吲哚-3-乙酸對不同遮光條件下紅丁香幼苗生長及光合的影響1)

金夢然 劉雅蘭 趙丹 袁航 劉煜光 史寶勝

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué),保定,071000)

紅丁香是河北省特色的優(yōu)良野生花灌木,花期在紫丁香、白丁香之后,暴馬丁香之前,能夠彌補(bǔ)丁香花期上的空缺。身為丁香屬中的狹域種[1],雖然有研究表明紅丁香抗性強(qiáng)健,對寒冷[2]、干旱[3]、鹽堿[4]等耐受等級均較高,但是對不同光照環(huán)境的適應(yīng)性卻報道較少。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn),在華北地區(qū),夏季露地種植的紅丁香幼苗生長緩慢、葉片卷曲焦邊,日灼現(xiàn)象明顯。因此,探究適宜的生長環(huán)境對在華北地區(qū)和其他高溫、高光照地區(qū)引種紅丁香具有重要意義。

光對植物的生長和發(fā)育至關(guān)重要,不僅因為它為光合作用提供能量,同時還為植物提供了所處環(huán)境的信息[5]。環(huán)境中的光信號可以驅(qū)動植物進(jìn)入下一個發(fā)育階段,如發(fā)芽和開花等;而植物自身在面對不斷變化的、甚至有時是不利的環(huán)境時會不斷改善自身發(fā)育狀態(tài)以適應(yīng)環(huán)境[6]。相關(guān)研究表明,光環(huán)境的改變對植株生長發(fā)育狀態(tài)有深遠(yuǎn)影響[7-8]。而植物這種響應(yīng)光環(huán)境變化從而引起生長和發(fā)育的可塑性很大程度上是通過光調(diào)節(jié)生長素信號系統(tǒng)實現(xiàn)的[9]。

生長素是植物生長發(fā)育的核心調(diào)節(jié)因子,在器官發(fā)育、組織模式和趨向性反應(yīng)中發(fā)揮重要作用[10]。吲哚-3-乙酸(IAA),作為一種天然生長素,常被用來促進(jìn)植株生長。同時,相關(guān)研究表明,外源IAA對逆境脅迫(如弱光、高溫、鹽堿等)起到緩解作用[11-13]。光和生長素之間的聯(lián)系能夠引發(fā)植物的局部反應(yīng)、信號傳導(dǎo)以及地上部和根系之間的協(xié)調(diào)生長等[14]。因此,光信號和生長素在植物生長發(fā)育中缺一不可,探究它們之間的相互作用對調(diào)控植物生長發(fā)育具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為1年生紅丁香幼苗,于2019年4月盆栽于25 cm×18 cm的花盆中,栽培基質(zhì)為V(珍珠巖)∶V(蛭石)∶V(園土)=1∶1∶2的混合基質(zhì)。培養(yǎng)環(huán)境為河北農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林示范基地苗圃,年平均氣溫12.7 ℃,年日照時間2 560 h,年均降水量575.4 mm,年平均蒸發(fā)量1 760 mm,無霜期200 d。

1.2 試驗方法

自2019年7月8日—8月28日對試驗材料進(jìn)行處理,為期50 d。試驗材料分為3大組,分別為對照組(CK全光照)、遮光處理組(LS為25%輕度遮光;MS為50%中度遮光;SS為75%重度遮光)和遮光+IAA噴施處理組(LS+IAA;MS+IAA;SS+IAA,簡稱外施IAA組),每個小組18株幼苗,7個小組共計126株。處理組花盆上方2 m處搭上遮光率分別為25%、50%及75%的遮陰網(wǎng),噴施質(zhì)量濃度為100 mg·L-1的IAA,全株噴施至溶液滴落,每隔2 d噴施1次,連續(xù)噴施10次;對照組噴施等體積的清水。每10 d收集相同位置的葉子(從上往下數(shù)第5或第6片成熟的葉子),用于葉綠素、可溶性糖和內(nèi)源激素的測定,每個樣本一式3份。

