GA3和Spd对杜鹃开花期光合特性和抗氧化系统的影响

徐倩,李华雄,黄文沛,鲜小林,李青,赵胤,陈睿,潘远智*

(1.四川农业大学风景园林学院，成都 611130；2.四川省内江市农业科学院，四川 内江 641000；3.四川省农业科学院园艺研究所，成都 610066；4.西藏自治区农牧科学院，拉萨 850000)

杜鹃花(Rhododendronsp.)是杜鹃花科(Ericaceae)杜鹃花属多年生木本花卉，是我国十大名花之一,其种类繁多，花色艳丽，具有较高的观赏价值和经济价值，目前在园林中应用广泛[1]。随着城市化水平的提高，花卉产业快速发展。植物生长调节剂因其具有微量、高效的特点在促进植物开花和提高花卉品质方面应用越来越广泛。其中，赤霉素(GA3)和亚精胺(Spd)是两种不同性质的植物生长调节剂,对植物开花有不同的作用机理。GA3可以促进植物在非诱导条件下开花，完全代替或部分代替低温解除休眠或辅助解除休眠。作为花期调控的重要手段，陈娟等[2]的研究表明，1 000～1 500 mg L-1GA3喷施锦绣杜鹃(R.pulchrum)花蕾可提前开花。锦绣杜鹃花蕾经0～3 000 mg L-1GA3涂抹后,花蕾发育快、开花期提前，开花质量高[3]。多胺可直接或间接地与多种激素途径相互作用，参与植物发育[4]。在含0.3 mmol L-1Spd的培养基中培养拟南芥(Arabidopsis thaliana)种子可使开花延迟[5]。精氨酸脱羧酶的过表达导致叶片中腐胺积累，矮化植株并且延迟开花[6]。目前，在植物花期调控中，有关植物生长调节剂对光合作用和抗氧化作用影响的报道较少。因此，本试验以夏鹃(R.simsii)为材料，研究在GA3和Spd不同浓度处理下的开花进程、开花品质、光合生理和抗氧化酶的变化，探讨外源激素对夏鹃花期的调节机制，为其商品化、规模化生产提供科学的栽培养护技术。

1 材料和方法

1.1 材料

试验材料为夏鹃‘紫辰殿’品种(Rhododendron simsii‘Zichendian’)，由四川省农业科学院园艺研究所提供，为同一批次扦插的3年生扦插苗。2016年10月中旬选择生长健壮、长势基本一致的植株，平均株高32.7 cm，平均冠幅26.7 cm，从塑料营养袋中取出，剪除老叶，用清水洗净根系，剪去烂根,定植于上口径26 cm，下口径20 cm，高度26 cm的塑料营养袋中，基质为泥炭土，pH 4.85，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为212.46、97.35和92.64 mg kg-1,有机质含量为11.2 g kg-1，土壤可溶性盐浓度(EC值)为0.82，每盆定植1株，移入四川农业大学成都校区试验基地大棚中。温室白天和夜晚的温度分别为(25±3)℃和(9±2)℃，平均相对湿度为79.4%。每3 d的早上9：00浇静置隔夜自来水1次，每次500 mL,待植株恢复生长后进行处理。

1.2 试验设计

待植株缓苗后进行处理，共设置6个处理。2016年12月25日起，分别用800、1 600、2 400 mg L-1的 GA3(分别标记为 T1、T2和 T3)和 0.01、0.10、1.00 mmol L-1Spd(分别标记为T4、T5和T6)对处于花芽分化结束开始现蕾的植株进行整株喷洒，以叶片滴液为度，每7 d喷1次，连续喷施3次，以不喷为对照(CK)。每处理4盆，试验设置3次重复。

