GA3和Spd對(duì)杜鵑開(kāi)花期光合特性和抗氧化系統(tǒng)的影響

徐倩,李華雄,黃文沛,鮮小林,李青,趙胤,陳睿,潘遠(yuǎn)智*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，成都 611130；2.四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000；3.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，成都 610066；4.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院，拉薩 850000)

杜鵑花(Rhododendronsp.)是杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑花屬多年生木本花卉，是我國(guó)十大名花之一,其種類(lèi)繁多，花色艷麗，具有較高的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前在園林中應(yīng)用廣泛[1]。隨著城市化水平的提高，花卉產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑因其具有微量、高效的特點(diǎn)在促進(jìn)植物開(kāi)花和提高花卉品質(zhì)方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中，赤霉素(GA3)和亞精胺(Spd)是兩種不同性質(zhì)的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,對(duì)植物開(kāi)花有不同的作用機(jī)理。GA3可以促進(jìn)植物在非誘導(dǎo)條件下開(kāi)花，完全代替或部分代替低溫解除休眠或輔助解除休眠。作為花期調(diào)控的重要手段，陳娟等[2]的研究表明，1 000～1 500 mg L-1GA3噴施錦繡杜鵑(R.pulchrum)花蕾可提前開(kāi)花。錦繡杜鵑花蕾經(jīng)0～3 000 mg L-1GA3涂抹后,花蕾發(fā)育快、開(kāi)花期提前，開(kāi)花質(zhì)量高[3]。多胺可直接或間接地與多種激素途徑相互作用，參與植物發(fā)育[4]。在含0.3 mmol L-1Spd的培養(yǎng)基中培養(yǎng)擬南芥(Arabidopsis thaliana)種子可使開(kāi)花延遲[5]。精氨酸脫羧酶的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致葉片中腐胺積累，矮化植株并且延遲開(kāi)花[6]。目前，在植物花期調(diào)控中，有關(guān)植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)光合作用和抗氧化作用影響的報(bào)道較少。因此，本試驗(yàn)以夏鵑(R.simsii)為材料，研究在GA3和Spd不同濃度處理下的開(kāi)花進(jìn)程、開(kāi)花品質(zhì)、光合生理和抗氧化酶的變化，探討外源激素對(duì)夏鵑花期的調(diào)節(jié)機(jī)制，為其商品化、規(guī)模化生產(chǎn)提供科學(xué)的栽培養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為夏鵑‘紫辰殿’品種(Rhododendron simsii‘Zichendian’)，由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所提供，為同一批次扦插的3年生扦插苗。2016年10月中旬選擇生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)基本一致的植株，平均株高32.7 cm，平均冠幅26.7 cm，從塑料營(yíng)養(yǎng)袋中取出，剪除老葉，用清水洗凈根系，剪去爛根,定植于上口徑26 cm，下口徑20 cm，高度26 cm的塑料營(yíng)養(yǎng)袋中，基質(zhì)為泥炭土，pH 4.85，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為212.46、97.35和92.64 mg kg-1,有機(jī)質(zhì)含量為11.2 g kg-1，土壤可溶性鹽濃度(EC值)為0.82，每盆定植1株，移入四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)試驗(yàn)基地大棚中。溫室白天和夜晚的溫度分別為(25±3)℃和(9±2)℃，平均相對(duì)濕度為79.4%。每3 d的早上9：00澆靜置隔夜自來(lái)水1次，每次500 mL,待植株恢復(fù)生長(zhǎng)后進(jìn)行處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

待植株緩苗后進(jìn)行處理，共設(shè)置6個(gè)處理。2016年12月25日起，分別用800、1 600、2 400 mg L-1的 GA3(分別標(biāo)記為 T1、T2和 T3)和 0.01、0.10、1.00 mmol L-1Spd(分別標(biāo)記為T(mén)4、T5和T6)對(duì)處于花芽分化結(jié)束開(kāi)始現(xiàn)蕾的植株進(jìn)行整株噴灑，以葉片滴液為度，每7 d噴1次，連續(xù)噴施3次，以不噴為對(duì)照(CK)。每處理4盆，試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 方法

觀察并記錄植株在不同處理后的開(kāi)花進(jìn)程。參考岳靜等[7]的花期劃分：露色期30%花蕾露色，大部分處于閉合狀態(tài)；初花期花少量開(kāi)放，大部分仍處于半閉合狀態(tài)，花梗挺立；盛花期50%以上的花開(kāi)放，花色深；末花期花被與花梗容易分離，花色暗淡，萎蔫焦枯，開(kāi)始落花。開(kāi)花持續(xù)天數(shù)為從初花期開(kāi)始到末花期開(kāi)始的天數(shù)。于露色期、初花期、盛花期和末花期摘取花瓣(整片花瓣去基部)和功能葉置于冰盒中[7]，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)液氮冷凍后放入-80℃冰箱保存。設(shè)3次重復(fù)。

