南思楠，鄒薛，閆道良

（浙江農(nóng)林大學(xué)林業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311300）

單性結(jié)實(shí)是指天然或人工作用下使胚珠不經(jīng)授粉而形成無籽果實(shí)的現(xiàn)象。單性結(jié)實(shí)可分為兩類：天然單性結(jié)實(shí)和刺激性單性結(jié)實(shí)。目前，大部分農(nóng)作物的生產(chǎn)繁殖都依賴于昆蟲或人工授粉。近年來，由于氣候變化、棲息地被破壞等自然或人為原因，自然界中充當(dāng)傳粉媒介的昆蟲數(shù)量顯著減少，致使農(nóng)作物產(chǎn)量嚴(yán)重降低。單性結(jié)實(shí)不依賴授粉和受精，一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在授粉失敗時(shí)，仍能長出果實(shí)，為傳播種子的動物提供食物；另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是單性結(jié)實(shí)可以提高某些植物如番茄、黃瓜、茄子的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。

本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)對植物單性結(jié)實(shí)的發(fā)生誘因及其形成機(jī)理進(jìn)行研究，并對其今后的研究方向和開發(fā)利用提出建議。

1 天然單性結(jié)實(shí)

天然單性結(jié)實(shí)又稱自發(fā)單性結(jié)實(shí)，指在自然條件下，不經(jīng)傳粉或其他任何刺激，便能發(fā)育結(jié)實(shí)的現(xiàn)象，如番茄、茄子、葡萄、柑橘、香蕉、菠蘿、無花果、柿子、黃瓜等。這些植物的祖先都是靠種子傳播的，由于種種原因，個(gè)別植株或枝條發(fā)生突變，形成了無籽果實(shí)。人們用營養(yǎng)繁殖方法，如扦插、嫁接等把突變枝條保存下來，形成了無核品種。這些無核品種的生長物質(zhì)含量與一般有籽果實(shí)有一定不同，單性結(jié)實(shí)的內(nèi)源激素IAA、GA 含量高且上升早。據(jù)分析，同一種植物，無種子的子房中生長素含量較有種子的高，尤其在開花期，無籽果的生長素含量就明顯高于有籽果。此外，如一種柑桔，無種子的生長素含量為有種子的4 倍（前者鮮重為2.39 μg/kg，后者鮮重僅為0.58 μg/kg）。但不是所有物種產(chǎn)生單性結(jié)實(shí)，子房中含多數(shù)胚珠的容易產(chǎn)生單性結(jié)實(shí)，胚珠少的如核果類，就難產(chǎn)生單性結(jié)實(shí)。

2 刺激性單性結(jié)實(shí)

刺激性單性結(jié)實(shí)又稱誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)，指需要通過某種外界因素的誘導(dǎo)才能引起單性結(jié)實(shí)的現(xiàn)象。誘導(dǎo)因素（刺激物）包括異種植物的花粉（如用爬山虎的花粉給葡萄授粉）、生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、天然提取物或其他化學(xué)物質(zhì)。本文將刺激性單性結(jié)實(shí)形成的機(jī)理分為以下四類。

2.1 授粉誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)

將不親和的花粉或其他植物的花粉授粉到柱頭上，胚珠雖不會受精，卻能誘發(fā)單性結(jié)實(shí)。如用四倍體日本夏橙（Citrus sinensis）的花粉給日向夏橙和八朔品種授粉都較易得到單性果實(shí)，這類果實(shí)與正常授粉的果實(shí)在品質(zhì)和產(chǎn)量上沒有很大的差異。另外，仲遠(yuǎn)研究表明，通過軟X 射線發(fā)生儀（Soft-X-ray Unit OM-60R，OHMIC Ltd.）輻照花粉，誘導(dǎo)西瓜種子發(fā)生類似正常授粉情況下的激素信號活動，即細(xì)胞分裂素能誘導(dǎo)西瓜進(jìn)行單性結(jié)實(shí)，且這種單性結(jié)實(shí)利用了生長素對西瓜坐果的誘導(dǎo)信號及赤霉素對果實(shí)膨大的誘導(dǎo)作用。因此，花粉刺激單性結(jié)實(shí)，本質(zhì)上是激素的作用，西瓜上的試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。更為重要的是，激素能提供一種酶系統(tǒng)，而這種酶系統(tǒng)促進(jìn)子房中激素的合成，從而確保坐果和果實(shí)生長。有研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素能使無核枇杷果實(shí)糖代謝酶活力下降，甜度隨之下降。在研究外源赤霉素誘導(dǎo)“巨峰”和“紅地球”葡萄形成無籽果實(shí)機(jī)理時(shí)，發(fā)現(xiàn)超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性減弱。以上這些試驗(yàn)結(jié)果可以證明確實(shí)存在一種酶系統(tǒng)影響著單性結(jié)實(shí)的發(fā)生。

