糖信号介导激素调控网络调控无核荔枝果实脱落与发育的分子机制

《BMC Plant Biology》：Sugar signaling-mediated hormonal regulatory networks: molecular mechanisms underlying fruit abscission and development in seedless litchi

本研究针对无核荔枝早期果实生理脱落严重、产量不稳的产业难题，通过整合生理学与转录组学分析，系统揭示了糖信号（葡萄糖、果糖）介导植物激素（IAA、ABA、ET、CK、GA3）网络调控果实命运的分子机制。研究发现，糖匮乏阶段通过激活ABA/ET积累并破坏IAA极性运输诱发大量落果；而落果后糖可用性改善则通过激活CK/iP和GA3信号通路促进细胞分裂与扩张，驱动果实发育。该成果为无核荔枝高产稳产栽培提供了重要理论依据。

　　

在热带亚热带地区，荔枝以其独特的风味和丰富的营养价值备受青睐。然而，传统有核荔枝品种因受精后胚珠发育异常，常导致单果发育，限制了产量提升。无核荔枝‘无核荔’（Litchi chinensis 'Wu He'）作为目前唯一商业化栽培的无核品种，具有果大、质优、可食率高等突出优点，市场潜力巨大。更为独特的是，其子房中的两个胚珠均能发育成果实，展现出惊人的丰产潜力。但遗憾的是，该品种在采前，特别是开花后15天内，会出现大规模的生理落果现象，累计脱落率高达87%，严重制约了其商业生产。这一现象与其它单性结实物种如柿子和热带南瓜中的观察相似。那么，究竟是什么内在机制决定了这些幼果是“去”还是“留”？其背后的分子开关又是什么？以往研究表明，糖作为光合作用的主要产物，不仅是果实生长的能量和碳骨架来源，更作为信号分子与植物激素网络相互作用，共同调控单性结实果实的发育。但在无核荔枝中，糖信号如何精确介导激素网络来协调果实脱落与发育，仍是一个悬而未决的科学问题。

为了揭开这一谜团，发表在《BMC Plant Biology》上的这项研究，以‘A4无核’荔枝为材料，开展了一项系统性的研究。研究人员综合运用了果实形态与脱落率统计、石蜡切片显微观察、糖含量（蔗糖、果糖、葡萄糖、半乳糖）测定、植物激素（基于LC-MS/MS的广泛靶向代谢组学，分析了IAA、CK、GA、ABA、ET途径的89种代谢物）含量测定、转录组测序（RNA-Seq）以及RT-qPCR验证等关键技术方法。样本来源于中国海南省澄迈县的八年生健康荔枝树，在开花后15天（大量脱落期，MA阶段）、22天、29天和36天（后续发育期，SD阶段）采集发育良好的双果进行研究。

果实脱落与发育特征

研究首先明确了无核荔枝早期果实的发育轨迹。研究发现，开花后15天（15 DAF）是果实脱落的爆发期，相对脱落率高达67%，此后逐渐下降。与此相对应，果实的纵径、横径和单果重量在15 DAF后均呈现加速增长的趋势。

细胞学观察进一步揭示，果实细胞的大小（长度、宽度、面积）和数量在整个发育过程中持续增加，尤其在进入SD阶段（22 DAF）后，细胞生长尤为显著。这表明，大规模落果后，留存果实获得了更充分的资源，从而维持了活跃的细胞分裂和扩张能力。

糖积累模式

对果实中糖含量的分析显示，在MA阶段（15 DAF），葡萄糖和果糖的含量降至最低点。蔗糖含量在15 DAF时相对较高，但在22 DAF和29 DAF有所下降，直至36 DAF才回升至峰值。这表明，MA阶段的糖匮乏，特别是葡萄糖和果糖的严重短缺，可能是触发大量落果的初始信号。而在SD阶段，随着果实负荷的减轻，留存果实中的蔗糖、果糖和葡萄糖含量均呈现上升趋势，为果实发育提供了充足的碳源和能量。

关键激素变化

代谢组学分析筛选出17个对果实脱落与发育有显著影响的代谢物。在MA阶段，促进脱落的内源激素IAA和ABA含量显著升高，而促进果实发育的iP型细胞分裂素（iP-type CK）和赤霉素GA₃以及乙烯（ET）合成前体ACC（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid）的含量则处于最低水平。进入SD阶段后，IAA和ABA含量下降，而iP、GA₃和ACC含量显著上升。这种激素水平的动态变化与果实的命运（脱落或发育）高度吻合。

转录组学揭示分子机制

转录组测序揭示了糖信号介导激素网络的关键基因表达谱。在MA阶段，乙烯生物合成基因MAT（S-adenosylmethionine synthetase）、ACS（1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase）和ACO（aminocyclopropanecarboxylate oxidase）表达上调，但乙烯信号通路中的EIN2（ethylene-insensitive protein 2）表达下调，而负调控因子CTR1（serine/threonine-protein kinase CTR1）表达上调，这可能增强了脱落区对乙烯的敏感性。ABA生物合成基因ZEP（zeaxanthin epoxidase）和NCED（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase）以及信号通路基因PP2C（protein phosphatase 2C）和SnRK2（serine/threonine-protein kinase SRK2）的表达也显著上调。与此同时，多个IAA生物合成基因（如YUCCA, amiE）表达下调，但IAA信号通路中的AUX/IAA（auxin-responsive protein IAA）和ARF（auxin response factor）家族基因大多上调，这可能反映了糖匮乏应激下IAA极性运输受阻导致的反馈调节。

相比之下，在SD阶段，随着糖可用性的改善，CK生物合成关键基因IPT（adenylate dimethylallyltransferase）表达上调，而降解基因CKX（cytokinin dehydrogenase）表达下调；CK信号通路中的正向调节因子B-ARR（two-component response regulator ARR-B family）被激活，而负向调节因子A-ARR（two-component response regulator ARR-A family）受到抑制。GA生物合成基因KAO（ent-kaurenoic acid monooxygenase）上调，而失活基因GA2ox（gibberellin 2beta-dioxygenase）下调；GA信号通路中的受体GID1（gibberellin receptor GID1）、F-box蛋白GID2（F-box protein GID2）、转录因子（TFs）以及大多数DELLA蛋白（DELLA）家族基因表达上调。这些基因表达模式与iP和GA₃的积累以及细胞旺盛的分裂和扩张现象相一致。RT-qPCR验证结果进一步证实了转录组数据的可靠性。

研究结论与意义

本研究得出结论：在无核荔枝早期发育过程中，糖可用性是决定果实命运的核心因素。开花后大量坐果导致的糖匮乏（尤其是葡萄糖和果糖不足），会激活ABA和ET的积累，并破坏IAA的极性运输，共同作用加剧果实脱落。大规模落果后，糖资源被重新分配给留存果实，改善了其糖可用性。这进而增强了CK和GA的合成与信号传导，通过促进细胞分裂和扩张，驱动果实不断膨大，完成单性结实发育。

该研究首次在无核荔枝中系统阐明了糖信号介导的激素调控网络如何协同控制果实脱落与发育的分子机制，深化了对单性结实作物产量形成规律的认识。所揭示的关键基因和通路为通过分子育种或栽培调控（如精准施肥、激素调控）手段减少落果、提高无核荔枝产量和稳定性提供了重要的理论靶点和实践方向。需要注意的是，该机制主要针对无核这一单性结实品种，其是否普遍适用于有核荔枝品种，仍有待进一步研究。