竹叶兰花器官发育过程及生理特性研究

吴洁秋; 朱根发; 王凤兰; 杨凤玺

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.020

热带作物学报 >

2021 , Vol. 42 >Issue 1: 140 - 148

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.020

作物栽培与生理生化

竹叶兰花器官发育过程及生理特性研究

吴洁秋 ¹^,² ,
朱根发 ² ,
王凤兰 ¹ ,
杨凤玺 ^,²^,^*

展开

1.仲恺农业工程学院园艺园林学院,广东广州 510631
2.广东省农业科学院环境园艺研究所/广东省园林花卉种质创新综合利用重点实验室,广东广州 510640

*杨凤玺,E-mail： yangfengxi@gdaas.cn。

吴洁秋（1991—）,女,硕士研究生,研究方向：观赏园艺。

Copy editor: 谢龙莲

收稿日期: 2020-01-17

要求修回日期: 2020-03-28

网络出版日期: 2021-01-25

基金资助

仲恺农业工程学院研究生科技创新基金项目(KA180582613)

广东省科技厅农村科技领域重点项目(2017B020201004)

广东省公益研究与能力建设项目(2019B030316033)

版权

收起

Organ Development and Physiological Characteristics of Arundina graminifolia (D. Don) Hochr.

WU Jiequi ¹^,² ,
ZHU Genfa ² ,
WANG Fenglan ¹ ,
YANG Fengxi ^,²^,^*

Expand

1. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou, Guangdong 510631, China
2. Environmental Horticulture Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences / Guangdong Key Laboratory of Ornamental Plant Germplasm Innovation and Utilization, Guangzhou, Guangdong 510640, China

*YANG Fengxi,E-mail： yangfengxi@gdaas.cn。

Received date: 2020-01-17

Request revised date: 2020-03-28

Online published: 2021-01-25

Copyright

Fold

摘要

本研究通过解剖形态学观察,并检测主要代谢物质、抗氧化酶活性以及内源激素含量的变化,阐述竹叶兰花器官发育特征及生理特性,为新花卉作物的开发利用提供理论依据。结果表明：（1）广州地区户外栽培条件下,竹叶兰全年可开花,为总状花序,单朵次第开花,整枝花期188 d;（2）根据花器官发育特征分为5个时期：花芽分化期、萼片伸长期、合蕊柱发育期、花瓣着色期及花朵绽放期,单花发育仅需32 d;（3）进入生殖生长后,可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均显著上升,可溶性糖含量最高,其次为可溶性蛋白;超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性呈平稳上升趋势;（4）生长素（IAA）、赤霉素（GA₃）含量在营养生长期持续上升,在花芽发育期呈先下降后上升趋势;与之相反,脱落酸（ABA）含量在花芽分化期显著上升,在花芽发育后期下降;推测竹叶兰体内低水平的IAA、GA₃和高水平的ABA可能对花芽分化起重要调控作用。

关键词： 竹叶兰; 花器官发育; 营养代谢; 抗氧化酶; 内源激素

本文引用格式

吴洁秋 , 朱根发 , 王凤兰 , 杨凤玺 . 竹叶兰花器官发育过程及生理特性研究[J]. 热带作物学报, 2021 , 42(1) : 140 -148 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.020

Abstract

In this study, we observed the anatomical and morphological characteristics of the flower organs and detected the changes of metabolite content, antioxidant enzyme activity, and the content of endogenous hormones (IAA, GA₃, and ABA) to explore the physiological and biochemical characteristics of continuous flowering of Arundina graminifolia (D. Don) Hochr., which could provide theoretical basis for the development and utilization of new flower crops. When cultivated under natural conditions in Guangzhou, A. graminifolia could flower throughout the year; with single flower blooms in turn in a long raceme and the flowering period of the whole inflorescence could reach 188 days. According to the characteristics, the floral organ development could be divided into five periods: flower bud differentiation, sepal growth, pillar development, flower dyeing and flower opening. This process took about 32 days. After entering the reproductive growth, the soluble sugar, starch, and soluble protein contents increased significantly, with the highest content of soluble sugar, followed by soluble protein. SOD, POD and CAT activities showed a steady upward trend. The content of IAA and GA₃ increased continuously in vegetative growth period, and decreased first and then increased in flower bud development period. In contrast, ABA content increased significantly at the flower bud differentiation stage and decreased at the later stage of flower development. It was speculated that low level of IAA, GA₃ and high level of ABA might play an important role in regulating flower bud differentiation.

