植物学通报 1998,15(1):27~36
ChineseBulletinofBotany
赤霉素与果树的生长发育
马焕普 刘志民
(北京农学院园艺系 北京 102206)
摘要 本文分析讨论了分子结构不同的赤霉素在生理作用上的差异,以及不同种类赤霉素对果树不同生长发育阶段的影响,介绍了与果树生长发育相关的赤霉素类型,并指出了今后在研究应用上须解决的问题。
关键词 赤霉素,果树,生长发育
GIBBERELLINSANDFRUITTREEDEVELOPMENT
MAHuan-Pu LIUZh-iMin
(DepartmentofHorticulture,BeijingAgriculturalCollege,Beijing102206)
Abstract Theeffectsofdifferetgibberellinstructureonthephysiologicalfunetionandongrowthanddevelopmentoffruittreeduringdifferentphaseswerediscussed.Thetypesofgibberellinrelatedtofruittreegrowthdevelopmentandtheaspectsofstudyandapplicationinthisareahenceforthwerepointedout.
Keywords Gibberellin,Fruittree,Growth,Development
赤霉素作为重要的促生长激素受到人们的高度重视。从基础理论到实践应用均进行了大量研究。新的GA种类及不同种类GA的生理作用不断被发现。其中很多种GA是在果树作物中发现的(横田,1995;Denis等,1966;Yamaguchi等,1975;Bottini等,1985;Blake等,1993;Hedden等,1993;Nakayama等,1996),它们在果树的生长发育过程中起着非常重要的作用,可以说GAs参与了果树生长发育的各个环节。已有的研究证明,不同种类的GA在不同树种、不同品种,以及同一品种的不同生长发育阶段其作用有区别,并且它们在果树上的作用有些和一年生作物不同,甚至有些是相反的。然而,不同分子结构的GA对果树生长发育调控方面的研究报道尚不是很多,为此,今将已有研究进展概述如下,以抛砖引玉,使该方面的研究能够更深入。
1 GA种类
自50年代GA的化学结构被确定以来,到目前为止,GA被分离鉴定并命名的有108种,结构式如图1(横田,1995)。它们当中很多是从果树中首次分离出来的,早在60年代Dennis等就从未成熟的苹果种子中分离出了GA4和GA7。70年代Yamaguchi等又从未成熟的桃(Prunuspersica)种子中分离出了GA5和GA32。后来Bottini(1985)又在发育中的杏(Prunusarmeniaca)种子中分离出GA1、GA5、GA29和GA32。英国学者Blake和Browning等(1993)从樱桃(P.avium)幼果中分离出一种极性很强的GA(12-A-OH3)。
1期马焕普等:赤霉素与果树的生长发育 31
图1 GA1,GA108的结构式,(见参考文献4,6,7,10,18,34,35,38,41,44,54,55)
(P):表示从植物中分离出的;(F):表示从真菌中分离出的。
同时英国学者Hedden等(1993)从发育中的苹果(MalusdomesticacvSunSet种子中分离出另一种新的GA(9111-双脱氢GA4,定名为GA88。相继GA95,GA103至GA108又分别在樱桃(P.cerasus)和苹果种子中获得(Nakayama等,1996;横田,1995)。到目前为止,仅在苹果种子中就发现含有GA近30种,即GA1、GA3、GA4、GA7、GA8、GA9、GA15、GA17、GA19、GA20、GA24、GA29、GA34、GA35、GA44、GA51、GA53、GA54、GA61、GA62、GA63、GA68、GA88、GA103、GA104、GA105、GA106、GA107、GA108(Dennis等,1966;Hedden等,1993;Steffen等,1991;横田,1995)。
