生境、溫度及外源激素對花花柴花器官發(fā)育的影響

畢愿坤 李麗 朱傳應 王彥芹，2

（1. 塔里木大學生命科學學院，阿拉爾 843300；2. 塔里木盆地生物資源保護利用兵團重點實驗室，阿拉爾 843300）

高溫脅迫是限制植物正常生長發(fā)育，造成作物產(chǎn)量和品質降低的重要環(huán)境因素之一。近年來，隨著全球氣候變暖，高溫天氣出現(xiàn)增多，高溫脅迫對植物造成的損傷愈發(fā)嚴重［1］。高溫脅迫造成植物體內(nèi)脫落酸的積累、降低生長激素水平，致使植物生殖器官發(fā)育異常，從而影響植物正常的授粉與結實。

在植物的開花期，不同溫度會對植物的生殖系統(tǒng)造成不同程度的影響，如高溫導致植物花器官發(fā)育不完全或畸形［2］。近年來，國內(nèi)外對花器官的研究主要集中于糧食作物水稻［3］、農(nóng)產(chǎn)品棉花［4-5］等。研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫導致綠色植物開花的時間提前或推后［2］，在研究杏的花器官與坐果的關系中，雌蕊的生長長度對于果實的發(fā)育和坐果起重要作用，表現(xiàn)為花器官雌蕊的長度越長則坐果率越高，果實質量就越好［6］。

植物外源激素是一類同植物內(nèi)源激素具有相似生理功能的人工合成小分子化合物［7］。根據(jù)外源激素產(chǎn)生的作用效果可以將其分為生長促進劑、抑制劑和延緩劑三大類，其在植物種子萌發(fā)、開花、果實成熟、根系生長等方面，植物外源激素起到重要的調(diào)節(jié)作用［8-9］。越來越多的研究證實，植物激素在溫度脅迫中發(fā)揮重要作用，生長素（IAA）作為植物激素中最早發(fā)現(xiàn)的激素，在植物生長發(fā)育過程中起著至關重要的作用。目前，在對棉花［10］和小麥幼苗［11-12］等研究中發(fā)現(xiàn)，外源激素在植物抵抗逆境方面具有良好的調(diào)控作用。

花花柴作為夏季開花植物，長期生長在沙漠等極端環(huán)境，其在40℃以上的條件下依舊可以正常開花結實，表明花花柴花器官對高溫具有較強的耐受性。

目前，外施激素對植物花器官生長發(fā)育的影響等研究較為少見。本研究通過對沙漠植物花花柴花器官耐高溫性的研究，配合外施IAA，找出一種能夠抵抗高溫逆境環(huán)境的最適激素濃度，為提高植物耐高溫性的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

塔克拉瑪干沙漠地區(qū)年平均降水量24.6 mm，年蒸發(fā)量3 638.6 mm，土壤含水量極低，約為0.02%［13］，以沙土為主，最高氣溫可達45℃以上。許麗等［14］對新疆阿拉爾市塔里木大學人工綠地的研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)年平均降水量約50 mm，土壤含水量約為13%，以沙壤土為主，最高氣溫可達40℃左右。本研究所用的花花柴花器官分別采自塔克拉瑪干沙漠和塔里木大學人工綠地。在人工綠地適溫花花柴（room temperature artificial of green space，RTAGS，27-30℃）、人工綠地高溫花花柴（high temperature of artificial green space，HTAGS，40-43℃）、沙漠適溫花花柴（room temperature of desert，RTD，27-30℃）、沙漠高溫花花柴（hot temperature of desert，HTD，40℃以上）不同生長狀態(tài)下采樣，在每種生長狀態(tài)采取5朵開花第3天的花朵放在提前準備好的冰盒里進行保存。在不同的樣地內(nèi)各選取5株生長發(fā)育相似的固定樣株，對標記的花器官于開花前3-4 d進行噴施不同濃度的激素。

