芍藥不同品種發(fā)育過程中花莖細(xì)胞壁成分變化

侯競(jìng)涵，萬映伶，劉愛青，洪愛英，劉 燕，*

(1.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； 2.菏澤市城市管理事業(yè)發(fā)展中心，山東 菏澤 274000)

芍藥(Pall.)是芍藥科芍藥屬植物，為我國傳統(tǒng)名花，是重要的庭院花卉和新切花。芍藥花莖特性與應(yīng)用形式密切相關(guān)，在庭院栽培中花莖垂彎、花頭下垂的芍藥受到喜愛；而切花需要挺直的花莖。因此，了解芍藥不同品種花莖特性及其成因有重要意義。

目前國內(nèi)外針對(duì)芍藥花莖特性的研究不多，已有研究主要圍繞花莖細(xì)胞壁成分展開。比較一致的結(jié)論是，芍藥花莖直立性和木質(zhì)素含量正相關(guān)，即木質(zhì)素含量越高，芍藥花莖直立性越好。纖維素作為植物細(xì)胞壁的主要成分，在維持細(xì)胞壁剛性和花莖機(jī)械強(qiáng)度等方面發(fā)揮了重要作用。目前芍藥花莖直立性與纖維素含量的關(guān)系未有一致結(jié)論，有研究認(rèn)為芍藥花莖直立性與纖維素含量極顯著負(fù)相關(guān)，也有學(xué)者認(rèn)為二者顯著正相關(guān)，還有觀點(diǎn)認(rèn)為纖維素含量與花莖直立性沒有嚴(yán)格的相關(guān)性。半纖維素在細(xì)胞壁中與纖維素交聯(lián)，對(duì)于維持堅(jiān)硬的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)也有重要作用。但目前僅見2個(gè)芍藥品種有相關(guān)報(bào)道，直立性好的品種大富貴在發(fā)育后期半纖維素含量呈上升趨勢(shì)，直立性差的品種垂頭紅在發(fā)育后期半纖維素含量呈下降趨勢(shì)。此外，也有報(bào)道顯示，直立性好的芍藥品種原果膠含量較高、水溶性果膠含量較低。

本研究在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，選用花枝夾角這一直觀的表型指標(biāo)作為花莖直立性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以國內(nèi)優(yōu)良切花品種東方少女和楊妃出浴及其他4個(gè)庭院品種為研究對(duì)象，將芍藥從現(xiàn)蕾期到花朵盛開的過程劃分成S1至S5共5個(gè)階段，探究其花莖在不同發(fā)育時(shí)期以及同一時(shí)期不同品種間5種細(xì)胞壁組分的動(dòng)態(tài)變化，旨在明確芍藥花莖直立性產(chǎn)生差異的關(guān)鍵時(shí)期，以及細(xì)胞壁組分對(duì)芍藥直立性的作用，為后期調(diào)控芍藥花莖直立性和切花品種的選育提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試芍藥品種為東方少女(Dongfang Shaonv)、楊妃出浴(Yangfei Chuyu)、遲粉(Chifen)、種生粉(Zhongshengfen)、奇花露霜(Qihua Lushuang)和晴雯(Qingwen)均栽植于北京市昌平區(qū)國家花卉技術(shù)工程中心小湯山資源與種質(zhì)創(chuàng)新基地。樣品于2021年4月17日至5月24日采集。每個(gè)芍藥品種每個(gè)時(shí)期隨機(jī)選取3株芍藥，每株芍藥隨機(jī)選取2個(gè)花枝進(jìn)行取樣，共6個(gè)花枝，在蕾下5～15 cm花莖彎莖處取材，取材后迅速用錫紙包好置于液氮中，帶回實(shí)驗(yàn)室存放于-80 ℃冰箱。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生長(zhǎng)階段劃分

參照芍藥花枝的生長(zhǎng)發(fā)育模型，將芍藥生長(zhǎng)時(shí)期劃分為S1～S5共5個(gè)階段，自S1時(shí)期芍藥現(xiàn)蕾期開始取材，每隔7 d進(jìn)行取材直至芍藥花朵盛開S5時(shí)期停止取材，采樣時(shí)期見圖1。

