光調(diào)控香草蘭花芽分化的生理機(jī)制初探

王 怡，張何信，浦同華，莊輝發(fā),3，邢詒彰,3，王 輝*

[1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所，海南萬(wàn)寧 571533；2.海南省林業(yè)科學(xué)研究院（海南省紅樹林研究院），海南?？?571100；3.海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南萬(wàn)寧571533]

香草蘭（Vanilla planifoliaAndrews）又名香子蘭、香莢蘭，原產(chǎn)于熱帶雨林，是蘭科香莢蘭屬的多年生熱帶攀援藤本香料植物，因其用途廣泛，在醫(yī)藥、保健等行業(yè)具有極高的關(guān)注度[1]。目前，香草蘭花芽分化率低是生產(chǎn)中亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。遮陰會(huì)降低光合速率并改變光譜質(zhì)量，影響植物的光合作用和光形態(tài)建成[2]。碳水化合物是一種結(jié)構(gòu)物質(zhì)，同時(shí)也是能量供給源，其積累與花芽的分化密切相關(guān)，對(duì)花芽分化起著重要作用[3]?；诖?，部分學(xué)者開展了遮陰影響香草蘭花芽分化及碳水化合物變化的研究[4-5]。筆者在探討光合誘導(dǎo)特性的基礎(chǔ)上，深入開展遮陰對(duì)碳水化合物合成和相關(guān)酶活性的影響研究，旨在進(jìn)一步探明光調(diào)控香草蘭花芽分化的生理機(jī)制，為提高香草蘭花芽分化率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所高龍?jiān)囼?yàn)基地（東經(jīng)110°10′，北緯18°41′）。試驗(yàn)地土壤為磚紅壤，有機(jī)質(zhì)含量為18 g·kg-1，土壤肥力中等，年平均氣溫24.0 ℃，年降水量2400 mm。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用香草蘭品種為熱引3 號(hào)香草蘭，蔭蔽條件下露地栽培。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

香草蘭全光照條件下無(wú)法生長(zhǎng)，無(wú)實(shí)際生產(chǎn)意義，故未設(shè)0%（全光照）對(duì)照。遮陰處理設(shè)50%、75%、90%（皆為遮光度）3 個(gè)水平，3 種處理均由同一種遮陽(yáng)網(wǎng)疊加而成，各處理統(tǒng)一進(jìn)行肥水、雜草和病蟲害等管理。于2020 年12 月22 日進(jìn)行換網(wǎng)遮陰處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 取樣

在花芽分化階段，作為生長(zhǎng)中心的芽體與距離其最近的健康葉片間有較強(qiáng)的庫(kù)源關(guān)系，是光合產(chǎn)物與礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的分配中心[6]。因此，選擇生長(zhǎng)良好且相對(duì)穩(wěn)定的香草蘭植株，在花芽分化的各個(gè)階段，選取最接近芽體的健康葉作為芽體功能葉，并在芽體功能葉處做標(biāo)記，每個(gè)重復(fù)標(biāo)記40株。

從2021 年2 月底開始，每隔15 d 選擇晴天采集1次標(biāo)記葉片，取樣時(shí)期分別為花芽特征分化期、花芽分化初期（Ⅰ）；花芽分化中期、花序分化初期（Ⅱ）；花序分化中期、花分化初期（Ⅲ）3 個(gè)階段。每次采集葉片剪去先端和基部后，將葉片中部用鋁箔包好在液氮中固定20 min，用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室。放入-80 ℃超低溫冰箱中保存待用，實(shí)驗(yàn)前粉碎后混勻。

