葡萄分子生物学

图书标准信息

• 作者 房经贵、刘崇怀 著；房经贵、刘宗怀 编
• 出版社 科学出版社
• 出版时间 2014-05
• 版次 1
• ISBN 9787030395382
• 定价 158.00元
• 装帧 精装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 404页
• 字数 572千字
• 正文语种 简体中文
• 丛书 现代生物农业·园艺

【内容简介】

《葡萄分子生物学》结合在葡萄分子生物学方面的研究实践，综合国内外有关的最新研究进展，对葡萄成花、葡萄芽休眠、葡萄果实着色、葡萄果实中香气化合物代谢、葡萄果实糖酸代谢、葡萄氮代谢循环途径、葡萄硫素营养代谢、激素对葡萄果实发育的调控、葡萄microRNA与功能等有关的分子生物学的研究进行介绍与分析。《葡萄分子生物学》共分12章。

【作者简介】

房经贵，男，教授，博士生导师。江苏省果树品种改良与苗木繁育工程中心主任，教育部新世纪优秀人才，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人培养对象，南京农业大学“133重点人才工程”优秀中青年学术带头人培养对象。先后在以色列与美国从事植物分子遗传领域的博士后研究近7年。目前主要从事葡萄分子生物学与遗传育种以及葡萄优质高效生产技术推广方面的研究。已培养与指导博士后、博士及硕士研究生近40名，其中国际留学生4名；在国内外核心期刊上发表论文200余篇，其中SCI论文近80篇。

