外源赤霉素和吲哚乙酸對(duì)老芒麥生長(zhǎng)、生理特性及染色體端粒的調(diào)控

賈燕偉， 祁 娟， 賽寧剛， 獨(dú)雙雙， 路 欣， 李 霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室， 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

中圖分類號(hào)：S482.8+91；Q945.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-0435(2023)02-0456-08

Regulation of Exogenous GA3and IAA on Growth,Physiological Properties and Chromosomal Telomeres ofElymussibiricus

JIA Yan-wei, QI Juan*, SAI Ning-gang, DU Shuang-shuang, LU Xin, LI Xia

(College of Pratacultural Science, Gansu Agricultural University;Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education; Gansu Grassland Engineering Laboratory;China-US Center for Grazing Land Ecosystem Sustainability, Lanzhou, Gansu Province 730070, China)

Abstract:The effects of different concentrations (30,75 and 150 mg·L-1) of gibberellin (GA3) and indole acetic acid (IAA) on the growth and development ofElymussibiricusseedlings were investigated by measuring the morphological and physiological properties,and telomerase activity of the seedlings,with a view to providing a theoretical basis for promoting the growth and development ofE.sibiricus,increasing the yield and even preventing premature failure. TheE.sibiricus‘Chuancao No.2’ was used as the experimental material by using the sand culture method. The results showed that the treatments increased plant height,leaf length,leaf area and above-ground biomass,and 150 mg·L-1of GA3and 30 mg·L-1of IAA treatments were beneficial to plant growth and biomass accumulation ofE.sibiricus. The GA3treatments reduced chlorophyll content on days 10 to 15 and malondialdehyde (MDA) content on day 15,and significantly increased superoxide dismutase (SOD) activity on days 0 to 5,peroxidase (POD) activity on days 0 to 15,catalase (CAT) activity on day 10 and telomerase activity on day 15. The IAA treatments significantly increased the soluble protein content on days 10 to 15,SOD activity on days 0 to 5 and POD activity on days 0 to 15. According to comprehensive evaluation of principal components,the effect of 150 mg·L-1GA3treatment was superior to other treatments.

Keywords:Elymussibiricus;Exogenous hormone;Growth and development;Morphological characteristics;Physiological properties;Telomerase activity

老芒麥(Elymussibiricus)是禾本科(Poaceae)多年生牧草，在我國(guó)主要分布在西北、華北、東北等地，它作為青藏高原高寒地區(qū)重要的飼草之一，對(duì)我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展起著不可忽視的作用[1]，同時(shí)，它在高寒草甸草原上能夠形成優(yōu)勢(shì)種和建群種，對(duì)維持草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要作用[2]。但老芒麥播種當(dāng)年基本不能完成生育期，收益較低，且其人工草地可利用年限較短，在2～4年內(nèi)產(chǎn)量較高，以后逐年下降[2]。老芒麥在天然草地群落中相對(duì)生物量、相對(duì)多度和相對(duì)蓋度亦隨著利用年限增加而顯著降低[3]。

植物激素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起著重要調(diào)控作用，通過整合體內(nèi)外各種信號(hào)以不斷調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而應(yīng)對(duì)非生物和生物脅迫。通過噴施外源激素可以誘導(dǎo)內(nèi)源激素(如赤霉素、生長(zhǎng)素、脫落酸等)的變化，進(jìn)而對(duì)植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生作用[4]。激素的功能特異性，取決于物種、組織、激素濃度、發(fā)育階段以及植物生長(zhǎng)條件等諸多因素[5]，它對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控，與其生長(zhǎng)生理狀態(tài)以及激素濃度都有著密不可分的關(guān)系[6]。外源植物激素，尤其吲哚乙酸(Indole acetic acid，IAA)和赤霉素(Gibberellin，GA3)已在眾多農(nóng)作物上得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。研究發(fā)現(xiàn)，GA3對(duì)水稻(Oryzasativa)種子的萌發(fā)具有顯著的促進(jìn)作用[7]，外源激素IAA，GA3調(diào)控小麥(Triticumaestivum)分蘗芽生長(zhǎng)的最適濃度為60 mg·L-1[8]，噴施GA3或IAA，可有效增加食用型甘薯(Dioscoreaesculenta)淀粉或可溶性糖含量[9]。目前，外源激素在羊草(Leymuschinensis)、草地早熟禾(Poapratensis)及豆科牧草上被廣泛利用，外源激素對(duì)羊草的生長(zhǎng)發(fā)育、開花習(xí)性及結(jié)實(shí)等特征有著重要影響[10-11]，能夠提高草地早熟禾抗白粉病能力[12]，增強(qiáng)苜蓿(Medicago)根系抗氧化活性等[13]。

