中國民族地區生態保護與傳統文化

內容簡介

第1章葡萄的成花機理
第1章葡萄的成花機理
11前言
葡萄（Vitis vinifera L）是多年生藤本落葉果樹，其基本生長習性及器官的形成和發育模式與一年生草本植物或其他多年生多次結果木本植物具有明顯的不同（Mullins et al，1992；Boss et al，2003；Carmona et al，2007a）。這種差異使葡萄成為研究植物成花分子機制的代表性系統之一。已有相關文獻報導葡萄成花的過程及其影響因素（李憲利等，2002；曹尚銀等，2003；Vasconcelos et al，2008）。葡萄的成花周期往往超過一年。春季時，葡萄花序從主芽側生分生組織（原基）中開始發端，夏季持續發育直至以不成熟的狀態進入休眠狀態，翌春完成發育，產生花和果實（圖11）。

圖11葡萄在兩個生長周期的生殖發育循環圖（Carmona et al，2008）
借鑑擬南芥等模式植物的研究成果，目前已分離克隆到一些葡萄成花的相關基因並對其表達情況進行研究，這些研究有助於加深人們對葡萄成花機制的了解。但總體而言，目前對葡萄如何在分子水平上調控成花進程知之甚少。葡萄花和果實的生長發育是密切聯繫的，某些開花相關基因也在果實發育階段表達。葡萄基因組草圖序列的繪製，對葡萄成花的分子機理研究起到極大的促進作用，但目前仍有一些問題亟待解決，如怎樣才能快速鑑別基因的功能並將該基因與葡萄花發育生物學過程及有關性狀相聯繫。對不同作物75年多的產量數據進行分析比較發現，迄今為止葡萄產量的季節性變化最大（年際變化為325%），比出現類似季節性變化的作物高出近2倍（可食用的豆科糧食和亞麻的年際變化為185%）（Chloupek et al，2004）。考慮到氣候變化導致葡萄出現季節性產量波動，明確控制花序、花誘導和花發育的遺傳機制及其與環境的相互作用非常重要。為此，本章對葡萄成花的生物學基礎、葡萄成花過程的分子調控、栽培措施和環境因素對葡萄花發育的影響等進行概述。
12葡萄成花的生物學基礎
葡萄的莖（又被稱為蔓或枝蔓）細軟而長，其上著生卷鬚，以利於攀緣。葡萄枝蔓的生長是單軸的，其主軸的延長依靠其自身的不斷生長（Gerrath and Posluszny，2007）。伴隨著枝蔓的不斷生長，葡萄各節位上的芽自下向上逐漸分化。同時由於芽異質性的存在，各節位上的芽分化的質量和進程也有所不同。
121葡萄枝蔓上芽的類型及發育周期
一般情況下，葡萄枝蔓每一個節點上都有一個混合腋芽，而沒有真正的頂芽。葡萄的芽有兩種：冬芽和夏芽，都位於新梢的同一個葉腋內。冬芽內部包括1個主芽（中心芽）和3～8個副芽（預備芽），但只有2或3個副芽發育較大且較好。冬芽為晚熟性，一般當年不萌發，翌年萌發為新梢。一個主芽在當年能分化6～8節，主芽萌發後所形成的新梢，稱為主梢。因環境條件和遺傳組成不同，不同葡萄品種主梢的生長時間也不同。副芽位於主芽周圍，構造與主芽相似，分化程度和發育質量不如主芽的分化程度和發育質量。副芽一般不萌發，但若營養充足、溫度和濕度條件適宜或局部遭受刺激時，也可萌發抽生新梢，一個副芽能分化出3～5節。潛伏芽為冬芽的一種，是指當年發育不完全、翌春不萌發而潛伏在皮層內的芽，多在新梢的基部。