第一講果樹發(fā)育生理

1、第一講果樹發(fā)育生理主要內(nèi)容果樹生命周期和年生長(zhǎng)周期芽、枝、葉的生長(zhǎng)發(fā)育花芽分化及調(diào)控途徑成化的分子機(jī)制童期調(diào)控的分子機(jī)制第一節(jié) 果樹的生命周期一 果樹生命周期的意義二 實(shí)生樹的生命周期三 營(yíng)養(yǎng)繁殖果樹的生命周期一、生命周期的意義（一）果樹生命周期 life cycle of fruit tree 1.概念：果樹一生經(jīng)歷萌芽、生長(zhǎng)、結(jié)實(shí)、衰老、死亡的過程。 2.類型實(shí)生繁殖果樹的生命周期 實(shí)生繁殖即播種繁殖，主要包括一些實(shí)生選種的育種材料、砧木以及核桃等特殊果樹。 胚胎階段幼年階段成年階段衰老階段階段轉(zhuǎn)化（phase change）營(yíng)養(yǎng)繁殖果樹的生命周期營(yíng)養(yǎng)繁殖用莖繁殖植物組織培養(yǎng)嫁接壓條扦插分

2、株一般取已開花結(jié)果的樹上，是成熟母體的延續(xù)沒有真正的幼年階段，只有以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)為主的幼年階段。栽植后結(jié)果的早晚，與性成熟過程無關(guān)，而與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系有關(guān)。 營(yíng)養(yǎng)繁殖果樹的生命周期幼樹期初果期盛果期結(jié)果后期幼樹期不同于幼年階段，沒有階段轉(zhuǎn)化衰老期早果、豐產(chǎn)、長(zhǎng)壽 1.縮短幼樹期。 2.延長(zhǎng)成年期。 3.推遲衰老期。 4.制定栽培技術(shù)方案（依據(jù)不同生命周期的特點(diǎn)，制定不同的栽培技術(shù)）。（二）果樹生命周期的意義 實(shí)生樹的生命周期分為胚胎、幼年、成年、衰老四個(gè)階段，從栽培實(shí)際出發(fā)，將實(shí)生樹的生命周期劃分為幼年階段、成年階段和衰老階段。二、實(shí)生繁殖果樹的生命周期胚胎階段幼年階段成年階段衰老階

3、段（一）幼年階段幼年階段又稱為童期(juvenile period, juvenile phase)，指從種子播種后萌芽起，經(jīng)歷一定的生長(zhǎng)階段，到具備開花潛能的這段時(shí)期。特點(diǎn)：果樹主要是進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，無論采取任何措施都不能使其開花結(jié)果。 “桃3、李4、柑8年，核桃、板栗要栽十幾年”指果樹的童期。主要任務(wù)：加速樹冠骨干枝的形成，積累營(yíng)養(yǎng)以便提早轉(zhuǎn)入結(jié)果。1.童期的特征形態(tài)學(xué)特征枝條直立生長(zhǎng)；具有針刺或針枝（有刺的樹種：蘋果、梨、棗、柑橘等；無刺的樹種：桃、葡萄、柿、板栗、核桃）；枝條密集而分枝角度大；芽??；葉片小而薄：解剖學(xué)特點(diǎn)木質(zhì)部發(fā)達(dá)，以木質(zhì)纖維為主，導(dǎo)管少；葉片表皮細(xì)胞大，單位面積氣孔少；

4、葉肉細(xì)胞發(fā)育差，柵欄組織和葉脈不發(fā)達(dá)。生長(zhǎng)特點(diǎn)生長(zhǎng)迅速，生長(zhǎng)旺盛；光合面積逐漸增大，同化產(chǎn)物逐漸增多；逐漸具備形成性器官的生理基礎(chǔ)和能力。實(shí)生 的童期特點(diǎn) 2.縮短童期的措施 童期長(zhǎng)短是植物的遺傳屬性，通常以播種到開花結(jié)果所需年份表示。各種果樹童期長(zhǎng)短不同，如早實(shí)核桃12年，晚實(shí)核桃810年，紅桔為年， 碰柑為年，甜橙為年以上，故縮短童期是研究者非常關(guān)注的。 環(huán)剝； 扭枝、拉枝、摘心等； 加強(qiáng)肥水管理； 應(yīng)用生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（PP333、B9、乙烯利、 矮壯素等） 嫁接：從實(shí)生苗上剪取接穗，接于矮化砧上，可提早結(jié)果。縮短童期的措施（二）成年階段 實(shí)生果樹進(jìn)入性成熟階段以后，在適宜的外界條件下可隨時(shí)開

