棗花芽分化過程中營養(yǎng)物質(zhì)和內(nèi)源激素含量及抗氧化酶活性變化研究

阿布都卡尤木·阿依麥提，樊丁宇，岳婉婉，趙婧彤，郝 慶*

(1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 園藝作物研究所/農(nóng)業(yè)部新疆地區(qū)果樹科學(xué)觀測實驗站，烏魯木齊 830091；2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052)

棗(ZiziphusjujubaMill.)屬于鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZiziphusMill.)，原產(chǎn)中國，栽培歷史悠久[1]。棗花芽分化不同于其他果樹，屬當(dāng)年分化、當(dāng)年開花，分化期短、分化速度快，在整個成花過程中可不斷分化、多次分化[2-3]?；ㄑ糠只且粋€比營養(yǎng)器官分化更為復(fù)雜的過程，是果樹生長發(fā)育過程中一個極為重要的時期，它與生產(chǎn)密切相關(guān)，直接影響果實的品質(zhì)與產(chǎn)量[4]。果樹只有形成一定數(shù)量的優(yōu)質(zhì)花芽才能保證獲得理想的產(chǎn)量和克服大小年結(jié)果現(xiàn)象，而影響果樹花芽分化的因素主要是環(huán)境因子以及植物體內(nèi)的營養(yǎng)和各內(nèi)源激素相互協(xié)調(diào)的動態(tài)平衡關(guān)系，它們共同控制營養(yǎng)轉(zhuǎn)向，從而對花芽分化發(fā)育起調(diào)控作用，而不同物質(zhì)的作用效應(yīng)依物質(zhì)種類、作用時期和植物種類而不同[5]。因此，明確棗花芽分化時間的碳水化合物、抗氧化保護(hù)酶及內(nèi)源激素的運轉(zhuǎn)規(guī)律，對人為調(diào)控花芽質(zhì)量，改善和提高果實品質(zhì)，并為育種工作的順利進(jìn)行提供理論依據(jù)。

花芽分化作為植物開花機(jī)理研究中的一個重點，它是受多因素調(diào)節(jié)與控制，各物質(zhì)通過一系列復(fù)雜生理生化反應(yīng)由量變到質(zhì)變的過程?；ㄑ糠只谥参飪?nèi)部新陳代謝活躍，營養(yǎng)物質(zhì)是花芽分化的基礎(chǔ)[6]。多數(shù)報道曾指出，淀粉、可溶性糖及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)對植物花芽分化發(fā)揮著重要作用[7]。如劉俊松等[8]發(fā)現(xiàn)，8年生和2年生溫州蜜柑葉片和莖的可溶性糖含量在花芽形態(tài)分化前呈積累趨勢，在花芽形態(tài)分化期下降；而其淀粉含量在秋冬和早春較低，在花萼原基出現(xiàn)后開始回升?？偟膩碚f，碳水化合物含量隨著花芽分化而不斷升高，一定量的淀粉積累有利于花芽分化[9-10]?？寡趸Ｗo(hù)酶類在植物花芽分化過程中也具有重要的作用。如鄧燦[11]報道，在‘早鐘6號’枇杷花芽分化過程中，葉片和花芽中PPO、POD和PAL活性變化均呈“雙峰”曲線變化，花芽中PPO、POD和PAL活性均高于葉片，較高的PPO、POD和PAL活性有利于花芽分化的進(jìn)行。李靜等[12]研究發(fā)現(xiàn)，4個芍藥品種花芽分化過程中各時期POD活性均呈單峰型變化趨勢，SOD和CAT活性隨著花芽分化呈增強(qiáng)趨勢。激素是調(diào)控植物花芽分化的重要物質(zhì)，而有關(guān)激素對果樹花芽分化的影響在許多果樹中已見報道。例如，雙季板栗在分化過程中各時期的IAA和ABA含量均高于ZR和GA3含量，高IAA/ABA，低ZR/IAA和GA3/IAA值在促進(jìn)芽萌動方面起重要作用[13]；在棗花芽孕育期需要較低水平的IAA和較高水平GA3，也需要較低的IAA/GA3及較高的ABA/GA3和ABA/IAA[14]；ABA、CTK這兩大促花激素含量升高，且較高的ABA/IAA、ZR/IAA及ABA/GA3比值有利于‘李光杏’花芽分化的進(jìn)行[15]；刺梨花芽分化時，GA與IAA含量下降，ZR與ABA水平上升對成花有促進(jìn)作用[16]；而Mohanty等[17]證實ABA對成花有促進(jìn)或抑制的雙重作用。

