外源生长素、赤霉素、脱落酸对小麦腭发生的影响

外源生长素、赤霉素、脱落酸对小麦腭发生的影响

合理的集体结构是提高小麦产量的基础。群体的发生和生长特性直接影响到群体的结构和质量。分蘖发生可分为分蘖芽形成和伸长生长两个过程,其中后者对环境条件更为敏感。除遗传因素外,植物激素在分蘖的发生中起关键作用。在各类植物激素中,生长素(IAA)和细胞分裂素(CTK)在植物侧芽的生长过程中起重要作用,其中IAA通过顶端优势抑制分蘖的发生,CTK能解除IAA引起的顶端优势,促进分蘖的发生,同时IAA也可抑制CTK对分蘖生长的促进效应;喷施赤霉素(GA3)能显著抑制作物分蘖的发生,GA类激素通过诱发IAA的合成或抑制IAA的分解而间接影响顶端优势;提高内源脱落酸(ABA)的含量可以导致分蘖死亡。分蘖发生不只受某一激素绝对含量的影响,还取决于激素间相对含量。玉米和水稻分蘖发生与植物激素的关系,以及外源激素的调控作用已有相对系统的研究,在小麦上仅报道了分蘖发生和生长过程中内源激素动态及其与分蘖数的关系,而外源激素对小麦分蘖发生的调控效应少有研究。本试验研究外源激素对不同蘖位分蘖发生率,分蘖节中内源激素变化和分蘖芽生长动态的影响,旨在探讨其作用机制,为定向调控小麦分蘖发生、生长,构建合理群体结构提供依据。1材料和方法1.1不同激素处理对叶芽生长的影响选用小麦品种山农15和山农8355,前者为小穗型品种,后者为大穗型品种。IAA、GA3和ABA均购自Sigma公司(美国),纯度>99%。预备试验以主茎基部第2叶腋内分蘖芽为研究对象,在其生长过程中于小麦苗叶面分别喷施15、30、45、60、90、120mgL-1的IAA、GA3和ABA,清水为对照(外源激素和清水均含吐温-20)。发现外源激素浓度为60mgL-1时可显著抑制分蘖芽生长,90、120mgL-1激素处理与60mgL-1激素处理无明显差异;当起始分蘖芽长度大于0.5cm时,喷施外源激素对分蘖芽生长无明显抑制作用。从而确定外源激素调控分蘖芽生长的最适浓度为60mgL-1,分蘖芽受外源激素调控的临界长度值为0.5cm左右。1.2激素用量的确定2011年10月8日,将两品种种植于山东农业大学泰安实验农场,小区面积为3m×3m=9m2,完全随机区组设计。每公顷基本苗,山农15为120万株,山农8355为90万株,行距0.25m。小麦五至六叶期,当主茎自基部起的第4叶腋内分蘖芽刚开始伸长生长时,于17:00左右叶面喷施激素IAA、GA3或ABA,连喷2d;每种激素处理4.5m2,喷施浓度均为60mgL-1,用量为100mLm-2。为使激素更好地附着于叶片,用0.5%吐温-20(Sigma,V/V)混合于激素溶液中,以喷施清水(含吐温-20)为对照,每处理3次重复。1.3不同生长阶段的过干酵母菌生长和对酵母粉的喷施将两品种种植于RXZ-500D人工智能气候箱(宁波江南仪器厂,宁波市)内,箱内环境模拟田间分蘖期的自然气候(图1)。在小麦四叶期,当主茎基部第2叶腋内分蘖芽刚开始伸长生长时,在同一天7:00和19:00两次叶面喷施IAA、GA3或ABA与0.5%吐温-20(V/V)的混合液,以喷施清水(含吐温-20)为对照。激素浓度均为60mgL-1,每株喷施1mL。每处理3次重复。1.4测量设计和方法1.4.1外源激素对蝌蚪发育的调控在田间,于处理后30d观测小麦各蘖位的分蘖发生率,以调查蘖位的实际分蘖数占总调查株数的百分比表示。