不同基因型燕麦内源激素与灌浆期生理特性之间的关系

柳妍娣 赵宝平* 张 宇 米俊珍 武俊英 刘景辉

(1.内蒙古农业大学 农学院,呼和浩特 010018;2.内蒙古农业大学 职业技术学院,内蒙古 包头 014109)

燕麦(AvenasativaL.)是我国特色农作物之一,具有较强的抗逆性及适应性,有保健功效,应用前景广阔[1]。燕麦粒重形成是多因素调控的结果,籽粒灌浆是粒重形成的关键阶段,且与遗传因素关系密切[2],在燕麦灌浆期,旗叶通过光合作用产生的有机物质转运到籽粒,灌浆过程与燕麦籽粒充实程度密切相关,灌浆期是决定粒重的关键时期[3]。

各内源激素的含量对灌浆过程影响较大[4];杨建昌等[5]研究表明,内源激素水平显著影响开花后籽粒灌浆速率,且最终粒重的形成很大程度上取决于内源激素的调节;内源激素含量显著影响叶片生理功能[6-7],各类激素及组合间的平衡亦影响作物的生长发育[8-9]。光合作用与碳代谢是灌浆期的重要生理过程,籽粒碳代谢物质80%以上来自花后光合生产[10],蔗糖磷酸合成酶(SPS)及蔗糖合酶(SS)作为碳代谢关键酶,其活性反映了作物合成和转运蔗糖的能力,与灌浆过程密切相关[11]。目前,很多研究集中在内源激素对籽粒灌浆速率等的直接影响[12-13],针对内源激素含量对灌浆期的主要生理过程的影响,进而调控粒重的生理机制的研究鲜见报道。本研究以9个不同基因型的燕麦为试验材料,设置大田试验,测定灌浆期内源激素含量及重要生理指标的变化,采用方差分析和聚类分析,探究不同基因型燕麦灌浆期生理特性、内源激素含量差异,旨在明确内源激素含量对燕麦灌浆过程的影响,以期为内蒙古燕麦的高产栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2020和2021年在内蒙古自治区包头市土默特右旗内蒙古农业大学现代农业产业园进行大田试验,该区是大青山洪积平原向土默川冲积平原过渡带,海拔993.5 m,年均日照3 056.3 h,2020和2021年4—8月平均温度分别为13～25 ℃和17～26 ℃,2020和2021年的4—8月降雨量分别为283.4和339.8 mm,无霜期132 d,土质为砂壤土,0—20 cm耕层土壤有机质18.6 g/kg、碱解氮133 mg/kg、有效磷6 mg/kg、速效钾83 mg/kg、pH 7.47[14]。

1.2 材料及试验设计

在我国主栽燕麦品种中选择9个来源、熟期、穗型、株型、小穗数均不同的品种,其中裸燕麦8个,皮燕麦1个,见表1。

表1 9个不同基因型燕麦的主要特征Table 1 Main characteristics of 9 different genotype oat varieties

试验为单因素随机区组设计,处理为9个品种,重复4次,共36个小区,小区面积20 m2;裸燕麦播种量150 kg/hm2,皮燕麦播种量180 kg/hm2,播种方式为人工撒播。施底肥磷酸二铵150 kg/hm2,于分蘖至拔节期趁雨追施尿素75 kg/hm2或施后灌水;浇分蘖水、抽穗水、灌浆水。2020年4月28日播种,7月下旬开始按各品种生育期收获;2021年4月8日播种,7月上旬开始按各品种生育期收获,全生育期85～105 d。

1.3 测定项目及方法

1.3.1灌浆粒重

按照各品种到达抽穗开花期的时间标记燕麦植株,并在各品种到达灌浆期的时间进行取样及光合生理指标的测定,以保证品种间的可比性。在抽穗开花期选取穗大小基本一致的20株燕麦进行标记并记录开花日期,于开花期至成熟期每隔7 d取样1次。每次取标记麦穗4个,选取中部10个小穗,剥取强势粒20粒,105 ℃杀青,80 ℃烘至恒重,测定灌浆粒重动态变化,用多项式方程[15]拟合灌浆期粒重增长过程。

1.3.2光合特性

在晴天且太阳光强相对稳定的8：00—10：00使用GFS-3000光合仪测定灌浆期旗叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)。

1.3.3碳代谢酶活性

于灌浆期取15～20株燕麦的旗叶叶片,-60 ℃超低温冰箱保存。参考刘鹏[16]的方法进行蔗糖合酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性的测定。

1.3.4内源激素含量

于灌浆期取15～20株旗叶叶片,-60 ℃超低温冰箱保存。采用酶联免疫吸附法[17]进行赤霉素(GA3)、玉米素核苷(ZR)、生长素(IAA)、脱落酸(ABA)含量的测定。

旁边的红秀才跟紫秀才讲：“说好的去学医，跟人家学长生不老术，没成想走到黄梁驿，就将头皮断送了，早知道，就不该信那帮穷酸嚷嚷的万花谷，他们在长安城里花天酒地醉生梦死，骗我们出来找神仙，我们走到头了，我只想求这些山贼大爷，杀我时用刀抹我的脖子，莫用锤子敲我的脑壳。”

