板栗花芽分化生理及分子機理研究進展

摘 要：本文就板栗花芽分化的生理及分子機理研究展開論述，概述了板栗花芽分化進程及形態特征、生理調控機制和分子生物學研究，并就構建完善的板栗花芽分化調控機制做了展望，以期為板栗增雌減雄、提高產量和品質提供參考。

關鍵詞：板栗；花芽分化；性別調控

中圖分類號：S664.2 文獻標識碼：A DOI編碼：10.19440/j.cnki.1006-9402.2023.02.001

板栗（Castanea mollissima Blume）屬于殼斗科（Fagacea）栗屬（Castanea），是我國最早馴化利用的經濟樹種之一，相比于歐洲栗（C. sativa Mill.）、日本栗（C. crenata Sieb. amp; Zucc.）、美洲栗（C. dentate Brokh.）等主要經濟栽培栗種，中國板栗不僅具備香甜糯的熟炒品質，還具有高抗逆性，在世界食用栗中具有特殊地位。板栗堅果食用部位營養豐富，尤其是淀粉含量豐富。板栗具備很強的抗逆能力，遇到干旱造成農作物大量減產的年份，也有穩定可靠的產量，因此有“鐵桿莊稼”的美譽。

板栗為雌雄同株異花植物，花芽為混合花芽，常位于結果枝或強發育枝的中上部，枝條頂端飽滿的2～3個芽體通常為完全混合花芽，其萌芽抽生的枝條上同時著生雄花序和兩性花序，兩性花序先發育出雄花序，后在雄花序基部繼續分化出雌花序，而不完全混合花芽萌芽后抽生的枝條只著生雄花序。板栗雌雄花比例可達到驚人的1∶（2 000～3 000），過多的雄花消耗了樹體營養，影響板栗產量和品質，而人工或化學疏雄的成本較高不適合生產上大規模使用。因此，開展板栗花芽分化機制研究，對板栗增雌減雄、提高產量和品質有重要的生產實踐意義。

1 板栗花芽分化進程及形態特征

花芽分化是指植物莖生長點由分生出葉片、腋芽轉變為分化出花序或花朵的生理過程，是植物由營養生長轉變為生殖生長的標志。板栗花芽分化有其獨特的復雜性，花芽分化的部位不是莖生長點，而是由板栗雛梢葉腋間的芽原基分化而來，其在進行花芽分化過程中也伴隨著性別分化。前人關于板栗花芽分化做了很多研究，早在20世紀30年代，日本學者青野、松原等[1]曾采用春季分期剪截粗壯母枝的方法，得出結論是栗兩性花序在當年春季3-4月間形成，最遲不過4月中旬。李中濤等[2]通過對栗芽的觀察研究發現，板栗的成花誘導部位發生在雛梢葉腋間的芽原基，6-8月雄花序原基開始出現，經過冬季的休眠，3月下旬至萌芽前兩性花序開始形成，萌芽后開始進入形態分化，并先形成雄花序，后在雄花序基部出現雌花序原基，雌花形態分化伴隨著生理分化，具有芽外分化特點，時間短（約60 d）而集中。王鳳才等結合栽培實踐觀察研究認為，成年結果母枝上的兩性花序原基經過跨年度的芽內分化于春季萌芽期發生并發育；而經過修剪等外界環境刺激或生長勢過旺萌發的二次花枝，則不經過跨年度的芽內分化，直接由當年雛梢生長錐分化而來[3]。板栗花芽具有很強的可塑造性，中川昌一[4]首次指出板栗雌花中有雄蕊，任立中等[5]觀察到板栗雌花中的雄蕊在雌蕊柱頭之下，避免了自花授粉，這也為板栗實際生產中增雌減雄提供了參考依據。夏仁學等[6]發現二、三次花的混合花序不同于一次花的混合花序主要著生在結果枝的上端，而是從結果枝基部至頂端均可形成，雌雄花序分化是同時進行的，數量多，發育時間短，且二次花果也可用于板栗生產。

關于板栗花芽的形態分化研究已經比較清楚。但就以何種對象來劃分形態分化時期還未達成共識，目前主要有三類劃分方式，第一類是以花序原基為對象來劃分[7-8]，第二類是以雛梢分化情況進行劃分[2]，第三類則是以混合花芽為對象來劃分[9]。界定明確的花芽分化時期在指導板栗生產上具有重要意義，第三類關于分化期的界定比較詳實具體，但仍然有繼續發展的空間，可以在此基礎上結合栗芽的發育周期進一步完善關于板栗花芽分化時期的界定。

