赤霉素的生物合成及其在葡萄栽培上的應用

張曉瑩，宋長年，房經貴，王西成

(南京農業大學園藝學院江蘇省果樹品種改良與種苗繁育工程中心，江蘇南京210095)

植物生長調節劑的功能主要是調整株型、提高抗性、增加產量、提高品質、調控發育進程、加快根莖膨大等[1]。它們在控制萌發和生長，促進扦插生根、開花結果，防止落花落果，疏花疏果，形成無籽果實，增加產量，提高抗逆力等方面顯示出重要的調控作用[2－3]。隨著人們對植物激素生理作用的深入研究與認識，植物生長調節劑的應用日漸得到重視，并且已成為果樹生產技術的一部分。尤其以赤霉素使用居多，又以在葡萄上的應用最為普及與實用化。赤霉素(Gibberellin，GA)是指在化學結構上彼此非常接近的雙帖類化合物，具有19或20個碳原子(圖1)。根據赤霉素分子中碳原子的不同，可分為19-C赤霉素和20-C赤霉素。

圖1 赤霉素的基本結構

1 赤霉素的生物合成

鑒于赤霉素在葡萄栽培中的廣泛應用及重要作用，研究赤霉素的作用機理十分必要。分子生物學的發展為研究與認識赤霉素的作用機理提供了有利條件，并且對赤霉素的作用機理有了一定的了解，而且對其生物合成的調節以及赤霉素發育調節的機制有了進一步的認識。而赤霉素的生物合成更是認識赤霉素的作用機理的基礎。為揭示赤霉素在葡萄發育中的的作用機理，本文首先介紹赤霉素的生物合成途徑，從而進一步達到利用赤霉素的目的。

在真菌細胞內或者一些植物的無細胞體系里，甲羥戊酸(MVA)可以被轉化成赤霉素的前體，故MVA一直被認為是植物體內合成赤霉素的最初前體[4]。但在完整的植株和組織中MVA卻無法轉化成異戊烯焦磷酸(IPP)或者其他赤霉素前體。1996年Schwender[5]發現某些藻類可以將3—磷酸甘油醛或者丙酮酸鹽轉化成IPP。隨后Lichtenthaler[6]證明在高等植物的原質體內也存在這樣一條途徑。目前3—磷酸甘油醛/丙酮酸鹽是公認的赤霉素合成最初前體[7]。

根據赤霉素生物合成參與酶系的不同以及參與酶的細胞區隔化，將整個合成途徑分為3個步驟[8－9](圖2):第1步發生在原質體(Proplastid)內，牻牛兒牻牛兒焦磷酸(GGPP)到內根—貝殼杉烯(Ent-kaurene)階段，有關的酶不與膜結合;第2步發生在內質網上(Endoplasmic reticulum)，由依賴細胞色素P450類的單加氧酶催化內根—貝殼杉烯(Ent-kaurene)轉化成GA12的階段，需要O2和NADPH;第3步在細胞質(Cytosol)內催化C20、C19 GAs的產生，從GA12轉變為其他種類GA的途徑則因植物種類而異。一般來說，從GA12開始的反應有一個共同的順序，就是C-20逐漸氧化，以喪失CO2的方式轉變成C19-GA，然后在3-β位引入羥基，這樣形成具有生物活性的C19-GA;若在2-β位引入羥基則形成無生物活性的GA[10]。

圖2 高等植物赤霉素生物合成途徑

2 葡萄中主要赤霉素類型

迄今已發現的赤霉素有100余種，在葡萄上命名的也有幾十種。

已有研究表明，不同植物中赤霉素的種類不同，且同一植物不同組織所含赤霉素的種類也有所不同。以葡萄來說，葡萄中主要有GA1、GA3、GA4、GA7等十幾種。表1列出部分赤霉素類在葡萄上的來源情況。

表1 GAs在葡萄上來源情況

3 赤霉素的生理效應以及在葡萄栽培上的應用

赤霉素能顯著促進細胞伸長、分裂和分化，加速生長發育，增加產量，改善品質，促進早熟，也能有效地打破種子休眠，促進發芽，還能誘導植物抽薹開花，促進坐果和果實的生長。因此，赤霉素被廣泛應用于農業生產。在果樹上，赤霉素以在葡萄上的應用最為普及，赤霉素在葡萄上的利用成為赤霉素乃至其他植物生長調節劑在果樹上利用的最典型代表。應該說赤霉素在葡萄生產中廣泛而且成功的利用除了赤霉素的作用特點外也有葡萄本身的原因，如葡萄果粒小、種子數目較多、無籽葡萄品種果實偏小、生產模式多樣化、果實外觀品質性狀尤其是色澤豐富并且可塑性高等都是影響葡萄生產中較多采用赤霉素的重要方面。葡萄上應用赤霉素主要涉及到葡萄無核化栽培、提高坐果率、促進無籽葡萄品種果實的生長、增加穗重、提早成熟和打破種子休眠等。

