园艺植物器官脱落研究进展

1、收稿日期：2010-10-16基金项目：国家自然科学基金项目（30871714、31071789、30900982）；国家农业科技成果转化项目（2009GB2B000065）；辽宁省教育厅创新团队项目（2008T174）作者简介：齐明芳（1976-），男，沈阳农业大学副教授，硕士，从事设施园艺与蔬菜生理研究。*通讯作者Corresponding author ：李天来（1955-），男，沈阳农业大学教授，博士，从事设施园艺与蔬菜生理研究。沈阳农业大学学报，201012，41(6 ：643-648Journal of Shenyang Agricultural University ，20101

2、2，41(6 ：643-648园艺植物器官脱落研究进展齐明芳，许涛，郭泳，李天来*（沈阳农业大学园艺学院/设施园艺省部共建教育部重点实验室，沈阳110866）摘要：器官脱落是指植物体的部分器官（如花、叶、果等）脱离母体的过程，一般发生在特定的区域离区，是细胞结构、生理生化代谢及基因表达等过程共同作用的结果。对园艺植物花器官脱落的离区结构及形成、脱落机理及调控研究方面的主要进展做一概述，重点讨论生长素与乙烯对脱落的调控机制，为进一步深入研究脱落机理提供思路与参考。关键词：园艺植物；器官脱落；生长素；乙烯；钙中图分类号：S601文献标识码：A 文章编号：1000-1700（2010）06-0643

3、-06Advance of Organ Abscission Research on Horticultural PlantsQI Ming-fang ，XU Tao ，GUO Yong, LI Tian-lai*(Collegeof Horticulture/KeyLaboratory of Protected Horticulture of Ministry of Education, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China Abstract ：Organ abscission is the term used to

4、 describe plant organs (flower,leaf, fruit, etc. separating from the parent plant. The progress generally occurs in a specific area -abscission zone, which is a highly coordinated event involving multiple changes in cell structure, metabolism and gene expression. This review details the structure an

5、d formulation of flower abscission zone, signals in abscission and the process of abscission, and the regulation of abscission. It focuses on the regulation mechanisms of auxin and ethylene, so as to provide ideas and guidances for further study on abscission research.Key words ：horticultural plant;

6、 organ abscission; auxin; ethylene; calcium器官脱落是指植物体的部分器官（如花、叶、果等）脱离母体的过程，这是植物界普遍发生的生理现象，由于其发生在特定位置，并且具有高度精确性、程序性以及研究的便易性等特点1，自20世纪初以来一直是植物生理学与发育生物学研究的热点。根据脱落的原因，大致可分为三类：正常脱落（如成熟果实、种子的脱落等）、生理脱落（如由于营养生长与生殖生长的不平衡导致的落花落果等）与胁迫脱落（如由于不适宜温度等逆境条件引进的花果脱落等）2。脱落对于园艺作物生产既有其有利的一面，也有其不利的一面。如在采收期促进叶片脱落有利于机械化采收，而多数

7、园艺作物的落花、落果问题却是影响产量与品质的重要因素。因此研究园艺植物器官脱落具有重要理论与实践意义。1脱落发生的特定部位离区的结构及形成研究脱落一般发生在一个可预知的、由特殊形态细胞组成的部位离区3。一般情况下，把器官或组织脱落的区域及其邻近部分称为“离区(abscissionzone ”，而把此区域内仅发生组织与细胞分离的数层细胞叫“离层(abscissionlayer ”。植物离区一般由550层细胞构成，细胞排列紧密，且较小，方形，具有质密的细胞质，能够感知脱落信号并发生细胞分离，引起器官脱落4。离区的形成受植物的遗传控制，目前已发现多个与离区形成有关的基因。JOINTLESS 基因与番