1.3 指標(biāo)測定

形態(tài)指標(biāo)的測定。(1)株高:用卷尺測量幼苗出土位置至主莖的頂端,每處理重復(fù)3次,下同。(2)地徑:用游標(biāo)卡尺測量植株出土位置上方5cm處的莖粗。(3)平均節(jié)間長:每處理組統(tǒng)計3株植株的節(jié)間數(shù),同一植株的株高/節(jié)間數(shù)得出平均節(jié)間長度,再求取平均值。(4)葉面積:參考?xì)W宇丹等[15]畫紙稱質(zhì)量的方法。(5)葉片數(shù)量:對各個處理組的3株植物的全株葉片進(jìn)行人工計數(shù)并求取平均值。(6)根冠比:每個處理隨機(jī)選取3株幼苗,將全株從花盆里移出,分為地上部和地下部,清除地下部攜帶的土壤。于85 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱量地上部和地下部的干質(zhì)量,根冠比為地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量。

生理指標(biāo)的測定。葉綠素的測定采用體積分?jǐn)?shù)90%乙醇浸提法[16];可溶性糖采用蒽酮比色法[17]測定;植物激素(GA3、IAA、ABA)的測定參考鄧文紅等[18]方法測定。

光合指標(biāo)的測定。采用美國生產(chǎn)的CIRAS-3便攜式光合測定儀進(jìn)行光合參數(shù)的測定,每10 d進(jìn)行一次。測定時間為晴天上午的08:00—10:00,測定葉片為上數(shù)第4～5片功能葉。測定指標(biāo):凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)。每處理5次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過SPSS 17.0軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,利用Duncan’s法進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源IAA對不同遮光度下紅丁香幼苗形態(tài)的影響

處理50 d后各組紅丁香整株形態(tài)與葉片大小如圖1所示,株高、地徑、平均節(jié)間長、葉面積、葉片數(shù)量的測量結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示,遮光對紅丁香幼苗生長有促進(jìn)作用,隨遮光度的增加,株高顯著增加,分別較CK增加了8.0%、19.9%、9.8%;外源IAA對不同遮光度下紅丁香幼苗的株高同樣有促進(jìn)作用,但在SS下不顯著。同樣的,遮光和噴施IAA對地徑、平均節(jié)間長、葉面積和葉片數(shù)量均有顯著的促進(jìn)作用。整體來看,遮光組的促進(jìn)效果由大到小表現(xiàn)為MS、SS、LS、CK;外施IAA組的促進(jìn)效果由大到小表現(xiàn)為MS+IAA、SS+IAA、LS+IAA,外施IAA組的促進(jìn)效果均強(qiáng)于遮光組。

CK.對照;LS.25%輕度遮光;MS.50%中度遮光;SS.75%重度遮光;LS+IAA、MS+IAA、SS+IAA分別表示不同遮光條件下外施吲哚-3-乙酸(IAA)。

另外,外源IAA還促進(jìn)了不同遮光度下紅丁香幼苗生物量的積累(表2)。遮光和噴施IAA處理對根系干質(zhì)量和地上部干質(zhì)量均有影響。隨遮光度的增加,根系干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,且均高于CK;根冠比則隨遮光度的增加呈下降趨勢,且均顯著小于CK;其中,LS+IAA、MS、MS+IAA的根系干質(zhì)量顯著高于CK,分別是CK的2.15、2.25、3.94倍;地上部干質(zhì)量與根系干質(zhì)量的變化規(guī)律一致。

表1 不同遮光度下外施吲哚-3-乙酸(IAA)時紅丁香幼苗生長的情況

表2 不同處理時根系和根冠比

2.2 外源IAA對不同遮光度下紅丁香幼苗生理特性的影響

2.2.1外源IAA對不同遮光度下紅丁香葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

各處理組葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間進(jìn)程表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢,遮光及噴施 IAA 處理后不同階段的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于CK,在處理的第20天,各處理組均達(dá)到了最大值。此時,CK較第10天上升了19.20%,其他處理組依次比CK升高了18.64%、19.49%、50.00%、61.84%、90.68%、42.37%;遮光處理顯著增加了葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù),隨遮光度增加,葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小表現(xiàn)為SS、MS、LS、CK;在LS和MS處理下,噴施IAA對葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響并不顯著,但在SS處理下,噴施IAA卻使葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著降低(表3)。

