赤霉素和多效唑?qū)υ颇喜蒉⒒ㄖ\動的影響

收稿日期：2024-03-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目：相似的行為，不同機制——山姜屬植物花柱運動機理研究（31360059）。

作者簡介：周會平（1978-），女，河北景縣，博士，研究員，研究方向：植物生理生態(tài)學(xué)。

通信作者：羅銀玲（1978-），女，河北商水縣，博士，教授，研究方向：植物生理生態(tài)學(xué)。

摘要：以云南草蔻的離體花為材料，研究了赤霉素（GA）和多效唑（PAC）在黑暗和光照兩種條件下對花柱運動的影響。結(jié)果表明，云南草蔻兩種表型（上舉型和下垂型）的花柱，無論在黑暗或光照條件下，第一次運動受GA或PAC的影響均不顯著。上舉型花柱的第二次運動，在黑暗條件下，對照（CK）和PAC處理之間無顯著差異，花柱均未發(fā)生上舉運動，而GA處理后花柱發(fā)生顯著的上舉運動；在光照條件下，柱頭-花藥夾角（SAA）在GA和PAC處理時與CK均無顯著差異。下垂型的第二次花柱運動，在光下顯著強于暗處。在黑暗條件下，PAC處理后SAA的值大于CK與GA處理，但并不顯著；在光照條件下，CK、GA和PAC處理之間無顯著差異。這些結(jié)果表明，GA在云南草蔻不同表型、同一表型的不同運動階段所起的作用存在差異。

關(guān)鍵詞：花柱運動；光照；赤霉素；多效唑；云南草蔻

中圖分類號：Q943.1" " "文獻標識碼：" A" " " 文章編號：2095-7734（2024）03-0001-05

" 植物運動（plant movement）是植物為更好地生存與繁殖所采取的一種策略，根據(jù)植物運動的方向與外界刺激方向之間的關(guān)系，植物運動可分為向性運動（tropism）和感性運動（nastic movement）；根據(jù)運動機理，植物運動可分為生長運動（growth movement）和膨壓運動（turgor movement）。[1-2]在植物運動過程中，植物激素，尤其是生長素起著非常重要的作用。Cholodny-Went假說認為，生長素在植物器官中的不對稱分布，引起器官的差異生長，從而導(dǎo)致彎曲。[3]這種觀點在后來的研究中得到較多的實驗證據(jù)支持。[4-8]擬南芥幼苗的下胚軸發(fā)生向光性和向重力性反應(yīng)時，在不對稱生長的器官兩側(cè)，都可以觀察到生長素的差異分布。[4]外施生長素后，黃化玉米和黑麥的幼莖和根，比對照表現(xiàn)出較強的向重力的彎曲生長。[9]豌豆下胚軸在向重力性和向光性反應(yīng)中，彎曲部位生長素存在明顯的不對稱分布，在向外突起的一側(cè)，有較高的生長素含量[10]。除生長素外，赤霉素、油菜素內(nèi)酯、乙烯等其他植物激素也參與植物運動。[11-13]在植物運動的運動機理中，也有學(xué)者認為彎曲生長是由于生長抑制物質(zhì)分布不均勻的。Hasegawa et al.[14]以蘿卜為材料，發(fā)現(xiàn)單側(cè)光引起向光側(cè)生長積累抑制物質(zhì)，陳汝民[15]研究玉米胚芽鞘的向光性運動，發(fā)現(xiàn)生長抑制物質(zhì)6-甲氧基-2-苯并唑啉酮（MBSO）分布不均勻是引起玉米胚芽鞘向光性運動的主要原因，但是這方面的證據(jù)支持相對較少。