1.2 方法

1.2.1 對需要采取的花花柴花器官進行標記 用標簽標記的方式對自然生長狀態(tài)下的花花柴花器官進行標記。因為花花柴的花期較長，所以選擇在花苞期對花器官進行標記。選取室外生長健康的花花柴植株，以花花柴植株倒3-8側枝上的倒3-5朵花掛牌，這些選定的花器官將是后期的試驗材料。

1.2.2 記錄不同溫度下花器官發(fā)育的時間 通過標記、鏡檢不同溫度下發(fā)育的花器官，確定花花柴花器官從花蕾到開花期的時間段。

1.2.3 測量不同溫度下花器官發(fā)育大?。ù苹ɑㄖ⑿刍ɑńz長度）及顯微觀察花器官形態(tài) 在上述4種生長狀態(tài)下分別選取每朵花中的5朵小花進行測量。用解剖針在體視顯微鏡下將小花進行解剖，將雌蕊的花柱和雄蕊的5個花絲分離開，觀察花器官形態(tài)同時進行測量并記錄數(shù)據(jù)。

1.2.4 外施不同濃度IAA后花器官長度的測量 分別配制0.1、0.3和0.5 μmol/L濃度的IAA，噴施方法：自上而下噴施，使激素均勻灑落在整個植株上。噴施后的第3天摘取開花當天的花器官，同時進行第2次激素的噴施，重復3次。每種處理選取5朵花，每朵花選取5朵小花在體視顯微鏡下進行測量花器官大小、雌雄蕊長度。將采好的樣品置于冰盒保存，帶回實驗室進行后續(xù)試驗。

1.2.5 不同溫度下花器官內(nèi)植物激素含量的測定 花花柴花器官內(nèi)植物激素的抽提及HPLC-MS的檢測。

2 結果

2.1 花花柴花器官發(fā)育過程及不同環(huán)境、溫度對其影響

花花柴花器官發(fā)育過程：無論人工綠地還是沙漠環(huán)境下，花花柴花器官從花苞形成到開花結束需要經(jīng)過10 d左右的生長發(fā)育。開花前4-6 d為花苞生長期，該階段花器官逐漸變大、橫徑變寬，開花前5-6 d變化最明顯。開花前1-3 d花苞逐漸變大，纖細的白色冠毛露出花萼。開花當天中心小花的柱頭露出，明顯高于雄蕊；在開花第2-5天，雌蕊柱頭由外圈向內(nèi)圈逐漸露出，高于雄蕊。在開花第6天及以后3 d，雌雄蕊逐漸衰敗，至此花花柴花器官發(fā)育完成。

研究發(fā)現(xiàn)人工綠地花花柴花器官橫徑較寬，而沙漠花花柴花器官橫徑較窄呈細長狀（圖1-A和圖1-B）。對花花柴不同時期的花器官長度進行測定（圖1-C）。在相同溫度條件下，沙漠高溫環(huán)境生長的花花柴比人工綠地高溫生長的花花柴的雌蕊長度更長，為1.23 cm，而雄蕊較短，為0.96 cm；人工綠地適溫比沙漠適溫的雌蕊長度更長，為1.22 cm，而雄蕊較短，為1.06 cm。在相同環(huán)境下，沙漠中生長的花器官高溫比適溫雌蕊長度更長，雄蕊長度相對較短；而人工綠地生長的花器官適溫比高溫雌蕊更長，雄蕊相對較短。沙漠高溫生長的花花柴雌蕊雄蕊相對長度最大，為0.27 cm，人工綠地適溫為0.18 cm，沙漠適溫為0.13 cm，人工綠地高溫生長花花柴雌蕊、雄蕊長度最小，為0.11 cm。通過單因素多重比較，人工綠地適溫雌蕊與人工綠地高溫有顯著性差異；人工綠地適溫雄蕊與沙漠高溫有顯著性差異。人工綠地、沙漠2種環(huán)境中處于適溫（27-30℃）、高溫（40-43℃）2種不同溫度下進行采樣觀察測量的不同時期的花器官生長速率（圖1-D）。從花苞期直到開花前2 d，適溫花器官的生長速率一直比高溫花器官的生長速率快。開花前2 d一直到開花當天，高溫條件下，花器官生長速率比適溫條件下花器官的生長速率快。適溫條件下，開花當天到開花第2天的花器官生長速率加快，已經(jīng)在開花第2天時超過高溫的生長速率，開花第3天時適溫生長花器官生長速率開始降低，高溫花器官生長速率一直領先于適溫花器官的生長速率。

