羊草有性生殖數量性狀對不同外源植物激素噴施時間和濃度的響應

李曉宇， 王 彪， 張繼濤， 穆春生

(1. 中國科學院東北地理與農業生態研究所，中國科學院濕地生態與環境重點實驗室， 吉林 長春130102； 2. 東北師范大學草地科學研究所，植被生態科學教育部重點實驗室， 吉林 長春130024；3. 長春市九臺區水土保持工作站， 吉林 長春 130500)

羊草(Leymuschinensis)屬禾本科賴草屬，是根莖型多年生禾草，廣泛的分布于松嫩平原西部，具有耐鹽堿、耐寒和耐旱的生理特性，是防沙治沙、生態環境保護的優良牧草品種。然而由于氣候變化和人類活動導致羊草草地退化，土壤鹽堿化、沙化問題嚴重。恢復和提高羊草草地生產力是踐行“美麗中國”，遏制土壤惡化、實現草地綠色發展的重要研究內容。羊草的克隆繁殖能力強，但有性繁殖能力較弱，利用根莖進行羊草草地恢復需要挖掘大量根莖，對原有草地的破壞性較大，因此提高羊草有性繁殖能力，尤其是提高種子的產量和質量對羊草種群恢復具有十分重要的意義。羊草有性繁殖能力低，表現為三低現象，即抽穗率低、結實率低和發芽率低，導致種子產量很低。羊草結實率低與多種因素相關：即受遺傳和生物學特性的影響[1-2]，也受所在的生態環境影響[3-5]，通常羊草穎花開放時間不一致[6]，而結實受花位、開放時間、穗的發育條件、營養狀況和開花遲早影響[7]；小孢子和花粉易發育異常[8-9]；外界環境溫度和光照[10]、放牧時間和強度[11-12]、采收時間等都將影響羊草種子形成和發育。

植物激素對植物生長發育起著重要的調控作用。外施植物激素對植物有性繁殖的影響通常分為促進作用、抑制作用和無影響3種。通常細胞分裂素對作物產量表現為促進作用，如噴施玉米素(ZR)和6-卞氨基嘌呤(6-BA)能促進小麥和大豆的小花發育，顯著增加可孕小花數和結實數，提高小麥和大豆的產量[13-14]。但利用激動素(KT)浸種，對不同品種玉米的生長及產量均無顯著影響[15]。赤霉素(GA3)也能促進作物增產，外源GA3可促進小麥籽粒中可溶性糖和蔗糖的聚積，從而提高小麥產量[16-17]。但也有GA3對小麥和水稻產量性狀無影響，甚至產生抑制作用的報道[13,18]。生長素(IAA)通常會抑制作物的產量[15,17]，外源IAA抑制小麥和水稻的產量性狀[13,19]。以上結果表明外源植物激素對植物有性生殖的影響與植物物種、激素種類、施用時間和濃度均相關。為了研究外源植物激素是否能提高羊草的有性生殖能力，本研究于羊草返青期和分蘗期向葉片噴施GA3、KT、IAA3種外源激素方法，研究羊草小穗發育過程中，抽穗數、結實數和粒重等有性生殖數量性狀對不同外源植物激素施用時間和濃度的響應，為提高羊草結實率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗材料

研究地點設在松嫩草原西南部，吉林省長嶺縣東北師范大學草業科學研究站內的羊草人工草地(2000年建植)。地理位置為123°44′ E，44°44′ N，屬于溫帶半干旱季風氣候，具有典型的大陸性氣候特點。年平均氣溫4.9℃，年均降水量470 mm，大部分集中在6-8月份，約占全年降水量的70%以上。2007年試驗期間，由試驗區氣象數據總結可知，降雨主要集中在5—8月份，總降雨量為160.9 mm。最高氣溫在7月份，日均溫約為25.7℃(圖1)。該地區水平地帶性土壤為淡黑鈣土，隱域性土壤主要有草甸土、鹽土和堿土，pH值8～9[20]。