潛伏芽在其形成的生長季節中會一直保持休眠狀態，修剪措施刺激可以解除這種休眠狀態。夏季休眠前，通常在其第4～第6個葉的對側產生花序原基（inflorescence primordia），在隨後的葉對側產生卷鬚原基。葡萄枝蔓基部芽休眠前期，發育節的數量在5或6個變化，在枝中部最多達9節，向枝頂部緩慢減少。次生休眠芽形成於主芽的前兩個基部先長出葉的腋部，這些芽在正常生長條件下於下一個生長季繼續發育並形成枝。冬芽中有花序原基的芽稱為混合芽，無花序原基的芽則稱為葉芽，冬季二者在外形上無大區別。通常，一年生枝基部的芽質量較差，中部的芽多為飽滿的花芽，上部的芽次之。某些葡萄品種如‘夏黑’葡萄在生長季節內，其上部節位可以形成花芽，但形成的花芽常因營養供給不足而難以完成分化。葡萄花芽形成的多少與質量的好壞，直接影響葡萄果實的產量與品質。
葡萄夏芽具早熟性，由夏芽抽生的新梢稱為副梢。副梢葉腋間同樣形成當年不萌發的冬芽和當年萌發的夏芽。夏芽在芽萌發後10天內就有花序分化，但較小，具有二次成花和結果特性，這也是葡萄能夠一年多次結果的基礎。一般新梢第4～第8節上的冬芽，在適宜的條件下可分化形成花序原基（inflorescence primordia），這種冬芽稱為花芽。各節上的冬芽從下而上逐漸分化，以第3～第4節的花芽分化最早，中部各節（第4～第10節）的花芽分化最好。同一芽位上，主芽最易形成花序，部分副芽雖也能形成花序，但質量較差，尤其是歐亞種的東方品種群品種副芽花序形成率最低。當冬芽僅含頂端分生組織（apical meristem）和兩個葉原基（leaf primordia）時為分化敏感期，而當芽體已含有6個原基時則不具分化能力。冬芽的花芽分化有兩個關鍵時期：一是花後開始形成花序原基，二是翌春冬芽膨大期，花序原基繼續發育，形成花器原始體，至開花前花器全部形成。這兩個關鍵時期加強肥水管理對保證當年和翌年的產量有重大影響。夏芽花發端時間較短，出現在當年新梢的第5～第7節上。夏芽花發端品種間差異較大。
葡萄是對光照長短不敏感型果樹（Boss and Thomas，2002），在條件適宜情況下，任何時間都有成花的可能。例如，‘藤稔’葡萄在生長季節的每一個時間段都能成花。但據小林章報導，光照長短可以影響葡萄每花序的花數和花粉發芽能力，尤其是歐亞種葡萄品種。不同的葡萄品種花芽在新梢上的分布節位有差異，一般歐美雜交種葡萄品種的花芽分布節位較低，歐亞種葡萄品種的花序分布節位較高。曹雪等（2011）研究‘藤稔’葡萄不同節位芽的花發育情況發現，儘管葡萄不同節位芽在飽滿程度、分化進度、生長勢和萌芽力等方面存在一定的差別，其低節位（第2節）到高節位（第33節）芽都具有成花能力。在經過解除頂端優勢及營養競爭阻礙的處理下，‘藤稔’葡萄各節位都能成花，成花時間先後順序差別不大。但根據花序抽生時間與發育狀況看，相比較對照，枝蔓上相同節位上處理芽的花發育時間要早3～7天，且處理組中第5節位、第22節位花數量較其他節位花數量多（圖12）。此外，從花序大小可以看出中部的芽發育比上部和下部芽發育質量高、發育時間早，同時期抽生花序較大，這可能是由於在花芽分化過程中，受分化時間早晚的影響。晁無疾等（2002）報導指出，在良好的管理條件下，葡萄花芽高節位分化是很多品種共有的特性。