每处理观测30株,10株为一组取平均值。主茎记为0;主茎上发生的分蘖称为一级分蘖,依次用I,II,III,…表示;从一级分蘖上长出的分蘖称为二级分蘖,依次用p,1,2,…表示,如最基部一级分蘖的第1和第2个二级分蘖分别记作I-p和I-1,基部第2个一级分蘖上的第1和第2个二级分蘖分别记作II-p和II-1;以此类推。喷施外源激素时期为小麦主茎五至六叶期,分蘖I和II已正常发生,分蘖III和I-p的分蘖芽长度已超过外源激素调控的临界值,外源激素对主茎和分蘖I、II、III和I-p无明显作用,且各分蘖均能正常发生。因此,仅调查IV、I-1、II-p和II-1的发生率。1.4.2主茎组的检测在人工气候箱试验中,于处理后0、2、4和6d分别取主茎基部第2叶腋内分蘖芽,每处理取30株,10株为一组,分别测定其长度和鲜重。1.4.3预冷乙腈的提取在人工气候箱试验中,于处理后0、2、4和6d分别从单株基部分离分蘖节,每处理取30株,10株为一组,采用高效液相色谱法测定其内源激素的含量。称取分蘖节(鲜样)0.3g左右,加入液氮研磨成粉末,再加入6mL含有铜试剂(30μgmL-1)的预冷乙腈,置4℃冰箱浸提12h,随后10000×g离心15min,取上清液。沉淀中再加入4mL预冷乙腈提取第2次,第3次加入2mL提取,最后合并上清液,在37~40℃条件下旋转蒸发至干,用2mL三氯甲烷和0.4molL-1磷酸缓冲液2mL去除色素,重复3次,合并溶液,取上清液,加入150mgPVP除去酯类,10000×g离心15min,然后在37~40℃条件下旋转蒸发至干,用1mL流动相(甲醇︰乙腈︰0.6%乙酸为50︰5︰45,V︰V︰V)溶解,用孔径为0.22μm的有机滤膜过滤后上机分析。所用分析柱为SymmetryC18(150mm×4.6mm,5μm;Waters,美国)。柱温为25℃,流动相流速0.5mLmin-1,检测波长为254nm。1.5各源激素对蝌蚪分液的影响采用SPSS18.0软件进行方差分析,用Duncan’s新复极差(SSR)法进行多重比较。以外源激素处理4d后分蘖节中内源激素水平与分蘖芽长度、鲜重为数据源进行相关分析。用SigmaPlot10.0软件绘图。2结果与分析2.1aba发生率的变化对照的IV、I-1、II-p和II-1分蘖均正常发生;喷施IAA和GA3显著降低了其发生率,而喷施ABA仅降低IV和II-1的发生率(表1)。表明喷施IAA和GA3完全抑制小麦分蘖的发生,而外源ABA则仅抑制部分蘖位分蘖的发生。两品种各蘖位分蘖发生率对外源激素的响应基本一致。2.2外源试验对蝌蚪芽生长和鲜重的影响相同处理中两品种分蘖芽生长动态趋势一致(图2)。对照分蘖芽长度和鲜重于处理2d后急剧增加,且显著高于其他处理。外源IAA和GA3处理后6d内分蘖芽一直处于生长停滞状态。外源ABA处理4d后分蘖芽长度和鲜重缓慢增加,至6d时,其长度和鲜重显著高于同期GA3和IAA处理,但明显低于对照。说明外源IAA和GA3可抑制分蘖芽生长,而外源ABA显著降低分蘖芽的生长速率。2.3至处理6d不同分蘖芽生长过程中,分蘖节中内源ZT含量呈明显上升趋势。喷施IAA和GA3显著降低ZT含量。而ABA处理中,内源ZT含量于处理后缓慢上升,显著高于同期IAA和GA3处理,但明显低于对照(表2)。