植物单性结实的发生诱因及其机制研究

南思楠，邹薛，闫道良

（浙江农林大学林业与生物技术学院，浙江 杭州 311300）

单性结实是指天然或人工作用下使胚珠不经授粉而形成无籽果实的现象。单性结实可分为两类：天然单性结实和刺激性单性结实。目前，大部分农作物的生产繁殖都依赖于昆虫或人工授粉。近年来，由于气候变化、栖息地被破坏等自然或人为原因，自然界中充当传粉媒介的昆虫数量显著减少，致使农作物产量严重降低。单性结实不依赖授粉和受精，一个优点是在授粉失败时，仍能长出果实，为传播种子的动物提供食物；另一个优点是单性结实可以提高某些植物如番茄、黄瓜、茄子的产量、品质和经济效益。

本文结合国内外相关文献对植物单性结实的发生诱因及其形成机理进行研究，并对其今后的研究方向和开发利用提出建议。

1 天然单性结实

天然单性结实又称自发单性结实，指在自然条件下，不经传粉或其他任何刺激，便能发育结实的现象，如番茄、茄子、葡萄、柑橘、香蕉、菠萝、无花果、柿子、黄瓜等。这些植物的祖先都是靠种子传播的，由于种种原因，个别植株或枝条发生突变，形成了无籽果实。人们用营养繁殖方法，如扦插、嫁接等把突变枝条保存下来，形成了无核品种。这些无核品种的生长物质含量与一般有籽果实有一定不同，单性结实的内源激素IAA、GA 含量高且上升早。据分析，同一种植物，无种子的子房中生长素含量较有种子的高，尤其在开花期，无籽果的生长素含量就明显高于有籽果。此外，如一种柑桔，无种子的生长素含量为有种子的4 倍（前者鲜重为2.39 μg/kg，后者鲜重仅为0.58 μg/kg）。但不是所有物种产生单性结实，子房中含多数胚珠的容易产生单性结实，胚珠少的如核果类，就难产生单性结实。

2 刺激性单性结实

刺激性单性结实又称诱导单性结实，指需要通过某种外界因素的诱导才能引起单性结实的现象。诱导因素（刺激物）包括异种植物的花粉（如用爬山虎的花粉给葡萄授粉）、生长调节物质、天然提取物或其他化学物质。本文将刺激性单性结实形成的机理分为以下四类。

2.1 授粉诱导单性结实

将不亲和的花粉或其他植物的花粉授粉到柱头上，胚珠虽不会受精，却能诱发单性结实。如用四倍体日本夏橙（Citrus sinensis）的花粉给日向夏橙和八朔品种授粉都较易得到单性果实，这类果实与正常授粉的果实在品质和产量上没有很大的差异。另外，仲远研究表明，通过软X 射线发生仪（Soft-X-ray Unit OM-60R，OHMIC Ltd.）辐照花粉，诱导西瓜种子发生类似正常授粉情况下的激素信号活动，即细胞分裂素能诱导西瓜进行单性结实，且这种单性结实利用了生长素对西瓜坐果的诱导信号及赤霉素对果实膨大的诱导作用。因此，花粉刺激单性结实，本质上是激素的作用，西瓜上的试验证明了这一点。更为重要的是，激素能提供一种酶系统，而这种酶系统促进子房中激素的合成，从而确保坐果和果实生长。有研究发现，赤霉素能使无核枇杷果实糖代谢酶活力下降，甜度随之下降。在研究外源赤霉素诱导“巨峰”和“红地球”葡萄形成无籽果实机理时，发现超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性减弱。以上这些试验结果可以证明确实存在一种酶系统影响着单性结实的发生。

2.2 环剥诱导单性结实

环剥阻碍了生长素向根部的运送，使生长素大量积累在切口上而刺激单性结实，如周昌敏等对荔枝叶片进行环剥，发现叶片中生长素（IAA）含量明显提高，有效减少了落果，果实增产了57.9%。环剥还可使果实中的养分增多，如莫建军等对“华南9 号”甜木薯进行环剥栽培，发现甜木薯地上部分生长量及地下部分的产量均有所增加。也有研究表明，环剥“藤稔”葡萄的主干，发现果实风味及果色有明显的改善，果肉中可溶性固形物、蔗糖含量也有所增加，同时促进了枝条、叶片以及冬芽中碳水化合物的积累。周贤军等对幼龄的“糯米糍”荔枝主干进行环剥处理，发现能减少碳水化合物向根系转运，果实中赤霉素类物质以及降低脱落酸类物质的含量增加了，这两者比值的大小与坐果率的高低有密切关系。环剥处理能够改变单性结实系碳水化合物的运输状态，这主要是由一些差异蛋白引起的。贾利等研究表明，协调茄子单性结实系果实的碳水化合物代谢是一些差异蛋白，与非单性结实系相比，单性结实茄子在开花前上调差异蛋白94 个，下调差异蛋白85 个；在开花后上调差异蛋白99个，下调差异蛋白96 个。

