石力勻，王 政，李明霞，何松林

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450002; 2.河南科技學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

月季是薔薇科薔薇屬的半常綠木本植物，因其豐富飽滿的花型、繽紛絢爛的色澤、濃郁甜蜜的香氣深受人們的喜愛，是世界四大切花之一，具有極高的經(jīng)濟價值[1]。月季為日中性植物(Day-neutral plant)，受自身發(fā)育狀態(tài)的控制，在適宜的溫度下可四季開花[2]。切花月季的花期可通過光度和溫度進行調(diào)控[3]，其品質(zhì)取決于月季的花型、花色和花香等[4]。然而，不適宜的生長環(huán)境會引起月季植株發(fā)育異常，導(dǎo)致花朵畸形，引發(fā)切花月季的生理性病害[5]，嚴(yán)重影響其觀賞品質(zhì)及商品價值。

在眾多國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，梳理了切花月季幾種常見的生理性病害及其產(chǎn)生的原因，結(jié)合花器官發(fā)育的分子基礎(chǔ)[6-7]，探析花器官特性基因在生理性病害形成中的作用機制，以期為進一步減少切花月季生理性病害及提高其生產(chǎn)和觀賞品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 切花月季的生理病害

1.1 變?nèi)~病

月季變?nèi)~病最早是1790年德國著名文學(xué)家、自然科學(xué)家Goethe發(fā)現(xiàn)并報道的，他認(rèn)為花器官(萼片、花瓣、雄蕊、雌蕊)是等同并可以相互轉(zhuǎn)換的，并提出了“花是適應(yīng)于繁殖功能的變態(tài)枝條”的假說[8]。

切花月季的變?nèi)~病依照現(xiàn)象可分為2個類型：花瓣、萼片、雄蕊、雌蕊等花器官全部被含有葉綠素和氣孔的類似葉片的結(jié)構(gòu)所替代的“花變?nèi)~”及花瓣正常，但雄蕊、雌蕊缺失，取而代之的是長有葉片和花朵的小枝[9]。按照癥狀的持續(xù)性可以分為穩(wěn)定表現(xiàn)型和不穩(wěn)定表現(xiàn)型。穩(wěn)定表現(xiàn)型如中國古老月季品種綠萼(R.chinensisViridiflora)是變?nèi)~病的穩(wěn)定突變體，這類變?nèi)~病的癥狀不受環(huán)境條件的影響，并且可以通過無性繁殖的方法保持。不穩(wěn)定表現(xiàn)型則是由不適宜的栽培條件如溫度、水分或者病蟲害引起的，如切花月季Motrea[10]。不穩(wěn)定表現(xiàn)型的變?nèi)~病多發(fā)生在接近根部的枝條上，相較于嫁接的植株，扦插的植株更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象[11]。Chmelnitsky 等對切花月季Motrea花芽分化進程進行了解剖學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)Motrea在花芽發(fā)育到直徑3.0～4.5 mm的第3階段(雌蕊開始分化)開始出現(xiàn)畸形[12]。

高溫是引起變?nèi)~病的重要原因之一[8,13]，研究顯示，在26 ℃/21 ℃(晝/夜)的高溫環(huán)境下，切花月季變?nèi)~病的發(fā)生率較21 ℃/15 ℃(晝/夜)環(huán)境高出4倍。高溫引發(fā)了植株體內(nèi)細(xì)胞分裂素(Cytokinin)的分布不均，高溫下生長的植株體內(nèi)細(xì)胞分裂素含量與低溫環(huán)境相比減少了83%。與正常植株相比，表現(xiàn)變?nèi)~病植株的雌蕊中細(xì)胞分裂素含量降低了87.5%[11]。而經(jīng)外源赤霉素(Gibberellin)處理后，變?nèi)~病的現(xiàn)象得到了抑制[13]。

植原體病害通過影響植物激素的平衡引發(fā)切花月季的變?nèi)~病，主要依靠葉蟬和飛虱等從韌皮部取食的刺吸式昆蟲及植物營養(yǎng)繁殖材料傳播，也可通過人工嫁接等方式傳播[14]。