1.3 方法

观察并记录植株在不同处理后的开花进程。参考岳静等[7]的花期划分：露色期30%花蕾露色，大部分处于闭合状态；初花期花少量开放，大部分仍处于半闭合状态，花梗挺立；盛花期50%以上的花开放，花色深；末花期花被与花梗容易分离，花色暗淡，萎蔫焦枯，开始落花。开花持续天数为从初花期开始到末花期开始的天数。于露色期、初花期、盛花期和末花期摘取花瓣(整片花瓣去基部)和功能叶置于冰盒中[7]，迅速带回实验室，经液氮冷冻后放入-80℃冰箱保存。设3次重复。

花径花蕾盛开时最大的花朵直径。

成花率开花总数和花蕾总数的比值。

光合参数测定各花期选择晴朗无云的天气，采用Li-6400便携式光合仪(Li-COR，USA),测定时每处理随机选取6盆，每盆取1株，共6株植株，选取从新梢顶往下4～6片叶(主要功能叶的代表)测定植物功能叶片的净光合速率(photosynthetic rate,Pn)、胞间二氧化碳浓度(intercellular CO2concentration,Ci,μmol CO2mol-1)、蒸腾速率(transpiration rate,Tr,mmol H2O m-2s-1)、气孔导度(stomatal conductance,Gs,mol H2O m-2s-1)。测定时光照强度为(1000±10)μmol m-2s-1，CO2浓度为(400±10)μmol mol-1。

光合色素测定参考施海涛[8]的方法。

抗氧化酶测定超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定参照Giannopolitis等[9]的方法，过氧化物酶(POD)活性的测定参照张志良等[10]的方法，过氧化氢酶(CAT)活性参照李和生[11]的方法。丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸法[12]测定，设3次重复。

1.4 数据分析

采用SPSS 19.0软件中的一般线性模型对光合色素含量、光合参数、抗氧化酶活性进行方差分析(ANOVA)，采用One-Way ANOVA对处理间进行方差分析，并利用LSD法在α=0.05水平进行多重比较。采用Excel 2007软件进行作图。

2 结果和分析

2.1 GA3和Spd处理对开花的影响

由表1可见，外源GA3处理使杜鹃始花期提前,而Spd处理则延后了始花期。1 600 mg L-1GA3处理(T2)的始花期比对照提前了6 d，且开花期最长，比对照多7 d；0.10 mmol L-1Spd处理(T5)的始花期延后了8 d，随着Spd浓度增大，杜鹃开花持续时间先延长后缩短，分别比对照多5、11和7 d。与对照相比，各处理均不同程度地增大了花径，除T5处理的花径显著大于GA3和对照外(P＜0.05)，其余处理间的差异不显著。随着GA3和Spd浓度的增大，成花率呈先上升后下降趋势，以T2、T3处理的成花率最高。

2.2 GA3和Spd处理对开花期光合特性的影响

光合色素含量由表2可知，杜鹃叶片光合色素含量具有明显的花期变化。自然状态(对照)下,叶绿素a(Chl a)、类胡萝卜素(carotenoid,Car)和总叶绿素(Chl a+b)含量随花期逐渐下降，而叶绿素b(Chl b)含量在初花期达到峰值后逐渐下降。方差分析表明，不同处理杜鹃叶片光合色素含量在不同花期具有极显著差异(P＜0.01)。GA3和Spd处理显著增加了杜鹃叶片Chl a、Chl b、Car和Chl a+b含量,均显著高于对照，且以T5处理的促进作用最强，分别比对照增加了61.82%、17.24%、44.44%和52.45%。

表1 GA3和Spd处理对夏鹃开花的影响Table1 Effects of GA3and Spd on flowering of Rhododendron indicum

表2 GA3和Spd处理下夏鹃开花期叶片光合色素含量的方差分析Table2 Variance analysis of photosynthetic pigment contents in leaves of Rhododendron indicum treated with GA3and Spd

