GR24和IAA及互作对甜瓜胚根和不定根生长的影响

李敬蕊,王育博,张 颖,吴晓蕾,宫彬彬,吕桂云,高洪波

(河北农业大学 园艺学院/河北省蔬菜种质创新与利用重点实验室/河北省蔬菜产业协同创新中心，河北保定 071001)

甜瓜(CucumismeloL.)是世界十大水果之一，由于栽培周期较短、管理技术较简单、经济效益较好等优点，其生产规模不断扩大[1]。中国是甜瓜种植与消费第一大国，2017年播种面积约为34.88万hm2，总产量1232.60万t[2]，形成了华北、华东、西北等重点发展区域，对促进产业发展和提升农民收入发挥重要作用。但是甜瓜种子萌发或植株生长过程中，经常受土壤、施肥、逆境等影响，导致幼苗胚根或根系生长受到抑制或损伤，加之甜瓜根系再生不定根能力弱[3]，严重影响甜瓜植株生长、产量和品质的形成。但目前对甜瓜根系发育调控的研究较少，在生产中促进胚根或不定根发生的技术和产品较少，因此促进甜瓜根系生长发育的研究具有十分重要的理论价值和实践意义。

根系是固定作物以及吸收水分和养分的重要器官，也是生理活性物质合成和同化的重要部位，因此，根系的发育是作物形态建成和产量品质形成的基础，尤其在幼苗期，根系的生长状况起着决定性作用。多年来的研究证明，植物根系生长与激素密切相关[4]，其中生长素促发根系生长的效果因物种不同、浓度不同存在显著差异[5-6]。一定浓度吲哚乙酸(IAA)可以促进拟南芥侧根的生长[7]；IAA对不定根生长也具有浓度效应，低浓度(0.1nmol·L-1)IAA可以促进叶菜型甘薯不定根生长，而高浓度(10nmol·L-1)抑制其生长[8]。因此在生产中需根据不同作物品种、作物生长阶段确定促进根系生长的适宜生长素浓度[9]。进一步研究表明，除生长素外，根系生长也受其他激素调控[10]。

独脚金内酯(Strigolactones)作为一类萜类小分子化合物，是2008年从独脚金中发现的一种新型植物激素[11]，在植物根部合成，具有抑制植物分枝、促进菌丝分枝[12]、刺激种子萌发[13]等作用，而且独脚金内酯调控植物生长发育与生长素、赤霉素、细胞分裂素等植物激素均存在互作效应[14]。近年来研究证明，独脚金内酯参与初生根长度、侧根发育和根毛伸长的调控[15]，促进油菜幼苗根系生长[16]，而此过程与生长素关系密切[17]。但是独脚金内酯和生长素对甜瓜根系生长是否具有浓度效应及促进不同根系生长的适宜浓度尚不明确，两者对根系发育的调控作用和主导因素等问题鲜见报道。

甜瓜幼苗根系的生长发育是后期形态建立的基础，尤其对种子萌发和幼苗生长期根系发育至关重要，促进根系发育关键在于调控物质和适宜质量浓度的筛选。本研究以甜瓜种子和幼苗作为试验材料，研究不同质量浓度独脚金内酯人工合成类似物(GR24)、吲哚乙酸(IAA)及其交互浓度处理对胚根和不定根生长的影响，以期筛选促进甜瓜胚根及不定根生长的最佳质量浓度，明确种子萌发和幼苗生长期调控根系生长的关键因素，为促进甜瓜健壮生长及提高产量与品质提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

以甜瓜品种‘西州蜜25号’为试验材料，该品种购自新疆西域集团种业有限责任公司。GR24和IAA均为分析纯试剂，分别购自北京大秦兴业科技有限公司和Sigma公司。

1.2 试验方法及测定指标

1.2.1 对甜瓜胚根生长的影响 挑选饱满、整齐一致的甜瓜种子，温汤浸种后在GR24(0.1、0.5、1、2、3、5 mg·L-1)和IAA(0.01、0.05、0.1、0.5、1、3、5、10 mg·L-1)的单一质量浓度和交互质量浓度溶液中进行处理，以清水作为对照(CK)，每处理重复5次，每处理15粒种子。浸泡5 h后，摆放在铺有滤纸的培养皿中，置于恒温恒湿培养箱中进行催芽，温度设定28 ℃～30 ℃，空气湿度85%。每天定时补充相应质量浓度浸泡溶液，5 d后用根系扫描仪(Epson Expression 1680, Sydney, Australia)测定不同处理胚根长度、数量、表面积和体积。