切花月季變?nèi)~病的分子機制研究顯示，變?nèi)~病的形成是由于“ABCDE模型”中的基因突變或表達受到干擾，導(dǎo)致相應(yīng)的植物激素表達異常而引起。2003年以色列科學(xué)家Chmelnitsky等[15]發(fā)現(xiàn)，月季RAG是AGAMOUS的同源基因，在正常的月季植株RosachinensisRagged Robin和RosahybridMotrea花芽分化的各個階段均有顯著的表達，而在切花月季變?nèi)~病的不穩(wěn)定表現(xiàn)型Motrea和穩(wěn)定表現(xiàn)型綠萼的花芽分化早期均不表達。RAG的異常表達有可能引起了變?nèi)~病的表型。Yan等[16]進一步揭示了變?nèi)~病的穩(wěn)定表現(xiàn)型綠萼形成的分子機制，認(rèn)為在花器官的第2輪(花瓣)中，花瓣的缺失是由于B功能基因RcPI、RcAP3和E功能基因RcSEP3的下調(diào)，而RcSOC1的上調(diào)被認(rèn)為是花瓣葉結(jié)構(gòu)化的原因。在第3輪和第4輪(雄蕊和雌蕊)中，A功能基因RcAP2的異位表達和E功能基因RcSEP3的下調(diào)以及B功能基因RcPI、RcAP3在雄蕊中的下調(diào)，C功能基因RcAG在雌蕊中的下調(diào)，導(dǎo)致了雄蕊和雌蕊的缺失以及其向葉結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。MIKCC是保守的轉(zhuǎn)錄因子家族，參與調(diào)控植物的開花時間和花器官發(fā)育。最新的研究顯示，在心皮分化階段，花變?nèi)~的穩(wěn)定表現(xiàn)型綠萼中RcFUL2、RcFUL3和RcFUL5的表達量顯著高于月月粉(RosachinensisOld Blush)。綠萼中RcAP3.3在萼片分化階段沒有表達，同時原本在心皮分化時期表達的RcAP1.1、RcAP1.2在雄蕊及萼片分化期才有所表達；RcAP3.2、RcAP3.4、RcPI3和RcPI5在心皮分化階段沒有表達[17]。然而，月季花變?nèi)~不穩(wěn)定表現(xiàn)型的形成機制以及與穩(wěn)定表現(xiàn)型的差異原因目前尚未明晰，有待進一步研究。

1.2 牛頭蕾和雙心花

牛頭蕾也叫平頭花，指切花月季花無法正常開花、花瓣變短，內(nèi)外部花瓣長度相近，形成平頭狀[18]。牛頭蕾與正常花相比，花的直徑變大，花瓣或類似花瓣結(jié)構(gòu)的器官數(shù)量變多，花瓣從外向內(nèi)逐漸變小，出現(xiàn)花瓣與雌雄蕊的過渡形態(tài)，形成花瓣與雌雄蕊相間而生或花絲瓣化的現(xiàn)象。雌雄蕊的數(shù)量由外向內(nèi)逐漸減少或者退化，花苞的高寬比變小[19]。有研究認(rèn)為，雙心花是牛頭蕾的一種表型[20]，除了花瓣增多及雌雄蕊數(shù)量減少之外，在一朵花中形成2個或2個以上的花心，里層的花瓣比正常花的花瓣小且碎[21]。

出現(xiàn)牛頭蕾或雙心花與溫度有密切的關(guān)系。研究顯示，低溫是導(dǎo)致切花月季過度重瓣化從而形成牛頭蕾或雙心花的主要原因[22]。Halevy等[23]研究顯示，在植株生長發(fā)育的早期，低溫環(huán)境(5 ℃)下生長的月季出現(xiàn)牛頭蕾的比率遠遠高于對照組(18 ℃)，而生長發(fā)育的晚期月季對低溫的敏感度降低。低溫環(huán)境下，與正?；ㄏ啾扰ｎ^蕾中的赤霉素活性明顯降低，而細(xì)胞分裂素的活性升高。在此條件下，增施外源赤霉素后牛頭蕾的現(xiàn)象得到了有效地抑制，細(xì)胞的長度和寬度較不經(jīng)赤霉素處理的畸形花相比顯著增長，并恢復(fù)到正常的長度。而經(jīng)過細(xì)胞分裂素處理后的植株沒有受到明顯的影響，但赤霉素+6-芐基氨基嘌呤的處理則會抵消赤霉素對牛頭蕾的抑制作用[24]。在正常溫度25 ℃/15 ℃ (晝/夜)條件下生長的月季，雙心花出現(xiàn)的比例為2%，而在低溫15 ℃/5 ℃ (晝/夜)條件下，雙心花的比例上升至88%。通過顯微鏡觀察，低溫環(huán)境下月季雄蕊和雌蕊原基的分化進程被推遲，相較于正?；?，雙心花在多發(fā)育了4片花瓣原基后雄蕊原基才開始分化?；ㄑ恐睆捷^正常溫度下顯著增大，同時整個花芽分化的持續(xù)時間延長[25]。

