赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞灌浆及产量形成的影响

2022-05-24郭溶誉张新月李振东王晓静黄凯丰黄小燕

福建农业学报 2022年3期

郭溶誉，张新月，李振东，王晓静，黄凯丰，黄小燕

（贵州师范大学生命科学学院荞麦产业技术研究中心，贵州贵阳 550001）

0 引言

【研究意义】苦荞（Fgopyrumtataricum）属蓼科（Polygonaceae）荞麦属（FagopyrumMill）[1-2]，其营养成分丰富且均衡合理，享有“五谷之王”的美名。作为特色粮食作物栽培于我国西南高海拔贫困地区、西北革命老区、边疆地区和藏、彝、苗等少数民族地区，一直被认为是“贫苦劳动人民”的重要粮食作物[3]，在巩固贫困山区脱贫攻坚成果、推进贫困山区乡村振兴中起到重要的作用。苦荞籽粒的营养成分较其他粮食作物丰富，除了具有较高的膳食纤维，还富含芦丁、槲皮素等多种黄酮类物质[4-5]，在帮助降脂、降糖、抗炎、止咳平喘等方面有着极其重要的作用[6-7]，因其突出的营养保健功能，备受瞩目，市场前景广阔[8]。但目前我国苦荞的收获率仍处在较低水平，严重限制了我国苦荞产业的发展，如何提高苦荞的产量亟待解决。【前人研究进展】赤霉素（Gibberellin，GA3）为农业生产中常见的一类植物生长调节剂，具有促进植物种子的萌发、节间的生长、提高作物结实率等广泛用途[9]。此外，赤霉素对作物产量的形成也有一定的调控作用，我们的前期研究发现，适宜的赤霉素处理能显著提高苦荞[10]和甜荞[11]的产量。油菜素内酯（Brassinosteroids，BRs）是植物中广泛存在的一类甾醇类激素[12]。2,4-表油菜素内酯（2,4-epibrassinolide，EBR）是目前应用于生化研究最多最广的BR化合物之一，目前国内外关于EBR的研究主要集中于它与植物抗逆性关系[13]。也有部分学者研究了外源EBR对作物产量形成的调控作用。唐鑫华等[14]的研究表明，适宜的EBR能提高马铃薯单株产量和亩产。刘海英等[15]的研究发现，喷施外源EBR能提高小麦的粒重和最终的产量。【本研究切入点】但目前缺乏GA3配施EBR的相关研究，两种外源激素间是否存在协同或者拮抗作用、是否对苦荞生长和产量存在影响等未见相关报道。【拟解决的关键问题】本试验以苦荞品种晋荞2号为供试材料，设置6个不同的GA3和EBR处理，研究其对苦荞强弱籽粒之间灌浆特性和淀粉合成酶活性之间的差异，灌浆阶段叶片中抗氧化酶活性和光合特性的变化以及对产量的影响，为明确外源GA3配施EBR对苦荞籽粒灌浆和产量形成的生理机制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的苦荞品种为晋荞2号，由贵州师范大学荞麦产业技术研究中心提供。2,4-表油菜素内酯（EBR，分子式C28H48O6，含量＞95%）及赤霉素（GA3，分子式C19H22O6，含量＞95%）均购于南京都莱公司。

1.2 试验处理

试验于2020年8月27日在贵州省贵阳市乌当区下坝镇贵州师范大学荞麦产技术研究中心种植基地（ 106.9493 ° E， 26.7309 ° N）进行。土壤基础养分情况为：铵态氮 8.18 mg·kg-1，速效磷 19.98 mg·kg-1，速效钾24.92 mg·kg-1，有机质28.16%，前作空闲。小区面积为2 m×5 m，每小区一次性施入复合肥375 g作为基肥 [无机复合肥由贵州西洋肥业有限公司提供，其中m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=15∶15∶15]，后期不再追肥。各小区种子播种量为37.5 g，条播，行间距为0.33 m。当田间有70%左右籽粒变褐色时采收，采收日期2020年11月17日。

于始花期（2020年10月11日）的上午9：00且无风条件下用高压喷壶进行外源激素处理，整株喷施，每2 d喷施1次，共处理3次，喷施量约为100 mL·m-2。均匀喷施于苦荞叶片正反面，以叶面湿润且无溶液滴落为宜，过后2 d无雨。试验设置6个处理： 80 mg·L-1GA3（T1）、 80 mg·L-1GA3+0.1 mg·L-1EBR（T2）、 80 mg·L-1GA3+0.5 mg·L-1EBR（T3）、80 mg·L-1GA3+1 mg·L-1EBR（T4）、 80 mg·L-1GA3+2 mg·L-1EBR（T5），以喷施等量的蒸馏水为对照（CK）。其中 80 mg·L-1的 GA3施用量为前期研究所得的最佳施用量[10]。小区按随机区组试验设计，各处理3次重复，合计18个小区。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 灌浆特性测定在外源激素处理后的第5天，从各区域中选取有代表性的植株开始做标记，在其当日开花花朵的花萼上进行点花标记，分别于标花后7、14、21、28、35 d取样，直到籽粒成熟。其中苦荞主茎上部分枝上的籽粒为强势粒，主茎下部二次分枝上的籽粒为弱势粒。

