生境對無芒雀麥幼穗分化進(jìn)程及生殖格局的影響

陳映霞，杜雨，王玉祥，張博，阿迪萊·阿布都熱合曼

（西部干旱荒漠區(qū)草地資源與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

穗粒數(shù)是由穎花數(shù)和小花結(jié)實(shí)率構(gòu)成，是小花分化、發(fā)育、退化和結(jié)實(shí)等一系列生理過程的最終體現(xiàn)。幼穗分化過程以莖尖生長錐的伸長開始至其結(jié)實(shí)器官的形成結(jié)束，這一過程直接影響到該植物花序的小穗數(shù)和小花數(shù)，小穗和小花的數(shù)目對植物后期的受精作用有一定的影響，以至于決定植物的結(jié)實(shí)飽滿度、種子產(chǎn)量和抗病蟲害能力等重要的經(jīng)濟(jì)性狀［1］。種子產(chǎn)量受穗長、每穗枝梗數(shù)、每枝梗小穗數(shù)、每小穗小花數(shù)等因素影響，而枝梗、小穗與小花生長發(fā)育都屬于幼穗分化時(shí)期［2］。研究發(fā)現(xiàn)，減少小麥（Triticum aestivum）單棱期時(shí)間與減慢二棱期分化速率都可影響小麥最后產(chǎn)量；植物生長調(diào)節(jié)劑處理多年生黑麥草（Lolium perenne）在幼穗二棱期能提高單個(gè)花序種子數(shù)；水稻（Oryza sativa）苞分化期噴施一定量細(xì)胞分裂素有利于增加穗粒數(shù)［3-5］，因此幼穗分化時(shí)期是形成禾本科種子的關(guān)鍵時(shí)期。目前有關(guān)植物幼穗分化的研究比較多且涉及植物種類比較廣，如水稻［6-7］、小麥［8］、披堿草（Elymus dahuricus）［1］、老芒麥（Elymus sibiricus）［9］等，均取得了一定的研究成果。

無芒雀麥（Bromus inermis）是一種多年生禾本科優(yōu)良牧草，圓錐花序，異花授粉，是建立人工草場和環(huán)保固沙的主要草種，是新疆和北方各地牧草產(chǎn)業(yè)化、退耕還草和道路護(hù)坡的首選優(yōu)質(zhì)牧草之一［10］。目前有關(guān)無芒雀麥的研究多是種子生產(chǎn)［11］、抗性研究［12］和水肥耦合［13］等，有關(guān)無芒雀麥幼穗分化及生境對其影響的研究尚未有報(bào)道?；诖?，本試驗(yàn)研究不同生境下無芒雀麥的幼穗分化進(jìn)程及生殖格局分配，探索其生長發(fā)育規(guī)律，為合理擴(kuò)繁無芒雀麥種子、提高種子產(chǎn)量和品質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)在新疆烏魯木齊頭屯河區(qū)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪實(shí)驗(yàn)農(nóng)場（87°28′08″E，43°52′30″N，海拔680 m）和烏魯木齊南山謝家溝試驗(yàn)站（87°02′07″E，43°31′04″N，海拔1630 m），以2020年5月播種的烏蘇1號無芒雀麥為材料，播量為6.66 kg·hm-2，行距為20 cm。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪實(shí)驗(yàn)農(nóng)場位于天山北坡頭屯河中上游平原，屬于荒漠綠洲區(qū)，中溫帶大陸性干旱氣候，全年平均氣溫為7.2℃，年降水量為228.8 mm，年蒸發(fā)量為2647 mm，無霜期為170～180 d；烏魯木齊南山謝家溝試驗(yàn)站地處天山北坡中低山帶，屬于高海拔地帶，平緩坡麓山地草原草地，中溫帶大陸性氣候，全年平均氣溫為3.3℃，年降水量為300 m，年蒸發(fā)量1100～1300 mm，無霜期為120～140 d。