目前，國內(nèi)外在棗花期調(diào)控方面研究主要集中于生物學(xué)、形態(tài)和物候?qū)W特征等方面[18-19]，尚未有棗花芽分化過程中各個時期的營養(yǎng)物質(zhì)、保護(hù)酶活性及內(nèi)源激素動態(tài)變化的系統(tǒng)報道。本研究以新疆主栽品種灰棗、駿棗不同發(fā)育階段的花芽為對象，在前期對其花芽分化過程形態(tài)變化觀察的基礎(chǔ)上[3]，分析棗花芽分化過程中營養(yǎng)物質(zhì)、內(nèi)源激素含量及酶活性的變化規(guī)律，為棗花芽分化調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

供試材料取自新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣新疆林業(yè)科學(xué)院佳木國家重點林木良種基地的紅棗園(N41°15′49″，E80°32′21″，海拔1 103.8 m)。該基地屬于大陸性干旱荒漠氣候，降雨量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，晝夜溫差大；春季持續(xù)較短，多有大風(fēng)降溫天氣，年均降水量42.4～94.4 mm，年蒸發(fā)量為2 000～2 900 mm；年平均氣溫為9.9～11.5 ℃之間，年均日照時數(shù)2 747.7 h，無霜期195 d。

1.2 材料和方法

1.2.1 試驗材料供試材料為8年生新疆主栽棗品種駿棗和灰棗，從2019和2020年4月中旬到5月下旬，自田間隨機(jī)采集樹冠外圍中部2～4年生棗股上的棗吊。新疆駿棗、灰棗花芽形態(tài)分化進(jìn)程均可分為6個時期，分別于4月14日和4月17日左右棗股開始萌動，進(jìn)入花原基分化期到雌蕊分化期分別需要7和11 d左右。駿棗和灰棗花芽分化結(jié)束后即進(jìn)入花蕾期，花蕾期從開始到結(jié)束需20 d左右。駿棗是日開型，灰棗是夜開型，兩種棗單花壽命較短，從進(jìn)入蕾裂期到子房膨大期僅需30～36 h?；覘椈看?，坐果率低，花期略長，駿棗花量少，坐果率高，花期較為集中。

1.2.2 試驗方法筆者通過前期棗花芽解剖結(jié)構(gòu)觀察明確了棗花芽分化的不同階段，并將灰棗和駿棗花芽分化過程劃分為6個時期，即花原基分化期、分化初期、萼片分化期、花瓣分化期、雄蕊分化期和雌蕊分化期。試驗每品種選擇生長勢基本一致的9株樹掛牌標(biāo)記，主要采集植株東南西北4個不同方位的多年生棗股上的棗吊，剝離棗吊上葉片，切取花芽，所選材料要健康、標(biāo)準(zhǔn)，每次材料取完后裝入離心管，立即液氮速凍帶回實驗室，置-80 ℃冰箱，用于觀察不同花芽分化時期營養(yǎng)物質(zhì)含量、抗氧化酶活性、內(nèi)源激素含量的測定。試驗設(shè)置3個重復(fù)。

1.3 花芽相關(guān)指標(biāo)測定

花芽可溶性糖、淀粉含量測定采用蒽酮比色法；還原糖含量測定采用二硝基水楊酸(DNS)法；蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用NBT光還原法；過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法；多酚氧化酶(PPO)活性測定采用鄰苯二酚法；采用酶聯(lián)免疫分析法(ELISA)測定生長素(IAA)、赤霉素(GA3)、玉米素(ZT)、脫落酸(ABA)含量[20-21]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，并用Duncan’s法對平均值進(jìn)行多重比較。所有數(shù)據(jù)的錄入和作圖均使用Excel 2010軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 棗花芽分化過程中營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化特征