随着新的GA种类的不断发现,GA种类之间的转化、代谢、合成及其生理作用上的差异也不断被揭示。
2 GA种类与果树矮化
GA最令人瞩目的生理作用之一是对植株高矮的控制。研究发现植株高矮与其体内的GA类型及其合成代谢途径密切相关,一般植物营养器官中GA的合成、代谢以图2所示的途径进行(Fujioka等,1990;Hedden等1992;Steffen等,1992a;1992b)。以玉米和碗豆为例,普通植株内GA1的合成是正常的,而在矮化植株里GA1的合成途径受到阻遏,GA20不能转化为GA1而转化为GA29(Ingram等,1984;Spray等,1984),因而减少了GA1在植株内的含量,植株表现矮化,因为茎的生长主要是由GA1控制的(Ingram等,1984;MacMillan,1987)。
在果树作物中虽然至今未弄清楚哪些GA直接控制植株的高矮,但早在1971年I-brahim等就从矮化性状强的苹果砧木中分离出活性较低的GA类物质,而在矮化性状弱的砧木中分离出活性较高的GA类物质。Looney等(1984)对紧凑型苹果Wijcik中的GAs的GA2,19。
32 植物学通报15卷而短枝型品种Macspur,Morspurmac和普通旭中GA3的含量分别为24、30和26ng/g干重,非极性GA无差别,而GA1的含量则都很低。Saavedra等(1989)也发现矮化和半矮化苹果树中GA在种类上有差别。外用GA3可使Wijcik生长量增加,但仍达不到普通型植株的大小,由此可见了果树的高矮与GA种类有关。Steffen等对苹果树矮化与GAs之间的关系做了进一步研究。他们把正常的和温度敏感型矮生两种类型的苹果树置于变温20~35~20e和恒温27e两种条件下,正常植株在两种条件下生长都很快,内源GA1、GA3、GA8、GA19、GA20和GA29的水平也相似,而温度敏感型矮生植株在27e条件下生长快和正常植株几乎没有差别,但在变温条件下则生长缓慢,表现矮化,测定内源GAs水平,GA19的含量矮化型比普通型高3倍之多,其它GAs含量则相反,矮化型比普通型低40%甚至更少(Steffen等,1989;1991;1992a;1992b)。其原因有两种可能,(1)变温降低了GA19向GA20的转化速率,而使植株表现矮化。(2)矮化果树的GA代谢途径可能与一年生作物(玉米、豌豆)不同(见图
2)。更值得注意的是外用GA1、GA3、GA4也不能刺激矮生植株在变温条件下恢复生长,并且在温度为15~38~15e的田间条件下亦然(Steffen等,1989)。这表明变温不仅阻碍和改变了GA的代谢方向,而且使植株丧失了对GAs
的敏感性。
图2 一般植物中GA的部分合成、代谢途径
我们知道植株矮化有两种类型,一种是GA敏感型,即外用GA可使其长高。一种是GA非敏感型,即外用GA不能使其长高。研究者认为原因是前者GA受体含量高,后者缺乏GA受体之故。然而,控制GA受体多少的因子是什么?是遗传型还是与代谢方向相关联,弄清这些问题对矮化机理的阐明是极为重要的。
3 GA种类与果树阶段发育和成花
由图1可知,赤霉素化学结构的基本骨架是赤霉烷,含有4个碳环,根据碳原子总数可分为C19和C20两类。即C19-GAs和C20-GAs,它们的生理作用因双键、羟基数目和位置的不同而有差异,虽然受人工合成种类的限制,人们还不能对每一种GA的生理作用搞清楚,但据为数不多的GAs在果树上的试验结果已证明了这一点。
