外源赤霉素和吲哚乙酸对老芒...生理特性及染色体端粒的调控_贾燕伟.pdf

第 卷第期 草地学报 年 月 ：外源赤霉素和吲哚乙酸对老芒麦生长、生理特性及染色体端粒的调控贾燕伟，祁娟，赛宁刚，独双双，路欣，李霞（甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃 兰州 ）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）；甘肃省河西灌区人工草地碳储量及碳汇价值评估（）；国家现代农业产业技术体系（）资助作者简介：贾燕伟（），女，汉族，甘肃会宁人，硕士研究生，主要从事草种质资源与植物生理生态研究，：；通信作者 ，：摘要：本研究以 川草号 老芒麦（）为材料，采用砂培法，通过测定幼苗形态、生理特性和端粒酶活性，研究喷施不同浓度（，和 ）赤霉素（，）和吲哚乙酸（，）后对老芒麦幼苗生长发育过程的影响，以期为促进老芒麦生长、提高产量甚至防止早衰提供理论依据。结果表明，各处理提高了株高、叶长、叶面积和地上生物量，和 处理利于老芒麦植株生长和生物量积累。各处理降低了 的叶绿素含量和第 的丙二醛（，）含量，显著提高了的超氧化物歧化酶（，）活性、的过氧化物酶（，）活性、第 过氧化氢酶（，）活性及第 的端粒酶活性。各处理显著提高了 的可溶性蛋白 含 量，提 高 了的 活 性 及 的 活 性。主 成 分 综 合 评 价 得 出，处理效果优于 和 及，和 处理效果。关键词：老芒麦；外源激素；生长发育；形态特征；生理特性；端粒酶活性中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：（，）（）（），.，.，.（），（），（），（），：；第期贾燕伟等：外源 和 对老芒麦生长、生理特性及染色体端粒的调控 ；老芒麦（）是禾本科（）多年生牧草，在我国主要分布在西北、华北、东北等地，它作为青藏高原高寒地区重要的饲草之一，对我国畜牧业的发展起着不可忽视的作用，同时，它在高寒草甸草原上能够形成优势种和建群种，对维持草原生态系统的稳定具有重要作用。但老芒麦播种当年基本不能完成生育期，收益较低，且其人工草地可利用年限较短，在年内产量较高，以后逐年下降。老芒麦在天然草地群落中相对生物量、相对多度和相对盖度亦随着利用年限增加而显著降低。植物激素对植物生长发育起着重要调控作用，通过整合体内外各种信号以不断调控植物的生长发育，从而应对非生物和生物胁迫。通过喷施外源激素可以诱导内源激素（如赤霉素、生长素、脱落酸等）的变化，进而对植物激素信号转导系统产生作用。激素的功能特异性，取决于物种、组织、激素浓度、发育阶段以及植物生长条件等诸多因素，它对植物生长发育的调控，与其生长生理状态以及激素浓度都有着密不可分的关系。外源植物激素，尤其吲哚乙酸（，）和赤霉素（，）已在众多农作物上得到广泛应用，并取得了显著的经济和社会效益。研究发现，对水稻（）种子的萌发具有显著的促进作用，外源激素，调控小麦（）分蘖芽生长的最适浓度为 ，喷施 或，可有效增加食用型甘薯（）淀粉或可溶性糖含量。目前，外源激素在羊草（）、草地早熟禾（）及豆科牧草上被广泛利用，外源激素对羊草的生长发育、开花习性及结实等特征有着重要影响 ，能够提高草地早熟禾抗白粉病能力，增强苜蓿（）根系抗氧化活性等。为了探 究 外 源 激 素 对 老 芒 麦 生 长 发 育 的 影响，本研究团队通过利用其与氮、磷素配施研究发现，外源激素能显著促进老芒麦生长及营养物质的吸收 ，但有关外源激素对老芒麦生长形态、生理特性及染色体端粒方面探究较少。