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‘砂糖橘’夏梢生长对幼果和离区细胞壁降解酶活性及基因表达的影响

2017-05-30黄永敬陈杰忠曾继吾吴文张瑞敏朱从一

热带作物学报 2017年10期
关键词:夏梢基因表达

黄永敬 陈杰忠 曾继吾 吴文 张瑞敏 朱从一

摘 要 以10年生‘砂糖橘(Citrus reticulata Blanco)為对象,研究夏梢生长对幼果及果柄离区的细胞壁降解酶活性、相关基因表达及其脱落的影响。结果表明:夏梢萌发6 d后幼果大量脱落,15 d后累积落果率高达79.5%,比同期去梢的增加91.7%。夏梢生长明显促进幼果和离区中纤维素酶(Cx)、多聚半乳糖醛酸酶(PG)活性的提高,其活性水平与相对落果率均达显著正相关。果胶(甲)酯酶(PME)、β-半乳糖苷酶(β-Gal)活性不受夏梢生长所影响。基因表达结果显示,夏梢生长促进CsPG、Csβ-Gal和CsCx的表达上调,6 d时出现表达峰值,而CsPME的表达不受夏梢影响。综合认为‘砂糖橘夏梢生长诱导幼果脱离过程中,Cx、PG是参与脱落调控的细胞壁降解关键酶。

关键词 砂糖橘;夏梢;细胞壁降解酶;基因表达;脱落

中图分类号 S666.2 文献标识码 A

Effects of Summer Shoot Growth on Activities and Gene Expression

of the Cell Wall Degradation Enzymes in‘Shatangju

Mandarin Fruitlet and Abscission Zone

HUANG Yongjing1,2, CHEN Jiezhong2 *, ZENG Jiwu1, WU Wen1 *,

ZHANG Ruimin1, ZHU Congyi1

1 Institute of Fruit Tree Research, Guangdong Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of South Subtropical

Fruit Biology and Genetic Resource Utilization, Ministry of Agriculture, Guangzhou, Guangdong 510640, China

2 College of Horticulture, South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 510642, China

Abstract The objective of this work was to investigate the effects of shoot growth on the activities, gene expression of the cell wall degradation enzymes and abscission of fruitlet and abscission zone(AZ)in Citrus. 10-year old trees of‘Shatangjumandarin(Citrus reticulata Blanco)were used as the material. The results showed that summer shoot obviously increased fruitlet abscission. At the 15th day, the accumulative abscission rate(AAR)in shoot-retained treatment was 79.5%, which was 91.7% higher than that in shoot-removed treatment. Moreover, the activities of cellulase(Cx)and polygalacturonase(PG)in fruitlet and AZ were dramatically increased during the summer shoot growth, and the activities of those two enzymes were positively correlated with the relative abscission rate(RAR). However, the activities of pectin methylesterase(PME)and β-galactosidase(β-Gal)were not influenced by summer shoot growth. qRT-PCR analysis showed that the expression levels of CsPG, Csβ-Gal and CsCx were significantly upregulated during the summer shoot growth, with the expression peaks were appeared at the 6th day, but a little effect was found in the expression of CsPME. These results suggested that during fruitlet abscission induced by summer shoot growth in‘Shatangjumandarin, Cx and PG were the key cell wall degradation enzymes which regulated fruitet abscission.

Key words Shatangju; summer shoot; cell wall degradation enzymes; gene expression; abscission

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.10.005

果树新梢生长诱导幼果脱落的现象比较普遍,已有的研究认为主要是受树体碳素营养调控的结果。原因是新梢是一个极其强大的代谢库,其与幼果的碳素营养竞争中处优势地位,幼果遭受碳素营养胁迫后脱落[1-3]。‘砂糖橘(Citrus reticulata Blanco)以无核、易剥皮和品质优而著称,是华南地区栽培面积最大的柑橘品种。‘砂糖橘的幼果期容易抽生新梢(5~7月份抽出,俗称夏梢),夏梢的抽生必将导致幼果大量脱落[4]。如何有效控制夏梢生长以获得高产,一直是‘砂糖橘产业面临的难题。