Key words： Arundina graminifolia; flower organ development characteristics; nutrient metabolism; antioxidant enzyme; endogenous hormone

兰科植物（Orchidaceae）又称兰花,是被子植物中的最大科,全世界约有738属28 000种^[1,2]。《中国植物志》（1999年版）记载的中国兰花约有171属1247个原生种,分布于热带、亚热带及温带地区,按生境的不同分为地生兰、附生兰和腐生兰,少数为攀援藤本。兰花是被子植物中进化水平最高的类群之一^[3],长期以来作为生态进化研究的理想材料,同时也是全球重要的商品花卉。开花特性一直是兰科花卉研究的热点,但不同兰花种类的生态习性和开花特性存在显著差异,大多需要适宜的环境条件才能正常开花,造成商品兰花成本增加且难以实现周年生产和应节、应季开花。如蝴蝶兰属于典型的耐阴植物,强光下停止生长甚至休眠,在适宜光照下,花芽分化的最佳温度为白天25 ℃,夜间20 ℃,超过28 ℃时花芽难以形成^[4,5]。传统国兰如墨兰^[6]、春兰^[7]等在25~28 ℃下花芽分化完成,但需要20 ℃/ 10 ℃低温条件促进花器官发育,否则会造成花芽败育;此外,研究发现16 h长日照对春兰生殖发育起促进作用,但对寒兰花期调控则表明8 h短日照条件下花期提前的幅度更大^[8,9];短日照同时也可促进石斛兰^[10]、海南钻喙兰^[11]花期提前。

竹叶兰[Arundina graminifolia (D. Don) Hochr.]是兰科（Orchidaceae）竹叶兰属（Arundina）地生兰,为多年生常绿草本植物^[3],因叶似竹叶,丛生茎直立、分节,故得名“竹叶兰”,别称有长杆兰、草姜、山荸荠、幽涧兰等^[12],主产于东南亚地区,在我国浙江、江西、广东、海南、云南等华南、西南地区均有分布^[13]。傣族人民称其为“文尚海”^[14],是傣族“雅解药”的主要药材成分,具有清热解毒、散瘀止痛、除湿利尿的功效^[15]。竹叶兰不仅是珍贵的药用植物,也是具有很高观赏价值和广阔市场前景的兰科花卉。竹叶兰花朵酷似卡特兰,花型大而美丽,花色淡雅,尤其常年可开花,适应性强,在新加坡、夏威夷、马来西亚等地深受欢迎,正被大力发展成为一种新花卉作物,广泛用于园林绿化和盆栽。

然而在我国,竹叶兰被用于传统解毒药,目前尚未引入观赏领域;且随着竹叶兰的大量开采,野生资源日趋减少,被列为国家Ⅱ级保护植物^[16]。近年来大多学者对竹叶兰的研究主要集中在化学成分^{[17,18,19,20,21,22]}、药理活性^{[23,24,25,26]}等生物活性物质的鉴定,少数学者阐述了其生长习性和栽培技术^[12,13]以及繁殖方法^[27],对其开花生理特性和园林应用的研究鲜有报道。了解和掌握竹叶兰生长发育和开花习性,是充分发挥竹叶兰观赏价值和经济效益的关键。

本文通过研究竹叶兰开花进程、营养物质代谢、抗氧化酶活性及内源激素赤霉素（GA₃）、生长素（IAA）和脱落酸（ABA）的动态变化规律,初步探究其开花生物学特征,旨在为竹叶兰开花调控、栽培管理以及作为新花卉作物的产业开发奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试验的竹叶兰原生地为广东省中山市,经驯化栽培和人工扩繁后,2017年栽植于广东省农业科学院环境园艺研究所试验田（23º9ʹ N,13º21ʹ 10ʺ E）,每丛3~4株,丛距为10 cm×10 cm,实施精细化田间管理。目前,植株生长良好,全年开花。本研究自2018年9月3日起至2019年7月31日,在广东省农业科学院环境园艺研究所试验田和广东省园林花卉种质创新综合利用重点实验室进行。