2.2 環(huán)剝誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)

環(huán)剝阻礙了生長素向根部的運(yùn)送，使生長素大量積累在切口上而刺激單性結(jié)實(shí)，如周昌敏等對荔枝葉片進(jìn)行環(huán)剝，發(fā)現(xiàn)葉片中生長素（IAA）含量明顯提高，有效減少了落果，果實(shí)增產(chǎn)了57.9%。環(huán)剝還可使果實(shí)中的養(yǎng)分增多，如莫建軍等對“華南9 號”甜木薯進(jìn)行環(huán)剝栽培，發(fā)現(xiàn)甜木薯地上部分生長量及地下部分的產(chǎn)量均有所增加。也有研究表明，環(huán)剝“藤稔”葡萄的主干，發(fā)現(xiàn)果實(shí)風(fēng)味及果色有明顯的改善，果肉中可溶性固形物、蔗糖含量也有所增加，同時(shí)促進(jìn)了枝條、葉片以及冬芽中碳水化合物的積累。周賢軍等對幼齡的“糯米糍”荔枝主干進(jìn)行環(huán)剝處理，發(fā)現(xiàn)能減少碳水化合物向根系轉(zhuǎn)運(yùn)，果實(shí)中赤霉素類物質(zhì)以及降低脫落酸類物質(zhì)的含量增加了，這兩者比值的大小與坐果率的高低有密切關(guān)系。環(huán)剝處理能夠改變單性結(jié)實(shí)系碳水化合物的運(yùn)輸狀態(tài)，這主要是由一些差異蛋白引起的。賈利等研究表明，協(xié)調(diào)茄子單性結(jié)實(shí)系果實(shí)的碳水化合物代謝是一些差異蛋白，與非單性結(jié)實(shí)系相比，單性結(jié)實(shí)茄子在開花前上調(diào)差異蛋白94 個(gè)，下調(diào)差異蛋白85 個(gè)；在開花后上調(diào)差異蛋白99個(gè)，下調(diào)差異蛋白96 個(gè)。

2.3 振動誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)

已有試驗(yàn)證實(shí)，振動可誘發(fā)茄、瓜產(chǎn)生單性結(jié)實(shí)。大田里的植物較溫室里的植物容易形成單性結(jié)實(shí)，可能是風(fēng)吹引起振動的緣故。研究表明，在兩年的大田試驗(yàn)條件下，茄、瓜單性結(jié)實(shí)品種Serverianin的9 個(gè)家系的單性結(jié)實(shí)率均高達(dá)97%~100%；在溫室中時(shí)，單性結(jié)實(shí)率降低至10%~64%。而這9 個(gè)家系的后代再種植到大田時(shí)，單性結(jié)實(shí)率又提高到95%~97%。在大田條件下，風(fēng)成為刺激子房發(fā)育的一個(gè)重要誘因。

2.4 化學(xué)誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)

在生產(chǎn)實(shí)踐中，可用化學(xué)方法阻斷某些植物正常產(chǎn)生種子的途徑，使其無法形成正常的有籽果實(shí)。研究表明，外施生長素、細(xì)胞分裂素、赤霉素、矮壯素和青鮮素等都能誘導(dǎo)植物單性結(jié)實(shí)。主流的激素平衡理論認(rèn)為，單性結(jié)實(shí)受到各激素復(fù)雜的交互作用影響，任南南研究植物生長調(diào)節(jié)劑對黃瓜單性結(jié)實(shí)的影響，結(jié)果表明，細(xì)胞分裂素、生長素和赤霉素合成相關(guān)基因及合成代謝在單性結(jié)實(shí)果實(shí)不同發(fā)育時(shí)期作用不同。不同植物有不同的最佳激素平衡濃度，且影響其結(jié)實(shí)的激素種類亦不同。大量研究表明，激素參與了果實(shí)的早期發(fā)育，并在坐果期和果實(shí)膨大生長過程中發(fā)揮了重要作用。

