赤霉素抑制劑對馬鈴薯離體塊莖形成和發(fā)育的影響

梁力力,程鑫,崔丹丹,楊巧玲,張俊蓮，王玉萍,

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

赤霉素(GA)是高等植物中普遍存在的一類生長調(diào)節(jié)劑，比如，誘導(dǎo)細(xì)胞伸長、種子萌發(fā)、促進(jìn)莖的伸長和葉片擴(kuò)大、花粉成熟和果實(shí)生長、以及開花等[1-4].在植物體內(nèi)GA的生物合成途徑較為復(fù)雜，且種類較多，第1階段是從異戊烯焦磷酸到貝殼杉烯，在質(zhì)體中進(jìn)行[7]；第2階段是從貝殼杉烯到GA12醛，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)行[1]；第3階段是由GA12醛轉(zhuǎn)化成其它GA的階段，在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行.研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)GA只有少數(shù)具有生物活性[5-6]

研究發(fā)現(xiàn)，GA3含量的變化顯著影響馬鈴薯匍匐莖伸長和膨大，，高水平GA3促進(jìn)細(xì)胞的縱向伸長，只有低濃度GA3才能促進(jìn)塊莖膨大[9].很多研究表明，GA抑制劑主要分為3類，第1類是鎓類化合物，主要有矮壯素(CCC)、縮節(jié)安、氯化磷等；第2類是含氮雜環(huán)化合物，主要有多效唑(MET)、烯效唑等；第3類是酰基環(huán)己二酮類生長延緩劑，主要有調(diào)環(huán)酸鈣(Pc)、抗倒酯、丁酰肼等[15].MET通過抑制貝殼杉烯到貝殼杉烯醇的氧化方式來減少GA的生物合成，外源施加MET能促進(jìn)了馬鈴薯試管苗提早結(jié)薯，使平均直徑和單薯鮮質(zhì)量都顯著增加，同時(shí)降低了畸形薯的概率[16]；CCC通過抑制貝殼杉烯酶和焦磷酸合酶的活性來抑制GA合成的，CCC有促進(jìn)馬鈴薯塊莖提前形成的作用，外源施加CCC后，促進(jìn)了馬鈴薯塊莖增大，個(gè)數(shù)增加，提高產(chǎn)量等[17]；Pc通過抑制α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶的活性，抑制GA的生物合成，目前沒有Pc對馬鈴薯塊莖的作用的報(bào)道[18].

目前國內(nèi)外關(guān)于GA及其抑制劑的的研究主要采用的是室外澆灌或者田間噴灑，作物集中在棉花、大豆、花生等植物，一般是單獨(dú)施加GA或者只施加其中一類抑制劑，而對于馬鈴薯離體塊莖的研究甚少.前人研究表明，單獨(dú)施加多效唑或矮壯素時(shí)，促進(jìn)了塊莖單薯鮮質(zhì)量的增加，有研究表明多效唑使用濃度僅為矮壯素的1/5 000，就能使塊莖單薯鮮質(zhì)量增加，而對于調(diào)環(huán)酸鈣在馬鈴薯塊莖上的施用效果和生理特性的研究很少.本試驗(yàn)的創(chuàng)新之處在于對馬鈴薯匍匐莖同時(shí)施加GA3和3類抑制劑，分析3類抑制劑作用下的GA3對馬鈴薯離體塊莖的影響和3類抑制劑對GA3的抑制效果.本研究主要通過探討不同濃度的GA3和抑制劑共同作用對馬鈴薯試管薯離體誘導(dǎo)效果，通過外源生物合成抑制劑的使用，可以深入分析GA3對馬鈴薯塊莖形成和發(fā)育造成的影響，進(jìn)而為闡明GA3在馬鈴薯塊莖發(fā)育過程中的作用機(jī)理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)品種“大西洋”試管苗(由甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供)為供試材料.將試管苗接種到MS液體培養(yǎng)基中.培養(yǎng)溫度(22±1)℃，光照時(shí)間16 h/d，光照強(qiáng)度2 000 lx，30 d后轉(zhuǎn)入誘導(dǎo)培養(yǎng)基中，黑暗誘導(dǎo)產(chǎn)生匍匐莖.將匍匐莖接入含有不同濃度GA3與MET、CCC和Pc的1/10 MS液體培養(yǎng)基中，對照不加GA3和抑制劑，每個(gè)處理5次重復(fù).培養(yǎng)40 d后，采集誘導(dǎo)形成的馬鈴薯塊莖，液氮速凍，-80 ℃保存.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 培養(yǎng)基濃度設(shè)置 試驗(yàn)中GA3與MET、CCC與Pc的濃度設(shè)置見表1.