8、茄花柄离区发育直接相关5，该基因是一个MADS -box 基因，突变体jointless 植株不能发育成离区，是单隐性突变。遗传分析发现J 突变是由于第1个外显子的部分序列连同起始密码子的上游共939bp 的碱基缺失引起的。王翔等6认为，JOINTLESS 除了决定番茄花柄离区的发育之外，还参与花序的结构、果实形状、种子发育等生物学过程。陈晓博7获得了直接调控番茄离区发育基因JOINTLESS 的上游调控因子LeSPL 3，证明其参与植物花柄和花柄离区的发育过程，从而延伸了离区发育的分子调控路径。McKIM 等8在研究拟南芥离区时还发现编码促进形态第41卷沈阳农业大学学报不对称的冗余转录因子B

9、OP 1与BOP 2基因也参与了离区的形成，在双突变体bop1bop 2中，花器官离区不能形成，其他性状如叶柄发育和器官的非对称性生长等也受到不同程度的影响。TOBUHI 等9比较了番茄突变体jointless -2与野生型植株的离区形成过程，研究表明，花柄离层的分生组织细胞起源于萼片分化期花芽顶端表层以下1520层处，野生型花柄在开花期，离层细胞呈盘形，离层近旁的表皮组织明显向内皮层凹陷，而jointless -2基因型野生番茄花柄在开花期离层细胞由等径细胞组成，表皮组织轻微凹陷，说明jointless -2基因推迟了离层的形成与发育。然而，仅有离区并不等于植物器官会脱落，即离区是植物器官脱

10、落的必备条件，但离区形成并不一定会发生脱落，植物器官脱落启动需有特定信号。2脱落信号及脱落过程研究进展PATTERSON 10将脱落分为4个阶段：第一阶段为离区的形成；第二阶段为离区感受脱落信号，启动脱落进程；第三阶段为细胞分离并最终导致器官脱落；第四阶段为离区细胞分离及保护层的形成。2.1脱落信号及脱落的启动离区形成后，就具备了感知脱落信号的能力。THOMPOSON 与OSBORNE 4认为菜豆叶柄离区的中柱组织是感受脱落信号的重要部位。而启动脱落进程，则需离区感受脱落的信号。目前普遍认为这一过程受生长素与乙烯的共同调控，即生长素抑制脱落，而乙烯促进脱落，关于二者在调控脱落过程中的相互作用一

11、直是脱落调控研究的重点问题。ADDICOTT 等11提出了“生长素梯度理论”，认为不是叶片内生长素的绝对含量，而是通过离层两侧生长素的浓度梯度影响脱落。梯度大时，即远轴端生长素含量高，不易脱落；梯度小时，即近轴端生长素含量高于或等于远轴端的量，则促进脱落。目前普遍认为，离区的IAA 通过抑制离区对乙烯的敏感性而抑制脱落的发生，但这需要持续不断的生长素自上而下的极性运输。SEXITON 与ROBERTS 3将离区感受脱落信号、启动脱落过程分为两个阶段。在第一阶段，只响应生长素信号，生长素对脱落起抑制作用，而对乙烯不敏感，在第二阶段，则表现为对乙烯敏感，而生长素则促进脱落。因此，脱落的启动过程可能

12、是离区持续不断的生长素极性运输受到影响，打破了离区生长素与乙烯的平衡关系，诱导内源乙烯的合成或离区组织对乙烯的敏感性，从而诱发脱落。一些研究结果表明，乙烯对脱落起直接促进作用，多数脱落过程受到乙烯的调控，但也存在不依赖于乙烯的调控脱落调控过程。BUTENKO 等12发现了蛋白信号途径调控脱落过程，包括1个配体基因IDA （INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION ）基因及5个IDA 类似基因IDL (IDA -LIKE 参与了脱落过程，且这一过程不受乙烯的调控，IDA 过量表达则会促进脱落，并在离区产生以阿拉伯糖与半乳糖为主的白色物质。STENVIK 等13发

13、现IDA 与IDL 可以激活富含亮氨酸重复序列的类受体蛋白激酶(Leu-rich repeat receptor-like kinases ，LRR -RLKs HAESA (HAE 与HAESA -LIKE 2(HSL 2 ，从而诱导脱落过程的发生。另外，近期又发现几个新的不依赖于乙烯的脱落调控基因。其中，NEVERSHED （NEV ）属于小G 蛋白家族ARF 亚家族的GTPase 激活蛋白（ARF-GAP protein ），可以激活小G 蛋白的水解活性。拟南芥的nev 突变株表现为花器官不能正常脱落，离区细胞仍保持原来状态，没有发生分离现象，主要是由于nev 突变改变了高尔基体的结构，