1.2 方法

1.2.1 形态观察测定（1）竹叶兰生长指标测定。营养生长期监测移栽后平均株高9.63 cm幼苗（20株）的生长形态指标,从2018年9月至2019年7月开展3次重复试验,用直尺测量株高（茎基部至茎尖生长锥）,并计录叶片数,每7 d监测1次,取平均值,监测周期为11周。生殖生长期选取大小长势一致且生长健壮,顶端叶芽刚转化为花芽（用手轻捏顶端,呈微鼓状,剥开叶鞘有萌发的花芽）的成苗20株。用游标卡尺分别测量植株的茎粗（从基部起第3节茎）、花梗直径、花横径（两侧瓣尖端的距离）和纵径（中萼片尖端至唇瓣最外缘的距离,花横、纵径以花序上第3朵花为标准）。用直尺分别测量株高（茎基部至茎尖生长锥/花梗基部）、花梗节间长度。株高、叶片数每7 d测量1次,取平均值;叶片数、花梗节数、花朵数、单花观赏期和单花寿命（以花序上第3朵花为标准）以及花序寿命,每3 d观察1次,取平均值。

（2）花发育形态建成过程的显微观察。从顶端分生组织进入成花转变期开始观察,每次采摘3~5个大小一致的花芽（或花分生组织）,在Leica 205FA体视显微镜下解剖观察、拍照并记录。样本较大时,使用单反数码相机（Nikon-D90）拍照记录。每3 d观察1次,3次重复。

1.2.2 生理生化特性选取生长良好、无病虫害的竹叶兰幼苗（苗龄4周,株高8~10 cm）、快速生长健壮苗（苗龄8周,株高20~22 cm）茎尖第1~2片嫩叶和生殖生长阶段5个不同发育期的花器官,共7个不同发育阶段的植物材料。取样时间为2018年11月22日、12月22日和2019年1月22日,设3次生物学重复实验,取平均值。采用752 N紫外分光光度计测定可溶性蛋白浓度、可溶性糖、淀粉含量和过氧化物酶（POD）活性,采用BIO-RAD IMark酶标仪测定超氧化物歧化酶（SOD）活性,试剂盒购自南京建成生物工程研究所;过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外分光光度法测定。内源激素（生长素IAA、脱落酸ABA和赤霉素GA₃）含量由上海酶联生物有限公司,采用酶联免疫法检测。

1.3 数据处理

采用Excel 2007软件进行数据统计并制图,采用SPSS 19.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 竹叶兰营养生长特性

竹叶兰是兰科多年生草本植物,株高可达80 cm^[3],叶似禾本科植物的叶子,叶鞘抱茎,茎有节,似竹子,几乎全年开花。通过监测竹叶兰营养期生长指标,由表1可知,竹叶兰平均生长速率达1.25 cm/周。叶片数在前期增长较快,茎尖生长锥几乎每周新生一叶,后期部分植株随着新叶抽出,基部叶片枯萎凋落,因此叶片数变化不大。

表1 竹叶兰营养生长形态变化

Tab. 1 Morphological changing of vegetative growth of A. graminifolia

生长时间 Growth time/week	株高 Plant height/cm	叶片数 Leaf number
0	9.63±2.21^a	9.38±1.05^a
1	11.15±2.52^b	10.00±1.07^b
2	13.69±2.97^c	11.13±1.01^c
3	16.43±3.03^d	12.00±1.04^d
4	18.09±3.09^e	12.75±0.98^de
5	20.08±3.27^f	13.13±1.13^e
6	21.41±3.22^g	13.88±1.13^e
7	22.19±3.32^h	13.88±1.13^e
8	22.53±3.23^h	13.25±0.88^e
9	22.73±3.20^h	12.75±1.03^de
10	22.34±3.51^h	13.25±0.90^e
11	23.41±2.93ⁱ	13.25±1.03^e

