探讨外源GA3对矮秆突变体与野生型株高及光合作用的影响,植物学论文

探讨外源GA3对矮秆突变体与野生型株高及光合作用的影响,植物学论文矮化品种的选育是实现大豆窄行密植栽培技术的先决条件，矮化因其可改善种植密度、提高抗倒伏性和收获指数而引起广泛重视。植物矮化总体上是由于茎不能正常伸长引起的，很多矮化突变与GA生物合成或信号转导途径受阻有关。赤霉素(Gibberellin，GA)，作为一类二萜类植物激素，调节种子萌发、茎秆伸长、叶片生长、花粉管生长、花和种子发育等多种生理活动，也能在环境胁迫下调控植物的生长和发育。利用外源GA3处理，前人对水稻、小麦、甘蔗、玉米、棉花等的矮化相关基因、茎节生长、种子萌发以及一些生理特性进行了研究。Liu等研究矮秆水稻发现，其细胞伸长受抑制，内源GA1含量低，外源喷施GA能够恢复野生型表型。李葳等报道了半矮秆大豆突变体内源GA3含量低于其野生型，外源GA3处理可促进节间的伸长，使株高恢复野生型表型。也曾有人利用外源GA处理促进了甜菜、瓜尔豆、水稻等作物的光合作用。褚孝莹等研究小黑麦发现，叶片喷施赤霉素后叶绿素含量增加、光合作用加强，而且产量也得到提高。刘春冬等报道赤霉素处理后东魁杨梅叶片光合速率增加，叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白质含量增加。李利利等报道不同株高玉米光合产物的积累、转运与分配各不一样。但通过外源GA3处理对不同株高大豆光合特性及光合产物积累变化规律的研究未见报道。本文讨论在100mgL－1GA3处理下，矮秆大豆突变体不同生育期的生长速率、光合特性及光合产物积累的变化规律，揭示外源GA3对大豆矮秆突变体株高和生物物质合成的影响，为大豆矮化的生化与分子生物学机制的深切进入研究及实现矮秆密植提供一定理论根据。1、材料与方式方法1.1试验材料大豆品种野生型(Wild-type，WT)东农42(Clycinemaxcv．Dongnong42)及其矮秆突变体(df)东泽11。GA3纯度＞98.6%(Sigma公司，美国)。1.2田间试验与样品取材试验材料于2018－2020年在东北农业大学香坊实验实习基地种植。试验采取小区比照相邻种植，两小区，两行区，行长20m，行距65cm，株距5cm。常规。肥水管理。5月9日播种，7月1日(播种后6～8周植株表现矮化性状)开场GA3喷施处理，以100mg獉L－1GA3为处理组，以清水为对照组(CK)，每隔10d用喷壶各喷施1次，每处理喷施2L，连喷6次，使处理液充分而又均匀分布于整个植株外表，喷施时小区之间用挡板隔离。从7月1日到8月20日，每隔10d取样，每个材料随机选取一样节位(倒4节位)叶片，用液氮处理后于－80℃保存用于生理生化指标测定，每处理3次重复。1.3株高测量与光合气体交换特征参数测定两材料不同处理选取长势一致的10株强健植株(挂牌标记)，每10d测量株高，绘制植株生长曲线。每10d于晴朗无云天气上午9∶00－11∶00进行叶片光合气体交换特征参数测定(光合速率Pn、蒸腾速率Tr、气孔导度Gs、胞间CO2浓度Ci)。选取倒四节位三出复叶的中间叶片进行测定，每处理10次重复。1.4生理生化指标的测定叶绿素含量测定采用乙醇法，可溶性糖及淀粉含量测定采用蒽酮法，蔗糖含量测定采用间苯二酚法，蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝－G250法，叶片光合气体交换特征参数测定采用便携式光合测定仪(ADCBioScientificLCiAnalyserSerialNo．31784)。1.5数据处理采用Excel2003软件进行数据统计及作图。采用DPS7.05软件对数据进行分析。株高日增长量(cm獉d－1)=(处理后株高－处理前株高)/处理时间;激素促进率=(GA3处理组株高日增量－CK组日增量)/CK组日增量100%。文中差异显着为0.05水平，差异极显着为0.01水平。2、结果与分析2.1外源GA3处理对植株株高的影响df突变体7月1日前生长较缓慢，7月1日至7月31日，植株生长迅速进入对数生长期，7月31日至8月20日(鼓粒期)，植株生长滞缓;GA3处理下，df突变体亦表现出此规律(图1)。df突变体在不同生育期株高平均日增长量为0.87cm，GA3处理后，增加了0.66cm;GA3对df突变体株高的促进率为78.57%(表1)。野生型植株生长速率也表现出慢－快－慢的规律(图1)，株高平均日增长量为1.52cm，GA3处理后，增加了0.46cm;GA3对野生型株高的促进率为31.40%(表1)。【表1】【图1】GA3处理组与CK组相比，df突变体平均日增长量差异极显着(P＜0.01)，野生型平均日增长量差异显着(P＜0.05)，GA3处理对df突变体与野生型株高的促进率差异极显着(P＜0.01)。