植物器官脱落是脱落组织部位-离区(AZ)细胞的胞间层和细胞壁发生降解后,黏着力遭破坏而导致远端器官脱离母体的结果[5],而胞间层和细胞壁的降解需要细胞壁降解酶的参与[6]。诸多研究证明,参与植物组织脱落调控的细胞壁降解酶主要包括纤维素酶(Cx)、多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶(甲)酯酶(PME)和β-半乳糖苷酶(β-Gal)等,在不同条件导致的植物器官脱落过程中,这些降解酶均起到不同的调控作用[7-8]。果树新梢生长导致幼果脱落,在此条件下幼果的细胞壁降解酶活性、相关基因表达如何变化,其与落果的关系等研究尚未见报道。本试验研究了‘砂糖橘夏梢生长过程中幼果和离区细胞壁关键降解酶活性、相关基因表达水平以及幼果脱落的变化,探讨细胞壁降解酶与幼果脱落的关系,旨在为揭示果树新梢生长诱导幼果脱落机制提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2011年4月至2011年12月在广东省清远市横田管理区高田村柑橘园进行,水田地,酸壤土。供试柑橘品种为10 年生的红橘砧(Citrus tangerina Hort.ex Tanaka)‘砂糖橘(Citrus reticulata Blanco cv. Shatangju),种植株行距2.5 m×3.0 m,试验地立地条件一致。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 2011年5月19日夏芽开始萌动,选取60株生长一致的植株进行留(去)梢处理,其中30株树保留夏梢自然生长以诱导幼果脱落,其余的30株树通过人工抹除夏梢抑制落果作对照。3次重复,随机排列,每重复10株树。每一植株树冠外围中部的(离地面1.4~1.8 m)东、西、南、北4个方向选择挂果量较一致的10条结果枝进行挂牌。抹除全株零星萌发的夏芽,待挂牌枝条的夏梢统一萌发时,开始进行留、去梢处理。留梢处理为夏芽抽生后保留其自然生长状态,去梢则是每天检查并抹除新萌发的夏芽。

于留梢或去梢后的0、3、6、9、12、15 d进行落果率调查和取幼果样。取幼果样品时,连同果柄一起摘下,立即用刀片把离区从果实中切开,分离成幼果样品和离区样品(离区溢痕上下约2.0 mm处切取的果柄,包含约2.0 mm厚度的幼果和2.0 mm长度的果柄)。样品用液氮冻存后带回实验室,-80 ℃冰箱保存用于细胞壁降解酶活性及其基因表达量的测定。

1.2.2 落果率的调查 参照Wang等[8]的方法统计幼果的相对落果率和累积落果率。相对落果率(RAR)/(%/d)=[(Nt-1-Nt)/N0·d]×100;累积落果率(AAR)/%=[(N0-Nt)/N0]×100。N0为初始坐果数量,Nt-1和Nt分别表示前后相邻2个时期的坐果数量,d是调查的间隔天数。

1.2.3 细胞壁降解酶活性的测定 称取0.75 g柑橘幼果或离区样品,冰浴条件下用4 mL酶提取液(0.05 mol/L醋酸缓冲液,内含1 mol/L NaCl、10 g/L PVPP、0.6% EDTA,4 ℃,pH5.5)研磨匀浆20 min,4 ℃下10 000 ×g离心20 min,收集上清液,残渣再提取1次,合并上清液,得到粗酶液,4 ℃保存备用。

Cx、PG、β-Gal活性采用3,5-二硝基水杨酸(DNS)比色法测定[9-10],以每min产生1 μg葡萄糖、1 μg游离半乳糖醛酸和1 μmol对硝基酚分别定义为一个Cx、PG和β-Gal活力单位。PME活性采用NaOH滴定法测定[11],以每min释放的1 μmol CH3O-定义为一个PME活力单位。

1.2.4 RNA提取及实时荧光定量PCR 采用提取试剂盒(北京华越洋公司)提取幼果和离区的总RNA,DNase I(TaKaRa)去除DNA污染。琼脂糖凝胶电泳及核酸蛋白测定仪检测RNA质量后,取1 μg RNA用M-MLV反转试剂盒(Invitrogen)反转录合成单链cDNA。

