甘蔗（Saccharum officinarum）是一种蔗糖的重要原材料,并广泛产于世界热带、亚热带地区,属高光合效率C4作物。分蘖是甘蔗生长的一个重要特性,它直接影响甘蔗有效茎数,从而影响单位面积的产量。甘蔗产量=总有效茎数×平均单茎重,其中最终的总有效茎数取决于甘蔗的主茎和分蘖成茎,因此促进甘蔗分蘖,进而提高分蘖发育成有效茎的比例数,是提高甘蔗单产的关键[1,2,3,4]。
甘蔗分蘖的形成可分为分蘖芽的形成和分蘖芽的伸长生长,分蘖芽的伸长生长过程受到多种因素的影响和调控,它不仅受各种外界环境影响,如温度、光照、湿度以及水肥等,也受多种内源激素的共同调控,包括生长素（indole-3-acetic acid,IAA）、细胞分裂素（cytokinin,CTK）、赤霉素（gibberellins,GA）、脱落酸（abscisic acid,ABA）、乙烯（ethylene,ETH）、油菜素内酯（brassinosteroids,BR）等,内源激素之间的含量及平衡对分蘖发育进程至关重要[5]。
植物生长调节剂能够通过信号转导影响内源激素的含量或出现的时间来调节和控制植物的生长发育及各种生理过程,例如可直接或间接调控植物萌发、开花、生长等过程[6,7]。植物生长调节剂的作用效果与药剂种类密切相关,目前,在甘蔗上常用的主要植物生长调节剂有赤霉素类（gibberellins,GAs）、多效唑（paclobutrazol,PP333）和乙烯利（ethephon,ETP）等,它们在甘蔗产量形成和糖分积累中发挥了重要作用[8,9]。迄今,赤霉素类植物生长调节剂在园艺和农业生产上被广泛应用,并在推动作物增产和提质增效中做出了积极贡献[10]。赤霉素在甘蔗上的应用研究也有不少报道,邵廷富[11]和廖芬[12]研究发现,外源GA信号处理可以促进甘蔗茎秆伸长,增加节间长度;Jain等[13]利用GA3处理刺激了蔗芽生长,不仅提高了萌芽率,还增加了甘蔗株高和茎重;而范业赓等[14]利用高浓度GA3处理蔗种24 h后种植,结果却抑制了甘蔗的出苗和分蘖,进而导致甘蔗产量显著低于对照。多效唑是一种通过外源信号转导阻碍GA生物合成的抑制剂,不仅能够抑制茎秆的伸长[15],还能够促进作物分蘖并影响其生长发育进程[16,17],提高作物产量[18]等,这可能是多效唑通过信号转导抑制GA合成从而加速芽的分化进程所致[19]。由此可见,GA信号在甘蔗分蘖形成及其发育进程中扮演着重要角色。
众所周知,植物生长调节剂是人工合成的对植物的生长发育具有调节作用的化学物质,可作为植物内源激素合成与代谢的重要外源信号物质。赤霉素的主要生理效应是促进植物的茎秆伸长,尤其体现在节间伸长上。虽然赤霉素对甘蔗重要农艺性状的影响已有不少的相关研究[20],但赤霉素通路对甘蔗分蘖形成和发育的影响尚未可知,且在外源赤霉素信号影响甘蔗分蘖过程中内源激素间的平衡与含量变化关系的相关研究也较少。本研究以不同植物生长调节剂作为外源赤霉素信号,结合甘蔗叶蘖共生的特点,分析不同赤霉素信号浸种处理后甘蔗分蘖期叶片中内源激素的变化及其相关关系,为促进分蘖形成和调节分蘖成茎比例的甘蔗化学调控栽培提供技术支撑,也为甘蔗分蘖调控机理研究提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试甘蔗品种为主栽优良品种‘桂糖42号’（GT42）,种植于广西南宁市隆安县丁当镇广西农业科学院甘蔗研究所甘蔗繁育基地。
1.2 方法
试验设计2个不同赤霉素信号调节剂处理：赤霉素（GA3）和多效唑（PP333）,清水处理为对照（CK）,各调节剂处理浓度均为200 mg/L。将砍成双芽段的GT42种茎全部浸没于不同赤霉素信号调节剂药液中,浸泡24 h后下种。
