全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月 869
钙离子在 ‘春捷 ’桃芽自然休眠诱导、维持和解除中的作用
王孝娣 1, 王海波 1, 高东升 2, 李疆 3, 杨荣光 4, 刘凤之 1,*, 聂继云 1,*
1中国农业科学院果树研究所, 辽宁兴城 125100; 2山东农业大学园艺科学与工程学院, 山东泰安 271018; 3新疆农业大学园
艺学院, 乌鲁木齐 830052; 4山东省泰安农业气象试验站, 山东泰安 271000
提要: 以两年生低需冷量设施栽培专用毛桃品种 ‘春捷 ’为试材, 检测Ca2+在自然休眠过程中的动态变化。结果表明: 在季
节变化过程中, Ca2+动态变化与自然休眠进程一致。在此过程中, Ca2+可传递环境信号, 诱导桃芽自然休眠和维持桃芽的深
度自然休眠。
关键词: Ca2+; 自然休眠; 桃芽
Role of Ca2+ in Dormant Induction, Maintence and Release of ‘Chunjie’ Peach
Buds
WANG Xiao-Di1, WANG Hai-Bo1, GAO Dong-Sheng 2, LI Jiang3, YANG Rong-Guang4, LIU Feng-Zhi1,*, NIE Ji-Yun1,*
1Fruit Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Science, Xingcheng, Liaoning 125100, China; 2College of Horticultural
Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China; 3 College of Horticulture, Xinjiang
Agricultural University, Urmuqi, 830052 China; 4Agriculture Atmosphere Experimental Station, Taian, Shandong 271000, China
Abstract: To take advantage of two-year-old ‘Chunjie’ peach, we studied the changes of Ca2+ during the natural
process of dormancy of peach buds. The results revealed that the changes of Ca2+ was consistent with natural
dormancy in the process of seasonal changes. In this process, Ca2+ made effect as a messenger in signal
transduction of environmental changes, induced the natural dormancy of peach buds, and maintained their deep
natural dormancy.
Key words: Ca2+; natural dormancy; peach bud
收稿 2008-05-12 修定 2008-08-26
资助 国家 “ 8 6 3 ” 计划(2 0 0 1 AA2 4 7 0 4 1 )和国家 “ 十一五 ”
科技支撑计划(20 06BAD 07B0 6)。
* 通讯作者(E-mail: haibo8316@163.com; Tel: 0 429-
3 5 9 8 1 2 7 )。
随着果树设施栽培的发展, 温带落叶果树的芽
休眠研究又成为一个新的研究热点。温带落叶果
树的芽休眠是其渡过冬季不良环境条件的一个发
育阶段, 是落叶果树经过长期演化而获得的一种对
环境及季节性变化的生物学适应性(高东升等