气体交换参数由表3可见，杜鹃叶片的气体交换参数具有明显的花期变化。自然状态(CK)下，杜鹃叶片的Pn随花期先降低后升高，在盛花期达最低值，Gs随花期逐渐降低，Ci和Tr逐渐升高。方差分析表明，GA3和Spd处理显著提高了杜鹃花期的Pn、Gs和Ci，GA3处理显著增强了Tr,而Spd处理显著降低了Tr，GA3和Spd处理的杜鹃气体交换参数与对照的差异均达显著水平。其中，GA3处理的Pn、Gs、Ci和Tr分别比对照增加了6.78%～41.36%、32.00%～84.00%、5.57%～25.78%和26.58%～39.24%；Spd处理的Pn、Gs和Ci分别比对照增加了30.17%～76.27%、92.00%～148.00%、10.50%～43.07%,而Tr则减少了13.92%～39.24%。

2.3 GA3和Spd处理对花瓣酶活性的影响

由表4可知，杜鹃开花过程中抗氧化酶活性和MDA含量具有较明显的花期变化。SOD和POD活性的高峰出现在盛花期，CAT活性高峰出现在初花期，MDA含量高峰出现在末花期。与对照相比,GA3和Spd处理显著提高了杜鹃花瓣的SOD、POD和CAT活性，显著降低了MDA含量。GA3处理下,SOD、POD和CAT活性分别比对照提高14.85%～50.25%、14.81%～45.30%和12.39%～64.16%，MDA含量比对照低7.66%～45.26%；Spd处理下，SOD、Pod和CAT活性分别增加30.73%～71.60%、16.03%～53.31%和-7.52%～79.65%，MDA含量下降了31.46%～58.11%。除T1处理的CAT活性与对照无显著差异外，其余GA3处理的SOD、POD、CAT活性和MDA含量均与对照差异显著；除T4处理的SOD、POD和CAT活性与对照无显著差异外,其余Spd处理的抗氧化酶活性和MDA含量均与对照差异显著。

表3 GA3和Spd处理下夏鹃开花期叶片气体交换参数的方差分析Table3 Variance analysis of gas exchange peramenters in leaves of Rhododendron indicum treated with of GA3and Spd

3 结论和讨论

3.1 GA3和Spd对夏鹃开花品质和花期的影响

植物开花是由复杂的基因网络调控，激素调节、信号传导和动态平衡对这个过程非常重要。单独或混合使用激素能够通过表观遗传调节开花[13],在开花时间的控制上GAs是最重要的一类激素[14]。大量研究表明，GAs可以促进植物开花[13,15-16]，本研究中，GA3处理使杜鹃的始花期提前，1 600 mg L-1GA3处理的提前效果好，花期最长，GA3延缓了杜鹃的衰老，延长了花期。这与前人的研究结果相似[17]。有研究表明，多胺参与花的发育与衰老[18],本研究结果表明，Spd处理使始花期延后，但花期延长,以0.1 mmol L-1Spd处理的效果最明显，可能是由于多胺对开花的影响取决于植物分化部位的敏感性[19]。Applewhite等[5]的研究表明，Spd处理延迟拟南芥开花。Ahmed等[20]的研究表明，多胺转运蛋白的过表达导致拟南芥开花延迟，亚精胺和亚精胺结合物的积累使赤霉素合成受到抑制，从而抑制了赤霉素对开花的促进作用。两种激素处理下夏鹃成花率提高且花径增大，可能是由于GA3、Spd促进了植物对N、P、K等营养元素的吸收[21-22]。

