不同氮水平下毛華菊形態(tài)性狀的差異分析

張秋玲 楊秀珍 戴思蘭 邱丹丹 董南希 李清清

(北京林業(yè)大學(xué)/園林學(xué)院/花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家花卉工程技術(shù)研究中心/ 城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

毛華菊(Chrysanthemumvestitum)作為菊花的重要起源種之一，遺傳背景較簡(jiǎn)單，且瓣型變異覆蓋度、連續(xù)性高，與栽培菊花親緣關(guān)系近，是研究菊花生物學(xué)現(xiàn)象的重要材料[1-2]。豐富的形態(tài)變異多是由遺傳上的差異和生境的多樣性形成，同時(shí)也反映了植物對(duì)環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)性[3-4]。作為具有藥用和抗性優(yōu)良的野生花卉資源，自然條件下的毛華菊同樣存在豐富的種下形態(tài)變異，尤其是花朵，在小范圍的同一立地條件下毛華菊的花朵具有豐富的形態(tài)變異[5]。這種豐富的形態(tài)變化一方面受遺傳基礎(chǔ)的影響，另一方面可能受環(huán)境因素的影響，而環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)水平是否存在調(diào)控作用目前尚需進(jìn)一步研究。

氮作為“肥料三要素”之一的礦質(zhì)元素，是植物氨基酸、核酸和蛋白質(zhì)等含氮化合物的重要組成部分，而植物激素的合成同樣需要含氮化合物，氮的供應(yīng)與植物的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程密不可分，是對(duì)觀賞植物影響較大的元素之一，與植物的開(kāi)花調(diào)控緊密聯(lián)系[6-8]。科學(xué)合理的氮水平能夠使植物生長(zhǎng)健壯，性狀優(yōu)良，而氮肥供應(yīng)不足或過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育不良，引起一系列不良后果。

表型的變異是生物遺傳變異最直接的表現(xiàn)，同時(shí)也是遺傳多樣性研究的重要內(nèi)容[9-10]。研究表明，較低水平的硝酸鹽供應(yīng)會(huì)影響植物的生長(zhǎng)速率，低氮能促進(jìn)擬南芥提前開(kāi)花；另一方面，氮饑餓或者過(guò)量供氮均會(huì)延遲開(kāi)花[6-7、11]。作為現(xiàn)代觀賞園藝中觀賞價(jià)值極高的植物之一，對(duì)菊花花色、花型、花期和種質(zhì)資源等方面的研究均取得了較大的進(jìn)展，而從形態(tài)角度探討礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)對(duì)其觀賞性狀的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。因此，本研究旨在通過(guò)對(duì)混合瓣型毛華菊表型性狀的研究，探討毛華菊各形態(tài)特征在不同氮水平條件的栽培下的差異，以期為進(jìn)一步解析氮素調(diào)控菊花觀賞性狀分子機(jī)制的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

材料來(lái)源于河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣的野生毛華菊，在大東流苗圃試種之后，采集外植體到北京林業(yè)大學(xué)花卉工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組織培養(yǎng)擴(kuò)繁。待組培苗長(zhǎng)到5～6片葉，于2018年10月7日選取生長(zhǎng)一致的組培苗移入10 cm×9 cm的塑料盆中，栽培基質(zhì)為珍珠巖，每盆珍珠巖裝至距離盆沿1 cm，每盆一株，移到長(zhǎng)日照人工氣候室生長(zhǎng)，至12～14片葉時(shí)(12月11日)移入短日照人工氣候室。人工氣候室培養(yǎng)溫度為24±2 ℃，光照時(shí)間分別為 16 h/8 h和12 h/12 h，光源為白熾燈，平均光照強(qiáng)度3 000 lx。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)氮處理設(shè)15、30、60和90 mg/L共4個(gè)水平，采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，重復(fù)12次，一個(gè)處理的12盆統(tǒng)一置于530 mm×390 mm×43 mm的紅色托盤中，其余元素采用霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方。上盆后緩苗(期間僅澆灌自來(lái)水)20 d(10月28日)開(kāi)始處理，每周澆灌一次營(yíng)養(yǎng)液，每次每托盤中澆營(yíng)養(yǎng)液2 L，相鄰2次處理之間視基質(zhì)干濕情況澆水，共澆灌營(yíng)養(yǎng)液11次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理