喷施IAA和GA3后0~4d,分蘖节中IAA含量明显升高,随后降低;至处理后6d,所有处理间无显著性差异;对照和ABA处理,分蘖节中IAA含量略有升高或降低,但无明显规律性(表2)。在处理后6d内,对照及IAA、ABA处理的分蘖节中GA3含量基本保持不变,且处理间无显著差异;喷施GA3处理后,分蘖节中GA3含量呈先升高后降低趋势,于处理后2d达到峰值,后迅速下降,处理4d后所有处理间其含量均无显著差异(表2)。处理后6d内,对照和IAA处理中ABA含量基本保持不变;而ABA和GA3处理中ABA含量均呈先升后降趋势,其峰值分别出现在处理后2d和4d。喷施ABA后分蘖节中ABA含量显著高于其他处理,两品种趋势一致;而喷施GA3后ABA含量在山农8355中随时间持续上升,但其水平未达到外源ABA处理的含量,在山农15中表现为处理后2d低于对照,之后升高,超过对照和IAA处理(表2)。2.3.2节内水外加剂对蝌蚪芽生长的影响对照和ABA处理中山农15分蘖节中IAA/ZT比基本保持不变,而山农8355则表现下降趋势,且处理间无显著差异。IAA和GA3处理中两品种分蘖节内IAA/ZT比变化基本一致,均为处理后呈先升后降趋势。其中,GA3处理的该比值在处理后2d达到峰值,而IAA处理的峰值出现在处理后4d,且均明显高于对照和ABA处理(表3)。分蘖芽生长过程中,ABA/ZT比呈下降趋势,而IAA处理中其比值基本保持不变,GA3和ABA处理中其比值则呈先升后降趋势。其中,外源ABA处理后,ABA/ZT比于处理后2d达到峰值,而GA3处理中其峰值出现在处理后4d(表3)。2.4芽生长与内源素含量之间的关系相关性分析显示,分蘖芽长度和鲜重与ZT呈显著正相关,与IAA、IAA/ZT比和ABA/ZT比呈显著负相关(表4)。3讨论3.1外源激素对蝌蚪生长的影响除遗传因素和营养物质代谢外,植物激素对作物分蘖发生有重要作用。通过外源激素处理,可调控分蘖的发生。控蘖剂(人工激素类)可抑制水稻分蘖发生,且调控的目标蘖位与施药时叶龄关系密切。本试验结果与之类似,由于喷施外源激素时期为小麦主茎五至六叶期,故对分蘖I、II、III、I-p无促控作用,而仅影响更高蘖位的分蘖发生。IAA通过顶端优势抑制分蘖发生,控制分蘖数目。外源GA3也可以抑制作物分蘖发生。提高内源ABA含量可导致分蘖衰亡,通过烯效唑干拌种可促进小麦分蘖的发生,喷施乙烯利能增加甘蔗分蘖。本研究显示,喷施IAA和GA3可完全抑制分蘖的发生,而喷施ABA则仅降低分蘖IV和II-1的发生率,抑制部分蘖位分蘖的发生。3.2外源aba对蝌蚪芽生长的影响小麦分蘖由分蘖芽发育而来,植物激素在其伸长生长过程中起着关键作用。IAA通过极性运输抑制侧芽生长,研究表明喷施NAA(人工生长素)可使水稻分蘖芽完全停止生长。本研究中,喷施IAA后完全抑制了小麦分蘖芽的生长;外源GA3亦可抑制分蘖芽的生长,这与Woodward和Marshall的报道一致。据报道,外源ABA能显著地抑制侧芽生长,小麦分蘖中ABA含量的增加会抑制其进一步发育而引起衰亡。本研究中有不同发现,外源ABA处理后,小麦分蘖芽生长并没有受到完全抑制,仅延缓了分蘖芽生长速率;这与外源ABA对水稻分蘖芽生长的影响一致。其原因可能与外施激素的部位和时期不同有关。