1.4.2 測(cè)定

1）光誘導(dǎo)特性測(cè)定。在大約25 ℃的大氣空氣條件，使用Dual-PAM-100 測(cè)定系統(tǒng)（Heinz Walz，Effeltrich，德國(guó)）活體測(cè)量。2）SS、SPS 活性測(cè)定。稱取0.1 g 鮮葉于2 mL 離心管中，用高通量組織研磨機(jī)粉碎，加入1 mL提取液勻漿，8000 r·min-1、4 ℃離心10 min，取上清液采用試劑盒測(cè)定。3）在開花中后期，統(tǒng)計(jì)標(biāo)記莖段的葉芽數(shù)和花芽數(shù)，計(jì)算各重復(fù)平均花芽分化率及總芽數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

以可溶性糖與淀粉含量之和作為非結(jié)構(gòu)性碳水化合物總量。利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，利用Origin 9.1軟件整理數(shù)據(jù)及制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)光誘導(dǎo)特性的影響

如圖1 所示，在光照強(qiáng)度增加后，光系統(tǒng)II 電子傳遞速率（ETRII）隨著時(shí)間的推移逐漸增加，在240～360 s 內(nèi)迅速增加到最大值的95%，其中90%遮光度處理?xiàng)l件下所需時(shí)間最短且ETRII 最高，但各處理差異不顯著（p＞0.05，下同）。

圖1 不同遮陰處理下香草蘭葉片光反應(yīng)中心電子傳遞速率的變化

2.2 對(duì)可溶性糖含量的影響

香草蘭花芽分化不同時(shí)期葉片中可溶性糖的含量差異顯著（p＜0.05，下同），可溶性糖含量在前期大量積累，中期顯著降低，后期又逐漸積累。前期（Ⅰ），50%和90%遮光度處理顯著增加了功能葉中可溶性糖含量；中期（Ⅱ），90%遮光度處理可溶性糖含量達(dá)3.15 mg·g-1(FW)，顯著高于75%遮光度處理；后期（Ⅲ），90%遮光度處理可溶性糖含量最高，且顯著高于50%和75%遮光度處理（見圖2）。總體上，在香草蘭花芽分化期，90%遮光度處理可溶性糖含量最高，達(dá)4.00 mg·g-1(FW)，50%遮光度處理次之，75%遮光度處理最低（見表1）。

表1 不同遮陰處理下香草蘭葉片糖類含量

圖2 不同遮陰處理下香草蘭葉片可溶性糖含量動(dòng)態(tài)

2.3 對(duì)蔗糖含量的影響

如圖3 所示，香草蘭花芽分化前期的蔗糖含量顯著高于中、后期，隨著花芽孕育，蔗糖明顯被消耗后又顯著上升，大量積累。前期（Ⅰ），90%遮陰處理下香草蘭功能葉中蔗糖含量達(dá)7.04 mg·g-1(FW)，顯著高于75%遮陰處理；中期（Ⅱ），75%遮陰處理蔗糖含量略高于90%遮陰處理，顯著高于50%遮陰處理。如表1所示，90%遮陰處理下蔗糖總體含量最高。

圖3 不同遮陰處理下香草蘭葉片蔗糖含量動(dòng)態(tài)

2.4 對(duì)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物總量的影響

如圖4所示，前期（Ⅰ），各處理?xiàng)l件下葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物大量積累，50%遮陰處理最高，達(dá)9.72 mg·g-1(FW)，比75%遮陰處理提高了20.15%；中期（Ⅱ），50%遮陰處理非結(jié)構(gòu)性碳水化合物總量最低；后期（Ⅲ），非結(jié)構(gòu)性碳水化合物總量在90%遮陰處理下最高，顯著高于50%和75%遮陰處理?？傮w上，香草蘭花芽分化期間芽體功能葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量依次為90%＞50%＞75%，90%遮陰處理顯著高于75%遮陰處理（見表1）。

圖4 不同遮陰處理下香草蘭葉片碳水化合物總量動(dòng)態(tài)