5、花結(jié)果，這個(gè)階段稱為成年階段。根據(jù)結(jié)果的數(shù)量和狀況可分為結(jié)果初期、結(jié)果盛期和結(jié)果后期三個(gè)階段。 （1）標(biāo)志：部分枝條先端開始形成少量花 芽，花芽質(zhì)量較差，坐果率低， 果實(shí)品質(zhì)差-皮厚、肉粗、味酸。 （2）特點(diǎn)：結(jié)果部位的葉面積逐漸達(dá)到定型 的大小，但結(jié)果部位以下的枝條 仍處于童年階段。 1.結(jié)果初期 （1）標(biāo)志：花芽多，質(zhì)量好，結(jié)果多，果 實(shí)品質(zhì)佳。 （2）特點(diǎn)：樹冠達(dá)到最大限度，年生長(zhǎng)量 逐漸穩(wěn)定，花多果多，樹冠下部 仍表現(xiàn)出童性。2. 結(jié)果盛期3.結(jié)果后期 （1）標(biāo)志：大小年現(xiàn)象明顯，果實(shí)小，品 質(zhì)差。 （2）特點(diǎn)：樹勢(shì)逐漸衰退，先端枝條及根 系開始回枯，出現(xiàn)自然向心更新。（三）衰老期標(biāo)志

6、：樹勢(shì)明顯衰退，果實(shí)小，品質(zhì)差。 特點(diǎn)：骨干枝，骨干根逐步死亡，枝條生 長(zhǎng)量小，結(jié)果少，果實(shí)品質(zhì)差。 三、營(yíng)養(yǎng)繁殖果樹的生命周期營(yíng)養(yǎng)繁殖的果樹，理論上隨時(shí)可以開花結(jié)果，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，幼樹營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛，甚至在某些形態(tài)特征上與實(shí)生樹的幼年階段相似，如枝條徒長(zhǎng)，葉片薄、小等。生產(chǎn)上分為三個(gè)年齡時(shí)期，即幼樹期、結(jié)果期（結(jié)果初期、盛果期、結(jié)果后期）和衰老期。離心旺盛生長(zhǎng)長(zhǎng)枝多短枝少枝條直立組織不充實(shí) （一）幼樹期 從苗木定植到開始開花結(jié)果這段時(shí)期稱為幼樹期，不同于實(shí)生樹的童期。 1.幼樹期特點(diǎn)：（二）結(jié)果期 結(jié)果期分為三個(gè)時(shí)期：初果期(生長(zhǎng)結(jié)果期)、盛果期(結(jié)果盛期)和結(jié)果后期。1. 初果期：開始結(jié)果

7、到大量結(jié)果以前為生長(zhǎng)結(jié)果期。 初果期特點(diǎn) ：A：根系和樹冠可能達(dá)到或接近最大的體積。B：長(zhǎng)枝比例減少，中短枝比例增加。C：樹冠逐漸開張。D：花芽容易成，產(chǎn)量逐漸上升，果實(shí)品質(zhì)漸佳。2. 盛果期：指大量結(jié)果的時(shí)期，從果樹開始大量結(jié)果到產(chǎn)量開始下降為止。 盛果期特點(diǎn)：A：離心生長(zhǎng)逐漸減弱直至停止，樹冠達(dá)到最大體積。B：新梢生長(zhǎng)緩和，全樹形成大量花芽。C：短果枝和中果枝比例大，長(zhǎng)枝量少。D：產(chǎn)量高，質(zhì)量好。E：骨干枝開張角度大，下垂枝多。F：由于樹冠內(nèi)膛光照不良，致使枝條枯死，引起光禿，造成結(jié)果部位外移。隨著枝組的衰老死亡，內(nèi)膛光禿。3.結(jié)果后期 ：從高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)開始出現(xiàn)大小年直至產(chǎn)量明顯下降。結(jié)果后期

8、特點(diǎn)：A：主枝、根開始衰枯并相繼死亡。B：新梢生長(zhǎng)量小。C：果實(shí)小、品質(zhì)差。 1.特點(diǎn)：(1)新梢生長(zhǎng)量極小，幾乎不發(fā)生健壯營(yíng)養(yǎng)枝。(2)落花落果嚴(yán)重，產(chǎn)量急劇下降。(3)主枝末端和小側(cè)枝開始枯死，枯死范圍越來越大，最后部分側(cè)枝和主枝開始枯死。(4)主枝上出現(xiàn)大更新枝。（三）衰老期：從產(chǎn)量明顯降低到植株生命終結(jié)為止。第二節(jié) 果樹的年生長(zhǎng)周期一 果樹年生長(zhǎng)周期和物候期二 落葉果樹的年生長(zhǎng)周期及其調(diào)控一、果樹的年生長(zhǎng)周期和物候期（一）果樹年生長(zhǎng)周期 1 概念：果樹隨一年中氣候而變化的生命活動(dòng)過程。果樹在年生長(zhǎng)周期中所表現(xiàn)的變化規(guī)律，通常由器官的動(dòng)態(tài)變化反應(yīng)出來。 2 意義：研究果樹的年生長(zhǎng)周期，可

