低溫抑制中國水仙花芽分化的生理生化機制

李 霖，李婷婷，楊 坤，張志忠，吳菁華

（福建農(nóng)林大學園藝學院，福建 福州 350002）

0 引言

【研究意義】中國水仙（Narcissus tazettavar.chinensis.）是石蒜科水仙屬多年生草本植物。其花朵清雅，香味濃郁，被譽為“凌波仙子”，又因家庭養(yǎng)殖方便，備受人們喜愛。但中國水仙花期短，開花時間大多在春節(jié)期間，傳統(tǒng)上只能作為年花銷售，產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到限制，因此改變水仙花期、延長開花時間具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】明確花芽分化過程是了解植物成花機制，進行花期調(diào)控的基礎[1]，花芽的形成主要受內(nèi)部條件和外界環(huán)境的影響，目前對開花過程的研究主要集中在外界因素對花芽分化的影響，例如溫度[2]、光照[3]、水分[4]和激素[5]等。溫度是影響花芽分化主要的外界因子，如研究顯示低溫可以促進草莓開花[6]，高溫是郁金香由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)變的重要因素[7]，水仙在夏季進行花芽分化，適當高溫加乙烯熏蒸可以促進花芽形成，增加花葶數(shù)量[5]，在15 ℃的貯藏條件下水仙主芽始終保持葉芽狀態(tài)[8]。這些研究顯示了不同植物成花過程對溫度的特定要求，豐富了植物花芽分化學說，也為植物花期調(diào)控提供了可能。營養(yǎng)是花芽分化及花器官形成與生長的物質(zhì)基礎，目前已有研究顯示糖類物質(zhì)及蛋白質(zhì)的積累對萱草[9]、郁金香[10]等植物的成花具有促進作用。抗氧化保護酶類在鱗莖花芽分化過程中也具有重要作用，在石蒜[11]、芍藥[12]中已見報道。【本研究切入點】目前關于溫度對植物花芽分化的影響研究主要集中在花芽分化后期，如利用低溫打破休眠，貯藏溫度對種球生理生化的影響等[13－14]，溫度對中國水仙花芽分化全過程的影響及其生理生化機制尚待深入研究?！緮M解決的關鍵問題】本試驗采用15 ℃低溫處理水仙種球，以常溫貯藏為對照，通過測定花芽分化不同時期的活性氧和淀粉代謝相關指標，探究低溫抑制中國水仙花芽分化的機制，為明確中國水仙溫度誘導成花機理和花期調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在福建農(nóng)林大學園藝植物細胞與分子遺傳學實驗室和人工氣候箱內(nèi)進行，所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，位于東經(jīng)119°23′，北緯26°08′，7～10月 平均溫度28.6 ℃，平均濕度70.99%。

1.2 材料與處理

供試材料為中國水仙‘金盞銀臺’3年生鱗莖球，種球均重90 g，平均周徑22 cm，將其等分為2組，其中一組置于人工氣候箱中貯藏，設置條件為晝/夜培養(yǎng)溫度15 ℃/15 ℃，光周期16 h/8 h，濕度65%，另一組常溫貯藏于實驗室，室溫，保持自然通風，每組140個種球。貯藏時間從2019年7月5日至10月20日，在常溫組未分化時期，每7 d取樣1次，共取2次，分別為未分化期1和未分化期2，之后分別在花序原基分化期、花原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期和花器官分化完成共7個時期（表1）進行取樣，每個時期取樣20個種球，15 ℃低溫處理組均同時取樣。

表1 水仙取樣時期及其階段性形態(tài)特征Table 1 Morphological characteristics of Chinese narcissus bulb at various sampling time

1.3 生理指標測定及方法

在常溫和15 ℃低溫處理組的不同階段（表1）分別取樣，以水仙種球鱗片為材料，進行生理指標的測定，試驗重復3次，每次稱樣0.1 g，加1 mL提取液，研磨，不同生理指標按照試劑盒說明書加入相應試劑進行反應。O2·－含量測定采用羥胺氧化法；H2O2含量測定采用比色法；SOD活性測定采用氮藍四唑（NBT）光氧化還原法；POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法；CAT活性測定采用H2O2分解法；可溶性糖和淀粉含量測定采用蒽酮比色法；蔗糖含量測定采用還原糖法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法；淀粉酶活性測定采用3, 5-二硝基水楊酸比色法 。試劑盒采購于蘇州科銘生物技術有限公司。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2013和IBM SPSS Statistics 22軟件進行 數(shù)據(jù)整理分析。

2 結果與分析

2.1 低溫處理對中國水仙活性氧含量的影響

常溫組O2·－含量在雌蕊原基分化期較低，同時期15 ℃低溫處理組O2·－含量處于峰值，是常溫對照組的5.4倍（圖1-A）。常溫組H2O2含量在花原基分化期最低，而后逐步上升，低溫組與常溫組變化趨勢類似，在雄蕊原基分化期對應階段顯著高于常溫組（圖1-B）。

圖1 低溫處理對中國水仙活性氧含量的影響Fig. 1 Contents of reactive oxygens in Chinese narcissus affected by low temperature treatment

2.2 低溫處理對中國水仙保護酶活性的影響

常溫組水仙鱗片SOD活性總體呈下降趨勢，在雌蕊原基分化期下降至最低值，而此時低溫組SOD活性顯著高于常溫組（圖2-A）。與常溫組相比，15 ℃處理后POD活性顯著升高，當常溫組處于雄蕊和雌蕊原基分化期時，對應階段的POD活性分別為常溫組的2.8和1.9倍（圖2-B）。低溫組CAT活性從花原基分化對應期開始迅速上升，在雄蕊原基分化期達 到最大值，與常溫組差異顯著（圖2-C）。

