树芽休眠论文：树芽休眠基因探究

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本文作者：刘国琴1，2郑鹏华1滕元文1作者单位：1浙江大学园艺系2贵州大学农学院

水分代谢相关基因

果树体内水分的转运和存在状态对果树芽休眠产生明显影响，休眠的诱导和解除过程中伴随着束缚水和自由水之间的相互转换[41-42]。在梅[17]、桃[37]、欧洲葡萄[43]等植物中均发现脱水蛋白基因，可能与休眠有关。脱水素是LEA蛋白的一种，在低温和脱水胁迫时诱导合成，具有较高的亲水性，可能起到束缚水的作用[44]。Pacey-Miller等[43]发现葡萄在萌芽的过程中，脱水素总体呈下降趋势，但在芽膨大前有2个小高峰。Yamane等[17]研究发现对不同需冷量梅品种而言，花芽脱水素基因的表达量不同，高需冷量品种‘Nanko’比低需冷量品种‘Ellching’的表达量高。水通道蛋白又名水孔蛋白，是一种位于细胞膜上的蛋白质，在细胞膜上组成“孔道”，可控制水分在细胞的进出，从而对水分的转运和平衡起重要的调控作用。根据亚细胞定位，高等植物的水通道蛋白主要分为质膜内在蛋白和液泡膜内在蛋白2大类，都属于内在蛋白家族成员。其中TIP又分为α、β、γ、δ-TIP4大类。Mazzitelli等[16]研究发现树莓休眠向生长阶段转变过程中AQP下调表达。Mathiason等[45]报道在满足葡萄需冷量期间PIP被诱导。Yooyongwech等[46-47]发现AQP基因与桃的休眠相关，并且PIP和TIP的表达模式和可能的作用不同。2个需冷量不同的品种在内休眠解除时δTIP1和PIP2表达量上调，而γTIP1和PIP1在高需冷量品种‘KansukeHakuto’中的表达量要比低需冷量品种‘Coral’高，Yooyongwech等[47]认为γTIP1和PIP1可能对细胞内和胞间水分的转运起到重要的调控作用，增加其抗冷性和防止冰晶的形成，而δTIP1和PIP2可能作为内休眠解除的信号。AQP的过量表达能提高欧洲板栗芽的含水量[21]。这些都说明了AQP基因对于果树在休眠期间细胞内和胞间水分的转运起到重要的调控作用。

能量与物质代谢相关基因

落叶果树芽进入休眠后，树体内只进行基本的生理生化活动，新陈代谢弱，其中呼吸代谢的持续进行是休眠过程的显著特点，涉及到不同类型呼吸的代谢途径、呼吸代谢物质和能量的转变[2，8，12，48]。腺苷三磷酸水解酶（ATPase）是植物生命活动的“主宰酶”，对植物的许多生命活动起着重要的调控作用，酶活性的改变影响膜系统对物质的运输能力。现已发现该酶对休眠起着调控作用[8，12，16，43，49]。桃在休眠开始时，芽中的ATPase活性低于芽下组织（budstands），但随着休眠的逐步加深，芽中的ATPase活性逐渐增加，并高于芽下组织，萌发时，芽和芽下组织ATPase活性达到最高峰[49]；核桃芽中的ATPase活性休眠期间没有萌发期高[12]。在桃芽休眠阶段，已分离了H+-ATPase家族4个基因成员PPA1、PPA2、PPA3和PPA4，并且发现这4个成员对休眠的调控作用不同，认为该基因的调控可能参与糖类物质的共转运，PPA1、PPA2、PPA3在休眠解除后的芽中上调表达，可能有利于内休眠的解除，而PPA4则下调表达[49]。Pacey-Miller等[43]报道了葡萄休眠期能量代谢有关的基因所占的比例高达17%。Mazzitelli等[16]认为在休眠解除时，树莓芽分生组织需要从别的组织获取大量的糖类物质，来维持芽的生长，而此时H+-ATPase的基因上调表达，NAD-山梨醇脱氢酶基因下调表达。Mathiason等[45]研究发现在满足需冷量的河岸葡萄越冬芽中碳水化合物代谢（32.4%）和能量代谢（18.6%）相关的基因所占的比例就高达51%。柠檬酸合成酶、ATP柠檬酸裂解酶、ATP/ADP转运体、磷酸烯醇式丙酮酸激酶和核酮糖1，5-二磷酸羧化酶基因等在满足需冷量的葡萄越冬芽中下调，与碳水化合物代谢相关的编码蔗糖合成酶、己糖转运体、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶及异构酶等的基因也下调表达。Mathiason等[45]提出在满足需冷量期间芽的代谢活性和能量需求是较低的。在黑醋栗休眠过程中，发现乙酰辅酶A羧化酶基因在休眠期表达低，随着休眠的解除，表达量逐渐升高[20]。