花徑花蕾盛開(kāi)時(shí)最大的花朵直徑。

成花率開(kāi)花總數(shù)和花蕾總數(shù)的比值。

光合參數(shù)測(cè)定各花期選擇晴朗無(wú)云的天氣，采用Li-6400便攜式光合儀(Li-COR，USA),測(cè)定時(shí)每處理隨機(jī)選取6盆，每盆取1株，共6株植株，選取從新梢頂往下4～6片葉(主要功能葉的代表)測(cè)定植物功能葉片的凈光合速率(photosynthetic rate,Pn)、胞間二氧化碳濃度(intercellular CO2concentration,Ci,μmol CO2mol-1)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr,mmol H2O m-2s-1)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs,mol H2O m-2s-1)。測(cè)定時(shí)光照強(qiáng)度為(1000±10)μmol m-2s-1，CO2濃度為(400±10)μmol mol-1。

光合色素測(cè)定參考施海濤[8]的方法。

抗氧化酶測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定參照Giannopolitis等[9]的方法，過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定參照張志良等[10]的方法，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性參照李和生[11]的方法。丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法[12]測(cè)定，設(shè)3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件中的一般線性模型對(duì)光合色素含量、光合參數(shù)、抗氧化酶活性進(jìn)行方差分析(ANOVA)，采用One-Way ANOVA對(duì)處理間進(jìn)行方差分析，并利用LSD法在α=0.05水平進(jìn)行多重比較。采用Excel 2007軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 GA3和Spd處理對(duì)開(kāi)花的影響

由表1可見(jiàn)，外源GA3處理使杜鵑始花期提前,而Spd處理則延后了始花期。1 600 mg L-1GA3處理(T2)的始花期比對(duì)照提前了6 d，且開(kāi)花期最長(zhǎng)，比對(duì)照多7 d；0.10 mmol L-1Spd處理(T5)的始花期延后了8 d，隨著Spd濃度增大，杜鵑開(kāi)花持續(xù)時(shí)間先延長(zhǎng)后縮短，分別比對(duì)照多5、11和7 d。與對(duì)照相比，各處理均不同程度地增大了花徑，除T5處理的花徑顯著大于GA3和對(duì)照外(P＜0.05)，其余處理間的差異不顯著。隨著GA3和Spd濃度的增大，成花率呈先上升后下降趨勢(shì)，以T2、T3處理的成花率最高。

2.2 GA3和Spd處理對(duì)開(kāi)花期光合特性的影響

光合色素含量由表2可知，杜鵑葉片光合色素含量具有明顯的花期變化。自然狀態(tài)(對(duì)照)下,葉綠素a(Chl a)、類(lèi)胡蘿卜素(carotenoid,Car)和總?cè)~綠素(Chl a+b)含量隨花期逐漸下降，而葉綠素b(Chl b)含量在初花期達(dá)到峰值后逐漸下降。方差分析表明，不同處理杜鵑葉片光合色素含量在不同花期具有極顯著差異(P＜0.01)。GA3和Spd處理顯著增加了杜鵑葉片Chl a、Chl b、Car和Chl a+b含量,均顯著高于對(duì)照，且以T5處理的促進(jìn)作用最強(qiáng)，分別比對(duì)照增加了61.82%、17.24%、44.44%和52.45%。

表1 GA3和Spd處理對(duì)夏鵑開(kāi)花的影響Table1 Effects of GA3and Spd on flowering of Rhododendron indicum

表2 GA3和Spd處理下夏鵑開(kāi)花期葉片光合色素含量的方差分析Table2 Variance analysis of photosynthetic pigment contents in leaves of Rhododendron indicum treated with GA3and Spd

氣體交換參數(shù)由表3可見(jiàn)，杜鵑葉片的氣體交換參數(shù)具有明顯的花期變化。自然狀態(tài)(CK)下，杜鵑葉片的Pn隨花期先降低后升高，在盛花期達(dá)最低值，Gs隨花期逐漸降低，Ci和Tr逐漸升高。方差分析表明，GA3和Spd處理顯著提高了杜鵑花期的Pn、Gs和Ci，GA3處理顯著增強(qiáng)了Tr,而Spd處理顯著降低了Tr，GA3和Spd處理的杜鵑氣體交換參數(shù)與對(duì)照的差異均達(dá)顯著水平。其中，GA3處理的Pn、Gs、Ci和Tr分別比對(duì)照增加了6.78%～41.36%、32.00%～84.00%、5.57%～25.78%和26.58%～39.24%；Spd處理的Pn、Gs和Ci分別比對(duì)照增加了30.17%～76.27%、92.00%～148.00%、10.50%～43.07%,而Tr則減少了13.92%～39.24%。

