菜豆的生长发育及生理特性研究

何永恒，冯国军，刘大军，刘 畅，杨晓旭，闫志山

（1黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨150080；2黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨150080）

0 引言

菜豆(Phaseolus vulgaris)又名四季豆、芸豆等，按豆茎的生长习性可分为矮生菜豆和蔓生菜豆[1]，矮生菜豆相比于蔓生菜豆具有生育期、收获期短，种植成本低，便于生产管理等优点，但也存在产量、经济效益低，不耐涝等缺点。然而有关蔓生与矮生菜豆对比的研究较少，且多数关于株型、株高、产量等农艺性状，而少有对菜豆生理特性的报道。

光合作用是植物生长发育的基础，随着植株发育呈现动态水平，其作用强弱决定植株长势与效益[2]，不同植株不同时期之间存在较大差异花芽分化期[3]。和花期是植物发育的关键时期，此时植株由营养生长转变为生殖生长，逐渐形成生殖器官，即从叶芽的生理组织状态转化为花芽的生理组织状态，进而发育成花器官原基雏形的过程[4-5]。这是一个形态和生理生化建成的过程，分化的好坏又直接影响开花率及果实的产量。

前人大多以单一菜豆品种或性状展开花芽形态、生理测定等研究，少有对矮生和蔓生对比分析，笔者选取矮生和蔓生2个菜豆品种，探究两者花芽分化的形态差异及分化过程中植物光合速率等生理指标的变化，以期探讨不同生长类型菜豆发育特性。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料来自黑龙江大学园艺学课题组，分别挑选120粒饱满的‘将军’和‘热那亚’菜豆种子于2020年7月在黑龙江大学试验田进行播种，垄距60 cm，穴距30 cm，每垄10穴，分4垄，每穴播种3粒，出苗后每穴保苗2株，正常大田管理。

1.2 实验方法

1.2.1 农艺性状测定 初生真叶完全展开至叶腋或顶端开始出现凸起的生长锥之前，视为菜豆苗期；叶腋或顶端开始出现凸起的生长锥至开花前，视为开始花芽分化期；菜豆从产生旗瓣、翼瓣展平的开放花苞至不再开花视为花期。所有种植材料中，超过50%菜豆达到上述生长状态即认为到达该发育时期，以此记录菜豆各生长发育阶段开始及持续的时间。

测定出苗后15、30、45、60天植株干、鲜重，计算绝对生长速率，如式(1)，每次随机选取3株作为生物重复，测定各项农艺指标并计算均值。

式中，W1为前期鲜重，W2为后期鲜重，T1为前期时间，T2为后期时间。

1.2.2 花芽石蜡切片 在热那亚花芽分化初期（播种后15天）和将军花芽分化初期（播种后18天），一次性采摘分化初始期、花序原基分化期、萼片分化期、雌雄蕊原基分化期、花瓣原基分化期、雌雄蕊原基分化后期、花器官完成期的‘热那亚’和‘将军’饱满无病害花芽，并用FAA固定液固定[6]，采用常规石蜡切片法，即材料的固定→软化→各级浓度的乙醇溶液脱水→透明→浸蜡→包埋→切片→展片→脱蜡→番红染色→固绿染色→脱水→透明，用加拿大中性树胶封片，制成永久切片。用莱卡DM4000 B LED正置显微镜观察、拍照。

1.2.3 光合速率测定 选‘将军’和‘热那亚’叶片（苗期取倒数第3片三出复叶，花期‘热那亚’和‘将军’分别取倒数第5节和第8节三出复叶）进行挂牌标记，于9:30—11:00利用美国思爱迪(CID)CI-340便携式光合作用测定仪，测定出苗后15、20、30、35、40、45、50、55、60、65天叶片的光合指标[光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)][7]，每个叶片重复3次，共测5片。

1.2.4 蛋白质含量测定 选‘将军’和‘热那亚’叶片（苗期取倒数第3片三出复叶，花期‘热那亚’和‘将军’分别选取倒数第5节和第8节三出复叶）进行挂牌标记，取出苗后15、20、30、35、40、45、50、55、60、65天叶片，剪碎混匀后称0.5 g用锡纸包好置于液氮中速冻，每个样品重复3次，用于蛋白质含量的测定[8]。

1.2.5 数据处理 所有测定指标均取3次重复的平均值，绘图采用Excel完成，差异显著性采用DPS软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 菜豆绝对生长速率

苗期（0～15天）‘热那亚’绝对生长速率是‘将军’的2.14倍，之后进入生殖生长，‘将军’绝对生长速率急增超过‘热那亚’，2个品种的绝对生长速率均在花期达到最大值，‘将军’花期（45～60天）为‘热那亚’花期（31～45天）的2.12倍（图1）。