为此，本研究以 川草号 老芒麦为研究对象，通过研究喷施不同浓度外源 和 对老芒麦地上形态、生理特性以及染色体端粒酶活性的影响，以期为提高其产量及延长老芒麦人工草地的利用年限奠定理论基础。材料与方法 试验材料与设计试验材料为 川草号 老芒麦，其种子由四川草业科学研究院提供。本试验于 年月下旬在甘肃农业大学草业学院实验室进行。挑选均匀饱满、健康的 川草号 老芒麦种子，用 酒精消毒 ，再用蒸馏水冲洗三遍，晾干备用。采用砂培法进行幼苗栽培，选取上口径 、下口径、高 的塑料杯作为砂培容器，将细沙和蛭石高温灭菌后，按细沙蛭石的体积比混合，盛装至塑料杯处，蒸馏水浇透后，均匀撒播老芒麦种子，每杯 粒，覆上一层细沙和蛭石，盖住种子。将所有塑料杯放置培养室（温度，光照，黑暗）培育，每天固定时间浇灌等量蒸馏水。待幼苗长至 时进行间苗至 株杯，并开始浇灌 营养液，每天补充损失的水分，每天更换一次营养液，更换营养液前用蒸馏水冲洗杯内沙子和蛭石，重复遍，防止盐分积累。试验设置和 两种生长类激素的添加，分 别 设 置个 浓 度 梯 度（，和 ），记为 ，和 ，。待老芒麦长至三叶期时，于每天下午：进行叶面喷施外源激素，以喷施蒸馏水为对照，喷施量以成滴为准，隔天处理一次，共处理次，分别在全部处理结束后的第，和 天取样，每处理次重复，用以测定生理指标和端粒酶活性，取样后立即放入液氮中，取出后保存至 超低温冰箱备用。在第 进行地上形态特征的测定。测定指标与方法 形态指标的测定株高（）：每个处理随机取 株，用卷尺测量茎基部至最高处的垂直距离，即绝对高度，分别求其平均值。茎粗（）：每个处理随机取 株，用游标卡尺测量基部茎的直径，分别求其平均值。叶长（）：每个处理随机取 株，用卷尺测量倒二叶（从根茎基部数起倒数第叶）基部到叶尖的长度。叶宽（）：每个处理随机取 株，用游标卡尺草地学报第 卷测量倒二叶（从根茎基部数起倒数第叶）中间最宽处宽度。叶面积（）：叶长叶宽 。地上生物量（）：齐茎基部刈割后称其鲜重，次重复，取其平均值。生理指标的测定采用分光光度法测定叶绿素含量，考马斯亮蓝 法测定叶片可溶性蛋白（，）含量，氮蓝四唑比色 法 测 定 超 氧 化 物 歧 化 酶（，）活性，愈创木酚比色法测定过氧化物酶（，）活性，紫外吸收法测定过氧化氢酶（，）活性，硫代巴比妥 酸 法 测 定 丙 二 醛（，）含量。端粒酶活性的测定称取鲜样各，放入预冷的研钵中，用液氮研磨成粉末，倒入 离心管，再加入 的 匀浆液，高速冷冻离心 ，上清液即为酶液。采用植物端粒酶 检测试剂盒测定样品端粒酶活性，购于上海岚派生物科技有限公司。数据分析 使 用 软 件 进 行 单 因 素 方 差 分 析（，）、氏多重比较检验及主成分分析，采用 进行处理数据和绘图，所有数据均以个重复的平均值标准误（）表示。结果与分析 外源激素 和 对生长特性的影响由表可知，不同浓度处理后株高较 显著 提 高 了 ，和 （），而 处 理 后 提 高 ，和 ；和 处理显著增加了老芒麦茎粗，但 和 的喷施显著降低了幼苗茎粗；两种激素处理后，叶长较 均显著提高，处理效果较显著，分别较对照显著提高了 ，和 （），但显著抑制了叶宽的增长，而 和 处 理后，叶 宽 显 著提高，分别较 提 高 了 和 ；外源和 处理均明显促进了 叶 面 积 的 增 加，其 中 和 处理后，叶面积分别较 提高 和 ；，和 处理后其地上生物量较 增幅明显，分别显著提高了 ，和 。表外源 和 对老芒麦生长特性的影响 .处理 株高 茎粗 叶长 叶宽 叶面积 地上生物量 注：，和 ，和 分别表示蒸馏水，和 外源激素 和 处理，下同。