根据Genbank中CsCx(AF000136)、CsPG(EF185420)、CsPME(CSU82976)和Csβ-Gal(AY029198)的基因数据信息对目的基因进行引物设计,柑橘看家基因Actin为内参进行定量PCR。具体引物序列如下:CsCx上游5′-AGAGTGAAATGGAAGGGAT-3′;下游5′-TTACAAACCAAGGGAGAAT-3′。CsPG上游5′-CACCATGCGAAGGCTTATTT-3′;下游5′-AGCAAGGAGGCGGTTCTACT-3′;CsPME上游5′-AGAGTGAAATGGAAGGGAT-3′;下游5′-TTACAA

ACCAAGGGAGAAT-3′。Csβ-Gal上游5′-GACGAC

GCTCCTCATCCAGT-3′;下游5′-CTCGGTGAACCA

ACCAGTCC-3′。Actin上游5′-CCAAGCAGCATGAA

GATCAA-3′;下游5′-ATCTGCTGGAAGGTGCTGA

G-3′。

應用Applied Biosystems实时荧光定量PCR仪(ABI 7500),反应程序采用SYBR Premix Ex Taq(Takara)试剂盒进行反应。扩增体系(20 μL):SYBRR Green qPCR SuperMix 10 μL,正、反向引物(2.5 μmol/L)各1 μL,模板(cDNA)2 μL,ddH2O 6 μL。反应条件:50 ℃ 120 s;95 ℃ 600 s;95 ℃ 15 s,60 ℃ 15 s,72 ℃ 30 s,循环40次。3次重复,反应结束后分析荧光值变化曲线以及融解曲线,数据分析采用2-△△CT方法[12]。

1.3 数据处理

数据处理应用SPSS 17.0软件进行差异显著性(p<0.05)及相关性分析,Excel 2003进行绘图。

2 结果与分析

2.1 夏梢生长对幼果脱落的影响

调查发现,‘砂糖橘留梢、去梢的相对落果率均表现为先升高后下降的变化趋势。夏梢生长6 d后留梢处理的相对落果率均显著高于去梢处理,9 d时出现落果峰值,落果率是同时期去梢的3.14倍,此后有所下降;而去梢的相对落果率在6 d时达到高峰后就持续下降(图1-A)。试验期间,留梢的累积落果率表现为持续快速上升之趋势,9 d后显著高于去梢处理,15 d时其累积落果率为79.5%,比同期去梢的增加91.7%;而去梢的累积落果率在9 d后增幅日渐缓慢,呈座果稳定之趋势(图1-B)。说明夏梢生長促进‘砂糖橘幼果大量脱落,而去梢则可抑制幼果脱落从而提高坐果率。

2.2 夏梢生长对细胞壁关键降解酶活性的影响

夏梢生长对幼果、离区中细胞壁降解酶活性的影响见图2。由图2-A可以看出,随着夏梢的抽生,幼果中的Cx活性快速上升,6 d时出现高峰,此时酶活性是去梢的2倍,此后一直维持在较高的水平;试验期间,去梢幼果中的Cx活性变幅稳定,酶活性始终维持在20 U/g FW上下波动;12 d后,无论留梢还是去梢,其酶活性均呈逐渐下降之势,之后处理间差异不明显。留梢处理中离区的Cx活性变化趋势与幼果中的基本一致,夏梢生长促进离区中Cx活性的快速上升,其中6~12 d该酶活性同样显著高于去梢的,于9 d时出现活性高峰,酶活性是同时期去梢的4.03倍(图2-B)。

夏梢生长对幼果中PG活性变化如图2-C所示,夏梢促进PG活性的快速升高,其中6~9 d酶活性水平显著高于去梢的,之后快速下降;去梢幼果的PG活性虽一度得到快速升高,但6 d后又下降至初始水平,12 d后进一步下降至留梢的水平。离区中,留梢处理的PG活性变化趋势与幼果中的基本一致,夏梢生长促进PG活性的迅速上升,于6 d时达到峰值,之后酶活性持续下降;试验前期,去梢的PG活性缓慢上升,6~9 d时显著低于留梢的,之后与留梢的差异不明显(图2-D)。

