外源赤霉素和吲哚乙酸对老芒麦生长、生理特性及染色体端粒的调控

贾燕伟， 祁 娟， 赛宁刚， 独双双， 路 欣， 李 霞

(甘肃农业大学草业学院， 草业生态系统教育部重点实验室， 甘肃省草业工程实验室， 中-美草地畜牧业可持续研究中心， 甘肃 兰州 730070)

中图分类号：S482.8+91；Q945.3文献标识码：A

文章编号：1007-0435(2023)02-0456-08

Regulation of Exogenous GA3and IAA on Growth,Physiological Properties and Chromosomal Telomeres ofElymussibiricus

JIA Yan-wei, QI Juan*, SAI Ning-gang, DU Shuang-shuang, LU Xin, LI Xia

(College of Pratacultural Science, Gansu Agricultural University;Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education; Gansu Grassland Engineering Laboratory;China-US Center for Grazing Land Ecosystem Sustainability, Lanzhou, Gansu Province 730070, China)

Abstract:The effects of different concentrations (30,75 and 150 mg·L-1) of gibberellin (GA3) and indole acetic acid (IAA) on the growth and development ofElymussibiricusseedlings were investigated by measuring the morphological and physiological properties,and telomerase activity of the seedlings,with a view to providing a theoretical basis for promoting the growth and development ofE.sibiricus,increasing the yield and even preventing premature failure. TheE.sibiricus‘Chuancao No.2’ was used as the experimental material by using the sand culture method. The results showed that the treatments increased plant height,leaf length,leaf area and above-ground biomass,and 150 mg·L-1of GA3and 30 mg·L-1of IAA treatments were beneficial to plant growth and biomass accumulation ofE.sibiricus. The GA3treatments reduced chlorophyll content on days 10 to 15 and malondialdehyde (MDA) content on day 15,and significantly increased superoxide dismutase (SOD) activity on days 0 to 5,peroxidase (POD) activity on days 0 to 15,catalase (CAT) activity on day 10 and telomerase activity on day 15. The IAA treatments significantly increased the soluble protein content on days 10 to 15,SOD activity on days 0 to 5 and POD activity on days 0 to 15. According to comprehensive evaluation of principal components,the effect of 150 mg·L-1GA3treatment was superior to other treatments.

Keywords:Elymussibiricus;Exogenous hormone;Growth and development;Morphological characteristics;Physiological properties;Telomerase activity

老芒麦(Elymussibiricus)是禾本科(Poaceae)多年生牧草，在我国主要分布在西北、华北、东北等地，它作为青藏高原高寒地区重要的饲草之一，对我国畜牧业的发展起着不可忽视的作用[1]，同时，它在高寒草甸草原上能够形成优势种和建群种，对维持草原生态系统的稳定具有重要作用[2]。但老芒麦播种当年基本不能完成生育期，收益较低，且其人工草地可利用年限较短，在2～4年内产量较高，以后逐年下降[2]。老芒麦在天然草地群落中相对生物量、相对多度和相对盖度亦随着利用年限增加而显著降低[3]。

植物激素对植物生长发育起着重要调控作用，通过整合体内外各种信号以不断调控植物的生长发育，从而应对非生物和生物胁迫。通过喷施外源激素可以诱导内源激素(如赤霉素、生长素、脱落酸等)的变化，进而对植物激素信号转导系统产生作用[4]。激素的功能特异性，取决于物种、组织、激素浓度、发育阶段以及植物生长条件等诸多因素[5]，它对植物生长发育的调控，与其生长生理状态以及激素浓度都有着密不可分的关系[6]。外源植物激素，尤其吲哚乙酸(Indole acetic acid，IAA)和赤霉素(Gibberellin，GA3)已在众多农作物上得到广泛应用，并取得了显著的经济和社会效益。研究发现，GA3对水稻(Oryzasativa)种子的萌发具有显著的促进作用[7]，外源激素IAA，GA3调控小麦(Triticumaestivum)分蘖芽生长的最适浓度为60 mg·L-1[8]，喷施GA3或IAA，可有效增加食用型甘薯(Dioscoreaesculenta)淀粉或可溶性糖含量[9]。目前，外源激素在羊草(Leymuschinensis)、草地早熟禾(Poapratensis)及豆科牧草上被广泛利用，外源激素对羊草的生长发育、开花习性及结实等特征有着重要影响[10-11]，能够提高草地早熟禾抗白粉病能力[12]，增强苜蓿(Medicago)根系抗氧化活性等[13]。