2.3 GA3和Spd處理對(duì)花瓣酶活性的影響

由表4可知，杜鵑開(kāi)花過(guò)程中抗氧化酶活性和MDA含量具有較明顯的花期變化。SOD和POD活性的高峰出現(xiàn)在盛花期，CAT活性高峰出現(xiàn)在初花期，MDA含量高峰出現(xiàn)在末花期。與對(duì)照相比,GA3和Spd處理顯著提高了杜鵑花瓣的SOD、POD和CAT活性，顯著降低了MDA含量。GA3處理下,SOD、POD和CAT活性分別比對(duì)照提高14.85%～50.25%、14.81%～45.30%和12.39%～64.16%，MDA含量比對(duì)照低7.66%～45.26%；Spd處理下，SOD、Pod和CAT活性分別增加30.73%～71.60%、16.03%～53.31%和-7.52%～79.65%，MDA含量下降了31.46%～58.11%。除T1處理的CAT活性與對(duì)照無(wú)顯著差異外，其余GA3處理的SOD、POD、CAT活性和MDA含量均與對(duì)照差異顯著；除T4處理的SOD、POD和CAT活性與對(duì)照無(wú)顯著差異外,其余Spd處理的抗氧化酶活性和MDA含量均與對(duì)照差異顯著。

表3 GA3和Spd處理下夏鵑開(kāi)花期葉片氣體交換參數(shù)的方差分析Table3 Variance analysis of gas exchange peramenters in leaves of Rhododendron indicum treated with of GA3and Spd

3 結(jié)論和討論

3.1 GA3和Spd對(duì)夏鵑開(kāi)花品質(zhì)和花期的影響

植物開(kāi)花是由復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，激素調(diào)節(jié)、信號(hào)傳導(dǎo)和動(dòng)態(tài)平衡對(duì)這個(gè)過(guò)程非常重要。單獨(dú)或混合使用激素能夠通過(guò)表觀遺傳調(diào)節(jié)開(kāi)花[13],在開(kāi)花時(shí)間的控制上GAs是最重要的一類(lèi)激素[14]。大量研究表明，GAs可以促進(jìn)植物開(kāi)花[13,15-16]，本研究中，GA3處理使杜鵑的始花期提前，1 600 mg L-1GA3處理的提前效果好，花期最長(zhǎng)，GA3延緩了杜鵑的衰老，延長(zhǎng)了花期。這與前人的研究結(jié)果相似[17]。有研究表明，多胺參與花的發(fā)育與衰老[18],本研究結(jié)果表明，Spd處理使始花期延后，但花期延長(zhǎng),以0.1 mmol L-1Spd處理的效果最明顯，可能是由于多胺對(duì)開(kāi)花的影響取決于植物分化部位的敏感性[19]。Applewhite等[5]的研究表明，Spd處理延遲擬南芥開(kāi)花。Ahmed等[20]的研究表明，多胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致擬南芥開(kāi)花延遲，亞精胺和亞精胺結(jié)合物的積累使赤霉素合成受到抑制，從而抑制了赤霉素對(duì)開(kāi)花的促進(jìn)作用。兩種激素處理下夏鵑成花率提高且花徑增大，可能是由于GA3、Spd促進(jìn)了植物對(duì)N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[21-22]。

3.2 GA3和Spd對(duì)光合作用的影響

研究表明，植物開(kāi)花期間需要較多的能量供應(yīng)，光合作用強(qiáng)度提高，同時(shí)，隨著開(kāi)花與衰老的進(jìn)程，抗氧化酶活性也表現(xiàn)出相應(yīng)的變化規(guī)律[23-25]，植物開(kāi)花期的光合作用和抗氧化酶活性變化可以反映花期進(jìn)程[26]。本研究結(jié)果表明，GA3和Spd處理均不同程度提高了開(kāi)花各時(shí)期的Chl a、Chl b、Car和Chl a+b含量，顯著緩解了末花期光合色素的下降趨勢(shì)(表2)，這與各處理較高的光合強(qiáng)度表現(xiàn)相一致(表3)，與孫位等[26]的研究結(jié)果相同。中濃度 GA3、Spd處理(T2、T5)比低濃度(T1、T4)和高濃度(T3、T6)處理更有利于葉綠素的合成，可能是由于高濃度GA3、Spd抑制了葉綠體的生長(zhǎng)發(fā)育,從而阻礙葉綠素的合成，同時(shí)，過(guò)高濃度的激素加快了杜鵑體內(nèi)代謝活動(dòng)，加重了植物開(kāi)花期體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累和運(yùn)輸負(fù)擔(dān)，使開(kāi)花相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)代謝和水分蒸騰等活動(dòng)紊亂，導(dǎo)致光合色素含量下降。而適宜濃度的多胺可以抑制色素的減少和防止DNA降解發(fā)揮其促進(jìn)生存的作用[4]。此外，Car又是內(nèi)源抗氧化劑，在細(xì)胞內(nèi)可吸收剩余光能、淬滅活性氧，從而防止膜脂過(guò)氧化[27]。本研究中，中濃度GA3、Spd處理的Car從盛花期到末花期下降趨勢(shì)減緩(表2)，有效地清除了杜鵑衰老過(guò)程中的活性氧，保護(hù)了細(xì)胞膜，這對(duì)延長(zhǎng)開(kāi)花持續(xù)時(shí)間具有重要意義。

