強(qiáng)弱分蘗特性甘蔗品種的分蘗期光合產(chǎn)物分配差異

周慧文 梁容真 鄧宇馳 吳建明 閆海鋒，* 丘立杭，*

（1廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/農(nóng)業(yè)部甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣西甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西，南寧 530007；2廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西，南寧 530004）

甘蔗（Saccharumofficinarum）為禾本科甘蔗屬，是全球重要的糖料作物和可再生能源作物，被廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)［1-2］，其莖稈是糖分儲(chǔ)藏的重要“庫(kù)”器官。促進(jìn)甘蔗有效莖的形成，即促進(jìn)甘蔗分蘗及提高分蘗成莖的比例是甘蔗高產(chǎn)的有效途徑之一［3-4］。分蘗作為單子葉植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的一種特殊分枝特性［5］，與作物產(chǎn)量顯著相關(guān)，是衡量產(chǎn)量形成的重要農(nóng)藝性狀之一［6］。甘蔗分蘗習(xí)性與其他禾本科作物相似，涉及眾多內(nèi)外因素［6］，如適宜的種植密度可激發(fā)甘蔗最佳分蘗水平［7-8］；深耕深松種植能增加甘蔗地下部分蘗芽數(shù)和出苗率［9］；28～30 ℃是甘蔗分蘗的最佳環(huán)境溫度范圍，對(duì)分蘗有促進(jìn)作用，低于20 ℃則抑制分蘗［10］；施用有機(jī)肥可改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高微量物質(zhì)含量和土壤肥力，從而促進(jìn)分蘗［11-14］。甘蔗分蘗的調(diào)控也受諸多植物激素共同作用，乙烯利通過(guò)解除吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA）的頂端優(yōu)勢(shì)對(duì)側(cè)芽的抑制作用來(lái)促進(jìn)分蘗［15］；高濃度的內(nèi)源IAA和細(xì)胞分裂素（cytokinin，CTK）有助于甘蔗分蘗，IAA/脫落酸（abscisic acid，ABA）和玉米素核苷（trans-zeatin-riboside，ZRs）/ABA的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)分蘗發(fā)生和成莖至關(guān)重要［16］。

前期研究發(fā)現(xiàn)，弱光抑制甘蔗分蘗及成莖主要是由于低強(qiáng)度的光照改變了植株內(nèi)源激素含量及平衡，降低了甘蔗功能葉光合同化能力，無(wú)法為分蘗提供充足的物質(zhì)和能量［16］。同化能力較低會(huì)影響光合產(chǎn)物的合成及其向庫(kù)器官的轉(zhuǎn)運(yùn)能力［17］。

蔗糖是光合產(chǎn)物向庫(kù)器官輸送的主要形式［18］，蔗糖磷酸合酶（sucrose phosphate synthase，SPS）和蔗糖合酶（sucrose synthase，SS）是將光合中間產(chǎn)物磷酸丙糖催化成蔗糖的關(guān)鍵限速酶，這兩種酶的活性反映了光合產(chǎn)物的合成能力及其向庫(kù)器官的輸送能力［19］，借助13C 同位素示蹤技術(shù)能有效追溯光合產(chǎn)物在各生育期組織器官中的分配情況［20］。前人利用13C 標(biāo)記技術(shù)發(fā)現(xiàn)小麥主莖光合能力強(qiáng)弱可顯著影響分蘗發(fā)展成穗的數(shù)量［21］；應(yīng)用13C 同位素示蹤技術(shù)研究光合產(chǎn)物在蘋(píng)果（Maluspumila）［22-23］、楓香（Liquidambar formosana）和山烏桕（Sapiumdiscolar）［24］等作物中的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律，均獲得了良好的效果。然而，有關(guān)功能葉的同化能力及光合產(chǎn)物分配情況對(duì)甘蔗分蘗及其成莖影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究利用13C 同位素示蹤技術(shù)，結(jié)合相關(guān)生理指標(biāo)測(cè)定，探究強(qiáng)分蘗和弱分蘗特性甘蔗品種在不同分蘗時(shí)期的光合產(chǎn)物固定和分配規(guī)律，分析分蘗特性與光合同化能力和同化物分配動(dòng)態(tài)的相關(guān)性，以期為豐富甘蔗分蘗調(diào)控的理論內(nèi)涵和定向栽培調(diào)控甘蔗分蘗成莖提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在前期對(duì)甘蔗材料評(píng)價(jià)和篩選的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人研究結(jié)果［25-26］，選擇廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所選育的分蘗性強(qiáng)的甘蔗品種桂糖49 號(hào)（GT49）和分蘗性弱的甘蔗品系桂糖03-2112（GT03）為供試材料。于2021 年3 月10 日將材料種植于廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所試驗(yàn)場(chǎng)的溫室大棚，土壤理化性質(zhì)為：pH 值5.8，全氮含量0.81 g·kg-1，全磷0.44 g·kg-1，全鉀6.60 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)9.10 g·kg-1，堿解氮59.00 mg·kg-1，有效磷30.10 mg·kg-1，有效鉀65.00 mg·kg-1。GT49 與GT03 隔行相間種植，行長(zhǎng)7 m、行距1.2 m，均以每畝6 000 個(gè)芽的標(biāo)準(zhǔn)下種，施用750 kg·hm-2復(fù)合肥和150 kg·hm-2尿素作為基肥，地膜覆蓋，其他田間管理參照常規(guī)種植開(kāi)展。