通過基因時空表達分析，雙心花的過度重瓣化由切花月季中C功能基因RhAG的異常表達所引起[26]。擬南芥中AG是調(diào)控雄蕊與心皮發(fā)育的轉(zhuǎn)錄因子，影響雄蕊與花瓣的分化[27]。RhAG在月季雄蕊和雌蕊分化期表達水平相對較高，在低溫條件下，RhAG的表達水平明顯降低。但無論在低溫還是在正常溫度下，RhAG在花萼和花瓣分化期都沒有表達[20]。最近的研究顯示，F(xiàn)-box蛋白、APETALA2/TOE、gyplp超家族蛋白的Ypt/Rab-GAP結(jié)構(gòu)域及四肽類重復(fù)超家族蛋白這4個蛋白編碼基因的異常表達可使雄蕊轉(zhuǎn)換為花瓣，與月季的重瓣性相關(guān)，但其在雙心花及牛頭蕾中的作用機制需要進一步驗證[28]?；ㄆ鞴俚陌l(fā)育是一個復(fù)雜的過程，重瓣化的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)需要進一步研究，產(chǎn)生雙心花的分子機制也尚不明晰。同時，影響牛頭蕾與雙心花形成的基因是否一致也需要進一步驗證。

1.3 彎?，F(xiàn)象

彎梗也是月季畸形發(fā)育的現(xiàn)象之一，不同于月季采后因水分脅迫引起的彎頸。在植株生長過程中，子房下方的花梗朝一方彎曲，形成 5°～90°的夾角，導(dǎo)致花器官無法正常開放，形成彎梗[29-30]。根據(jù)Cook 定義的萼片順序[31]，1號萼片發(fā)生葉變(Phylloid)現(xiàn)象，并且相較于其他4片萼片下移 0～3 cm，引發(fā)了其他4片萼片及花器官的錯位表達。正常植株的1、2號萼片兩邊皆有羽狀裂片，3號萼片僅一邊有羽狀裂片，4、5號萼片兩邊光滑。而發(fā)生“彎?，F(xiàn)象”植株的2、3 號萼片兩邊、4 號萼片的一邊出現(xiàn)了羽狀裂片，同時，原本1 號萼片出現(xiàn)的位置被半瓣半萼或者花瓣狀的器官替代?；ü澢牟糠职殡S著扁平化(Fasciation)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了花器官的發(fā)育[29,32]。

彎?，F(xiàn)象常見于 6—8 月的高溫環(huán)境條件下[33]，多發(fā)于長勢健壯的年輕枝條[30]。萼片分化前期，高溫環(huán)境中切花月季Beast出現(xiàn)的彎梗率是正常溫度下的3倍左右；當(dāng)花芽分化完成后，高溫對彎梗的影響有所下降[34]。

高溫條件下，切花月季中生長素(IAA)含量的增加是引發(fā)彎?，F(xiàn)象的重要原因之一。在月季生長1、2階段，如果向正常植株的梗部注射IAA，出現(xiàn)跟畸形花類似的彎折現(xiàn)象，花梗會朝與注射側(cè)相反的方向彎折，然而這種現(xiàn)象是臨時性的，70%的彎折梗會在隨后的幾日恢復(fù)正常。雖然在不同的生長階段注射 IAA 都會引起這種臨時的彎折現(xiàn)象，但是切花月季不同的生長階段表現(xiàn)出不同程度的恢復(fù)。在第1階段，80%的彎折在注射 IAA 后的7 d恢復(fù)正常，但是在生長發(fā)育的后期，這一數(shù)據(jù)降低至 40%[29]。Jihyeon等[33-35]研究表明，正?；ㄖ械腎AA含量在花芽分化前期較高，隨著植株的發(fā)育，IAA含量逐漸降低，而彎梗植株中IAA的含量始終維持在較高的水平。切花月季花芽分化前期，如果將葉變的萼片摘除，部分品種彎曲的花梗會恢復(fù)到正常狀態(tài)。相較于正常枝條，發(fā)生彎?，F(xiàn)象的枝條在折枝壓枝后再次形成彎梗畸形的概率更高[29]。

目前，國內(nèi)外對彎?，F(xiàn)象的研究僅限于外部形態(tài)分析和環(huán)境因子對彎?，F(xiàn)象的影響，內(nèi)部植物激素和分子機制的影響方面尚未有深入、系統(tǒng)的研究。彎?，F(xiàn)象中1號萼片葉變和其他萼片組的錯位表達表明，這種畸形現(xiàn)象或許和 A、B功能基因表達異常有關(guān)，但需要進一步的驗證。