2001)。
钙不仅是植物体内的必需元素, 而且是植物体
内普遍存在的信号(谢玉明等 2003)。植物中几乎
所有的生理活动都受 Ca2+的调控。一般认为, 植
物对许多外界环境刺激作出的反应是通过胞质内自
由 Ca2+浓度变化来传递的。非激发状态下的植物
细胞质和细胞核通常是处在低浓度 Ca2+的稳态平
衡状态。已知许多刺激都能引起 Ca2+从细胞间隙
和液泡中进入植物细胞质和细胞核, 由此引起植物
细胞的细胞质和细胞核内Ca2+水平升高后, 会相继
引发一系列生理生化过程, 导致植物对这些刺激产
生反应和适应(Knight 2000)。为此, 本文检测了钙
离子在桃芽自然休眠进程中的动态变化, 以探讨钙
离子在桃芽自然休眠中的可能作用。
材料与方法
以两年生且生长健壮的桃设施栽培专用毛桃
[Prunus persica (L.) Batsch.]品种 ‘春捷 ’(需冷量极
低, 108~122 CU) (砧木为青州冬雪蜜桃)为材料在
山东农业大学果树站(山东泰安, 地处东经117.13°,
北纬 36.18°, 全年最长日照时期在 6月 21~23日,
日照时间为 14 h 36 min)进行实验, 试验于 2006年
7月 8日开始至 12月 20日结束。山东农业大学果
树实验站的月平均温度和月平均光周期见图 1。
自处理之日始每周 1次定期测定新梢长度, 直至 9
月 30 日结束。于 7 月 8 日、7 月 12 日、8 月 5
日、8 月 19 日、9 月 2 日、9 月 16 日、9月 30
日、10月 7日、10月 21日、11月 4日、11月
植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月870
18日和 12月 2日定期采样测定休眠状态。具体方
法是: 采集树冠外围生长一致且健壮的‘春捷’桃新
梢用人工光照培养箱清水插枝法测定休眠状态。
每处理每次采取 12条长 30~40 cm的新梢, 在自然
落叶前除去叶片, 并剪去 5 cm长的顶梢, 然后将新
梢插入盛水 2~3 cm深的玻璃杯中培养, 培养条件
为: 气温(昼 /夜) 25 ℃/21 ℃, 光照强度40 µmol·m-2·s-1,
昼 /夜 16 h/8 h; 相对空气湿度 80%~90%; 每 2 d换
水一次, 每次剪掉 2~3 mm, 露出新茬。调查记录
第一颗叶芽开放时所经历的时间(d), 用第一颗叶芽
开放所经历的时间表示休眠状态, 当第一颗叶芽开
放所需时间≥10 d时, 记为已进入休眠状态(王海
波 2006)。
Ca2+的亚细胞定位自处理之日始定期采样, 样
品利用焦锑酸盐化学沉淀法进行 Ca2+的亚细胞定
位, 然后根据休眠状态确定样品进行切片观察。主
要步骤为: 从新梢中部取10个饱满叶芽剥除鳞片和
幼叶后, 立即投入到用 pH 7.6的磷酸缓冲液(0.1
mol·L-1)配制的含有 2%戊二醛、2.5%多聚甲醛、
2%焦锑酸钾和少量单宁酸的初固定液中, 于完全黑
暗和 4 ℃条件下固定 6 h; 然后用含 2%焦锑酸钾
的 0.1 mol·L-1磷酸缓冲液洗涤2次, 每次20 min; 洗
涤后, 将洗涤好的材料转移到含 1%饿酸和 2%焦
锑酸钾的固定液中后固定, 于4 ℃条件下固定16 h
后, 先用含 2%焦锑酸钾的 0.1 mol·L-1磷酸缓冲液
清洗 15 min, 再用不含焦锑酸钾的 0.1 mol·L-1磷酸
缓冲液(pH 7.6)清洗 3次, 每次 15 min; 然后以酒精
系列脱水, EM-bed812树脂包埋; 用钻石刀切片, 醋
酸铀染色后用 CM透射电镜观察和照相。
实验结果
1 ‘春捷 ’桃的自然休眠进程
日照长度逐渐缩短, 而大气温度仍然较暖和时,
‘春捷 ’桃新梢的生长速度即随着日照长度的变短
而日益下降(图2)。 8月26日时新梢生长完全停止
而开始进入自然休眠, 9月 2日时新梢以清水插枝
培养的第一叶芽开放所需时间为 12 d (图 3), 比未