2.2.2外源IAA對不同遮光度下紅丁香可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

7個處理組可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨生長進(jìn)程均呈現(xiàn)為先升高后降低的趨勢,且均在處理至30 d時達(dá)到最大值,此時,除LS外,各處理組均與CK差異顯著,可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的處理組為MS+IAA,相比CK升高了25.74%,其次依次為SS+IAA、SS、MS、LS+IAA、LS、CK;同一遮光度下,MS+IAA處理至30 d時與MS出現(xiàn)顯著差異,比MS升高了10.01%,處理至40和50 d時,差異增大,分別比MS升高了12.39%和13.66%;LS、SS處理下噴施IAA對紅丁香幼苗可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響并不顯著(表3)。

表3 不同處理時紅丁香幼苗葉綠素和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2.3外源IAA對不同遮光度下紅丁香幼苗內(nèi)源激素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由表4可知,各處理組內(nèi)源赤霉素(GA3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨處理時間均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在處理的各個時間,遮光組與外施IAA組的GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于CK,且外施IAA組的GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于遮光組。遮光和IAA處理均對內(nèi)源IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成了顯著的影響。遮光處理后內(nèi)源IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化由大到小為MS、SS、LS、CK;外施IAA處理后內(nèi)源IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小為MS+IAA、SS+IAA、LS+IAA、CK;處理至30 d時,各處理組達(dá)到本組最大值,此時MS和MS+IAA內(nèi)源IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別較CK提高了29.17%和73.70%。另外,遮光組和外施IAA組ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于CK,隨著處理進(jìn)程,CK中ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直升高,第50天時ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)是第10天時的4.02倍,其他處理組中ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢為先升高后降低;隨遮光度的增加,ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢由大到小為CK、LS、MS、SS;同一遮光度下,外施IAA降低了ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù),處理至30 d時,LS+IAA比LS降低了17.92%,MS+IAA比MS降低了27.02%,SS+IAA比MS降低了11.31%。

表4 不同處理時紅丁香幼苗內(nèi)源激素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 外源IAA對不同遮光度下紅丁香幼苗光合作用的影響

凈光合速率(Pn)反映了植物在單位時間內(nèi)積累有機(jī)物的量,由表5可知,遮光和外施IAA均能使Pn增大;處理初期(第10天),各處理組的Pn已經(jīng)與CK發(fā)生了顯著變化,此時CK的Pn為3.68 μmol·m-2·s-1,其他處理組依次比CK高出57.61%、79.35%、81.52%、117.39%、52.72%、76.09%;處理中期(第30天)與初期時Pn的變化規(guī)律大致相同,此時各處理組的Pn均達(dá)到最大值,Pn最大的處理組為MS+IAA(14.30 μmol·m-2·s-1),是CK的2.42倍;處理末期(第50天),各處理組Pn均有所下降,但仍顯著高于CK。遮光后蒸騰速率(Tr)較CK升高,MS和SS處理下Tr處于較高水平且與CK差異顯著;同一遮光度下,外施IAA對Tr有促進(jìn)作用。隨遮光度的增加,胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)(Ci)表現(xiàn)為先降低后升高,在MS處理下出現(xiàn)最低值;同一遮光度下外施IAA對Ci影響并不顯著。氣孔導(dǎo)度(Gs)隨遮光度的增加呈現(xiàn)由大到小的規(guī)律為MS、SS、LS、CK;同一遮光度下外施IAA進(jìn)一步提高了Gs值,且在MS下效果較為顯著。

3 討論與結(jié)論

3.1 遮光促進(jìn)紅丁香幼苗生物量的積累

遮蔭條件主要引起紅光與遠(yuǎn)紅光的比例和光合有效輻射(PAR)兩種信號因子的變化。當(dāng)植物暴露在蔭蔽環(huán)境時,它們表現(xiàn)出耐蔭和避蔭兩種不同的策略[19-20]。耐蔭反應(yīng)優(yōu)化了植物對光的捕獲和利用,包括增大葉面積、增多分枝、增加葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)等,這些都有助于葉片中有機(jī)物的增加。避蔭反應(yīng)植物則常常通過光感受器信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)增加莖的伸長,從而使葉片最大限度地捕捉光能。因此,有避蔭反應(yīng)的植物為了競爭陽光而長得又高又細(xì),莖、葉、根的能量分配發(fā)生了變化,導(dǎo)致葉片的發(fā)育受阻。