2.3 振动诱导单性结实

已有试验证实，振动可诱发茄、瓜产生单性结实。大田里的植物较温室里的植物容易形成单性结实，可能是风吹引起振动的缘故。研究表明，在两年的大田试验条件下，茄、瓜单性结实品种Serverianin的9 个家系的单性结实率均高达97%~100%；在温室中时，单性结实率降低至10%~64%。而这9 个家系的后代再种植到大田时，单性结实率又提高到95%~97%。在大田条件下，风成为刺激子房发育的一个重要诱因。

2.4 化学诱导单性结实

在生产实践中，可用化学方法阻断某些植物正常产生种子的途径，使其无法形成正常的有籽果实。研究表明，外施生长素、细胞分裂素、赤霉素、矮壮素和青鲜素等都能诱导植物单性结实。主流的激素平衡理论认为，单性结实受到各激素复杂的交互作用影响，任南南研究植物生长调节剂对黄瓜单性结实的影响，结果表明，细胞分裂素、生长素和赤霉素合成相关基因及合成代谢在单性结实果实不同发育时期作用不同。不同植物有不同的最佳激素平衡浓度，且影响其结实的激素种类亦不同。大量研究表明，激素参与了果实的早期发育，并在坐果期和果实膨大生长过程中发挥了重要作用。

张立慧等对茄子的Aux/IAA 基因家族有一定的研究，基因在生长素的转导中起重要作用。其中，Sm IAA9 基因通过影响生长素信号的传导，促进植物出现单性结实性状。单性结实品系在开花前及开花当天的整朵花中IAA9 的表达量明显高于非单性结实品种。王万清等检测表明，当来源于叶片和子房的IAA 的浓度达到300 ng/g，单性结实能正常发育。

N-（2-chloro-4-pyridyl）-N’-phenylurea（CPPU）是细胞分裂素类的一种植物生长调节剂。李英等研究表明，CPPU 处理未受精的瓠瓜子房与NAA 和GA处理相比，不仅提高了坐果率，还能显著提高果实生长速度。王万清通过检测不同部位产生内源激素的种类和含量得出，来源于子房的GA和ZT能够促进果实单性结实形成的结论。

赤霉素对单性结实的发生是通过间接手段。唐茵心以“翠冠”梨为试验材料，测试出赤霉素处理调节未受精子房内生长素、脱落酸、乙烯等成分的高低，即促进单性结实果中赤霉素和生长素含量的合成。因此，在诱导单性结实过程中，赤霉素、生长素和细胞分裂素起协同作用。

在生理形态上，经100 mg/L 的 CPPU、NAA、GA诱导后形成的弱单性结实（黄瓜品系），其结实率、果实长度、横径和重量均有所提高。邓英毅以GA诱导枇杷单性结实，发现其机制为胚珠发育异常并逐步退化，以致胚败育。

在内源激素成分上，GA能与ABA 发生抑制作用，枇杷果实内ABA 含量有所下降，也是使胚异常发育的原因之一，因此果实中ABA 可能主要来自于败育胚珠。在单性结实系果实早期发育时，IAA、ABA、AR 的含量较后期高，外源激素处理和授粉主要通过诱导果实内IAA 和GA 含量的提高而促进结实。

在分子基因上，2，4-D 诱导的梨单性结实是通过促进GA的生物合成来实现的，3 个关键氧化酶基因：GA20ox、GA3ox 和 GA2ox，在 GA 生物合成途径中发挥作用。任南南通过不同处理分析不同发育阶段的激素合成的相关基因的表达，发现CYP735A2 和LOG2 是细胞分裂素合成相关基因、CsRR8/9b、CsRR8/9e、CsRR16/17 是细胞分裂素信号转导相关基因、AUX22 和AUX28 是生长素信号转导相关基因，这些相关基因在单性结实果实中表达量较非单性结实果实高；而赤霉素合成基因GA20ox在单性结实果实中表达量和非单性结实果实中类似，见表 1。

表1 主要激素的单性结实相关酶及相关基因[35]

3 假单性结实

单性结实形成无籽果实，但无籽果实并非全是单性结实所致。有些植物虽已完成了受精作用，但由于种种原因，如受精率下降、胚乳败育等导致胚珠的败育，而后胚的发育中止，而子房或花的其他部分继续发育，也可成为没有种子的果实。目前，大部分的研究是在假单性结实无核葡萄上，如江淑平等以 Flame Seedless、‘大粒红无核’和‘京可晶’3 个假单性结实无核葡萄品种为试材，发现胚早期发育的经历与有核葡萄品种发育阶段相同，但多数胚在发育至球形胚时，便停止生长并随之解体，只有个别可发育至心形胚或鱼雷形胚。此外，孙博等对假单性结实无核葡萄败育期进行研究发现，胚乳败育在胚败育之前，而胚的败育是胚乳败育失去养分导致的。亓桂梅以无核葡萄为实验材料，研究发现，假单性结实葡萄在花前2～3 周，用乙烯剂100 mg/kg 处理的果穗可以得到比例较大的具有萌发力的种子。