上盆28 d開(kāi)始每2周統(tǒng)計(jì)一次株高和葉片數(shù)，待其均現(xiàn)蕾停止統(tǒng)計(jì)；記錄現(xiàn)蕾、破蕾和盛花日期，并計(jì)算從上盆至各時(shí)期的天數(shù)。2019年2月17日待各處理頭狀花均達(dá)到盛花時(shí)統(tǒng)一對(duì)頭狀花序的數(shù)量、花心直徑、花序直徑、花冠長(zhǎng)、花冠開(kāi)裂距離和舌狀花類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

株高利用鋼卷尺測(cè)量；當(dāng)花蕾達(dá)到1 mm時(shí)記錄現(xiàn)蕾日期，花蕾破膜顯色時(shí)記錄破蕾日期，舌狀花全部展開(kāi)記錄盛花日期；每個(gè)處理均采10朵頭狀花序利用毫米鋼卷尺記錄花心直徑、花序直徑、花冠長(zhǎng)和花冠開(kāi)裂距離，因15 mg/L氮水平處理開(kāi)花數(shù)量較少，僅統(tǒng)計(jì)了完全盛開(kāi)的3朵頭狀花。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excle、SPSS進(jìn)行分析；圖形的繪制使用Origin 9.0軟件進(jìn)行處理和繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮水平下毛華菊株高的差異分析

如圖1 所示，在上盆到98 d時(shí)，毛華菊的株高隨著氮水平的增高呈遞增趨勢(shì)。4個(gè)處理下株高的增長(zhǎng)以90 mg/L水平最快，15 mg/L水平下株高增長(zhǎng)最慢。90 mg/L水平植株最終株高值最大，達(dá)到了40.80 cm；60 和30 mg/L水平的最終株高分別達(dá)到了35.13 和36.92 cm；15 與30 mg/L、60與90 mg/L 之間差異極顯著(P<0.01)，30 與90 mg/L之間差異顯著(P<0.05)，而60 與90 mg/L之間差異不顯著。說(shuō)明氮元素對(duì)毛華菊的株高生長(zhǎng)至關(guān)重要，氮素缺乏毛華菊無(wú)法正常生長(zhǎng)。

圖1 不同氮水平對(duì)毛華菊株高的影響
Fig.1 Effect of different nitrogen levels on plant height ofC.vestitum

2.2 不同氮水平下毛華菊葉部性狀的差異分析

2.2.1葉片數(shù)

隨著上盆天數(shù)毛華菊的葉片數(shù)逐漸增加，最終呈緩慢增長(zhǎng)直至停止(圖2)。上盆28～42 d，毛華菊的葉片數(shù)增長(zhǎng)緩慢，甚至15 mg/L處理的葉片數(shù)出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，這可能是前期組培苗幼小和氮素缺乏從而導(dǎo)致老葉脫落及新葉增長(zhǎng)緩慢造成的；上盆42～84 d時(shí)，毛華菊處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的快速階段，各處理毛華菊的葉片數(shù)增加迅速，以90 mg/L水平的增長(zhǎng)速率最快。上盆84 d后，葉片數(shù)呈緩慢增長(zhǎng)甚至停止增長(zhǎng)，這可能由于毛華菊開(kāi)始短日照誘導(dǎo)，進(jìn)入了生殖生長(zhǎng)所致。毛華菊的總?cè)~片數(shù)隨著氮水平的增加而增加，以90 mg/L水平的葉片數(shù)最多，15 mg/L水平下葉片數(shù)較少。說(shuō)明氮素對(duì)毛華菊的葉片生長(zhǎng)影響顯著，尤以營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段的作用最顯著，進(jìn)入生殖生長(zhǎng)階段毛華菊的葉片數(shù)基本不再增長(zhǎng)了。

圖2 不同氮水平對(duì)毛華菊葉片數(shù)的影響
Fig.2 Effect of different nitrogen levels on the number of leaves ofC.vestitum