2007年，選擇無其他雜草、密度相對均一的羊草人工草地作為試驗樣地，2006年羊草密度約為1 600株·m-2。試驗中使用的GA3、IAA和KT激素試劑(BBI-BIO BASIC INC,Canada)純度分別為>90%，>98.5%和>99.7%。

圖1 試驗地氣溫和降雨量變化Fig.1 The change of air temperature andprecipitation in experimental field

1.2 實驗設計

參考楊建昌等人在水稻上的施用濃度[15-19]，將GA3、IAA和KT3種激素均設置75 mg·L-1和150 mg·L-12個梯度，激素用少量酒精溶解，再用蒸餾水配制成最后使用的濃度，并以噴施清水為對照處理。選擇羊草的返青期(4月29日)和分蘗期(5月19日)，選擇無風晴朗天氣于17:00—19:00 向葉片噴施植物激素。小區面積為12 m2，采用隨機區組設計，4次重復，小區間設0.5 m保護行。因此，本實驗共有56個小區，包括2個噴施時間、7種激素處理及4次重復。噴霧時小區間用擋板隔開，以防激素沾染。

1.3 研究方法

在每個小區定點設置4個1 m×1 m的樣方，調查單位面積的抽穗數，計算抽穗率。

另外選擇30株在同一天集中開花的生殖枝進行掛牌標記，在種子成熟期齊地面剪下，記錄羊草穗長、每穗小穗數、總小花數、結實數，并計算單穗結實率(結實數/小花數×100%)。然后將每穗的結實種子與穗軸(包括小穗梗)和不實花分開，于65℃烘48 h，使用萬分之一天平稱其干重，并計算單穗重和單穗粒重。

1.4 數據分析

實驗數據用SPSS 22.0(version 22.0,SPSS Inc,Chicago,Illinoi)統計軟件對植物激素和噴施時間進行二因素方差分析，在對兩次噴施時間做獨立樣本T體檢，結果用Mean±SE表示，采用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 外源植物激素種類及濃度和施用時間對羊草抽穗數和抽穗率的影響

植物激素的噴施時間、種類和濃度對抽穗數和抽穗率均沒有顯著性差異。返青期噴施植物激素處理的抽穗數和抽穗率分別在113～153株和11.98%～17.01%之間。分蘗期噴施植物激素處理的抽穗數和抽穗率分別在120～160株和10.90%～16.76%之間。

2.2 外源植物激素和施用時間對羊草穗長的影響

二因素方差分析結果表明，植物激素對羊草穗長有顯著影響，噴施時間則對穗長沒有顯著影響(表1和表2)。在返青期施用高低濃度的GA3、IAA和KT對穗長均無顯著影響。分蘗期高低濃度的IAA和GA3及高濃度的KT對羊草穗長無顯著影響，但低濃度的KT處理下穗長增加了13.1%(圖2，P<0.05)。

表1 外源植物激素施用時間和濃度對羊草有性生殖數量性狀影響的二因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis of exogenous plant hormone spray time and concentrationeffects on sexual reproduction quantitative characters

注：*P<0.05表示差異顯著，**P<0.01表示差異極顯著

Note:* and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 level,respectively

圖2 返青期和分蘗期施用植物激素對羊草穗長的影響Fig.2 Effects of plant hormone on L. chinensisspikes length by spraying in regreening and tillering stages注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different letters indicate significance among treatments at the 0.05 level,the same as below

2.3 外源植物激素種類及濃度和施用時間對羊草小穗數和小花數的影響

通過二因素方差分析結果表明，植物激素和噴施時間對羊草小穗數和小花數均有顯著影響(表1，P<0.05)。其中，返青期噴施高低濃度的GA3顯著地增加羊草的小穗數和小花數(P<0.05)，且兩個濃度間無顯著差異；不同濃度的IAA和低濃度的KT處理對分化小穗數和小花數均無顯著影響，但高濃度KT處理顯著增加了小穗數，但對小花數影響不顯著。分蘗期，兩個濃度的GA3顯著增加了小穗數，但對小花數無顯著影響；IAA對羊草的小穗和小花數均無顯著作用；高濃度的KT能有效增加小穗數，低濃度則無顯著效果，但兩個濃度的KT均能顯著提高小花數，且兩個濃度間無顯著差異(圖3)。