果树不同于一年生作物,其营养生长和生殖生长共存,果实生长和花芽孕育共存,它们之间的竞争能力很大程度上取决于各器官中激素种类和水平的差异。研究最多的是果实生长和花芽分化这对矛盾,研究发现授粉后不久子房内便产生GA和IAA,在幼果生长期间,其发育中的种子产生大量的GA并扩散到附近短枝内,抑制其花芽的孕育和分化(Gro-,种
1期马焕普等:赤霉素与果树的生长发育 33GA,不同种GA对花芽分化的抑制程度不同,在苹果花芽分化前喷布GA3会强烈地抑制其花芽的形成,喷布GA4+7的混合剂,这种作用则小的多,单用GA4则几乎无此作用(Tromp,1982)。Browning以及Olivera等(1993)研究了GA1、GA3、GA4、GA5、GA7、GA9、GA20和2,2-二甲基GA4对成年和童年樱桃生长和开花的影响,他们发现GA1,GA4,GA5对樱桃花芽形成的抑制程度只有9~17%;而GA7则为43%;GA3为65~71%,2,2-二甲基GA4为78%;GA9和GA20则无此效应。由此看出,抑制花芽分化的GAs有特殊的结构,即A环的第2位置上是双键。从图1GAs的分子结构可知,GA3和GA7在该位置上是双键,故可强烈地抑制花芽分化。而GA1、GA4、GA5、GA9和GA20该位置上是单键,所以几乎没有效应。如果在GA4的该位置上增加两个甲基,即成为2,2-二甲基GA4,抑制花芽分化的作用比GA7和GA3还强。但是由长日照诱导开花的毒麦属植物(Loliumtemulentum)的情况则不同,GA32、GA5、2,2-二甲基GA4、GA3、GA4都促进花芽分化,GA32的作用最强(Pharis等,1987)。所以GAs的生理作用在不同作物上的差异是不容忽视的。
GAs对不同发育阶段枝条生长的作用也有差异,GA1、GA3、GA4和GA7促进成年树枝条生长的作用相似,而对实生苗生长的作用GA3和GA7比GA1和GA4强,2,2-二甲基GA4对两种树的生长几乎没有作用(Olivera等,1993),由此可以看出,促进实生苗枝条伸长的GAs的结构与抑制成花的GAs的结构很相似(2,2-二甲基GA4除外)。由此推测在A环第2位置上含有双键的GAs(如GA3和GA7)对恢复童年性状可能是非常有效的。
GA促进返童的技术已应用于生根难的砧木自根苗的繁殖。如在砧木母株上喷布GA3,再加避光措施,可明显促进枝条的生根。GA抑制花芽分化已广泛应用于调节苹果树的大小年结果(马焕普等,1987)。Mcartney(1994)报道330ppmGA3或GA4+7在小年时应用可明显减轻/Braeburn0苹果的大小年结果。
4 GA种类与坐果和果实生长
前面已经谈到发育中的种子会产生大量的GA,且种类之多。其作用除抑制花芽形成之外,还有一个重要作用就是促进坐果和果实生长使其在养分竞争上处于优势。虽然坐果机理是一个极其复杂的过程,但GA的作用是不容忽视的。研究表明授粉后不久GA的出现会诱导生长素活性上升。葡萄(玫瑰露)盛花前10天用GA浸沾花序,可诱导生长素水平上升10倍。另外,外用GA还可代替种子而引起单性结实。研究者发现在花后3天内单性结实的葡萄、柿的子房中GA的含量比有籽果实高出3倍之多。Yuda等将一定浓度的GA45、GA4+7、GA15和GA24涂在盛花后3周去胚的梨幼果上,可以代替胚而使果实正常发育,其中活性最高的是GA4+7。Browning(1991)曾做过这样的试验,花前将梨(Confference)的花去掉而留下花梗,然后在不同时期用GA4+7处理花梗,结果花梗发育为果实形状,并持续到采收而不脱落。这充分说明GA与果实的生长发育密切相关,并且起作用的GA种类因树种而表现出明显的不同。在促进苹果坐果和单性结实上GA4和GA7表现出比GA3更好的效果。GA4和GA7还可明显地增加苹果的果形指数(Looney等,1992),GA3则基本无此作用,但促进果实膨大的效果却更好一些。在核果类(如樱桃)上GA32则有更好的促进果实生长,