进入休眠时第一叶芽开放所需时间延后 4~5 d。此
后随着日照时间的进一步缩短和温度的降低, 休眠
程度逐渐加深, 并逐渐进入深自然休眠阶段, 9月
30日以清水插枝培养的第一叶芽开放所需时间为
30 d, 表明此时已经处于深自然休眠状态。而后,
由于低温对自然休眠的解除作用, 随着有效低温累
积, 休眠程度又逐渐变浅, 逐渐进入浅自然休眠阶
段, 到 11月 18日时以清水插枝培养至第一叶芽开
放所需时间为 14 d, 表明此时 ‘春捷 ’桃已经处于
浅自然休眠阶段。此后随着有效低温的进一步累
积并能满足 ‘春捷 ’桃的低温需求量后, ‘春捷 ’桃
进入环境休眠, 到 12月 2日时 ‘春捷 ’桃以清水插
枝培养的第一叶芽开放所需时间为 8 d, 表明此时
‘春捷’桃自然休眠已经完全解除, 处于环境休眠阶
段。此时只要外界环境适宜, ‘春捷 ’桃便可正常
萌芽开花, 进入新的生长周期。
图 1 山东农业大学果树实验站的
月平均温度和光周期
Fig.1 Monthly mean temperature and photoperiod
of the fruit experimental station in
Shandong Agricultural University
图 2 ‘春捷 ’桃新梢生长的季节变化
Fig.2 Seasonal changes in shoot
growth of ‘Chunjie’ peach
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2 ‘春捷 ’桃芽顶端分生组织细胞内Ca2+浓度和分
布的季节变化
焦锑酸根离子可与 Ca2+结合形成焦锑酸钙沉
淀。在电镜下, 焦锑酸钙沉淀产生很强的稠密电子
反差, 从而显示 Ca2+在细胞内的存在和定位。从
电镜观察结果(图4)可以看出, 在季节变化过程中,
‘春捷 ’桃芽顶端分生组织细胞内Ca2+沉淀的分布
和数量发生明显变化。在夏季 7月 8日(活跃生长
期)的采样中, Ca2+沉淀主要分布在液泡和细胞间隙
中, 而细胞质和核内很少有Ca2+存在(图 4-a), 显示
‘春捷’桃植株在夏季活跃生长期, 细胞质和核内的
Ca2+浓度是处在一个低水平, 液泡和细胞间隙是植
物细胞的主要Ca2+库。秋季 8月 19日(此时 ‘春捷 ’
桃植株尚未进入休眠, 但新梢生长已变缓)样品切片
中, 细胞质和核内有许多Ca2+沉淀(图 4-b), 而液泡
和细胞间隙 Ca2+减少, 显示随着日照时间的缩短、
自然温度的降低和‘春捷’桃新梢生长速度的减缓,
Ca2+从液泡和细胞间隙流入了细胞质和核内。10
月7日(此时‘春捷’桃植株处于深自然休眠阶段)芽
顶端分生组织细胞的细胞质和核内 Ca2+沉淀数量
显著增加, 而此时液泡和细胞间隙中的Ca2+沉淀数
量很少(图 4-c)。冬季在 11月 18日(此时 ‘春捷 ’
桃处于浅自然休眠阶段)细胞的细胞质和细胞核内
Ca2+沉淀数量显著减少, 而液泡和细胞间隙中Ca2+
沉淀数量则显著增加(图4-d), 说明早先进入细胞质
和细胞核的 Ca2+又返回到液泡和细胞间隙中。12
月2日(此时‘春捷’桃处于环境休眠阶段)细胞的细
胞质和细胞核内很少见到Ca2+沉淀, 大量的Ca2+沉
淀出现在细胞间隙和液泡中(图 4-e)。
讨 论
植物中几乎所有的生理活动都受 Ca2+的调控
(邹寿彬等 2000)。一般认为, 植物对许多外界环境
和激素的刺激所作出的反应都是通过胞质内自由
Ca2+浓度变化传递的(宋秀芬和洪剑明 2001)。非
激发状态下的植物细胞质和细胞核通常是处在低浓
度 Ca2+的稳态平衡。已知许多生物和非生物的刺
激如低温、高温、光照、干旱、盐胁迫和缺氧
胁迫都能引起 Ca2+从细胞间隙和液泡进入植物细
胞质和细胞核, 由此引起的植物细胞的细胞质和细
胞核内的Ca2+水平升高后, 会相继引发一系列生理
生化过程, 导致植物对这些刺激的反应和适应