A，S1時(shí)期；B，S2時(shí)期；C，S3時(shí)期；D，S4時(shí)期；E，S5時(shí)期。A， Stage 1 (S1)； B， Stage 2 (S2)； C， Stage 3 (S3)； D， Stage 4 (S4)； E， Stage 5 (S5).圖1 芍藥樣品取材時(shí)期Fig.1 Sampling time of Paeonia lactiflora

1.2.2 芍藥直立性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

芍藥花莖直立性的判斷在前人對(duì)芍藥花枝夾角的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上略有修改，花枝夾角測(cè)量方式見圖2。其中，花枝夾角越大，直立性越差。本文將花枝夾角>15°進(jìn)一步區(qū)分為直立Ⅱ、Ⅲ級(jí)，即盛花期花枝夾角<15°的劃分為直立等級(jí)Ⅰ級(jí)，花枝夾角范圍在15°～45°劃分為直立等級(jí)Ⅱ級(jí)，花枝夾角>45°劃分為直立等級(jí)Ⅲ級(jí)。

α表示花枝夾角。α represented flower branch angle.圖2 芍藥花枝夾角測(cè)量方式Fig.2 Measurement method of flower branch angle of Paeonia lactiflora

1.2.3 細(xì)胞壁組分測(cè)定

纖維素含量采用蒽酮比色法測(cè)定，半纖維素含量采用DNS法測(cè)定，木質(zhì)素含量采用乙酰溴法測(cè)定，原果膠含量和水溶性果膠含量采用咔唑比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用SPSS軟件對(duì)芍藥不同直立等級(jí)品種花莖的細(xì)胞壁組分含量進(jìn)行差異顯著性分析，用SPSS軟件對(duì)不同品種在5個(gè)時(shí)期的花枝夾角均值與細(xì)胞壁組分含量進(jìn)行相關(guān)性分析，使用prism7軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同芍藥品種的花枝夾角及其直立性評(píng)級(jí)

芍藥不同時(shí)期的花枝夾角測(cè)量結(jié)果見表1，根據(jù)盛花期(S5)的花枝夾角，將東方少女和楊妃出浴劃為直立等級(jí)Ⅰ級(jí)，遲粉和種生粉劃為直立等級(jí)Ⅱ級(jí)，奇花露霜和晴雯劃為直立等級(jí)Ⅲ級(jí)，此結(jié)果與大田實(shí)地調(diào)查觀測(cè)結(jié)果一致。

表1 不同芍藥品種在5個(gè)發(fā)育階段的花枝夾角

芍藥不同品種在S1～S5時(shí)期的花枝夾角呈現(xiàn)不同趨勢(shì)。東方少女在5個(gè)時(shí)期的花枝夾角無顯著差異，楊妃出浴在S2～S5時(shí)期的花枝夾角無顯著差異，晴雯自S4時(shí)期花枝夾角顯著增大，產(chǎn)生明顯彎曲，其余3個(gè)品種花枝夾角隨生長(zhǎng)發(fā)育逐漸增大。

進(jìn)一步比較不同直立等級(jí)的芍藥品種在同一時(shí)期的花枝夾角，結(jié)果顯示，自S2時(shí)期，直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的東方少女、楊妃出浴與直立等級(jí)Ⅱ級(jí)的遲粉、直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的奇花露霜的花枝夾角開始出現(xiàn)差異，S5時(shí)期花枝夾角差異達(dá)到最大。值得注意的是，2個(gè)直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的品種與直立等級(jí)Ⅲ級(jí)晴雯的花枝夾角差異始于S4時(shí)期。由此可見，不同品種出現(xiàn)花莖直立性差異的關(guān)鍵時(shí)期不完全一致，多數(shù)直立性差的品種花莖隨發(fā)育逐漸變彎，但晴雯自S4時(shí)期開始迅速下垂，研究中應(yīng)依品種對(duì)S2或S4時(shí)期予以關(guān)注。