34 植物学通报15卷究。另外给樱桃幼果饲喂3H-GA1,很快转化为包括GA8在内的其它GA(马焕普等,1996),在层积前后的苹果种子中也未发现GA1(马焕普等,1996)。说明不同类型的果实和果实的不同发育阶段可能受特定GA结构的控制,但缺乏足够的证据,有待进一步研究。
5 GA种类与萌发
萌发包括种子萌发和芽萌发,二者有很多相同之处,都是由休眠状态转入生长状态,并且都需要一定量的低温。人们对低温累积过程中种子(或芽)内发生的一系列生理生化变化进行了不少研究,证明低温最初作用的因子是内源激素,在五大类激素中除ABA之外受低温影响最大的就是GA类物质(马焕普等,1996),研究涉及的内源GA种类有GA1、GA3、GA4、GA7、GA9等(马焕普等,1996;Halliska等,1987)。桃种子内受低温影响最大的是GA3和GA7(Mathur等,1971),随着低温日数的增加,GA3和GA7的水平上升,种子的萌发能力也随之增加。Halliska等(1987)则认为在苹果种子中GA4和GA7对低温解除休眠起主要作用。但马焕普等(1996)的研究结果与之不同,她们用GC-MS的分析结果表明在低温的作用下GA4的含量变化并不大,而变化较大的GA类型与桃类似,也是GA3和GA7,但两种GA的变化场所不同,GA3主要在子叶中,GA7主要在胚轴中,并且这种变化与种子的萌发能力显著相关。GA9则在低温处理后期才增加,并直至萌发一直处于高水平(Halliska等,1987)。一般外用GA3处理种子,只能部分促进种子萌发(Sinska,1989)。外用GA87促进樱桃种子萌发的作用比GA3强(资料未发表)。上述结果表明,种子的萌发不仅受GA种类的控制,而且种子的不同器官中起作用的GA种类也不同。
芽萌发所需的低温积累量与GA之间的变化研究不多,但随着果树设施栽培的增多,有必要加强这方面的研究。
6 GA作用的分子生物学基础
由于GA种类之多,相互之间的转化以及代谢途径尚未完全清楚,所以,在GA作用的分子生物学基础研究方面进展不是很快。但已往的研究证明GA可调节多种酶的形成(Chandler等,1984;Evins等,1990),其中了解的最清楚的是GA对A-淀粉酶的调节机制,研究者将从真核细胞中提取的mRNA放在含有小麦胚芽提取物的反应系统中,并加入放射标记的氨基酸,观测mRNA翻译A-淀粉酶的情况。通过特异单克隆抗体对A-淀粉酶的捕捉、电泳分离、放射性测定等发现GA明显促进了A-淀粉酶mRNA的翻译活性。后来又通过cDNA和mRNA杂交技术等发现,GA不仅促进了A-淀粉酶mRNA的翻译活性,而且也明显增加了它的含量(Chandler等,1984;Mozer,1980)。由此证明GA促进A-淀粉酶的合成是在转录和翻译两个水平上。但从GA的结构分析,它直接识别DNA的碱基序列是不太可能的,有人推测GA可能是通过受体或结合蛋白与细胞膜上特定因子的结合体识别碱基序列,但尚缺乏证据。
另一方面的研究就是GA受体或结合蛋白的研究。我们知道激素本身在植物体内的含量就很低,再将其更微量的结合蛋白提纯出来就更难。所以自70年代开始对GA受体研究以来,进展不够理想(Napier等,1990),研究者用标记的GA1、GA3、GA4等分别做了尝试,但(,
1期马焕普等:赤霉素与果树的生长发育 351982)。也就是说成功地定位、分离GA结合蛋白的技术体系至今尚未建立(Napier等,1990)。有人提出可采用免疫组织化学定位的间接方法,例如就GA1而言,可通过2B和3B羟化酶的单克隆抗体和游离GA的单克隆抗体,首先定位GA20向GA1转化和GA1向GA8转化的位点。另外利用GA生物素结合体作GA结合蛋白的探针,GA分子与抗体结合,其生物素分子可被生物素结合蛋白识别,再与GA代谢酶的抗体结合(Knox等,1987;Beale等,1986)。这可能对研究GA结合蛋白以及GA的作用机理是非常有用的,这方面的工作正在进展中。