" 山姜屬植物的花柱運動是植物運動的一種奇特類型，[16-18]它具有避免自交和避免雌雄干擾的作用。[16][19]每種山姜屬植物的花均有兩種表型——上舉型（Ana-morph）和下垂型（Cata-morph），花柱在花開過程中，均會進行兩次彎曲運動。上舉型的花柱先向下彎曲，之后向上彎曲；下垂型的花先向上彎曲，之后向下彎曲。[18]前期研究發(fā)現(xiàn)，同一種山姜屬植物，兩個表型的花柱運動機制存在差異。在云南草蔻（Alpinia blepharocalyx）、寬唇山姜（Alpinia platychilus）和馬來良姜（Alpinia mutica）三種植物中，上舉型花柱的向上彎曲運動受光照控制，花柱不見光，上舉運動不發(fā)生；而下垂型的花柱，其運動雖也受光照影響，但光照有無只影響運動幅度大小，并不能決定運動是否發(fā)生。[20，21]此外，在上述三種山姜屬植物中，上舉型在暗中不能向上彎曲的現(xiàn)象，在外施生長素后，不會發(fā)生改變；而外施生長素運輸抑制劑NPA和TIBA后，下垂型花柱的向下彎曲受到顯著抑制。生長素在花柱中的分布研究表明，在紅豆蔻（Alpinia galanga）中，每種表型的花柱均可進行兩次彎曲運動，但彎曲前花柱中的生長素不存在差異分布；在益智（Alpinia oxyphylla）中，花柱中生長素的不對稱分布也不能解釋它所有的卷曲運動。[22]

" 赤霉素可以引起細胞伸長[23][24]，赤霉素的不對稱分布，在植物器官的運動中也起著重要的作用。[25][26]在山姜屬植物的兩種表型中，不同表型或同一表型的兩次運動之間，運動機制的差異也可能與赤霉素有關(guān)。因此，本研究以云南草蔻為研究材料，研究外施赤霉素和赤霉素合成抑制劑多效唑?qū)ㄖ\動的影響，以期探明赤霉素是否在花柱運動中起作用。

1材料與方法

1.1材料

實驗材料云南草蔻（Alpinia blepharocalyx K. Schum），為多年生草本，生長在云南省普洱市思茅區(qū)佛蓮山，于2017年4月22：30左右和凌晨（天亮前，05：00）采樣，采完后置于黑色塑料袋內(nèi)，立即運回實驗室進行控制實驗。

1.2方法

1.2.1 赤霉素和多效唑處理

將云南草蔻的花去掉苞片和唇瓣后，放在盛滿10μM赤霉素（GA）的溶液中，GA先用二甲亞砜（DMSO）溶液，然后加入雙蒸水，DMSO的終濃度為0.01%（V/V）；或者放在1mM的多效唑（PAC）溶液中，DMSO的濃度相同；對照（CK）為含有0.01% DMSO的雙蒸水。

1.2.2 光照和溫度條件

為確定GA和PAC對云南草蔻兩次運動的影響，團隊分別在第一次運動前（22：30）和第二次運動前（05：00）兩個時間點進行采樣。每次采樣的材料帶回實驗室用GA或PAC處理后，分別放入兩個光照培養(yǎng)箱，其中一個培養(yǎng)箱為無光照（黑暗）；另一個培養(yǎng)箱為全光照（24h白光，強度為10.9Klux）。兩個培養(yǎng)箱的溫度均為28℃。每個光照條件下的CK、GA或PAC的處理為5-15個重復(fù)。

1.2.3 柱頭-花柱夾角的測定

柱頭-花藥夾角（stigma-anther angle，SAA）的測量，按照Luo et al.[10]的方法進行。在處理結(jié)束后，用數(shù)碼相機拍照，采用屏幕量角器（Screen Protractor

V4.0）進行角度的測定。SAA為負數(shù)的，表示柱頭在花藥的下方；SAA為正數(shù)的，表示柱頭在花藥的上方。

1.2.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，用R軟件進行（Ri386 3.4.0）。采用雙因素方差分析來檢驗光照和化學(xué)試劑處理對SAA影響的差異顯著性，并用TukeyHSD檢驗進行了多重比較；多重比較時考慮了兩個因素的交互作用。