1.2 甘蔗材料的13C示蹤處理和計(jì)算

分別于分蘗初期（T1，甘蔗生長(zhǎng)第50 天）、分蘗盛期（T2，甘蔗生長(zhǎng)第65天）和分蘗末期（T3，甘蔗生長(zhǎng)第80 天），在晴天早上9：00 選擇3 株長(zhǎng)勢(shì)相近的甘蔗主苗的第一片完全展開(kāi)葉進(jìn)行13C 標(biāo)記，標(biāo)記物選擇Na213CO（3豐度99atom%，武漢紐瑞德特種氣體有限公司），每株為1個(gè)重復(fù)。標(biāo)記前將裝有0.5 g Na213CO3粉末的小燒杯輕綁在即將標(biāo)記的植株上，用體積約500 mL的透明塑料薄膜將標(biāo)記葉與燒杯密封。分2次用醫(yī)用注射劑把50 mL 1 mol·L-1的鹽酸溶液倒入燒杯中，使之反應(yīng)完全。標(biāo)記4 h后撤掉薄膜，72 h后，將標(biāo)記的主苗和分蘗苗分別破壞性取樣，并用紙巾緩慢將材料表面塵土擦拭干凈后進(jìn)行風(fēng)干。樣品經(jīng)充分研磨粉碎后過(guò)100目篩，使用Elementar isoprime 100穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀（英國(guó)Isoprime 公司）檢測(cè)δ13C 值，各器官樣品中13C含量（mg）參照沙建川等［22］的方法計(jì)算。

1.3 農(nóng)藝性狀測(cè)定

在T1、T2 和T3 時(shí)期，分別測(cè)定供試品種主苗和分蘗苗的莖稈鮮重，將材料于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后于70 ℃恒溫烘干3 d，測(cè)定其干重。待分蘗結(jié)束時(shí)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量植株的莖稈大小，并統(tǒng)計(jì)其完整葉片數(shù)目，同時(shí)挖取甘蔗地下部，清洗干凈后對(duì)其地下部的分蘗芽進(jìn)行計(jì)數(shù)。按以下公式計(jì)算分蘗發(fā)生率和分蘗率：

分蘗發(fā)生率＝發(fā)生分蘗的植株數(shù)/總苗數(shù)×100%；

分蘗率=分蘗苗數(shù)/總苗數(shù)×100%。

1.4 生理指標(biāo)測(cè)定

隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的植株，分別采集T1、T2 和T3 時(shí)期主苗和分蘗苗頂端第一片完全展開(kāi)的功能葉，參照?？∑娴龋?9］的方法測(cè)定其蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）活性。同時(shí)，按照丘立杭等［16］的方法提取上述樣品的葉綠素，使用UV-1800 型紫外可見(jiàn)分光光度儀（日本島津公司）分別測(cè)定提取液在645和663 nm波長(zhǎng)下的吸光值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有指標(biāo)均按3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)和3 次技術(shù)重復(fù)進(jìn)行測(cè)定，采用Excel 2019 處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，Graphad Prism 8.0 軟件繪圖，差異顯著性檢驗(yàn)用最小顯著差異法（least significant difference，LSD），顯著性水平設(shè)為α=0.05。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 分蘗期農(nóng)藝性狀及地下芽特征分析