張立慧等對茄子的Aux/IAA 基因家族有一定的研究，基因在生長素的轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用。其中，Sm IAA9 基因通過影響生長素信號的傳導(dǎo)，促進(jìn)植物出現(xiàn)單性結(jié)實(shí)性狀。單性結(jié)實(shí)品系在開花前及開花當(dāng)天的整朵花中IAA9 的表達(dá)量明顯高于非單性結(jié)實(shí)品種。王萬清等檢測表明，當(dāng)來源于葉片和子房的IAA 的濃度達(dá)到300 ng/g，單性結(jié)實(shí)能正常發(fā)育。

N-（2-chloro-4-pyridyl）-N’-phenylurea（CPPU）是細(xì)胞分裂素類的一種植物生長調(diào)節(jié)劑。李英等研究表明，CPPU 處理未受精的瓠瓜子房與NAA 和GA處理相比，不僅提高了坐果率，還能顯著提高果實(shí)生長速度。王萬清通過檢測不同部位產(chǎn)生內(nèi)源激素的種類和含量得出，來源于子房的GA和ZT能夠促進(jìn)果實(shí)單性結(jié)實(shí)形成的結(jié)論。

赤霉素對單性結(jié)實(shí)的發(fā)生是通過間接手段。唐茵心以“翠冠”梨為試驗(yàn)材料，測試出赤霉素處理調(diào)節(jié)未受精子房內(nèi)生長素、脫落酸、乙烯等成分的高低，即促進(jìn)單性結(jié)實(shí)果中赤霉素和生長素含量的合成。因此，在誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)過程中，赤霉素、生長素和細(xì)胞分裂素起協(xié)同作用。

在生理形態(tài)上，經(jīng)100 mg/L 的 CPPU、NAA、GA誘導(dǎo)后形成的弱單性結(jié)實(shí)（黃瓜品系），其結(jié)實(shí)率、果實(shí)長度、橫徑和重量均有所提高。鄧英毅以GA誘導(dǎo)枇杷單性結(jié)實(shí)，發(fā)現(xiàn)其機(jī)制為胚珠發(fā)育異常并逐步退化，以致胚敗育。

在內(nèi)源激素成分上，GA能與ABA 發(fā)生抑制作用，枇杷果實(shí)內(nèi)ABA 含量有所下降，也是使胚異常發(fā)育的原因之一，因此果實(shí)中ABA 可能主要來自于敗育胚珠。在單性結(jié)實(shí)系果實(shí)早期發(fā)育時(shí)，IAA、ABA、AR 的含量較后期高，外源激素處理和授粉主要通過誘導(dǎo)果實(shí)內(nèi)IAA 和GA 含量的提高而促進(jìn)結(jié)實(shí)。

在分子基因上，2，4-D 誘導(dǎo)的梨單性結(jié)實(shí)是通過促進(jìn)GA的生物合成來實(shí)現(xiàn)的，3 個(gè)關(guān)鍵氧化酶基因：GA20ox、GA3ox 和 GA2ox，在 GA 生物合成途徑中發(fā)揮作用。任南南通過不同處理分析不同發(fā)育階段的激素合成的相關(guān)基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)CYP735A2 和LOG2 是細(xì)胞分裂素合成相關(guān)基因、CsRR8/9b、CsRR8/9e、CsRR16/17 是細(xì)胞分裂素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因、AUX22 和AUX28 是生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因，這些相關(guān)基因在單性結(jié)實(shí)果實(shí)中表達(dá)量較非單性結(jié)實(shí)果實(shí)高；而赤霉素合成基因GA20ox在單性結(jié)實(shí)果實(shí)中表達(dá)量和非單性結(jié)實(shí)果實(shí)中類似，見表 1。

