機械損傷處理杉木無性系萌蘗及內(nèi)源激素含量差異

張吉玲，李明陽，李 勇，劉 麗，費裕翀，曹光球,4*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，福建 福州 350002；3.福建省洋口國有林場，福建 順昌 353200;4.國家林業(yè)和草原局杉木工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350002)

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國南方最重要且萌芽能力較強的速生用材樹種[1]。隨著現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展，無性系林業(yè)成為當(dāng)今社會林業(yè)發(fā)展的一個主要方向。近十幾年來，隨著杉木苗木繁育技術(shù)的不斷突破，杉木無性繁殖取得了較大的突破，無性系造林面積越來越大[2]。組培和扦插是杉木無性繁育的兩個主要途徑。由于杉木組培工廠化育苗過程中還普遍存在增殖系數(shù)低、生根率低等問題，杉木扦插繁殖仍是杉木無性繁育的最主要途徑[3]。因此，提高杉木穗條產(chǎn)量及質(zhì)量是杉木無性系造林的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一。

機械損傷是植物生長過程中最常見的脅迫之一，動物踩踏、狂風(fēng)、冰雹以及經(jīng)營措施均易便植物受到損傷。植物會對這些損傷刺激做出相應(yīng)的反應(yīng)，以適應(yīng)環(huán)境的變化[4-5]。機械損傷后，植物會產(chǎn)生一系列次生代謝產(chǎn)物，如酚類、黃酮類、萜類、生物堿等，這些物質(zhì)集中在傷口及其附近，參與傷口愈合反應(yīng)[6]。損傷反應(yīng)通常需要不同的信號物質(zhì)和調(diào)節(jié)因子同時作用，不同的植物種類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑不同[7]。去頂、壓彎、埋干是杉木采穗圃常用的技術(shù)措施。除此之外，為了獲取杉木優(yōu)樹基部萌芽穗條，基部損傷(即在基部人為切出一定面積傷口)也是常用的技術(shù)措施。以往，針對杉木采穗圃的研究，主要集中在不同技術(shù)措施對杉木采穗圃穗條產(chǎn)量及質(zhì)量的影響[8]，而針對去頂及基部損傷促進(jìn)杉木萌蘗的機理尚不清楚。

植物內(nèi)源激素是存在于植物體內(nèi)的一種天然有機化合物，它對植物細(xì)胞的分裂、分化[9-10]、植物器官建成[11]以及植物的休眠[12]、萌發(fā)和形態(tài)反應(yīng)[13]等都有直接或間接的調(diào)節(jié)控制作用。植物內(nèi)源激素作為植物體內(nèi)的一種微信號分子，它對植物的生長發(fā)育和對環(huán)境的響應(yīng)起著重要的調(diào)節(jié)作用，成為植物生理學(xué)研究的熱點[14-15]。生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯、水楊酸等，參與植物的脅迫信號傳導(dǎo)[16]。研究表明，在脅迫或者機械損傷條件下，植物除了形態(tài)特征、生理指標(biāo)發(fā)生變化外，其激素水平也會產(chǎn)生明顯響應(yīng)[17]。針對杉木內(nèi)源激素的研究，程淑婉等[18]初步檢出杉木萌芽中存在較多的赤霉素和細(xì)胞分裂素；高健等[19]發(fā)現(xiàn)杉木伐樁萌芽能力與內(nèi)源激素的種類及數(shù)量關(guān)系密切。林業(yè)生產(chǎn)實踐證明，杉木組培苗萌蘗能力強于實生苗及扦插苗。本研究以經(jīng)國家良種審定過的不同繁殖方式生產(chǎn)的020組培苗及020扦插苗為研究對象，測定杉木枝葉、基部韌皮部及根尖內(nèi)源激素含量，從內(nèi)源激素代謝途徑探討杉木無性系萌蘗機理，以期為杉木優(yōu)質(zhì)苗木培育奠定理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的材料為福建省洋口國有林場提供且經(jīng)國家良種審定過的1年生杉木020扦插苗和020組培苗。試驗地點在福建農(nóng)林大學(xué)國家林業(yè)和草原局杉木工程技術(shù)研究中心田間實驗室(119°13′E，26°5′N)。選擇生長旺盛、長勢一致、無病蟲害的苗木為試驗材料：020扦插苗平均苗高30.23 cm，平均地徑5.01 mm；020組培苗平均苗高18.41 cm，平均地徑2.62 mm。

1.2 試驗設(shè)計

2018年4月13日將1年生無性系種植于花盆中，每盆種植3株，花盆規(guī)格為27 cm×21 cm×21.5 cm。培養(yǎng)基質(zhì)為黃心土，黃心土有機質(zhì)含量49.00 g/kg，營養(yǎng)及礦質(zhì)元素含量為全氮1.09 g/kg，水解性氮1.32 mg/kg，速效磷2.30 mg/kg，速效鉀151.30 mg/kg。種植后每天18：00定期給苗澆自來水，保持水壤含水率在30%左右。種植14 d后，對苗木分別進(jìn)行去頂(剪去頂梢)及基部損傷(在基部韌皮部縱切1 cm×0.5 cm左右的傷口)兩種處理，每個處理種植30盆，共60盆。

