生境、温度及外源激素对花花柴花器官发育的影响

毕愿坤 李丽 朱传应 王彦芹，2

（1. 塔里木大学生命科学学院，阿拉尔 843300；2. 塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室，阿拉尔 843300）

高温胁迫是限制植物正常生长发育，造成作物产量和品质降低的重要环境因素之一。近年来，随着全球气候变暖，高温天气出现增多，高温胁迫对植物造成的损伤愈发严重［1］。高温胁迫造成植物体内脱落酸的积累、降低生长激素水平，致使植物生殖器官发育异常，从而影响植物正常的授粉与结实。

在植物的开花期，不同温度会对植物的生殖系统造成不同程度的影响，如高温导致植物花器官发育不完全或畸形［2］。近年来，国内外对花器官的研究主要集中于粮食作物水稻［3］、农产品棉花［4-5］等。研究发现，高温胁迫导致绿色植物开花的时间提前或推后［2］，在研究杏的花器官与坐果的关系中，雌蕊的生长长度对于果实的发育和坐果起重要作用，表现为花器官雌蕊的长度越长则坐果率越高，果实质量就越好［6］。

植物外源激素是一类同植物内源激素具有相似生理功能的人工合成小分子化合物［7］。根据外源激素产生的作用效果可以将其分为生长促进剂、抑制剂和延缓剂三大类，其在植物种子萌发、开花、果实成熟、根系生长等方面，植物外源激素起到重要的调节作用［8-9］。越来越多的研究证实，植物激素在温度胁迫中发挥重要作用，生长素（IAA）作为植物激素中最早发现的激素，在植物生长发育过程中起着至关重要的作用。目前，在对棉花［10］和小麦幼苗［11-12］等研究中发现，外源激素在植物抵抗逆境方面具有良好的调控作用。

花花柴作为夏季开花植物，长期生长在沙漠等极端环境，其在40℃以上的条件下依旧可以正常开花结实，表明花花柴花器官对高温具有较强的耐受性。

目前，外施激素对植物花器官生长发育的影响等研究较为少见。本研究通过对沙漠植物花花柴花器官耐高温性的研究，配合外施IAA，找出一种能够抵抗高温逆境环境的最适激素浓度，为提高植物耐高温性的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

塔克拉玛干沙漠地区年平均降水量24.6 mm，年蒸发量3 638.6 mm，土壤含水量极低，约为0.02%［13］，以沙土为主，最高气温可达45℃以上。许丽等［14］对新疆阿拉尔市塔里木大学人工绿地的研究发现，该地区年平均降水量约50 mm，土壤含水量约为13%，以沙壤土为主，最高气温可达40℃左右。本研究所用的花花柴花器官分别采自塔克拉玛干沙漠和塔里木大学人工绿地。在人工绿地适温花花柴（room temperature artificial of green space，RTAGS，27-30℃）、人工绿地高温花花柴（high temperature of artificial green space，HTAGS，40-43℃）、沙漠适温花花柴（room temperature of desert，RTD，27-30℃）、沙漠高温花花柴（hot temperature of desert，HTD，40℃以上）不同生长状态下采样，在每种生长状态采取5朵开花第3天的花朵放在提前准备好的冰盒里进行保存。在不同的样地内各选取5株生长发育相似的固定样株，对标记的花器官于开花前3-4 d进行喷施不同浓度的激素。

1.2 方法

1.2.1 对需要采取的花花柴花器官进行标记 用标签标记的方式对自然生长状态下的花花柴花器官进行标记。因为花花柴的花期较长，所以选择在花苞期对花器官进行标记。选取室外生长健康的花花柴植株，以花花柴植株倒3-8侧枝上的倒3-5朵花挂牌，这些选定的花器官将是后期的试验材料。

1.2.2 记录不同温度下花器官发育的时间 通过标记、镜检不同温度下发育的花器官，确定花花柴花器官从花蕾到开花期的时间段。

1.2.3 测量不同温度下花器官发育大小（雌花花柱、雄花花丝长度）及显微观察花器官形态 在上述4种生长状态下分别选取每朵花中的5朵小花进行测量。用解剖针在体视显微镜下将小花进行解剖，将雌蕊的花柱和雄蕊的5个花丝分离开，观察花器官形态同时进行测量并记录数据。

1.2.4 外施不同浓度IAA后花器官长度的测量 分别配制0.1、0.3和0.5 μmol/L浓度的IAA，喷施方法：自上而下喷施，使激素均匀洒落在整个植株上。喷施后的第3天摘取开花当天的花器官，同时进行第2次激素的喷施，重复3次。每种处理选取5朵花，每朵花选取5朵小花在体视显微镜下进行测量花器官大小、雌雄蕊长度。将采好的样品置于冰盒保存，带回实验室进行后续试验。