3.2 GA3和Spd对光合作用的影响

研究表明，植物开花期间需要较多的能量供应，光合作用强度提高，同时，随着开花与衰老的进程，抗氧化酶活性也表现出相应的变化规律[23-25]，植物开花期的光合作用和抗氧化酶活性变化可以反映花期进程[26]。本研究结果表明，GA3和Spd处理均不同程度提高了开花各时期的Chl a、Chl b、Car和Chl a+b含量，显著缓解了末花期光合色素的下降趋势(表2)，这与各处理较高的光合强度表现相一致(表3)，与孙位等[26]的研究结果相同。中浓度 GA3、Spd处理(T2、T5)比低浓度(T1、T4)和高浓度(T3、T6)处理更有利于叶绿素的合成，可能是由于高浓度GA3、Spd抑制了叶绿体的生长发育,从而阻碍叶绿素的合成，同时，过高浓度的激素加快了杜鹃体内代谢活动，加重了植物开花期体内营养物质的积累和运输负担，使开花相关的营养代谢和水分蒸腾等活动紊乱，导致光合色素含量下降。而适宜浓度的多胺可以抑制色素的减少和防止DNA降解发挥其促进生存的作用[4]。此外，Car又是内源抗氧化剂，在细胞内可吸收剩余光能、淬灭活性氧，从而防止膜脂过氧化[27]。本研究中，中浓度GA3、Spd处理的Car从盛花期到末花期下降趋势减缓(表2)，有效地清除了杜鹃衰老过程中的活性氧，保护了细胞膜，这对延长开花持续时间具有重要意义。

本研究中，与对照相比，GA3通过提高夏鹃开花期叶肉细胞活性增强了叶片对外界CO2的吸收能力，提高了开花进程中的光合速率，同时，较高的蒸腾速率促进了叶片体内水分传导，加快体内矿物质运输，也促进了光合速率的提高[4,28]。而Spd处理降低了夏鹃叶片蒸腾速率，可能是由于多胺调节了某些离子通道，特别是Ca2+渗透通道的活性,提高胞浆Ca2+浓度，使质膜上的K+被动外流，刺激气孔关闭，导致蒸腾作用下降，增加相对含水量[23]。适宜浓度的GA3和Spd处理显著增强了开花期杜鹃叶片细胞的活性，有效调节了杜鹃开花期光合作用。

3.3 GA3和Spd对抗氧化酶的影响

植物在开花及衰老过程中，体内会产生大量的自由基(ROS)，此时主要的自由基清除酶，如超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性往往会增加，以清除部分自由基[29]。康乃馨(Dianthus caryophyllus)开花过程中,SOD和APX活性在花朵开放早期达到峰值，与ROS的增加一致，而CAT活性保持恒定直到衰老晚期[30]。此外，在花瓣和叶片中，ROS水平也被亲脂性抗氧化合物：生育酚和类胡萝卜素缓解[31]。本研究中,随着夏鹃开花进程，MDA含量逐渐上升(表4)，膜的受损程度越大，花的衰老越明显，与植物开花衰老有关的CAT和SOD活性在开花初期较高,以后逐渐降低(表4)，说明CAT和SOD活性越高,夏鹃抗衰老能力越强[32]，本研究也验证了这一点。GA3、Spd处理提高了夏鹃开花过程中的抗氧化酶活性,且浓度越大，抗氧化酶活性越高。可能是由于GA3、Spd能够促进相关抗氧化酶在转录水平的表达，进一步诱导了相关抗氧化酶活性的上升，延长花期[1,33],类胡萝卜素的增加也由于共轭双键的存在促进了其对游离氧自由基的清除[23]。此外，Spd处理比GA3的效果更好，可能是由于Spd通过阻止乙烯的产生延缓衰老[22]。适宜浓度的GA3和Spd减缓了末花期SOD活性的下降趋势(表4)，有效缓解了夏鹃的衰老进程，达到延长花期的目的，这与光合色素和光合基本参数的变化一致。

GA3和Spd处理对夏鹃开花期光合特性和抗氧化酶系统有显著影响，可不同程度地提高夏鹃开花品质，调节花期。综合分析表明，GA3和Spd处理提高了夏鹃开花过程中叶片的光合作用，增强了花瓣抗氧化酶活性，有效缓解了开花后期膜脂过氧化，从而调节了夏鹃开花品质，对花期有显著影响。其中，以1 600 mg L-1GA3和0.10 mmol L-1Spd处理的效果较好。植物开花和衰老由复杂的基因网络调控，同时受到激素调节和环境因素的影响，要全面了解植物生长发育的机理，还需要从植物基因表达方面做更深入的研究。