2.2.2葉片大小和形狀

不同氮水平下毛華菊的葉長(zhǎng)、葉寬和葉長(zhǎng)寬比變化呈規(guī)律性變化趨勢(shì)(圖3(a)和(b))。各水平下毛華菊葉長(zhǎng)和葉寬均隨著氮水平的升高而增大，長(zhǎng)寬比大小依次為30 >15 >90 >60 mg/L水平。顯著性分析顯示，15 和30 mg/L水平的葉長(zhǎng)與60 和90 mg/L水平的葉長(zhǎng)之間的差異分別達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，15 與30 mg/L、60 與90 mg/L之間的差異顯著(P<0.05)；15與30 mg/L水平的葉寬與60 和90 mg/L水平的葉寬之間的差異分別極顯著(P<0.01)，而15 與30 mg/L、60 與90 mg/L水平之間的差異則不顯著(P>0.05)；葉片長(zhǎng)寬比以15、30、90 與60 mg/L水平之間的差異顯著(P<0.05)。說(shuō)明隨著氮水平的升高，毛華菊的葉片也隨之增大。

毛華菊的葉片形狀在不同氮水平下具有差異，葉緣的開(kāi)裂程度隨著氮水平的增加而增加(圖3(a))，而60與90 mg/L水平的長(zhǎng)寬比更小也造成了該氮水平下植株的葉片更偏于卵圓形，15與30 mg/L水平的葉片更接近于狹長(zhǎng)型，該變化原因還有待進(jìn)一步的探究。

2.3 不同氮水平下毛華菊花部性狀的差異分析

2.3.1開(kāi)花時(shí)間

如表1所示，對(duì)不同氮水平下毛華菊開(kāi)花時(shí)間的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨氮水平升高，毛華菊上盆—現(xiàn)蕾、破蕾和盛花的時(shí)間逐漸縮短，以90 mg/L水平的植株開(kāi)花時(shí)間最早，以15 mg/L水平的植株開(kāi)花時(shí)間最晚。通過(guò)顯著性比較發(fā)現(xiàn)，各氮水平之間的開(kāi)花時(shí)間差異均達(dá)到了極顯著水平，上盆—現(xiàn)蕾的天數(shù)，最早與最晚之間差了14 d，上盆—破蕾的天數(shù)，最早與最晚之間差了16 d，上盆—盛花的天數(shù)，最早與最晚之間差了22 d，說(shuō)明氮素對(duì)毛華菊的開(kāi)花時(shí)間起到了重要的調(diào)控作用，嚴(yán)重氮饑餓會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)延遲和開(kāi)花晚。

2.3.2頭狀花形態(tài)性狀

毛華菊頭狀花形態(tài)性狀的觀測(cè)結(jié)果如表2所示。單株毛華菊的頭狀花數(shù)量以90 mg/L水平最多，達(dá)到了29.40，15 mg/L水平最少，僅3.50，二者差異顯著(P<0.05)，15與30 mg/L、60與 90 mg/L 水平間的花序直徑差異顯著(P<0.05)。舌狀花的平瓣、匙瓣和管瓣在不同氮水平下的差異并不顯著，平瓣類型隨著氮的升高數(shù)量呈一定的遞增趨勢(shì)，管瓣類型在15與30 mg/L水平下數(shù)量少于60與 90 mg/L 水平，管瓣類型則是以15與 30 mg/L 水平多于60與90 mg/L水平。單個(gè)舌狀花總數(shù)和花心直徑在不同氮水平下并無(wú)顯著差異，舌狀花總數(shù)均為13～14。說(shuō)明氮素對(duì)毛華菊花部性狀的影響主要集中在頭狀花數(shù)量和花序大小上，對(duì)舌狀花數(shù)和花心直徑并無(wú)顯著影響。

圖3 不同氮水平對(duì)毛華菊葉片大小的影響
Fig.3 Effect of different nitrogen levels on leaf size ofC.vestitum

表1 不同氮水平對(duì)毛華菊開(kāi)花時(shí)間的影響
Table 1 Effects of different nitrogen levels on flowering time ofC.vestitumd

氮水平/(mg/L)Nitrogenconcentration上盆—現(xiàn)蕾Transplant to visibleflower bud stage上盆—破蕾Transplant to visiblecolor stage上盆—盛花Transplant to openedflower stage15100 AB124 AB134 AB30 90 BC114 BC126 BC60 88 CD111 CD115 CD90 86 D108 D112 D

注：表中同列不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著，大寫字母表示處理間在0.01水平差異極顯著。

Note: Different lowercase letters within the same column indicate that the difference between treatments is significant at the 0.05 level, and the uppercase letters indicate that difference between treatment levels at the 0.01 level is extremely significant.