杉木基部損傷處理示意圖見圖1。每月中旬調(diào)查萌芽數(shù)并測定植株和萌芽條地徑及苗高。萌蘗高峰期，在晴朗的上午進(jìn)行取樣，分別取植株第2輪枝葉、萌芽處韌皮部及根尖等樣品裝入自封袋并迅速放入液氮中。取樣后，將液氮速凍樣品放置于-80 ℃的超低溫冰箱中保存，以備內(nèi)源激素含量測定。每個樣品取樣3個重復(fù)。

圖1 杉木基部損傷處理示意圖Fig.1 Damage treatments of Chinese fir base

1.3 測定方法

1.3.1 萌蘗數(shù)調(diào)查

2018年4—8月期間，每月中旬調(diào)查不同處理的萌蘗數(shù)。

1.3.2 內(nèi)源激素含量測定

采用酶聯(lián)免疫吸附法分析法(enzyme linked immunosorbent assay，簡稱ELISA)測定杉木枝葉、萌芽韌皮部和根尖吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA3)、細(xì)胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)的含量[20]。各激素試劑盒由上海科興生物有限公司提供。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010和SPSS 22.0軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 機械損傷處理杉木無性系萌蘗差異

機械損傷處理對020杉木無性系萌蘗數(shù)生長具有不同的影響(表1)。隨著幼苗培養(yǎng)時間的延長，機械損傷處理杉木無性系萌蘗數(shù)均呈上升的趨勢，但不同測試時間段無性系萌蘗能力有所差異?？傮w而言，組培苗萌蘗能力明顯高于扦插苗萌蘗能力，且萌蘗高峰期均在7月。在6、7和8月，020扦插苗基部損傷處理的萌蘗能力比去頂處理分別降低了28.33%、48.57%和29.41%，020組培苗基部損傷處理的萌蘗數(shù)比去頂處理分別降低了34.36%、43.26%和12.80%。在6月和8月，機械損傷處理下020扦插苗和020組培苗萌蘗數(shù)達(dá)到顯著水平(P<0.05)；在7月，機械損傷處理下020扦插苗和020組培苗萌蘗達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表1 機械損傷處理杉木020無性系萌蘗差異Table 1 Differences of sprouting and tillering of 020 clone of Chinese fir by mechanical damage treatment

2.2 機械損傷處理杉木無性系內(nèi)源激素含量

2.2.1 杉木無性系020扦插苗

通過對杉木020扦插苗無性系內(nèi)源激素含量的測定，結(jié)果表明在去頂條件下杉木器官枝葉、基部韌皮部IAA含量呈下降趨勢，枝葉和根尖中CTK含量也呈下降趨勢，根尖和基部韌皮部IAA和CTK含量呈上升趨勢。杉木器官枝葉和根中GA3含量呈上升趨勢，基部韌皮部中GA3含量呈下降趨勢；杉木器官枝葉、基部韌皮部和根尖中ABA含量均呈下降趨勢。基部損傷處理杉木器官枝葉、基部韌皮部和根尖中IAA含量呈上升趨勢，GA3含量呈下降趨勢，在杉木器官枝葉和根尖中ABA和CTK含量呈下降趨勢，而基部韌皮部ABA和CTK含量呈下降趨勢。

就不同器官內(nèi)源激素含量差異而言，處理不同各器官內(nèi)源激素含量呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律(圖2)。

020扦插苗在去頂處理條件下，IAA、GA3、ABA含量均體現(xiàn)為枝葉>根尖>基部韌皮部，而CTK含量體現(xiàn)為基部韌皮部>枝葉>根尖。在基部損傷處理條件下，IAA和CTK含量體現(xiàn)為基部韌皮部>枝葉>根尖，GA3體現(xiàn)為枝葉>根尖>基部韌皮部，CTK體現(xiàn)為基部韌皮部>枝葉>根尖。

T1表示去頂處理；T2表示基部損傷處理；不同小寫字母表示機械損傷條件下不同器官內(nèi)源激素含量達(dá)到顯著差異(P <0.05)。下同。T1 represents apical removal,T2 represents basal damage,and different lowercase letters indicate significant difference in endogenous hormone content in different organs under mechanical damage (P <0.05).The below same.圖2 機械損傷處理 020扦插苗不同器官內(nèi)源激素含量Fig.2 Endogenous hormone content in different organs of 020 cuttings with mechanical damage treatment

2.2.2 萌蘗高峰期下杉木無性系020組培苗

通過對杉木020組培苗無性系品種有無萌蘗內(nèi)源激素含量的測定(圖3)，去頂處理杉木器官枝葉和根尖中IAA和CTK含量呈下降趨勢，ABA呈上升趨勢；而基部韌皮部IAA和CTK含量呈上升趨勢，ABA含量呈下降趨勢?；宽g皮部和根尖中GA3含量呈下降趨勢，而枝葉中GA3含量呈上升趨勢。在基部損傷條件下杉木器官枝葉、基部韌皮部和根尖中IAA和CTK 含量呈上升趨勢，枝葉和根尖中ABA和GA3含量呈下降趨勢。而基部韌皮部中ABA和GA3含量呈上升趨勢。