由圖1-A 可知，GT49（強(qiáng)分蘗力）與GT03（弱分蘗力）的分蘗發(fā)生率和分蘗率均隨分蘗進(jìn)程的推進(jìn)而增加，且3 個(gè)分蘗時(shí)期GT49 的分蘗發(fā)生率和分蘗率均顯著高于GT03?？梢?jiàn)，GT49 的分蘗特性顯著強(qiáng)于GT03。分蘗結(jié)束后（T3 之后）對(duì)甘蔗莖徑和葉片數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示（圖1-B），兩個(gè)品種主苗和分蘗苗的莖徑和葉片數(shù)均無(wú)顯著差異，表明兩者在庫(kù)-源器官的表型上相對(duì)一致。

圖1 分蘗期GT49和GT03的農(nóng)藝性狀Fig.1 The agronomic characters of GT49 and GT03 in tiller stage

由圖2 和圖3 可知，分蘗結(jié)束后，GT49 和GT03 的平均分蘗數(shù)與平均發(fā)芽數(shù)、單株最大芽數(shù)和最大分蘗數(shù)存在差異。其中，GT49 平均分蘗數(shù)顯著高于GT03。GT49 的單株最大分蘗數(shù)為7 個(gè)，高于GT03（2 個(gè)，圖2-B），平均發(fā)芽數(shù)表現(xiàn)則相反（圖2-A）。相關(guān)性分析表明（表1），GT49 的地上可見(jiàn)分蘗與地下芽數(shù)呈顯著正相關(guān)，而GT03地上可見(jiàn)分蘗與地下芽數(shù)的相關(guān)性系數(shù)僅為0.045，幾乎不存在相關(guān)性。

表1 可見(jiàn)分蘗與地下芽數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between aboveground visible tillers and the number of underground buds

圖2 分蘗期GT49和GT03的分蘗特性Fig.2 The number of underground buds in GT49和GT03

圖3 GT49和GT03的地下芽Fig.3 Underground buds of GT49 and GT03

由表2 可知，隨著分蘗進(jìn)程的推進(jìn)，GT49 與GT03主苗和分蘗苗的莖稈干重和鮮重均不斷增加。T1 和T2 時(shí)期，GT49 與GT03 間主苗和分蘗苗的莖稈生物量均無(wú)顯著差異，但T2 時(shí)期GT49 的單個(gè)分蘗重的鮮重顯著低于GT03。在T3 時(shí)期，GT03 主苗和單個(gè)分蘗重的鮮重均顯著高于GT49，分蘗苗生物量在品種間差異不顯著?？梢?jiàn)，在分蘗期，GT03 主苗的莖稈生長(zhǎng)發(fā)育較快，積累的生物量較GT49 大，但兩者分蘗苗的生物量卻無(wú)顯著差異，表明分蘗期不同品種分蘗個(gè)體的大小與甘蔗分蘗特性差異無(wú)關(guān)。

表2 分蘗期GT49和GT03主苗和分蘗苗生物量的變化Table 2 Biomass changes of GT49 and GT03 in tillering stage/g