苦荞强、弱籽粒的灌浆过程通过Richards方程进行拟合：W=A/（1+Be-Kt）1/N[16]。

式中t为开花后天数（d），W为t对应的籽粒千粒质量（g），A为最终籽粒质量（g），B为初级参数，K为生长速率参数，N为形状参数。

参考杨志远等[17]的方法计算灌浆期3个阶段（前期、中期、后期）内平均灌浆速率以及灌浆贡献率。

1.3.2 淀粉合成酶活性的测定参考Nakamura and Yuki[18]的方法测定苦荞强弱籽粒中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和可溶性淀粉合成酶（SSS）的活性。

1.3.3 抗氧化酶活性的测定参考李合生[19]的方法，利用紫外分光光度计测定苦荞叶片中过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性。

1.3.4 光合特性的测定于上午9：30-10：30利用LI-COR-6400光合仪（Li-Cor, Lincoln，NE, USA）对灌浆期各处理下的苦荞叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）测定。

1.3.5 农艺性状及产量的测定参考Wang 等[20]的方法对农艺性状及单株粒重等产量形成指标进行测定。

1.4 数据分析

采用 Excel 2019对数据进行整理计算，用SPSS 23.0软件完成数据分析。

2 结果与分析

2.1 苦荞的灌浆特性

由表1可知，苦荞籽粒的百粒重随生育期的推进表现为慢-快-慢的生长趋势。单施赤霉素处理（T1）与对照相比，能显著增加苦荞强弱势粒的百粒重。赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯处理时，随着2,4-表油菜素内酯施用量的增加，苦荞强势粒的百粒重呈现为先后降低的趋势，均在T3处理时达最大；苦荞弱势粒的百粒重则呈现为逐渐降低的变化趋势，在T1处理时最大。

表1 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞籽粒增重过程的影响Table 1 Effect of GA3 and EBR treatments on weight gain of buckwheat grains

由表2可知，各处理的曲线方程判断系数（R2）=0.976 4～0.990 7，表明用Richards方程可以较好地拟合各处理条件下苦荞强弱势粒的灌浆动态。强势粒的A值以T3处理显著高于其余5个处理，弱势粒则以CK处理显著高于其余5个处理。与对照相比，T5处理显著提高了强势粒的灌浆起始势。从表2中还可以看出，弱势粒达到最大灌浆速率的时间均高于强势粒，以CK处理最大，而强势粒最大灌浆速率均比弱势粒高，以T5处理最大。

表2 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞籽粒灌浆参数的影响Table 2 Effect of GA3 and EBR treatments on buckwheat grain-filling parameters

从表3可知，在苦荞灌浆前期、中期，强势粒的灌浆平均速率及贡献率均显著高于弱势粒，到灌浆后期则相反。强势粒的灌浆平均速率和贡献率在灌浆中期较快，弱势粒在灌浆后期较快。在灌浆前期，T4处理的强势粒较对照显著提高了平均速率和贡献率，而弱势粒在T1处理时平均速率显著提高，T3处理时贡献率显著提高；在灌浆中期，T3处理的强势粒较对照显著提高了平均速率，强势粒在T1处理时，其贡献率显著高于其他处理，但与对照相比不存在显著差异，弱势粒各处理的平均速率均显著低于对照，以T1和T5处理时平均速率最低，在T3处理时弱势粒的贡献率显著提高；在灌浆后期，强势粒在T3和T5处理下的平均速率较对照显著提高，贡献率以T1处理时最高，弱势粒则均以CK处理显著提高。从表3中还可以看出，灌浆3个阶段中对强势粒粒重的贡献率顺序为：中期＞前期＞后期；弱势粒则是：后期＞中期＞前期。

表3 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞籽粒灌浆速率的影响Table 3 Effect of GA3 and EBR treatments on buckwheat grain-filling rate

2.2 苦荞籽粒的淀粉合成酶活性

由表4可知，苦荞强弱势粒中的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶活性随生育期的推进均呈现为先升高后下降的趋势，除弱势粒的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性在花后28 d时达到最大，其余均以花后21 d时达到最大。单施赤霉素处理（T1）与对照相比，能显著提高了苦荞强弱势粒的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶活性。赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯处理时，随2,4-表油菜素内酯施用量的增加，苦荞强势粒的淀粉合成酶活性表现为先增加后降低，均在T3处理时达最大；弱势粒表现为下降的趋势，以CK处理较高。