	注：同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

结果显示,竹叶兰营养生长阶段总体生长速率较快,前期株高和叶片数表现为快速增长,后期增长较缓慢。基部叶片凋落,可能是随着植株生长,体积增大,株距缩小,使得基部光照不足,而且广州市夏季气候炎热,进而导致干旱等环境胁迫所致。此外,竹叶兰在适宜条件下,株高长至27~34 cm时营养生长缓慢或停止,开始逐渐转变为生殖生长。

2.2 竹叶兰生殖生长特性

2.2.1 外部形态特征观察发现,在广州地区自然条件下,竹叶兰常年开花,9月至次年1月开花最旺盛。对该时期形态指标的测量结果见表2,2018年9月植株花芽开始分化,株高为34 cm/株,次年1月整枝花期结束时株高约36.21 cm/株,月均株高增0.54 cm/株。茎基部老叶脱落,叶片数呈下降趋势,9月花芽分化时17.05片/株,到次年1月减至12.75片/株。

表2 竹叶兰生殖生长期外部形态的变化

Tab. 2 External morphological changing during reproductive growth of A. graminifolia

日期（年-月） Date (Y-M)	叶片数 Leaf number	株高 Plant height/cm	茎粗 Stem diameter/mm	花梗Pedicel
日期（年-月） Date (Y-M)	叶片数 Leaf number	株高 Plant height/cm	茎粗 Stem diameter/mm	节数 Section number	直径 Diameter/mm	长度 Length/cm	总长度 Total length/cm
2018-09	17.05±0.64^a	34.05±1.51^a	4.23±0.11^a	2.00±0.00^a	0.85±0.03^a	1.62±0.20^b	3.23±0.40^b
2018-10	15.85±0.55^b	34.48±1.48^b	3.83±3.76^b	3.05±0.17^b	1.69±0.04^b	2.82±0.16^c	12.00±0.70^a
2018-11	15.45±0.60^b	35.57±1.39^c	3.59±0.08^c	4.50±0.48^c	1.64±0.04^b	1.62±0.08^b	12.61±1.17^c
2018-12	14.13±0.60^c	36.03±1.47^d	3.13±0.08^d	5.73±0.40^d	1.40±0.05^c	1.39±0.09^a	15.00±1.29^d
2019-01	12.75±0.63^d	36.21±1.48^d	3.07±0.08^d	6.45±0.50^e	1.40±0.09^c	1.38±0.18^a	15.22±1.35^e

	注：同列不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05).

对竹叶兰花序整体结构观察结果显示,竹叶兰为总状花序,平均着花6.12朵/株。单花平均寿命为32.29 d,花朵次第开放,整枝花序观赏期可达188.18 d。花朵横、纵径分别为39.12 mm和34.50 mm左右,单朵盛花期约4.41 d。自花梗基部起第1、2节节间长度大于第3、4节以后的节间长度,第2节最长,约2.82 cm,是最后1节节间长度（1.38 cm）的2倍（表2）。

2.2.2 花器官发育解剖形态学观察发现,竹叶兰小花主要由萼片（中萼片1个和侧萼片2个）、侧花瓣2个、唇瓣和合蕊柱7部分组成。其开花进程根据花器官发育的特征,可分为以下5个阶段：花芽分化期（Ⅰ）：竹叶兰顶端分生组织转变为花序分生组织,生长锥发生一系列变化,形成肉眼可见凸起,即花芽。此时花芽直径约2 mm,剥开苞片可见正在分化的花序（图1A）。从小花形态及着生位置观察结果显示,小花Fl 1发育最早,各器官初步分化完成,7个基本器官清晰可辨（图1C）;其次为Fl 2,呈圆球状凸起,未形成主要花器官;Fl 3发育最晚,苞片与花原基相互黏合（图1A,图1B）。