2.3.3舌狀花開(kāi)裂程度(S值)

除觀賞園藝學(xué)中對(duì)菊花舌狀花“瓣型”的幾大基本分類之外[12]，為便于對(duì)毛華菊性狀觀測(cè)工作的順利進(jìn)行，將舌狀花花冠開(kāi)裂部分與花冠全長(zhǎng)的比例定義為S值。對(duì)不同氮水平下毛華菊舌狀花的開(kāi)裂程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將S值的范圍劃分為6個(gè)區(qū)間，分別為S=1.00、S=0.00、S∈(0.00,0.25】、S∈(0.25,0.50】、S∈(0.50,0.75】、S∈(0.75,1.00)，并對(duì)S值的數(shù)量進(jìn)行了頻次分布統(tǒng)計(jì)。

如圖4((a)和b)及圖5所示，通過(guò)對(duì)毛華菊S值的數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)舌狀花S值的分布在S∈(0.00,0.25】、S∈(0.25,0.50】區(qū)間最多，結(jié)合之前對(duì)舌狀花類型的統(tǒng)計(jì)，說(shuō)明變異類型毛華菊的舌狀花多集中在管匙瓣；其次為S∈(0.50,0.75】、S=1.00區(qū)間居多，以S∈(0.75,1.00)區(qū)間較少，S=0.00無(wú)。對(duì)不同氮水平之間比較發(fā)現(xiàn)，舌狀花全管類型(S=1)以90 mg/L水平最多，與15 及 30 mg/L 間差異顯著(P<0.05)，其次為60 mg/L水平較多；分布最多的S∈(0.00,0.25】區(qū)間，即舌狀花花冠開(kāi)裂程度較淺以低氮水平下分布數(shù)量較多，隨氮水平的增加而減少；分布區(qū)間為S∈(0.50,0.75】，即開(kāi)裂程度較深的舌狀花在不同氮水平下差異不顯著(P>0.05)；平瓣類型(S=0.00)僅在 60 mg/L 水平有少量分布。說(shuō)明不同氮水平下毛華菊的舌狀花或多或少均存在開(kāi)裂，不存在完全閉合情況，且舌狀花的開(kāi)裂程度在不同氮水平下差異不顯著。

圖4 不同氮水平對(duì)毛華菊頭狀花(a)和舌狀花S值(b)的影響
Fig.4 Changes in the head flower ofC.vestitumunder different nitrogen levels

圖5 不同氮水平對(duì)毛華菊舌狀花S值頻次分布的影響
Fig.5 Effects of different nitrogen levels on the distribution ofSvalue frequency ofC.vestitum

2.4 不同氮水平下毛華菊各形態(tài)性狀的差異特征

不同氮水平下毛華菊各形態(tài)性狀均表現(xiàn)出了一定的差異性，為深入分析各形態(tài)性狀的差異變化程度，特對(duì)其變異系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)行了比較分析。變異系數(shù)作為概率分布離散程度的歸一化量度，反映了各指標(biāo)觀測(cè)值的離散程度[13]。如表3所示，各形態(tài)指標(biāo)在不同氮水平下的差異程度從大到小依次為：平瓣數(shù)>匙瓣>管瓣數(shù)>單株頭狀花數(shù)量>單個(gè)花序舌狀花數(shù)量>花序直徑>株高>花心直徑>葉片數(shù)>葉寬>葉長(zhǎng)>葉長(zhǎng)寬比。綜合考慮毛華菊材料本身的特異性，個(gè)體之間的舌狀花類型在自然條件下同樣存在較大變異，花部性狀的變異程度比葉部性狀大，葉部性狀相對(duì)比較穩(wěn)定[2、5]。而在不同氮水平條件下栽培的毛華菊花部性狀的差異程度較大，而葉部同樣也出現(xiàn)了一定程度的差異變化。此外，不同水平的差異變化大小依次為60>15>30>90 mg/L。