由图2-E可知,整个试验期间,留梢、去梢幼果中的PME活性变幅平稳,期间留梢处理的PME活性虽一直高于去梢的,但处理间差异不显著;离区中的PME活性与果实的基本一致,均表现为缓慢上升后又有所回落的趋势,处理间差异不显著(图2-F)。这说明夏梢生长对幼果、离区中的PME活性影响不大。留梢生长一度促进幼果中β-Gal活性的缓慢上升,6 d后酶活性呈缓慢下降之势,而去梢幼果中β-Gal活性总体上变幅稳定(图2-G)。离区中留梢的β-Gal活性走势平稳,夏梢生长并没有引起酶活性的剧烈变化,而去梢的β-Gal活性在6~9 d时出现短暂的下降现象(图2-H)。

2.3 细胞壁降解酶活性与落果率的相关性分析

对细胞壁降解酶活性与落果率的相关性进行分析,结果如表1所示,除PG和β-Gal活性与累积落果率呈负相关外,其余的都与落果率呈正相关。Cx、PG活性与相对落果率的相关性达显著正相关,其中幼果中Cx活性与相对落果率的相关性达到极显著正相关,表明Cx、PG活性的升高是促进‘砂糖橘幼果脱落的原因之一。

2.4 夏梢生长对细胞壁关键降解酶基因表达的影响

夏梢生长对幼果、离区中细胞壁降解酶基因表达的影响见图3。由图3-A可知,夏梢生长6 d后,幼果中CsCx的表达量迅速上调并达到峰值,表达量为同时期去梢的5.17倍,6~12 d期间表达量显著高于去梢的,而15 d后处理间差异不明显。整个试验期间,去梢处理幼果中CsCx的表达较平稳,均维持在0 d时的表达水平上下波动。离区中CsCx的表达量变化趋势与幼果中的基本一致,留梢处理于6 d时出现表达高峰,表达量为同时期去梢处理的10.75倍,为同时期留梢幼果中的5.33倍,说明夏梢生长对离区中CsCx表达量的影响明显大于幼果中的(图3-B)。

由图3-C可知,留梢、去梢幼果中的CsPG表达量均表现为起伏上调之势,总体上处理间的表达差异并不明显。但夏梢生长明显促进离区中CsPG表达量的迅速上调,3~12 d表达量显著高于去梢的,于6 d时出现表达峰,表达量是同时期去梢的2.37倍(图3-D)。表明夏梢生长主要促进离区中CsPG表达量的上调,而对幼果中的影响甚微。

总体上留梢、去梢对幼果和离区中CsPME的表达量影响不明显(图3-E、F)。试验期间,留梢、去梢幼果中的CsPME的表达量均表现为逐渐上调之趋势。留梢、去梢离区中CsPME的表达量总体上均呈先上调后下降的变化趋势,留梢的于12 d时出现表达高峰,出峰时间比去梢的相对滞后。

夏梢生长3 d后,幼果中Csβ-Gal表达量的迅速上调,于6 d时出现表达峰,表达量为同时期去梢处理的4.65倍,除第9天外,其余时段的表达量均显著高于去梢的(图3-G)。离区中Csβ-Gal表达量变化趋势与幼果中的一致,夏梢生长同样促使离区中Csβ-Gal的表达量迅速上调,于第6天时出现表达峰值,为同时期去梢处理的6.86倍(图3-H)。而去梢处理的幼果、离区中的Csβ-Gal表达量总体表现稳定,试验期间变幅不大。

3 讨论

‘砂糖橘夏梢生长促进幼果迅速脱落,夏梢生长6 d后落果加速,15 d后近80%的幼果脱落,至果实成熟时,调查发现留梢处理的平均单株产量为12.6 kg,仅为去梢处理产量(53.1 kg)的23.7%,表明夏梢生长导致其产量锐减。

