砧木调控果树大小年结果的生理与表观遗传机制研究

《Journal of Experimental Botany》：A Rootstock-Centered Perspective on the Regulation of Alternate Bearing in Fruit Trees

本综述聚焦砧木通过激素信号（如生长素、赤霉素）、资源分配（碳水化合物动态）及表观遗传机制（DNA甲基化、组蛋白修饰）调控果树大小年结果现象的研究，系统阐述了根-穗互作对成花关键基因（如FT、TFL1）表达的影响，为气候变化背景下通过砧木育种实现产量稳定提供了新策略。

　　

在果园管理中，果农们常常面临一个令人头疼的现象：某些果树会交替出现高产年和低产年，比如今年硕果累累，明年却几乎颗粒无收。这种被称为"大小年结果"（Alternate Bearing, AB）的现象，在苹果、柑橘、橄榄、芒果等多年生果树上尤为普遍。它不仅给农业生产带来产量波动、品质不一等挑战，在气候变化导致天气模式愈发不可预测的背景下，这一问题变得更加复杂。

传统上，人们对大小年结果的解释主要围绕两个假说：一是"激素假说"，认为果实产生的生长素和赤霉素会抑制来年花芽分化；二是"资源竞争假说"，即果实发育大量消耗碳水化合物，导致树体储备不足，无法支持下一年的开花。然而，这些解释大多集中在接穗（地上部分）自身的调控机制上，忽略了地下部分——砧木可能发挥的重要作用。

实际上，现代果园中大多数果树都是通过嫁接培育的，将优良品种的接穗嫁接到具有特定特性的砧木上。砧木不仅提供抗病性、控制树势等传统功能，最新研究表明它们可能是调控大小年结果的关键角色。来自意大利帕多瓦大学的研究团队在《Journal of Experimental Botany》上发表的综述文章，提出了一个以砧木为中心的视角，系统阐述了砧木如何通过激素信号、资源分配和表观遗传机制影响果树的大小年结果现象。

为了深入探究砧木在大小年结果中的作用，研究人员整合了多学科的研究方法。他们通过对大量文献的荟萃分析，涵盖了从生理学测定到分子生物学研究的广泛证据。关键方法包括：激素水平检测（通过液相色谱-质谱联用等技术定量分析生长素、赤霉素、脱落酸等含量）、基因表达分析（使用qRT-PCR等技术检测成花相关基因如FT、TFL1、AP1的表达模式）、表观遗传学分析（通过染色质免疫沉淀测序等技术研究DNA甲基化和组蛋白修饰状态），以及基于田间试验的生理指标监测（包括非结构性碳水化合物动态、养分吸收效率等）。这些多层次的研究方法为理解砧木-接穗互作提供了全面视角。

砧木介导的大小年结果激素调控

砧木通过调节与花芽分化、分生组织特化和芽发育相关的激素途径来影响大小年结果程度。生长素、赤霉素(GAs)、细胞分裂素(CKs)和脱落酸(ABA)之间的相互作用决定了从营养生长向生殖生长的转变，通过调节木本多年生植物的茎尖分生组织发育和花分生组织特性。

在苹果中，品种'Honeycrisp'的大小年结果表现因砧木而异。比较研究显示，不同砧木木质部中测量的生长素浓度与隔年结果指数、分枝角度和其他生长相关变量相关性较弱，表明砧木来源的生长素动态可能通过调节花芽分化影响接穗的大小年结果。

GAs在大小年结果中起主要作用，特别是在高产年抑制开花。在成年苹果树中，果实衍生的赤霉素如GA₃，特别是GA₄+GA₇混合物，在开花后关键时期通过上调MdTFL1-2抑制花芽分化，有效减少下一季节的开花。在橄榄中，发育种子中产生的内源GA₃抑制下一季节的花芽分化，而在硬核期前后外施GA₃同样抑制花芽形成。在苹果中，嫁接到矮化砧木M9上的树比嫁接到半矮化砧木B396上的树表现出更高的GAs水平和减少的开花。

砧木还通过调节CKs信号影响开花过程。在拟南芥中，CKs通过激活FT旁系同源基因TSF的表达促进开花。在柑橘中，ABA水平在花芽分化期间随着GAs浓度下降而增加，支持两种激素之间可能存在拮抗相互作用。