與返青期相比，分蘗期施用植物激素可顯著增加小穗數和小花數，平均增加1個小穗和11朵小花(表2)。

表2 植物激素施用時間影響下的羊草各有性生殖數量性狀Table 2 The average of exogenous plant hormone spray time effects on sexual reproduction quantitative characters

圖3 返青期和分蘗期施用植物激素對羊草小穗數和小花數的影響Fig.3 Effects of plant hormone on L. chinensis numbers of spikes and flowers by spraying in regreening and tillering stages

2.4 外源植物激素種類及濃度和施用時間對羊草結實數和結實率的影響

二因素方差分析結果表明，植物激素對羊草的結實數和結實率都有顯著影響(表1)，但噴施時間只影響結實數(P<0.05)。返青期，各種植物激素處理與對照相比，只有高濃度的GA3處理(150 mg·L-1)顯著增加了結實數，使其增加了53.0%，其他激素處理均無促進作用，低濃度的IAA甚至顯著降低了結實率(圖4)。分蘗期，IAA、低濃度的GA3和高濃度的KT對結實數沒有顯著差異，高濃度的GA3和低濃度的KT均顯著的提高了結實數(P<0.05)，然而3種植物激素對結實率均無顯著作用(圖4)。與返青期相比，在分蘗期施用植物激素可顯著提升羊草結實數，每穗平均增加4粒種子(表2)，但結實率并沒有顯著增加，可能增加的小穗和小花中，含有可育小花和不育小花，且不育小花的比例更多。

圖4 返青期和分蘗期施用植物激素對羊草結實數和結實率的影響Fig.4 Effects of plant hormone on L. chinensis numbers of seeds and ripening rate by spraying in regreening and tillering stages

2.5 外源植物激素種類及濃度和施用時間對羊草穗重和粒重的影響

二因素方差分析結果表明，植物激素對羊草穗重和粒重有顯著影響(表1)，但噴施時間則無差異。返青期，高濃度的GA3處理使羊草的穗重和粒重顯著提高(P<0.05)，與對照相比，分別增加37.1%和50%，低濃度則無顯著影響。IAA處理對羊草的穗重和粒重均無顯著影響。KT處理對穗重的影響不顯著，低濃度和高濃度的KT使粒重分別增加15.1%和18.4%，兩濃度間無顯著差異。GA3對粒重的增加值高于KT(圖5)。分蘗期，IAA和GA3的應用，未顯著增加穗重及粒重，只有KT顯著提高穗重及粒重(P<0.05)，且高低濃度間無顯著差異(圖5)。

圖5 返青期和分蘗期施用植物激素對羊草穗重和粒重的影響Fig.5 Effects of plant hormone on L. chinensis weight of spikes and seeds by spraying in regreening and tillering stages

3 討論

3.1 外源GA3對羊草有性生殖的影響

GA3的功能是促進細胞伸長生長，在一定程度上能延緩功能葉的衰老,可以顯著的提高作物的產量和品質[21-22]。GA3能調控小麥穗與莖之間營養物質的分配比例[23-24]，促進籽粒中可溶性糖和蔗糖的聚積[17]。本研究結果表明，在返青期施用高濃度(150 mg·L-1)的GA3，羊草的小穗數、小花數、結實數、穗重和粒重均有顯著的增加。這結果與前人用外源GA3在雜交水稻的研究結果基本一致[25]，GA3能促進細胞伸長和擴大，延緩籽粒衰老，有利于胚乳細胞的發育，從而促進籽粒灌漿充實[26]。這種激素對羊草的種子發育及灌漿具有明顯的促進作用，羊草進入有性生殖期，營養向地上分配不足是造成其結實率不高的原因之一。羊草地下部營養元素的積累量是地上部的5.6倍[27]，開花期和結實期運往地下部的氮素分別是地上部的4.72和3.47倍[28]。而GA3對營養物質的運輸和分配起著調控作用，因此利于羊草結實和灌漿。