综上所述,GA在果树上的研究取得了不少成绩,但与大田作物相比差距还很大,尤其在GA的合成、代谢、分子生物学基础等领域的研究尚很薄弱。由于果树自身的生长特点,GA对它的作用也不同于其它植物,甚至有些作用是相反的。因此,在应用研究的基础上加强作用机制的研究是十分必要的,也是进一步推动应用研究所必需的,当然难度也很大,这需要果树学科的研究人员与其它学科的研究人员通力合作,才有可能在机理上取得突破。
参考文献
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赤霉素作为重要的促生长激素受到人们的高度重视。从基础理论到实践应用均进行了大量研究。新的GA种类及不同种类GA的生理作用不断被发现。其中很多种GA是在果树作物中发现的(横田,1995;Denis等,1966;Yamaguchi等,1975;Bottini等,1985;Blake等,1993;Hedden等,1993;Nakayama等,1996),它们在果树的生长发育过程中起着非常重要的作用,可以说GAs参与了果树生长发育的各个环节。已有的研究证明,不同种类的GA在不同树种、不同品种,以及同一品种的不同生长发育阶段其作用有区别,并且它们在果树上的作用有些和一年生作物不同,甚至有些是相反的。然而,不同分子结构的GA对果树生长发育调控方面的研究报道尚不是很多,为此,今将已有研究进展概述如下,以抛砖引玉,使该方面的研究能够更深入。
1 GA种类
自50年代GA的化学结构被确定以来,到目前为止,GA被分离鉴定并命名的有108种,结构式如图1(横田,1995)。它们当中很多是从果树中首次分离出来的,早在60年代Dennis等就从未成熟的苹果种子中分离出了GA4和GA7。70年代Yamaguchi等又从未成熟的桃(Prunuspersica)种子中分离出了GA5和GA32。后来Bottini(1985)又在发育中的杏(Prunusarmeniaca)种子中分离出GA1、GA5、GA29和GA32。英国学者Blake和Browning等(1993)从樱桃(P.avium)幼果中分离出一种极性很强的GA(12-A-OH3)。
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图1 GA1,GA108的结构式,(见参考文献4,6,7,10,18,34,35,38,41,44,54,55)
(P):表示从植物中分离出的;(F):表示从真菌中分离出的。
同时英国学者Hedden等(1993)从发育中的苹果(MalusdomesticacvSunSet种子中分离出另一种新的GA(9111-双脱氢GA4,定名为GA88。相继GA95,GA103至GA108又分别在樱桃(P.cerasus)和苹果种子中获得(Nakayama等,1996;横田,1995)。到目前为止,仅在苹果种子中就发现含有GA近30种,即GA1、GA3、GA4、GA7、GA8、GA9、GA15、GA17、GA19、GA20、GA24、GA29、GA34、GA35、GA44、GA51、GA53、GA54、GA61、GA62、GA63、GA68、GA88、GA103、GA104、GA105、GA106、GA107、GA108(Dennis等,1966;Hedden等,1993;Steffen等,1991;横田,1995)。
随着新的GA种类的不断发现,GA种类之间的转化、代谢、合成及其生理作用上的差异也不断被揭示。
2 GA种类与果树矮化
