3種赤霉素合成抑制劑對蓖麻株高和開花的影響

代夢媛，高 梅，郭麗芬，李文昌

（云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，云南昆明650205）

赤霉素（Gibberellin，GAs）是一種參與植物中多個(gè)發(fā)育過程的必要植物激素，包括種子萌發(fā)、莖伸長、葉擴(kuò)張、毛狀體發(fā)育、花粉成熟和開花的誘導(dǎo)[1]。自20世紀(jì)60年代“綠色革命”以來，發(fā)現(xiàn)的控制矮稈性狀的基因都與赤霉素的合成和作用有關(guān)[2]。赤霉素合成抑制劑是一類植物生長延緩劑，通過作用于GA生物合成，降低體內(nèi)GA積累，從而減輕GA的作用，依據(jù)作用位置和方式不同分為4個(gè)類群[3]，其中，縮節(jié)胺和矮壯素屬于嗡類化合物，主要作用于GA生物合成早期，抑制內(nèi)-貝殼杉烯合成相關(guān)酶活性[4-5]；多效唑?qū)儆诤s環(huán)化合物，通過抑制內(nèi)－貝殼杉烯氧化酶活性，進(jìn)而阻斷赤霉素的前體內(nèi)－貝殼杉烯氧化為內(nèi)－貝殼杉烯酸[6]。多效唑、縮節(jié)胺、矮壯素等被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作物和園藝植物中，對降低植株高度、促進(jìn)植株形態(tài)緊實(shí)、提高作物產(chǎn)量等具有重要作用[7-10]。

蓖麻（Ricinus communisL.）是大戟科1年生或多年生草本植物，世界十大不可食用油料作物之一，作為一種重要工業(yè)原料，種子油可生產(chǎn)尼龍，也可用作生物柴油[11-12]。蓖麻是分枝型作物，冠幅較寬，多數(shù)品種植株高大，種植密度小，其成為限制產(chǎn)量的因素之一[13]。矮化蓖麻品系或者抑制蓖麻生長過盛的栽培管理方式都是改善種植密度、提高產(chǎn)量的有效方法，同時(shí)矮化作物株高也是實(shí)現(xiàn)作物機(jī)械化收獲的前提條件[14-15]。

本研究使用3種赤霉素合成抑制劑對蓖麻進(jìn)行葉面噴施處理，旨在了解多效唑、矮壯素、縮節(jié)胺對蓖麻營養(yǎng)生長及生殖生長的影響，并找出抑制蓖麻生長的最佳藥劑及對應(yīng)濃度，為進(jìn)一步研究植物生長調(diào)節(jié)劑赤霉素及其合成抑制劑在調(diào)控蓖麻株高、性別分化中的作用機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

試驗(yàn)蓖麻材料選用云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育的植株高大的蓖麻品種滇蓖2號。供試藥劑多效唑 PP333（97%）、矮壯素 CCC（98%）、縮節(jié)胺DPF（98%）皆購于金壇茂盛精細(xì)化工公司，分析純甲醇購于利安隆博華（天津）醫(yī)藥化學(xué)有限公司（用于溶解多效唑）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)材料種植 試驗(yàn)地設(shè)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所富民縣基地，北緯25°11′46″，東經(jīng) 102°31′50″，海拔 1 734 m，試驗(yàn)土壤為沙壤土，肥力中等。2017年3月31日播種于育苗盤中（穴規(guī)格50 mm×50 mm×70 mm），每穴2粒種子，出苗后將長勢一致的蓖麻幼苗移栽到試驗(yàn)地中，行距1 m，株距1 m，7月1日定苗，每穴1株。

1.2.2 試驗(yàn)材料處理 蓖麻生長到7～8片真葉時(shí)進(jìn)行第1次葉面噴施藥劑處理，噴施劑量以葉滴藥為準(zhǔn)（每次噴施皆以此為準(zhǔn)），3種藥劑分別設(shè)定各處理濃度：多效唑PP333為100，300，500 mg/L；縮節(jié)胺DPF為 100，300，500mg/L；矮壯素CCC 為 500，1 000，2 000 mg/L，共9個(gè)處理，對照以清水噴施。噴施次數(shù)共4次：7月11日、7月19日、7月25日、8月3日，最后一次噴施為現(xiàn)蕾初期，每次噴施時(shí)間均在10：00—11：00（噴施前后 4 h 內(nèi)不能有降雨）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)5株蓖麻。