试验采取随机区组排列,重复3次,小区为5行,行长7 m,行距1.2 m,小区面积42 m2。试验材料于2016年3月10日种植,下种量为6000芽/hm2,其他参照王伦旺等[21]的栽培方法进行管理,并调查记录分蘖期各项农艺指标。
在甘蔗分蘖初期、盛期、末期,分别取样测定不同处理下不同分蘖期+1叶（主苗+分蘖苗）内源激素生长素吲哚乙酸（IAA）、赤霉素（GA）、乙烯（ETH）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）和油菜素内脂（BR）等的含量。内源激素提取参照陈明辉等[22]提取方法,其测定采用酶联免疫吸附分析法（enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA）,在6个植株中分别收集主苗和分蘖苗的+1叶样品,并混合形成一个生物重复样品,每个样品重复测定3次,相应激素测定试剂盒由中国农业大学作物化学控制实验室提供。
1.3 数据处理
采用Excel 2010软件进行数据编辑,SPSS 20.0软件进行LSD方差分析,GraphPad Prism 8.0软件绘图,图中的数据均为均值±标准差。
2 结果与分析
2.1 不同赤霉素信号调节剂处理后甘蔗分蘖生长情况
田间调查发现,不同赤霉素信号调节剂处理后蔗种萌发出苗的时间相当,但随着生育进程推进至分蘖期,甘蔗分蘖情况明显不同。GA3处理下甘蔗分蘖进程受到延缓和抑制,即分蘖苗破土时间比清水对照的晚了约7 d,且分蘖苗的生长也受主苗的抑制;然而PP333处理下的结果恰好相反,不仅提早促进了甘蔗分蘖的形成,且分蘖苗与主苗的生长几乎相同,即主苗的生长并未抑制分蘖苗的生长。由此可见,外源GA信号影响了甘蔗分蘖形成及其在分蘖期的生育进程。
2.2 不同赤霉素信号调节剂处理对甘蔗分蘖期叶片内源激素含量的影响
2.2.1 IAA 从图1可知,甘蔗不同分蘖期叶片的IAA在响应不同GA信号调节剂处理上存在差异。由图1A可知,在整个分蘖期,GA3处理和PP333处理总体上均增加了甘蔗分蘖期叶片中IAA的含量,且GA3处理后IAA的增加更加显著,这说明GA3和PP333处理都诱导了分蘖期IAA的积累,结合甘蔗分蘖情况,这暗示了GA3处理下IAA在主苗的积累可能是分蘖苗生长受抑制的原因。由图1-B可知,在甘蔗分蘖的不同时期,IAA含量在不同GA信号处理下也有明显的变化。在分蘖初期,GA3处理和PP333处理的IAA含量都显著高于对照。当到了分蘖盛期,GA3处理后IAA的含量仍显著高于对照的水平,但PP333处理下的含量反而低于对照,这暗示分蘖盛期叶片中IAA的持续积累不利于分蘖的形成和发育。当分蘖进入末期之后,新生分蘖骤减或者无分蘖,此时不同处理下叶片中的IAA含量比初期和盛期的明显下降,但GA3处理和PP333处理下的IAA含量仍显著高于对照水平,且此时GA3处理的IAA含量与对照的初期和盛期的水平相当,这些结果进一步说明GA3抑制和延缓甘蔗分蘖与IAA的含量息息相关。