圖2 低溫處理對中國水仙保護酶活性的影響Fig. 2 Activities of protective enzymes in Chinese narcissus affected by low temperature treatment

2.3 低溫處理對中國水仙滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

常溫組可溶性糖含量在花原基分化時期處于較高水平，低溫組對應時期含量顯著偏低，此后可溶性糖含量逐漸上升，在雌蕊原基分化對應時期高于常溫組（圖3-A）。低溫組鱗片可溶性蛋白含量在花原基、雄蕊原基和花器官分化完成后表現(xiàn)出差異顯著 （圖3-B）。

圖3 低溫處理對中國水仙滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig. 3 Content of osmosis-related substances in Chinese narcissus affected by low temperature treatment

2.4 低溫處理對中國水仙淀粉代謝的影響

常溫α-淀粉酶活性在花原基分化期上升至最大值，之后一直保持較高水平；低溫15 ℃處理抑制了α-淀粉酶活性，低于常溫組，但15 ℃處理對β-淀粉酶活性影響不大，僅在花器官分化完成后表現(xiàn)出差異顯著（圖4-A、B）。常溫組淀粉含量在花原基分化期下降至最低后又逐漸升高，15 ℃處理組變化趨勢與之相似，但淀粉含量低于常溫組（圖4-C）。在常溫組處于花原基分化期時，對應階段的低溫組蔗糖含量顯著高于常溫組，而其他階段都低于常溫組（ 圖4-D）。

圖4 低溫處理對中國水仙淀粉代謝途徑的影響Fig. 4 Starch metabolism pathway in Chinese narcissus affected by low temperature treatment

3 討論與結論

當植物受到環(huán)境脅迫時，植物體內(nèi)累積活性氧（ROS），如O2·－、H2O2、·OH等。ROS具有損傷生物大分子產(chǎn)生細胞毒害的作用[15]。SOD、POD、CAT等保護酶系統(tǒng)能清除植物體內(nèi)多余的自由基，SOD把超氧自由基轉(zhuǎn)化為H2O2，CAT和POD會立即將H2O2分解為完全無害的水，從而保護植株免受危害[16]。本試驗中，15 ℃低溫處理使O2·－和H2O2含量升高，SOD活性維持在較高水平，POD、CAT活性總體呈增強的狀態(tài)，表明當植物受到環(huán)境脅迫時，保護酶活性的增強能更好地維持植物體內(nèi)活性氧代謝平衡。此外，有研究表明POD活性的升高可以促進花芽分化[12]，在本試驗中，15 ℃低溫處理后，POD的活性在花芽分化前低于常溫組，而在成花后顯著高于常溫組，這可能是POD在不同植物中參與成花相關代謝作用表現(xiàn)不同。

花芽分化過程極為復雜，除需要相關酶的調(diào)節(jié)外，還需要一定的營養(yǎng)物質(zhì)[17]。水仙鱗莖是其主要的營養(yǎng)器官，鱗莖內(nèi)含有豐富的糖類物質(zhì)，在水仙休眠和花芽分化過程中提供養(yǎng)分和能量基礎。可溶性糖在植物體內(nèi)能夠被直接利用作為能源物質(zhì)參與調(diào)控花芽分化過程[18]。本試驗中，在花芽分化前期，常溫組可溶性糖含量維持在較高水平，而同期15 ℃低溫處理組蔗糖含量明顯低于常溫組，在花原基分化時期對比明顯，說明鱗莖內(nèi)較高的可溶性糖含量可以促進花芽分化，這在番紅花[19]、雜交蘭[20]中的研究一致。蛋白質(zhì)是花器官形態(tài)建成的物質(zhì)基礎[19]。大量蛋白質(zhì)的積累有利于花芽分化[9,21]，但在本試驗中15 ℃低溫處理對可溶性蛋白含量影響不大，在其他類似報道中也出現(xiàn)了這種變化，如在馬鈴薯[22]、線辣椒[23]的研究中發(fā)現(xiàn)較高的蛋白質(zhì)水平不利于花芽分化的開始，可溶性蛋白含量對水仙花芽分化的影響還有待進一步研究。

淀粉是植物界常見的多糖，在淀粉酶的作用下可以水解為可溶性糖為花芽分化供能[24]。在本試驗中，常溫組淀粉含量在花芽分化前期迅速上升，在花原基分化時期消耗大量淀粉，轉(zhuǎn)化為可溶性糖為花芽分化提供能量，而恰好可溶性糖含量在此時期處于較高水平，二者趨勢吻合，在雄蕊和雌蕊原基分化期淀粉含量回升可能是因為中后期利用游離的單糖使淀粉含量上升，淀粉作為主要能量源，在郁金香[10]和草莓[25]中也有類似結論。15 ℃低溫處理后α-淀粉酶活性和淀粉含量都低于常溫組，同樣地，在花原基分化時期對比明顯，由此推測低溫處理可能抑制了α-淀粉酶活性，影響淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄蕴牵[莖內(nèi)糖類物質(zhì)積累不夠，難以完成花芽分化啟動。蔗糖是可溶性糖的一種，調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和生理過程。蔗糖含量也在花原基分化期迅速下降，而其他時期，15 ℃處理后，蔗糖含量都低于常溫對照組，說明較高水平的蔗糖含量也利于花芽分化[8]。綜上所述，溫度對中國水仙花芽分化的影響與多種生理指標變化相關聯(lián)，在花芽分化前期可溶性糖、蔗糖和淀粉含量的大量積累能夠為花芽分化及時提供養(yǎng)分和能量，其含量的變化在花原基分化時期表現(xiàn)較為明顯。花芽分化是一個復雜的過程，探究各生理指標對中國水仙花芽分化的作用，還需在分子層面進一步研究。