駿棗花芽分化過程中淀粉、可溶性糖、還原糖含量的變化規(guī)律相似，均呈先顯著降低后顯著上升再降低的趨勢(圖1，A～C)。其中，在花原基分化期至萼片分化期，花芽淀粉和可溶性糖含量急劇下降，但花芽還原糖含量下降幅度不大；花芽可溶性糖含量在轉(zhuǎn)入花瓣分化期時急劇上升至最高峰，而其淀粉和還原糖的含量在雄蕊分化期時達(dá)到最高值；進(jìn)入雌蕊分化期時，花芽淀粉、可溶性糖、還原糖的含量開始下降，但雄蕊分化期與雌蕊分化期之間并沒有顯著差異?；覘椈ㄑ糠只^程中淀粉、可溶性糖、還原糖含量的變化規(guī)律與駿棗相似(圖1，A～C)。在花原基分化期至花瓣分化期，灰棗花芽可溶性糖的含量變化較為平緩，在花瓣分化期至雄蕊分化期急劇上升，而在轉(zhuǎn)入雌蕊分化期時再下降，但此時淀粉和還原糖含量還在繼續(xù)上升，并與雄蕊分化期有顯著差異?；覘椈ㄑ康倪€原糖在花原基開始分化至萼片分化期大量消耗，其含量到萼片分化期時比花原基分化期下降了23.54%，且其在萼片分化期到雌蕊分化期又迅速上升并達(dá)到顯著差異水平。另外，灰棗和駿棗花芽可溶性蛋白含量在花芽分化過程中總體呈先上升后下降的變化趨勢，灰棗在花原基分化期到花芽分化初期表現(xiàn)為顯著上升，而同期駿棗的變化幅度不明顯，而在萼片分化期至雌蕊分化期兩種棗品種的可溶性蛋白含量均顯著降低(圖1，D)。總體來看，在花芽分化過程中，駿棗花芽的還原糖、淀粉、可溶性蛋白含量均高于同期的灰棗。經(jīng)前期試驗驗證，駿棗和灰棗是同一時間進(jìn)入花芽分化期，但駿棗比灰棗提前幾天結(jié)束分化。由此可知較高的還原糖、淀粉、可溶性蛋白含量有利于棗花芽形態(tài)分化。

2.2 棗花芽分化過程中抗氧化酶活性的變化特征

由圖2，A可知，花芽中超氧化物歧化酶(SOD)的活性在其分化過程中變化幅度較大。在花原基分化期至萼片分化期，灰棗和駿棗花芽的SOD活性均先急劇上升后再降低；在萼片分化期至雌蕊分化期，灰棗花芽的SOD活性逐步降低，而駿棗則持續(xù)上升，這可能是SOD正在參與某些與花瓣原基、雄蕊原基以及雌蕊原基分化相關(guān)的代謝活動所致。在花原基分化期至雌蕊分化期，灰棗花芽PPO活性呈逐步下降趨勢，但同期駿棗則呈先降低再上升的趨勢，但上升和降低幅度較小，沒有達(dá)到顯著差異水平(圖2，B)。在花芽分化過程中，其POD、CAT活性顯示出逐步降低的動態(tài)變化趨勢(圖2，C、D)。其中，駿棗花芽POD和CAT活性在其開始分化時小幅度降低，在分化初期以后急劇下降；而灰棗花芽POD和CAT活性花原基分化期至分化初期急劇降低，在分化初期后到雌蕊分化期下降速度減緩，轉(zhuǎn)入雌蕊分化期時兩種棗品種花芽的POD和CAT活性最低，并與花原基分化期存在顯著差異。果樹花芽分化過程中需要各種酶參與細(xì)胞活性氧代謝，共同維持活性氧的動態(tài)平衡，但棗的花芽分化與其他果樹不同，棗吊邊生長花芽邊分化。因此，根據(jù)以上試驗結(jié)果推測保護(hù)酶的活性降低有利于棗樹花芽分化各個階段的啟動，在分化過程中保護(hù)細(xì)胞內(nèi)部的代謝活動緩慢進(jìn)行，各類保護(hù)酶活性下降有助于花芽分化和發(fā)育的順利進(jìn)行。