1.2.3 蓖麻性狀觀測 觀測統(tǒng)計(jì)樣本包括所有處理的蓖麻植株，即每種處理15株，分別于8月3日（現(xiàn)蕾初期，以對照組生育期為準(zhǔn)），9月1日（開花期），10月31日（主穗成熟期）測量蓖麻株高，成熟期同時(shí)觀測蓖麻主穗位高、主莖節(jié)數(shù)、主莖粗、有效分枝數(shù)以及主莖節(jié)長（主穗位高/主莖節(jié)數(shù)）。記錄每種處理及對照的現(xiàn)蕾期、開花期，時(shí)間以1/2植株現(xiàn)蕾、開花為準(zhǔn)。每個(gè)處理隨機(jī)選取3株主穗花序，分別統(tǒng)計(jì)雌花數(shù)和雄花數(shù)，取平均數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤霉素合成抑制劑對蓖麻營養(yǎng)生長的影響

2.1.1 赤霉素合成抑制劑對不同時(shí)期蓖麻生長的影響 如圖1所示，縮節(jié)胺處理劑量達(dá)300 mg/L以上時(shí)，蓖麻的株高開始極顯著降低，500 mg/L處理劑量的抑制作用可以維持到主穗成熟期；矮壯素對蓖麻株高沒有明顯抑制作用，而且主穗成熟期時(shí)3個(gè)處理劑量的蓖麻植株都高于對照組；多效唑?qū)χ旮叩陌饔孟鄬τ谄渌?種藥劑更加明顯，而且當(dāng)劑量高于300 mg/L時(shí)，蓖麻矮化性狀維持時(shí)間較長，尤其500 mg/L劑量幾乎是不可逆的矮化處理，低濃度多效唑（100 mg/L）處理的矮化性狀到生長進(jìn)行到開花期以后逐漸恢復(fù)正常株高。

多效唑?qū)档捅吐橹旮呔哂酗@著的作用，處理后的植株性狀相比于對照植株存在除株高外更明顯的差異。圖2所示為蓖麻現(xiàn)蕾初期，多效唑處理后蓖麻植株短矮緊實(shí)，頂端節(jié)間縮短，蓖麻葉片顏色加深呈深綠色，分枝生長滯后。以上明顯的表型變化在矮壯素處理的蓖麻植株中沒有發(fā)現(xiàn)，在縮節(jié)胺500 mg/L處理的蓖麻植株中發(fā)現(xiàn)2株，而其在開花期到成熟期時(shí)表型又恢復(fù)正常。

2.1.2 赤霉素合成抑制劑對蓖麻營養(yǎng)生長其他特征的影響 滇蓖2號在云南省種植表現(xiàn)出良好的宿生特性，主穗完熟期到第2年春季，由于氣溫偏低，植株生長緩慢，所以，主穗完熟期測量的營養(yǎng)生長相關(guān)性狀可以準(zhǔn)確反映第1年的生物量積累情況。

由表1可知，與對照組相比，縮節(jié)胺（劑量≥300 mg/L）、矮壯素、多效唑處理后蓖麻植株的主穗位高均顯著降低，主莖節(jié)長也有明顯的縮短，特別是多效唑300 mg/L和多效唑500 mg/L處理的主穗位高和主莖節(jié)長分別是65.33，2.94 cm和53.36，2.43 cm，還不到對照組（142.7，6.04 cm）的 1/2；縮節(jié)胺和矮壯素對蓖麻分枝數(shù)和主莖粗的影響不明顯，而多效唑500 mg/L處理導(dǎo)致蓖麻分枝數(shù)極顯著減少，同時(shí)主莖粗也顯著降低。