1.2 試驗(yàn)方法

2021年，從無芒雀麥返青期開始，每隔3 d取一次樣，每次剪取20個(gè)生長一致的無芒雀麥枝條解剖，在體視顯微鏡（T1-3M180，深圳）下觀察其莖尖生長錐的形態(tài)變化，按眾數(shù)表現(xiàn)確定幼穗分化的發(fā)育時(shí)期，并通過拍照記錄幼穗分化進(jìn)程確定幼穗分化的時(shí)期。

花序長度（cm）：成熟期隨機(jī)剪取30個(gè)生殖枝，用游標(biāo)卡尺測量長度。分蘗數(shù)（No.·m-2）、生殖枝數(shù)（No.·m-2）：成熟期隨機(jī)選取0.5 m樣段，重復(fù)3次，統(tǒng)計(jì)分蘗數(shù)與生殖枝數(shù)，計(jì)算出單位面積內(nèi)分蘗數(shù)與生殖枝數(shù)。每花序小花數(shù)、每花序小穗數(shù)：開花期隨機(jī)選取30個(gè)花序，統(tǒng)計(jì)小花數(shù)與小穗數(shù)。每花序種子數(shù)：成熟期隨機(jī)選取30個(gè)花序，統(tǒng)計(jì)種子數(shù)。種子產(chǎn)量（kg·hm-2）：成熟期隨機(jī)刈割1 m2（1 m×1 m），重復(fù)3次，自然風(fēng)干、脫粒、稱重，計(jì)算單位面積產(chǎn)量（kg·hm-2）。千粒重（g）：種子成熟后隨機(jī)選取1000粒種子稱重計(jì)數(shù)，重復(fù)3次。結(jié)實(shí)率（%）：結(jié)實(shí)率=種子數(shù)/小花數(shù)×100。內(nèi)源激素含量：在不同幼穗分化時(shí)期稱取80～100 mg幼穗樣品，采用酶聯(lián)免疫吸附檢測法［14］分別檢測赤霉素（gibberellin，GA）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CTK）和脫落酸（abscisic acid，ABA）含量，重復(fù)3次?？扇苄缘鞍祝╯oluble protein，SP）含量：在不同幼穗分化時(shí)期稱取80～100 mg功能葉葉片樣品，采用考馬斯亮藍(lán)染色法測定SP含量［15］，重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用Adobe Photoshop 2021及Graphpad Prism 6.0軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼穗分化過程

無芒雀麥幼穗分化經(jīng)歷分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期4個(gè)物候期（表1），根據(jù)禾本科花序生長發(fā)育形態(tài)特征，將無芒雀麥幼穗分化劃分為8個(gè)時(shí)期：初生期、伸長期、結(jié)節(jié)期、小穗原基分化期、小花原基分化期、雌雄蕊原基分化期、雌雄蕊形成期、完穗期。

表1 不同地區(qū)幼穗分化時(shí)期與穗長變化以及所處物候期關(guān)系Table 1 The relationship between young spike differentiation stages，differentiation length and phenological in different regions

2.1.1 初生期 植株處于分蘗時(shí)期，莖尖生長點(diǎn)微微高于葉原基，葉原基內(nèi)開始凸起，呈透明狀半圓形球體，高度小于寬度，為第一苞原基，它的出現(xiàn)標(biāo)志植株由營養(yǎng)生長進(jìn)入生殖生長，葉原基不再分化，生長速度緩慢（圖1A）。

2.1.2 伸長期 植株依舊處于分蘗時(shí)期，生長錐伸長，高度大于寬度，整體形狀表現(xiàn)為筍狀，相連葉原基的間距及生長錐的體積較初生期明顯變大（圖1B）。

2.1.3 結(jié)節(jié)期 植株處于分蘗末期，第一苞原基底部分化層層凸起，不同層次腋部由底部向上依次開始向外生長饅頭狀突點(diǎn)，直至莖尖，且逐漸變小，即第1次枝梗原基。隨后第1次枝梗原基底部再次向上分化出新的凸起，形成第2次枝梗原基，分化結(jié)束后，一部分第2次枝梗原基向上進(jìn)行最后一次分化，生成第3次枝梗原基，至此枝梗原基分化結(jié)束（圖1C～F）。