9、以為調(diào)控果樹的生長(zhǎng)發(fā)育提供依據(jù)； 指導(dǎo)果樹生產(chǎn)實(shí)踐。如制定周年管理歷；年生長(zhǎng)周期不同階段采取響應(yīng)的管理措施，科學(xué)管理。（二）物候期 1.概念：與季節(jié)性氣候變化相適應(yīng)的果樹器官的動(dòng)態(tài)變化時(shí)期，稱為生物氣候?qū)W時(shí)期，簡(jiǎn)稱物候期。 2.類型：(1)根系生長(zhǎng)期，(2) 萌芽展葉期，(3)開花期，(4)新梢生長(zhǎng)期，(5)果實(shí)生長(zhǎng)期，(6)花芽分化期，(7)落葉休眠期。3.物候期的特點(diǎn)：順序性：在年生長(zhǎng)周期中，每一物候期都是在前一物候期通過的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行，同時(shí)又為下一物候期奠定基礎(chǔ)。重演性：在一定條件下物候期可以重演。如杏樹一般在3月份開花，5、6月成熟，每年基本不變。 重疊性：表現(xiàn)為同一時(shí)間和同一樹上可

10、同時(shí)表現(xiàn)多個(gè)物候期。4.影響物候期進(jìn)程的因子：樹種品種：氣候條件：立地條件：緯度：每向北推進(jìn)一度，溫度降低1度左右，物候期晚幾天；海拔高度；海拔每升高100米，溫度降低1度左右，物候期晚幾天。 生長(zhǎng)期過渡期 過渡期 休眠期二 果樹的年生長(zhǎng)周期（物候期） 二、落葉果樹的年生長(zhǎng)周期及其調(diào)控（一）生長(zhǎng)期 生長(zhǎng)期內(nèi)進(jìn)行根系生長(zhǎng)、新梢生長(zhǎng)、開花、果實(shí)發(fā)育、花芽分化等。（二）休眠期 果樹的休眠是指果樹的生長(zhǎng)發(fā)育暫時(shí)的停頓狀態(tài)，它是為適應(yīng)不良環(huán)境如低溫、高溫、干旱等所表現(xiàn)的一種特性。1.休眠的外部表現(xiàn) 落葉是果樹進(jìn)入休眠的標(biāo)志。休眠期內(nèi)，從樹體的外部形態(tài)看： （1）葉子脫落； （2）枝條變色老化； （3）地

11、上部沒有任何生長(zhǎng)發(fā)育的表現(xiàn)； （4）地下部根系在適宜的條件下可以維持微弱的生長(zhǎng)。 但是在果樹休眠期，樹體內(nèi)部仍進(jìn)行著一系列的生理活動(dòng)，如呼吸、蒸騰、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)換等，這些外部形態(tài)的變化和內(nèi)部生理活動(dòng)，使果樹順利越冬。2.休眠階段的劃分：自然休眠、被迫休眠（1）自然休眠：是指落葉果樹落葉之后處于低溫環(huán)境下，即使給于最合適的環(huán)境條件也不萌發(fā)的情況，叫自然休眠。自然休眠是果樹器官本身的特性所決定的，也是果樹長(zhǎng)期適應(yīng)外界條件的結(jié)果。自然休眠期的長(zhǎng)短與樹種、品種、樹勢(shì)、樹齡等有關(guān)。果樹解除自然休眠需要在一定的低溫條件下度過一定的時(shí)間，這段時(shí)間稱為需冷量，一般以小時(shí)表示。果樹種類不同，要求的需冷量不同，如