14、从而阻断了细胞分裂所需分子的运输，抑制了脱落14。EVERSHED (EVR 是LESLIE 15在筛选拟南芥nev 突变体的恢复突变体时，发现的富亮氨酸重复序列类受体蛋白激酶基因，evr 突变株可以恢复nev 突变体的表型。LEWIS 等16发现DNA 结合蛋白基因AtDOF 4.7过表达可延迟脱落过程，且不受乙烯调控。SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR -LIKE KINASE1(SERK 1 是LEWIS 等17发现的另一富亮氨酸重复序列类受体蛋白激酶基因，serk 1突变株可以恢复nev 突变体的表型。2.2离区细胞分离及保护层的形成过程离区在感受脱落信号后开

15、始启动脱落，脱落过程主要是离区细胞分离并最终导致器官脱落母体。在这一过程中，主要是一些细胞壁降解酶与蛋白起作用。其中纤维素酶（cellulase ，EG ）、多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase ，PG ）、果胶（甲）酯酶（pectinmethylesterase ，PME ）、过氧化物酶（peroxidase ，POD ）、扩展蛋白（expansins ）、木萄聚糖内转糖苷酶（XET ）等的活性与脱落密切相关，齐明芳等18对此已作了较为详细的综述。由于离区结构的复杂性，决定了参与分离离区细胞的水解酶及蛋白的复杂性，目前虽已发现了大量脱落相关水解酶与蛋白，并研究了部分酶的性质1

16、9，但对这些酶与蛋白的协同作用还了解不多。644第6期齐明芳等：园艺植物器官脱落研究进展在众多水解酶及蛋白的作用下，离区细胞发生分离，解剖学观察可以看到离区细胞变大、变圆，在离区产生裂缝，最终形成离层。关于最早发生分离的部位，王彦昌20通过显微观察，认为微管组织区（Vr 细胞）与靠近微管组织的中央薄壁组织小细胞（Cp-1细胞）比最中间的薄壁组织细胞（Cp-2细胞）更早分离，在微管组织区形成连续的断裂面和区域性分离组织块，而一般维管束部分是连接最紧密也最难于断裂的组织。同时认为番茄花柄脱落中离区细胞在脱落过程中并没有增大，在完全分离前，出现极少数膨大的细胞是因为细胞壁的完全降解导致细胞游离。在离

17、层形成后，为了防止病原物的侵染，形成了保护层。在此过程中起主要作用的有苯丙氨酸解氨酶(phenylalanineammonialyase, PAL 、几丁质酶（chitinase ）、WRKY 蛋白等21。3脱落的调控研究进展许多研究已证实，植物器官脱落受众多因素的诱导，而所有外在因素的诱导均是通过一系列内在因素实现的。TAYLOR 与WHITELAW 1综述了发育及环境因子对脱落的诱导作用，如衰老、光照、水分胁迫、损伤与病原物侵染、臭氧等，而发育及环境因子对脱落的诱导作用主要是通过生长素与乙烯等物质调控脱落过程。3.1生长素对脱落的调控ADDICOTT 等11早在1955年就提出“生长素梯度

18、理论”，以及人们按照这一理论采用外源植物生长调节剂NAA （-Naphthaleneacetic Acid ）、IAA 、2,4-D （2,4-Dichloroacetic Acid ）等处理番茄花序起到抑制脱落的作用，为直至今日采用生长素类植物生长调节剂防止番茄落花、落果奠定了理论基础。试验证实，花柄上部（远轴端）花冠及子房部分的存在与NAA 、IAA 、或2,4-D 、STS(SilverThiosulphate 处理一样能起到抑制脱落的作用22-24，但喷施不适当浓度的生长素不具有抑制效果，这可能是因为不适当浓度的生长素会通过刺激乙烯的生成，从而促进脱落。生长素类对脱落的抑制不能被乙烯利