Cx通过降解各种葡聚糖聚合物的1,4-β-键,从而分解纤维素微丝、几丁质及蛋白质等复合体,在植物细胞壁降解中起重要作用,是促进幼果脱落的最主要功能酶[13-14]。本试验结果表明,夏梢生长显著促进了果实和离区中的Cx活性及其基因表达水平的提高,进一步分析发现该酶活性变化趋势与相对落果率变化趋势在时间进程上基本一致,相关性分析表明两者间显著正相关性(r=0.753**和r=0.700*),这表明Cx在‘砂糖橘夏梢调控幼果脱落过程中起重要作用。邱栋梁等[15]通过人工模拟酸雨的方式诱导龙眼幼果脱落,发现酸雨胁迫明显促进幼果的ABA含量和Cx活性的提高,认为酸雨可能通过改变内源激素含量及组成进而调控Cx活性,最终促进龙眼幼果脱落。笔者前期研究中也发现类似的现象[16],即夏梢生长促进幼果中ABA含量的提高,但ABA、Cx在幼果脱落调控中是否存在关联机制,尚有待进一步深入研究。

PG可通過降解大分子底物上非还原末端的单体及清除中性的侧链残基,从而水解植物细胞壁及胞间层的果胶物质,或对果胶网状物解聚作用[17]。已有的研究表明PG活性的升高[7]、或者PG基因表达上调[18]与植物组织脱落进程是相一致的。Jiang等[19]利用病毒诱导基因沉默技术(VIGS)特异性地沉默了番茄中PG表达后,能够延迟乙烯诱导番茄叶片的脱落和增加叶柄的断裂力,这证明了PG在调控植物器官脱落过程中的重要性。本试验中,夏梢生长均促进果实及离区中PG活性的上升,相关性分析表明酶活性与相对落果率显著正相关(r=0.659*和r=0.681*),表明PG在‘砂糖橘夏梢生长诱导幼果脱落过程中作用重要。苹果中,树冠喷施萘乙酸(NAA)促进落果,而氨基乙氧基乙烯甘氨酸(AVG)则可起抑制落果作用。Zhu等[20]在苹果中树冠喷施NAA,然后喷施AVG以抵消NAA的落果效应,发现苹果幼果脱落过程中,主要是离区中的PG表达受影响,而其他部位的PG受影响的程度相对较弱。本研究中也发现相似结果,即夏梢生长主要促进果柄离区中CsPG表达量的上调,而对幼果中的影响甚微。

PME加速果胶中的甲酯水解而形成果胶酸和甲醇,PME生理意义可能在于为PG作用准备底物,对果胶物质的降解起辅助作用[21]。PME在器官脱落方面有不同的结论,Wang等[8]应用外源乙烯促进番茄花梗脱落研究,发现PME活性的升高加速器官脱落,但也有PME与脱落无关[22]的报道,这可能与试验的材料、条件等不同所致。本试验发现,夏梢生长不影响‘砂糖橘幼果和离区中PME活性的变化,其酶活性与落果率的相关性不显著,对CsPME的表达量影响也不明显。因此,‘砂糖橘夏梢生长诱导果实脱落过程中PME的确切作用还需要进一步研究。

β-Gal可降解细胞壁结构从而使其变松弛,其功能主要与果实软化有关[23]。许多研究已证明,β-Gal与植物组织脱落相关,Wu等[24]在柑橘成熟果实脱落过程中,以及Agustí等[25]在乙烯促进柑橘叶片脱落过程中,均发现脱落组织中β-Gal的表达水平明显上调,但作者没有在生理层面进行相关研究。本试验发现,夏梢生长对幼果和离区中β-Gal活性的影响甚微,酶活性与落果率的相关性亦不显著,但明显促进Csβ-Gal的表达上调。

综合分析,‘砂糖橘夏梢生长诱导幼果脱落过程中,幼果及离区中Cx、PG的酶活性及基因表达水平得到不同程度的提高,认为它们是参与脱落调控的细胞壁降解关键酶。夏梢生长不甚影响β-Gal活性,但明显促进Csβ-Gal的表达上调,因此认为研究β-Gal参与‘砂糖橘夏梢生长调控幼果脱落机制时,应重点从分子水平上加以解析。夏梢生长不影响PME的活性及其基因表达水平,其作用机理尚待进一步研究。

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