表3 不同氮水平下各形態(tài)性狀的差異變化特征Table 3 Degree of variation of various morphological traits under different nitrogen levels

3 結(jié)論與討論

毛華菊作為栽培菊花的起源種之一，有著豐富的種下變異，包括豐富的花型和葉型變異，在解析其本身性狀變異遺傳機(jī)理的同時(shí)，也為研究現(xiàn)代栽培菊花性狀的定向改良提供了較好的研究基礎(chǔ)[2]。針對(duì)毛華菊性狀差異與氮營(yíng)養(yǎng)之間的關(guān)聯(lián)研究，發(fā)現(xiàn)毛華菊的株高和葉片數(shù)隨氮水平的變化而變化，葉長(zhǎng)、葉寬和葉長(zhǎng)寬比也呈規(guī)律性變化趨勢(shì)。此外，氮素對(duì)開(kāi)花時(shí)間存在顯著調(diào)控，開(kāi)花時(shí)間隨氮水平的高低而不同，嚴(yán)重氮饑餓會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)延遲和開(kāi)花晚，這與Lin等[7]在擬南芥研究中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果一致，而這種潛在的調(diào)控機(jī)理還有待進(jìn)一步解析。除舌狀花類型、單朵花序的舌狀花總數(shù)和花心直徑外，花序直徑和單株頭狀花數(shù)量在不同氮水平下存在顯著差異，舌狀花類型多集中在管匙瓣，不同氮水平下毛華菊頭狀花上的舌狀花或多或少均存在開(kāi)裂，不存在完全閉合。考慮到個(gè)體之間差異較大的原因，不同氮水平之間毛華菊舌狀花類型的數(shù)量差異并不顯著。

作為植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)元素之一，氮素影響了毛華菊整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。而通過(guò)對(duì)不同氮水平下毛華菊形態(tài)性狀的差異分析，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，毛華菊的整體生長(zhǎng)狀態(tài)和速率隨氮水平升高而呈遞增趨勢(shì)；生殖生長(zhǎng)階段，各生殖指標(biāo)也隨氮水平的變化呈現(xiàn)一定程度的差異，尤其是開(kāi)花時(shí)間和頭狀花數(shù)量。這些結(jié)果均表明毛華菊的性狀差異受到外界氮水平的調(diào)控，也為進(jìn)一步解析毛華菊性狀變異提供了新思路。

氮素在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，影響著園藝植物的觀賞價(jià)值，植物體內(nèi)許多重要有機(jī)化合物的組分，如蛋白質(zhì)、葉綠素和酶等，都離不開(kāi)氮的參與[14]。Allison等[15]對(duì)氮調(diào)控的根/芽系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)了21個(gè)響應(yīng)氮元素的轉(zhuǎn)錄因子，其中轉(zhuǎn)錄抑制因子IAA17通過(guò)調(diào)控根系中谷氨酰胺合成酶響應(yīng)氮的有效性，G蛋白通過(guò)響應(yīng)氮的有效性從而調(diào)控了根系結(jié)構(gòu)。在本研究中，氮素對(duì)毛華菊形態(tài)性狀存在顯著的調(diào)控，不僅在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，對(duì)于觀賞植物較關(guān)注的觀賞品質(zhì)來(lái)說(shuō)，科學(xué)施氮顯著提前毛華菊花期，提高觀賞價(jià)值，這對(duì)于改良菊花的觀賞性狀，豐富園藝植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究理論具有重要意義。且氮肥對(duì)觀賞植物觀賞品質(zhì)的影響一直都是顯而易見(jiàn)的，探究氮素對(duì)觀賞植物的潛在調(diào)控也志在必行。此外，研究中的氮水平條件下，毛華菊的生長(zhǎng)發(fā)育隨氮水平的升高呈遞增趨勢(shì)，并未出現(xiàn)過(guò)量限制生長(zhǎng)和開(kāi)花的現(xiàn)象，對(duì)于在高氮水平下毛華菊的性狀差異以及氮素與毛華菊性狀差異之間的潛在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還有待進(jìn)一步的研究。