2.1.4 小穗原基分化期 植株此時(shí)進(jìn)入拔節(jié)期，生長錐最上方枝梗原基最先開始發(fā)育，向下又一次分化新的饅頭狀凸起，小穗原基開始形成。隨后不同小穗原基兩側(cè)底部先后分化出第1穎片、第2穎片兩片穎片原基，且第1穎片短于第2穎片。生長分化速度較之前時(shí)期加快（圖1G～H）。

2.1.5 小花原基分化期 植株仍處于拔節(jié)期，第2穎片原基上繼續(xù)生長分化出外稃原基，不同外稃原基上相繼長出新的半圓球體狀凸起，即小花原基，交互生長，生長分化速度持續(xù)加快（圖1I）。

觀察整個(gè)花序分化順序，發(fā)現(xiàn)就不同枝梗而言，生長錐頂端第1枝梗穎片原基與小花原基最先分化，相同小枝梗上穎片原基與小花原基自下逐漸向上發(fā)育。

2.1.6 雌雄蕊原基分化期 植株處于孕穗期，小花原基分化出4個(gè)饅頭狀透明凸起，3個(gè)凸起呈等邊三角形將中間的小凸起包圍，即雄蕊原基將雌蕊原基圍在中間，與此同時(shí)第一外稃與第一內(nèi)稃襁褓狀包裹住單個(gè)小穗（圖1J～L）。

圖1 無芒雀麥幼穗分化過程Fig.1 Differentiation process of young spike of B.inermis

2.1.7 雌雄蕊形成期 植株處于孕穗期，雄蕊原基初步橫向生長，中間出現(xiàn)一條淺縫將其一分為二，隨后向上生長形成藥隔四分體，最后形成花藥與花絲；雌蕊原基中間生長速度小于外部，形成向下凹陷狀態(tài)，外部不規(guī)則環(huán)狀與雄蕊原基底部相連，而后發(fā)育成子房、花柱以及柱頭。此生長階段最長（圖1M～O）。

2.1.8 完穗期 植物進(jìn)入抽穗期，小穗持續(xù)生長發(fā)育，花藥由嫩綠色變?yōu)辄S色，雌蕊兩側(cè)形成羽狀柱頭，子房中間存在一條凹陷，整體呈帆船形。生長速度變緩慢（圖1P～R）。

生境對無芒雀麥幼穗發(fā)育進(jìn)程有影響（表1）。三坪農(nóng)場的幼穗比謝家溝提前28 d開始分化，且分化周期比謝家溝多6 d。三坪農(nóng)場的無芒雀麥從4月上旬的分蘗期進(jìn)入幼穗分化，5月中旬抽穗期結(jié)束幼穗分化，歷時(shí)42 d；謝家溝的無芒雀麥從5月上旬的分蘗期進(jìn)入幼穗分化，6月上旬抽穗期結(jié)束幼穗分化，歷時(shí)36 d。兩地?zé)o芒雀麥幼穗分化各時(shí)期中均是初生期的周期最短，為2 d；抽穗期的周期最長，三坪農(nóng)場為9 d，謝家溝為8 d。兩地?zé)o芒雀麥的幼穗長度在初生期與伸長期差異不顯著，其他時(shí)期差異顯著，其中謝家溝的幼穗長度顯著大于三坪農(nóng)場（P＜0.05）。