19、逆转，而脱落促进剂ACC(1-Aminocyclopropane-l-carboxylic Acid 的效果可以被IAA 逆转25-26。切去叶片的叶柄远轴端施用生长素，脱落被延缓，但是随着施用时间的推迟，抑制效果逐渐丧失，甚至出现加速脱落的逆转现象。可见外源生长素对器官或组织脱落既存在抑制的作用，也有促进的作用。因此，脱落器官或组织的离区两端及离区的生长素梯度是否普遍存在于所有植物中还无定论，而且这种生长素梯度是否就是脱落的起因抑或是脱落被启动后的生理反应还不能断定。生长素的作用依赖于生长素响应因子(auxinresponse factor ，ARF ，大多数的ARF 蛋白有三个结构域：一个

20、N 末端DNA 结合域，一个C 末端可以与AUX/IAA结合形成AUX/IAA-ARF，中间区域负责活化或抑制基因转录，它们可以与生长素反应元件（auxin response element, AuxRE ）的TGTCTC 结构结合，从而活化或抑制受生长素调控的基因表达，调控生长素许多生理效应27。当细胞处于低浓度生长素条件时，AUX/IAA与ARF 结合形成AUX/IAA-ARF，从而抑制ARFs 的活性。当生长素浓度升高时，生长素与TIR1结合，可促进AUX/IAA的泛素化途径水解，AUX/IAA-ARF解离，进而激活ARFs ，引起生长素反应基因的表达28。目前在拟南芥中只发现arf 2

21、突变株延缓植物花器官脱落的过程29，ARF 2调节叶片衰老和花器官脱落，其他的ARF 基因虽然不能直接调控脱落，但仍对脱落起到一定的作用。例如arf 1突变增强许多arf 2表型，表明在功能上ARF 1与ARF 2是部分冗余，证实ARF 1是一个辅助调控脱落转录抑制子。另外两个基因，NPH 4/ARF 7和ARF 19，也诱导衰老，增强arf 2在脱落中的表型。左鲜红30共鉴定出19个番茄的Aux/IAA基因序列，其中SlIAA2，3，4，5，7，9，12，13，14，16，17, ，26，27和29可能是IAA 延缓脱落的重要因子，并推测SlIAA4，16和29可能是影响脱落快慢的关键因子。

22、生长素在植物器官脱落中表现为与乙烯拮抗作用，离区中生长素可能通过调控乙烯受体ETR 或ERS1而影响细胞对乙烯的敏感性31，生长素浓度高，则降低细胞对乙烯的敏感性。3.2乙烯对脱落的调控大量研究表明，乙烯是脱落的有效促进剂。AGUST 等32利用基因芯片分析了乙烯诱导柑桔叶片脱落过程的基因表达情况，在离区中检测到216个基因，而在离区相近的叶柄中检测到509个基因，涉及到细胞壁降解、脂质转运、蛋白合成与降解、信号转导与转录调控等。关于乙烯诱导植物器官脱落的机制研究目前已有许多报道。现有的研究结果已表明乙烯诱导植物器官脱落的相关基因主要有以下几类：第一类是乙烯反应基因PR645第41卷沈阳农业大

23、学学报图1脱落调控模式Figure1Model of abscission regulation(pathogenesis-relatedproteins ，其基因表达受乙烯诱导上调；第二类是植物器官脱落信号调控基因，如参与乙烯诱导脱落过程中信号传递的乙烯受体基因ETR 1和EIN 2，其突变体由于对乙烯不敏感而延缓脱落的发生；第三类是乙烯诱导植物器官脱落的相关基因，如纤维素酶（EG ）和多聚半乳糖醛酸酶（PG ）基因等。3.3钙对脱落的调控近年来，关于钙素抑制植物器官脱落已有一些研究。POOVAIAH 33在研究菜豆叶柄脱落时，发现离层细胞壁中Ca 2+减少，并认为钙是脱落的一种抑制剂。TI