2.2 不同直立等級(jí)品種芍藥的花莖細(xì)胞壁組分含量變化

2.2.1 纖維素含量

6個(gè)芍藥品種的纖維素含量見圖3。同一直立等級(jí)的品種在5個(gè)發(fā)育階段的纖維素含量變化規(guī)律不同，直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的東方少女和楊妃出浴的纖維素含量在早期升高，后期無顯著差異；直立等級(jí)Ⅱ級(jí)的品種纖維素含量在S1至S4時(shí)期先升高后降低；直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的品種纖維素含量沒有一致規(guī)律，奇花露霜的纖維素含量先下降后上升，晴雯的纖維素含量先上升后下降。對(duì)同一發(fā)育階段不同品種的纖維素含量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，除了直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的晴雯，S4～S5時(shí)期直立等級(jí)Ⅰ級(jí)品種的纖維素含量顯著高于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)品種；直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的晴雯，在5個(gè)發(fā)育階段，其纖維素含量顯著高于其他5個(gè)品種。由此可見，對(duì)大多數(shù)品種而言，發(fā)育后期花莖挺直的芍藥品種，其纖維素含量相對(duì)較高。

大寫字母為同一時(shí)期不同品種間的差異(P<0.05)，小寫字母為同一品種不同時(shí)期的差異(P<0.05)。下同。Capital letters refered to the differences (P<0.05) between various varieties in the same stage， and lowercase letters refered to the differences (P<0.05) among different stages of a variety. The same as below.圖3 各時(shí)期不同直立等級(jí)芍藥的纖維素含量Fig.3 Cellulose content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.2.2 半纖維素含量

6個(gè)芍藥品種在5個(gè)發(fā)育階段的半纖維素含量見圖4。直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的2個(gè)品種、直立等級(jí)Ⅱ級(jí)的種生粉和直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的奇花露霜半纖維素含量基本呈先上升后下降趨勢(shì)，但峰值出現(xiàn)的時(shí)期因品種略有差異，為S3或S4時(shí)期。直立等級(jí)Ⅱ級(jí)的遲粉和直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的晴雯半纖維素含量在S1～S4階段保持相對(duì)穩(wěn)定，S5時(shí)期升高。對(duì)同一時(shí)期不同品種的半纖維素含量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的品種東方少女在S2時(shí)期、楊妃出浴在S4時(shí)期的半纖維素含量高于同時(shí)期的其他直立等級(jí)品種。

圖4 各時(shí)期不同直立等級(jí)芍藥品種的半纖維素含量Fig.4 Hemicellulose content of Paeonia lactiflora varieties with different vertical grades at five developmental stages

2.2.3 木質(zhì)素含量

6個(gè)芍藥品種在5個(gè)發(fā)育階段的木質(zhì)素含量見圖5。3類直立等級(jí)品種的木質(zhì)素含量均隨發(fā)育時(shí)期呈升高趨勢(shì)，其中，直立等級(jí)Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)品種的木質(zhì)素含量在S5時(shí)期達(dá)到最大值，但直立等級(jí)Ⅲ級(jí)品種的木質(zhì)素含量自S3時(shí)期基本保持不變。對(duì)同一時(shí)期不同直立等級(jí)品種的木質(zhì)素含量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，直立等級(jí)Ⅰ級(jí)品種的木質(zhì)素含量在S1～S5時(shí)期均高于同時(shí)期的Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)品種奇花露霜，在S1和S5時(shí)期高于同時(shí)期的直立等級(jí)Ⅲ級(jí)品種晴雯。從大多數(shù)品種的結(jié)果來看，相對(duì)較高的木質(zhì)素含量有助于保持芍藥花莖直立。

圖5 各時(shí)期不同直立等級(jí)芍藥品種的木質(zhì)素含量Fig.5 Lignin content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.2.4 原果膠含量