表1 主要激素的單性結(jié)實(shí)相關(guān)酶及相關(guān)基因[35]

3 假單性結(jié)實(shí)

單性結(jié)實(shí)形成無籽果實(shí)，但無籽果實(shí)并非全是單性結(jié)實(shí)所致。有些植物雖已完成了受精作用，但由于種種原因，如受精率下降、胚乳敗育等導(dǎo)致胚珠的敗育，而后胚的發(fā)育中止，而子房或花的其他部分繼續(xù)發(fā)育，也可成為沒有種子的果實(shí)。目前，大部分的研究是在假單性結(jié)實(shí)無核葡萄上，如江淑平等以 Flame Seedless、‘大粒紅無核’和‘京可晶’3 個(gè)假單性結(jié)實(shí)無核葡萄品種為試材，發(fā)現(xiàn)胚早期發(fā)育的經(jīng)歷與有核葡萄品種發(fā)育階段相同，但多數(shù)胚在發(fā)育至球形胚時(shí)，便停止生長并隨之解體，只有個(gè)別可發(fā)育至心形胚或魚雷形胚。此外，孫博等對假單性結(jié)實(shí)無核葡萄敗育期進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，胚乳敗育在胚敗育之前，而胚的敗育是胚乳敗育失去養(yǎng)分導(dǎo)致的。亓桂梅以無核葡萄為實(shí)驗(yàn)材料，研究發(fā)現(xiàn)，假單性結(jié)實(shí)葡萄在花前2～3 周，用乙烯劑100 mg/kg 處理的果穗可以得到比例較大的具有萌發(fā)力的種子。

4 環(huán)境因素的影響

4.1 溫度

溫度是誘導(dǎo)植物單性結(jié)實(shí)的主要?dú)庀笠蜃又?。李冰等以茄子單性結(jié)實(shí)系D-11 為材料，研究表明，低溫是誘導(dǎo)茄子單性結(jié)實(shí)基因表達(dá)的主要環(huán)境因素。薛萍以單性結(jié)實(shí)品系的茄子為材料，研究表明，低溫脅迫是茄子結(jié)實(shí)習(xí)性提高的原因。溫度的高低，對內(nèi)源生長素的合成及活性有一定的影響。楊連俊等研究表明，低溫能夠提高瓜類組織中生長素的活性或有利于GA 的合成。李艷瑋等研究自然低溫對茄子子房內(nèi)源激素的影響，低溫主要是在果實(shí)發(fā)育初期對玉米素核苷（ZR）及ABA 有影響，表現(xiàn)為日平均最低溫度14.3 ℃不利于ZR 的合成，但顯著提高了ABA 的含量，進(jìn)而提高果實(shí)單性結(jié)實(shí)能力。也有研究表明，茄子單性結(jié)實(shí)系具有較強(qiáng)的耐冷性，冷害指數(shù)較非單性結(jié)實(shí)系顯著低。低溫會抑制植物的光合作用以及降低葉綠素含量，但對單性結(jié)實(shí)系影響較小。

4.2 光照

除溫度以外，光照也是誘導(dǎo)植物單性結(jié)實(shí)的環(huán)境因素，其又可分為光強(qiáng)度以及光周期兩個(gè)不同方面的因素。研究表明，弱光下容易形成單性結(jié)實(shí)。高秀瑞等以茄子單性結(jié)實(shí)品系和非單性結(jié)實(shí)材料為材料，以低溫弱光脅迫處理，研究發(fā)現(xiàn)單性結(jié)實(shí)材料對弱光的利用能力較強(qiáng)，且低溫弱光脅迫主要是通過改變光合機(jī)構(gòu)內(nèi)部的活性而影響上述兩種材料幼苗的光合作用。

對于瓜類來說，夜間低溫和短光照是增加單性結(jié)實(shí)的主要因素，如西葫蘆在長日照下抑制了單性結(jié)實(shí)果實(shí)的發(fā)育，而在正常的日照條件下可獲得最重和最長的果實(shí)。