激素代谢相关基因

激素对果树芽休眠调控有重要作用，不同激素对果树芽休眠的诱导和解除的作用不同[2]。ABA、GA、IAA、CTK和乙烯受到不同信号（物理信号和化学信号）的调控，从而起到不同的作用，因此相关激素合成基因与信号响应基因互作控制芽的休眠和生长。在草本植物和一些多年生木本植物上已有关于激素代谢相关基因的报道，马铃薯休眠芽中分离了生长素响应因子基因ARF6[50]。牡丹上分离了生长素抑制蛋白基因和赤霉素合成酶基因GA20，发现ARP在牡丹休眠解除前期的表达量高，在休眠解除后表达量降低，之后又上调[51]。杨树上发现了3个与ABA信号转导有关的基因ABI1B、ABI1D和ABI3[31]。王新超[52]对茶树芽休眠不同阶段的生长素相关基因如生长素响应因子类基因、生长素原初反应类基因、生长素抑制蛋白基因、生长素诱导基因、生长素运输类基因、生长素结合类基因等进行了研究，结果初步说明生长素促进茶树腋芽的休眠，其中生长素响应因子类基因和生长素原初反应类基因与茶树芽休眠与解除存在复杂的关系，还有待于进一步的研究证明。Mazzitelli等[16]在树莓上也发现与休眠相关的基因，生长素响应蛋白、ABA诱导蛋白和赤霉素调控等基因，ABA诱导蛋白基因在休眠转换期间下调。Pacey-Miller等[43]报道了欧洲葡萄休眠过程中生长素诱导蛋白基因的表达在芽开始膨大前2周上调，然后表达下降。Mathiason等[45]发现河岸葡萄越冬芽中ABA相关基因下调，而GA受体下调。

细胞发育相关基因

芽休眠的解除就是分生组织的重新生长，分生组织逐渐由休眠向细胞增生转变，受细胞周期调控[10，53]，细胞周期调控主要受细胞周期蛋白（cyclin，CYC）和细胞周期蛋白依赖激酶的调控。这些调控基因包括CYCA、CYCB、CYCD和CDKB等，均已在多种植物上克隆和分离出来，且多呈现出休眠期表达低，休眠解除后表达高的变化趋势[52，54-56]。Watillon等[57]从苹果中分离了类KN1基因，分别命名为KNAP1和KNAP2基因。Brunel等[58]研究报道KNAP2基因的表达与苹果芽的生长潜力负相关，且KNAP2表达与芽所处的位置变化很大，枝条顶部的芽总是比枝条中部和基部的芽的表达低，而枝条中部和基部的芽在生长期间仍保持休眠。Mathiason等[45]研究发现在满足需冷量的葡萄越冬芽中与细胞发育相关的基因所占的比例达1.4%，且涉及细胞信号和细胞生长的基因被激活，与细胞分裂和生长相关的肌动蛋白、细胞壁松弛蛋白、亚精胺合成酶和植物磺肽素基因均上调，通过细胞的分裂、细胞的伸长和细胞的松弛有助于芽生长。

活性氧代谢相关基因

果树在休眠期间活性氧代谢发生了变化，休眠期间不同的树种活性氧种类和抗氧化酶的种类和活性不尽相同[16，43，59-60]。Pacey-Miller等[43]报道了葡萄休眠芽中活性氧代谢相关的基因Cu/Zn超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽硫转移酶、谷胱甘肽还原酶和过氧化氢酶基因表达高。Mazzitelli等[16]在树莓上也发现编码抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽硫转移酶和谷胱甘肽还原酶基因在休眠解除时表达上调。Pérez等[61]报道低温增加葡萄过氧化物酶基因的表达。