2.2 開花習(xí)性

三坪農(nóng)場無芒雀麥從5月下旬開始開花，5月末6月初進(jìn)入盛花期，單個(gè)小穗花期持續(xù)7 d左右，單個(gè)花序花期持續(xù)12 d左右；謝家溝無芒雀麥從6月中旬開始開花，中下旬進(jìn)入盛花期，單個(gè)小穗花期持續(xù)5 d左右，單個(gè)花序花期持續(xù)8 d左右，兩地的小花均一般集中在17：00-20：00開放（表2）。花序上端的小穗最先響應(yīng)開花，而后逐漸向下至花序底部，且第2枝梗與第3枝梗開放順序依舊由上及下，但上部枝梗的小花并未完全開放完時(shí)，下部枝梗的小花已經(jīng)開始開放，輪生在第1枝梗上同一位置的不同第2枝梗開花時(shí)間相隔較短。單個(gè)小穗開放4～9個(gè)小花，同一小穗上位于基部靠近外穎的小花首先開放，由下及上逐漸至小穗頂部，少數(shù)頂端第一朵小花開放，下部枝梗小穗開花周期短于上部枝梗小穗（圖1R～S）。

表2 不同地區(qū)無芒雀麥開花習(xí)性Table 2 The flowering habit of B.inermis in different regions

2.3 生境對穗部GA、CTK、ABA及葉片可溶性蛋白（SP）含量的影響

兩種生境下的無芒雀麥穗部內(nèi)源激素和葉片可溶性蛋白變化規(guī)律基本一致（圖2）。其中，謝家溝的無芒雀麥各時(shí)期穗部的GA與葉片可溶性蛋白含量均高于三坪農(nóng)場，GA含量總體呈先增后減趨勢，在小花原基分化期達(dá)到峰值，并顯著高于其他時(shí)期（P＜0.05）；兩地葉片可溶性蛋白含量均呈“增-減-增”折線變化趨勢，分別在結(jié)節(jié)期出現(xiàn)第一峰值，小花原基分化期出現(xiàn)凹點(diǎn)，完穗期出現(xiàn)第二峰值，且第二峰值顯著大于第一峰值。CTK含量從初生期開始至雌雄蕊原基分化期逐漸達(dá)到峰值，隨后急劇下降，在完穗期達(dá)到最低值；從小穗原基分化期開始，三坪農(nóng)場的CTK含量顯著高于謝家溝。三坪農(nóng)場和謝家溝的無芒雀麥幼穗的ABA含量在初生期至雌雄蕊原基分化期緩慢增加，但在后兩個(gè)時(shí)期快速上升，至完穗期含量最高，分別是初生期的12.51、16.41倍。

圖2 無芒雀麥幼穗分化各時(shí)期穗部內(nèi)源激素及葉片可溶性蛋白含量的變化Fig.2 Changes of endogenous hormones and leaf soluble protein content in young spike of B.inermis at different stages of spike differentiation

2.4 生境對無芒雀麥產(chǎn)量因子的影響

無芒雀麥部分產(chǎn)量構(gòu)成性狀受生境影響發(fā)生改變（表3）。兩地之間單位面積分蘗數(shù)、生殖枝數(shù)與每花序小花數(shù)無顯著差異，三坪農(nóng)場每花序小穗數(shù)與千粒重顯著大于謝家溝（P＜0.05），而謝家溝每花序種子數(shù)、花序長度與結(jié)實(shí)率顯著大于三坪農(nóng)場，因而謝家溝無芒雀麥種子產(chǎn)量顯著高于三坪農(nóng)場。

表3 不同生境對無芒雀麥產(chǎn)量性狀的影響Table 3 Effects of different habitats on yield and traits of B.inermis

如表4所示，分化前四期中葉片可溶性蛋白在初生期起主導(dǎo)作用，GA、CTK、ABA在結(jié)節(jié)期共同作用；分化后四期中GA關(guān)聯(lián)性皆高于其他指標(biāo)，但在小花原基分化期與雌雄蕊原基分化期GA關(guān)聯(lián)性最高。無芒雀麥幼穗分化進(jìn)程中關(guān)聯(lián)度排序由高到低依次為GA、ABA、葉片可溶性蛋白（SP）、CTK。

表4 無芒雀麥產(chǎn)量因子與穗部內(nèi)源激素及葉片可溶性蛋白含量的灰色關(guān)聯(lián)性分析Table 4 Grey correlation analysis between yield factors and endogenous hormones in spike and soluble protein content in leaves of B.inermis