2 板栗花芽分化的生理調控機制

很早以來人們就關于花芽分化的生理機制做了很多研究，20世紀初，Klebs提出了碳氮比（C/N）學說，認為C/N比值高時，利于植物由營養生長轉向生殖生長，促進開花，反之則抑制開花。1970年，Luckwill用GA/CTK或CTK/GA的平衡來解釋植物的花芽分化，首次提出了激素平衡假說，認為果樹在處于激素平衡的狀態時會解除開花阻遏基因進而促進開花。1989年，Lavee的激素信號調節假說認為正在發育的果實種子能向葉片傳輸激素信號，葉片在接收激素信號后調控植物花芽分化進程從而影響開花，但Bangerth[10]認為接收果實種子激素信號的部位是新梢的營養芽而非葉片。在板栗中已有研究證明，營養物質、植物激素是板栗花芽分化及花器官發育的物質基礎，是影響花芽分化和花性別分化的生理原因，也是導致空苞發生的最終原因。

2.1 營養物質調控 碳水化合物和含氮化合物既是果樹的結構物質又是能量的提供者，是啟動果樹分生組織成花的重要因素，其積累量與果樹花芽分化密切相關。研究表明，板栗花芽分化期要消耗大量的可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白，且混合花芽的消耗量要顯著高于葉芽，表明板栗花芽分化與其營養物質的積累有密切關系[11-12]。陳順偉等[13]通過分析板栗結果母枝和雄花枝中的營養物質含量發現，高含量的可溶性總糖可能是影響板栗雌花分化的重要因素之一。

碳氮比成花學說雖不能解釋成花的調控機理，但對板栗增雌抑雄的研究影響深遠，并由此拉開了通過對礦物質元素調控而促進板栗雌花分化的研究序幕。姜國高等[14]比較了板栗結果母枝和非結果母枝中的碳、氮營養水平，發現結果母枝的C/N比高于非結果母枝，由此認為C/N比與雌花分化有著密切聯系。但就單一元素來說，高N環境不利于植物的開花而高P則有利于植物的開花，其原因是高N環境會激活FLC基因（開花阻遏物）的表達從而抑制其開花，而高P環境下會激活植物FT基因（開花激活物）的表達而促進開花[15]。

在板栗生產實踐中發現，板栗落果后至落葉前施入微量硼鋅肥或在雌花分化期通過增施磷肥或葉面噴施鉀肥都可顯著增加雌花數，提高結果枝數和降低空苞率，利于雌花分化。營養物質調控是板栗花芽分化的物質基礎，加速了植物從營養生長向生殖生長的轉變進程，是板栗豐產優質的保證，在生產上通過施用優化組合的礦質元素肥料能有效促進板栗雌花花芽分化。

2.2 植物激素調控 植物體內各種內源激素是一種相互協調的動態平衡，共同控制著碳、氮和核酸等物質代謝，調控板栗的花芽分化。而植物生長調節劑是通過內源激素，在植物性別分化中發揮誘導信號的效應，從而調控其花芽分化進程。呂守芳等[16]研究植物生長調節劑對板栗花芽分化的影響發現，外源GA、6-BA和PP333對板栗具有促進雌花分化效應，CEPA具有顯著的抑雌、抑雄效應，但低濃度（ 50 mg/L ）能促進雄花分化。邱爽[17]的研究發現，在板栗花芽分化過程中，低含量的GA、IAA、ABA，高水平的內源ZT有利于板栗上部花芽的性別分化；低水平的GA/IAA、ABA/IAA可促進花芽性別分化；高水平的ZT/IAA有利于花芽的性別分化。但周芳萍[18]在‘雙季板栗’萌動期至開花期的研究又總結出，結果枝混合花芽高水平GA、GA/ZR和低水平ABA、ZR/IAA利于‘雙季板栗’雌花形成?？傮w而言，植物激素在板栗結果枝的分布并不均衡，容易形成雌花的部位保持著較高的ZR、GA水平和較低的IAA、ABA水平以及較高的（ ZR+GA）/（ IAA+ABA ）值，而不易形成雌花的部位則基本相反。

板栗花芽分化的不同時期植物激素的表達同樣存在差異性，IAA對板栗冬前梢花芽分化影響較大，GA有利于花芽打破休眠促進其向花序原基分化的轉化，且花序原基分化期與花簇原基分化期均需維持一定含量的GA，低水平的ABA有利于休眠期的解除和冬后花序原基的分化[19]。

植物激素除調控板栗花芽分化外，還可能導致雄花序畸變，如韓寶等[20]對板栗短雄花序芽變材料內源激素分析后，推斷GA和ABA失衡是造成雄花序短化的主要原因，張維鼎等[21]進一步分析后發現GA處理可使短雄花序恢復伸長。