表5 不同處理時紅丁香幼苗光合指標(biāo)

由于植物對遮光會產(chǎn)生上述兩種不同的反應(yīng),因此,遮光后形態(tài)的變化也是有差別的。根據(jù)前人研究結(jié)果來看,差別的產(chǎn)生源于植物本身是否耐蔭或者喜蔭。相關(guān)研究證明,如大豆[21]、水稻[22]、小麥[23]、馬鈴薯[24]等農(nóng)作物遮光后光合作用降低,能量分配偏向于莖稈的伸長而導(dǎo)致徒長,嚴(yán)重影響其產(chǎn)量。而也有研究結(jié)果顯示,遮光可以減少高溫和高光的損傷從而促進(jìn)幼苗的生長發(fā)育。張文慧等[25]通過遮光處理探究小?？Х?Coffeaarabica)幼樹的最佳光照條件發(fā)現(xiàn),輕度遮光增加了葉綠素總量、光合速率以及光能利用效率,使得總生物量顯著提高。陳青等[26]對橡膠樹組培苗進(jìn)行遮光處理,得出了90%遮光有利于橡膠樹組培苗的生長,顯著提高了株高、葉面積和葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由此可知,遮光對植株生長發(fā)育的影響與植株對光的需求密切相關(guān),而對光的需求又因植物種類、植株發(fā)育時期的不同而差異明顯。但可以確定的是,處于幼苗期的植株更容易受到高溫或者高光的脅迫[27-28]。

本研究中,弱光處理,甚至是重度遮光,紅丁香幼苗并未表現(xiàn)出受到弱光脅迫的表征。遮光后紅丁香幼苗的莖確實伸長,但莖粗也有所增加,且葉片、根的生物量積累也顯著增加。這就意味著,遮光并沒有讓紅丁香幼苗產(chǎn)生避蔭反應(yīng),恰恰相反,遮光為紅丁香幼苗營造了一個更為舒適的生長環(huán)境,使得整個植株相比CK表現(xiàn)出生長發(fā)育更為旺盛的情況,且生物量的積累在根、莖、葉等部位均衡分布,沒有出現(xiàn)以犧牲根和葉片發(fā)育為代價而徒長的現(xiàn)象。從形態(tài)上來看,遮光處理后紅丁香幼苗的株高、地徑、節(jié)間長、葉面積和葉片數(shù)量均較CK有所提高,其中以MS(50%中度遮光)效果最好;另外,遮光處理增加了紅丁香幼苗地上部和根系的干質(zhì)量,使得總生物量的積累得到了增加。并且,由CK與SS(75%重度遮光)的長勢可知,即使是重度遮光(75%重度遮光),紅丁香幼苗都沒有表現(xiàn)出弱光脅迫,株高、葉面積等均大于CK;葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4種遮光度中最高,說明75%重度遮光并沒有抑制紅丁香葉綠素的合成;GA3和IAA兩種促生長型植物激素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較CK增加;凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)反映光合作用的指標(biāo)也均好于CK;反而是CK,植株的發(fā)育不良,較低的Pn、Gs以及較高的ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)推測其受到強(qiáng)光脅迫。已有很多研究證實重度遮光會抑制光合作用從而減弱植株的長勢[29-30]。紅丁香幼苗沒有出現(xiàn)這種情況的原因可能是具有較強(qiáng)的耐蔭性。綜上所述,不同程度的遮光處理通過提高葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣孔導(dǎo)度(Gs)促進(jìn)了光合作用,并且促生長型激素吲哚-3-乙酸(IAA)和赤霉素(GA3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加,從而促進(jìn)了生物量積累。