为了探究外源激素对老芒麦生长发育的影响，本研究团队通过利用其与氮、磷素配施研究发现，外源激素能显著促进老芒麦生长及营养物质的吸收[14-15]，但有关外源激素对老芒麦生长形态、生理特性及染色体端粒方面探究较少。为此，本研究以‘川草2号’老芒麦为研究对象，通过研究喷施不同浓度外源GA3和IAA对老芒麦地上形态、生理特性以及染色体端粒酶活性的影响，以期为提高其产量及延长老芒麦人工草地的利用年限奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验材料为‘川草2号’老芒麦，其种子由四川草业科学研究院提供。本试验于2022年4月下旬在甘肃农业大学草业学院实验室进行。挑选均匀饱满、健康的‘川草2号’老芒麦种子，用75%酒精消毒10 min，再用蒸馏水冲洗三遍，晾干备用。采用砂培法进行幼苗栽培，选取上口径10 cm、下口径7 cm、高16 cm的塑料杯作为砂培容器，将细沙和蛭石高温灭菌后，按细沙∶蛭石=3∶1的体积比混合，盛装至塑料杯4/5处，蒸馏水浇透后，均匀撒播老芒麦种子，每杯50粒，覆上一层细沙和蛭石，盖住种子。将所有塑料杯放置培养室(温度25℃±1℃，光照12 h，黑暗12 h)培育，每天固定时间浇灌等量蒸馏水。待幼苗长至2～3 cm时进行间苗至30株·杯-1，并开始浇灌Hoagland营养液，每天补充损失的水分，每5天更换一次营养液，更换营养液前用蒸馏水冲洗杯内沙子和蛭石，重复3遍，防止盐分积累。

试验设置GA3和IAA两种生长类激素的添加，分别设置3个浓度梯度(30，75和150 mg·L-1)，记为GA330，GA375，GA3150和IAA 30，IAA 75，IAA 150。待老芒麦长至三叶期时，于每天下午17:00进行叶面喷施外源激素，以喷施蒸馏水为对照，喷施量以成滴为准，隔天处理一次，共处理4次，分别在全部处理结束后的第0，5，10和15 天取样，每处理3次重复，用以测定生理指标和端粒酶活性，取样后立即放入液氮中，取出后保存至—80℃超低温冰箱备用。在第15 d进行地上形态特征的测定。

1.2 测定指标与方法

1.2.1形态指标的测定 株高(cm)：每个处理随机取10株，用卷尺测量茎基部至最高处的垂直距离，即绝对高度，分别求其平均值[15]。

茎粗(cm)：每个处理随机取10株，用游标卡尺测量基部茎的直径，分别求其平均值[16]。

叶长(cm)：每个处理随机取10株，用卷尺测量倒二叶(从根茎基部数起倒数第2叶)基部到叶尖的长度[15]。

叶宽(cm)：每个处理随机取10株，用游标卡尺测量倒二叶(从根茎基部数起倒数第2叶)中间最宽处宽度[15]。

叶面积(cm2)：叶长×叶宽×0.75[15]。

地上生物量(g)：齐茎基部刈割后称其鲜重，3次重复，取其平均值[16]。

1.2.2生理指标的测定 采用分光光度法测定叶绿素含量[17]，考马斯亮蓝G-250法测定叶片可溶性蛋白(Soluble protein,SP)含量[17]，氮蓝四唑比色法测定超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性[17]，愈创木酚比色法测定过氧化物酶(Peroxidase,POD)活性[17]，紫外吸收法测定过氧化氢酶(Catalase,CAT)活性[18]，硫代巴比妥酸法测定丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量[17]。