圖12‘藤稔’葡萄不同短截節位間處理與對照花序情況比較（慕茜等，2013）（另見圖版）
122葡萄花的類型及形成過程
葡萄栽培品種的花大多是雌雄同株的完全花（兩性花），既具有雄蕊也具有雌蕊，目前生產上主栽葡萄品種多是兩性花，少數葡萄品種如‘黑貝蒂’、‘俄羅斯康可’和‘義大利玫瑰’等為雌能花。野生葡萄大多數為雌雄異株，僅在極少數種如刺葡萄和山葡萄中發現兩性花植株。目前存在幾種不同的葡萄授粉方式，如蟲媒授粉、風媒授粉和自花授粉。據研究，野生雌雄異株植物或者是風媒授粉或者是蟲媒授粉；但是，對其授粉過程尤其是花粉對昆蟲的引誘機制仍不清楚（Kimura et al，1998）。葡萄栽培品種多為兩性花植物，常在花冠呈帽狀脫落之前發生的自花授粉（自體受精）是授粉的主要途徑。
葡萄中單性花往往是由正常兩性花中雌蕊或雄蕊的退化造成的。雌雄蕊的敗育發生在其發育的晚期階段，尤其是在其減數分裂之後。葡萄的完全花中，有5～8個豎立的雄蕊圍繞著一個矮胖的瓶狀雌蕊。雌能花中，雖然也具有典型的圍繞雌蕊的雄蕊數量，但是雄蕊彎曲低於子房底部。彎曲的雄蕊雖然也有產花粉組織和豐富的花粉，但其花粉沒有活力，只有異花授粉才能有產量。對於雌雄異株的葡萄，雌株和雄株之間沒有明顯的第二性特徵區別，但其在代謝方面具有明顯的差別，如在雌雄異株的野生葡萄中，雌株的細胞分裂素含量高於雄株。目前仍不了解這種代謝上差異的生理和分子機制。
葡萄的成花周期歷時一年多，中間被一個休眠期分開（圖11）。春天，芽萌發後，形成新梢，新梢葉腋的芽眼著生夏芽和冬芽。隨著新梢的加長生長，葉腋的夏芽即自然萌發成夏芽副梢；夏芽的邊上是冬芽，冬芽在一般情況下需經越冬至第二年春才能萌發，成花起始和花序發育早期階段的整個過程都發生於其中。掃描電子顯微鏡掃描的結果顯示了這一進程（圖13）（Srinivasan and Mullins，1981；Boss et al，2003；Carmona et al，2007a）。冬芽上頂端分生組織（SAM）產生3或4個葉原基。最初的2或3個側生分生組織有分化為花序的潛力，而隨後產生的側生分生組織則分化為卷鬚（Srinivasan and Mullins，1981）。花序分生組織進一步分化，產生更多的帶有螺旋葉序的花序分生組織分支，進而形成復總狀花序結構。夏末，這些芽處於休眠狀態，可能坐果的主芽此時蘊含一個帶有花序分生組織和卷鬚原基的結果雛梢。那些不能產生結果雛梢的主芽，最初的2或3個側生分生組織沒有側向結構（無論是花序或卷鬚）發育出來。翌春，當環境條件適宜時，芽恢復生長，頂端分生組織進一步產生葉和卷鬚原基。大多數葡萄品種的頂端分生組織產生包含葉原基和側生分生組織的兩個連續節點，然後間隔一個帶有單獨葉原基的節點。在芽膨大的初始階段，花序分支分生組織還可繼續進一步分化，形成更多的花序分生組織。葡萄花序的分化與生長呈現典型的合軸生長，當頂端分生組織發育到一定階段時，在其頂端的一側分生組織區域處開始分化花序原基，未分化的分生組織繼續進行延長生長；當再生長到一定階段時又可在一側分生組織區分化花序原基，未分化的組織繼續生長，如此反覆最終形成整個花序。每個花序分生組織是由3個或4個花分生組織組成的總狀花序的群集。末端花首先發育，隨後是側向的，最後是最基部的。當芽膨大和節間開始伸長時，花器的發育開始。葡萄花器發育模式包括沿著向基的方向輪生的4輪花發育模式。花分生組織首先形成，隨後萼片原基、花瓣和雄蕊原基很快分裂，最後形成心皮原基。開花的時間在很大程度上決定花序發育模式及其大小和結構（Shavrukov et al，2004）。