【目录】

第1章葡萄的成花机理第1章葡萄的成花机理11前言葡萄（VitisviniferaL）是多年生藤本落叶果树，其基本生长习性及器官的形成和发育模式与一年生草本植物或其他多年生多次结果木本植物具有明显的不同（Mullinsetal，1992；Bossetal，2003；Carmonaetal，2007a）。这种差异使葡萄成为研究植物成花分子机制的代表性系统之一。已有相关文献报道葡萄成花的过程及其影响因素（李宪利等，2002；曹尚银等，2003；Vasconcelosetal，2008）。葡萄的成花周期往往超过一年。春季时，葡萄花序从主芽侧生分生组织（原基）中开始发端，夏季持续发育直至以不成熟的状态进入休眠状态，翌春完成发育，产生花和果实（图11）。图11葡萄在两个生长周期的生殖发育循环图（Carmonaetal，2008）借鉴拟南芥等模式植物的研究成果，目前已分离克隆到一些葡萄成花的相关基因并对其表达情况进行研究，这些研究有助于加深人们对葡萄成花机制的了解。但总体而言，目前对葡萄如何在分子水平上调控成花进程知之甚少。葡萄花和果实的生长发育是密切联系的，某些开花相关基因也在果实发育阶段表达。葡萄基因组草图序列的绘制，对葡萄成花的分子机理研究起到极大的促进作用，但目前仍有一些问题亟待解决，如怎样才能快速鉴别基因的功能并将该基因与葡萄花发育生物学过程及有关性状相联系。对不同作物75年多的产量数据进行分析比较发现，迄今为止葡萄产量的季节性变化最大（年际变化为325%），比出现类似季节性变化的作物高出近2倍（可食用的豆科粮食和亚麻的年际变化为185%）（Chloupeketal，2004）。考虑到气候变化导致葡萄出现季节性产量波动，明确控制花序、花诱导和花发育的遗传机制及其与环境的相互作用非常重要。为此，本章对葡萄成花的生物学基础、葡萄成花过程的分子调控、栽培措施和环境因素对葡萄花发育的影响等进行概述。12葡萄成花的生物学基础葡萄的茎（又被称为蔓或枝蔓）细软而长，其上着生卷须，以利于攀缘。葡萄枝蔓的生长是单轴的，其主轴的延长依靠其自身的不断生长（GerrathandPosluszny，2007）。伴随着枝蔓的不断生长，葡萄各节位上的芽自下向上逐渐分化。同时由于芽异质性的存在，各节位上的芽分化的质量和进程也有所不同。121葡萄枝蔓上芽的类型及发育周期一般情况下，葡萄枝蔓每一个节点上都有一个混合腋芽，而没有真正的顶芽。葡萄的芽有两种：冬芽和夏芽，都位于新梢的同一个叶腋内。冬芽内部包括1个主芽（中心芽）和3～8个副芽（预备芽），但只有2或3个副芽发育较大且较好。冬芽为晚熟性，一般当年不萌发，翌年萌发为新梢。一个主芽在当年能分化6～8节，主芽萌发后所形成的新梢，称为主梢。因环境条件和遗传组成不同，不同葡萄品种主梢的生长时间也不同。副芽位于主芽周围，构造与主芽相似，分化程度和发育质量不如主芽的分化程度和发育质量。副芽一般不萌发，但若营养充足、温度和湿度条件适宜或局部遭受刺激时，也可萌发抽生新梢，一个副芽能分化出3～5节。潜伏芽为冬芽的一种，是指当年发育不完全、翌春不萌发而潜伏在皮层内的芽，多在新梢的基部。潜伏芽在其形成的生长季节中会一直保持休眠状态，修剪措施刺激可以解除这种休眠状态。夏季休眠前，通常在其第4～第6个叶的对侧产生花序原基（inflorescenceprimordia），在随后的叶对侧产生卷须原基。葡萄枝蔓基部芽休眠前期，发育节的数量在5或6个变化，在枝中部最多达9节，向枝顶部缓慢减少。次生休眠芽形成于主芽的前两个基部先长出叶的腋部，这些芽在正常生长条件下于下一个生长季继续发育并形成枝。冬芽中有花序原基的芽称为混合芽，无花序原基的芽则称为叶芽，冬季二者在外形上无大区别。通常，一年生枝基部的芽质量较差，中部的芽多为饱满的花芽，上部的芽次之。某些葡萄品种如‘夏黑’葡萄在生长季节内，其上部节位可以形成花芽，但形成的花芽常因营养供给不足而难以完成分化。葡萄花芽形成的多少与质量的好坏，直接影响葡萄果实的产量与品质。葡萄夏芽具早熟性，由夏芽抽生的新梢称为副梢。副梢叶腋间同样形成当年不萌发的冬芽和当年萌发的夏芽。夏芽在芽萌发后10天内就有花序分化，但较小，具有二次成花和结果特性，这也是葡萄能够一年多次结果的基础。一般新梢第4～第8节上的冬芽，在适宜的条件下可分化形成花序原基（inflorescenceprimordia），这种冬芽称为花芽。各节上的冬芽从下而上逐渐分化，以第3～第4节的花芽分化最早，中部各节（第4～第10节）的花芽分化最好。同一芽位上，主芽最易形成花序，部分副芽虽也能形成花序，但质量较差，尤其是欧亚种的东方品种群品种副芽花序形成率最低。当冬芽仅含顶端分生组织（apicalmeristem）和两个叶原基（leafprimordia）时为分化敏感期，而当芽体已含有6个原基时则不具分化能力。