GA最令人瞩目的生理作用之一是对植株高矮的控制。研究发现植株高矮与其体内的GA类型及其合成代谢途径密切相关,一般植物营养器官中GA的合成、代谢以图2所示的途径进行(Fujioka等,1990;Hedden等1992;Steffen等,1992a;1992b)。以玉米和碗豆为例,普通植株内GA1的合成是正常的,而在矮化植株里GA1的合成途径受到阻遏,GA20不能转化为GA1而转化为GA29(Ingram等,1984;Spray等,1984),因而减少了GA1在植株内的含量,植株表现矮化,因为茎的生长主要是由GA1控制的(Ingram等,1984;MacMillan,1987)。
在果树作物中虽然至今未弄清楚哪些GA直接控制植株的高矮,但早在1971年I-brahim等就从矮化性状强的苹果砧木中分离出活性较低的GA类物质,而在矮化性状弱的砧木中分离出活性较高的GA类物质。Looney等(1984)对紧凑型苹果Wijcik中的GAs的GA2,19。
32 植物学通报15卷而短枝型品种Macspur,Morspurmac和普通旭中GA3的含量分别为24、30和26ng/g干重,非极性GA无差别,而GA1的含量则都很低。Saavedra等(1989)也发现矮化和半矮化苹果树中GA在种类上有差别。外用GA3可使Wijcik生长量增加,但仍达不到普通型植株的大小,由此可见了果树的高矮与GA种类有关。Steffen等对苹果树矮化与GAs之间的关系做了进一步研究。他们把正常的和温度敏感型矮生两种类型的苹果树置于变温20~35~20e和恒温27e两种条件下,正常植株在两种条件下生长都很快,内源GA1、GA3、GA8、GA19、GA20和GA29的水平也相似,而温度敏感型矮生植株在27e条件下生长快和正常植株几乎没有差别,但在变温条件下则生长缓慢,表现矮化,测定内源GAs水平,GA19的含量矮化型比普通型高3倍之多,其它GAs含量则相反,矮化型比普通型低40%甚至更少(Steffen等,1989;1991;1992a;1992b)。其原因有两种可能,(1)变温降低了GA19向GA20的转化速率,而使植株表现矮化。(2)矮化果树的GA代谢途径可能与一年生作物(玉米、豌豆)不同(见图
2)。更值得注意的是外用GA1、GA3、GA4也不能刺激矮生植株在变温条件下恢复生长,并且在温度为15~38~15e的田间条件下亦然(Steffen等,1989)。这表明变温不仅阻碍和改变了GA的代谢方向,而且使植株丧失了对GAs
的敏感性。
图2 一般植物中GA的部分合成、代谢途径
我们知道植株矮化有两种类型,一种是GA敏感型,即外用GA可使其长高。一种是GA非敏感型,即外用GA不能使其长高。研究者认为原因是前者GA受体含量高,后者缺乏GA受体之故。然而,控制GA受体多少的因子是什么?是遗传型还是与代谢方向相关联,弄清这些问题对矮化机理的阐明是极为重要的。
3 GA种类与果树阶段发育和成花
由图1可知,赤霉素化学结构的基本骨架是赤霉烷,含有4个碳环,根据碳原子总数可分为C19和C20两类。即C19-GAs和C20-GAs,它们的生理作用因双键、羟基数目和位置的不同而有差异,虽然受人工合成种类的限制,人们还不能对每一种GA的生理作用搞清楚,但据为数不多的GAs在果树上的试验结果已证明了这一点。
果树不同于一年生作物,其营养生长和生殖生长共存,果实生长和花芽孕育共存,它们之间的竞争能力很大程度上取决于各器官中激素种类和水平的差异。研究最多的是果实生长和花芽分化这对矛盾,研究发现授粉后不久子房内便产生GA和IAA,在幼果生长期间,其发育中的种子产生大量的GA并扩散到附近短枝内,抑制其花芽的孕育和分化(Gro-,种
