。揭示桑树花性特征、成花机理、发育机制、传粉生物学和生殖生物学特征，探明桑树遗传变异机制，将为桑树育种提供一个新的途径，同时也可促进桑树生物化学、系统发育学、分类学和生态学等相关学科的发展。

[1] 潘一乐，刘利，张林，等.我国桑树种质资源及育种研究[J].广东蚕业，2006，40(1)：20-26.

[2] 吕鸿声.栽桑学原理[M].上海：上海科学技术出版社，2008：74-92.

[3] 苏智先.生殖生态学研究的现状与趋势[J].四川师范学院学报：自然科学版，1989(10)：248-252.

[4] 李扬汉.植物学[M].上海：上海科技出版社，1978：143-199.

[5] 陈家宽，杨继.植物进化生物学[M].武汉：武汉大学出版社，1994：65-69.

[6] DAFNIA.Pollination ecology：a practical approach[M].Oxford：Oxford University Press，1992：1-181.

[7] EIS S，GARMAN E H，EBELL L F.Relation between cone production and diameter increment ofdouglasfir[Pseudotsugamenziesii(Mirb)Franco]，grandfir(AbiesgrandisDougle)and western while pine(PinusmonlicolaDougle)[J].Can J Bot，1965，43(12)：1 553-1 559.

[8] DAN C.General model of optimal reproduction in a randomly varying environment[J].J Eco，1968，56(1)：219-228.

[9] JANZEN D H.Why bamboo wait so long to flower[J].Ann Rev Ecosyst，1967(7)：347-391.

[10] FRANKIE G W，BAKER H H，OPLER P A.Comparative phenological studies of trees in tropical wet and dry forest in the lowlands of costa rica[J].J Eco，1974，62(3)：881-913.

[11] MURALI K S，SUKUMAR R.Reproductive phenology of a tropical dry forest in mudumalai，southern India[J].J Eco，1994，82(4)：759-767.

[12] MOORE P D，BAWA K S，HADLEY M.Reproductive ecology of tropical forest plants.man and the biosphere series[J].J Ecol，1992,80(4)：871.

[13] DOUGLAS D A.The balance between vegetative and sexual reproduction ofMimulusprimuloides(Scrophulariceae)at different altitude in Calfornia[J].J Eco，1981，69(1)：295-310.

[14] ABRAHAMSON W G，GADGIL M.Growth form and reproductive effort ingoldenrod(SolidagoCompositae)[J].Am Nat，1973，107(957)：651-661.

[15] PITELKA L F.Energy allocation in annual and perennial lupines(LupinusLeguminosae)[J].Ecology，1977，58(5)：1 055-1 065.

[16] BAZZAZ F A，CARLSON R W，HARPER J L.Contribution to reproductive effort by photosynthesis of flowers and fruits[J].Nature，1979，279(5 713)：554-555.

[17] CLEGG M T，DURBIN M L.Flower color variation：a model for the experimental study of evolution[J].Proc Natl Acad Sci USA，2000，97(13)：7 016-7 023.

[18] WYATT R.Pollinator-plant interactions and the evolution of breeding systems[M]//RealL.Pollination biology.Orlando：Academic Press，1983：51-95.

[19] JAISWAL V S，KUMAR A.Activity and isozymes of peroxidase during sex differentiation[J].Z Pflanzenphysiol，1981，102(4)：299-302.

[20] LAL M，JAISWAL V S.Modification of flower sex and acid phosphatase activity by phthalimides in female plants ofmorusnigraL[J].Plant Growth Regul，1988，7(1)：29-37.

[21] 林寿康，吕志强，吴云翔，等.赤霉素和乙烯利对桑花性的影响[J].蚕桑通报，1993，24(3)：20-21.

[22] 商敬哲.桑树雌花形成中乙烯作用机制的研究[D].重庆：西南大学，2016.

[23] CORBESIER L，VINCENT C，JUNG S，et al.FT protein movement contributes to long-distance signaling in floral induction ofarabidopsis[J].Science，2007，316(5 827)：1 030-1 033.

[24] NOTAGUCHI M，ABE M，KIMURA T，et al.Long-distance，graft-transmissible action ofArabidopsisflowering locus T protein to promote flowering[J].Plant Cell Physiol，2009，49(12)：1 922.

[25] 李四军.桑树FT基因的克隆及表达分析[D].西安：西北农林科技大学，2013.

[26] 万国鼎.氾胜之书辑释[M].北京：中华书局，1957.

[27] 中国农业科学院蚕业研究所.中国桑树栽培学[M].上海：上海科学技术出版社，1985：30-122.

[28] 中国农业科学院蚕业研究所.栽桑养蚕技术大全[M].北京：中国农业出版社，1995：90-91.

[29] 赵卫国，苗雪霞，黄勇平，等.桑树无性系遗传变异的ISSR初步分析[C]//中国蚕学会，广西壮族自治区蚕业技术推广总站，广西壮族自治区蚕学会.中国蚕学会第七届二次理事会暨学术年会论文集.南宁：[出版者不详]，2005：45-48.

[30] BEAKBAN A B.Relationship between structure and adventitious rooting[J].Sci，1969(19)：198.

[31] 顾青虹，倪国孚，陈爱玉.关于湖桑扦插繁殖的研究(Ⅱ)焦糠营养钵扦插桑苗试验[J].蚕业科学，1983，9(2)：71-73.

[32] 倪国孚，陈爱玉.关于湖桑扦插繁殖的研究Ⅲ.吲哚丁酸快浸法的扦插发根试验[J].蚕业科学，1984，10(2)：63-66.

[33] 杨今后，杨新华.影响桑树扦插发根的若干内在因子及发根促进剂处理的效果[J].蚕业科学，1983，9(3)：127-133.

[34] 杜伟.桑树硬枝扦插生根的生理生化与分子机理研究[D].镇江：江苏科技大学，2016.

[35] 李焕勇，刘涛，张华新，等.植物扦插生根机理研究进展[J].世界林业研究，2014，27(1)：23-28.

[36] 谈建中.植物激素与外植体种类对愈伤组织初代培养不定芽分化影响初探[J].苏州蚕桑专科学校学报，1991(2)：6-8.