冬芽的花芽分化有两个关键时期：一是花后开始形成花序原基，二是翌春冬芽膨大期，花序原基继续发育，形成花器原始体，至开花前花器全部形成。这两个关键时期加强肥水管理对保证当年和翌年的产量有重大影响。夏芽花发端时间较短，出现在当年新梢的第5～第7节上。夏芽花发端品种间差异较大。葡萄是对光照长短不敏感型果树（BossandThomas，2002），在条件适宜情况下，任何时间都有成花的可能。例如，‘藤稔’葡萄在生长季节的每一个时间段都能成花。但据小林章报道，光照长短可以影响葡萄每花序的花数和花粉发芽能力，尤其是欧亚种葡萄品种。不同的葡萄品种花芽在新梢上的分布节位有差异，一般欧美杂交种葡萄品种的花芽分布节位较低，欧亚种葡萄品种的花序分布节位较高。曹雪等（2011）研究‘藤稔’葡萄不同节位芽的花发育情况发现，尽管葡萄不同节位芽在饱满程度、分化进度、生长势和萌芽力等方面存在一定的差别，其低节位（第2节）到高节位（第33节）芽都具有成花能力。在经过解除顶端优势及营养竞争阻碍的处理下，‘藤稔’葡萄各节位都能成花，成花时间先后顺序差别不大。但根据花序抽生时间与发育状况看，相比较对照，枝蔓上相同节位上处理芽的花发育时间要早3～7天，且处理组中第5节位、第22节位花数量较其他节位花数量多（图12）。此外，从花序大小可以看出中部的芽发育比上部和下部芽发育质量高、发育时间早，同时期抽生花序较大，这可能是由于在花芽分化过程中，受分化时间早晚的影响。晁无疾等（2002）报道指出，在良好的管理条件下，葡萄花芽高节位分化是很多品种共有的特性。图12‘藤稔’葡萄不同短截节位间处理与对照花序情况比较（慕茜等，2013）（另见图版）122葡萄花的类型及形成过程葡萄栽培品种的花大多是雌雄同株的完全花（两性花），既具有雄蕊也具有雌蕊，目前生产上主栽葡萄品种多是两性花，少数葡萄品种如‘黑贝蒂’、‘俄罗斯康可’和‘意大利玫瑰’等为雌能花。野生葡萄大多数为雌雄异株，仅在极少数种如刺葡萄和山葡萄中发现两性花植株。目前存在几种不同的葡萄授粉方式，如虫媒授粉、风媒授粉和自花授粉。据研究，野生雌雄异株植物或者是风媒授粉或者是虫媒授粉；但是，对其授粉过程尤其是花粉对昆虫的引诱机制仍不清楚（Kimuraetal，1998）。葡萄栽培品种多为两性花植物，常在花冠呈帽状脱落之前发生的自花授粉（自体受精）是授粉的主要途径。葡萄中单性花往往是由正常两性花中雌蕊或雄蕊的退化造成的。雌雄蕊的败育发生在其发育的晚期阶段，尤其是在其减数分裂之后。葡萄的完全花中，有5～8个竖立的雄蕊围绕着一个矮胖的瓶状雌蕊。雌能花中，虽然也具有典型的围绕雌蕊的雄蕊数量，但是雄蕊弯曲低于子房底部。弯曲的雄蕊虽然也有产花粉组织和丰富的花粉，但其花粉没有活力，只有异花授粉才能有产量。对于雌雄异株的葡萄，雌株和雄株之间没有明显的第二性特征区别，但其在代谢方面具有明显的差别，如在雌雄异株的野生葡萄中，雌株的细胞分裂素含量高于雄株。目前仍不了解这种代谢上差异的生理和分子机制。葡萄的成花周期历时一年多，中间被一个休眠期分开（图11）。春天，芽萌发后，形成新梢，新梢叶腋的芽眼着生夏芽和冬芽。随着新梢的加长生长，叶腋的夏芽即自然萌发成夏芽副梢；夏芽的边上是冬芽，冬芽在一般情况下需经越冬至第二年春才能萌发，成花起始和花序发育早期阶段的整个过程都发生于其中。扫描电子显微镜扫描的结果显示了这一进程（图13）（SrinivasanandMullins，1981；Bossetal，2003；Carmonaetal，2007a）。冬芽上顶端分生组织（SAM）产生3或4个叶原基。最初的2或3个侧生分生组织有分化为花序的潜力，而随后产生的侧生分生组织则分化为卷须（SrinivasanandMullins，1981）。花序分生组织进一步分化，产生更多的带有螺旋叶序的花序分生组织分支，进而形成复总状花序结构。夏末，这些芽处于休眠状态，可能坐果的主芽此时蕴含一个带有花序分生组织和卷须原基的结果雏梢。那些不能产生结果雏梢的主芽，最初的2或3个侧生分生组织没有侧向结构（无论是花序或卷须）发育出来。翌春，当环境条件适宜时，芽恢复生长，顶端分生组织进一步产生叶和卷须原基。大多数葡萄品种的顶端分生组织产生包含叶原基和侧生分生组织的两个连续节点，然后间隔一个带有单独叶原基的节点。在芽膨大的初始阶段，花序分支分生组织还可继续进一步分化，形成更多的花序分生组织。葡萄花序的分化与生长呈现典型的合轴生长，当顶端分生组织发育到一定阶段时，在其顶端的一侧分生组织区域处开始分化花序原基，未分化的分生组织继续进行延长生长；当再生长到一定阶段时又可在一侧分生组织区分化花序原基，未分化的组织继续生长，如此反复最终形成整个花序。每个花序分生组织是由3个或4个花分生组织组成的总状花序的群集。末端花首先发育，随后是侧向的，最后是最基部的。当芽膨大和节间开始伸长时，花器的发育开始。葡萄花器发育模式包括沿着向基的方向轮生的4轮花发育模式。