2 月季花器官發(fā)育的分子基礎(chǔ)

為了解釋各類花器官的發(fā)育，Coen等[36]于1991年首次提出“ABC模型”，隨著研究的深入和大量花器官特征基因的發(fā)現(xiàn)和補充，“ABCDE模型”成為目前廣為接受的花器官發(fā)育模型[37]?；ㄆ鞴俚恼０l(fā)育和形成是由A、B、C、D、E 5組基因共同作用完成的，這5組基因中1組或者2組的正常表達決定了每一輪花器官的特征。A組基因控制萼片和花瓣的發(fā)育，B組基因控制萼片及雄蕊的發(fā)育，C組基因控制雄蕊、心皮和胚珠的發(fā)育(在月季中只控制雄蕊和心皮的發(fā)育)，D組基因控制胚珠和心皮的發(fā)育，E組基因則參與了全部5輪花器官的發(fā)育。如果基因發(fā)生突變或異常表達，則花器官的形態(tài)將出現(xiàn)異常[38-42]。

A組功能基因中，RoAP1a在花器官分生組織中表達，RoAP1b則在花器官分生組織及花芽中表達[43]。2011年，Mibus等[44]在切花月季中分離出RhAP1-1、RhAP1-2和RhFUL3個A組功能基因，RhAP1-1和RhAP1-2控制萼片及花瓣的發(fā)育，而RhFUL僅在萼片內(nèi)表達。在B組功能基因的研究中，Kitahara等[45]和Hibino等[46]學(xué)者分別分離出3類B功能同源基因：PI的同源基因MASAKOBP在花瓣和雄蕊中表達；TM6的進化系MASAKOB3在花瓣和雄蕊中表達；euAP3的進化系A(chǔ)P3、MASAKOeuB3、MASAKOeuB3在花發(fā)育的第1、2、3、4輪均有表達，AP3僅在花瓣和雄蕊中表達。MASAKOBP、MASAKOB3和MASAKOeuB3控制著花瓣和雄蕊的分化，這3個基因的異常表達會導(dǎo)致擬南芥花器官發(fā)育的錯位[47]。C組功能基因MASAKOC1和MASAKOD1是野薔薇中AGAMOUS的同源基因[48]，在雄蕊和心皮中均有表達，如果表達異常，會引起擬南芥花萼向心皮、花瓣向雄蕊的轉(zhuǎn)變[49]。RhAG是月季中MASAKOC1的同源基因，在RosachinensisRagged Robin和RosahybridaMotrea花芽分化的各個階段均有明顯的表達[44]?！癆BCED模型”中的A組和C組基因相互抑制，月季中C功能基因RhAG的異常表達會使A功能基因RhAP1-1、RhAP1-2和RhFUL在雄蕊和心皮中大量表達，花葉病及過度重瓣都與其有關(guān)。月季的D功能同源基因為SEEDSTICK(STK)和SHATTERPROOF(SHP)，其中SHP1在雄蕊中表達。SHP基因可能具有一些C功能基因的功能[50]，C組基因MASAKOC1和MASAKOD1也具備一些D組基因的功能，因此，月季的雄蕊、心皮和胚珠的形成是C組、D組基因共同作用的結(jié)果[49,51]。E組功能基因MASAKOS1和S3是擬南芥SEP1/2和3的同源基因。MASAKOS3的超表達引發(fā)了變?nèi)~病穩(wěn)定表現(xiàn)型綠萼花瓣的消失，RcSEP3的異常表達引發(fā)了變?nèi)~病中雄蕊和雌蕊的缺失[16,51-52]。

3 小結(jié)

月季的成花是一個復(fù)雜的多層次、多元化反應(yīng)過程。切花月季花型的正常發(fā)育決定了其觀賞品質(zhì)及商業(yè)價值。不適宜的栽培環(huán)境會導(dǎo)致月季植株內(nèi)源激素的不平衡；同時，ABCED組花器官發(fā)育基因的異常表達引發(fā)了花器官的錯位，形成了各類畸形花，成為月季生產(chǎn)中亟待解決的問題。探析切花月季生理性病害的誘發(fā)條件及畸形花形成的分子機制，對生產(chǎn)高品質(zhì)的月季切花產(chǎn)品有重要的理論和實踐意義，同時為月季花器官發(fā)育研究提供更多信息。