3 討論

3.1 幼穗分化時(shí)期劃分與開花習(xí)性

我國學(xué)者對禾本科植物幼穗分化進(jìn)行研究，所涉及的牧草種類繁多，有披堿草［1］、高羊茅（Festuca arundinacea）［16］、柳枝稷（Panicum virgatum）［17］等。大多數(shù)禾本科植物幼穗分化存在相似與差別，例如圓錐花序中無芒雀麥幼穗與高羊茅、草地早熟禾（Poa pratensis）［18］、柳枝稷幼穗分化有第2、3枝梗原基，但彼此之間長短形狀不一，分化物候期不一致，草地早熟禾第2、3枝梗原基期為返青期，高羊茅與無芒雀麥第2、3枝梗原基為分蘗期，柳枝稷枝梗原基分化期為拔節(jié)期，所以不同學(xué)者對同一花序類型不同植物幼穗分化時(shí)期劃分的標(biāo)準(zhǔn)也不同，高羊茅與草地早熟禾幼穗分化過程劃分為5個(gè)時(shí)期，柳枝稷幼穗分化過程分為9個(gè)時(shí)期［17］。另外同種植物不同學(xué)者劃分標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，如毛培勝等［9］將老芒麥幼穗分化過程劃分為8個(gè)時(shí)期，而賀曉等［19］將老芒麥的幼穗分化分為5個(gè)時(shí)期。雖然無芒雀麥幼穗各個(gè)時(shí)期分化速度不同，但具有一定的規(guī)律性。以花序?yàn)檎w，小穗原基向下分化，這與前人研究的柳枝稷［17］、高羊茅［16］生長順序一致；以小穗為整體，小花原基向上分化，披堿草［3］亦是如此。本研究結(jié)合無芒雀麥分化速度、分化特點(diǎn)以及物候期，將其劃分為8個(gè)時(shí)期。

不同植物開花習(xí)性有所不同。以花序?yàn)檎w時(shí)，如草地早熟禾［18］等從花序頂部向下依次開放，鴨茅（Dactylis glomerata）［20］等從花序中上部同時(shí)向兩端依次開放，披堿草［1］等從花序中下部同時(shí)向兩端開放，無芒雀麥整穗的開花順序則與草地早熟禾一致，即從頂部向下逐漸開花。以小穗為整體時(shí)，高羊茅［16］、草地早熟禾［18］等小穗頂部最先開花，靠近小穗基部的小花由下及上開至頂部第2朵小花；梭羅草（Roegneria thoroldiana）［21］等由小穗基部向上逐步開放，長葉雀稗（Paspalum longifolium）［22］等則是由小穗中上部同時(shí)向兩端開放，無芒雀麥小穗的開花順序與梭羅草一致，即由基部向上逐步開花。溫度對植物開花習(xí)性影響較大，一旦花期遇到高溫會造成生殖敗育，植物為了繁衍后代、提高授粉結(jié)實(shí)率，往往避開高溫開花，如早稻花期一旦遇到高溫天氣，日開花高峰會提前，最大日開花率下降，夜開花率增加［23］；高羊茅會隨著日間溫度的變化錯(cuò)開正午高溫時(shí)段提早及延后開花［9］，同樣，無芒雀麥為了避開高溫時(shí)段，會在17：00-20：00集中開花。

3.2 不同生境幼穗分化各時(shí)期周期及生理變化

溫度與光照對植物生殖器官的形成有著重要影響［24］。無芒雀麥作為長日照植物，在春化完成后，花序發(fā)生和發(fā)育需要長日照和溫暖的氣候［25］，溫度升高有利于加快幼穗分化進(jìn)程［26］。內(nèi)源激素產(chǎn)生于植物本身，同時(shí)又作用于植物的生長發(fā)育，其中GA、CTK、ABA等內(nèi)源激素是影響穗部形成結(jié)實(shí)粒數(shù)的關(guān)鍵因素，對花的發(fā)育具有重要調(diào)控作用［27-28］。