本研究中，與對(duì)照相比，GA3通過(guò)提高夏鵑開(kāi)花期葉肉細(xì)胞活性增強(qiáng)了葉片對(duì)外界CO2的吸收能力，提高了開(kāi)花進(jìn)程中的光合速率，同時(shí)，較高的蒸騰速率促進(jìn)了葉片體內(nèi)水分傳導(dǎo)，加快體內(nèi)礦物質(zhì)運(yùn)輸，也促進(jìn)了光合速率的提高[4,28]。而Spd處理降低了夏鵑葉片蒸騰速率，可能是由于多胺調(diào)節(jié)了某些離子通道，特別是Ca2+滲透通道的活性,提高胞漿Ca2+濃度，使質(zhì)膜上的K+被動(dòng)外流，刺激氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致蒸騰作用下降，增加相對(duì)含水量[23]。適宜濃度的GA3和Spd處理顯著增強(qiáng)了開(kāi)花期杜鵑葉片細(xì)胞的活性，有效調(diào)節(jié)了杜鵑開(kāi)花期光合作用。

3.3 GA3和Spd對(duì)抗氧化酶的影響

植物在開(kāi)花及衰老過(guò)程中，體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的自由基(ROS)，此時(shí)主要的自由基清除酶，如超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性往往會(huì)增加，以清除部分自由基[29]?？的塑?Dianthus caryophyllus)開(kāi)花過(guò)程中,SOD和APX活性在花朵開(kāi)放早期達(dá)到峰值，與ROS的增加一致，而CAT活性保持恒定直到衰老晚期[30]。此外，在花瓣和葉片中，ROS水平也被親脂性抗氧化合物：生育酚和類(lèi)胡蘿卜素緩解[31]。本研究中,隨著夏鵑開(kāi)花進(jìn)程，MDA含量逐漸上升(表4)，膜的受損程度越大，花的衰老越明顯，與植物開(kāi)花衰老有關(guān)的CAT和SOD活性在開(kāi)花初期較高,以后逐漸降低(表4)，說(shuō)明CAT和SOD活性越高,夏鵑抗衰老能力越強(qiáng)[32]，本研究也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。GA3、Spd處理提高了夏鵑開(kāi)花過(guò)程中的抗氧化酶活性,且濃度越大，抗氧化酶活性越高。可能是由于GA3、Spd能夠促進(jìn)相關(guān)抗氧化酶在轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)，進(jìn)一步誘導(dǎo)了相關(guān)抗氧化酶活性的上升，延長(zhǎng)花期[1,33],類(lèi)胡蘿卜素的增加也由于共軛雙鍵的存在促進(jìn)了其對(duì)游離氧自由基的清除[23]。此外，Spd處理比GA3的效果更好，可能是由于Spd通過(guò)阻止乙烯的產(chǎn)生延緩衰老[22]。適宜濃度的GA3和Spd減緩了末花期SOD活性的下降趨勢(shì)(表4)，有效緩解了夏鵑的衰老進(jìn)程，達(dá)到延長(zhǎng)花期的目的，這與光合色素和光合基本參數(shù)的變化一致。

GA3和Spd處理對(duì)夏鵑開(kāi)花期光合特性和抗氧化酶系統(tǒng)有顯著影響，可不同程度地提高夏鵑開(kāi)花品質(zhì)，調(diào)節(jié)花期。綜合分析表明，GA3和Spd處理提高了夏鵑開(kāi)花過(guò)程中葉片的光合作用，增強(qiáng)了花瓣抗氧化酶活性，有效緩解了開(kāi)花后期膜脂過(guò)氧化，從而調(diào)節(jié)了夏鵑開(kāi)花品質(zhì)，對(duì)花期有顯著影響。其中，以1 600 mg L-1GA3和0.10 mmol L-1Spd處理的效果較好。植物開(kāi)花和衰老由復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，同時(shí)受到激素調(diào)節(jié)和環(huán)境因素的影響，要全面了解植物生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)理，還需要從植物基因表達(dá)方面做更深入的研究。