除了激素生物合成，砧木还可以通过改变长途运输和接穗组织对激素信号的敏感性来影响激素作用。在苹果中，矮化砧木如M9通过破坏激素信号和糖分配来限制枝条生长和发育转变。生长素流入转运蛋白(MdAUX1和MdLAX2)的下调和类黄酮过度积累被认为减少了基部生长素运输，导致枝条结构改变和生长终止。Haim等人证明，发育果实输出的生长素可以抑制柑橘和橄榄远端芽的花芽分化，这与局部碳水化合物或ABA水平无关。苹果的田间观察表明，限制生长素向茎尖运输的砧木与下一季节更稳定的返花相关。

砧木对大小年结果调控中源-库动态的影响

多年生果树的大小年结果传统上被解释为内部对有限碳和营养资源竞争的结果。当生殖需求高时，碳水化合物和养分优先分配给发育中的果实，限制了下一季节营养生长和花芽分化的可用性。

重载果量会耗尽根、茎和枝中的非结构性碳水化合物(NSC)储备，而轻载果量促进NSC补充，支持花芽分化和返花。在果实发育过程中，淀粉被转化为可溶性糖——主要是蔗糖、葡萄糖和果糖——这些糖优先分配给果实。这种同化物的转移损害芽分化并加强大小年结果表达。氮(N)和钾(K)遵循类似模式，在高产年分配给果实，在低产年积累在营养组织中。

在芒果中，重载果量通过消耗芽中的碳水化合物储备并改变激素平衡（增加生长素和GAs，减少ABA）来抑制营养芽爆发和随后的开花。一致地，Yan等人表明，疏果允许枝条和芽中NSC恢复，增强花芽分化并减轻大小年结果强度。Campbell和Kalcsits回顾了苹果隔年结果控制，强调砧木可能改变碳水化合物储备动力学，影响芽中糖可用性和返花。

砧木介导的矿质营养和水分关系

矿质营养影响果树中的源-库平衡，并受到砧木及其与接穗相互作用的紧密调节，影响养分吸收和分配以及整体树势。然而，将这些营养效应与大小年结果联系起来的直接和一致证据仍然有限且有时矛盾。

在苹果中，砧木活力本身不能可靠预测结果一致性。Kviklys等人发现半矮化、矮化和超矮化砧木的活力等级与大小年结果一致性没有一致相关性。尽管一些矮化和超矮化砧木可能提高某些苹果品种的产量稳定性，但果载量仍然是大小年结果的最强预测因子，与砧木类型无关。相反，Valverdi等人报道，以较高N和较低K吸收为特征的矮化苹果砧木与较剧烈砧木相比减少大小年结果。

在高产年期间的储备消耗在调节大小年结果中起关键作用，影响植物内的养分分配。特定养分缺乏——特别是钾——可能通过损害花芽形成、坐果和营养恢复加剧大小年结果模式。

砧木调节接穗养分吸收和分配，研究报道不同苹果砧木-接穗组合中叶片N、P和K浓度存在显著变异性。活力较低的砧木可能在低氮条件下通过根际微生物群落的变化维持较高的N和光合速率。根诱导的根际微生物组调节，连同根结构和水力特性，越来越被认为是塑造接穗养分吸收效率的关键因素。

水分吸收对矿质营养也至关重要，砧木水力导度在管理向接穗的水分和养分输送中起主要作用。在几种果树中，控冠砧木由于较窄的木质部导管往往限制水和矿物供应，从而限制活力和产量。木质部导管解剖结构与水导度之间的正相关与梨和苹果的树势相关，尽管接穗碳水化合物储存能力似乎是大小年结果的主要决定因素。

水分状况、养分可用性和激素信号共同将环境和内部线索传递给发育中的分生组织，从而影响芽命运和 resulting 大小年结果模式。苹果芽中葡萄糖、生长素和ABA之间的正相关表明，糖代谢和激素信号在花芽分化过程中协同作用，砧木介导的这些途径影响大小年结果。

通过砧木-接穗互作的大小年结果表观遗传调控

表观遗传机制——包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA活性——越来越被认为是响应环境和发育线索调节基因表达和染色质结构的调控层。

在柑橘中，果实存在与成花抑制因子CcMADS19位点的活跃转录标记H3K4me3富集相关。相反，在没有果实的芽中，CcMADS19被沉默并在抑制性H3K27me3标记中富集，表明这种沉默版本的成花抑制因子可以有丝分裂地传递给腋芽中新出现的叶片，用于诱导开花。这些观察表明，在柑橘中，CcMADS19位点染色质状态的重置和营养萌发对于新叶片响应成花诱导信号是必要的。