1.2.3端粒酶活性的测定 称取鲜样各0.5 g，放入预冷的研钵中，用液氮研磨成粉末，倒入5 mL离心管，再加入4.5 mL 0.01 mol·L-1的PBS匀浆液，10 000 r·min-1高速冷冻离心20 min，上清液即为酶液。采用植物端粒酶ELISA检测试剂盒测定样品端粒酶活性，购于上海岚派生物科技有限公司。

1.3 数据分析

使用SPSS 26 软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA，LSD)、Duncan氏多重比较检验及主成分分析，采用Microsoft Excel 2019进行处理数据和绘图，所有数据均以3个重复的平均值±标准误(SE)表示。

2 结果与分析

2.1 外源激素GA3和IAA对生长特性的影响

由表1可知，不同浓度GA3处理后株高较CK显著提高了73.51%，82.12%和89.98%(P<0.05)，而IAA处理后提高25.10%，2.72%和11.58%；30 和150 mg·L-1IAA处理显著增加了老芒麦茎粗，但30 和75 mg·L-1GA3的喷施显著降低了幼苗茎粗；两种激素处理后，叶长较CK均显著提高，GA3处理效果较显著，分别较对照显著提高了61.23%，73.23%和76.15%(P<0.05)，但GA3显著抑制了叶宽的增长，而30 和75 mg·L-1IAA处理后，叶宽显著提高，分别较CK提高了11.76%和8.82%；外源GA3和IAA处理均明显促进了叶面积的增加，其中150 mg·L-1GA3和30 mg·L-1IAA处理后，叶面积分别较CK提高71.03%和52.05%；75，150 mg·L-1GA3和30 mg·L-1IAA处理后其地上生物量较CK增幅明显，分别显著提高了30.11%，27.13%和24.29%。

表1 外源GA3和IAA对老芒麦生长特性的影响Table 1 Effect of exogenous GA3 and IAA on the growth characteristics of E. sibiricus

2.2 外源激素GA3和IAA对叶片生理特性的影响

2.2.1外源GA3和IAA对叶片叶绿素和可溶性蛋白含量的影响 由图1A可得，不同GA3处理后第15 d叶绿素含量分别较CK显著降低28.85%，25.36%和26.36%(P<0.05)；30 mg·L-1IAA处理后第0 d叶绿素含量显著降低，降幅为17.44%，75 mg·L-1IAA处理后10～15 d的叶绿素含量均显著降低，降幅分别为15.92%和12.69%，150 mg·L-1IAA处理后叶绿素含量相对稳定。

不同浓度IAA处理均显著提高了10～15 d的可溶性蛋白含量，第10 d的增幅分别为58.05%，79.46%和27.06%，第15 d的增幅分别为10.93%，7.53%和52.25%。GA3处理效果不明显，仅150 mg·L-1GA3处理在第0 d显著提高了可溶性蛋白含量(图1B)。

图1 不同浓度GA3和IAA对老芒麦叶片叶绿素和可溶性蛋白含量的影响Fig.1 Effect of different concentrations of GA3 and IAA on chlorophyll and soluble protein content of E. sibiricus leaves注：各处理间不同小写字母表示在相同生长天数不同浓度激素处理间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters among treatments indicate significant differences among treatments with different concentrations of hormones on the same growth days at the 0.05 level,the same as below

2.2.2外源GA3和IAA对叶片丙二醛和抗氧化酶活性的影响 图2A显示，叶片在生长发育过程中，MDA含量会逐渐增加。外源GA3和IAA处理能够对叶片体内MDA含量产生显著影响。在处理后第15 d，除150 mg·L-1IAA外，其它处理MDA含量较CK均显著降低，其中75和150 mg·L-1GA3处理降幅最大，分别较对照降低了30.43%和34.78%。