6個(gè)品種的原果膠含量見圖6。直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的2個(gè)品種、直立等級(jí)Ⅱ級(jí)的種生粉和直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的奇花露霜，原果膠含量基本呈先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)，直立等級(jí)Ⅱ級(jí)的遲粉和直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的晴雯在后期原果膠含量均顯著降低，但前期變化規(guī)律不同。進(jìn)一步對(duì)同一時(shí)期不同品種的原果膠含量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，在S1時(shí)期，直立等級(jí)Ⅲ級(jí)品種晴雯原果膠含量顯著高于其他品種，S2時(shí)期直立等級(jí)Ⅱ級(jí)品種種生粉的原果膠含量顯著高于其他品種。

圖6 各時(shí)期不同直立等級(jí)芍藥品種的原果膠含量Fig.6 Protopectin content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.2.5 水溶性果膠含量

6個(gè)品種芍藥的水溶性果膠含量見圖7。自S2時(shí)期起，3類直立等級(jí)品種的水溶性果膠含量均呈降低趨勢(shì)，直立等級(jí)Ⅲ級(jí)品種奇花露霜和晴雯在S2時(shí)期水溶性果膠含量大幅升高，在S3時(shí)期水溶性果膠含量大幅降低。從同一時(shí)期不同品種的水溶性果膠含量來看，直立等級(jí)Ⅲ級(jí)品種奇花露霜和晴雯的水溶性果膠含量在S1、S2、S5時(shí)期均顯著高于其他直立等級(jí)的品種。由此推測(cè)，發(fā)育過程中相對(duì)較高的水溶性果膠含量可能不利于芍藥花莖保持直立。

圖7 各時(shí)期不同直立等級(jí)芍藥品種的水溶性果膠含量Fig.7 Water-soluble pectin content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.3 花莖直立性和其細(xì)胞壁成分的相關(guān)性

不同芍藥品種在5個(gè)發(fā)育階段的花枝夾角與細(xì)胞壁組分含量間的相關(guān)性分析見表2，芍藥花莖的花枝夾角與細(xì)胞壁組分相關(guān)性受發(fā)育階段影響。S1時(shí)期花枝夾角與5種細(xì)胞壁組分均沒有顯著相關(guān)性。S2時(shí)期花枝夾角與木質(zhì)素含量極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.761)，即S2時(shí)期直立性好的芍藥品種木質(zhì)素含量高。S3時(shí)期花枝夾角也與木質(zhì)素含量極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.743)，與原果膠含量顯著正相關(guān)(=0.565)，即S3時(shí)期直立性好的芍藥品種木質(zhì)素含量高，原果膠含量低。S4時(shí)期花枝夾角與半纖維素含量極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.604)，即S4時(shí)期直立性好的芍藥品種半纖維素含量高。S5時(shí)期花枝夾角與木質(zhì)素含量極顯著負(fù)相關(guān)(=-0.678)，與水溶性果膠含量顯著正相關(guān)(=0.864)，即S5時(shí)期直立性好的芍藥品種，木質(zhì)素含量高，水溶性果膠含量低。

表2 不同品種芍藥在5個(gè)發(fā)育階段的花枝夾角與細(xì)胞壁組分含量間的相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

彎莖是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常見現(xiàn)象，小麥等農(nóng)作物的倒伏是影響其產(chǎn)量的根本原因。切花生產(chǎn)中，花莖直立性也直接影響切花品質(zhì)。本研究中直立性差的品種莖彎表現(xiàn)出2種類型：(1)直立等級(jí)Ⅱ級(jí)品種遲粉和種生粉、直立等級(jí)Ⅲ級(jí)品種奇花露霜，在發(fā)育早期即發(fā)生彎莖，并隨發(fā)育時(shí)期的推移花枝夾角逐漸加大；(2)直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的品種晴雯，花莖在發(fā)育早期一直保持直立的狀態(tài)，自S4時(shí)期開始突然大幅彎曲。目前關(guān)于芍藥花莖彎曲發(fā)生的階段鮮有報(bào)道，僅見垂頭紅彎莖始于S3時(shí)期，與本文結(jié)果基本一致，屬于第1種類型。