在拟南芥中，参与生长素生物合成的基因——如YUCCA(YUC)、CYTOCHROME P450(CYP)和TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE 1/TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE-RELATED(TAA1/TAR)——受H3K27me3和H2A泛素化调控，而靶向H3K4me3的组蛋白去甲基化酶可以进一步调节它们的表达。生长素转运蛋白如PINs也受H3K27me3在叶片分化过程中变化水平的调控。HISTONE ACETYLTRANSFERASES(HATs)增强生长素响应基因如AUXIN RESPONSIVE FACTORS(ARFs)的转录，而HISTONE DEACETYLASES(HDACs)抑制它们，调整生长素对环境刺激的敏感性。

GAs可以通过其在花和果实发育以及生物量中的作用影响大小年结果。在表观遗传水平上，高GAs水平与染色质去浓缩和全局DNA甲基化减少相关。染色质重塑复合物(CRCs)如SWI/SNF亚基BRM、SWI3C和INO80正向调节GAs生物合成基因表达。DELLA蛋白作为整合激素和表观遗传信号的枢纽，通过与CRC组件如BRM、SWI3C和PKL相互作用，以及组蛋白，从而影响染色质结构和基因表达。

养分状况也可能塑造与大小年结果相关的染色质状态。参与氮获取（如NRT1.1、AMTs、NIA1）和磷酸盐转运（如PHTs）的基因已知通过DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA进行表观遗传调控。虽然果树中的类似研究有限，但高产年和低产年之间发生的养分波动可能合理触发染色质重塑，从而影响开花潜力和生长节律。

水分可用性，特别是在干旱胁迫下，是另一个公认诱导全基因组表观遗传重编程的因素。在拟南芥中，组蛋白去甲基化酶JMJ17通过组蛋白修饰调节脱水胁迫响应基因，参与DREB和LEA等基因的激活，在胁迫响应中起关键作用。在果树中，具有不同水分吸收能力的砧木可能影响接穗中的这些生理和表观遗传响应，可能有助于大小年结果的季节性变化。

开发控制大小年结果的新砧木

理解控制大小年结果的复杂因素对于稳定水果生产至关重要。育种工作必须优先考虑在波动环境条件下赋予恢复力的生理和分子性状。

能够在高产年维持足够碳水化合物储备并在低产年避免NSC池过度消耗的砧木可以帮助维持一致的返花并减轻加强大小年结果的反馈循环。类似地，在限制条件下具有增强养分和水分吸收效率的砧木已被证明可以支持更好的芽发育和开花一致性。

进一步考虑的维度是砧木调节根际微生物组的能力，这在植物激素信号、胁迫恢复力和资源获取中发挥越来越公认的作用。在葡萄中，几项研究表明砧木可以显著影响根相关微生物群落的组成和功能特征，对接穗生理有显著影响，特别是关于环境响应性和发育调节。微生物组相关性状，虽然在大小年结果背景下仍未充分探索，可能通过微生物生物合成和降解途径影响生长素和ABA可用性，并可能通过微生物矿化和溶解过程增强P和N可用性。

展望未来，识别在真实环境波动下可以缓冲大小年结果的砧木基因型将需要长期田间试验与高分辨率生理和分子分析的整合。结合转录组学和表观基因组学数据与表型性状如芽命运、NSC动态和养分分配将提高选择框架的预测能力。此外，根相关微生物特征可能作为交替负载条件和环境胁迫下砧木性能的补充指标。

随着多年生果树系统适应日益不可预测的气候，砧木协调代谢稳定性、激素平衡和微生物相互作用的能力对于维持生产能力和产量一致性至关重要。阐明在砧木-接穗-土壤界面运作的多层信号过程仍然是面向大小年结果的育种策略的关键优先事项，特别是当新见解挑战关于移动信号身份的长期假设并呼吁更严格验证系统通信途径时。

这项研究的重要意义在于它将砧木的角色从传统的支撑和营养供给功能提升到了一个主动调控的新高度。通过揭示砧木如何通过激素信号、资源分配和表观遗传修饰等多层次途径影响接穗的开花行为，该研究为果树育种提供了新靶点。在气候变化加剧大小年结果的背景下，选育能够缓冲环境波动、维持代谢稳定的砧木基因型，将成为实现果园可持续高产的关键策略。未来研究需要进一步阐明砧木-接穗互作的具体分子机制，特别是在成熟果树中的表观遗传调控途径，为果树生产的精准管理提供理论依据。