2.5 對(duì)蔗糖合成酶（SS）活性及蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性的影響

如表2 所示，各處理SS 活性動(dòng)態(tài)變化趨于一致，在花芽分化后期急劇提高，前期以50%遮光度處理下SS 活性最高；中期以90% 遮光度處理最高，為817.36μg·g-1·min-1(FW)；分化后期，50%遮光度處理最高，比75%和90%遮光度處理分別高18.41%和11.17%。如表3 所示，75%和90%遮光度處理下，芽體功能葉中SPS 活性動(dòng)態(tài)一致，在前期達(dá)最大值，隨花芽生長(zhǎng)發(fā)育又逐漸降低；而50%遮光度處理下，在分化中期達(dá)到最大值，且高于其他處理，而后急劇降低。

表2 不同時(shí)期和遮陰處理下香草蘭葉片蔗糖合成酶活性

表3 不同時(shí)期和遮陰處理下香草蘭葉片蔗糖磷酸合成酶活性

2.6 對(duì)花芽分化的影響

如表4 所示，50%遮光度處理下香草蘭總芽數(shù)顯著高于75%和90%遮光度處理；50%遮光度處理下花芽分化率達(dá)62.20%，比75%和90%遮光度處理分別高出24.58和60.53個(gè)百分點(diǎn)。

表4 不同遮陰處理下香草蘭葉片糖類含量

3 結(jié)論與討論

在花芽萌發(fā)和花器官形成中，高含量的可溶性糖可促進(jìn)花芽分化。同樣，香草蘭花芽分化期間，需要大量可溶性糖和淀粉維持花芽生長(zhǎng)發(fā)育，花芽發(fā)育的速度也由可溶性糖和淀粉含量的高低決定。光照對(duì)植物體內(nèi)碳水化合物積累有所影響，遮陰有利于蔗糖積累，從而為植物體生長(zhǎng)發(fā)育提供充足物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)其成花。本研究表明，遮陰處理影響了香草蘭功能葉中的碳水化合物積累和相關(guān)代謝酶活性，其均與花芽分化表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。在50%和90%遮光度處理下，香草蘭葉片非結(jié)構(gòu)性碳水化合物總量均高于75%，可更好地為花芽分化提供能量，促進(jìn)成花；但75%遮光度下花芽分化率顯著高于90%，具體原因需進(jìn)一步探討。

蔗糖的合成與輸出是植物成熟葉片的主要功能，SS 和SPS 協(xié)同調(diào)控植物體內(nèi)碳水化合物的積累和分配。目前，大部分研究顯示SPS 活性與蔗糖含量存在正相關(guān)關(guān)系，而與淀粉含量呈負(fù)相關(guān)；SS活性對(duì)蔗糖積累有正效應(yīng)，與淀粉含量負(fù)相關(guān)[7]。本實(shí)驗(yàn)中，SS與蔗糖含量正向相關(guān)，影響了植株的蔗糖積累，與相對(duì)淀粉含量正相關(guān)，調(diào)節(jié)碳同化產(chǎn)物在蔗糖和淀粉之間的分配。

綜上，香草蘭作為景天酸代謝（CAM）植物，在光照強(qiáng)度增加后，ETRII 在240～360 s 內(nèi)迅速增加到最大值的95%，這說(shuō)明其表現(xiàn)出快速的光合誘導(dǎo)，90%遮光度處理?xiàng)l件下蘋果酸相對(duì)更充足，會(huì)快速脫羧蘋果酸；50%和90%遮光度下能提高香草蘭功能葉中的碳水化合物，但90%遮光度在一定程度上抑制了香草蘭花芽分化，從而降低其花芽分化率。碳水化合物的積累雖為花芽分化所需，適宜的碳水化合物對(duì)植物花芽分化有重要作用，但高含量的碳水化合物則不一定導(dǎo)致成花，這與孫敏研究結(jié)果一致[8]。在75%遮光度下香草蘭總芽數(shù)及花芽分化率相對(duì)較高，有利于香草蘭產(chǎn)量提高和植株發(fā)育。