纖維素是植物細(xì)胞壁重要的組成成分之一，在本研究中，直立等級(jí)Ⅰ級(jí)的品種東方少女和楊妃出浴的纖維素含量在S4～S5時(shí)期顯著高于大多數(shù)Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)的品種，這與課題組前期研究結(jié)論較為一致，在油菜()、大豆()、小麥()研究中也有類似結(jié)果，高纖維素含量可提高植株的機(jī)械強(qiáng)度。但直立等級(jí)Ⅲ級(jí)的品種晴雯，在5個(gè)發(fā)育階段其纖維素含量顯著高于其他5個(gè)品種，這可能是種植地區(qū)差異的影響。有研究指出晴雯在山東地區(qū)栽植時(shí)符合切花選用標(biāo)準(zhǔn)，花莖直立性良好，但在實(shí)踐栽培中，晴雯在不同地區(qū)花莖直立性變化較大，受環(huán)境影響明顯。同時(shí)，晴雯花莖陡然變彎的現(xiàn)象，也可能與其發(fā)育后期木質(zhì)素含量不再增加有關(guān)，或與其細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，尤其是纖維素結(jié)構(gòu)相關(guān)。多種作物中的研究表明，纖維素結(jié)晶度越高，抗倒伏能力越強(qiáng)。

一般認(rèn)為，半纖維素與纖維素形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)可提高細(xì)胞壁強(qiáng)度，從而提高植株的抗倒伏能力。本研究發(fā)現(xiàn)，直立性好的芍藥品種半纖維素含量在發(fā)育中后期時(shí)較高。前人研究發(fā)現(xiàn)，參與木聚糖合成的14基因與維持木聚糖含量和穩(wěn)定細(xì)胞壁的15-基因均在直立性好的品種大富貴中表達(dá)量較高。因此，推測(cè)在芍藥花莖發(fā)育中后期，半纖維素合成相關(guān)基因表達(dá)量增加，導(dǎo)致半纖維素含量增加從而使芍藥花莖的直立性更好。

果膠作為初生細(xì)胞壁的主要組成物質(zhì)，對(duì)植物細(xì)胞的形態(tài)建成具有重要作用。本研究認(rèn)為低含量的水溶性果膠可以增加細(xì)胞壁的硬度，從而提高芍藥花莖的直立性，這與前人在芍藥水溶性果膠含量的研究中結(jié)果一致，值得后續(xù)關(guān)注。

綜上所述，直立性好的品種在發(fā)育過程中始終保持花莖挺直，直立性差的品種花莖發(fā)生彎曲的時(shí)間不同，可分為隨發(fā)育逐漸變彎和發(fā)育后期陡然變彎這2種類型。晴雯在發(fā)育后期陡然彎垂，其內(nèi)在原因值得進(jìn)一步深入研究。不同直立等級(jí)芍藥品種在木質(zhì)素含量和水溶性果膠含量變化與發(fā)育時(shí)期的關(guān)系上呈現(xiàn)相對(duì)一致趨勢(shì)，直立性好的品種在生長(zhǎng)發(fā)育中木質(zhì)素含量高，水溶性果膠含量低。不同品種芍藥在5個(gè)發(fā)育階段的花枝夾角與細(xì)胞壁組分含量的相關(guān)性分析表明，在發(fā)育前期花莖直立性和木質(zhì)素含量極顯著正相關(guān)；發(fā)育中期花莖直立性和木質(zhì)素含量極顯著正相關(guān)，和原果膠含量顯著負(fù)相關(guān)；發(fā)育后期花莖直立性和半纖維素含量以及木質(zhì)素含量極顯著正相關(guān)，和水溶性果膠含量顯著負(fù)相關(guān)。本研究明確了發(fā)育過程中影響芍藥花莖直立性的關(guān)鍵細(xì)胞壁組分與組分影響的關(guān)鍵時(shí)期，為芍藥切花品種的選育和栽培提供了理論依據(jù)。