2結(jié)果與討論

2.1 GA和PAC對云南草蔻第一次花柱運動的影響

自然狀態(tài)下，云南草蔻兩種表型花的花柱，第一次運動發(fā)生在夜里，即黑暗條件下。花離體后，在第一次運動發(fā)生前放入黑暗條件，次日早上08：00觀察時，GA和PAC處理與CK相比，均未有明顯差異（圖1）。

" 放入光照下的花柱，每隔1h進行一次記錄，結(jié)果如圖2所示。上舉型的花柱，見光1h后即開始進行上舉運動，至早上08：00，運動幅度達最大值；之后花柱進行向下彎曲運動，但直至18：00，柱頭仍在花藥上方；GA和PAC處理的花柱，花柱運動的動態(tài)進程和幅度與CK之間無明顯差異。下垂型的花柱，在凌晨03：00—04：00上舉運動的角度達最大值，之后直接進行下垂運動，上舉運動完成和下垂運動開始之間，無大的時間間隔；與上舉型的花柱相似，GA和PAC處理的花柱，花柱運動的動態(tài)進程和幅度與CK之間無明顯差異。這些結(jié)果表明，改變第一次運動期間的光照條件，可以顯著影響其第二次運動的開始時間，并打破了兩次運動期間原有的7-10h的時間間隔。此外，在光照條件下，上舉型的花藥開裂時間為06：00，而自然光照下，花藥開裂的時間為13：00左右。

圖1" 在黑暗條件下，GA和PAC對云南草蔻第一次花柱運動的影響

注：采樣時間為22：30。柱狀圖上的小寫字母表示上舉型在CK、GA和PAC處理后，SAA的方差分析結(jié)果；大寫字母為下垂型的方差分析結(jié)果。字母相同表示處理之間無顯著性差異。

圖2" 在光照條件下，GA和PAC對云南草蔻花柱運動的影響

注：采樣時間為22：30。A：上舉型；B：下垂型。

2.2 GA和多效唑?qū)υ颇喜蒉⒌诙位ㄖ\動的影響

自然條件下，云南草蔻兩種表型花的花柱，第二次運動發(fā)生在白天，即自然光照。若在第一次運動結(jié)束后，天亮之前把花離體放在黑暗條件下，CK和PAC處理的花柱與Luo et al.[10]之前的結(jié)果一致，花柱不發(fā)生彎曲；但GA處理的花柱發(fā)生了顯著的向上彎曲運動，運動后的角度為7.84±3.85°（圖3）。且此時花柱的彎曲狀態(tài)與光照下上舉型花柱的狀態(tài)有明顯的區(qū)別（圖4），具體表現(xiàn)在GA處理過的花，雖柱頭在花藥上方，但緊鄰柱頭的花柱仍存在凹面向下的弧度，這說明GA引起的彎曲不是花柱向上彎曲的全部。此外，在暗處的上舉型，其花藥無論是CK、GA或PAC處理，均未開裂。在第二次運動期間，花放在光照下時，上舉型的花柱均能進行上舉運動，GA處理后雖卷曲增強，但與PAC和CK之間均無顯著差異（圖3A）。

圖3" 在不同光照條件下，GA和PAC對云南草蔻第二次花柱運動的影響

注：采樣時間為05：00。A：上舉型；B：下垂型。柱狀圖上的小寫字母表示不同光照下、不同處理后SAA的方差分析結(jié)果，字母相同表示處理之間無顯著性差異，字母不同表示在Plt;0.05水平上存在顯著差異。

" 云南草蔻下垂型的花柱，光照處理與黑暗條件相比，差異顯著，這與寬唇山姜的結(jié)果一致；[18]但是GA與PAC處理未引起SAA的顯著差異，且光照與化學(xué)處理之間交互作用不明顯。黑暗條件下時，SAA的絕對值在CK與GA處理時最小，PAC處理時最大，但處理之間差異并不顯著；運動方向一致，均為向下。光照條件下時，SAA在CK、GA與PAC之間也無顯著差異（圖3B）。