1.2.2 对幼苗胚轴不定根生长的影响 挑选整齐一致的甜瓜种子，温烫浸种后置于清水中浸泡5 h，培养箱中催芽后，选取发芽整齐的种子播于装有草炭：蛭石=2∶1的50孔穴盘内，置于人工气候室内培养，白天温度28 ℃±2 ℃，夜间 16 ℃±2 ℃，空气湿度80%，光照180 μmol·m-2·s-1。待植株子叶完全展开后浇灌1/2倍Hoagland营养液，幼苗长至二叶一心时，选取生长整齐一致的幼苗，在茎基部距基质2～3 mm处剪下，置于GR24(0.01、0.05、0.1、0.5、1 mg·L-1)和IAA(75、125、250、375和500 mg·L-1)的单一质量浓度和交互质量浓度溶液中，浸泡深度约为1.5 cm(从剪切口至子叶下1 cm)，3 h后转入清水培养。每处理重复3次，每重复10株幼苗。处理10 d后用根系扫描仪测定不同处理不定根长度、数量、表面积和体积。

1.3 数据处理

使用 Excel 2016 软件处理试验数据，并使用 SPSS 22.0 软件进行统计分析，采用单因素和 Duncan’s法进行显著性差异比较(P<0.05)，主成分提取的原则是起始特征值大于1。

2 结果与分析

2.1 GR24和IAA及互作处理对甜瓜胚根生长的影响

2.1.1 胚根长度 如图1所示，不同质量浓度GR24处理的甜瓜胚根长度是对照的1.15～2.94倍，其中，1.0 mg·L-1GR24处理的胚根最长，显著高于对照和其他质量浓度GR24处理。 0.01～3.0 mg·L-1IAA的处理是对照的1.53～2.86倍，其中，0.1 mg·L-1IAA处理的胚根最长；而高质量浓度(5.0～10.0 mg·L-1)IAA处理显著抑制胚根长度。GR24与IAA互作处理中，0.1 mg·L-1GR24与0.01～5.0 mg·L-1IAA能够促进胚根长度；0.5 mg·L-1GR24与0.01～1.0 mg·L-1IAA；1.0 mg·L-1GR24与不同质量浓度IAA均能促进胚根长度；高质量浓度(2.0～5.0 mg·L-1)GR24与低质量浓度(0.05～0.5 mg·L-1)IAA处理促进胚根长度。综合分析，1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA处理的胚根最长。

2.1.2 胚根数 图2表明，GR24与IAA处理对甜瓜胚根数具有浓度效应，在不同质量浓度GR24单一处理中， 1.0 mg·L-1GR24处理的胚根数最多，是对照的2.37倍；而不同质量浓度IAA处理中，0.01～3.0 mg·L-1处理的胚根数显著高于对照，是对照的1.06～2.44倍；其中， 0.1 mg·L-1IAA处理的胚根数最多；而5.0～ 10.0 mg·L-1IAA处理显著抑制胚根数。0.1～0.5 mg·L-1GR24与 0.01～1.0 mg·L-1IAA处理均促进胚根数增加；1.0 mg·L-1GR24与不同质量浓度IAA互作处理中所有处理组合均显著大于对应GR24和IAA质量浓度的单一处理，其中1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA处理的胚根数达到最高，是对照的4.47倍；高质量浓度(2.0～5.0 mg·L-1)GR24与(0.01～10.0 mg·L-1)IAA互作处理中2.0 mg·L-1GR24与0.01 mg·L-1IAA和0.1～ 0.5 mg·L-1IAA、3.0 mg·L-1GR24与0.05～0.5 mg·L-1IAA、5.0 mg·L-1GR24与0.01～0.1 mg·L-1IAA处理的胚根数高于对照。

