外源赤霉素對GAR 小麥光合特性影響的初探

張寧寧，魚 慧，嚴(yán)加坤

（1.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林719000；2.榆林市南郊農(nóng)場，陜西榆林719000）

赤霉素作為一類對植物生長發(fā)育具有一定調(diào)節(jié)作用的激素，其生理功能可以概括為：促進(jìn)生長、打破休眠、影響性別分化、促進(jìn)開花、改善品質(zhì)和增加抗性等[1-3]。目前赤霉素在生理作用方面研究比較透徹的是促進(jìn)生長方面。

當(dāng)前，赤霉素在調(diào)節(jié)植物抗性方面的研究定論不一。在毛白楊中，利用外源赤霉素處理顯著提高了其葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉片蒸騰及樹高等生理指標(biāo)，表明在水分正常條件下，外源赤霉素對于提高植物生長具有一定的促進(jìn)作用[4]。相似的研究結(jié)論在玉米中也有報(bào)道，如研究發(fā)現(xiàn)，GA3顯著提高了干旱條件下玉米的抗性[5]。然而，在大豆研究中，鹽脅迫下，外源赤霉素顯著增加了內(nèi)源活性赤霉素（GA1和GA4）及茉莉酸甲酯的含量，但其降低了內(nèi)源脫落酸及水楊酸的含量，而后2 種物質(zhì)是植物應(yīng)答非生物脅迫的重要調(diào)控激素[6-8]。雖然外源赤霉素緩解了鹽脅迫帶來的生物量降低，但其緩解鹽脅迫中是否具有正效應(yīng)還有待驗(yàn)證。韓德復(fù)[9]研究發(fā)現(xiàn)，在不同程度鹽堿化草地上生長的羊草葉片赤霉素含量顯著低于其在無鹽堿化草地羊草葉片含量，而中度鹽堿化草地羊草葉片脫落酸含量顯著高于無鹽堿化草地含量。說明羊草在長期適應(yīng)鹽堿化的過程中形成了內(nèi)源激素調(diào)控機(jī)制。同時(shí)也說明降低內(nèi)源赤霉素含量有利于羊草適應(yīng)非生物脅迫。

赤霉素敏感型（GAR）矮稈基因如Rht8 和Rht13在旱地小麥育種中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素敏感型矮稈基因Rht13 在水分正常的條件下使小麥具有比rht 品系更長的旗葉；還發(fā)現(xiàn)Rht13 和Rht8 品系具有比rht 品系更高的光合速率。而GASPERINI 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，Rht8 基因并沒有降低內(nèi)源活性赤霉素的含量。但是，赤霉素對Rht13及Rht8 的光合速率影響機(jī)制以及赤霉素對小麥抗旱性的影響尚不清楚。

本研究通過盆栽稱重控水試驗(yàn)研究了2 種水分條件下矮稈基因Rht13、Rht8 及其對照rht 基因?qū)π←溈购敌缘挠绊?，旨在揭示外源赤霉素與凈光合速率之間的關(guān)系及其機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 材料

以Rht8 基因供體晉麥47 與Rht13 基因供體Magnif M1為親本進(jìn)行雜交得到F1；F1自交產(chǎn)生F2，經(jīng)過分子標(biāo)記鑒定共得到F2群體296 個(gè)；之后進(jìn)行連續(xù)自交，并且以生長周期、株高等性狀為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，得到F6純合度較高的重組自交系株系；選取矮稈基因材料Rht13 株系1 個(gè)、Rht8 株系1 個(gè)及不含矮稈基因rht 株系1 個(gè)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.2 方法

試驗(yàn)在人工氣候室內(nèi)進(jìn)行。采取完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)用盆為高30 cm、直徑15 cm 的乳白色PVC管制盆。每盆裝有楊凌本地塿土5 kg、石子0.5 kg。培養(yǎng)條件為光照12 h，光照強(qiáng)度400 μmol/（m2·s），白天溫度25 ℃，夜間溫度18 ℃，濕度維持在50%～60%。

消毒的種子經(jīng)過4 ℃春化24 h，之后在20 ℃催芽48 h 至種子露白。選擇大小均一的種子，每盆點(diǎn)種6 粒。在三葉期開始定苗3 株，六葉期開始為期28 d 的春化處理，溫度5 ℃，濕度70%±5%，光照時(shí)間12 h、光照強(qiáng)度400 μmol/（m2·s）。在春化結(jié)束之前，田間持水量維持在75%±5%，春化結(jié)束后開始進(jìn)行干旱脅迫，脅迫組田間持水量維持在35%±5%。外源赤霉素（100 μmol/L GA3）按照GASPERINI的方法噴施[11]。共4 個(gè)處理，即灌水處理（WW）、灌水＋赤霉素處理（WW＋GA）、干旱處理（DR）及干旱＋赤霉素處理（DR＋GA）。

1.3 指標(biāo)測定及方法

在外源赤霉素處理20，35 d 分別使用Li-6400光合儀測定完全展開的新葉凈光合速率。同時(shí)使用SPAD-502 葉綠素儀讀取葉片相對葉綠素含量。葉片大小使用直尺測量并記錄。之后，取樣測定干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)結(jié)果采用算數(shù)平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)方差表示。利用SPSS 19.0 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 進(jìn)行顯著性分析。作圖及相關(guān)關(guān)系擬合采用Sigmaplot 12.5 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源赤霉素對GAR 小麥生物量相關(guān)指標(biāo)的影響