5 遺傳分析及分子機(jī)理

植物單性結(jié)實(shí)發(fā)生過程受到多種因素的影響，其中包括了遺傳因素。上世紀(jì)九十年代，人們便開始注重單性結(jié)實(shí)遺傳本質(zhì)的研究，尤其是對茄子的研究，從Restaino 認(rèn)為的茄子單性結(jié)實(shí)為1 對隱形基因控制，到Kuno 分析的茄子單性結(jié)實(shí)為單基因顯性控制，再到為顯性核基因遺傳，茄子單性結(jié)實(shí)的遺傳機(jī)制是存在多個(gè)基因控制的。不同材料遺傳特性存在差異，如閆立英等以雌雄同株黃瓜單性結(jié)實(shí)為試驗(yàn)材料，研究發(fā)現(xiàn)其遺傳受2 對主基因+多基因控制（E-1-0，E-1-2）。張立慧利用 PCR 技術(shù)，研究結(jié)果表明，茄子單性結(jié)實(shí)相關(guān)基因ARF 家族基因抑制果實(shí)的快速發(fā)育過程，推測GH3.6 基因主要在花發(fā)育及坐果階段起作用，在果實(shí)快速發(fā)育階段作用不明顯。對黃瓜的單性結(jié)實(shí)及主效QTL 分析，有許多研究結(jié)果。位于2 號染色體上SSR00684-SSR22083 之間的Parthenocarpy 2.1 是控制黃瓜單性結(jié)實(shí)性狀的主效QTL 位點(diǎn)，其他位點(diǎn)都為微效位點(diǎn)。PAR2.2 在兩個(gè)不同的生長環(huán)境中均被檢測到，可作為標(biāo)記分子在黃瓜單性結(jié)實(shí)中篩選育種。

6 討論

單性結(jié)實(shí)的應(yīng)用非常廣泛，在某些植物中，單性結(jié)實(shí)的增產(chǎn)效力相當(dāng)顯著，如用來制作腌黃瓜的黃瓜品種大多是經(jīng)雜交選育的可單性結(jié)實(shí)品種。不過，目前植物單性結(jié)實(shí)仍存在一些問題，如研究的植物大部分是在葡萄、茄子、黃瓜、番茄等上，植物種類還不夠廣泛。因此，應(yīng)加大資源的開發(fā)和創(chuàng)新；同時(shí)，積極與新型技術(shù)聯(lián)合研究，開展單性結(jié)實(shí)的綜合利用，具體包括：

（1）近年來，已有學(xué)者開始研究單性結(jié)實(shí)在轉(zhuǎn)基因上的應(yīng)用。如將金魚草的啟動子和薩氏假單孢菌（Pseudomonas syringae pv.savastanoi）合成色氨酸單氧酶（該酶可催化生長素形成）的基因結(jié)合，植入茄子中，茄子產(chǎn)量顯著提高，甚至較未經(jīng)轉(zhuǎn)基因、但經(jīng)激素處理的品種還高。今后，這種轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以應(yīng)用到更多的單性結(jié)實(shí)系果實(shí)上。

（2）近年來，已發(fā)現(xiàn)振動誘導(dǎo)單性結(jié)實(shí)現(xiàn)象，但對具體的發(fā)生機(jī)理還不明確，需要進(jìn)一步研究探討。同時(shí)，有許多單性結(jié)實(shí)材料的研究已經(jīng)涉及到基因?qū)用妫鐔涡越Y(jié)實(shí)果實(shí)的發(fā)育過程中的特異表達(dá)鈣調(diào)素類似蛋白基因CML25-like，今后可以在此基礎(chǔ)上，反過來作用于單性結(jié)實(shí)系果實(shí)的產(chǎn)量及質(zhì)量的研究和開發(fā)。

（3）目前，植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)能誘導(dǎo)和促進(jìn)單性結(jié)實(shí)。如在自然條件下，一些核果類果樹不能單性結(jié)實(shí)，但如用赤霉素和生長素混合處理，則可使甜櫻桃和杏單性結(jié)實(shí)。今后，可用各種適當(dāng)?shù)闹参锷L調(diào)節(jié)物質(zhì)來誘使各種果樹和其他植物不經(jīng)授粉受精而結(jié)果，增加經(jīng)濟(jì)效益。