图1 菜豆绝对生长速率

2.2 菜豆苗期、分化期及花期各阶段持续时间

菜豆于7月17日播种，7月20日破土，7月25日出苗完成。‘热那亚’8月5日开始花芽分化，8月16日进入花期，8月26日花期结束；‘将军’8月8日开始花芽分化、9月1日进入花期（表1）。由此可见，矮生菜豆进入花芽分化时期和开花期均早于蔓生菜豆。

表1 菜豆花期前各阶段持续时间

2.3 菜豆花芽分化的过程及特征

菜豆花芽分化是一个连续的过程。为了便于记载和描述，根据花器官的分化顺序分为7个时期，分别是分化初始期、花序原基分化期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雌雄蕊原基分化期、雌雄蕊原基分化后期、花器官完成期[9-10]。

分化初始期作为花芽分化的起始时期，出现在出苗后10天左右，‘热那亚’从顶端依次向下产生花芽，‘将军’从中部叶腋分别向上下产生花芽，且‘将军’的分化初始期出现较‘热那亚’晚3天左右（图2R1、D1）。

花序原基分化期花芽的生长锥快速发育变成扁平状，并分化成序轴节，节上生长出片状的序节苞片（图2R2、D2）。

萼片分化期花序原基体积不断增大。首先在其顶部相对的两侧分化产生1对小花苞片内苞，其叶平面又与分枝苞外苞的叶平面垂直。小花苞片一出现，花原基顶端很快出现一圈不连续的堰状突起即花萼原始体（图2R3、D3）。

雌雄蕊原基分化期花萼半包小花，长度占小花的2/3，顶端有一小孔。这个时期花萼原基向上隆起长大，在原基顶端周围出现围成一周的几个小珠状突起，中央处还有一个较高一些的乳状突起，这就是雄蕊和雌蕊原基，它们都被已迅速伸长并向心包合的幼小花萼包裹着。此时已有明显的分枝（图2R4、D4）。

花瓣原基分化期雄蕊原基外侧出现花瓣原基，心皮缝对应的近轴花瓣原基（旗瓣原基）分化不明显（图2R5、D5）。

雌雄蕊原基分化后期花萼将小花紧紧包住，顶端呈圆锥形，内部随着花冠原基出现后不久，第一轮外轮雄蕊的花萼分化出来，而后是第二轮内轮雄蕊的花药出现。花瓣中旗瓣发育最快并抱合其他花瓣，抱合前雌蕊子房腔内，已有了胚珠突起，整个雄蕊群中花药、花丝己能明显区别开来，花药内已出现花粉母细胞（图2R6、D6）。

产生大小孢子后，花器进入增长高峰期，花器明显肥大起来，进入花器官完成期。高速伸长的花冠自花萼伸出，在此阶段生长并达到定长。花瓣、萼片等覆盖物逐渐伸长，把生殖器官覆盖，形成蕾（图2R7、D7）。

图2 花芽分化进程图

2.4 蛋白质含量

‘热那亚’花芽分化发育期为8月5—15日，花期为8月16—25日‘；将军’花芽分化发育期为8月10—31日，花期为9月1—20日。为方便对比2个菜豆不同时期各指标的差异，所以用各时期的中间值进行对比，即‘热那亚’花芽分化期（8月10日）与‘将军’花芽分化（8月20日）相比‘，热那亚’花期（8月20日）与‘将军’花期（9月10日）相比。

‘热那亚’花芽分化期蛋白质含量显著高于‘将军’，但花期‘热那亚’显著低于‘将军’（图3）。‘热那亚’分化期先升高后下降，到花期中期（8月20日）达到最低值，之后又上升；‘将军’在同样时间段与‘热那亚’表现出相同规律，但‘热那亚’在发育后期蛋白质含量骤降（图4）。

图3 各时期叶片蛋白质含量

图4 各时间点叶片蛋白质含量

2.5 光合速率

‘热那亚’花芽分化期净光合速率呈上升趋势且显著高于‘将军’，其花期呈现先上升后下降的趋势，且两者花期光合速率无显著差异（图5）。

图5 各时期叶片净光合速率

‘热那亚’花芽分化期蒸腾速率呈上升趋势，花期下降，各时期腾速率显著高于‘将军’；而‘将军’分化期呈下降趋势，花期呈现2个波峰，在开花前期（9月5日）和开花后期（9月15日）达到2个峰值（图6）。

图6 各时期叶片蒸腾速率

‘热那亚’花芽分化期气孔导度与‘将军’无明显差异，花期显著高于‘将军’。‘热那亚’分化期上升，花期下降；‘将军’分化期呈下降趋势，花期呈2个波峰，在开花前期（9月5日）和开花后期（9月15日）达到2个峰值（图7）。