上述讲明，GA3处理，均促进了df突变体与野生型株高的增长，且df突变体比野生型对GA3的响应更敏感;GA3处理下，df突变体株高(110cm)可恢复其野生型株高(114cm)，差异不显着。2.2外源GA3处理对叶片光合气体交换特征参数的影响2.2.1叶片光合速率随着生育期的延续，两材料光合速率变化均表现出先逐步升高后迅速下降的趋势(图2)。df突变体CK组与GA3处理组光合速率均在8月2日到达峰值，后迅速下降;GA3处理后，光合速率在8月12日与8月22日显着低于CK组。野生型CK组与GA3处理组光合速率均在8月12日到达峰值;GA3处理后，光合速率在8月12日显着高于CK组，在8月22日显着低于CK组。不同生育期，df突变体CK组与GA3处理组光合速率均低于野生型。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，两个材料的光合速率均低于CK组。【图2】2.2.2叶片蒸腾速率。随着生育期的延续，两材料蒸腾速率变化均呈上升－下降－再上升－再下降趋势(图3)。df突变体CK组蒸腾速率在8月12日到达最高值;GA3处理后，df突变体的蒸腾速率最高值提早至7月23日，在7月3日－8月2日显着高于CK组，在8月12日与8月22日显着低于CK组。野生型CK组蒸腾速率在7月3日到达最高值;GA3处理后，蒸腾速率最高值推延至8月12日，在7月3日－8月22日显着高于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，两个材料的蒸腾速率均高于CK组。【图3】2.2.3叶片气孔导度随着生育期的延续，两材料气孔导度变化均呈上升－下降－再上升－再下降规律(图4)，与蒸腾速率变化趋势一致。CK组气孔导度均在8月12日到达最高值。GA3处理后，气孔导度最高值提早至8月2日，df突变体的气孔导度在7月13日与8月2日显着高于CK组，在8月22日显着低于CK组;野生型的气孔导度在8月2日显着高于CK组，在8月22日显着低于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，两个材料的气孔导度均高于CK组。【图4】2.2.4叶片胞间CO2浓度随着生育期的延续，两材料胞间CO2浓度的变化规律与气孔导度的变化规律类似(图5)。CK组胞间CO2浓度均在7月3日到达最高值。GA3处理后，df突变体的胞间CO2浓度最高值推延至8月12日，在8月2日显着高于CK组;野生型胞间CO2浓度在7月3日也到达最高值，在8月2日显着高于CK组，在8月12日与8月22日显着低于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，df突变体的胞间CO2浓度高于CK组，野生型的胞间CO2浓度低于CK组。【图5】2.3外源GA3处理对叶片叶绿素含量的影响随着生育期的延续，两材料的叶绿素含量均呈上升－下降－再上升－再下降趋势(图6)。df突变体CK组叶绿素含量在7月31日到达最高值;GA3处理后，叶绿素含量最高值提早至7月21日，在7月11日、7月21日、8月10日显着高于CK组，在7月31日与8月20日显着低于CK组。野生型CK组叶绿素含量在7月11日到达最高值;GA3处理后，叶绿素含量在8月10日到达最高值，在8月20日显着高于CK组，在7月11日与7月21日显着低于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，两材料叶绿素含量均高于CK组。2.4外源GA3处理对叶片可溶性蛋白质含量的影响随着生育期的延续，两材料的蛋白质含量变化规律与叶绿素含量变化规律类似(图7)。CK组蛋白质含量均在8月10日到达最高值。GA3处理后，df突变体蛋白质含量在8月10日到达最高值，在7月11日至7月31日显着高于CK组，在8月20日显着低于CK组;野生型蛋白质含量在8月20日到达最高值，在7月11日至7月31日、8月20日显着高于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，两材料可溶性蛋白质含量均高于CK组。【图6】【图7】2.5外源GA3处理对叶片可溶性糖含量的影响随着生育期的延续，两材料可溶性糖含量变化均呈上升趋势(图8)。CK组与GA3处理组可溶性糖含量均在8月20日到达最高值。GA3处理后，df突变体可溶性糖含量在7月11日显着高于CK组，在7月31日与8月10日显着低于CK组;野生型可溶性糖含量在7月21日、8月10日显着高于CK组，在7月31日与8月20日显着低于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，df突变体可溶性糖含量低于CK组，野生型可溶性糖含量高于CK组。2.6外源GA3处理对叶片蔗糖含量的影响随着生育期的延续，两材料蔗糖含量变化规律与可溶性糖含量变化规律类似，均呈上升趋势(图9)。【图8】【图9】CK组与GA3处理组蔗糖含量均在8月20日到达最高值。