2.1.3 胚根表面积 图3表明，其中0.1～2.0 mg·L-1GR24处理提高甜瓜胚根表面积，比对照提高4.06%～105.56%，且在1.0 mg·L-1时，甜瓜胚根表面积达到最大，而3.0～5.0 mg·L-1GR24处理显著抑制胚根表面积。不同质量浓度IAA处理中，0.05～1.0 mg·L-1IAA处理的胚根表面积增加15.98%～86.72%，其中0.1 mg·L-1IAA处理的胚根表面积最大。两激素互作处理中，低质量浓度(0.1～0.5 mg·L-1)GR24与低质量浓度(0.01～0.5 mg·L-1)IAA能够促进胚根表面积的增加；1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA组合处理的胚根表面积最大，显著高于对照和相应质量浓度GR24和 IAA单一处理，是对照的 2.79倍，分别是单一质量浓度激素处理的1.36倍和 1.49倍；2.0 mg·L-1GR24与0.1～0.5 mg·L-1IAA显著促进胚根生长；而3.0 mg·L-1和5.0 mg·L-1GR24与不同质量浓度 IAA处理均未显著提高胚根表面积。

2.1.4 胚根体积 如图4所示，不同质量浓度GR24处理中， 0.5～2 mg·L-1GR24处理的甜瓜胚根体积为对照的1.19～2.44倍，呈显著差异，其中1 mg·L-1GR24处理的胚根数最多，显著高于对照和其他质量浓度GR24处理。0.5～10 mg·L-1IAA处理提高胚根体积，是对照的1.23～2.36倍，随着IAA质量浓度增加，胚根体积呈现上升趋势，且0.1 mg·L-1IAA处理的体积最高。1.0 mg·L-1GR24与不同质量浓度IAA互作处理的胚根体积明显高于其他处理组合，且在IAA质量浓度为0.1 mg·L-1时达到最高；0.1 mg·L-1GR24与0.01～3.0 mg·L-1IAA处理、0.5 mg·L-1GR24与 0.01～0.5 mg·L-1IAA和 2.0 mg·L-1GR24与0.01～5 mg·L-1IAA组合促进胚根体积增加；3.0 mg·L-1GR24与 0.05～0.5 mg·L-1IAA处理的胚根体积与对照无显著差异；5.0 mg·L-1GR24与0.01～0.5 mg·L-1IAA处理显著增加胚根体积。综合以上分析，1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA处理对胚根体积促进作用最明显，显著高于其他处理。

2.2 GR24和IAA及互作处理对甜瓜胚轴不定根生长的影响

2.2.1 胚轴不定根长度 如图5所示，不同浓度(0.01～1 mg·L-1)GR24处理的甜瓜胚轴不定根长度均高于对照，其中0.05 mg·L-1和0.1 mg·L-1GR24处理的胚轴不定根长度均显著高于对照。不同质量浓度IAA处理中，75～250 mg·L-1IAA的处理，对胚轴不定根长度有促进作用，是对照的1.1～1.66倍；其中，250 mg·L-1IAA处理的胚轴不定根最长，而375～500 mg·L-1IAA处理显著抑制胚轴不定根长度。0.01 mg·L-1GR24与125～375 mg·L-1IAA互作处理显著促进胚轴不定根长度；0.05 mg·L-1GR24与75 mg·L-1IAA、 250～375 mg·L-1IAA组合能够促进不定根的增长；0.1 mg·L-1GR24与125～250 mg·L-1IAA显著促进甜瓜胚轴不定根伸长； 0.5 mg·L-1GR24与不同质量浓度IAA互作处理的不定根长度均显著高于对照，且随着IAA质量浓度增加逐渐增加，并在IAA质量浓度为375 mg·L-1时达到最高；1.0 mg·L-1GR24与 125～250 mg·L-1IAA促进不定根生长。综上，0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA组合对不定根长度促进作用最明显。

2.2.2 胚轴不定根数量 由图6可知，不同浓度 GR24处理的甜瓜胚轴不定根数量均高于对照，是对照的1.24～1.6倍，其中0.1 mg·L-1GR24处理的胚轴不定根最多，显著高于对照。随着IAA质量浓度的增加，胚轴不定根数量呈现升高趋势，且在IAA浓度为500 mg·L-1时，胚轴不定根数量最高，是对照的1.59倍。0.01～1 mg·L-1GR24与IAA互作处理的不定根数量，随着IAA质量浓度增加而逐渐升高，并均在IAA质量浓度为250 mg·L-1时达到最多，均显著高于对照，分别比对照高 55.17%、72.41%、 134.48%、93.10%和 47.41%。但是0.1 mg·L-1GR24与75 mg·L-1、375 mg·L-1和500 mg·L-1IAA互作处理、 0.5 mg·L-1GR24与75 mg·L-1IAA互作处理，1 mg·L-1GR24与500 mg·L-1IAA互作处理均显著抑制不定根数量。