就同一處理條件下020組培苗不同器官內(nèi)源激素含量差異而言，不同器官內(nèi)源激素分配隨不同處理條件呈現(xiàn)較復(fù)雜的分配規(guī)律(圖3)。去頂處理條件下，IAA含量大小順序為基部韌皮部>根尖>枝葉，GA3含量大小順序為枝葉>根尖>基部韌皮部；ABA含量大小順序為根尖>枝葉>基部韌皮部，CTK含量大小順序為基部韌皮部>枝葉>根尖。在基部損傷條件下，IAA含量大小順序為基部韌皮部>枝葉>根尖；GA3和ABA含量大小順序為根尖>枝葉>基部韌皮部；CTK含量大小順序為根尖>基部韌皮部>枝葉。

圖3 機械損傷處理020組培苗不同器官內(nèi)源激素含量Fig.3 Endogenous hormones content in different organs of 020 clone with mechanical damage treatment

2.3 杉木無性系內(nèi)源激素與萌蘗相關(guān)性

機械損傷處理杉木無性系內(nèi)源激素含量與萌蘗能力相關(guān)性見表2。從表2可以看出：萌蘗數(shù)與不同處理呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；IAA含量與不同處理、器官部位和萌蘗數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；GA3含量與萌蘗數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；GA3含量與IAA含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；ABA含量與無性系繁殖方式顯著正相關(guān)(P<0.05)；ABA含量與萌蘗數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表2 機械損傷處理杉木無性系內(nèi)源激素含量與萌蘗能力相關(guān)性Table 2 Correlation of endogenous hormone contents with sprouting ability of Chinese fir clones under mechanical damage

3 討 論

在長期進(jìn)化過程中，植物可通過改變細(xì)胞代謝和誘導(dǎo)各種防御機制來啟動植株對機械損傷的反應(yīng)[21]。在機械損傷逆境下植物能否正常生長，關(guān)鍵在于植物對機械損傷的感知、信號的發(fā)出和轉(zhuǎn)導(dǎo)以及誘發(fā)各種生理和化學(xué)反應(yīng)的能力[22]。ABA作為一種具有應(yīng)激傾向的內(nèi)源激素，通過自身代謝積累改變膜系統(tǒng)，迅速調(diào)節(jié)植物對脅迫的各種應(yīng)激反應(yīng)，從而使植物更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境[23-24]。本研究結(jié)果表明，去頂處理杉木020無性系不同器官ABA含量普遍高于基部損傷處理，說明杉木去頂損傷后的應(yīng)激反應(yīng)能力強于基部損傷處理。

植物激素是植物自身合成的一類痕量的化合物，在某種器官里的一個組織機構(gòu)中發(fā)生，傳輸?shù)狡渌牟课徊⑶野l(fā)揮一定的作用，控制著某一生理變化的過程[25]。盡管各種植物激素含量較低，但它對植物生長及發(fā)育卻起著十分重要的調(diào)控作用。植物激素運轉(zhuǎn)輸送的速度及方向也會因激素種類的不同而存在一些差異。玉米素核苷(ZR)、IAA、ABA對萌蘗發(fā)生具有抑制作用，GA3具有促進(jìn)作用。沙棘(HippophaerhamnoidesL.)萌蘗數(shù)量、分株生長、克隆擴(kuò)散能力與 IAA、ZR、GA3含量顯著或極顯著正相關(guān)，與 ABA 含量極顯著負(fù)相關(guān)[26-27]。本研究結(jié)果也表明，杉木萌蘗數(shù)與IAA和ABA顯著負(fù)相關(guān)，與GA3顯著正相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果類似[18-19]。

機械損傷條件下，去頂處理020無性系苗萌蘗能力強于基部損傷處理，且不同處理會影響植物的內(nèi)源激素的合成。在機械損傷條件下，杉木幼苗枝葉中IAA含量增加，GA3含量下降；去頂處理有利于枝葉及根尖ABA的積累；基部損傷處理有利于韌皮部及根尖CTK的積累。機械損傷條件下杉木無性系萌蘗的生理應(yīng)答機制與杉木幼苗不同器官植物內(nèi)源激素的含量差異有關(guān)[28-29]。組培苗萌蘗數(shù)明顯高于扦插苗萌蘗數(shù)。因此，在林業(yè)生產(chǎn)實踐過程中，為降低幼撫育成本，在杉木無性造林時建議使用扦插苗進(jìn)行造林。由于扦插苗萌蘗能力相對較強，在幼林撫育時，應(yīng)適時進(jìn)行除萌處理，從而保障杉木無性林分的速生豐產(chǎn)。本研究結(jié)果只能在一定程度上反映機械損傷處理杉木無性系內(nèi)源激素IAA、GA3、ABA、CTK的含量變化，至于在杉木萌芽過程中內(nèi)源激素之間如何維持平衡，以及如何通過協(xié)同作用調(diào)控杉木萌蘗等的機制尚不清楚，這需要今后更深入的研究。