(Knight 2000; Bush 1995)。本文结果表明, 在季节
变化过程中, 随着日照时间的逐渐缩短和温度的逐
渐降低, Ca2+由细胞间隙和液泡逐渐流入细胞质和
细胞核内(8月 19日), 并且植株生长速度随着细胞
质和细胞核内 Ca2+的流入和 Ca2+浓度的增加而变
缓, 最终完全停止, 然后自然休眠开始(9月 2日, 此
时以清水插枝培养的第一叶芽开放所需时间为 12
d)。同时我们喷施EGTA (EGTA为Ca2+鳌合剂, 可
与Ca2+结合形成Ca2+络合物, 使Ca2+失去生理作用)
的结果也显示喷施EGTA的 ‘春捷 ’桃植株一直保
持旺盛生长未进入休眠, 直至停止喷施 EGTA为
止。这表明, 在季节变化过程中, Ca2+的流入起传
递环境信号的作用。季节变化(日照时间变短, 温
度降低)引起细胞质和细胞核内Ca2+水平升高后, 可
能通过活化钙调素(CaM)和某些蛋白激酶, 以及蛋
白质磷酸化等过程, 诱发休眠基因的表达, 从而使
‘ 春捷 ’ 桃植株进入自然休眠。但是在此过程中
Ca2+的详细作用机制还需深入研究。此外, 从我们
的试验结果中还可以看出, Ca2+浓度和分布的动态
变化与自然休眠发展进程非常一致, 即当细胞质和
细胞核内Ca2+浓度显著升高时, 休眠深度迅速加深;
10月Ca2+浓度达到高峰, 自然休眠程度也同时最深;
11月细胞质和细胞核内Ca2+浓度恢复到低水平, 此
后 12月初(12月 2日)自然休眠的终结。这表明
图 3 ‘春捷 ’桃休眠状态的季节变化
Fig.3 Seasonal changes in dormancy
status of ‘Chunjie’ peach
植物生理学通讯 第 44卷 第 5期，2008年 10月872
图 4 ‘春捷 ’桃植株芽细胞内Ca2+的分布和浓度
Fig.4 Distribution and concentration of Ca2+ in ‘Chunjie’ peach lateral bud cells
a: 7月 8日采样的细胞(×20 000); b: 8月 19日采样的细胞(×25 000); c: 10月 7日采样的细胞(×25 000); d: 11月 18日采样的细胞
(×25 000); e: 12月 2日采样的细胞(×10 000)。V: 液泡; W: 细胞壁; IS: 细胞间隙; N: 细胞核; Cyt: 细胞质。
‘春捷’桃在晚夏到冬季的自然休眠进程中, 细胞核
与细胞质内 Ca2+的流入不仅起传递环境信号的作
用, 导致自然休眠, 而且细胞核和细胞质内高浓度
的 Ca2+还有保持深度自然休眠的作用。我们于 11
月喷施CaCl2结果表明, 喷施CaCl2后的春捷桃芽自
然休眠解除延迟, 这进一步表明, 细胞核和细胞质
内高浓度的 Ca2+起保持深度自然休眠的作用。
参考文献
高东升, 束怀瑞, 李宪利(2001). 几种适宜设施栽培果树需冷量的
研究. 园艺学报, 28 (4): 283~289
宋秀芬, 洪剑明(2001). 植物细胞中钙信号的时空多样性与信号
转导. 植物学通报, 18 (4): 436~444
王海波(2006). 桃芽自然休眠诱导和短时间高温破眠研究[硕士论
文]. 乌鲁木齐: 新疆农业大学
谢玉明, 易干军, 张秋明(2003). 钙在果树生理代谢中的作用. 果
树学报, 20 (5): 369~373
邹寿彬, 陈凉怡, 康华光(2000). 胞内钙信号系统. 生命的化学,
20 (6): 254~257
Bush DS (1995). Calcium regulation in plant cells and its role in
signaling. Ann Rev Plant Physiol Plant Mol Biol, 46: 95~122
Knight H (2000). Calcium signaling during abiotic stress in plant.
Inter Rev Cytol, 195: 269~324