3.1 赤霉素對葡萄成花、坐果的影響

發育完全的植物施用赤霉素可提早開花，并增加坐果。對于早期花序，一般赤霉素濃度在10～20 mg·L－1和200～300 mg·L－1時對形成雌花有積極作用，而濃度高于600 mg·L－1，則顯著停止雄花和雌花的發育[19]。葡萄于盛花前11～14 d以及盛花后10 d分別用100 mg·L－1GA4+7、100～150 mg·L－1BA和100 mg·L－1GA32次浸漬果穗[20]均能夠明顯提高坐果率。

3.2 赤霉素對疏花疏果的影響

美國加州用赤霉素對湯姆遜無核(無核白)進行疏花疏果，一般噴灑2次赤霉素:在花冠脫落30%～80%的時候，用2.5～20 mg·L－1溶液噴霧，其目的是使穗軸伸長，疏去30%～50%的花果，也略有增大漿果的作用，以防果穗過于緊湊而腐爛[21]。

3.3 赤霉素對增大葡萄果實的影響

無核可提高其可食性及商品性。但無核葡萄一般果粒較小，這與果實中無種子直接相關。研究表明，種子是赤霉素合成的中心[22]。通過施用赤霉素可抵消部分自身赤霉素的缺乏，從而使無核果實長得和有核果實一樣大[23－24]。不同濃度的GA3對紅地球[25－26]，Vanessa[27]，Sultana[28]等品種起到了良好的膨大效果。但也因葡萄的品種、樹勢、地區、處理濃度的不同，效果也不盡相同。

3.4 赤霉素與葡萄無核化

近年來，國際鮮食葡萄生產和消費的總趨勢是大粒、無核。目前我國鮮食葡萄中無核品種不到10%，無核葡萄生產遠遠不能滿足市場需求。因而，采用無核化栽培技術生產大粒無核葡萄具有重要意義。葡萄無核化是指使有籽葡萄的種子軟化或敗育，從而轉化為無核葡萄，赤霉素可引起有核葡萄無核化。在花前和盛花期施用100 mg·L－1的赤霉素可形成一些無核葡萄品種[29]。在盛花前6～10 d用GA浸漬花穗，以抑制授粉受精并促進早熟，可形成無核高達98.7%～99.9%[30]。楊向東等[31]初花前4 d和盛花后10 d各用50 mg·L－1赤霉素浸穗處理1次，可以使巨峰葡萄果實95%以上無核。此外陶建敏等[32]采用2種不同濃度的GA3和GA4+7在花前10 d，1 d和盛花期對巨峰葡萄進行無核處理，花后10 d以GA3和CCPU以3種濃度組配進行膨大處理，各處理都使巨峰葡萄的無核率大幅度提高。

3.5 赤霉素對改善果實品質的影響

由于赤霉素能誘導α-淀粉酶的生成，引起淀粉水解，這樣便增加了糖的濃度，提高了細胞液的滲透壓，使水進入細胞并使其縱向伸長生長。因此，在花期或花后施用赤霉素能增大果個、拉長果形、提高果實可溶性固形物含量等[33－34]。

4 應用前景

隨著赤霉素研究的不斷深入，其生理作用和在果樹上的應用已為廣大果樹科技工作者所熟知和證實，今后必將進一步拓寬其應用領域，尤其在現代設施葡萄種植、高產優質葡萄種植，葡萄園觀光旅游中應用更加廣泛。植物生長調節劑的應用成為葡萄生產技術不可或缺的一部分，在葡萄無核化栽培、扦插繁殖、控制生長、促進花芽形成、?；ū９⒃黾赢a量和提高漿果品質等方面發揮著重要的作用。在實際應用中，要充分發揮赤霉素的作用還應把其他植物生長調節劑與其他栽培措施(如授粉受精、肥水管理等)結合起來，才能得到更好的效果。在葡萄上研究植物生長調節劑勢必會引起其在其他園藝作物上的應用，并帶來新的活力。

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