GA3处理后，df突变体蔗糖含量在7月11日、7月21日、8月10日显着低于CK组;野生型蔗糖含量在7月31日－8月20日显着高于CK组，在7月11日与7月21日显着低于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，df突变体蔗糖含量低于CK组，野生型蔗糖含量高于CK组。2.7外源GA3处理对叶片淀粉含量的影响随着生育期的延续，两材料淀粉变化规律均呈下降趋势(图10)。CK组与GA3处理组淀粉含量均在7月1日到达最高值。GA3处理后，df突变体淀粉含量在7月11日、7月31日、8月10日显着高于CK组，在7月21日显着低于CK组;野生型淀粉含量在7月21日、8月10日显着高于CK组，在7月11日、7月31日显着低于CK组。不同生育期、不同处理间多重比拟表示清楚，GA3处理后，df突变体淀粉含量高于CK组，野【图10】生型淀粉含量低于CK组。3、讨论3.1外源GA3处理对矮秆突变体株高的影响矮化总体上是由于茎不能正常伸长所致。郝再彬等报道大豆矮秆突变体的主茎节数、节间长度小于其野生型;张达等报道大豆矮秆突变体茎薄壁细胞的横向长度(宽)小于野生型，薄壁细胞的纵向长度(长)大于野生型，节间单位面积薄壁细胞数目少于野生型，内源GA3含量在不同生育期均小于其野生型，一定浓度的(0.15～0.60mmolL－1)外源GA3处理，突变体和野生型的株高均随GA3浓度增大而增加，且突变体均可恢复野生型表型。本研究表示清楚，100mgL－1GA3处理df突变体株高可恢复野生型表型，且对df突变体株高的促进率要高于野生型，这可能由于df突变体内源GA3含量低于野生型(数据未列出)，当喷施适当浓度外源GA3时，df突变体合成更多的内源激素促进了突变体茎节间细胞数目的增加而促进了植株的生长。3.2外源GA3处理对矮秆突变体光合气体交换特征参数的影响。当前，外源GA3处理对作物光合作用影响看法并不一致。研究报道瓜尔豆、水稻等作物通过外源GA处理光合速率增加，也有报道外源GA处理羊草，其光合速率下降。光合速率是光合作用最重要的参数之一，直接反响光合能力的强弱。本研究显示，随着植株的生长对能量需求的增加，大豆植株的光合能力逐步加强，当进入鼓粒期(8月20日)，大豆的光合能力开场迅速下降，这与Yuan等通过外施GA3能够促进大豆幼龄叶片的光合作用，但对成龄叶片的光合作用效果不明显类似，与王金陵等报道的大豆进入鼓粒中期，叶片的光合能力降低50%以上相一致。蒸腾速率反映植物对水分平衡的调节能力，对光合作用起间接调节作用;气孔导度是影响光合速率的主要因子，是作物与外界环境进行水汽与CO2交换的通道，通过其开、闭调节着蒸腾和光合经过，且气孔阻力的大小能够直接影响细胞间隙CO2浓度，进而影响光合作用;胞间CO2浓度在光合作用的气孔限制分析中是确定光合速率变化能否为气孔因素的必不可少的判定根据，当气孔导度与细胞间隙CO2浓度以一样的方向变化时，以为光合下降是气孔限制造成的。本研究中，气孔导度变化规律与细胞间隙CO2浓度变化规律类似均呈上升－下降－再上升－再下降趋势，故以为df突变体与野生型的光合速率变化受气孔限制，而发育后期光合速率下降应该是气孔变小，对光合气体阻力增大造成的，同时植株衰老，叶绿素含量下降也是导致光合速率下降的原因。在讨论光合速率和产量的关系时通常以为单位叶片的光合速率一般与产量无相关，以植株群体(单位面积上的光合速率)为单位时，正向相关性加强。本研究中GA3处理促进了df突变体与野生型株高的生长，但是株高与光合作用、产量之间的关系尚需进一步讨论。3.3外源GA3处理对矮秆突变体光合产物积累的影响。叶绿素含量是衡量光合器官对大豆籽粒奉献大小的重要根据，在一定范围内与光合速率及大豆产量密切相关。光合作用的主要产物是碳水化合物，但可以部分转化为蛋白质。可溶性蛋白质大多是介入各种代谢的酶类，其含量的高低代表着代谢水平的高低。据报道，植株见光部分所含的可溶性蛋白质大部分是与光合作用、光形态建成有关的酶类，如核酮糖－1，5－二磷酸羧化酶/加氧酶。本研究显示，GA3处理促进了df突变体与野生型叶绿素、可溶性蛋白的合成，但df突变体CK组与GA3处理组的叶绿素含量、可溶性蛋白含量均低于野生型，与大多数人研究GA3处理能促进叶绿素的合成，降低蛋白质的降解相一致。蔗糖和淀粉作为光合作用最主要的产物，其含量的高低反映了源器官的供给能力，而淀粉作为糖的贮藏形式，在大豆植株发育经过中与可溶性糖存在互相转化，这对生殖具有积极作用。植物叶片中的可溶性糖含量反映了体内碳水化合物水平和能量水平，具体表现出了植物体内碳水化合物的合成及运输情况，其浓度高低直接决定源端对库端的供给能力。本研究发现，GA3处理后，df突变体可溶性糖含量、蔗糖含量降低，淀粉含量升高，而野生型可溶性糖含量、蔗糖含量升高，淀粉含量降低。df突变体这种与野生型相反的糖含量变化，可能是叶片中可溶性糖、蔗糖用