DAM基因

MADS-box是在转录因子家族中发现的一种高度保守的基序，MADS-box基因是一类调节植物生长发育的重要基因，涉及到植物生长发育的许多方面，如植物花器官的发育、物质和能量代谢、信号的传递和转导以及休眠等过程[18，62-65]。MADS-box基因对果树芽休眠的作用正逐步被揭示，在不同的果树如桃、梨、梅和猕猴桃上克隆或分离并进行了表达分析和功能鉴定。Bielenberg等[63]分离了与桃休眠相关的6个MADS-box基因，并把与休眠相关的MADS-box基因称为DAM基因，分别命名为DAM1、DAM2、DAM3、DAM4、DAM5和DAM6。Li等[66]研究了桃的6个DAM基因有不同的季节和光周期表达模式，DAM3对光周期没有反应，可能受低温的调控，DAM1、DAM2和DAM4在时间上与季节性的伸长停止和芽的形成有关。Jiménez等[67]在研究桃芽休眠过程时发现DAM3、DAM5和DAM6在冬季低温条件下表达下调，而且在不同的品种中有相似的变化趋势。Leida等[19]用SSH方法鉴定了与桃芽休眠解除相关的特异基因，获得了101个特异表达的基因，其中就有DAM4、DAM5和DAM6，且发现DAM6在桃的2个品种上表达模式不同，品种‘Zincal5’DAM6开始下调的时间比‘Springlady’大约要提前1个月。Yamane等[68-69]报道了DAM5和DAM6基因与桃的内休眠有关，2个基因的表达有组织特异性，在田间自然条件下，叶片，茎、侧叶芽和侧花芽在内休眠期间上调表达，内休眠解除后下调，进行延长低温处理研究发现，2个基因的表达与芽的萌芽率呈正相关的关系。Leida等[70]对桃休眠过程中DAM6基因的组蛋白修饰和表达进行了分析，染色质的修饰加强了DAM6基因的表观遗传调控和芽休眠的解除。Ubi等[18]从日本梨上克隆了2个与休眠相关的MADS-box基因，分别命名为PpMADS13-1和Pp-MADS13-2，并报道了该基因在2个梨品种的表达情况，在高需冷量品种‘Kosui’中2个DAM基因表现为相同的变化趋势，随着内休眠的解除，DAM基因逐渐下调，但PpMADS13-2的表达量比Pp-MADS13-1高。而低需冷量品种‘TP-85-119’中表达量很低，几乎检测不到。Yamane等[71]用SSH法筛选出与梅休眠相关的MADS-box基因，命名为PmDAM6，并进行了表达分析，发现PmDAM6在内休眠开始时表达上调，内休眠解除期间表达下调，认为PmDAM6可能与梅侧芽内休眠的诱导和解除有关，在没有外界抑制条件如顶端优势和恶劣的环境条件下，即适宜芽萌发的条件下，PmDAM6可能作为内部抑制基因起到延迟和抑制芽生长的作用，把该基因看成为调控梅侧芽休眠的候选基因。Sasaki等[65]并对PmDAM6进行了功能鉴定，过量表达PmDAM6，能抑制杨树生长。根据梅的基因组，鉴定了6个PmDAMs，并对其进行了季节表达分析和延长低温处理，结果表明在内休眠解除之前6个PmDAMs的表达量维持在低水平，而且在短期低温处理下，PmDAM1和PmDAM6在高需冷量品种表达量有所增加，而低需冷量品种表达量降低，此外，PmDAM1和PmDAM6的表达与内休眠的解除呈负相关。Wu等[72]从美味猕猴桃中分离了4个MADS-box基因，发现在根、茎、叶、花、芽和果实中的表达量不同。在越冬期间芽中的表达量积累，表明对芽的休眠起作用。在花芽分化前表达量下调，可能作为花阻遏物对花的发育发生作用。在拟南芥中进行过量表达和蛋白互作研究发现只有2个基因能够与突变体互补，表明猕猴桃的这些基因在芽休眠和开花过程中发挥不同的作用。总之，这些研究结果表明DAM基因对落叶果树芽休眠起着重要的调控作用，DAM基因可能是芽休眠因素中最有希望的关键因子。今后关于证明DAM基因的遗传、分子和生化方面在环境适应性方面的研究领域将是研究的热点。

展望

落叶果树芽休眠现象受基因调控网络调控，很难从单个或几个基因的作用解释休眠的本质，必须全面系统地研究多基因的协同作用。为此，今后关于落叶果树芽休眠的基因调控研究可从以下几方面开展。1）从研究手段来看，除传统的实验方法外，可结合现代基因组学、转录组学、蛋白质组学以及代谢组学等手段，综合利用这些组学的手段来研究落叶果树芽休眠的诱导、维持和解除的过程。2）从研究内容来看，除在休眠解除的调控方面，还应深入开展休眠诱导、维持阶段的基因调控研究。3）落叶果树芽休眠的基因调控研究不能仅局限在单个或几个基因的表达模式上，采用多种研究手段，建立芽休眠的基因调控网络，开展基因的分子功能研究，明确休眠相关的调控基因和结构基因。通过这些方面，从而不断完善和揭示芽休眠相关基因的途径及在休眠诱导、维持和解除过程中的协同作用，从本质上揭示这一被称为“生命的隐蔽现象”。