3 板栗花芽分化的分子生物學研究

板栗為雌雄同株異花植物，具有性別分化的特點，性別分化是一種發育進化過程，過程中形成的單性花有利于異交并促進遺傳多樣性的發展。雌雄同株植物由于雌花雄花共用一套遺傳物質，其性別決定過程受性別決定基因調控。因此，對板栗性別決定基因的研究對其性別分化具有重要意義，但目前關于板栗性別決定基因的研究幾乎沒有相關報道，大部分分子研究的對象都集中于板栗抗病性尤其是栗疫病抗性調控相關基因的研究。

板栗雄性不育資源的發現為板栗花芽分化分子生物學的研究提供了新方向，雄性不育資源在遺傳育種中具有獨特優勢，育種工作者對雄性不育資源的發掘從未間斷。Mckay等[22]較早在日本栗中發現完全雄性不育株；1996年在我國山東莒縣同樣發現了完全雄性不育板栗植株“浮來無花”，研究表明“浮來無花”雄花序敗育屬無花粉囊型不育，是花簇原基分化期維管束發育不正常導致的[23]；河北科技師范學院板栗育種課題組在河北省遷西縣發現了一個雄花敗育的新類型，其最顯著特征是雄花序短小且在發育中期逐漸變黃、轉枯、最后脫落。

板栗雄性不育性狀遺傳穩定，不因嫁接、營養調節或環境條件改變而恢復育性，從而確定為由基因改變引起的可遺傳雄性不育，Soylu等[24]通過雜交試驗得出結果，認為板栗的雄性不育是由2個近乎等位的隱性基因控制的，并認為2個基因的主效性關系和修飾基因對雄性性狀的表達有重要作用。后來的雜交試驗研究中進一步發現栗屬種間雜種雜交F1雄性不育，不育性狀可穩定遺傳，屬于細胞質雄性不育，但其控制育性的核基因仍呈顯性[25-27]。

近些年來，由于板栗雄性不育資源的發現以及其在遺傳育種中的優勢，我國的研究者針對板栗短雄花序芽變和其細胞程序性死亡相關基因的克隆及其功能分析，開展了較系統的研究，徐月等[28]對板栗短雄花序芽變材料構建了72種引物組合，與對照分析后篩選出24個有差異片段的多態性引物組合，推斷其可能與形成短雄花序的基因調控有關。朱曉琴等[29]應用抑制性消減雜交技術分離了與板栗短雄花序芽變性狀形成的可能基因，并在30個有效EST序列中發現部分EST可能與板栗短雄花序的形成密切相關。隨后，關于板栗短雄花序的產生及細胞程序性死亡的機理進一步被揭示，天冬氨酸蛋白酶的表達量受阻、赤霉素合成關鍵酶基因啟動子區域的堿基突變[30]，均可能導致板栗短雄花序的形成；MYB轉錄因子表達[31]、?；D移酶基因含量的變化[32]可能參與了板栗短雄花序的頂端細胞程序化死亡過程，同樣可促使板栗短雄花序現象的產生。

4 小結與展望

隨著對板栗花芽分化形態及生理調控方面研究的日益增多，現已對板栗花芽分化的形態分化特征及其生理特性都有了較為明確的認知。但就部分營養物質和植物激素在調控板栗性別分化過程中所起的作用仍有待進一步深入研究，板栗花芽分化的進行是受多重因素影響調控的結果，在今后的研究中可構建營養物質調控網絡和植物激素調控網絡，比較分析網絡內個體間的相互關系和兩個網絡間的交互作用。

關于板栗花芽分化分子機制的研究很少，目前主要是對板栗雄性不育資源中雄花序程序性死亡及相關調控基因克隆的研究。相比于其他植物，板栗花芽分化分子調控機理的研究任重而道遠。如人們在擬南芥中已構建了比較完善的開花調控機制，發現了至少6條信號途徑參與調控開花，雖然這些開花途徑能夠獨立作用，但它們交匯于共同的下游靶基因，即花通道整合因子基因（FT、AGL20、LFY），后進一步通過調控花分生組織特征基因（AP1、CAL、FUL、LFY）的表達，從而促進擬南芥開花[33]。

關于板栗花芽分化分子生物學的研究，可以從以下三方面開展。一是借鑒擬南芥等模式植物中已構建的開花分子調控機制，在板栗上克隆相關調控基因并研究其在花芽分化過程中的表達調節機制；二是對板栗性別決定基因的研究，可通過對板栗特異種質資源的發掘，利用基因組學和轉錄組學等技術篩選決定其花芽分化或性別分化的相關基因[34]；三是結合基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學四大組學，研究板栗花芽分化分子、生理及外界環境條件三者之間的作用機制，構建完整的花芽分化調控網絡。

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