圖1 不同生境條件下花花柴花器官的發(fā)育及生長速度Fig. 1 Development and growth rate of floral organs in K. caspia under different habitat conditions

2.2 高溫條件下外施不同濃度IAA對花花柴花器官雌蕊、雄蕊發(fā)育的作用

高溫條件下，對沙漠、人工綠地生長的花花柴噴施 IAA（0.1、0.3和 0.5 μmol/L 3個濃度梯度）。結果顯示，與對照相比，沙漠環(huán)境中，外施0.1和0.3 μmol/L IAA對花花柴花器官的生長均起促進作用，外施0.5 μmol/L IAA具有抑制作用，其中，無外源激素作用的雌蕊與噴施0.3 μmol/L IAA的雌蕊有顯著性差異，雄蕊與噴施0.3和0.5 μmol/L IAA的雄蕊有顯著性差異；人工綠地環(huán)境中，外施 0.1 μmol/L IAA對花花柴花器官的生長起促進作用，外施0.3 μmol/L IAA對雌蕊具有促進作用，雄蕊則反之，外施0.5 μmol/L IAA對花器官的生長起抑制作用，并且無外源激素作用的雌蕊與噴施0.1和0.3 μmol/L IAA的雌蕊有顯著性差異，雄蕊與噴施0.3和0.5 μmol/L IAA的雄蕊有顯著性差異（圖2-A和圖2-B）。

2.3 溫度對花花柴花器官內(nèi)激素含量的測定

根據(jù)不同環(huán)境溫度下花花柴花器官內(nèi)IAA含量的測定分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高花器官內(nèi)IAA含量呈先上升后急劇下降的趨勢。高溫沙漠下的花器官中IAA的含量顯著低于其他2個環(huán)境溫度（圖3）。人工綠地中，適溫的花花柴花器官中IAA的含量比高溫條件下花花柴花器官中IAA的含量低，而沙漠高溫下花花柴花器官中IAA的含量最低。

2.4 外施不同濃度IAA對花花柴花器官內(nèi)植物激素積累的影響

在外施不同濃度IAA處理下，測定花花柴花器官內(nèi)激素含量的變化（圖4-A）。結果顯示，人工綠地環(huán)境中，與對照相比，SA含量減少，外施0.5 μmol/L IAA減少程度最大；JA含量增加，其中，在外施0.3 μmol/L IAA時增加最為明顯；ABA在外施0.1 μmol/L IAA時含量增加，外施0.3 μmol/L IAA時含量減少，外施0.5 μmol/LIAA時無明顯變化。沙漠環(huán)境中，SA含量減少，外施0.5 μmol/LIAA時減少程度最大；JA含量先減少后增加；ABA含量增加，外施0.1 μmol/L IAA時增加最為明顯。

圖2 不同生境條件下外施IAA 雌蕊、雄蕊的測量長度Fig.2 Measure the length of pistil and stamen while IAA applied in different habitats

圖3 不同生境條件下花花柴花器官內(nèi)IAA 含量的測定Fig.3 Determination of IAA content in the floral organs of K. caspia under different habitat conditions

人工綠地環(huán)境中隨外施IAA濃度的增加促進生長類激素（SA）含量逐漸降低，抑制生長類激素（JA+ABA）含量逐漸增加；沙漠條件下促進生長類激素（SA）含量逐漸降低，抑制生長類激素（JA+ABA）含量呈先降低后迅速增加的趨勢（圖4-B和圖4-C）。

圖4 外施不同濃度IAA 花花柴花器官內(nèi)激素含量的測定Fig.4 Determination of hormone content in flower organs of K. caspia with different concentration of IAA applied externally