同列不同小写字母之间表示差异显著（）：，外源激素 和 对叶片生理特性的影响 外源 和 对叶片叶绿素和可溶性蛋白含量的影响由图 可得，不同 处理后第 叶绿素含量分别较 显著降低 ，和 （）；处理后第叶绿素含量显著降低，降幅为 ，处理后 的叶绿素含量均显著 降 低，降 幅 分 别 为 和 ，处理后叶绿素含量相对稳定。不同浓度 处理均显著提高了 的可溶性蛋白含量，第 的增幅分别为 ，和 ，第 的增幅分别为 ，和 。处理效果不明显，仅 处理在第显著提高了可溶性蛋白含量（图）。第期贾燕伟等：外源 和 对老芒麦生长、生理特性及染色体端粒的调控图不同浓度 和 对老芒麦叶片叶绿素和可溶性蛋白含量的影响 .注：各处理间不同小写字母表示在相同生长天数不同浓度激素处理间差异显著（），下同 ：，外源 和 对叶片丙二醛和抗氧化酶活性的影响图 显示，叶片在生长发育过程中，含量会逐渐增加。外源和 处理能够对叶片体内 含量产生显著影响。在处理后第，除 外，其它处理 含 量 较 均 显 著 降 低，其 中 和 处理降幅最大，分别较对照降低了 和 。由图 可得，处理显著提高了的 活性，第 各处理增幅达到最大，分 别为 ，和 。各处理亦显著提高 了 第 的 活 性，分 别 较 提 高 ，和 ，同 时，显著提高了 的 活性。由图 可知，外源的添加显著提高了叶片 的 活性，且随生长天数增加呈先降低后升高趋势；，和 处理后第，活性较 显著提高了 ，和 。和 显著提高了第，和 的 活性，均显著提高 的 活性；处理后第 效 果明 显，活性 分 别 较 提 高 、和 。图 表明，除 外，叶片内 活性随生长天数增加呈先降低再升高后又降低的趋势，在第 活性达到最高。，和 的 处理后第，活性分别较 显著提高了 ，和 。外源激素 和 对叶片端粒酶活性的影响由图可知，叶片中端粒酶活性随生长天数的增加而逐渐降低，第端粒酶活性最高，为 ，第 端粒酶活性较第降低 。外源和 的喷施对老芒麦叶片端粒酶活性具有较大影响。，和 的以及，的 处理均显著提高了叶片第 的端粒酶活性，分别为 ，和 ，较 提高 ，和 。主成分分析及综合评价 将累计贡献率大于 且方差特征值大于的作为主成分，共提取了个主成分（表），其特征值分别为 ，和 ，贡献率 分别为 ，和 ，个主成分的累计贡献率达到 ，具有一定代表性。第主成分贡献率较大的是叶长、株高、叶绿体、地上生物量、叶面积、叶宽、和端粒酶活性，其中 、叶绿素和叶宽起反向作用，反映了老芒麦生长发育过程中地上部形态特征、膜保护物质的含量、叶绿素含量、抗氧化酶活性以及端粒酶活性的变化；第主成分贡献率较大的是 和茎粗，即为抗氧化酶和地上形态特征；第主成分上可溶性蛋白和 的贡献率较大，主要反映了老芒麦幼苗在生长发育过程中渗透调节能力和细胞内抗氧化酶活性的大小。综合个主成分分析结果，地上部形态特征、生理特性以及端粒酶活性，均可作为评价各处理下老芒麦生长发育状况的综合指标。草地学报第 卷图不同浓度 和 对老芒麦叶片丙二醛和抗氧化酶活性的影响 .图外源 和 对老芒麦叶片端粒酶活性的影响 .根据不同处理下各主成分因子得分计算出综合得分，再依据综合得分情况对各处理进行排序（表）。排名前三的处理分别为 ，和 ，其 中 综合得分 ，排名最后，表明外源喷施 和 对老芒麦地上部生长均有促进作用，其中喷施浓度为 的 效果最佳。第期贾燕伟等：外源 和 对老芒麦生长、生理特性及染色体端粒的调控表各指标主成分方差贡献率及载荷矩阵 指标 主成分 可溶性蛋白 超氧化物歧化酶 过氧化物酶 过氧化氢酶 丙二醛 端粒酶活性 叶绿素 株高 茎粗 叶长 叶宽 叶面积 地上生物量 特征值 贡献率 累计贡献率 注：表示对应指标在主成分中的载荷值绝对值最大 ：表各指标主成分因子得分及排序 处理 因子 综合得分 排序 讨论 外源激素 和 对老芒麦地上生长特性的影响植物激素如赤霉素或生长素等在调节植物生长发育的各种过程以及胁迫反应中发挥着关键作用。