由于分蘖的发生以其第一完全叶生出分蘖鞘为标志,外源ABA显著降低分蘖芽的生长速率,推迟其伸出分蘖鞘时间,从而表现为喷施ABA仅降低部分蘖位分蘖的发生率。从作用效果方面分析,外源IAA、GA3对分蘖芽的调控效应明显高于外源ABA。3.3外源激素对水稻蝌蚪芽生长的调控Michel等指出,外界环境主要通过改变内源激素含量引发生理上的效应进而影响分蘖生长。CTK和IAA在植物侧芽的生长过程中起重要作用,其中,CTK在茎部和根部合成,运输至叶腋处促进侧芽生长。较高的ZR(细胞分裂素类)可促进玉米分蘖芽萌发,有利于分蘖发生。外源6-BA(人工细胞分裂素)可提高分蘖节中细胞分裂素,促进水稻分蘖芽生长。外源细胞分裂素可促进小麦分蘖芽生长,较高的细胞分裂素含量有利于小麦分蘖发生。本试验中,在分蘖芽生长过程中,内源ZT呈上升趋势,而喷施IAA、GA3和ABA抑制分蘖生长同时,显著抑制内源ZT积累;相关分析显示,分蘖芽生长与内源ZT含量呈显著正相关,表明内源ZT含量提高有利于分蘖芽生长。与CTK作用相反,IAA对侧芽生长起负效应,其在植物形态学顶端合成,通过极性运输向下转运至基部抑制侧芽生长。降低IAA的含量可以打破侧芽休眠使其萌发。外源生长素可消除CTK对侧芽生长的促进作用。本研究中,外源IAA和GA3处理后提高了分蘖节中IAA含量,完全抑制分蘖芽生长;内源IAA含量与分蘖芽生长呈显著负相关,说明IAA与分蘖芽生长直接相关。但更多的研究表明,调控侧芽生长,虽依赖于IAA和ZT的绝对含量,但更取决于二者的相对含量。研究表明,较低IAA/ZR比可促进玉米分蘖,较高IAA/ZR比则抑制分蘖的发生,促进分蘖的衰亡。刘杨等也报道,提高IAA/Z+ZR比不利于水稻分蘖芽生长。小麦分蘖发生与IAA和Z+ZR含量相关,但二者间的比值与分蘖发生关系更为密切,当IAA/Z+ZR比低时,利于分蘖发生,反之则不利于分蘖发生。小麦分蘖能力与内源激素IAA和ZR含量有关,尤其与两者间比值及其变化趋势密切相关,在IAA/ZR+Z比下降过程中,小麦分蘖能力逐渐增加。本研究结果与此相一致,且外源IAA和GA3显著提高了内源IAA含量,抑制了内源ZT含量的提高,进而提高IAA/ZT比,通过提高IAA与ZT比值,而完全抑制分蘖芽生长。这可能是外源IAA和GA3调控分蘖芽生长的主要内因,同时,也印证了外源NAA和GA3对水稻分蘖芽调控的推测。除IAA及CTK类物质外,关于GA类激素与分蘖的关系也有许多报道,喷施GA3能显著抑制作物分蘖发生。张祖德推测外源GA3通过影响植株营养来抑制分蘖芽生长,但刘杨等认为分蘖芽的生长与植株中碳氮代谢没有必然的关系,其生长主要受激素代谢调控。本试验通过对内源GA3与分蘖芽长度、鲜重的相关分析,发现其与分蘖生长无显著相关性。Phillips认为GA类激素通过诱发IAA的合成或抑制IAA的分解而间接影响顶端优势。本研究中,外源GA3通过提高内源IAA含量,抑制内源ZT含量的提高,进而改变IAA/ZT比,使分蘖芽生长停滞。从而我们推测,外源GA3通过改变内源IAA与ZT含量的平衡进而影响分蘖发生、生长。此外,外源GA3除影响内源IAA和ZT含量外,还显著提高了内源ABA含量,这与外源GA3对水稻中内源ABA影响类似。之前研究认为,赤霉素和脱落酸在调节植物生长诸多方面存在相互关系,因此我们推测外源GA3调控分蘖芽生长极可能还与内源ABA有关。ABA与侧芽休眠关系密切,水稻再生芽中较高的ABA含量是抑制