1.3.5粒重

于成熟期每小区取20株燕麦,调查单穗粒重、折算千粒重。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理和作图,SAS 9.0、SPSS 25.0、Origin 2021进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同基因型燕麦灌浆粒重

由图1可知,各品种灌浆粒重动态变化均呈上升趋势,‘蒙燕1号’、‘坝莜1号’、‘草莜1号’、‘白燕5号’在花后14 d时,灌浆粒重均显著高于其他品种,说明到达灌浆盛期的时间较早,灌浆启动时间也早于其他品种。由表2可知,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’、‘白燕5号’的拟合程度较好,随着灌浆过程的推进,籽粒重量稳步上升,灌浆粒重优于其他品种。

图1 不同基因型燕麦粒重增长动态Fig.1 Grain weight increase dynamics of different genotype oats

表2 不同基因型燕麦灌浆粒重多项式拟合方程Table 2 Polynomial fitting equations in grout grain weight of different genotype oats

2.2 不同基因型燕麦光合特性

由表3可知,不同年份和不同基因型燕麦的光合特性差异均达显著水平。2年整体来看,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’的Pn、Tr、Gs、Ci均显著高于‘蒙燕1号’、‘华北2号’、‘定莜8号’。2020年,‘坝莜1号’、‘草莜1号’、‘坝莜9号’、‘白燕2号’的Pn较‘白燕5号’、‘蒙燕1号’、‘华北2号’、‘定莜8号’高17.4%～68.3%;2021年,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’的Pn较‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’高12.6%～62.7%。综上,灌浆粒重较优的品种,灌浆期Pn较高。

表3 不同基因型燕麦光合特性Table 3 Photosynthetic characteristics of different genotype oats

2.3 不同基因型燕麦旗叶碳代谢酶活性

由图2可知,从2年的整体情况来看,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’的SPS和SS活性均显著高于‘白燕2号’、‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘定莜8号’。2年间各品种SPS活性趋势稍有差异。2020年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’的SPS活性较‘白燕5号’、‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘定莜8号’高16.7%～69.5%;2021年,‘坝莜1号’的SPS活性较‘白燕2号’、‘定莜8号’高15.4%和17.2%。2020年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’的SS活性较‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘华北2号’、‘定莜8号’高2.8%～22.8%;2021年,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’的SS活性较‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘华北2号’、‘定莜8号’高2.9%～24.1%。综上,灌浆较强品种旗叶中碳代谢酶活性较高,有利于蔗糖的积累及转运。

图2 不同基因型燕麦SPS(a)和SS活性(b)Fig.2 SPS (a) and SS activity (b) of different genotype oats

2.4 不同基因型燕麦灌浆期内源激素含量及激素比值

2.4.1不同基因型燕麦旗叶内源激素含量

表4 不同基因型燕麦旗叶内源激素含量Table 4 Contents of endogenous hormones in flag leaf of different genotype oats ng/g

2020年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘白燕5号’、‘草莜1号’的IAA含量较‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘华北2号’、‘定莜8号’高23.8%～118.2%;2021年,‘坝莜1号’、‘白燕5号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’的IAA含量较‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’高12.6%～41.8%。2020年,‘坝莜9号’、‘坝莜1号’、‘草莜1号’、‘白燕5号’的GA3含量较‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’高20.3%～98.0%;2021年,‘坝莜1号’、‘白燕5号’、‘坝莜18号’、‘坝莜9号’的GA3含量较‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’高7.2%～42.6%。综上,灌浆较强品种旗叶中GA3、IAA、ZR含量均相对较高,ABA含量相对较低。

2.4.2不同基因型燕麦(GA3+ZR+IAA)/ABA

2年的结果均表现为‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘坝莜9号’、‘白燕5号’叶片中(GA3+ZR+IAA)/ABA比值显著高于‘蒙燕1号’、‘白燕2号’、‘华北2号’、‘定莜8号’(图3)。2020年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘白燕5号’、‘坝莜9号’(GA3+ZR+IAA)/ABA比值较‘白燕2号’、‘蒙燕1号’、‘定莜8号’、‘华北2号’高39.3%～302.9%;2021年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘坝莜9号’(GA3+ZR+IAA)/ABA比值较‘白燕2号’、‘华北2号’、‘定莜8号’高151.8%～311.9%。综上,灌浆能力较强的品种均表现为内源GA3、ZR、IAA含量较高,ABA含量均较低,较低的(GA3+ZR+IAA)/ABA是造成灌浆较弱品种生长受抑制的原因之一。

图3 不同基因型燕麦旗叶(GA3+ZR+IAA)/ABAFig.3 (GA3+ZR+IAA)/ABA in flag leaf of different genotype oats