Ⅰ.花芽原基分化期；Ⅱ.分化初期；Ⅲ.萼片分化期；Ⅳ.花瓣分化期；Ⅴ.雄蕊分化期；Ⅵ.雌蕊分化期；不同小寫字母表示同一品種不同分化時期間在0.05水平存在顯著性差異(P<0.05)。下同圖1 灰棗和駿棗花芽分化過程中營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化Ⅰ. Flower bud primordium differentiation stage; Ⅱ. Initial differentiation; Ⅲ. Sepal differentiation; Ⅳ. Petal differentiation; Ⅴ. Stamen differentiation. Ⅵ. Pistil differentiation; The different normal letters within same cultivar indicate significant differences among different differentiation periods at 0.05 level (P < 0.05). The same as belowFig.1 Changes of nutrient contents during flower bud differentiation of Huizao and Junzao

圖2 灰棗和駿棗花芽分化過程中抗氧化酶活性的變化Fig.2 Changes of antioxidant enzyme activities during flower bud differentiation of Huizao and Junzao

圖3 灰棗和駿棗花芽分化過程中內(nèi)源激素含量的變化Fig.3 Changes of endogenous hormone contents during flower bud differentiation of Huizao and Junzao

2.3 棗花芽分化過程中內(nèi)源激素含量的變化特征

花芽分化受GA3、IAA、ABA、ZT多種內(nèi)源激素的協(xié)同調(diào)控。圖3，A～D顯示，在灰棗和駿棗花芽分化過程中，其內(nèi)源激素GA3、IAA、ZT含量均呈現(xiàn)基本一致的高-低-高的變化趨勢；在花原基分化期至萼片分化期，GA3和IAA含量急劇下降，而ZT含量則在花原基分化期至分化初期的變化幅度不大，但進(jìn)入萼片分化期時顯著降低，在萼片分化期后則逐步上升；在萼片分化期至雄蕊分化期，灰棗花芽的GA3和IAA含量快速上升后維持最高水平基本不變，而駿棗花芽的變化幅度較大并呈S型波動?；覘椈ㄑ康腁BA含量在花原基分化期至萼片分化期顯著上升，在轉(zhuǎn)入萼片分化期時達(dá)到最高值并與其他分化時期差異顯著，隨后在萼片分化期至雌蕊分化期逐步降低；駿棗花芽ABA含量在花原基分化期至萼片分化期較低但時期間有顯著差異，在萼片分化期至雌蕊分化期表現(xiàn)為小S型波動但整體呈顯著上升趨勢。前人研究表明高IAA和ABA含量不利于花芽孕育，但對棗花發(fā)育和坐果有較大影響，本試驗各個花芽發(fā)育時期的灰棗激素含量均高于駿棗，特別是IAA和ABA。從此結(jié)果來推測，高IAA含量和較高ABA含量不利于棗花芽分化。因此，灰棗中高IAA和ABA含量可使其花芽分化時期比駿棗變長。

2.4 棗花芽分化過程中內(nèi)源激素比值的變化特征

棗花芽分化過程中各內(nèi)源激素比值的變化趨勢相差較大(圖4)。其中，在花原基分化期至萼片分化期，兩個棗品種花芽的GA3/ABA和駿棗花芽的GA3/IAA值先顯著降低后再逐步上升；而兩個品種花芽的ZT/GA3，駿棗花芽的ZT/IAA、ZT/ABA，以及灰棗花芽的GA3/IAA值的變化幅度比較大。同時，駿棗花芽分化過程中ABA/IAA值在花原基分化期至雌蕊分化期呈逐步上升趨勢，而灰棗花芽ABA/IAA值在花原基分化期至萼片分化期先顯著上升，在萼片分化結(jié)束后再降低，但灰棗ABA/IAA和ZT/IAA值還是表現(xiàn)為萼片分化期高于花原基分化期。因此，棗花芽分化過程中較高的ABA/IAA、ZT/IAA和GA3/IAA比率可促進(jìn)花芽的孕育，有利于花芽形成。