表4 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞籽粒淀粉合成酶活性的影响Table 4 Effect of GA3 and EBR treatments on starch synthase activity in buckwheat grains

2.3 苦荞叶片的抗氧化酶活性

由表5可知，苦荞叶片的超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性随生育期的推进呈现为先升高后降低的趋势，超氧化物歧化酶活性在花后14 d时达最大，过氧化物酶活性则在花后28 d时达最大。单施赤霉素处理（T1）与对照相比，能显著增加苦荞叶片的超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性。赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯处理时，随2,4-表油菜素内酯施用量的增加，花后14 d和21 d时的超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性呈持续下降的变化趋势，其余时期则表现为先增加后降低。

表5 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞叶片抗氧化酶活性的影响Table 5 Effect of GA3 and EBR treatments on antioxidant enzyme activities in buckwheat leaves

2.4 苦荞叶片的光合特性

从表6可知，各处理下苦荞叶片的光合特性随生育期的推进均呈现为先升高后下降的趋势，并且都在花后14 d时达到最大，花后21 d以后下降幅度明显。单施赤霉素处理（T1）与对照相比，均能显著提高苦荞叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率。赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯处理时，随2,4-表油菜素内酯施用量的增加，苦荞叶片的净光合速率表现为先升高后降低，其中花后7 d和14 d时以T1处理达最大，其余时期则以T3处理达最大；气孔导度和蒸腾速率随2,4-表油菜素内酯施用量的增加表现为先增加后降低，均以T3处理时达最大。

表6 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞叶片光合特性的影响Table 6 Effect of GA3 and EBR treatments on photosynthetic properties of buckwheat leaves

2.5 苦荞的农艺性状及产量

由表7可知，与对照相比，单施赤霉素和赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯均能增加苦荞的主茎节数，促进植株生长，并且以T5处理时较为明显；随2,4-表油菜素内酯施用量的增加，苦荞的主茎分枝数及其直径、单株粒数及粒重、千粒重、产量均表现为先增加后降低，并在T3处理达到最大。

表7 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞农艺性状及产量的影响Table 7 Effect of GA3 and EBR treatments on agronomic traits and yield of buckwheat

3 讨论

3.1 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞衰老的影响

超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性的高低与作物抗衰老能力的强弱有显著的正相关关系[21]。研究表明，衰老不仅会降低植物叶片中抗氧化酶活性，还会阻止活性氧的生成和破坏动态平衡，导致活性氧积累过多[22]。李佩艳等[23]的研究发现，在种植玉米时通过适宜的栽培措施后，其叶中的POD、SOD活性在生育后期明显加强，从而延缓衰老。本团队的前期研究发现[24]，通过适宜的耕作方式能提高苦荞叶片中POD和SOD的活性，从而延长叶片功能期。本研究结果发现，赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯处理时，随2,4-表油菜素内酯施用量的增加，苦荞叶片中的SOD和POD活性呈现为单峰变化趋势，说明施用赤霉素时配施一定量的2,4-表油菜素内酯，能延缓苦荞叶片的衰老。

3.2 赤霉素与2,4-表油菜素内酯对苦荞生长及产量的影响

褚孝莹等[25]的研究发现喷施一定量的外源GA3能明显促进小黑麦籽粒的灌浆，提高最终的产量。杨建昌等[26]的研究也发现喷施外源GA3能增加水稻的粒重和产量。杜彦修等[27]通过研究水稻发现，施用赤霉素后其结实率和粒重有所提高。本团队前期通过对施用赤霉素的研究发现，喷施适宜的赤霉素可提高苦荞产量[10]。本研究结果得到，单施赤霉素与对照相比，能显著提高单株粒数、单株粒重、千粒重和最终的产量，这与上述研究结果一致，也与前期在苦荞[11]上的研究结果一致。王学奎等[28]发现，喷施一定量的2,4-表油菜素内酯能提高小麦的产量；刘海英等[15]的研究进一步证实了此结论。但赤霉素配施2,4-表油菜素内酯是否会对作物的产量产生影响目前尚未见报道。本试验中赤霉素配施不同质量浓度的2,4-表油菜素内酯处理时，随着2,4-表油菜素内酯施用量的增加，苦荞的产量先增加后降低，并且在T3处理时达到最大，可能是因为赤霉素配施适宜的2,4-表油菜素内酯处理提高了苦荞叶片抗氧化酶的活性，使苦荞叶片的功能期变长，为籽粒灌浆提供了更多时间；也有可能是因为赤霉素配施适宜的2,4-表油菜素内酯处理提高了苦荞叶片的光合特性，进而提高了叶片对光能的吸收利用，增加了“源”的供应，即增加了籽粒所需的灌浆物质，同时促进植株茎的生长，分枝数的增多，显著提高了单株粒数和粒重，最终实现了产量的增加[29]。