外源植物激素主要通过影响植物内源激素的平衡，从而引起植株生长和生理代谢活动的变化。研究表明一定浓度范围内的外源生长素、赤霉素和细胞分裂素对于草种的发芽及幼苗的生长均具有促进作用 ，通过比较不同浓度外源激素对农艺性状及生理特性的影响可筛选出有利于植物生长发育最适宜 的 激 素 喷 施 浓 度。研 究 表 明，浓 度 为 的 可提高谷子（）的株高、叶面积、叶片数，而 对无芒雀麦（）农艺性状无明显促进作用，但 对其种子产量具有显著调控效果。是 坝莜号 种子萌发和幼苗生长的最适浓度，处理对老芒麦根系的直径和根表面积有明显促进作用。本研究表明，较高浓度的（）和较低浓度（）有利于老芒麦植株生长和生物量的积累。这说明不同植物对不同外源激素的敏感度有很大的差异。外源激素 和 对老芒麦叶片生理特性的影响外源植物激素在植物生长发育的不同阶段起调节作用，且不同外源激素和浓度对植物的调控作用存在差异。本研究结果显示，老芒麦生长发育过程中，不同浓度外源 和 对其生理特性具有不同程度的影响。处理后早期，叶绿素含量呈明显上升趋势但随着植株的生长，叶绿素含量降低，特别是处理下，叶绿素含量降幅较大，原因是处理显著促进植株和叶片生长，而叶绿素的相对合成速率下降（单位重量叶片的叶绿素含量下降），导致叶绿素含量降低。可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质，其增加和积累能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起到保护作用，本研究中，和 外源 处理在一定阶段显著促进了叶片内可溶性蛋白的增加，使其细胞保持较高含水量，保证了老芒麦的正常代谢草地学报第 卷活动。植物生长发育过程中，体内活性氧（）增加，膜脂过氧化，产生丙二醛（），含量越高，说明植物细胞膜质过氧化程度越高；体内抗氧化功能是其自身适应性调节的一个重要方面，作为细胞对抗 的第一道防线，将超氧阴离子分解为，和 进 一 步 将 分 解 为和，从而保护了细胞免受损伤。本研究显示，对照的 含量在喷水 后极显著上升，而 ，和 活性明显下降。在正常生长条件下，植物的生长发育过程是逐渐走向成熟甚至衰老的一个过程，会伴随着细胞或器官内某些生理功能的衰退，同时也受体内激素的调控，柯德森等人 的研究指出，植物在正常生长条件下，某些活性氧（）会诱导乙烯的生物合成。反之，乙烯能增加膜透性，刺激氧气产生更多的 ，从而加剧了膜脂过氧化，促使植物衰老，清除 系统发生紊乱。由此可推测本研究结果可能是老芒麦体内乙 烯 含 量 增 加，致 使 叶 片 早 衰。，和 处理在老芒麦叶片生长发育过程中有效抑制了 的产生，缓解了叶片膜脂过氧化的发生，促进了幼苗形态建成与正常生长发育。不同浓度 和 处理下，叶片 活性在前期增高明显，和 活性在处理后期增高明显，说明不同浓度和 处理在一定生长发育阶段能够提高老芒麦叶片内保护酶的活性，有研究表明，植 物 体 内 诸 多 激 素 水 平 的 改 变 可 刺 激 产 生，又作为信号分子能够诱导抗氧化酶基因 的 表 达 和 酶 活 性 的 增 高，使 细 胞 免 受 氧 化伤害。外源激素 和 对老芒麦叶片端粒酶活性的影响端粒酶在植物生长发育、细胞增殖、修复以及细胞凋亡过程中扮演着重要角色，植物的整个器官和组织在生长发育过程中，端粒酶的激活具有相当大的变化，特别是在具有长生命周期的物种中，即端粒酶活性与细胞活动相关。