由图2B可得，GA3处理显著提高了0～5 d的SOD活性，第0 d各处理增幅达到最大，分别为103.03%，77.97%和68.01%。IAA各处理亦显著提高了第0 d的SOD活性，分别较CK提高61.13%，67.28%和40.13%，同时，75 mg·L-1IAA显著提高了5～10 d的SOD活性。

由图2C可知，外源GA3的添加显著提高了叶片0～15 d的POD活性，且随生长天数增加呈先降低后升高趋势；30，75和150 mg·L-1GA3处理后第15 d，POD活性较CK显著提高了205.90%，105.82%和169.50%。30和150 mg·L-1IAA显著提高了第0，10和15 d的POD活性，75 mg·L-1IAA均显著提高0～15 d的POD活性；IAA处理后第15 d效果明显，POD活性分别较CK提高93.82%、87.69%和120.39%。

图2D表明，除150 mg·L-1IAA外，叶片内CAT活性随生长天数增加呈先降低再升高后又降低的趋势，在第10 d CAT活性达到最高。30，75，150 mg·L-1GA3和150 mg·L-1的IAA处理后第10 d，CAT活性分别较CK显著提高了64.93%，107.73%，143.05%和96.24%。

2.3 外源激素GA3和IAA对叶片端粒酶活性的影响

由图3可知，CK叶片中端粒酶活性随生长天数的增加而逐渐降低，第0 d端粒酶活性最高，为14.92 IU·L-1，第15 d端粒酶活性较第0 d降低18.42%。外源GA3和IAA的喷施对老芒麦叶片端粒酶活性具有较大影响。30，75和150 mg·L-1的GA3以及30，75 mg·L-1的IAA处理均显著提高了叶片第15 d的端粒酶活性，分别为12.83，13.62，13.27，14.09和12.85 IU·L-1，较CK提高5.42%，11.91%，9.04%，15.78%和5.59%。

2.4 主成分分析及综合评价[19]

将累计贡献率大于80%且方差特征值大于1的作为主成分，共提取了3个主成分(表2)，其特征值分别为7.306，2.717和2.111，贡献率分别为56.200%，20.902%和16.241%，3个主成分的累计贡献率达到93.343%，具有一定代表性。

第1主成分贡献率较大的是叶长、株高、MDA、叶绿体、地上生物量、叶面积、叶宽、POD和端粒酶活性，其中MDA、叶绿素和叶宽起反向作用，反映了老芒麦生长发育过程中地上部形态特征、膜保护物质的含量、叶绿素含量、抗氧化酶活性以及端粒酶活性的变化；第2主成分贡献率较大的是SOD和茎粗，即为抗氧化酶和地上形态特征；第3主成分上可溶性蛋白和CAT的贡献率较大，主要反映了老芒麦幼苗在生长发育过程中渗透调节能力和细胞内抗氧化酶活性的大小。综合3个主成分分析结果，地上部形态特征、生理特性以及端粒酶活性，均可作为评价各处理下老芒麦生长发育状况的综合指标。

图2 不同浓度GA3和IAA对老芒麦叶片丙二醛和抗氧化酶活性的影响Fig.2 Effect of different concentrations of GA3 and IAA on malondialdehyde and antioxidant enzyme activities of E. sibiricus leaves

图3 外源GA3和IAA对老芒麦叶片端粒酶活性的影响Fig.3 Effect of exogenous GA3 and IAA on telomerase activity of E. sibiricus leaves

根据不同处理下各主成分因子得分计算出综合得分，再依据综合得分情况对各处理进行排序(表3)。排名前三的处理分别为150 mg·L-1GA3，75 mg·L-1GA3和30 mg·L-1GA3，其中150 mg·L-1GA3综合得分2.045，CK排名最后，表明外源喷施GA3和IAA对老芒麦地上部生长均有促进作用，其中喷施浓度为150 mg·L-1的GA3效果最佳。