图7 各时期叶片气孔导度

‘热那亚’花芽分化期胞间二氧化碳浓度显著高于‘将军’（图8），花期无明显差异，且‘热那亚’花期结束（8月30日）前叶片胞间二氧化碳浓度先降低后升高，花期开始时（8月15日）达到峰值；‘将军’表现出相同规律，但最低值出现在花期中期（9月10日）。

图8 各时期叶片胞间二氧化碳浓度

3 结论与讨论

矮生菜豆出苗期在播种后8～9天[11]，初花期在播种后35～40天[12]，时间略长于本研究结果，但刘庭付等[13]在浙江地区5月20日播种的蔓生菜豆与本实验中‘将军’的始花期均在播种后45天开花。推测可能是本实验种植在7月中旬，高温促进了植株生长发育。‘将军’分化前期花芽分化速度较慢，开始分化10天后速率升高；花期持续时间20天，是‘热那亚’的2倍，‘将军’开花较为分散且花期持续时间长，‘热那亚’开花集中且花期持续时间短。形成蔓生菜豆采摘期持续时间长，矮生菜豆统一收获且节省成本等特点。对2个不同品种菜豆花芽的分化初始期、花序原基分化期、萼片原基分化期、雌雄蕊原基分化期、花瓣原基分化期、雌雄蕊原基分化后期、花器官完成期7个时期[6]的花芽制作石蜡切片发现，‘热那亚’和‘将军’的花芽分化过程、形态结构无明显差异。但两者开始分化的时间相差2～3天，且‘热那亚’在开始分化后即进入快速的花芽分化期，而‘将军’在‘热那亚’进入花芽分化期2～3天后只出现少量分化的花芽，直到开始分化后15天才逐渐产生较多花芽。

在菜心[14]、杜鹃花[15]、西红柿[16]、芒果[17]、枣花[18]等作物中均发现蛋白质等营养物质对植物花芽分化发挥着重要作用。杨春民[19]和王利琳[20]发现黄瓜子叶培养物花芽分化初期，可溶性蛋白含量呈下降趋势；而本实验中，‘热那亚’花芽分化期蛋白质含量显著高于‘将军’，推测是因为‘热那亚’分化期时间短，为完成花芽分化、形成花苞而积累大量蛋白质。‘将军’和‘热那亚’开始分化后，蛋白质含量显著上升，到开花前达到峰值[21-22]，开花后骤降，并在开花后期有所回升。推测是开花初期植株蛋白质消耗大，且蛋白质的合成和消耗高峰期会集中在特定时期。

本实验中‘将军’伸蔓期（8月10—30日）净光合速率显著高于苗期（8月5日），其伸蔓期主要以营养生长为主，净光合速率相较苗期有所增加[23-24]，但‘将军’的净光合速率低于‘热那亚’；同时发现始花期是植株营养生长向生殖生长的过渡期，净光合速率有所降低，这与‘将军’的花期净光合速率规律一致，但‘热那亚’在花期并没有表现出下降趋势，而是稳定维持在较高水平。

‘将军’和‘热那亚’胞间二氧化碳浓度在测定的前期（8月10日）和后期（9月20日）较高，符合苗期植株生长对CO2的需求较小，光合能力弱；后期温度较低、光照辐射较弱，导致胞间CO2浓度较高。刘丽娜等[25]发现，随着生长发育进程的推进，气温不断升高，光照强度增加，光合能力增强，对水分需求增加，胞间CO2浓度呈降低趋势，与本研究结果一致。同时‘热那亚’在花芽分化期的净光合速率与胞间二氧化碳浓度均显著高于‘将军’，与翟锡姣等[16]发现的光合速率与胞间二氧化碳浓度呈正比的结果一致。

‘将军’、‘热那亚’的气孔导度与蒸腾速率呈正相关，因为气孔导度降低引起水分由叶片向外排放的阻力增大，导致蒸腾速率降低。本研究中，‘热那亚’在花期的气孔导度和蒸腾速率显著高于‘将军’，在其他菜豆[26]和山楂[27]的研究中也同样发现矮生植株下表皮的气孔数大于蔓生品种。

本实验发现了矮生菜豆‘热那亚’与蔓生菜豆‘将军’花芽分化结构与时间、发育时期、生理特性等方面的特点，简单揭示了蔓生与矮生菜豆之间生长发育、生理特性的异同点，为进一步研究矮生于蔓生菜豆品种发展间套作种植模式，改善蔬菜田间配置，实施高产栽培技术提供了理论依据和支持。在本研究中，由于矮生菜豆与蔓生菜豆生长高度的差异，光合测定及生理指标测定时仅选择一个节位的叶片，不能够全面对比两者的差异，建议后续试验每次取样时，按植株高度合理选取多个节位样品进行测定。本研究仅从生理角度对不同生长习性菜豆进行分析，接下来可以从分子角度，利用高通量测序技术，挖掘不同生长习性菜豆的差异基因。