3 討論

全球變暖日益嚴重，氣溫不斷升高，最高氣溫和高溫日數(shù)增多等現(xiàn)象在新疆頻繁出現(xiàn)［8］，逆境中的高溫脅迫對植物的生長產(chǎn)生嚴重影響?；ɑú袷且环N長期生長在沙漠中的植物，在40℃以上能正常開花，表明花器官對高溫具有極強的耐受性。開花前2 d適溫促進花苞的生長發(fā)育，從前1 d起高溫促進花朵由花苞向成熟花過渡。從開花當天起，花花柴花器官的生長速度加快直到發(fā)育為成熟花，無論是人工綠地還是沙漠環(huán)境，在高溫條件下，花花柴花器官的生長速度一直比適溫條件生長速度快。夏廣亮等［2］研究結果表明，植物的花器官受高溫脅迫的同時，會提高植物開花的數(shù)量。本研究結果可充分體現(xiàn)這一結論，從開花前2 d起溫度的升高可加速植物開花。

從花器官生長的情況看，人工綠地環(huán)境下生長的花花柴對溫度要求較高，在適溫條件下生長狀態(tài)較好，當高溫出現(xiàn)時會抑制花器官的生長發(fā)育，而沙漠環(huán)境下生長的花花柴則相反，高溫出現(xiàn)反而會加速花器官的生長。洪繼仁等［4］研究表明花朵雌蕊柱頭微高于雄蕊群，可異花授粉也可自花授粉，可提高受精率。當雌蕊柱頭異常高于雄蕊時，成為長柱頭花，或者短柱頭花都會影響結實率。從測定結果看高溫使沙漠環(huán)境下的花花柴柱頭伸長，雌蕊和雄蕊相對長度變大，這與洪繼仁等［4］研究結果一致，與溫度密切相關，進一步說明花花柴花器官對高溫有一定耐受性。

本研究發(fā)現(xiàn)高溫脅迫下的花花柴花器官內(nèi)IAA的含量隨著溫度的升高呈先上升后急劇下降的趨勢，在脅迫初期IAA含量升高可能是一種適應脅迫逆境的生理反應，這一研究結果與前人研究結果一致［15］。非生物脅迫引起內(nèi)源植物激素水平的顯著變化，導致生長抑制，以減少傷害。植物內(nèi)激素含量發(fā)生變化包括CTK、IAA和GA濃度的降低，增加 ABA、JA和SA的含量［16］。SA能夠誘導植物細胞分化，對植物的生長具有促進作用；JA有抑制植物生長、萌發(fā)、促進衰老、提高抗性等生理作用，ABA是植物體內(nèi)最重要的生長抑制劑，它能促進葉、花和果實的脫落，因此，JA 和 ABA 均對植物的生長起抑制作用。JA能夠在高溫等非生物和生物脅迫中保護植物免受影響，且這種影響具有雙重作用［17］。SA、ABA均能夠保護植物免受熱應激的損傷［18-19］。本研究發(fā)現(xiàn)在沙漠高溫環(huán)境中外施0.3 μmol/L的IAA對花花柴花器官內(nèi)植物激素的積累最有利于提高植物抵抗逆境脅迫的能力；人工綠地環(huán)境中外施0.1 μmol/L的IAA對植物花器官的生長發(fā)育最有利。這與在不同生境條件下外施不同濃度IAA試驗測定花花柴花器官雌蕊和雄蕊長度變化所得結果一致。在栗戰(zhàn)帥等［10］研究外施激素對棉花果節(jié)的影響中發(fā)現(xiàn)，IAA對其長度伸長起促進作用，同時發(fā)現(xiàn)其在果節(jié)發(fā)育生長過程中存在協(xié)同作用。張格成等［20］研究結果表明，開花時期和第一次生理落果時期遇上持續(xù)高溫時，能夠及時噴布植物激素，可以顯著地提高坐果率。

4 結論

在開花過程中，高溫能促進花花柴花器官的生長，表明花花柴花器官具有一定的耐高溫性。高溫條件下，外施一定濃度的IAA有利于花花柴花器官的生長發(fā)育。且在沙漠環(huán)境中外施0.3 μmol/L IAA對花器官的生長最有利，人工綠地最適濃度為0.1 μmol/L。