1.2.2 形態(tài)觀察 在塊莖生長發(fā)育期間，記錄不同濃度的GA3與MET、CCC和Pc的處理下塊莖開始形成的時(shí)間.

1.2.3 塊莖直徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和結(jié)薯率測定培養(yǎng)40 d后，測量不同濃度的GA3與MET、CCC和Pc處理下塊莖的直徑、結(jié)薯率和鮮質(zhì)量、干質(zhì)量.

1.3 數(shù)據(jù)處理

2 結(jié)果與分析

2.1 多效唑作用下赤霉素對試管薯形成的影響

結(jié)果顯示，當(dāng)GA3濃度為0 μmol/L和0.1 μmol/L時(shí)，單薯鮮質(zhì)量、塊莖平均直徑和結(jié)薯率近似于正態(tài)分布，均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化.MET調(diào)控的0 μmol/L的GA3在10 mg/L時(shí)達(dá)到最大值128.6 mg、4.5 mm和97.5 %，當(dāng)濃度介于0.1～10 mg/L時(shí)，MET調(diào)控下的GA3促進(jìn)塊莖的發(fā)育，當(dāng)濃度介于10～100 mg/L時(shí)對塊莖發(fā)育起抑制作用，而MET濃度超過100 mg/L時(shí)，已經(jīng)完全抑制了塊莖的形成，塊莖發(fā)育起始時(shí)間則與之相反，在10 mg/L時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)，在濃度為0.1～10 mg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間逐漸降低，超過10 mg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間逐漸升高；MET調(diào)控的0.01 μmol/L的GA3在40 mg/L時(shí)達(dá)到最大值98.9 mg、4.1 mm和91.7 %，當(dāng)濃度介于5～40 mg/L時(shí)，MET調(diào)控下的GA3促進(jìn)塊莖的發(fā)育，當(dāng)濃度介于40～100 mg/L時(shí)，對塊莖發(fā)育起抑制作用，而MET濃度超過100 mg/L時(shí)，塊莖完全不結(jié)薯.塊莖發(fā)育起始時(shí)間在40 mg/L時(shí)有一個(gè)最低點(diǎn)，在濃度為5～40 mg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間降低，在MET濃度介于40～100 mg/L時(shí)，起始時(shí)間稍有上升的趨勢(圖1)，圖2為GA和MET共同處理下

最佳濃度下馬鈴薯塊莖的表型特征.

2.2 CCC作用下的GA3對離體塊莖發(fā)育的影響

CCC作用下的GA3誘導(dǎo)出塊莖的單薯鮮質(zhì)量、塊莖平均直徑和結(jié)薯率與MET相同，近似于正態(tài)分布.0 μmol/L的GA3在CCC濃度為60 mg/L時(shí)達(dá)到最大值40.8 mg、3.47 mm和94.9%，當(dāng)濃度為0.1～60 mg/L時(shí)，CCC調(diào)控下的GA3促進(jìn)塊莖的發(fā)育，當(dāng)濃度介于60～150 mg/L時(shí)對塊莖發(fā)育起抑制作用，而CCC濃度超過150 mg/L時(shí)，已經(jīng)完全抑制了塊莖的形成，塊莖發(fā)育起始時(shí)間則與之相反，在60 mg/L時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)，在濃度為0.1 ～60 mg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間逐漸降低，超過60 mg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間逐漸升高；CCC調(diào)控的0.01 μmol/L的GA3在10 mg/L時(shí)達(dá)到最大值72.5 mg、3.9 mm、87 %，當(dāng)濃度介于0.1 ～10 mg/L時(shí)，CCC調(diào)控下的GA3促進(jìn)塊莖的發(fā)育，當(dāng)濃度介于10～100 mg/L時(shí)，對塊莖發(fā)育起抑制作用，而CCC濃度超過100 mg/L時(shí)，塊莖完全不結(jié)薯.塊莖發(fā)育起始時(shí)間在10 mg/L時(shí)有一個(gè)最低點(diǎn)，在濃度為0.1～10 mg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間降低，在CCC濃度介于10 ～100 mg/L時(shí)，起始時(shí)間稍有上升的趨勢(圖3)，圖4為GA和CCC共同處理下最佳濃度下馬鈴薯塊莖的表型特征.