2.2.3 胚轴不定根表面积 图7表明，不同质量浓度GR24处理的甜瓜胚轴不定根表面积均高于对照，其中0.05～1 mg·L-1GR24处理的不定根表面积比对照高40.79%～237.78%，显著高于对照。不同质量浓度IAA处理的胚轴不定根表面积呈现先升高后降低趋势，不同质量浓度IAA的处理，对胚轴不定根表面积均有促进作用，且随着IAA质量浓度增加呈现先升高后降低趋势，其中，250 mg·L-1IAA处理的胚轴不定根表面积最大。0.01 mg·L-1和0.05 mg·L-1GR24与IAA互作处理的不定根表面积随着IAA质量浓度增加而增加，分别在IAA质量浓度为375 mg·L-1和125 mg·L-1时达到最高，且显著高于对照；0.1 mg·L-1GR24与75～375 mg·L-1IAA互作处理均显著高于对照；0.5 mg·L-1GR24与75 mg·L-1和125 mg·L-1IAA互作处理显著提高不定根表面积；1.0 mg·L-1GR24与不同质量浓度IAA互作处理的不定根表面积无显著差异，均显著高于对照。综合以上分析，0.1 mg·L-1GR24与250 mg·L-1IAA互作处理对甜瓜胚轴不定根表面积促进作用最明显。

2.2.4 胚轴不定根体积 如图8所示，不同质量浓度(0.01～1 mg·L-1)GR24处理的甜瓜胚轴不定根体积均高于对照，其中0.1 mg·L-1GR24处理的胚轴不定根体积最大，显著高于对照。不同质量浓度IAA处理的胚轴不定根体积差异显著，其中，250 mg·L-1IAA处理的胚轴不定根体积最大，显著高于对照，是对照的7.21倍。GR24与IAA互作处理中，0.01 mg·L-1GR24与不同质量浓度IAA处理均促进不定根体积增加；0.05～0.5 mg·L-1GR24与75～375 mg·L-1IAA处理均对不定根体积的增加有促进作用，其中0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA组合处理的促进作用最大，显著高于对照和单一激素处理，是对照的10.27倍，是不同浓度GR24和IAA处理的 1.69倍和1.43倍；1.0 mg·L-1GR24与75～250 mg·L-1IAA处理对甜瓜胚轴不定根体积具有促进作用。

2.3 甜瓜种子胚根和胚轴不定根生长指标的主成分分析

由于各处理对甜瓜种子胚根和胚轴不定根生长指标表现趋势不一致，无法最终确定不同浓度GR24和IAA及互作处理的作用效果。因此，分别对胚根和胚轴不定根的4个生长指标进行主成分分析，以此确定胚根和胚轴不定根的主要因子。由主成分分析结果可以看出，起始特征值>1的甜瓜种子胚根生长主成分有1个，其方差贡献率为70.20%，表明胚根生长的4项生长指标存在较好的关联性，可以提取1个主成分；起始特征 值>1的甜瓜种子不定根生长主成分也有1个，其方差贡献率为79.29%，表明不定根生长的4项生长指标之间同样存在较好的关联性，可以合为1个主成分(表1)。

表1 甜瓜种子胚根和胚轴不定根的主成分Table 1 Principal component in radicle and adventitious roots

对上述主成分1进行分析得到载荷矩阵(表2)，由载荷矩阵可以看出，4个指标均对胚根和不定根产生正向影响，说明不论是胚根还是不定根，其主成分1均可反映这些指标的信息。用各指标变量的主成分载荷除以主成分相对应的特征值开平方根，得到胚根和胚轴不定根主成分中每个指标所对应的系数即特征向量，以特征向量为权重构建主成分的函数表达式，即胚根主成分1= 0.548×胚根长度+0.524×胚根数量+0.533×胚根表面积+0.375 ×胚根体积；不定根主成 分1 =0.509×不定根长度+0.522×不定根数量+0.464×不定根表面积+0.504×不定根 体积。

表2 甜瓜种子胚根和胚轴不定根主成分1的载荷矩阵Table 2 Load matrix of principal component 1 of radicle and adventitious roots