2.2.2 GA 从图2可知,不同GA信号调节剂浸种处理后,对甘蔗不同分蘖期叶片中的GA含量有不同影响。由图2A可知,在整个分蘖期,GA3处理和PP333处理的分蘖期叶片中GA含量都显著高于对照,且GA3处理的更加显著,这说明GA3处理和PP333处理都诱导了分蘖期GA的表达。在甘蔗的不同分蘖时期,不同GA信号处理下的GA含量也有所差异。由图2-B可知,在分蘖初期,GA3处理和PP333处理下分蘖期叶片中的GA含量都显著高于对照,这暗示分蘖初期GA含量的升高有利于分蘖芽的萌动。随着分蘖期的推进,在分蘖盛期时,GA3处理下的GA含量下降,而PP333处理仍处于高水平,这说明持续高水平的GA含量有利于分蘖芽的生长发育,这暗示在分蘖盛期GA3处理下主苗中GA含量的下降可能是外源GA3信号延缓甘蔗分蘖的原因。当进入分蘖末期,两个处理下的GA含量与对照无明显变化,说明在分蘖末期GA含量的降低有利于分蘖苗生长。
2.2.3 ETH 从图3可知,不同GA信号调节剂处理对甘蔗分蘖期叶片中的ETH含量存在不同影响。从图3A可知,在整个分蘖期,GA3处理的分蘖叶片中ETH含量高于对照,而PP333处理的结果相反。在甘蔗不同分蘖时期,不同GA信号调节剂处理下,分蘖期叶片中的ETH含量也发生了明显的变化。从图3B可知,在分蘖初期,GA3处理的ETH含量显著高于对照,而PP333处理下却显著低于对照,这暗示了ETH含量的升高制约着分蘖芽的萌动。当进入分蘖盛期后,PP333处理的ETH含量极显著低于对照,而GA3处理显著高于对照,说明分蘖盛期叶片中低浓度ETH的释放有利于甘蔗分蘖,这暗示高水平的ETH含量可能是外源GA3延缓甘蔗分蘖芽生长的重要因素之一。而到了分蘖末期,GA3处理的ETH含量下降到与对照水平相当,说明此时GA3处理下的分蘖开始增多,PP333处理下的分蘖已不生长,这些暗示了外源激素GA信号诱导ETH的增加不利于分蘖的生长发育及成苗。
2.2.4 CTK 从图4可知,不同GA信号调节剂处理对甘蔗分蘖期叶片的CTK含量的有所差异。从图4A可知,GA3处理和PP333处理对甘蔗分蘖期叶片的CTK含量的积累效果是显著的。从图4B可知,在甘蔗不同分蘖时期,分蘖期叶片的CTK含量在不同GA信号调节剂处理下发生了明显的变化。在分蘖初期,GA3处理和PP333处理的CTK含量显著高于对照,这说明在分蘖初期CTK含量的增加有利于分蘖芽的萌动。而到了分蘖盛期,PP333处理的CTK含量下降且显著低于对照,GA3处理则与初期无明显变化,这说明在分蘖盛期低水平的CTK含量对甘蔗分蘖芽的分化和生长是有益的。随着甘蔗分蘖的推进,到了分蘖末期,PP333处理的CTK含量升高,但仍显著低于GA3处理,这暗示了GA3处理下的保持高水平的CTK含量也可能是延缓甘蔗分蘖的重要因素之一。
2.2.5 ABA 从图5可知,不同GA信号调节剂处理对甘蔗分蘖期叶片的ABA含量影响不同。从图5A可知,GA3处理和PP333处理下分蘖期叶片的ABA含量总体高于对照,说明这两个处理对甘蔗分蘖期叶片的ABA积累是有益的。从图5B可知,在甘蔗不同分蘖时期,叶片的ABA含量在不同GA信号调节剂处理下也有明显的变化。在分蘖初期,GA3处理的ABA含量受到了抑制,显著低于对照,而PP333处理下的ABA含量则与之相反。说明PP333诱导了ABA的表达,GA3则相反,这暗示在分蘖前期时,ABA含量的下降对分蘖芽的萌动有很大影响。而到了分蘖盛期,GA3处理反而诱导了ABA的合成,ABA含量不断增幅,显著高于对照,PP333处理下的ABA含量反而下降且显著低于对照。说明随着分蘖的推进,ABA含量的降低有利于分蘖形成和生长。当分蘖进入末期,不同处理下的ABA含量整体升高,PP333处理下的ABA含量显著高于GA3处理和对照,这暗示了GA3抑制和延缓主苗与分蘖苗生长可能与分蘖盛期叶片中ABA含量的积累有关。