2.3 Pc作用下的GA3對離體塊莖發(fā)育的影響

Pc作用下的GA3誘導(dǎo)出塊莖的單薯鮮質(zhì)量、塊莖平均直徑和結(jié)薯率與MET、CCC相似，趨于正態(tài)分布.0 μmol/L的GA3在Pc濃度為5 μg/L時(shí)達(dá)到最大值175.6 mg、5.5 mm、98.9 %，當(dāng)濃度為0.1～5 μg/L時(shí)，Pc作用下的GA3促進(jìn)塊莖的發(fā)育，當(dāng)濃度介于5～50 μg/L時(shí)對塊莖發(fā)育起抑制作用，而Pc濃度超過50 μg/L時(shí)，已經(jīng)完全抑制了塊莖的形成，塊莖發(fā)育起始時(shí)間則與之相反，在5 μg/L時(shí)到達(dá)最低點(diǎn)，在濃度為0.1～5 μg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間逐漸降低，超過5 μg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間逐漸升高；Pc調(diào)控的0.01 μmol/L的GA3在5 μg/L時(shí)達(dá)到最大值105.2 mg、4.3 mm、89.8 %，當(dāng)濃度介于0.5～5 μg/L時(shí)，Pc調(diào)控下的GA3促進(jìn)塊莖的發(fā)育，當(dāng)濃度介于5 μg/L～40 μg/L時(shí)，對塊莖發(fā)育起抑制作用，而Pc濃度超過40 μg/L時(shí)，塊莖完全不結(jié)薯.塊莖發(fā)育起始時(shí)間在5 μg/L時(shí)有一個(gè)最低點(diǎn)，在濃度為0.5～5 μg/L時(shí)，發(fā)育起始時(shí)間降低，在Pc濃度介于5～40 μg/L 時(shí)，起始時(shí)間稍有上升的趨勢(圖5).圖6為GA和Pc共同處理下最佳濃度下馬鈴薯塊莖的表型特征.

表1 赤霉素和不同抑制劑的濃度

同色柱不同字母表示同一濃度間不同處理差異顯著(P<0.05)，GA表示赤霉素，P表示多效唑.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration (P<0.05).GA indicates gibberellin,P indicates paclobutrarol.圖1 外源赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)以及不同濃度的多效唑處理下離體塊莖下的單薯鮮質(zhì)量(A)、單薯干質(zhì)量(B)、塊莖直徑(C)、結(jié)薯率(D)和發(fā)育起始時(shí)間(E)Figure 1 The fresh weight per microtuber (A),dry weight per microtuber (B),mean diameter (C)、percentage of tuberization (D) and tuberization beginning time (E) of tubersin vitrounder exogenous GA3(0 μmol/L、 0.01 μmol/L) and different MET concentration treatments

圖2 赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)和多效唑共同處理下馬鈴薯離體塊莖的形態(tài)特征Figure 2 The phenotypic characteristic of potato tuberin vitrounder GA3(0 μmol/L、0.01 μmol/L) and MET

同色柱不同字母表示同一濃度間不同處理差異顯著(P<0.05)，GA表示赤霉素，C表示矮壯素.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration (P<0.05).GA indicates gibberellin,C indicates chlormequat chloride.圖3 外源赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)以及不同濃度的矮壯素處理下離體塊莖的單薯鮮質(zhì)量(A)、單薯干質(zhì)量(B)、塊莖直徑(C)、結(jié)薯率(D)和發(fā)育起始時(shí)間(E)Figure 3 The fresh weight per microtuber (A)、dry weight per microtuber (B)、mean diameter (C)、percentage of tuberization (D) and tuberization beginning time (E) of tubersin vitrounder exogenous GA3(0 μmol/L、 0.01 μmol/L) and different CCC concentration treatments

圖4 赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)和矮壯素共同處理下馬鈴薯離體塊莖的形態(tài)特征Figure 4 The phenotypic characteristic of potato tuberin vitrounder GA3(0 μmol/L、0.01 μmol/L) and CCC

同色柱不同字母表示同一濃度間不同處理差異顯著(P<0.05)，GA表示赤霉素，Pc表示調(diào)環(huán)酸鈣.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration (P<0.05).GA indicates gibberellin,Pc indicates prohexadione calcium.圖5 外源赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)以及不同濃度的調(diào)環(huán)酸鈣處理下離體塊莖的單薯鮮質(zhì)量(A)、單薯干質(zhì)量(B)、塊莖直徑(C)、結(jié)薯率(D)和發(fā)育起始時(shí)間(E)Figure 5 The fresh weight per microtuber (A)、dry weight per microtuber (B)、mean diameter (C)、percentage of tuberization (D) and tuberization beginning time (E) of tubersin vitrounder exogenous GA3(0 μmol/L、 0.01 μmol/L) and different Pc concentration treatments