12、蘋果需要12001500小時(shí)，桃5001200小時(shí)。（2）被迫休眠：指果樹已通過自然休眠，已完成了生長(zhǎng)所需的準(zhǔn)備，但外界條件不適宜，不能萌發(fā)而呈休眠狀態(tài)。果樹在被迫休眠中通常遇到回暖天氣，致使果樹開始活動(dòng)，但又出現(xiàn)寒流，使果樹遭受早春凍害或晚霜危害，如桃、李、杏等凍花芽現(xiàn)象等。3.影響休眠的外在因素（1）日照長(zhǎng)度：長(zhǎng)日照促進(jìn)生長(zhǎng)，短日照抑制生長(zhǎng)誘導(dǎo)進(jìn)入休眠。（2）溫度：低溫可促進(jìn)果樹進(jìn)入休眠。（3）水分和營(yíng)養(yǎng)狀況：生長(zhǎng)后期水分過多或多施氮肥，枝條生長(zhǎng)旺盛，進(jìn)入休眠晚，易受凍；若樹體缺乏氮素或組織缺水，樹體生長(zhǎng)弱，提早進(jìn)入休眠。5.控制休眠的措施（1）促進(jìn)休眠：可提高其抗寒力，減少初冬的危害。方

13、法有：生長(zhǎng)后期限制灌水，少施氮肥，疏除徒長(zhǎng)枝，過密枝、噴布生長(zhǎng)延緩劑或抑制劑，如PP333等。（2）推遲進(jìn)入休眠：可延遲次年萌芽，減少早春的危害。方法有夏季重修剪、多施氮肥、灌水等。（3）延長(zhǎng)休眠期：可減少早春危害，主要原理是延長(zhǎng)被迫休眠期；方法有：樹干涂白、早春灌水、果園覆草、遮陽網(wǎng)遮陰等，可使地溫及樹體溫度上升緩慢，延遲萌芽開花。秋季使用青鮮素、多效唑、早春噴NAA以及2，4D也可延遲休眠。（4）打破休眠：在溫室栽培中常用。葡萄用石灰氮處理，可使80植株于30天后萌芽，二硝基鄰甲酚（DNOC）可打破蘋果休眠。需寒量和休眠的調(diào)控 Rohde & Bhalerao, TRENDS in Pla

14、nt Science 12:218-223, 2007 芽的休眠是溫帶木本多年生植物適應(yīng)氣候季節(jié)變化的一種方式Growth cessation and bud setshort dayRequired Chilling accumulation(0CT7.5C)ooDormancy release Warm weatherGrowth and flowering? Intermittent temperature Full dormancy花芽的休眠主要與花芽后成熟有關(guān))Yamane et al., 2011, Scientia Horticulturae 129: 844-848低溫誘導(dǎo)了花

15、芽的成熟芽休眠的解除需要低溫Release of dormancy requires chilling temperature全球變暖危機(jī)著溫帶果樹的需冷量Luedeling et al., 2011, PLoS ONE 6(5): Climate change affects winter chill for temperate fruit and nut trees in VCalifornia Global warning: A serious threat to environment and ecology NowFuture Global warning: A direct thr

16、eat to fruit productivity 低溫時(shí)間減少對(duì)果樹生長(zhǎng)發(fā)育的影響低溫時(shí)間的減少引起了植物早開花低溫時(shí)間的減少引起了倒春寒的頻繁發(fā)生凍害四月飛雪 Rohde & Bhalerao, TRENDS in Plant Science 12:218-223, 2007 芽的休眠是溫帶木本多年生植物適應(yīng)氣候季節(jié)變化的一種方式Growth cessation and bud setshort dayRequired Chilling accumulation(0CT0oC and 7oC)Dormancy releaseGrowth &blooming Flower &Veg. bud

17、sFruit tree growth cycleShort-day photoperiodEcordormancy (growth cessation & dormancy onset)Climate changeHow?What?What?不同類型的休眠及其對(duì)環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)類休眠：相關(guān)休眠（Paradormancy）是指由休眠組織以外的其他部位（如葉片、莖 頂?shù)龋┊a(chǎn)生抑制物質(zhì)，抑制休眠組織的生長(zhǎng)，如腋芽的生長(zhǎng)被頂芽所抑制（頂端優(yōu) 勢(shì)）。內(nèi)休眠種子休眠塊莖的休眠頂端分化模型FT運(yùn)輸?shù)巾敹耍⒃赗M（髓狀分生組織）處積累；CENL1表達(dá)，RM形成種子休眠種子休眠的誘導(dǎo)和休眠解除途徑參與種子休眠的

18、基因芽的休眠生長(zhǎng)向休眠傳遞過程中頂芽的發(fā)育狀態(tài)的改變不同植物芽休眠對(duì)環(huán)境的響應(yīng)芽在生長(zhǎng)發(fā)育至休眠過程中相關(guān)代謝過程的變化光周期對(duì)芽休眠的調(diào)控機(jī)制Bhlenius, et al.(2006) CO/FT regulatory module controls timing of owering andseasonal growth cessation in trees. Science 312, 10401043.FT/CO基因調(diào)控著花的形成和芽休眠的形成光周期對(duì)芽休眠調(diào)控途徑頂端 apex形成層 cambium溫度對(duì)休眠的調(diào)控溫度是通過調(diào)控GA1代謝來控制休眠DRM1/ARP與頂芽的休眠DRM1