1期马焕普等:赤霉素与果树的生长发育 33GA,不同种GA对花芽分化的抑制程度不同,在苹果花芽分化前喷布GA3会强烈地抑制其花芽的形成,喷布GA4+7的混合剂,这种作用则小的多,单用GA4则几乎无此作用(Tromp,1982)。Browning以及Olivera等(1993)研究了GA1、GA3、GA4、GA5、GA7、GA9、GA20和2,2-二甲基GA4对成年和童年樱桃生长和开花的影响,他们发现GA1,GA4,GA5对樱桃花芽形成的抑制程度只有9~17%;而GA7则为43%;GA3为65~71%,2,2-二甲基GA4为78%;GA9和GA20则无此效应。由此看出,抑制花芽分化的GAs有特殊的结构,即A环的第2位置上是双键。从图1GAs的分子结构可知,GA3和GA7在该位置上是双键,故可强烈地抑制花芽分化。而GA1、GA4、GA5、GA9和GA20该位置上是单键,所以几乎没有效应。如果在GA4的该位置上增加两个甲基,即成为2,2-二甲基GA4,抑制花芽分化的作用比GA7和GA3还强。但是由长日照诱导开花的毒麦属植物(Loliumtemulentum)的情况则不同,GA32、GA5、2,2-二甲基GA4、GA3、GA4都促进花芽分化,GA32的作用最强(Pharis等,1987)。所以GAs的生理作用在不同作物上的差异是不容忽视的。
GAs对不同发育阶段枝条生长的作用也有差异,GA1、GA3、GA4和GA7促进成年树枝条生长的作用相似,而对实生苗生长的作用GA3和GA7比GA1和GA4强,2,2-二甲基GA4对两种树的生长几乎没有作用(Olivera等,1993),由此可以看出,促进实生苗枝条伸长的GAs的结构与抑制成花的GAs的结构很相似(2,2-二甲基GA4除外)。由此推测在A环第2位置上含有双键的GAs(如GA3和GA7)对恢复童年性状可能是非常有效的。
GA促进返童的技术已应用于生根难的砧木自根苗的繁殖。如在砧木母株上喷布GA3,再加避光措施,可明显促进枝条的生根。GA抑制花芽分化已广泛应用于调节苹果树的大小年结果(马焕普等,1987)。Mcartney(1994)报道330ppmGA3或GA4+7在小年时应用可明显减轻/Braeburn0苹果的大小年结果。
4 GA种类与坐果和果实生长
前面已经谈到发育中的种子会产生大量的GA,且种类之多。其作用除抑制花芽形成之外,还有一个重要作用就是促进坐果和果实生长使其在养分竞争上处于优势。虽然坐果机理是一个极其复杂的过程,但GA的作用是不容忽视的。研究表明授粉后不久GA的出现会诱导生长素活性上升。葡萄(玫瑰露)盛花前10天用GA浸沾花序,可诱导生长素水平上升10倍。另外,外用GA还可代替种子而引起单性结实。研究者发现在花后3天内单性结实的葡萄、柿的子房中GA的含量比有籽果实高出3倍之多。Yuda等将一定浓度的GA45、GA4+7、GA15和GA24涂在盛花后3周去胚的梨幼果上,可以代替胚而使果实正常发育,其中活性最高的是GA4+7。Browning(1991)曾做过这样的试验,花前将梨(Confference)的花去掉而留下花梗,然后在不同时期用GA4+7处理花梗,结果花梗发育为果实形状,并持续到采收而不脱落。这充分说明GA与果实的生长发育密切相关,并且起作用的GA种类因树种而表现出明显的不同。在促进苹果坐果和单性结实上GA4和GA7表现出比GA3更好的效果。GA4和GA7还可明显地增加苹果的果形指数(Looney等,1992),GA3则基本无此作用,但促进果实膨大的效果却更好一些。在核果类(如樱桃)上GA32则有更好的促进果实生长,
34 植物学通报15卷究。另外给樱桃幼果饲喂3H-GA1,很快转化为包括GA8在内的其它GA(马焕普等,1996),在层积前后的苹果种子中也未发现GA1(马焕普等,1996)。说明不同类型的果实和果实的不同发育阶段可能受特定GA结构的控制,但缺乏足够的证据,有待进一步研究。
5 GA种类与萌发