24、RLAPUR 等34利用CTC-Ca 2+荧光方法测定膜结合态Ca 2+分布变化表明，桃果实早期脱落之前离层细胞和近轴端果柄及果实薄壁细胞内CTC-Ca 2+荧光程度相似；脱落开始时，离层细胞中膜结合态Ca 2+瞬时增多，这时可能激活了脱落有关的代谢，如刺激多聚半乳糖醛酸酶、核酸酶活性增高，由此进一步促发了离层细胞解离与物质降解。近年来本课题组研究证实Ca 2+在番茄器官脱落中具有调控作用，单独增施Ca 2+可抑制离体培养的番茄花柄脱落，而在先施乙烯条件下，再施Ca 2+则可促进离体培养的番茄花柄脱落35-36。钙可放大乙烯诱导番茄花器官脱落及其相关酶基因表达的作用，而无外源乙烯条件下，钙可能

25、参与了生长素对脱落的调控途径，从而抑制番茄花器官的脱落及其相关酶基因的表达37-38。4研究趋势与展望器官脱落问题是一个老问题，随着现代生物技术的发展，研究者再次深入研究脱落的生理及分子机制，对于这一过程的总体归纳如图1。由于这一过程发生及调控的复杂性，对脱落的深层机制仍了解不多，如离区的形成及细胞分离机制、脱落的信号物质、脱落过程中各调控途径的相互作用、脱落与衰老的关系等问题，因此，如何更深层次地阐述这一过程的生理及分子机制，仍需相当长时间的研究与探索。随着基因组学与蛋白质组学的发展，大规模挖掘脱落相关基因与蛋白成为可能，也大大加快了对脱落机理的研究。如张凌云39进行了乙烯诱导下柑橘果实离层

26、的表达谱分析，检测到20639探针组对应的基因表达；MEIR 21等利用基因芯片鉴定出1200余个脱落相关基因，分析了脱落过程中乙烯与生长素的相互作用。另外，XIAO 等40建立一套生产线，可高通量地生产拟南芥中表达量较低基因的带GFP 启动子报告基因的转基因系，用于分析这些低表达量基因在活体中的表达模式，这不仅对研究拟南芥基因的功能及表达模式提供了便利，而且也为脱落的分子机制研究提供了可借鉴的途径。646第6期参考文献：1TAYLOR J E, WHITELAW C A. Signals in abscissionJ.NewPhytologist,2001,151(2:323-339.2武维

27、华. 植物生理学M.2版. 北京:科学出版社,2008:439.3SEXTON R, ROBERTS J A. Cell biology of abscissionJ.AnnualReview of Plant Physiology,1982,33:133-162.4MCMANUS M T. Further examination of abscission zone cells as ethylene target cells in higher plants J.Annals of Botany, 2008,101(2:285-92.5MAO L, BEGUM D, CHUANG H W,

28、 et al. JOINTLESS is a MADS-box gene controlling tomato flower abscission zone developmentJ.Nature,2000,24,406(6798:910-3.6王翔. 番茄花柄离区发育的分子生物学研究D.北京：中国农业科学院,2008. 7陈晓博. 参与番茄花柄离区发育的转录因子SPL 3的基因功能研究D.北京:中国农业科学院,2010. 8MCKIM SM, STENVIK GE, BUTENKO MA, et al. The BLADE -ON -PETIOLE genes are essential f

29、or abscission zone formation in Arabidopsis J.Development,2008,135(8:1537-46.9TABUCHI T. Comparison on the development of abscission zones in the pedicels between two tomato cultivars J.Journal ofthe Japanese Society for Horticultural Science,1999,68(5:993-999.10PATTERSON SE. Cutting loose:Abscissio

30、n and dehiscence in Arabidopsis J.PlantPhysiology,2001,126(2:494-500.11ADDICOTT FT, LYNCH RS, CARNS HR. Auxin gradient theory of abscission regulation J.Science,1955,29,121(3148:644-645.12BUTENKO MA, STENVIK GE, ALM V, et al. Ethylene-dependent and -independent pathways controlling floral abscission