為了探究外源激素對(duì)老芒麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響，本研究團(tuán)隊(duì)通過利用其與氮、磷素配施研究發(fā)現(xiàn)，外源激素能顯著促進(jìn)老芒麥生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[14-15]，但有關(guān)外源激素對(duì)老芒麥生長(zhǎng)形態(tài)、生理特性及染色體端粒方面探究較少。為此，本研究以‘川草2號(hào)’老芒麥為研究對(duì)象，通過研究噴施不同濃度外源GA3和IAA對(duì)老芒麥地上形態(tài)、生理特性以及染色體端粒酶活性的影響，以期為提高其產(chǎn)量及延長(zhǎng)老芒麥人工草地的利用年限奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為‘川草2號(hào)’老芒麥，其種子由四川草業(yè)科學(xué)研究院提供。本試驗(yàn)于2022年4月下旬在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。挑選均勻飽滿、健康的‘川草2號(hào)’老芒麥種子，用75%酒精消毒10 min，再用蒸餾水沖洗三遍，晾干備用。采用砂培法進(jìn)行幼苗栽培，選取上口徑10 cm、下口徑7 cm、高16 cm的塑料杯作為砂培容器，將細(xì)沙和蛭石高溫滅菌后，按細(xì)沙∶蛭石=3∶1的體積比混合，盛裝至塑料杯4/5處，蒸餾水澆透后，均勻撒播老芒麥種子，每杯50粒，覆上一層細(xì)沙和蛭石，蓋住種子。將所有塑料杯放置培養(yǎng)室(溫度25℃±1℃，光照12 h，黑暗12 h)培育，每天固定時(shí)間澆灌等量蒸餾水。待幼苗長(zhǎng)至2～3 cm時(shí)進(jìn)行間苗至30株·杯-1，并開始澆灌Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每天補(bǔ)充損失的水分，每5天更換一次營(yíng)養(yǎng)液，更換營(yíng)養(yǎng)液前用蒸餾水沖洗杯內(nèi)沙子和蛭石，重復(fù)3遍，防止鹽分積累。

試驗(yàn)設(shè)置GA3和IAA兩種生長(zhǎng)類激素的添加，分別設(shè)置3個(gè)濃度梯度(30，75和150 mg·L-1)，記為GA330，GA375，GA3150和IAA 30，IAA 75，IAA 150。待老芒麥長(zhǎng)至三葉期時(shí)，于每天下午17:00進(jìn)行葉面噴施外源激素，以噴施蒸餾水為對(duì)照，噴施量以成滴為準(zhǔn)，隔天處理一次，共處理4次，分別在全部處理結(jié)束后的第0，5，10和15 天取樣，每處理3次重復(fù)，用以測(cè)定生理指標(biāo)和端粒酶活性，取樣后立即放入液氮中，取出后保存至—80℃超低溫冰箱備用。在第15 d進(jìn)行地上形態(tài)特征的測(cè)定。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 株高(cm)：每個(gè)處理隨機(jī)取10株，用卷尺測(cè)量莖基部至最高處的垂直距離，即絕對(duì)高度，分別求其平均值[15]。

莖粗(cm)：每個(gè)處理隨機(jī)取10株，用游標(biāo)卡尺測(cè)量基部莖的直徑，分別求其平均值[16]。

葉長(zhǎng)(cm)：每個(gè)處理隨機(jī)取10株，用卷尺測(cè)量倒二葉(從根莖基部數(shù)起倒數(shù)第2葉)基部到葉尖的長(zhǎng)度[15]。

葉寬(cm)：每個(gè)處理隨機(jī)取10株，用游標(biāo)卡尺測(cè)量倒二葉(從根莖基部數(shù)起倒數(shù)第2葉)中間最寬處寬度[15]。

葉面積(cm2)：葉長(zhǎng)×葉寬×0.75[15]。

地上生物量(g)：齊莖基部刈割后稱其鮮重，3次重復(fù)，取其平均值[16]。

1.2.2生理指標(biāo)的測(cè)定 采用分光光度法測(cè)定葉綠素含量[17]，考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定葉片可溶性蛋白(Soluble protein,SP)含量[17]，氮藍(lán)四唑比色法測(cè)定超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性[17]，愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性[17]，紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性[18]，硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量[17]。