赤霉素作為農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用的提高作物葉片伸長的調(diào)節(jié)物質(zhì)，其對作物生物量的改良方面已經(jīng)得到證實(shí)[12]。由圖1 可知，噴施赤霉素35 d 后，2 種水分條件下，所有在測品系地上部生物量均顯著提高（P＜0.05）；但是處理20 d，赤霉素對生物量的增加效果并不顯著。rht 品系在外源赤霉素的作用下，地上部生物量的增加幅度比Rht13 和Rht8 小麥大的多，然而在沒有外源赤霉素的條件下，赤霉素敏感型矮稈基因小麥的地上部生物量對照組顯著高于rht 品系。這與前人發(fā)現(xiàn)的Rht8 矮稈基因在小麥生長早期對小麥沒有影響的結(jié)果存在差異[13]，可能是由于該研究結(jié)論是在統(tǒng)計(jì)了胚芽鞘長度、葉伸長速率及株高后得出的，并不能全面代表苗期小麥的生理指數(shù)。另外，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)施條件的不同對矮稈小麥的研究結(jié)果也有一定的影響[11]。

從圖2 可以看出，赤霉素處理組和非赤霉素處理組小麥在葉寬方面并不具有顯著性差異，但有降低的趨勢。并且在干旱條件下，非赤霉素處理組赤霉素敏感矮稈基因品系的葉寬相比對照品系rht 顯著降低，灌水組雖然葉寬沒有顯著降低但呈現(xiàn)出降低的趨勢。赤霉素處理顯著增加了Rht13、Rht8 及rht 品系的小麥葉長（P＜0.05），尤其是赤霉素敏感的Rht13 和Rht8 品系；而在非赤霉素處理組，赤霉素敏感的Rht13 和Rht8 品系的葉片長度顯著高于rht 品系（P＜0.05），結(jié)果與大田試驗(yàn)得到的結(jié)果及前人研究結(jié)果[14]一致。

2.2 GAR 小麥對外源赤霉素的光合響應(yīng)

進(jìn)一步分析處理后凈光合速率的變化將有助于清晰地認(rèn)識赤霉素施加后Rht13 和Rht8 品系相比rht 品系降低了地上部生物量的原因。從圖3 可以看出，在赤霉素處理20 d，灌水條件下，僅有Rht8品系光合出現(xiàn)顯著性降低（P＜0.05），而Rht13 和rht 品系開始呈現(xiàn)出降低的趨勢（P＞0.05）；干旱條件下Rht13 和Rht8 均出現(xiàn)凈光合速率顯著降低（P＜0.05）。在處理后第35 天，灌水處理中，外源赤霉素顯著降低了Rht13 和Rht8 的凈光合速率，而rht 品系凈光合速率并沒有比非赤霉素處理組降低。在干旱組，赤霉素處理顯著降低了Rht13 和Rht8 品系的凈光合速率（P＜0.05），而rht 品系的凈光合速率相比Rht13 和Rht8 要高。

2.3 葉綠素變化及其與其他生長指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

分析葉綠素含量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干旱及赤霉素處理20 d 后，在相同處理?xiàng)l件下rht 品系葉片葉綠素含量顯著低于Rht13 和Rht8 品系（P＜0.05）。而赤霉素處理35 d 后，相同水分條件下，rht 品系葉綠素含量略高于Rht13 和Rht8 品系；非赤霉素處理組，其相同水分條件下葉綠素含量幾乎一致（圖4）。

相關(guān)性分析顯示，小麥葉片凈光合速率與小麥葉片葉綠素含量間呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（圖5），處理20 d 時(shí)相關(guān)系數(shù)為0.769（P＜0.05）；第35天時(shí)，r＝0.858（P＜0.05）。而小麥葉片葉綠素含量也與小麥的葉片長度在處理35 d 時(shí)呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（r＝0.676，P＜0.05）。葉綠素含量與凈光合速率間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系早已得到證明[15-17]。說明赤霉素處理下Rht13 和Rht8 品系過分生長的葉片降低了葉片葉綠素含量，而低的葉綠素含量直接導(dǎo)致了凈光合速率的降低。另一方面，凈光合速率的降低繼而導(dǎo)致生物量的降低。并且這種過分生長的葉片（Rht13 和Rht8 葉長分別為54.125，55.250 cm）導(dǎo)致小麥有向雜草化發(fā)育的傾向，最終不能正常拔節(jié)。而之前的研究發(fā)現(xiàn)，在逆境脅迫下，植物降低體內(nèi)赤霉素含量、降低生長速率從而獲得更強(qiáng)的抵抗脅迫的能力[14]。而對水稻赤霉素合成突變體研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素合成缺陷提高了水稻對干旱的抗性[18]。在擬南芥中過表達(dá)GA20ox 帶來的赤霉素含量積累同樣降低了其對干旱的耐受性，而突變掉ga3ox 中的2 個(gè)基因和ga20ox 中的2 個(gè)基因則提高了其對干旱的抗性[19-20]。這與本研究的結(jié)果相似，在干旱的條件下，外源施加赤霉素將不利于小麥對干旱抗性的提高。

3 結(jié)論

在外源赤霉素處理下，葉片過分生長導(dǎo)致了Rht13 和Rht8 品系小麥葉片葉綠素含量的劇烈下降，進(jìn)而導(dǎo)致了其凈光合速率的降低。本研究發(fā)現(xiàn)，過高的赤霉素含量對Rht13 及Rht8 品素小麥的不利程度遠(yuǎn)大于其對rht 品系的負(fù)面效應(yīng)。因此推測，可能Rht13 和Rht8 基因使小麥在某一種或幾種活性赤霉素合成途徑上存在缺陷，從而導(dǎo)致其對赤霉素處于長期的“饑餓”狀態(tài)，從而使其對外源赤霉素更加敏感、反應(yīng)更為劇烈；同時(shí)由于合成的缺陷使得赤霉素含量降低，從而使其具有更高的抗旱性。