31、are revealed to converge using promoter:reportergene constructs in the ida abscission mutant J.Journalof Experimental Botany, 2006,57(14:3627-3637.13STENVIK GE, TANDSTAD NM, GUO Y, et al. The EPIP peptide of INFLORESCENCE DEFICIENT IN ABSCISSION issufficient to induce abscission in arabidopsis throu

32、gh the receptor-like kinases HAESA and HAESA-LIKE 2J.PlantCell, 2008,20(7:1805-1817.14LILJEGREN SJ, LESLIE ME, DARNIELLE L,et al. Regulation of membrane trafficking and organ separation by theNEVERSHED ARF-GAP protein J.Development,2009,136(11:1909-1918.15LESLIE ME, LEWIS MW, YOUN JY, et al. The EVE

33、RSHED receptor -like kinase modulates floral organ shedding inArabidopsis J.Development,2010,137(3:467-76.16WEI PC, TAN F, GAO XQ, et al. Overexpression of AtDOF 4.7, an Arabidopsis DOF family transcription factor, inducesfloral organ abscission deficiency in Arabidopsis J.PlantPhysiology,2010,153(3

34、:1031-1045.17LEWIS MW, LESLIE ME, FULCHER EH, et al. The SERK1receptor-like kinase regulates organ separation in Arabidopsisflowers J.PlantJ,2010,2.18齐明芳, 李天来, 许涛, 等. 园艺作物器官脱落相关酶的研究进展J.北方园艺,2007(6:62-65.19齐明芳, 徐杨, 李天来, 等. 与番茄花柄脱落相关的多聚半乳糖醛酸酶的分离纯化和特性J.植物生理学通讯,2008,247(03:404-408.20王彦昌. 番茄花柄外植体脱落的生理机制D

35、.沈阳：沈阳农业大学,200321MEIR S, PHILOSOPH-HADAS S, SUNDARESAN S, et al. Microarray analysis of the abscission-related transcriptome in thetomato flower abscission zone in response to auxin depletionJ.PlantPhysiology,2010,154(4:1929-1956.22ROBERTS JA, SCHINDLER CB, Tucker GA. Ethylene-promoted tomato flower

36、 abscission and the possible involvement of aninhibitorJ.Planta,1984,160:159-16323DOSTAL DL, AGNEW NH, GLADON RJ, et al. Ethylene, simulated shipping, STS, and AOA affect corolla abscission ofnew guinea impatiensJ.HortScience,1991,26:47-4924OBERHOLSTER SD, PETERSON CM, DUTE RR. Pedicel abscission of

37、 soybean:cytological and ultrastructural changesinduced by auxin and ethephonJ.CanadianJournal of Botany,1991,69,2177-86.25GOSZCZYNSKA DM, ZIESLIN N. Abscission of flower peduncles in rose (Rosahybrida plants J.Scientia Horticulturae,1993,54(4:317-326.26陆定志, 傅家瑞, 宋松泉. 植物衰老及其调控M.北京:中国农业出版社,1997:65-92

38、.27HAGEN G, GUILFOYLE T. Auxin-responsive gene expression:genes, promoters and regulatory factors J.PlantMolecularBiology,2002,49:373-385.齐明芳等：园艺植物器官脱落研究进展647 648 沈 阳 农 业 大 学 学 报 第 41 卷 J.Trends in Biochemical Sci - 28 GRAY WM, ESTELLE M. Function of the ubiquitin-proteasome pathway in auxin respons

39、e ences,2000,25:133-138. 29 ELLIS CM, NAGPAL P, YOUNG JC, et al. AUXIN RESPONSE FACTOR1 and AUXIN RESPONSE FACTOR2 regulate senescence and floral organ abscission in Arabidopsis thaliana J.Development,2005,132(20:4563-74. 30 ZUO XH, XU T, LI TL. The Role of calcium in mediating SlIAAs expression in

40、tomato pedicel explants J.Agricultural Sci ences in China,2010,9(7:980-984. 31 MEIR S, HUNTER DA, CHEN JC, et al. Molecular changes occurring during acquisition of abscission competence following auxin depletion in Mirabilis jalapaJ.Plant Physiology,2006,141(4:1604-16. 32 AGUSTI J, MERELO P, CERCOS M,