2.4 甜瓜种子胚根和胚轴不定根生长主成分1的方差分析

对种子胚根主成分1进行方差分析，结果表明，GR24与IAA处理对胚根生长存在互作作用(P=0.012；P=0.019)，且两者互作效应显著，其中GR24和IAA对胚根生长均具有极显著的浓度效应(P<0.001)。对胚轴不定根主成分1进行方差分析，结果表明，GR24与IAA处理对胚根生长互作效应显著，其中GR24(P=0.023)具有显著的浓度效应，而IAA(P<0.001)具有极显著的浓度效应(表3)。

表3 甜瓜种子胚根和胚轴不定根生长主成分1的方差分析Table 3 Variance analysis of principal component 1 in radicle and adventitious roots

GR24、IAA及互作均影响甜瓜种子胚根和胚轴不定根主成分1(图9)。其中，不同浓度GR24单一处理中1.0 mg·L-1GR24明显促进种子胚根生长，而0.1 mg·L-1GR24促进胚轴不定根生长作用最明显。不同IAA质量浓度单一处理中促进种子胚根和胚轴不定根生长的最佳单一IAA质量浓度分别为0.1 mg·L-1和250 mg·L-1。在所有处理中1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA对种子胚根促进作用最明显；而 0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA明显促进胚轴不定根生长。

3 讨 论

植物根系生长与植物激素种类和浓度有关。研究表明，GR24作为一种新型植物激素，具有影响植物根系生长的作用，且对初生根和侧根的生长均具有浓度效应。但是在不同植物中其浓度效应不一致。在拟南芥中1.25～2.5 μmol·L-1GR24促进初生根生长，而5～10 μmol·L-1GR24抑制拟南芥初生根生长[18]。低浓度(1.8×10-4～1.8 μmol·L-1)GR24处理促进油菜侧根发育，高浓度(18 μmol·L-1)GR24处理则具有抑制作用[17]。进一步研究表明，GR24可对微管形成层进行诱导，使其分生组织分化，促进植物根系次生生长，增加根系的表面积和体积[19]。本研究结果表明，GR24对胚根和不定根生长均具有浓度效应，低质量浓度GR24促进胚根和不定根的生长，高质量浓度GR24抑制其生长。GR24促进胚根和不定根生长的最佳质量浓度不同， 0.5～1 mg·L-1GR24促进胚根生长，其中 1 mg·L-1GR24效果最显著；而0.01～ 1 mg·L-1GR24促进甜瓜胚轴不定根生长，以 0.1 mg·L-1GR24效果最显著。

生长素对根系生长同样具有浓度效应[20]。低浓度(30～300 μmol·L-1)IAA促进刺果瓜幼苗根伸长生长，而高浓度(3 000 μmol·L-1)IAA明显抑制了根的伸长[21]；10 μmol·L-1IAA处理的黄瓜幼苗不定根数量显著增加[22]。因此，不同植物根系生长所需生长素浓度不同。本试验结果表明，IAA促进甜瓜种子生根的质量浓度范围是在0.1～0.5 mg·L-1，最适合胚根生长的IAA质量浓度为0.1 mg·L-1。促进甜瓜胚轴不定根生长的质量浓度范围是在125～250 mg·L-1，最适合胚轴不定根生长的IAA质量浓度为250 mg·L-1。

植物激素共同作用影响根系生长。独脚金内酯对番茄根系生长的影响与外源生长素有关。在生长素存在的情况下，随着独脚金内酯浓度的增加，番茄根长增加[15]。独脚金内酯对根形成的影响可能是通过调节局部生长素水平或敏感性[23]。本研究结果表明，适宜质量浓度的GR24和 IAA互作对甜瓜根系生长具有显著促进作用。0.5～1.0 mg·L-1GR24+0.1～0.5 mg·L-1IAA处理促进胚根生长，其中1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA作用最显著。而0.01～ 1 mg·L-1GR24+250～375 mg·L-1IAA处理促进不定根生长，其中0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA作用最显著。

4 结 论

GR24和IAA对甜瓜胚根和不定根生长具有浓度效应，且对胚根和不定根发生的作用具有明显质量浓度差异，1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA处理对胚根生长最为显著，显著高于对照和单一激素处理；0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA的处理显著促进不定根生长。多因素方差分析表明，GR24和IAA处理促进甜瓜胚根和不定根生长过程中均具有显著调控作用，且互作作用和浓度效应明显。表明不论是激素单一处理还是二者互作处理，对甜瓜种子萌发和根系生长均具有浓度效应，但是对于其调控根系的分子机理还需进一步研究。