同色柱不同字母表示同一濃度間不同處理差異顯著(P<0.05)，GA表示赤霉素，Pc表示調(diào)環(huán)酸鈣.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration(P<0.05).GA indicates gibberellin,Pc indicates prohexadione calcium.圖6 赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)和調(diào)環(huán)酸鈣共同處理下馬鈴薯離體塊莖的形態(tài)特征Figure 6 The phenotypic characteristic of potato tuberin vitrounder GA3(0 μmol/L、0.01 μmol/L) and Pc

3 討論

MET、CCC和Pc作為GA的抑制劑，分別抑制GA合成的不同階段.GA對3類抑制劑具有一定的拮抗作用，3類抑制劑在減弱GA對馬鈴薯塊莖的抑制效應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的效果不同.離體培養(yǎng)條件下，外源施加GA后，促進(jìn)了匍匐莖的形成和伸長，但延遲或抑制了塊莖的形成.有研究表明，低濃度的GA促進(jìn)花粉萌發(fā)，高濃度的GA則對花粉萌發(fā)起抑制作用[21].

MET主要通過阻止貝殼杉烯氧化為內(nèi)根-異貝殼杉烯酸，從而抑制GA的生物合成[14].前人研究表明，離體培養(yǎng)條件下，單獨(dú)外源施加GA后，促進(jìn)了匍匐莖的形成和伸長，但卻延遲或抑制了塊莖的形成[11-14].本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，赤霉素在多效唑的調(diào)控下，隨著多效唑濃度的升高，塊莖鮮質(zhì)量、直徑和結(jié)薯率等逐漸升高，說明多效唑能減緩GA對塊莖的發(fā)育影響，但隨著赤霉素濃度的升高，這種影響逐漸減弱，甚至消失，GA作為植物必不可少的激素，對植物的生長發(fā)育是非常重要的，多效唑?qū)A的抑制作用促進(jìn)了塊莖的發(fā)育，當(dāng)多效唑濃度超過一定范圍時(shí)，對GA的抑制作用超過了植物正常發(fā)育所需要的GA，GA含量過低導(dǎo)致植物不能正常發(fā)育.

CCC通過阻斷焦磷酸合酶和貝杉烯合酶參與GA代謝的早期步驟，從而阻止GA的生物合成[14].前人研究表明，MET使用濃度僅為CCC的1/5 000，就能使塊莖單薯鮮重量增加[16].本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CCC作用下的GA對馬鈴薯塊莖發(fā)育的影響較多效唑弱，矮壯素較多效唑一邊降低游離態(tài)GA的合成，一邊加速結(jié)合態(tài)GA的合成，故同濃度的多效唑比矮壯素更能促進(jìn)塊莖的發(fā)育.

Pc在馬鈴薯塊莖上的施用效果和生理特性的研究很少，MET和Pc可提高植物POD的活性，且Pc的作用更明顯[19-20].本試驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，較于MET和CCC，微量的Pc作用下的GA對馬鈴薯發(fā)育的影響更大.

4 結(jié)論

綜上所述，外源施加GA和MET、CCC和Pc 3類抑制劑時(shí)，塊莖的形成和發(fā)育明顯受到影響；MET、CCC和Pc的濃度超過一定濃度后，匍匐莖死亡，說明GA含量過低，以至于不能滿足匍匐莖生長條件，故而表明GA在植物生長過程中占據(jù)重要作用，低于一定濃度時(shí)，對馬鈴薯的正常發(fā)育起阻礙作用，高濃度的多效唑、矮壯素和調(diào)環(huán)酸鈣可能不利于塊莖的發(fā)育；三類抑制劑對赤霉素抑制的最佳濃度不同，當(dāng)GA濃度分別為0 μM和0.01 μmol/L時(shí)，MET對GA抑制的最佳濃度是10 mg/L和40 mg/L，CCC對GA抑制的最佳濃度是60 mg/L和10 mg/L，Pc對GA抑制的最佳濃度均是5 μg/L；5 μg/L的Pc可能誘導(dǎo)出最大的單薯鮮干質(zhì)量和塊莖直徑，說明調(diào)環(huán)酸鈣對GA的抑制效果可能更好.