近20年來，植物激素或植物生長調節劑在生產上的運用越來越普遍[29]。通常植物激素對植物的有性生殖影響與激素噴施時間、種類和濃度相關。在水稻生長后期施用植物生長調節劑，增產作用較大。在本文，返青期施用低濃度的GA3雖然可以顯著提高羊草的小穗數和小花數，但對結實數和結實率以及穗重和粒重沒有顯著影響。在分蘗期施用GA3也僅僅能增加小穗數，對結實數和粒重等指標無顯著作用。這表明GA3對羊草有性繁殖的促進影響取決于施用時間和濃度，在返青期施用高濃度GA3對羊草結實具有顯著作用。

3.2 外源IAA對羊草有性生殖的影響

IAA對與作物結實和產量相關的有性生殖數量性狀的影響，多半表現為抑制作用，其機理可能與激素調控頂端優勢相似。通常開花后正在發育的籽粒會抑制其他較年幼籽粒的發育[13]，導致飽滿籽粒數的降低而引起了結實率的顯著降低。在本實驗中，當返青期施用低濃度的外源IAA顯著降低了羊草結實率，但對其他生殖數量性狀沒有抑制或促進作用。分蘗期應用IAA對羊草有性生殖數量性狀則無顯著影響。這也證明IAA對植物的影響與其施用濃度和時間有關。低濃度的IAA對羊草結實率具有顯著的抑制作用，而高濃度IAA對羊草無顯著的作用。在水稻研究中，當噴施20×10-5mol·L-1的外源IAA后，IAA延長水稻灌漿期，降低了平均灌漿率，降低了谷粒的重量，水稻谷粒中的IAA含量為一定值，當噴施外源IAA后，使得水稻谷粒中生長素濃度過大，IAA/ABA的值增加，從而抑制了灌漿率和谷粒重[19]。

3.3 外源KT對羊草有性生殖的影響

激動素屬于細胞分裂素的一種，其主要功能是促進細胞分裂，增加細胞數量，從而促進生長。細胞分裂素與赤霉素具有相似的功能，提高葉片的光合生產能力，調控作物穗與莖之間營養物質的分配比例[23-24]，延緩功能葉的衰老，從而提高作物產量和品質[21-22]。在返青期，噴施低濃度的KT對羊草有性生殖沒有顯著影響，但高濃度的KT對羊草小穗數和粒重有顯著促進作用。在分蘗期施用KT，羊草的小穗和小花數、結實數、穗重和粒重均顯著提高。這與前人應用外源細胞分裂素在小麥和大豆[13-14]的研究結果基本一致。綜上分析表明，KT對羊草有性生殖數量性狀的影響與施用時間、濃度有關，在羊草分蘗期施用KT效果更顯著。雖然在分蘗期施用KT，兩個濃度間無顯著差異，考慮到低濃度的KT處理下各指標平均值高于高濃度KT處理，因此在羊草分蘗期施用75 mg·L-1的KT對其有性生殖，尤其是種子數量和質量的提高更為有效。

4 結論

本研究對比3種植物激素及不同濃度和施用時間對羊草有性生殖數量性狀的影響，得出以下結論：羊草有性生殖受外施植物激素的種類、濃度和噴施時間影響：其中GA3和KT表現為促進作用，但IAA表現為無作用或抑制作用；在返青期噴施高濃度(150 mol·L-1)GA3對小穗數、小花數、結實數、穗重和粒重均有顯著提升作用，但在分蘗期施用則不顯著；高濃度的KT在返青期有效的增加了小穗數和粒重，KT在分蘗期施用能顯著增加穗重、粒重和結實數，其中低濃度的效果優于高濃度。因此，為了提高羊草種子產量可以選擇在返青期噴施150 mol·L-1的GA3，或在分蘗期噴施75 mol·L-1的KT。