1.2.3端粒酶活性的測(cè)定 稱取鮮樣各0.5 g，放入預(yù)冷的研缽中，用液氮研磨成粉末，倒入5 mL離心管，再加入4.5 mL 0.01 mol·L-1的PBS勻漿液，10 000 r·min-1高速冷凍離心20 min，上清液即為酶液。采用植物端粒酶ELISA檢測(cè)試劑盒測(cè)定樣品端粒酶活性，購于上海嵐派生物科技有限公司。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 26 軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA，LSD)、Duncan氏多重比較檢驗(yàn)及主成分分析，采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行處理數(shù)據(jù)和繪圖，所有數(shù)據(jù)均以3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源激素GA3和IAA對(duì)生長(zhǎng)特性的影響

由表1可知，不同濃度GA3處理后株高較CK顯著提高了73.51%，82.12%和89.98%(P<0.05)，而IAA處理后提高25.10%，2.72%和11.58%；30 和150 mg·L-1IAA處理顯著增加了老芒麥莖粗，但30 和75 mg·L-1GA3的噴施顯著降低了幼苗莖粗；兩種激素處理后，葉長(zhǎng)較CK均顯著提高，GA3處理效果較顯著，分別較對(duì)照顯著提高了61.23%，73.23%和76.15%(P<0.05)，但GA3顯著抑制了葉寬的增長(zhǎng)，而30 和75 mg·L-1IAA處理后，葉寬顯著提高，分別較CK提高了11.76%和8.82%；外源GA3和IAA處理均明顯促進(jìn)了葉面積的增加，其中150 mg·L-1GA3和30 mg·L-1IAA處理后，葉面積分別較CK提高71.03%和52.05%；75，150 mg·L-1GA3和30 mg·L-1IAA處理后其地上生物量較CK增幅明顯，分別顯著提高了30.11%，27.13%和24.29%。

表1 外源GA3和IAA對(duì)老芒麥生長(zhǎng)特性的影響Table 1 Effect of exogenous GA3 and IAA on the growth characteristics of E. sibiricus

2.2 外源激素GA3和IAA對(duì)葉片生理特性的影響

2.2.1外源GA3和IAA對(duì)葉片葉綠素和可溶性蛋白含量的影響 由圖1A可得，不同GA3處理后第15 d葉綠素含量分別較CK顯著降低28.85%，25.36%和26.36%(P<0.05)；30 mg·L-1IAA處理后第0 d葉綠素含量顯著降低，降幅為17.44%，75 mg·L-1IAA處理后10～15 d的葉綠素含量均顯著降低，降幅分別為15.92%和12.69%，150 mg·L-1IAA處理后葉綠素含量相對(duì)穩(wěn)定。

不同濃度IAA處理均顯著提高了10～15 d的可溶性蛋白含量，第10 d的增幅分別為58.05%，79.46%和27.06%，第15 d的增幅分別為10.93%，7.53%和52.25%。GA3處理效果不明顯，僅150 mg·L-1GA3處理在第0 d顯著提高了可溶性蛋白含量(圖1B)。

圖1 不同濃度GA3和IAA對(duì)老芒麥葉片葉綠素和可溶性蛋白含量的影響Fig.1 Effect of different concentrations of GA3 and IAA on chlorophyll and soluble protein content of E. sibiricus leaves注：各處理間不同小寫字母表示在相同生長(zhǎng)天數(shù)不同濃度激素處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters among treatments indicate significant differences among treatments with different concentrations of hormones on the same growth days at the 0.05 level,the same as below

2.2.2外源GA3和IAA對(duì)葉片丙二醛和抗氧化酶活性的影響 圖2A顯示，葉片在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，MDA含量會(huì)逐漸增加。外源GA3和IAA處理能夠?qū)θ~片體內(nèi)MDA含量產(chǎn)生顯著影響。在處理后第15 d，除150 mg·L-1IAA外，其它處理MDA含量較CK均顯著降低，其中75和150 mg·L-1GA3處理降幅最大，分別較對(duì)照降低了30.43%和34.78%。

由圖2B可得，GA3處理顯著提高了0～5 d的SOD活性，第0 d各處理增幅達(dá)到最大，分別為103.03%，77.97%和68.01%。IAA各處理亦顯著提高了第0 d的SOD活性，分別較CK提高61.13%，67.28%和40.13%，同時(shí)，75 mg·L-1IAA顯著提高了5～10 d的SOD活性。