2.2.6 BR 从图6可知,不同GA信号调节剂浸种处理下,甘蔗分蘖期叶片的BR含量有所差异。从图6A可知,在整个分蘖期,GA3处理能有效地积累分蘖期叶片的BR含量。从图6B可知,不同GA信号处理下,不同分蘖时期的BR含量也有明显变化。在分蘖初期,GA3处理和PP333处理对甘蔗分蘖期叶片的BR含量影响不大。当进入分蘖盛期时,GA3处理和PP333处理下的BR含量显著高于对照,说明这两个处理都促进了BR的合成,这暗示了分蘖盛期叶片中BR含量的积累有利于分蘖的形成和生长发育。而进入分蘖末期后,PP333处理的BR含量与对照无明显差异,GA3处理却极显著高于对照,这暗示GA3处理下BR在主苗中的持续积累可能是延缓和抑制分蘖苗生长的重要因素。
2.3 甘蔗分蘖率与内源激素之间的相关关系
如表1所示,甘蔗分蘖率与内源激素含量存在一定的相关性,分蘖期叶片中不同内源激素含量之间也存在着不同程度的差异。在甘蔗分蘖期,分蘖率与内源激素含量的相关系数表现均没有达到显著水平,而甘蔗叶片内源激素IAA与GA、CTK和BR、CTK与GA呈显著正相关;ABA与GA呈显著负相关,与ETH呈显著正相关。
表1 甘蔗分蘖与内源激素含量之间的相关性系数Tab. 1 Correlation coefficients between the number of tillers and endogenous hormones in sugarcane |
| 指标Index | IAA | GA | ETH | CTK | ABA | BR |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 平均分蘖率 | -0.258 | -0.071 | -0.272 | -0.209 | 0.034 | -0.284 |
| IAA | 1 | 0.81** | -0.415 | 0.995** | -0.51 | 0.687* |
| GA | 1 | -0.502 | 0.824** | -0.717* | 0.617 | |
| ETH | 1 | -0.433 | 0.702* | -0.514 | ||
| CTK | 1 | -0.553 | 0.631 | |||
| ABA | 1 | -0.433 | ||||
| BR | 1 |
注：**表示对比性状间显著相关（P<0.01）,*表示对比性状间极显著相关（P<0.05）。 | |
Note: ** and * indicate significant correlation between two traits at P<0.01 and P<0.05, respectively. |
3 讨论
3.1 GA信号延缓甘蔗分蘖的形成与进程
本研究结果也表明,利用外源赤霉素信号促进剂处理蔗种后,甘蔗分蘖期叶片内源激素系统受到干扰,抑制和延缓了甘蔗分蘖的进程,而用赤霉素信号抑制剂处理,则促进了分蘖的提早发生且分蘖数目增多。由此可见,植物激素信号传导相关的代谢通路,在甘蔗分蘖的发生及生长发育进程中发挥了重要作用,尤其是GA信号传导。
3.2 内源激素含量变化及平衡影响甘蔗分蘖的形成与进程
内源激素GA在打破种子休眠,促进萌动[28],促进节间伸长[29],抑制分蘖芽的发育[30]上发挥重要作用。本研究结果发现,在外源GA信号处理下,分蘖前期叶片中GA含量的增加促进了分蘖芽的萌发,而随着分蘖期的推进,GA含量的下降则不利于分蘖芽的生长发育,与前人研究结果一致。BR和GA有着相同的功能,如促进茎伸长,种子萌发,抑制侧芽生长发育[31,32]等。本研究中,在GA3处理下BR在主苗中的持续积累可能是延缓和抑制分蘖苗生长的原因。ABA能够抑制细胞生长、调控分蘖芽休眠、萌发和幼苗早期发育[33,34]。本研究结果表明,外源GA信号调控了甘蔗分蘖叶片中GA和ABA含量,GA和ABA含量比值调控分蘖芽的萌动和形成。