1.2.5 不同温度下花器官内植物激素含量的测定 花花柴花器官内植物激素的抽提及HPLC-MS的检测。

2 结果

2.1 花花柴花器官发育过程及不同环境、温度对其影响

花花柴花器官发育过程：无论人工绿地还是沙漠环境下，花花柴花器官从花苞形成到开花结束需要经过10 d左右的生长发育。开花前4-6 d为花苞生长期，该阶段花器官逐渐变大、横径变宽，开花前5-6 d变化最明显。开花前1-3 d花苞逐渐变大，纤细的白色冠毛露出花萼。开花当天中心小花的柱头露出，明显高于雄蕊；在开花第2-5天，雌蕊柱头由外圈向内圈逐渐露出，高于雄蕊。在开花第6天及以后3 d，雌雄蕊逐渐衰败，至此花花柴花器官发育完成。

研究发现人工绿地花花柴花器官横径较宽，而沙漠花花柴花器官横径较窄呈细长状（图1-A和图1-B）。对花花柴不同时期的花器官长度进行测定（图1-C）。在相同温度条件下，沙漠高温环境生长的花花柴比人工绿地高温生长的花花柴的雌蕊长度更长，为1.23 cm，而雄蕊较短，为0.96 cm；人工绿地适温比沙漠适温的雌蕊长度更长，为1.22 cm，而雄蕊较短，为1.06 cm。在相同环境下，沙漠中生长的花器官高温比适温雌蕊长度更长，雄蕊长度相对较短；而人工绿地生长的花器官适温比高温雌蕊更长，雄蕊相对较短。沙漠高温生长的花花柴雌蕊雄蕊相对长度最大，为0.27 cm，人工绿地适温为0.18 cm，沙漠适温为0.13 cm，人工绿地高温生长花花柴雌蕊、雄蕊长度最小，为0.11 cm。通过单因素多重比较，人工绿地适温雌蕊与人工绿地高温有显著性差异；人工绿地适温雄蕊与沙漠高温有显著性差异。人工绿地、沙漠2种环境中处于适温（27-30℃）、高温（40-43℃）2种不同温度下进行采样观察测量的不同时期的花器官生长速率（图1-D）。从花苞期直到开花前2 d，适温花器官的生长速率一直比高温花器官的生长速率快。开花前2 d一直到开花当天，高温条件下，花器官生长速率比适温条件下花器官的生长速率快。适温条件下，开花当天到开花第2天的花器官生长速率加快，已经在开花第2天时超过高温的生长速率，开花第3天时适温生长花器官生长速率开始降低，高温花器官生长速率一直领先于适温花器官的生长速率。

图1 不同生境条件下花花柴花器官的发育及生长速度Fig. 1 Development and growth rate of floral organs in K. caspia under different habitat conditions

2.2 高温条件下外施不同浓度IAA对花花柴花器官雌蕊、雄蕊发育的作用

高温条件下，对沙漠、人工绿地生长的花花柴喷施 IAA（0.1、0.3和 0.5 μmol/L 3个浓度梯度）。结果显示，与对照相比，沙漠环境中，外施0.1和0.3 μmol/L IAA对花花柴花器官的生长均起促进作用，外施0.5 μmol/L IAA具有抑制作用，其中，无外源激素作用的雌蕊与喷施0.3 μmol/L IAA的雌蕊有显著性差异，雄蕊与喷施0.3和0.5 μmol/L IAA的雄蕊有显著性差异；人工绿地环境中，外施 0.1 μmol/L IAA对花花柴花器官的生长起促进作用，外施0.3 μmol/L IAA对雌蕊具有促进作用，雄蕊则反之，外施0.5 μmol/L IAA对花器官的生长起抑制作用，并且无外源激素作用的雌蕊与喷施0.1和0.3 μmol/L IAA的雌蕊有显著性差异，雄蕊与喷施0.3和0.5 μmol/L IAA的雄蕊有显著性差异（图2-A和图2-B）。

2.3 温度对花花柴花器官内激素含量的测定

根据不同环境温度下花花柴花器官内IAA含量的测定分析发现，随着温度的升高花器官内IAA含量呈先上升后急剧下降的趋势。高温沙漠下的花器官中IAA的含量显著低于其他2个环境温度（图3）。人工绿地中，适温的花花柴花器官中IAA的含量比高温条件下花花柴花器官中IAA的含量低，而沙漠高温下花花柴花器官中IAA的含量最低。

2.4 外施不同浓度IAA对花花柴花器官内植物激素积累的影响

在外施不同浓度IAA处理下，测定花花柴花器官内激素含量的变化（图4-A）。结果显示，人工绿地环境中，与对照相比，SA含量减少，外施0.5 μmol/L IAA减少程度最大；JA含量增加，其中，在外施0.3 μmol/L IAA时增加最为明显；ABA在外施0.1 μmol/L IAA时含量增加，外施0.3 μmol/L IAA时含量减少，外施0.5 μmol/LIAA时无明显变化。沙漠环境中，SA含量减少，外施0.5 μmol/LIAA时减少程度最大；JA含量先减少后增加；ABA含量增加，外施0.1 μmol/L IAA时增加最为明显。