研究指出，分化能力强的细胞和组织器官内端粒酶活性较高。本研究结果表明，除 的 处理外，其它处理均显著提高了第 的端粒酶活性，和 处理的端粒酶活性增幅较大，说明该浓度外源 和 处理可以在老芒麦生长发育到一定阶段提高其叶片内端粒酶活性，从而维持端粒稳定性，甚至延缓叶片早衰。有研究发现：银杏（）只在生长的早期阶段表现出高的端粒酶活性，而在它的生命周期结束时，端粒酶是检测不到的，这反映出端粒酶的活性可能取决于叶片的生长状态。另外，本研究发现正常的生长条件下，喷水处理 后，在 含量升高的情况下，端粒酶活性降低，依照上述理论，可能是叶片趋向衰老，端粒发生缩短，端粒酶活性必然减弱。一定浓度 和 处理后，可提高端粒酶活性，而 含量相应降低，前人研究表明，细胞端粒酶活性的提高，可能是老芒麦在正常生命周期的代谢过程中伴随的 发挥第二信使作用，通过调控细胞生长等使植物体内各项活动维持稳定，端粒酶同时被激活，使染色体端粒长度处于动态平衡状态；也可能部分 对端粒 造成损伤，而端粒酶被激活对其进行损伤修复。结论喷施一定浓度的外源和，能有效促进老芒麦株高、叶长、叶面积及地上生物量的积累，并在一定发育阶段提高了叶片内可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性以及端粒酶活性，减弱了膜脂过氧化作用，保证叶片各种代谢活动正常运行。综合外源激素对老芒麦地上形态特征、生理特性和染色体端粒酶活性影响得出，喷施 的效果较佳。参考文献张永超，魏小星，梁国玲，等老芒麦衰老过程形态特征变化规律及对养分添加的响应草业学报，（）：李欣瑞，陈淑娴，鄢家俊，等老芒麦种质资源研究进展草学，（）：周禾，杨波，韩建国利用年限对老芒麦生物学特性及群落结构特征的影响草地学报，（）：杨东清，王振林，尹燕枰，等外源 和 对不同持绿型小麦旗叶衰老的影响及其生理机制作物学报，（）：，：，（）：，（）：胡晓芳，向先斌，熊莉军，等不同品种水稻种子萌发速率的差异及其对外源植物激素的响应种子，（）：蔡铁，徐海成，尹燕枰，等外源、和 影响不同穗型小麦分蘖发生的机制作物学报，（）：第期贾燕伟等：外源 和 对老芒麦生长、生理特性及染色体端粒的调控后猛，王欣，张允刚，等外源激素对甘薯生长发育的影响西南农业学报，（）：李晓宇，穆春生盐碱胁迫及外源植物激素对小麦和羊草生长发育的影响草地学报，（）：韩忠海，李晓宇，张继涛，等外源植物激素对羊草开花习性及结实特征的影响中国农学通报，（）：朱琨，刘丽杰，周璐，等外源激素对染白粉菌草地早熟禾叶片膜透性及表面结构的影响草地学报，（）：王文静，麻冬梅，赵丽娟，等，表油菜素内酯对盐胁迫下紫花苜蓿生理指标及根系离子积累的影响草地学报，（）：金鑫，祁娟，刘文辉，等外源激素吲哚乙酸、芐基腺嘌呤与氮素配施对老芒麦幼苗地上部生长的影响草业科学，（）：杨航，祁娟，李玉英，等外源激素与磷素配施对老芒麦生长特性及营养品质的影响草地学报，（）：蒋永梅，高亚敏，姚拓，等植物根际促生菌（）对非宿主植物猫尾草和小黑麦生长的促生作用草业科学，（）：王学奎，黄见良植物生理生化实验原理与技术第版北京：高等教育出版社，：，邹琦植物生理学实验指导北京：中国农业出版社，：江海，陈小华，杜佳宝，等基于主成分分析评价陕南地区主栽猕猴桃的品质陕西理工大学学报（自然科学版），（）：杨东清，董文华，骆永丽，等外源 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