表1 縮節(jié)胺、矮壯素、多效唑不同濃度處理對蓖麻株高相關(guān)農(nóng)藝性狀的影響

2.2 赤霉素合成抑制劑對蓖麻開花的影響

從表2可以看出，縮節(jié)胺、矮壯素、多效唑處理后蓖麻的現(xiàn)蕾期和開花期相對于對照組推遲了1～7 d，其中，多效唑處理推遲時(shí)間最長，達(dá)7 d。正常情況下（對照組）滇蓖2號主穗的雌花數(shù)和雄花數(shù)分別為307，38，多效唑處理以后主穗雌花數(shù)和雄花數(shù)分別為 41，154（100 mg/L），17，139（300 mg/L），23，164（500 mg/L），且不同劑量間無顯著差異。本研究首次發(fā)現(xiàn)，多效唑處理蓖麻可以大幅度增加主穗花序中雄花的數(shù)量，而縮節(jié)胺和矮壯素處理后的主穗雌雄花比例與對照組間無明顯差異（圖3），后期觀察多效唑處理后的分枝花序（圖4）雌雄花比例恢復(fù)正常。以上研究表明，赤霉素合成抑制劑處理蓖麻可推遲營養(yǎng)生長向生殖生長的過渡，且多效唑有誘導(dǎo)雄花發(fā)生的作用，一旦多效唑作用消失，誘導(dǎo)作用也終止。

表2 縮節(jié)胺、矮壯素、多效唑不同濃度處理對蓖麻開花的影響

3 討論與結(jié)論

本研究就3種赤霉素合成抑制劑通過葉面噴施處理滇蓖2號植株，結(jié)果顯示，多效唑?qū)Ρ吐橹旮叩陌饔米铒@著，且高濃度處理具有不可逆的矮化性質(zhì)。矮壯素和低濃度縮節(jié)胺處理后主穗成熟期株高高于對照，2014年CAMPBELL等[16]研究發(fā)現(xiàn)，縮節(jié)胺不能降低蓖麻株高，指出GA抑制劑在以往的研究對作物株高影響都有不同的結(jié)果。同年，OSWALT等[17]偶然發(fā)現(xiàn)，縮節(jié)胺對蓖麻株高也有抑制作用，認(rèn)為大田種植環(huán)境條件不可控制，在某種特殊條件下反應(yīng)才能發(fā)生，推測抑制作用不響應(yīng)包括蓖麻葉片角質(zhì)層過厚影響對抑制劑的吸收、抑制劑在吸收前被雨水沖走或曬干、抑制劑作用時(shí)間短且作用之后環(huán)境一旦適宜生長又會獲得補(bǔ)償。2011年，RIGON等[18]研究發(fā)現(xiàn)，縮節(jié)胺播前浸種可以降低蓖麻株高，且不影響種子萌發(fā)、種苗活力和根的生長。王宏偉等[19]用50%矮壯素水劑在蓖麻5～7片真葉期噴施，發(fā)現(xiàn)2 000倍溶液可明顯降低主穗位高。劉臣等[20]研究指出，主穗位高和主莖節(jié)長可以作為蓖麻株高早期選擇和預(yù)測的間接指標(biāo)。矮壯素和縮節(jié)胺處理蓖麻植株的主穗位高和主莖節(jié)長都較對照縮短，可以推斷二者都可以抑制早期蓖麻的生長，而短暫的抑制作用在某個(gè)環(huán)境適宜的生長點(diǎn)獲得補(bǔ)償恢復(fù)正常，進(jìn)而加速生長。研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度的縮節(jié)胺對蓖麻株高的抑制作用顯著，并在處理早期表現(xiàn)出矮小緊實(shí)的植株形態(tài)，毋庸置疑縮節(jié)胺限制蓖麻株高生長的作用。本研究使用的矮壯素處理劑量最高是2 000 mg/L，與低濃度500 mg/L作用效果相比幾乎無差異，推測由于設(shè)定的處理濃度過高而產(chǎn)生反作用。何志彪[21]研究也發(fā)現(xiàn)，2 000 mg/L矮壯素噴施蓖麻可以促進(jìn)蓖麻冠幅生長并提高產(chǎn)量。因此，降低矮壯素濃度處理蓖麻植株對株高影響還有待進(jìn)一步研究。