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图1 竹叶兰花器官发育及形态建成过程

A~C：花芽分化期Ⅰ;D~G：萼片伸长期Ⅱ;H~K：合蕊柱发育期 Ⅲ;L~O：花瓣着色期 Ⅳ;P~Q：花朵绽放期 Ⅴ;A：花序;B：花序纵剖图;C：小花1（即Fl 1）;D、H、L：花芽整体;E、I、M：花芽纵剖图;F、J、N：合蕊柱;G、K、O、Q：器官解剖图;P：开花;Se：萼片;LSe：侧萼片;DSe：中萼片;LPe：侧瓣;La：唇瓣;Pi：合蕊柱;Br：苞片;Fl 1、Fl 2、Fl 3：小花1、小花2、小花3;An：花药;Ro：蕊喙;St：柱头;Sty：花柱;Anc：药帽。

Fig. 1 Floral organ development and morphogenesis of A. graminifolia

A-C: Flower bud differentiation period Ⅰ; D-G: Sepal growth period Ⅱ; H-K: Pillar development period Ⅲ; L-O: Flower dyeing period Ⅳ; P-Q: Flowering period Ⅴ; A: The inflorescence; B: The inflorescence longitudinal section; C: Flower 1 (Fl 1); D, H, L: The whole flower bud; E, I, M: The longitudinal section of the flower bud; F, J, N: The pillar; G, K, O, Q: The organ anatomy; P: The flower; Se: Sepal; LSe: The lateral sepal; DSe: The dosal sepal; LPe: Lateral petal; La: Labellum; Pi: Pillar; Br: Bract; Fl 1, Fl 2, Fl 3: Flower 1, Flower 2, Flower 3; An: Anther; Ro: Rostellum; St: Stigma; Sty: Style; Anc: Anther cap.

萼片伸长期（Ⅱ）：小花Fl 1继续分化历时约7 d,萼片快速伸长,肉质肥厚,形似“勺”状,表皮上端褐色,约占整个花芽的1/2表面积,下端绿色（图1D）;中萼片面积最大,左右萼片狭长（图1G）。此时期,花瓣浅绿色,瓣纹清晰;花药膨大、黄绿色;合蕊柱未伸长（图1E,图1F,图1G）。

合蕊柱发育期（Ⅲ）：花蕾生长2周后,合蕊柱显著伸长,蕊喙和柱头分化发育明显,呈透明状,花药收缩变小（图1I,图1J）。萼片长而窄,肉质变薄;唇瓣表现特异化,周缘皱褶,仍表现为浅绿色（图1H,图1K）。

花瓣着色期（Ⅳ）：合蕊柱发育1周以后,花瓣开始显色。唇瓣褶片由黄绿色变为粉/紫色,小面积呈黄色,以下则为白色,表面带粉/紫色瓣纹,内侧附红褐色条纹;左右侧瓣变白,但瓣纹仍为浅绿色（图1M,图1O）。此时,萼片表皮褐色变浅,扩散至整个花蕾2/3的表面积,内侧由绿变白,开始瓣化（图1L,图1O）。花柱凹面一侧变为暗红色,白色条纹稀疏分布（图1N）。

花朵绽放期（Ⅴ）：花蕾经过3~4 d的着色完善后,花朵完全展开（图1P）,唇瓣、侧瓣和萼片明显外翻（图1Q）。萼片瓣化,面积小于花瓣,合蕊柱紧靠唇瓣开裂一侧,颜色鲜亮,整体花型较大,美丽高雅。

小花Fl 1花器官发育成熟,开放周期维持4~6 d,随后萎蔫脱落或虫媒授粉结果。小花Fl 2花器官发育稍晚于小花Fl 1,紧随小花Fl 1凋谢后绽放。整枝花序循环往复上述发育过程,直至完全开花结束,花梗枯萎。

2.3 竹叶兰可溶性糖、淀粉及可溶性蛋白含量

竹叶兰幼苗期和快速生长期叶片中可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量变化不大;转入花芽分化期后迅速上升且呈显著差异（P<0.05）,其中,可溶性糖含量比幼苗期和快速生长期分别提高38.26%和36.34%;淀粉含量上升幅度与可溶性糖相似,分别比幼苗期和快速生长期高38.75%和36.62%。可溶性蛋白在花芽分化期的上升幅度最为显著,分别比幼苗期和快速生长期提升55.96%和48.47%。整体看来,竹叶兰主要营养物质含量大小依次为可溶性糖>可溶蛋白>淀粉（图2）。

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图2 竹叶兰淀粉、可溶性糖及可溶性蛋白质含量变化

SD：幼苗期;RG：快速生长期;Ⅰ：花芽分化期;不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 2 Changesof starch, soluble sugar and soluble protein content of A. graminifolia

SD: Seedling stage; RG: Rapid growth stage; Ⅰ: Flower bud differentiation period;Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).