图2 不同生境条件下外施IAA 雌蕊、雄蕊的测量长度Fig.2 Measure the length of pistil and stamen while IAA applied in different habitats

图3 不同生境条件下花花柴花器官内IAA 含量的测定Fig.3 Determination of IAA content in the floral organs of K. caspia under different habitat conditions

人工绿地环境中随外施IAA浓度的增加促进生长类激素（SA）含量逐渐降低，抑制生长类激素（JA+ABA）含量逐渐增加；沙漠条件下促进生长类激素（SA）含量逐渐降低，抑制生长类激素（JA+ABA）含量呈先降低后迅速增加的趋势（图4-B和图4-C）。

图4 外施不同浓度IAA 花花柴花器官内激素含量的测定Fig.4 Determination of hormone content in flower organs of K. caspia with different concentration of IAA applied externally

3 讨论

全球变暖日益严重，气温不断升高，最高气温和高温日数增多等现象在新疆频繁出现［8］，逆境中的高温胁迫对植物的生长产生严重影响。花花柴是一种长期生长在沙漠中的植物，在40℃以上能正常开花，表明花器官对高温具有极强的耐受性。开花前2 d适温促进花苞的生长发育，从前1 d起高温促进花朵由花苞向成熟花过渡。从开花当天起，花花柴花器官的生长速度加快直到发育为成熟花，无论是人工绿地还是沙漠环境，在高温条件下，花花柴花器官的生长速度一直比适温条件生长速度快。夏广亮等［2］研究结果表明，植物的花器官受高温胁迫的同时，会提高植物开花的数量。本研究结果可充分体现这一结论，从开花前2 d起温度的升高可加速植物开花。

从花器官生长的情况看，人工绿地环境下生长的花花柴对温度要求较高，在适温条件下生长状态较好，当高温出现时会抑制花器官的生长发育，而沙漠环境下生长的花花柴则相反，高温出现反而会加速花器官的生长。洪继仁等［4］研究表明花朵雌蕊柱头微高于雄蕊群，可异花授粉也可自花授粉，可提高受精率。当雌蕊柱头异常高于雄蕊时，成为长柱头花，或者短柱头花都会影响结实率。从测定结果看高温使沙漠环境下的花花柴柱头伸长，雌蕊和雄蕊相对长度变大，这与洪继仁等［4］研究结果一致，与温度密切相关，进一步说明花花柴花器官对高温有一定耐受性。

本研究发现高温胁迫下的花花柴花器官内IAA的含量随着温度的升高呈先上升后急剧下降的趋势，在胁迫初期IAA含量升高可能是一种适应胁迫逆境的生理反应，这一研究结果与前人研究结果一致［15］。非生物胁迫引起内源植物激素水平的显著变化，导致生长抑制，以减少伤害。植物内激素含量发生变化包括CTK、IAA和GA浓度的降低，增加 ABA、JA和SA的含量［16］。SA能够诱导植物细胞分化，对植物的生长具有促进作用；JA有抑制植物生长、萌发、促进衰老、提高抗性等生理作用，ABA是植物体内最重要的生长抑制剂，它能促进叶、花和果实的脱落，因此，JA 和 ABA 均对植物的生长起抑制作用。JA能够在高温等非生物和生物胁迫中保护植物免受影响，且这种影响具有双重作用［17］。SA、ABA均能够保护植物免受热应激的损伤［18-19］。本研究发现在沙漠高温环境中外施0.3 μmol/L的IAA对花花柴花器官内植物激素的积累最有利于提高植物抵抗逆境胁迫的能力；人工绿地环境中外施0.1 μmol/L的IAA对植物花器官的生长发育最有利。这与在不同生境条件下外施不同浓度IAA试验测定花花柴花器官雌蕊和雄蕊长度变化所得结果一致。在栗战帅等［10］研究外施激素对棉花果节的影响中发现，IAA对其长度伸长起促进作用，同时发现其在果节发育生长过程中存在协同作用。张格成等［20］研究结果表明，开花时期和第一次生理落果时期遇上持续高温时，能够及时喷布植物激素，可以显著地提高坐果率。

4 结论

在开花过程中，高温能促进花花柴花器官的生长，表明花花柴花器官具有一定的耐高温性。高温条件下，外施一定浓度的IAA有利于花花柴花器官的生长发育。且在沙漠环境中外施0.3 μmol/L IAA对花器官的生长最有利，人工绿地最适浓度为0.1 μmol/L。