19、/ARP的發(fā)現(xiàn) Stafstrom et al. 1998DRM1/ARP參與了多個(gè)生物過程芽休眠的調(diào)控途徑花芽的休眠和解除 花芽的休眠主要與花芽的成熟有關(guān))Yamane et al., 2011, Scientia Horticulturae 129: 844-848低溫誘導(dǎo)了花芽的成熟SD&cold FlowerarrestedFlower bud development and dormancy-mediated arrestFlowering competentSix peach DAM genes responsible for dormancy onset DAM1DAM2DAM3

20、DAM4DAM5DAM6EVGSOC1FTAP1?LFYAG, AP3, PI, SEPFlower inductionSVPCool temperatureFLCFRIWinter Histone methylationDAM function and SVPVernalization and flowering induction in ArabidopsisDAMs Flower bud developmentWinterSOC1FTAP1?LFYAG, AP3, PI, SEPFlower inductionSVPCool temperatureFLCFRIFallWinter His

21、tone methylationEpigeneticprogramming Dormancy and flower development in peachPeach Meiosis &divisionStamen & carpel, ovule Arabidopsis DAM genes must target genes essential for floral organ development SD & CoolChillingFLCVRN1DAMsDAMs ?Warm休眠和春化相同點(diǎn)及不同點(diǎn)Dormancy and vernalization: Similarity and diff

22、erenceDormancy release of peach flower buds and its unique regulationDormancy - flower development arrestChilling release the arrestDNA methylationHistone methylationSmall RNA profileTranscriptional profileVernalization - flower induction Two programs potentially govern the dormancy release and flow

23、er blooming 0 (H)5001000D3D7D14Experimental material the flower bud number matters T1T2T3T4Flower bud development during chilling treatment or dormancy releaseDeep sequencing enables the profiling of multiple stages of gene expression and regulation GenomeEpigenome(e.g. DNA methylation,histone modif

24、ications, nucleosome positioning)mRNAsmRNAslncRNAsProteinTranscriptomeDNA-seq- genome re-sequencing and de novo sequencingChIP-seq - Profiling of histone modifications and transcription factor binding sitesBS-seq- Determination of DNA methylation at single base pair resolutionRNA-seq and smRNA-seq-

25、Discovery and quantitative measurement of RNA moleculesEpigenetic regulation: Dynamic change of two epigenetic codesQiu. Nature (2006) DNA methylation Histone modificationcytosine5-methylcytosineMET1CMT3DRMRdDMDME1DME2DME3 Active marksH3K4me3H3K36me2H3K36me3Heterochromatic marksH3K9me2H3K27me1Repres

26、sive markH3K27me3H3H2AH2BH4KRSKKPKKKRNA-SEQ and small RNA-seqWhole genome bisulfite sequencing (BS-seq)Bisulfite convertedCluster generation and sequencingPCRDNA fragmentsLigated with cytosine-methylated adaptersGenomic DNA (5g)SonicationCokus et al (2008) Nature; Lister et al (2008) CellDNA recover

27、 ChIP-Seq: Analysis of histone modificationsNucleosomes Protein-DNA crosslink Immunoprecipitation (IP)(e.g. Ab against H3K27me3)Release of nucleosomes by MNase cleavageLibrary construction for deep sequencingBisulfite DNA sequencing and peach methylomeT1T3T4Methylation type CG CHG CHH H = A, T, or C

28、cdefgh T3/T1 T4/T3 . Methylome and changes during chilling tteatment Methylome and changes during chilling tteatment abcdefghiCorrelation between methylation and gene expression Methylome and changes during chilling tteatment More methylated after chillingLess methylated after dormancy releaseDMR me

29、thylation levelsDifferential methylation during dormancy release and bloomingMassive DNA demethylation occurring during blooming Me Me MeWarmingChillingDemethylation programmingInverse coorelation between DNA methylation and gene expression T1T3T4T1T3T4DNA demethylasebDNA methylatseaRNA-directed DNA

30、 methylation cExpression of DNA methylase and demethylase during chilling and blooming ChillingWarmingThe role of DNA Demethylation in blooming0 (H)5001000D3D7D14Mechanism for chilling treatmentRNA-Seq: Transcriptional profiling Vernalization and flowering induction in ArabidopsisDAMs Flower bud developmentWinterSOC1FTAP1?LFYAG, AP3, PI, SEPFlower inductionSVPCool temperatu