可见,可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白质是竹叶兰生长发育过程中的重要基础物质,营养物质的积累,尤其是充足的可溶性糖和蛋白质,有利于竹叶兰花芽分化。

2.4 竹叶兰SOD、POD及CAT活性

竹叶兰SOD、POD和CAT活性总体均呈平稳上升趋势,相较于幼苗期和快速生长期,花芽分化期抗氧化酶活性上升幅度较明显,其中,SOD活性分别增强了25.69%和15.8%,POD活性分别提高31.48%和13.12%。CAT活性在快速生长期稍有下降,转入花芽分化期后快速上升,较快速生长期提升了31.48%。3个时期抗氧化酶活性从大到小排列依次为SOD>POD>CAT（图3）。

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图3 竹叶兰SOD、POD及CAT活性变化

SD：幼苗期;RG：快速生长期;Ⅰ：花芽分化期;不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 3 Changes of SOD, POD and CAT activity in A. graminifolia

SD: Seedling stage; RG: Rapid growth stage; Ⅰ: Flower bud differentiation period;Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).

由此推测,自然环境条件下,竹叶兰不同生长期体内保持一定水平的SOD、POD和CAT活性,以适应复杂的外界环境胁迫,保证植株生长发育的正常进行;同时,通过调节酶活性,影响竹叶兰从营养生长到生殖生长的转变。

2.5 竹叶兰IAA、GA₃和ABA含量及相互间的平衡

2.5.1 竹叶兰IAA、GA₃和ABA含量通过测定竹叶兰不同生长发育时期生长素（IAA）、赤霉素（GA₃）和脱落酸（ABA）含量变化表明,IAA和GA₃含量变化趋势基本一致,营养生长期持续上升,花芽发育期先降后升。其中,快速生长期IAA和GA₃含量上升达到峰值,分别为16.13 μmol/L和91.59 pmol/L,在花芽分化期快速下降,分别降至8.47 μmol/L和40.13 pmol/L,低于快速生长期47.49%和56.22%（图4A,图4B）。

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图4 竹叶兰生长发育不同时期内源激素含量的变化

SD：幼苗期;RG：快速生长期;Ⅰ：花芽分化期;Ⅱ：萼片伸长期;Ⅲ：合蕊柱发育期;Ⅳ：花瓣着色期;Ⅴ：花朵绽放期;不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 4 Endogenoushormone contents change in different stages of A. graminifolia

SD: Seedling stage; RG: Rapid growth stage; Ⅰ: Flower bud differentiation period; Ⅱ: Sepal growth period; Ⅲ: Pillar development period; Ⅳ: Flower dyeing period; Ⅴ: Flowering period; Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05).

与之相反,ABA含量在植株快速生长期达最低值约为0.1 μmol/L,是幼苗期的23.08%,并在进入花芽分化期后迅速上升到0.2 μmol/L,相比快速生长期提高了1倍,在花发育第2阶段（萼片伸长期）升至最大值,约0.26 μmol/L,随后逐渐降低,开花期间维持在大约0.17 μmol/L水平（图4C）。

可见,低水平IAA、GA₃有利于竹叶兰生殖生长,高水平IAA、GA₃促进植株营养生长。与之相反,高水平ABA对生殖发育产生一定积极影响。

2.5.2 ABA/GA₃、ABA/IAA及IAA/GA₃的比值植物激素间的协调作用对植物生长发育产生促进或抑制效应。对竹叶兰生长发育不同时期IAA、GA₃和ABA的比例关系分析显示（图5）,ABA/GA₃和ABA/IAA比值变化波动一致,呈先降后升再降趋势。幼苗期至快速生长期ABA/GA₃和ABA/IAA比值逐渐降低,花芽分化期迅速上升,萼片伸展出现峰值,随后又下降。IAA/GA₃比值变化波动不大,营养生长阶段略低于生殖生长阶段,花发育前期比值较高,后期有所下降。