圖4" 在不同光照條件下，云南草蔻上舉型花朵在GA和PAC處理后，花柱狀態(tài)及花藥開裂情況示意圖

注：采樣時間為05：00。A：處理前，暗處CK和PAC處理后；B：暗處GA處理后；C：光下CK、GA和PAC處理后。花藥下方的黑點為花粉。

綜合以上結(jié)果可以看出，無論暗處或者光下，外施GA與PAC對云南草蔻兩個表型的第一次花柱運動影響均不明顯。外施GA和PAC對第二次花柱運動的影響，上舉型最大的特點在于暗處時GA處理引起了花柱的向上彎曲運動，但彎曲幅度比光下的CK要小，這表明外施GA具有引起花柱下方細胞的伸長作用。Luo et al[20]之前研究發(fā)現(xiàn)，外施IAA在光下可顯著提高上舉型花柱第二次運動的幅度，但是在暗處外施IAA時，其結(jié)果與對照一樣，花柱不能上舉。那么上舉型花柱的向上彎曲過程中，一方面，可能光通過生長素引起了花柱下方細胞的伸長；另一方面，可能GA通過信號途徑引起了細胞伸長。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，PIF（PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR）在細胞伸長中的作用可被光受體phyB和DELLA蛋白調(diào)控。[23][28]DELLA蛋白是GA信號通路中的負調(diào)控因子，它的含量受GA水平調(diào)控，[29]活性GA含量高時，DELLA含量低；此外，DELLA也受光照調(diào)控，[23][30]夜里時（黑暗）含量低，白天（光照）時含量高。在馬來良姜（Alpinia mutica）花柱的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)中，未見光的上舉型花柱中DELLA的表達較高，見光后較低；而下垂型的花柱中正好相反（未發(fā)表）。可能在云南草蔻花柱運動的過程中，赤霉素主要調(diào)控花柱的向上卷曲運動，這可以解釋上舉型花柱在暗處外施GA時可向上彎曲，以及下垂型花柱在暗處外施PAC時下垂幅度增大。在山姜屬植物益智和紅豆蔻中，生長素的不對稱分布不能解釋每一次彎曲，[22]因此有可能GA引起的生長與生長素引起的生長博弈，決定了花柱的彎曲方向。但是，GA是如何在花柱運動中起作用的，在此過程中光照強度和持續(xù)時間是否重要，仍需進一步探究。

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Effects of GA and PAC on the Style Curvature of Alpinia Blepharocalyx

ZHOU Huiping， CHA Yongpeng， LI Sunyang， CUI Xianliang，LUO Yinling*

（College of Biology and chemistry Puer University， Pu'er" 665000，Yunnan; School of Ecology and Environmental

Science， Yunnan University， Kunming 650504，Yunnan，China）

Abstract：This paper studied the effects of gibberellins （GA） and paclobutrazol （PAC） on the style curvature of excised flower of Alpinia blepharocalyx at the dark and light conditions. The results showed that the first style curvature of two morphs （ana-morph and cata-morph） was not significantly affected by GA and PAC whenever in dark or in light. In dark condition， the second style curvature of ana-morph did not happen for CK and PAC treatment， but GA led to significant upward bending. Meanwhile in light condition， the styles of ana-morph all can bend upwardly for CK， GA and PAC treatment， and there was no significant difference among them. The stigma-anther angle （SAA） of cata-morph was significantly higher when styles were put in light than in dark. In dark condition， PAC can enhanced the second style curvature of cata-morph in dark， but the difference was not significant than CK and GA. In light condition， there was no significant difference among them. These results suggested that GA played a different role in different morph， or in different movement stage of one morph.

Key words：style curvature；light， gibberellin；paclobutrazol；alpinia blepharocalyx