表2 各指标主成分方差贡献率及载荷矩阵Table 2 Principal component variance contribution and loading matrix for each indicator

表3 各指标主成分因子得分及排序Table 3 Principal component factor scores and sorting for each indicator

3 讨论

3.1 外源激素GA3和IAA对老芒麦地上生长特性的影响

植物激素如赤霉素或生长素等在调节植物生长发育的各种过程以及胁迫反应中发挥着关键作用。外源植物激素主要通过影响植物内源激素的平衡，从而引起植株生长和生理代谢活动的变化[20]。研究表明一定浓度范围内的外源生长素、赤霉素和细胞分裂素对于草种的发芽及幼苗的生长均具有促进作用[21-22]，通过比较不同浓度外源激素对农艺性状及生理特性的影响可筛选出有利于植物生长发育最适宜的激素喷施浓度。研究表明，浓度为30 mg·L-1的GA3可提高谷子(Setariaitalica)的株高、叶面积、叶片数[23]，而0～40 mg·L-1GA3对无芒雀麦(Bromusinermis)农艺性状无明显促进作用，但10 mg·L-1对其种子产量具有显著调控效果[24]。150 μg·g-1IAA是‘坝莜3号’种子萌发和幼苗生长的最适浓度[25]，30 mg·L-1IAA处理对老芒麦根系的直径和根表面积有明显促进作用[26]。本研究表明，较高浓度的GA3(150 mg·L-1)和较低浓度IAA(30 mg·L-1)有利于老芒麦植株生长和生物量的积累。这说明不同植物对不同外源激素的敏感度有很大的差异[27]。

3.2 外源激素GA3和IAA对老芒麦叶片生理特性的影响

3.3 外源激素GA3和IAA对老芒麦叶片端粒酶活性的影响

端粒酶在植物生长发育、细胞增殖、DNA修复以及细胞凋亡过程中扮演着重要角色，植物的整个器官和组织在生长发育过程中，端粒酶的激活具有相当大的变化，特别是在具有长生命周期的物种中[32]，即端粒酶活性与细胞活动相关[33]。研究指出，分化能力强的细胞和组织器官内端粒酶活性较高[34]。本研究结果表明，除150 mg·L-1的IAA处理外，其它处理均显著提高了第15 d的端粒酶活性，75 mg·L-1GA3和30 mg·L-1IAA处理的端粒酶活性增幅较大，说明该浓度外源GA3和IAA处理可以在老芒麦生长发育到一定阶段提高其叶片内端粒酶活性，从而维持端粒稳定性，甚至延缓叶片早衰。有研究发现：银杏(Ginkgobiloba)只在生长的早期阶段表现出高的端粒酶活性，而在它的生命周期结束时，端粒酶是检测不到的[35]，这反映出端粒酶的活性可能取决于叶片的生长状态。另外，本研究发现正常的生长条件下，喷水处理10 d后，在MDA含量升高的情况下，端粒酶活性降低，依照上述理论，可能是叶片趋向衰老，端粒发生缩短，端粒酶活性必然减弱。一定浓度IAA和GA3处理后，可提高端粒酶活性，而MDA含量相应降低，前人研究表明，细胞端粒酶活性的提高，可能是老芒麦在正常生命周期的代谢过程中伴随的ROS发挥第二信使作用，通过调控细胞生长等使植物体内各项活动维持稳定，端粒酶同时被激活，使染色体端粒长度处于动态平衡状态[36]；也可能部分ROS对端粒DNA造成损伤，而端粒酶被激活对其进行损伤修复[37]。

4 结论

喷施一定浓度的外源GA3和IAA，能有效促进老芒麦株高、叶长、叶面积及地上生物量的积累，并在一定发育阶段提高了叶片内可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性以及端粒酶活性，减弱了膜脂过氧化作用，保证叶片各种代谢活动正常运行。综合外源激素对老芒麦地上形态特征、生理特性和染色体端粒酶活性影响得出，喷施150 mg·L-1的GA3效果较佳。