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图5 竹叶兰生长发育不同时期内源激素各比值的变化

SD：幼苗期;RG：快速生长期;Ⅰ：花芽分化期;Ⅱ：萼片伸长期;Ⅲ：合蕊柱发育期;Ⅳ：花瓣着色期;Ⅴ：花朵绽放期;不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

Fig. 5 Specific value of endogenoushormone change in different stages of A.graminifolia

由此推测高比值ABA/GA₃和ABA/IAA对生殖发育具有促进作用,低比值时可能促进营养生长。IAA/GA₃在竹叶兰生长发育过程中波动不大,总体上生殖生长期略高于营养生长期。

3 讨论与结论

开花是植物生命周期的关键阶段,掌握花发育形态建成过程是实现开花调控的重要基础之一。兰花作为被子植物中进化水平最高的类群,其花结构十分独特^[1],主要包括萼片、花瓣、合蕊柱等基本组成部分。本研究对竹叶兰形态指标观察发现,竹叶兰为总状花序,单花由下至上生长,次第开放;根据其花器官发育特征,将花发育形态建成过程分为5个时期：花芽分化期、萼片伸长期、合蕊柱发育期、花瓣着色期和花朵绽放期。这与其他兰科植物如蝴蝶兰、石斛兰、文心兰、墨兰、寒兰等花器官分化从萼片、花瓣、合蕊柱到花结构完善（着色）,最后开花的发育过程一致^{[6, 8, 28-30]}。兰科是单子叶植物中最大的科^[2],种类多样,开花习性差异显著,大多花期不稳定,如墨兰喜阴,幼年期长达3年以上,25~28 ℃条件下自然花期为3月前后^{[6, 31]};蝴蝶兰为景天酸代谢（CAM）植物,强光下停止生长,需遮阴或温室栽培（20~30 ℃）,3—5月开花^[5]。本研究观察发现,广州户外栽植,竹叶兰营养生长速度快,全年可开花,9月至翌年1月开花最旺盛,2—4月开花较少,是兰花中少有的周年开花种类。

碳水化合物和可溶性蛋白是植物生长、发育和生理代谢所需能量的提供者和维系生命的重要基础物质,其积累有利于花芽分化^{[6, 32-33]}。碳水化合物主要包括淀粉和可溶性糖,淀粉常作为储备能量,花芽分化时,水解成可溶性糖供花芽利用^[34]。可溶性糖可被花芽直接利用,其含量与细胞液浓度呈正相关,细胞液浓度的升高促进花芽分化^[35]。梁芳等^[36]、赵秋芳等^[37]研究表明高水平可溶性糖有利于花芽分化。本研究中,竹叶兰体内可溶性糖和淀粉含量在花芽分化期上升至最高值,且可溶性糖含量始终高于淀粉含量,说明竹叶兰花芽分化时,叶片通过光合产生大量可溶性糖和淀粉等营养物质,转移到芽中,促进花芽形态的分化。同时,可溶性蛋白作为花芽促分化的重要生理指标,对菊花、草莓、芍药、蝴蝶兰等园艺作物的研究显示花芽分化前期可溶性蛋白持续升高,认为该时期植物体内蛋白酶活性增强,将组合蛋白分解为可溶性蛋白以满足分化需要^{[28, 33, 38-39]}。本研究获得类似结果,竹叶兰可溶性蛋白质含量在花芽分化前持续上升,花芽分化期达到最大值。由此推测竹叶兰花芽分化时,通过某种信号启动蛋白酶水解组合蛋白,为花芽转变提供充足的可溶性蛋白。