本研究結(jié)果表明三坪農(nóng)場無芒雀麥幼穗分化周期長于謝家溝，這是因?yàn)楦邼舛鹊腉A與CTK抑制幼穗分化，延長幼穗分化時(shí)間［29-30］，并且謝家溝較高的光照強(qiáng)度與日間積溫能夠加快幼穗分化進(jìn)程，縮短幼穗發(fā)育的時(shí)間［31］。三坪農(nóng)場無芒雀麥花序長度與株高顯著低于謝家溝，說明高濃度的GA促進(jìn)植物的莖和穗伸長生長［29］。而三坪農(nóng)場無芒雀麥的小花數(shù)高于謝家溝，這是因?yàn)橛姿胫蠧TK含量從小穗原基分化期開始顯著高于謝家溝，較高的CTK含量能夠增加每花序穎花數(shù)［32］，同時(shí)ABA含量在伸長期與雌雄蕊原基分化期之間三坪農(nóng)場低于謝家溝，謝家溝日間積溫高，幼穗分化快、周期短，直接影響小花的發(fā)育［33］，低含量的ABA有利于花芽的形成或花枝的發(fā)育［34］，比如小麥四分體形成期高含量的ABA顯著抑制小花的發(fā)育［35］，雌雄蕊原基分化期后ABA含量增加速率加快，此時(shí)無芒雀麥小花分化也已完成，所以三坪農(nóng)場的小花數(shù)大于謝家溝?？扇苄缘鞍资侵参矬w內(nèi)多種酶的主要組成部分，間接或直接參與植物生理生化反應(yīng)，同時(shí)也是植物體內(nèi)氮素營養(yǎng)狀況的重要體現(xiàn)［15］。兩地?zé)o芒雀麥功能葉片可溶性蛋白含量在幼穗分化時(shí)期表現(xiàn)為“增-減-增”，在小花原基分化期出現(xiàn)最低值并之后總體增加的現(xiàn)象，表明植物穗部在分化時(shí)期是一個(gè)不斷積累消耗營養(yǎng)物質(zhì)的過程［36］；在植物適宜生長溫度范圍內(nèi)，晝夜溫差越大，越有利于營養(yǎng)物質(zhì)的增加與儲存［37］，高海拔地區(qū)光照強(qiáng)，晝夜溫差大于平原地區(qū)，無芒雀麥作為冷季型牧草，適宜生長最低溫度低，所以謝家溝葉片可溶性蛋白含量高于三坪農(nóng)場。

謝家溝位于高海拔地帶，相比于三坪農(nóng)場平原干熱地區(qū)光照強(qiáng)，年回溫時(shí)間晚，無霜期時(shí)間短，在幼穗分化期間日間積溫高，晝夜溫差大，使得無芒雀麥幼穗分化開始晚，全生育期短，抽穗期后干物質(zhì)分配到穗與莖鞘、葉中比例不平衡［38］，千粒重顯著低于三坪農(nóng)場，株高顯著高于三坪農(nóng)場。盡管三坪地區(qū)小花數(shù)多于謝家溝地區(qū)，但弱光與高溫?zé)岷νㄟ^影響植物花粉發(fā)育與受精率導(dǎo)致結(jié)實(shí)率下降［39］，所以高海拔地區(qū)結(jié)實(shí)率與種子產(chǎn)量大于荒漠綠洲區(qū)。

4 結(jié)論

無芒雀麥幼穗分化分為8個(gè)時(shí)期，貫穿分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期與抽穗期。幼穗分化順序就不同枝梗而言，在生長錐頂端的第1枝梗原基與小花原基最先分化，相同小枝梗上原基與小花原基自下向上發(fā)育；小花開放以花序?yàn)檎w，從花序頂部逐步向下，以小穗為整體，靠近小穗基部的小花由下至頂部。與荒漠綠洲區(qū)相比，高海拔地區(qū)的無芒雀麥幼穗分化晚，周期短，結(jié)實(shí)率與種子產(chǎn)量高，更適合進(jìn)行無芒雀麥種子生產(chǎn)。