萌发包括种子萌发和芽萌发,二者有很多相同之处,都是由休眠状态转入生长状态,并且都需要一定量的低温。人们对低温累积过程中种子(或芽)内发生的一系列生理生化变化进行了不少研究,证明低温最初作用的因子是内源激素,在五大类激素中除ABA之外受低温影响最大的就是GA类物质(马焕普等,1996),研究涉及的内源GA种类有GA1、GA3、GA4、GA7、GA9等(马焕普等,1996;Halliska等,1987)。桃种子内受低温影响最大的是GA3和GA7(Mathur等,1971),随着低温日数的增加,GA3和GA7的水平上升,种子的萌发能力也随之增加。Halliska等(1987)则认为在苹果种子中GA4和GA7对低温解除休眠起主要作用。但马焕普等(1996)的研究结果与之不同,她们用GC-MS的分析结果表明在低温的作用下GA4的含量变化并不大,而变化较大的GA类型与桃类似,也是GA3和GA7,但两种GA的变化场所不同,GA3主要在子叶中,GA7主要在胚轴中,并且这种变化与种子的萌发能力显著相关。GA9则在低温处理后期才增加,并直至萌发一直处于高水平(Halliska等,1987)。一般外用GA3处理种子,只能部分促进种子萌发(Sinska,1989)。外用GA87促进樱桃种子萌发的作用比GA3强(资料未发表)。上述结果表明,种子的萌发不仅受GA种类的控制,而且种子的不同器官中起作用的GA种类也不同。
芽萌发所需的低温积累量与GA之间的变化研究不多,但随着果树设施栽培的增多,有必要加强这方面的研究。
6 GA作用的分子生物学基础
由于GA种类之多,相互之间的转化以及代谢途径尚未完全清楚,所以,在GA作用的分子生物学基础研究方面进展不是很快。但已往的研究证明GA可调节多种酶的形成(Chandler等,1984;Evins等,1990),其中了解的最清楚的是GA对A-淀粉酶的调节机制,研究者将从真核细胞中提取的mRNA放在含有小麦胚芽提取物的反应系统中,并加入放射标记的氨基酸,观测mRNA翻译A-淀粉酶的情况。通过特异单克隆抗体对A-淀粉酶的捕捉、电泳分离、放射性测定等发现GA明显促进了A-淀粉酶mRNA的翻译活性。后来又通过cDNA和mRNA杂交技术等发现,GA不仅促进了A-淀粉酶mRNA的翻译活性,而且也明显增加了它的含量(Chandler等,1984;Mozer,1980)。由此证明GA促进A-淀粉酶的合成是在转录和翻译两个水平上。但从GA的结构分析,它直接识别DNA的碱基序列是不太可能的,有人推测GA可能是通过受体或结合蛋白与细胞膜上特定因子的结合体识别碱基序列,但尚缺乏证据。
另一方面的研究就是GA受体或结合蛋白的研究。我们知道激素本身在植物体内的含量就很低,再将其更微量的结合蛋白提纯出来就更难。所以自70年代开始对GA受体研究以来,进展不够理想(Napier等,1990),研究者用标记的GA1、GA3、GA4等分别做了尝试,但(,
1期马焕普等:赤霉素与果树的生长发育 351982)。也就是说成功地定位、分离GA结合蛋白的技术体系至今尚未建立(Napier等,1990)。有人提出可采用免疫组织化学定位的间接方法,例如就GA1而言,可通过2B和3B羟化酶的单克隆抗体和游离GA的单克隆抗体,首先定位GA20向GA1转化和GA1向GA8转化的位点。另外利用GA生物素结合体作GA结合蛋白的探针,GA分子与抗体结合,其生物素分子可被生物素结合蛋白识别,再与GA代谢酶的抗体结合(Knox等,1987;Beale等,1986)。这可能对研究GA结合蛋白以及GA的作用机理是非常有用的,这方面的工作正在进展中。
综上所述,GA在果树上的研究取得了不少成绩,但与大田作物相比差距还很大,尤其在GA的合成、代谢、分子生物学基础等领域的研究尚很薄弱。由于果树自身的生长特点,GA对它的作用也不同于其它植物,甚至有些作用是相反的。因此,在应用研究的基础上加强作用机制的研究是十分必要的,也是进一步推动应用研究所必需的,当然难度也很大,这需要果树学科的研究人员与其它学科的研究人员通力合作,才有可能在机理上取得突破。
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