圖13葡萄芽發育電子顯微鏡掃描圖（Boss et al，2002）

A主芽分生組織不定原基早期發育階段的掃描電鏡圖（Bar=10μm）；B從莖端分生組織中分化出來的葉
對側不定原基後期發育階段（Bar=100μm）；C帶有花序原基的主芽（已刪除較大的葉原基以便於觀察
內部結構）（Bar=100μm）；D具兩個分叉卷鬚雛形的莖尖解剖圖（Bar=100μm）；E葡萄葉腋的結構
（Bar=1mm）；F源於主芽的葡萄結果枝典型結構示意圖（不同品種間產生第一花序的節位有差異）；
SAM莖端分生組織；UP不定原基；LP葉原基；IP花序原基；T不成熟的卷鬚
123葡萄花發育的特點
與擬南芥、水稻等一年生草本植物或其他多年生木本植物相比，葡萄的花器發育具有一定的特殊性。其中一個主要的發育差異是存在卷鬚，其常常被看成是葡萄莖的變態結構。葡萄屬植物中，卷鬚和花序是同源器官，二者由相同的分生組織結構、原基或側生分生組織發育而成。半卷鬚半花序的中間雜合結構在許多葡萄品種中出現。葡萄卷鬚可以被看做弱分化的花序，切除的卷鬚通過在體外用多種細胞分裂素處理能夠轉化為花序或花序類似結構。葡萄卷鬚具有分枝特性並在每個分枝基部著生苞片，因此卷鬚也被認為是變態的新梢。Gerrath (1992)曾提出“卷鬚是葡萄花穗發育不完全的形式”，在通常著生卷鬚的位置上有時產生帶葉的新梢。由花序分化的過程可知，花序和卷鬚著生於新梢的同一位置，與葉對生，花序、卷鬚、新梢是同源器官，環境條件和某些化學物質會促使三者之間相互轉化，在葡萄植株上可看到各種花序和卷鬚的過渡體。田間條件下，當側生分生組織發育成一個頂端分生組織時，在葡萄新梢上經常可以觀察到從典型花序到典型卷鬚的各種中間過渡類型的存在（Boss and Thomas，2000a；Boss et al，2002）。根據葡萄卷鬚存在的形式，有完全卷鬚和不完全卷鬚之分（基部著生花序的不完全卷鬚和基部著生卷鬚的花序）（圖14）。葡萄卷鬚的排列方式與花序基本相同，即在新梢上排列的方式依種類不同而異，真葡萄亞屬的種和品種的卷鬚，美洲種為連續性著生，即每節葉的對面都有卷鬚或花序，歐亞種均為非連續性（間歇性），即連續出現兩節卷鬚後，中間間斷一節；歐美雜交種的卷鬚在節位上常不規則地出現（張彥苹等，2013）。Boss和Thomas（2002）報導，歐亞種葡萄栽培品種‘莫妮耶比諾’(Pinot Meunier)的矮化突變體與正常植株相比在結果新梢上只產生花序，沒有卷鬚形成。
葡萄從童期過渡到成年狀態，不僅是葉序和形態發生變化，也標誌著其具有由頂端分生組織到側生分生組織（原基）分化進而形成混合芽的能力。葡萄成花轉變包括以下兩個基本步驟：第一步，不依賴花誘導刺激的花序原基的形成，主要和從童期到開花期的發育轉換相關；第二步，在卷鬚形成的相同位置，花誘導的結果導致花序原基分化為花序。在這種模式下，卷鬚可以被視為不育的生殖器官，而開花誘導刺激導致生殖分生組織起始分化。因此，葡萄的頂端分生組織不斷分化，導致同一分支上營養和生殖分生組織的生長。

圖14生產中葡萄卷鬚以及它們的中間形態(另見圖版)
A卷鬚；B基部著生花序的不完全卷鬚；C基部著生卷鬚的不完全花序
13葡萄成花過程的分子調控研究
利用擬南芥和金魚草等模式植物，已經進行了大量的卓有成效的關於成花過程相關基因的研究，這些研究成果為葡萄成花基因的研究提供了重要的參考依據。目前，已經鑑定、分離和克隆到許多與模式植物同源的葡萄基因，並對其功能進行分析研究。在此基礎上，對葡萄花器不同發育階段的分子調控網路進行初步的分析（Boss et al，2003；Carmona et al，2007a）。結果表明，葡萄成花過程是一個複雜的生理過程，其中參與的基因除了克隆到的這些基因以外，還有很多未知的基因，是這些已知基因和未知基因以不同作用方式在不同發育階段共同表達的結果（郭磊等，2011）。另外，microRNA也通過調控靶基因的表達而參與葡萄花發育的調控（王晨等，2012）。但對相關基因如何調控葡萄成花的詳細機制目前仍不清楚。
花器的發生受一系列轉錄因子的嚴格調控，這些轉錄因子可以激活或者抑制某個花器的形成。迄今，關於模式植物的這方面研究報導眾多，但對葡萄花器發育分子機制的了解才剛剛開始。值得注意的是，由於葡萄的生命周期很長，同時又很難得到理想的自然變異種、突變體或者轉基因葡萄植株，目前鑑定出的基因仍需進行功能驗證，所以總體而言，目前關於葡萄成花的研究在分子水平上仍不系統全面。
131與花誘導途徑相關基因的研究
迄今為止，已有的研究結果尚無法證明葡萄具有草本植物某些經典的成花誘導途徑，如擬南芥中存在的光周期或春化誘導成花途徑（Carmona et al，2008）。儘管研

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