3 討 論

碳水化合物和可溶性蛋白是植物生長、發(fā)育和生理代謝所需能量的提供者和維系生命的重要基礎(chǔ)物質(zhì)，其積累有利于花芽分化[22]。碳水化合物主要包括淀粉和糖類，淀粉常作為儲備能量，在花芽分化時水解成可溶性糖供花芽利用[23]。楊盛等[24]研究表明，僵芽梨新梢的芽內(nèi)可溶性糖、淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)含量和碳氮比低于正常梨園。胡靜等[25]研究指出，西紅花花芽分化屬于向心型發(fā)育，高含量的可溶性糖和可溶性蛋白可促進(jìn)花芽分化。本研究中，駿棗花芽開始分化過程中消耗了大量營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致花芽中可溶性糖、還原糖和淀粉含量下降；之后，隨著灰棗和駿棗花芽的分化又為開花積累營養(yǎng)物質(zhì)，花芽可溶性糖含量上升；花開放導(dǎo)致消耗大量營養(yǎng)物質(zhì)使得可溶性糖含量再次下降，且整個花芽分化過程中淀粉含量始終高于可溶性糖和還原糖含量。說明棗花芽分化時產(chǎn)生的大量可溶性糖和淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到芽中，從而促進(jìn)花芽形態(tài)的分化。同時，可溶性蛋白作為花芽促進(jìn)分化的重要生理指標(biāo)，與植物性狀表達(dá)的關(guān)系十分密切。李秉真等[26]研究認(rèn)為，在蘋果梨花芽分化過程中總伴有蛋白質(zhì)合成過程增強(qiáng)，表明花器官形成需要消耗大量的蛋白質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)棗花芽在進(jìn)入分化期時可溶性蛋白質(zhì)含量上升達(dá)到最大值后再逐步降低。由此推測棗花芽分化時通過某種信號啟動蛋白酶水解組合蛋白，為花芽轉(zhuǎn)變提供充足的可溶性蛋白。

植物內(nèi)源激素是果樹花芽分化的關(guān)鍵誘導(dǎo)因子之一，對花芽分化的順利進(jìn)行起著重要的調(diào)控作用。赤霉素參與成花信號傳導(dǎo)途徑，低濃度GA3促進(jìn)花芽分化，反之則抑制分化[30-32]。本研究中，兩種棗花芽中GA3含量在花芽分化起始期急劇下降，達(dá)到整個分化過程的最小值，花瓣分化期以后逐步上升，而且均在花芽分化結(jié)束時最高，說明低水平的GA3有利于灰棗和駿棗的花芽分化。兩種棗品種花芽分化終期(雌蕊分化期)GA3含量最高，有可能是花芽分化結(jié)束成花過程需要GA3的積累。IAA是影響植物成花的重要激素之一，但關(guān)于IAA與植物成花的關(guān)系一直存在爭議。張寧等[5]報道高水平IAA含量抑制文冠果花芽分化；Stone等[33]指出，降低IAA水平能夠減少糖的消耗，增加淀粉的積累，為成花做準(zhǔn)備；郭文丹等[34]發(fā)現(xiàn)，油桐花芽生理分化期IAA含量迅速下降，到花芽形態(tài)分化開始前降到較低水平。本研究發(fā)現(xiàn)，兩種棗花芽分化開始后IAA含量迅速下降，說明棗花芽分化誘導(dǎo)期需要較低的IAA濃度；駿棗花芽IAA含量在萼片分化期至花瓣分化期先上升再降低，但是整個分化過程中低于未分化期，說明低水平的IAA有利于駿棗花芽分化；而灰棗花芽IAA含量在萼片分化期后迅速上升，可能與細(xì)胞數(shù)增加和細(xì)胞體積增大有關(guān)，因此，灰棗花芽分化與IAA含量的關(guān)系尚需深入研究。ABA是一種促進(jìn)成花的內(nèi)源激素，Garcia等[35]在油桃花芽分化的研究中發(fā)現(xiàn)，其花芽ABA含量生理分化期逐漸上升，在生理分化完成進(jìn)入形態(tài)分化期后逐漸下降，在分化末期再上升。本研究中駿棗進(jìn)入花芽分化起始期ABA含量下降，而此時灰棗的ABA含量急劇上升，在萼片分化期以后灰棗和駿棗花芽的ABA含量顯著高于未分化期，且一直保持在較高水平，說明花芽分化過程中ABA的積累有利于灰棗和駿棗花芽分化和發(fā)育。ZT是一種植物體內(nèi)天然存在的細(xì)胞分裂素。細(xì)胞分裂素產(chǎn)生于根部，從而保證核酸和蛋白質(zhì)免遭破壞，促進(jìn)核酸和蛋白質(zhì)在作物體內(nèi)的積累。研究表明，ZT能促進(jìn)蘋果的花芽分化，其含量在花芽生理分化期雖然下降但仍處于較高水平[36]；高水平的ZT有利于無花果花芽分化[37]。本研究中，灰棗和駿棗花芽分化前期ZT含量有所下降，隨著花芽分化的推進(jìn)ZT的含量顯著增加，因此認(rèn)為ZT的含量保持在較高的水平有利于棗花芽分化。