4 环境因素的影响

4.1 温度

温度是诱导植物单性结实的主要气象因子之一。李冰等以茄子单性结实系D-11 为材料，研究表明，低温是诱导茄子单性结实基因表达的主要环境因素。薛萍以单性结实品系的茄子为材料，研究表明，低温胁迫是茄子结实习性提高的原因。温度的高低，对内源生长素的合成及活性有一定的影响。杨连俊等研究表明，低温能够提高瓜类组织中生长素的活性或有利于GA 的合成。李艳玮等研究自然低温对茄子子房内源激素的影响，低温主要是在果实发育初期对玉米素核苷（ZR）及ABA 有影响，表现为日平均最低温度14.3 ℃不利于ZR 的合成，但显著提高了ABA 的含量，进而提高果实单性结实能力。也有研究表明，茄子单性结实系具有较强的耐冷性，冷害指数较非单性结实系显著低。低温会抑制植物的光合作用以及降低叶绿素含量，但对单性结实系影响较小。

4.2 光照

除温度以外，光照也是诱导植物单性结实的环境因素，其又可分为光强度以及光周期两个不同方面的因素。研究表明，弱光下容易形成单性结实。高秀瑞等以茄子单性结实品系和非单性结实材料为材料，以低温弱光胁迫处理，研究发现单性结实材料对弱光的利用能力较强，且低温弱光胁迫主要是通过改变光合机构内部的活性而影响上述两种材料幼苗的光合作用。

对于瓜类来说，夜间低温和短光照是增加单性结实的主要因素，如西葫芦在长日照下抑制了单性结实果实的发育，而在正常的日照条件下可获得最重和最长的果实。

5 遗传分析及分子机理

植物单性结实发生过程受到多种因素的影响，其中包括了遗传因素。上世纪九十年代，人们便开始注重单性结实遗传本质的研究，尤其是对茄子的研究，从Restaino 认为的茄子单性结实为1 对隐形基因控制，到Kuno 分析的茄子单性结实为单基因显性控制，再到为显性核基因遗传，茄子单性结实的遗传机制是存在多个基因控制的。不同材料遗传特性存在差异，如闫立英等以雌雄同株黄瓜单性结实为试验材料，研究发现其遗传受2 对主基因+多基因控制（E-1-0，E-1-2）。张立慧利用 PCR 技术，研究结果表明，茄子单性结实相关基因ARF 家族基因抑制果实的快速发育过程，推测GH3.6 基因主要在花发育及坐果阶段起作用，在果实快速发育阶段作用不明显。对黄瓜的单性结实及主效QTL 分析，有许多研究结果。位于2 号染色体上SSR00684-SSR22083 之间的Parthenocarpy 2.1 是控制黄瓜单性结实性状的主效QTL 位点，其他位点都为微效位点。PAR2.2 在两个不同的生长环境中均被检测到，可作为标记分子在黄瓜单性结实中筛选育种。

6 讨论

单性结实的应用非常广泛，在某些植物中，单性结实的增产效力相当显著，如用来制作腌黄瓜的黄瓜品种大多是经杂交选育的可单性结实品种。不过，目前植物单性结实仍存在一些问题，如研究的植物大部分是在葡萄、茄子、黄瓜、番茄等上，植物种类还不够广泛。因此，应加大资源的开发和创新；同时，积极与新型技术联合研究，开展单性结实的综合利用，具体包括：

（1）近年来，已有学者开始研究单性结实在转基因上的应用。如将金鱼草的启动子和萨氏假单孢菌（Pseudomonas syringae pv.savastanoi）合成色氨酸单氧酶（该酶可催化生长素形成）的基因结合，植入茄子中，茄子产量显著提高，甚至较未经转基因、但经激素处理的品种还高。今后，这种转基因技术可以应用到更多的单性结实系果实上。

（2）近年来，已发现振动诱导单性结实现象，但对具体的发生机理还不明确，需要进一步研究探讨。同时，有许多单性结实材料的研究已经涉及到基因层面，如单性结实果实的发育过程中的特异表达钙调素类似蛋白基因CML25-like，今后可以在此基础上，反过来作用于单性结实系果实的产量及质量的研究和开发。

（3）目前，植物生长调节物质能诱导和促进单性结实。如在自然条件下，一些核果类果树不能单性结实，但如用赤霉素和生长素混合处理，则可使甜樱桃和杏单性结实。今后，可用各种适当的植物生长调节物质来诱使各种果树和其他植物不经授粉受精而结果，增加经济效益。