3.2 IAA協(xié)同遮光對紅丁香幼苗生物量積累起正調(diào)控作用

適宜質(zhì)量濃度的IAA具有促進(jìn)植株生長的作用,這毋庸置疑并且得到了很多研究的驗證[31]。有研究認(rèn)為,外源IAA能夠促進(jìn)葉綠素的合成從而增強(qiáng)光合作用進(jìn)而提高生物量的積累[32],此途徑IAA發(fā)揮作用的機(jī)理類似于遮光引起的效果。王忠[33]發(fā)現(xiàn)生長素能夠促進(jìn)氣孔張開,推測Pn的提高可能是由于外源IAA誘導(dǎo)的Gs增大引起的。還有研究認(rèn)為,外源IAA能夠引起GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,而GA3有利于氣孔的開合從而增強(qiáng)光合作用[34]。類似的,外源IAA通過降低植物體內(nèi)ABA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩解環(huán)境脅迫,進(jìn)而減弱ABA對Gs的抑制作用[35]。外源IAA還對油菜素內(nèi)酯(BR)的合成有正向調(diào)控作用從而促進(jìn)植株的生長[36]。這些都是通過影響內(nèi)源激素合成進(jìn)而對植株形態(tài)進(jìn)行調(diào)控的。另外,IAA作為一種信號因子,通過影響類黃酮、木質(zhì)素等次生代謝產(chǎn)物的合成積累同樣可以達(dá)到調(diào)控植株形態(tài)和生物量積累的作用[37-39]。而在本研究中,噴施IAA后GA3以及IAA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少,這與前人研究結(jié)果基本一致,也從側(cè)面說明了光與生長素調(diào)控植株生長發(fā)育的機(jī)制較為復(fù)雜,存在著多種成分間的相互作用。

目前,對于光和IAA同時調(diào)控植株生長發(fā)育的研究較少。苗永美等[40]對甜瓜進(jìn)行遮光試驗發(fā)現(xiàn),其生長和葉綠素合成受到抑制,非氣孔限制因素引起光合作用下降;而噴施IAA能顯著提高株高、葉面積以及地徑,同時促進(jìn)葉綠素的合成,促進(jìn)植株生物量積累;有趣的是正常光下IAA對甜瓜植株光合能力有一定的抑制作用,表現(xiàn)為Ci明顯上升,Pn和水分利用效率下降,Gs則無明顯變化,在弱光條件下才會促進(jìn)光合使Pn顯著升高。同樣的,李益清等[41]研究發(fā)現(xiàn)Ca2+可增強(qiáng)番茄植株對弱光脅迫的耐受性,而IAA可增強(qiáng)Ca2+的正調(diào)控作用,即IAA與Ca2+同時對弱光脅迫的緩解作用比單獨(dú)施加Ca2+的效果好。外施IAA后處于弱光脅迫下的番茄的株高、莖粗及干物質(zhì)積累均顯著提高,可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性固形物以及糖酸比等均顯著增加,植株長勢、單果質(zhì)量及單株產(chǎn)量等甚至高于不遮光處理的番茄。從前人研究結(jié)果來看,IAA在遮光環(huán)境下起促進(jìn)生長的作用,這與本研究結(jié)果一致。但與本研究不同的是,甜瓜、番茄等喜光植物,它們需要一定光照來維持植株生長發(fā)育,尤其是果實的發(fā)育,遮光處理于它們而言是弱光脅迫,不利于生長,甚至影響果實產(chǎn)量。而外源IAA能保護(hù)弱光脅迫下植株的光合機(jī)構(gòu),使其能維持較高的光合能力,從而促進(jìn)物質(zhì)的積累,因此外源IAA則起到了緩解弱光脅迫的作用。目前已有很多研究證明了IAA在調(diào)控植物逆境脅迫中起重要作用[42-45]。而在本研究中,外源IAA作為遮光后紅丁香幼苗生長發(fā)育的正調(diào)控因子,與遮光協(xié)同促進(jìn)了幼苗的形態(tài)建成與生物量的積累,推測外源IAA通過增強(qiáng)促生長型激素(IAA、GA3等)的合成達(dá)到促進(jìn)不同遮光條件下紅丁香幼苗生長發(fā)育的效果,然而內(nèi)在的作用機(jī)制需要進(jìn)一步的組學(xué)手段進(jìn)行驗證。