花分生组织首先形成，随后萼片原基、花瓣和雄蕊原基很快分裂，最后形成心皮原基。开花的时间在很大程度上决定花序发育模式及其大小和结构（Shavrukovetal，2004）。图13葡萄芽发育电子显微镜扫描图（Bossetal，2002）A主芽分生组织不定原基早期发育阶段的扫描电镜图（Bar=10μm）；B从茎端分生组织中分化出来的叶对侧不定原基后期发育阶段（Bar=100μm）；C带有花序原基的主芽（已删除较大的叶原基以便于观察内部结构）（Bar=100μm）；D具两个分叉卷须雏形的茎尖解剖图（Bar=100μm）；E葡萄叶腋的结构（Bar=1mm）；F源于主芽的葡萄结果枝典型结构示意图（不同品种间产生第一花序的节位有差异）；SAM茎端分生组织；UP不定原基；LP叶原基；IP花序原基；T不成熟的卷须123葡萄花发育的特点与拟南芥、水稻等一年生草本植物或其他多年生木本植物相比，葡萄的花器发育具有一定的特殊性。其中一个主要的发育差异是存在卷须，其常常被看成是葡萄茎的变态结构。葡萄属植物中，卷须和花序是同源器官，二者由相同的分生组织结构、原基或侧生分生组织发育而成。半卷须半花序的中间杂合结构在许多葡萄品种中出现。葡萄卷须可以被看做弱分化的花序，切除的卷须通过在体外用多种细胞分裂素处理能够转化为花序或花序类似结构。葡萄卷须具有分枝特性并在每个分枝基部着生苞片，因此卷须也被认为是变态的新梢。Gerrath(1992)曾提出“卷须是葡萄花穗发育不完全的形式”，在通常着生卷须的位置上有时产生带叶的新梢。由花序分化的过程可知，花序和卷须着生于新梢的同一位置，与叶对生，花序、卷须、新梢是同源器官，环境条件和某些化学物质会促使三者之间相互转化，在葡萄植株上可看到各种花序和卷须的过渡体。田间条件下，当侧生分生组织发育成一个顶端分生组织时，在葡萄新梢上经常可以观察到从典型花序到典型卷须的各种中间过渡类型的存在（BossandThomas，2000a；Bossetal，2002）。根据葡萄卷须存在的形式，有完全卷须和不完全卷须之分（基部着生花序的不完全卷须和基部着生卷须的花序）（图14）。葡萄卷须的排列方式与花序基本相同，即在新梢上排列的方式依种类不同而异，真葡萄亚属的种和品种的卷须，美洲种为连续性着生，即每节叶的对面都有卷须或花序，欧亚种均为非连续性（间歇性），即连续出现两节卷须后，中间间断一节；欧美杂交种的卷须在节位上常不规则地出现（张彦苹等，2013）。Boss和Thomas（2002）报道，欧亚种葡萄栽培品种‘莫妮耶比诺’(PinotMeunier)的矮化突变体与正常植株相比在结果新梢上只产生花序，没有卷须形成。葡萄从童期过渡到成年状态，不仅是叶序和形态发生变化，也标志着其具有由顶端分生组织到侧生分生组织（原基）分化进而形成混合芽的能力。葡萄成花转变包括以下两个基本步骤：第一步，不依赖花诱导刺激的花序原基的形成，主要和从童期到开花期的发育转换相关；第二步，在卷须形成的相同位置，花诱导的结果导致花序原基分化为花序。在这种模式下，卷须可以被视为不育的生殖器官，而开花诱导刺激导致生殖分生组织起始分化。因此，葡萄的顶端分生组织不断分化，导致同一分支上营养和生殖分生组织的生长。图14生产中葡萄卷须以及它们的中间形态(另见图版)A卷须；B基部着生花序的不完全卷须；C基部着生卷须的不完全花序13葡萄成花过程的分子调控研究利用拟南芥和金鱼草等模式植物，已经进行了大量的卓有成效的关于成花过程相关基因的研究，这些研究成果为葡萄成花基因的研究提供了重要的参考依据。目前，已经鉴定、分离和克隆到许多与模式植物同源的葡萄基因，并对其功能进行分析研究。在此基础上，对葡萄花器不同发育阶段的分子调控网络进行初步的分析（Bossetal，2003；Carmonaetal，2007a）。结果表明，葡萄成花过程是一个复杂的生理过程，其中参与的基因除了克隆到的这些基因以外，还有很多未知的基因，是这些已知基因和未知基因以不同作用方式在不同发育阶段共同表达的结果（郭磊等，2011）。另外，microRNA也通过调控靶基因的表达而参与葡萄花发育的调控（王晨等，2012）。但对相关基因如何调控葡萄成花的详细机制目前仍不清楚。花器的发生受一系列转录因子的严格调控，这些转录因子可以激活或者抑制某个花器的形成。迄今，关于模式植物的这方面研究报道众多，但对葡萄花器发育分子机制的了解才刚刚开始。值得注意的是，由于葡萄的生命周期很长，同时又很难得到理想的自然变异种、突变体或者转基因葡萄植株，目前鉴定出的基因仍需进行功能验证，所以总体而言，目前关于葡萄成花的研究在分子水平上仍不系统全面。131与花诱导途径相关基因的研究迄今为止，已有的研究结果尚无法证明葡萄具有草本植物某些经典的成花诱导途径，如拟南芥中存在的光周期或春化诱导成花途径（Carmonaetal，2008）。尽管研