植物的花芽分化不僅受單一激素的影響，同時各內(nèi)源激素相互作用、協(xié)調(diào)達(dá)到一種動態(tài)平衡關(guān)系，調(diào)控植物花芽分化[38]。棗花[14]、蘋果[36]等物種植株花芽分化階段均需要較高水平ABA/IAA；高水平IAA/GA3促進(jìn)棗開花[14]；花芽分化初期至雌蕊原基分化期較高ZT/GA3有利于文冠果的花芽分化[5]；切花秋菊‘神馬’花芽分化開始后，頂芽和葉片中高比率的ZT/IAA有利于花芽分化[39]。本研究結(jié)果表明，駿棗花芽分化過程中ABA/IAA、ZT/IAA、GA3/IAA比值快速上升，由此推測IAA與ABA、GA3和ZT可能存在拮抗作用，且有利于花芽的形成；灰棗花原基分化期至萼片分化期ZT/IAA、GA3/IAA顯著上升后降低，分化結(jié)束后ZT/IAA、GA3/IAA的比值低于花原基分化期，這表明灰棗花芽轉(zhuǎn)成花過程不需高水平的ZT/IAA、GA3/IAA；ABA與ZT、GA3變化趨勢基本相反，棗花芽分化期GA3/ABA、ZT/ABA的比值呈快速下降的趨勢。所以，關(guān)于棗花芽分化過程中GA3/ABA、ZT/ABA關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，棗花芽分化是一個極其復(fù)雜的過程，灰棗和駿棗花芽開始分化后花芽的POD、CAT、PPO活性一直呈下降趨勢；可溶性糖、還原糖、淀粉含量以及GA3、IAA、ZT、GA3/ABA水平顯著下降，轉(zhuǎn)入萼片分化期后逐步回升；自花芽開始分化后兩個棗品種的蛋白質(zhì)、ZT/GA3和灰棗的SOD、ABA、ABA/IAA、ZT/ABA顯著上升，到分化初期后開始逐步下降，而駿棗的ABA、ABA/IAA、GA3/IAA含量繼續(xù)上升。多種因素共同調(diào)控著棗花芽分化過程，而決不是單一地取決于某一種或某一類物質(zhì)。營養(yǎng)物質(zhì)、酶活性和內(nèi)源激素之間相輔相成，相互促進(jìn)又相互拮抗，它們的動態(tài)變化和平衡對植物的花芽分化起著至關(guān)重要的作用。