由圖2C可知，外源GA3的添加顯著提高了葉片0～15 d的POD活性，且隨生長(zhǎng)天數(shù)增加呈先降低后升高趨勢(shì)；30，75和150 mg·L-1GA3處理后第15 d，POD活性較CK顯著提高了205.90%，105.82%和169.50%。30和150 mg·L-1IAA顯著提高了第0，10和15 d的POD活性，75 mg·L-1IAA均顯著提高0～15 d的POD活性；IAA處理后第15 d效果明顯，POD活性分別較CK提高93.82%、87.69%和120.39%。

圖2D表明，除150 mg·L-1IAA外，葉片內(nèi)CAT活性隨生長(zhǎng)天數(shù)增加呈先降低再升高后又降低的趨勢(shì)，在第10 d CAT活性達(dá)到最高。30，75，150 mg·L-1GA3和150 mg·L-1的IAA處理后第10 d，CAT活性分別較CK顯著提高了64.93%，107.73%，143.05%和96.24%。

2.3 外源激素GA3和IAA對(duì)葉片端粒酶活性的影響

由圖3可知，CK葉片中端粒酶活性隨生長(zhǎng)天數(shù)的增加而逐漸降低，第0 d端粒酶活性最高，為14.92 IU·L-1，第15 d端粒酶活性較第0 d降低18.42%。外源GA3和IAA的噴施對(duì)老芒麥葉片端粒酶活性具有較大影響。30，75和150 mg·L-1的GA3以及30，75 mg·L-1的IAA處理均顯著提高了葉片第15 d的端粒酶活性，分別為12.83，13.62，13.27，14.09和12.85 IU·L-1，較CK提高5.42%，11.91%，9.04%，15.78%和5.59%。

2.4 主成分分析及綜合評(píng)價(jià)[19]

將累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%且方差特征值大于1的作為主成分，共提取了3個(gè)主成分(表2)，其特征值分別為7.306，2.717和2.111，貢獻(xiàn)率分別為56.200%，20.902%和16.241%，3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到93.343%，具有一定代表性。

第1主成分貢獻(xiàn)率較大的是葉長(zhǎng)、株高、MDA、葉綠體、地上生物量、葉面積、葉寬、POD和端粒酶活性，其中MDA、葉綠素和葉寬起反向作用，反映了老芒麥生長(zhǎng)發(fā)育過程中地上部形態(tài)特征、膜保護(hù)物質(zhì)的含量、葉綠素含量、抗氧化酶活性以及端粒酶活性的變化；第2主成分貢獻(xiàn)率較大的是SOD和莖粗，即為抗氧化酶和地上形態(tài)特征；第3主成分上可溶性蛋白和CAT的貢獻(xiàn)率較大，主要反映了老芒麥幼苗在生長(zhǎng)發(fā)育過程中滲透調(diào)節(jié)能力和細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶活性的大小。綜合3個(gè)主成分分析結(jié)果，地上部形態(tài)特征、生理特性以及端粒酶活性，均可作為評(píng)價(jià)各處理下老芒麥生長(zhǎng)發(fā)育狀況的綜合指標(biāo)。

圖2 不同濃度GA3和IAA對(duì)老芒麥葉片丙二醛和抗氧化酶活性的影響Fig.2 Effect of different concentrations of GA3 and IAA on malondialdehyde and antioxidant enzyme activities of E. sibiricus leaves

圖3 外源GA3和IAA對(duì)老芒麥葉片端粒酶活性的影響Fig.3 Effect of exogenous GA3 and IAA on telomerase activity of E. sibiricus leaves

根據(jù)不同處理下各主成分因子得分計(jì)算出綜合得分，再依據(jù)綜合得分情況對(duì)各處理進(jìn)行排序(表3)。排名前三的處理分別為150 mg·L-1GA3，75 mg·L-1GA3和30 mg·L-1GA3，其中150 mg·L-1GA3綜合得分2.045，CK排名最后，表明外源噴施GA3和IAA對(duì)老芒麥地上部生長(zhǎng)均有促進(jìn)作用，其中噴施濃度為150 mg·L-1的GA3效果最佳。

表2 各指標(biāo)主成分方差貢獻(xiàn)率及載荷矩陣Table 2 Principal component variance contribution and loading matrix for each indicator

表3 各指標(biāo)主成分因子得分及排序Table 3 Principal component factor scores and sorting for each indicator