抗氧化酶是植物体内的重要保护酶^[40,41],与花芽分化密切相关。植物遭受逆境时,体内活性氧积累,导致细胞膜系统受到伤害,从而诱导提高SOD、POD和CAT活性,清除超氧自由基、氢氧根离子等活性氧,保障植物生长发育有序进行^[42]。艾星梅等^[43]研究显示马铃薯体内SOD活性随花芽分化进程不断上升;李秉真等^[44]研究表明苹果花芽分化临界期POD活性达到峰值;杂交兰花芽分化期POD和CAT活性均显著上升^[45]。本研究也发现竹叶兰花芽分化期体内SOD、POD和CAT活性上升至峰值。由此说明竹叶兰花芽分化过程中,细胞分化与分裂使新陈代谢转向旺盛,导致体内活性氧失衡,进而刺激SOD、POD和CAT活性升高以清除自由基,保证分化顺利完成。

生长素（IAA）是最早被发现的激素,其在花芽分化中的作用一直存在争议。曹尚银等^[46]、庞夫花等^[38]研究表明低水平IAA促进花芽分化。但是,Costantini等^[47]、王海波等^[48]研究发现在葡萄花芽分化过程中IAA保持较高含量。本研究结果与曹尚银等^[46]研究结果相似,竹叶兰花芽分化期IAA含量快速下降,并保持相对稳定的水平,说明竹叶兰花芽分化需要较低IAA含量。值得注意的是,Lee^[49]发现POD具有降解生长素的功能。本研究中IAA与POD变化趋势相反,花芽分化期IAA含量降低,而POD活性升高,推测POD氧化分解IAA调控花芽分化,其作用机理有待后续研究。

赤霉素（GA₃）参与成花信号传导途径,大量研究表明,低浓度GA₃促进花芽分化,反之则抑制分化^[50]。与张莹婷等^[42]研究中国石蒜的结果一致,本研究中竹叶兰花芽分化过程中GA₃含量低于其他生长阶段,说明低水平GA₃促进竹叶兰花芽分化。此外,有研究报道GA₃对IAA合成有促进作用^[51]。而竹叶兰IAA和GA₃含量变化趋势基本一致,且IAA/GA₃在花芽分化期比值上升,推测GA₃可能与IAA共同调控花芽形态分化。

脱落酸（ABA）在成花过程中起着重要的调控作用,这在许多研究中已经得到证实。庄辉发等^[52]、冯枫等^[53]、牛辉陵等^[54]研究表明高水平ABA促进花芽分化。本研究结果显示,竹叶兰生殖生长期ABA含量高于营养期,转入花芽分化期快速上升,花芽发育过程中维持高水平;ABA/IAA和ABA/GA₃比值变化规律与ABA含量变化相同,均在花芽分化期急剧升高。这与前人研究结果相似,说明高水平ABA也有利于竹叶兰花芽形态的分化。曾骧^[55]认为ABA与GA₃拮抗引起植株枝条生长停滞,促进糖和淀粉的积累,从而促进成花转变。本研究中,竹叶兰花芽分化期ABA与GA₃含量变化呈负相关,而与可溶性糖及淀粉含量呈正相关关系,推测ABA可能在其中起着一定的主导作用,具体机制有待后续研究。

内源激素是调控植物生长发育的重要微量有机物,在花芽分化和发育中常表现为某种激素占主导地位,然而更多时候,是多种激素间相互协调、促进或拮抗的结果^[56]。在枣花、菊花、苹果等作物的研究中均发现植株花芽分化阶段需要较高水平ABA/GA₃和ABA/IAA^{[53-54, 57]};牛辉陵等^[54]研究显示高水平IAA/GA₃促进开花。对竹叶兰的研究结果表明,ABA与IAA、GA₃变化趋势相反,花芽分化期ABA/GA₃和ABA/IAA比值快速上升,由此推测ABA与IAA和GA₃可能存在拮抗作用,ABA/GA₃和ABA/IAA表现为高比率时有助于竹叶兰花芽形态转变;该时期IAA/GA₃上升幅度较小,但保持较高水平,说明竹叶兰花芽形态转变过程中对IAA/GA₃比值要求较高。

综上所述,竹叶兰全年开花,适应性强,花大而美丽,是良好的园林观赏兰科花卉;其开花生理生化特性不是单一机制控制的,而是在适宜环境条件下,由植株体内营养物质、抗氧化酶和内源激素等基础物质相互协作、共同调控。有关竹叶兰开花机制有待后续进一步深入研究。

参考文献

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