植物激素在性別決定中具有重要作用，例如黃瓜中乙烯和生長素都具有促進(jìn)雌花發(fā)育的作用[22-23]，而蓖麻中乙烯及其類似物作用于雌雄同株蓖麻可誘導(dǎo)雄花數(shù)量增加[24]。玉米內(nèi)源GA在性別決定中有雌性化作用，而黃瓜中GA作用是促進(jìn)雄花發(fā)生，GA在不同植物中存在相反的性別決定作用[25]。SHIFRISS[26]用GA噴施蓖麻雌雄同株近交系發(fā)現(xiàn)，GA可以顯著增加雌花比例。譚美蓮等[27]研究發(fā)現(xiàn)，100 mg/L GA3處理蓖麻導(dǎo)致雌花率增加，250 mg/L的GA3處理蓖麻雌花率降低。TAN等[28]比較雌雄同株和全雌蓖麻花芽到花序時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組發(fā)現(xiàn)，7個(gè)激素作用相關(guān)基因顯著差異表達(dá)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，3～4片真葉期葉芽的GA4水平全雌顯著低于雌雄同株，5～7片真葉期全雌中GA4水平顯著高于雌雄同株，推測GA與蓖麻性別表達(dá)相關(guān)，其中，高GA水平促進(jìn)雌花發(fā)育，低GA水平促進(jìn)雄花發(fā)育。本研究中，GA合成抑制劑作用時(shí)間在蓖麻7～8片真葉期，多效唑顯著抑制GA合成，降低內(nèi)源GA水平，促進(jìn)雄花發(fā)育。水稻基因芯片研究發(fā)現(xiàn)，大量GA調(diào)控相關(guān)基因涉及到花藥發(fā)育[29]，在擬南芥和番茄中發(fā)現(xiàn)，GA是雄蕊和花托發(fā)育必需的激素[30]。本研究首次發(fā)現(xiàn)，主穗現(xiàn)蕾前用多效唑噴施雌雄同株（多雌）蓖麻植株可導(dǎo)致主穗花序雄花數(shù)量增加，多效唑作為一種赤霉素合成抑制劑可能決定蓖麻性別。丁酰肼也是一種赤霉素合成抑制劑，其作用于蓖麻卻導(dǎo)致雌花比例增加[31]，而縮節(jié)胺和矮壯素對蓖麻雌雄花分化沒有影響，以上3種化合物及多效唑都作用于GA合成的不同步驟中，推測在蓖麻營養(yǎng)生長中抑制赤霉素合成的關(guān)鍵步驟可能是多效唑抑制依賴于細(xì)胞色素P450的單加氧酶-貝殼杉烯氧化酶活性，阻止內(nèi)-貝殼杉烯到內(nèi)-貝殼杉酸的氧化，也可能是間接影響到ABA、細(xì)胞分裂素、乙烯、甾醇、多胺等的代謝作用[3]。宋娟等[32]研究發(fā)現(xiàn)，土施多效唑可增加同為大戟科的小桐子單個(gè)花序的總花數(shù)和雌花比例。多效唑誘導(dǎo)蓖麻雄花的作用是否存在品種差異還有待進(jìn)一步研究。

多效唑能顯著降低蓖麻株高，同時(shí)也抑制分枝發(fā)育、減少雌花數(shù)量，矮稈固然是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要農(nóng)藝性狀，而分枝數(shù)和雌雄花比例也是蓖麻高產(chǎn)良種選育的重要指標(biāo)，所以，用化控方法降低蓖麻株高還有待進(jìn)一步優(yōu)化，而蓖麻矮化豐產(chǎn)栽培的根本還是選育矮稈品種。噴施多效唑能有效提高蓖麻雄花數(shù)量，種植管理中通過部分植株噴施多效唑，可以解決全雌或多雌蓖麻品種傳粉期同品種花粉來源的問題，對純化蓖麻育種具有重要意義。本研究結(jié)果為蓖麻矮稈性狀及赤霉素抑制劑調(diào)控性別分化的研究奠定了基礎(chǔ)。