3 討論

3.1 外源激素GA3和IAA對(duì)老芒麥地上生長(zhǎng)特性的影響

植物激素如赤霉素或生長(zhǎng)素等在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育的各種過程以及脅迫反應(yīng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。外源植物激素主要通過影響植物內(nèi)源激素的平衡，從而引起植株生長(zhǎng)和生理代謝活動(dòng)的變化[20]。研究表明一定濃度范圍內(nèi)的外源生長(zhǎng)素、赤霉素和細(xì)胞分裂素對(duì)于草種的發(fā)芽及幼苗的生長(zhǎng)均具有促進(jìn)作用[21-22]，通過比較不同濃度外源激素對(duì)農(nóng)藝性狀及生理特性的影響可篩選出有利于植物生長(zhǎng)發(fā)育最適宜的激素噴施濃度。研究表明，濃度為30 mg·L-1的GA3可提高谷子(Setariaitalica)的株高、葉面積、葉片數(shù)[23]，而0～40 mg·L-1GA3對(duì)無芒雀麥(Bromusinermis)農(nóng)藝性狀無明顯促進(jìn)作用，但10 mg·L-1對(duì)其種子產(chǎn)量具有顯著調(diào)控效果[24]。150 μg·g-1IAA是‘壩莜3號(hào)’種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的最適濃度[25]，30 mg·L-1IAA處理對(duì)老芒麥根系的直徑和根表面積有明顯促進(jìn)作用[26]。本研究表明，較高濃度的GA3(150 mg·L-1)和較低濃度IAA(30 mg·L-1)有利于老芒麥植株生長(zhǎng)和生物量的積累。這說明不同植物對(duì)不同外源激素的敏感度有很大的差異[27]。

3.2 外源激素GA3和IAA對(duì)老芒麥葉片生理特性的影響

3.3 外源激素GA3和IAA對(duì)老芒麥葉片端粒酶活性的影響

端粒酶在植物生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞增殖、DNA修復(fù)以及細(xì)胞凋亡過程中扮演著重要角色，植物的整個(gè)器官和組織在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，端粒酶的激活具有相當(dāng)大的變化，特別是在具有長(zhǎng)生命周期的物種中[32]，即端粒酶活性與細(xì)胞活動(dòng)相關(guān)[33]。研究指出，分化能力強(qiáng)的細(xì)胞和組織器官內(nèi)端粒酶活性較高[34]。本研究結(jié)果表明，除150 mg·L-1的IAA處理外，其它處理均顯著提高了第15 d的端粒酶活性，75 mg·L-1GA3和30 mg·L-1IAA處理的端粒酶活性增幅較大，說明該濃度外源GA3和IAA處理可以在老芒麥生長(zhǎng)發(fā)育到一定階段提高其葉片內(nèi)端粒酶活性，從而維持端粒穩(wěn)定性，甚至延緩葉片早衰。有研究發(fā)現(xiàn)：銀杏(Ginkgobiloba)只在生長(zhǎng)的早期階段表現(xiàn)出高的端粒酶活性，而在它的生命周期結(jié)束時(shí)，端粒酶是檢測(cè)不到的[35]，這反映出端粒酶的活性可能取決于葉片的生長(zhǎng)狀態(tài)。另外，本研究發(fā)現(xiàn)正常的生長(zhǎng)條件下，噴水處理10 d后，在MDA含量升高的情況下，端粒酶活性降低，依照上述理論，可能是葉片趨向衰老，端粒發(fā)生縮短，端粒酶活性必然減弱。一定濃度IAA和GA3處理后，可提高端粒酶活性，而MDA含量相應(yīng)降低，前人研究表明，細(xì)胞端粒酶活性的提高，可能是老芒麥在正常生命周期的代謝過程中伴隨的ROS發(fā)揮第二信使作用，通過調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)等使植物體內(nèi)各項(xiàng)活動(dòng)維持穩(wěn)定，端粒酶同時(shí)被激活，使染色體端粒長(zhǎng)度處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[36]；也可能部分ROS對(duì)端粒DNA造成損傷，而端粒酶被激活對(duì)其進(jìn)行損傷修復(fù)[37]。

4 結(jié)論

噴施一定濃度的外源GA3和IAA，能有效促進(jìn)老芒麥株高、葉長(zhǎng)、葉面積及地上生物量的積累，并在一定發(fā)育階段提高了葉片內(nèi)可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性以及端粒酶活性，減弱了膜脂過氧化作用，保證葉片各種代謝活動(dòng)正常運(yùn)行。綜合外源激素對(duì)老芒麥地上形態(tài)特征、生理特性和染色體端粒酶活性影響得出，噴施150 mg·L-1的GA3效果較佳。