王威豪等[35]研究发现,在干旱条件下,在叶面喷施乙烯利能促进甘蔗分蘖芽的萌动,乙烯利浓度越高其效应越显著。而本研究结果发现,外源GA信号抑制乙烯的释放反而有利于甘蔗分蘖。本研究结果与前人的报道结果似乎相矛盾,这可能是由于品种差异、砍种时间、样品处理方式等不一致导致的。
3.3 内源激素之间互作及相互关系影响甘蔗分蘖的形成与进程
内源激素在甘蔗分蘖过程中存在复杂的相互关系,激素之间的平衡对甘蔗分蘖的生长生育有重要的调节作用。外源GA信号通过改变甘蔗分蘖叶片中内源激素IAA、GA、ETH、CTK、ABA和BR等含量及激素间的平衡来调节自身的代谢水平,从而影响甘蔗分蘖的形成与进程。
前人研究表明,外源GA信号能促进甘蔗叶片的内源激素IAA的合成,GA与IAA含量呈正相关[36],GA对CTK也有促进作用[37]。IAA和CTK在甘蔗分蘖芽的萌动和生长过程中具有重要作用[38,39]。研究发现,CTK可能是通过提高部分GA含量来促进分蘖生长[40]。本研究结果也表明,外源GA信号促进了IAA、GA和CTK的合成,IAA、GA与CTK之间存在协同关系,外源GA信号能延缓甘蔗分蘖可能与IAA和GA含量的协同增高有关,当甘蔗分蘖受GA抑制时,IAA与CTK的比值增大是确保甘蔗分蘖的基础。BR不仅在促进分蘖伸长方面具有效果显著,还能抑制生长素氧化酶的活性,提高植物内源IAA的含量,因此当BR与IAA含量同时增加时,能有效地提高甘蔗分蘖。本研究得出相似的结果,BR和IAA显著正相关,二者协同互作共同调控分蘖的生长发育。有研究表明,高水平BR对GA信号传导有抑制作用[41],BR和GA协同调控种子萌发进程[42]。本研究结果也表明,在BR存在的情况下,外源GA信号虽然抑制了甘蔗的分蘖,但分蘖的生长并没有受到延缓,说明在分蘖受到GA3抑制时分蘖叶片中BR的存在是仍能保障分蘖的内在因素之一。
植物内源激素GA和ABA具有拮抗作用,二者是调控分蘖成茎的关键因子,GA和ABA的比值高低控制着分蘖的发生[5]。本试验研究结果与前人报道一致,GA和ABA呈显著负相关,GA与ABA的比值动态影响着分蘖芽的萌动及形成。研究发现,ABA和独角金内酯（SL）也存在相互调控关系,SL与ABA合成信号途径紧密耦联共同调控水稻分蘖发育的分子机制[43],而独角金内酯的合成也受GA信号的调控[22],由此可见,在分蘖的生长发育进程中GA信号途径与ABA信号途径发挥了重要作用。本研究结果也发现,外源GA信号能诱导ABA信号增强,说明在分蘖的发育进程中ABA和GA信号之间协同调控分蘖成茎。外源GA信号在乙烯促进分蘖成茎中也起重要作用[44],研究发现外源GA促进甘蔗节间伸长可能是通过抑制ABA和ETH含量,同时提高GA3含量来调节节间伸长[20],本研究结果表明,在外源GA信号处理下,甘蔗分蘖叶片的ABA和ETH呈显著正相关,ABA和ETH含量的升高制约着分蘖芽的萌动,乙烯释放量的增加和ABA含量的增高可能是外源GA信号延缓或抑制分蘖进程的重要原因之一。
甘蔗分蘖与内源激素密切相关,但不同植物激素的影响程度存在差异,内源激素之间的关系也错综复杂,施以外源GA信号能影响分蘖期内源激素系统,最终导致分蘖的差异。这说明外源GA信号对甘蔗内源激素的影响是相互关联的,促进生长的激素与抑制生长的激素的平衡状态决定了甘蔗分蘖效果。
综上所述,甘蔗分蘖受多种植物内源激素的调控,激素间的互作共同调控分蘖的生长发育,可通过外源GA信号来影响甘蔗体内内源激素之间的平衡,达到提高甘蔗分蘖的形成和成茎的目的。