2.5 不同基因型燕麦粒重

由图4可知,2年整体来看,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’单穗粒重均显著高于‘华北2号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’(图4(a))。2020年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’、‘坝莜9号’的单穗粒重较‘华北2号’、‘白燕5号’、‘蒙燕1号’、‘定莜8号’高25.4%～176.5%;2021年,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’的单穗粒重较‘华北2号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’高11.8%～83.3%。

2年整体来看,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘坝莜9号’千粒重均显著高于‘华北2号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’(图4(b))。2020年,‘坝莜1号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’的千粒重较‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘定莜8号’高6.1%～24.8%;2021年,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’的千粒重较‘草莜1号’、‘白燕2号’、‘定莜8号’高13.7%～36.2%。

图4 不同基因型燕麦单穗粒重(a)和千粒重(b)Fig.4 Grain weight per ear (a) and thousand kernel weight (b) of different genotype oats

综上可知,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’的粒重均显著高于其他品种,与灌浆粒重拟合结果大体一致,可见,较优的灌浆过程显著影响产量形成。

2.6 不同基因型燕麦聚类分析

由图5可知,灌浆粒重拟合程度、GA3、IAA含量聚成一组,单穗粒重、千粒重、SPS活性与净光合速率聚成一组;9个燕麦品种聚成两大类,一类为‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘坝莜18号’、‘草莜1号’,一类为‘白燕2号’、‘白燕5号’、‘华北2号’、‘蒙燕1号’、‘定莜8号’。可见,IAA、GA3含量与灌浆粒重拟合程度均呈极显著正相关,直接影响灌浆粒重,内源激素通过影响Pn和SPS活性,调控灌浆过程中蔗糖的合成,间接影响粒重。

3 讨 论

籽粒灌浆是产量形成的过程[18],在影响灌浆过程的研究中,内源激素水平是被广泛关注的方向,其可调节同化物的运输,影响酶活性,促进或抑制作物生长发育,与产量密切相关[19-22]。本研究中内源激素含量显著影响灌浆过程,与粒重关系密切。黄杰等[23]认为,光合特性对作物生长发育有直接作用,本研究中净光合速率亦显著影响灌浆过程,此外,灌浆较强品种的蔗糖磷酸合成酶活性均较为活跃,促进了灌浆过程中蔗糖的合成。因此,调控灌浆期内源激素含量可作为增加粒重的研究思路。粒重形成过程与遗传因素有关[2],本研究结果表明,基因型不同,灌浆期旗叶内源激素含量差异均达显著水平,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’、‘坝莜18号’灌浆期旗叶中GA3、IAA含量均较高,可为燕麦强势灌浆品种的选育提供参考。

灌浆期内源激素含量与各生理过程关系密切。金正勋等[24]研究表明,内源激素影响碳、氮代谢酶基因的表达,本研究通过聚类分析可知,内源激素含量影响灌浆期SPS活性,进而调控粒重。不同内源激素对灌浆过程的影响亦有差异。李艳霞等[25]研究表明,较高的GA3和IAA含量促进籽粒灌浆;崔海岩等[26]认为,IAA、GA3和ZR含量低,ABA含量高增加了籽粒败育的风险。本研究结果表明,灌浆较强品种旗叶中IAA、ZR、GA3含量较高,ABA含量较低,较高的IAA、GA3含量对灌浆粒重的影响最为显著,可能由于延缓了旗叶衰老,有利于同化物的运输。肖关丽等[27]认为,ABA含量升高与植株衰老关系密切,Riefler等[28]研究表明,ABA能够加速叶片的衰老进程,本试验研究结果亦表明,灌浆较强品种旗叶中ABA含量相对较低,与Gepstein等[29]提出的ABA含量高会加速叶片衰老的结果较为一致。内源激素对籽粒灌浆的影响是通过激素间协同调控实现的[30]。宗学凤等[31]研究表明,较高的(IAA+GA3+ZR)/ABA对作物生长发育有积极影响,张振博等[32]研究表明,(GA3+ZR+IAA)/ABA与产量呈显著正相关关系,本研究中,灌浆较强品种的(GA3+ZR+IAA)/ABA较高,说明旗叶中促进生长的内源激素含量高、协同作用强是灌浆较强品种的生理优势,接下来可进一步测定灌浆较强品种强势粒及弱势粒的内源激素含量及生理特性差异,探究籽粒激素含量对粒重及产量形成过程的影响。

4 结 论

本试验结果表明,‘坝莜1号’、‘坝莜9号’、‘草莜1号’、‘坝莜18号’为灌浆较强品种,灌浆期旗叶中GA3、IAA含量较高,‘定莜8号’、‘蒙燕1号’、‘华北2号’、‘白燕2号’、‘白燕5号’为灌浆较弱品种。在各内源激素水平协调的前提下,IAA、GA3含量与灌浆粒重拟合程度均呈极显著正相关,直接影响灌浆粒重,且间接影响Pn和SPS活性,调控灌浆过程中蔗糖的合成,进而影响粒重。综上,在燕麦灌浆过程中,适当提高旗叶IAA、GA3含量对粒重有积极的影响。