2.2 分蘗期功能葉中葉綠素含量與SS、SPS 活性的差異

由表3 可知，隨著分蘗進(jìn)程的推進(jìn)，不同分蘗力品種主苗和分蘗苗功能葉中的葉綠素含量整體不斷增加。從分蘗進(jìn)程看，與分蘗苗相比，兩品種主苗的葉綠素含量在T1 和T2 時(shí)期整體顯著增加，而T3 時(shí)則基本無(wú)顯著差異。從品種表現(xiàn)看，主苗T1 時(shí)期GT49 主苗的葉綠素含量高于GT03，T2和T3時(shí)期GT03主苗的葉綠素含量高于GT49，但整體均無(wú)顯著差異，表明不同分蘗力甘蔗品種功能葉在不同分蘗期的光合能力無(wú)明顯差異。進(jìn)一步測(cè)定SS和SPS活性，結(jié)果表明（表4），整體上，主苗和分蘗苗的酶活性均隨分蘗進(jìn)程的推進(jìn)而增加，分蘗苗的酶活性增加更為明顯，在T3時(shí)期的酶活性已接近主苗。T1時(shí)期，不同分蘗力品種間功能葉的SS和SPS活性均無(wú)顯著差異，表明分蘗初期甘蔗的光合固定能力可能不受品種分蘗力影響；T2時(shí)期功能葉的SS活性在品種間也無(wú)顯著差異，但GT03 分蘗苗的SPS 活性顯著高于GT49；T3時(shí)期GT49和GT03間的SS活性仍無(wú)顯著差異，而GT03 主苗與分蘗苗的SPS 活性均顯著高于GT49。上述結(jié)果表明，分蘗力弱的甘蔗品種需要高活性的SPS來(lái)保障分蘗過(guò)程所需的光合同化物。

表3 分蘗期GT49和GT03主苗和分蘗苗葉綠素含量的變化Table 3 Chlorophyll content changes of GT49 and GT03 in tillering stage/（mg·g-1 FW）

表4 分蘗期GT49和GT03主苗和分蘗苗SS和SPS活性的變化Table 4 The activity changes of SS and SPS of GT49 and GT03 in tillering stage/（μmol·g-1·h-1）

2.3 分蘗期甘蔗光合產(chǎn)物分配的差異與相關(guān)性

光合產(chǎn)物同化和分配特點(diǎn)如表5 所示，整體上，隨著甘蔗分蘗進(jìn)程的推進(jìn)，植株逐漸成熟，主苗的13C 分配量也逐漸增加。分配給主苗和分蘗苗的13C 分配量之和在品種間無(wú)明顯差異，但T2 和T3 時(shí)期GT49的主苗13C 分配量顯著低于GT03。在分配動(dòng)態(tài)上，GT49 分蘗苗的分配比例隨分蘗進(jìn)程的推進(jìn)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在T1 和T3 時(shí)期，光合產(chǎn)物分配至分蘗苗的比例較低，T2時(shí)最高。GT03的分蘗苗的分配比例隨分蘗進(jìn)程的推進(jìn)呈逐步上升趨勢(shì)，在T3時(shí)期達(dá)到最高，但其在T1～T3的分配比例均顯著低于GT49。

表5 主苗和分蘗苗的13C光合產(chǎn)物同化分配特性Table 5 Distribution rate of 13C assimilate in seedling and tiller in tillering stage

由表6可知，甘蔗的分蘗率和分蘗發(fā)生率與分蘗苗的分配比例呈顯著或極顯著正相關(guān)，且分蘗盛期（T2）的相關(guān)性達(dá)極顯著。在分蘗前期（T1）和盛期（T2），分蘗率和分蘗發(fā)生率與分蘗苗13C分配量呈顯著正相關(guān)，在T3時(shí)期則無(wú)顯著相關(guān)性，可能是由后期分蘗趨近完成所致。主苗自留比例和主苗13C分配量與分蘗特性整體上呈負(fù)相關(guān)，其中主苗自留比例與分蘗特性在T2時(shí)期呈極顯著負(fù)相關(guān)，主苗自留比例和主苗13C分配量與分蘗特性在T2和T3時(shí)期均呈顯著負(fù)相關(guān)。上述結(jié)果表明，在分蘗的前期和中期，光合同化物向分蘗苗的分配量以及分配比例與品種的分蘗特性顯著相關(guān)。

表6 分蘗特性與13C分配率和13C分配量的相關(guān)性分析Table 6 Correlation coefficient between tiller characteristics and 13C distribution rate and the amount of 13C distribution

3 討論

3.1 地下芽數(shù)與分蘗特性的關(guān)系

甘蔗品種分蘗特性的強(qiáng)弱極大程度受品種特性影響，分蘗特性強(qiáng)的品種宿根性好，蔗芽萌發(fā)速度快且多［25］。有研究認(rèn)為，造成品種間分蘗特性差異的原因與地下芽數(shù)有關(guān)，地下芽數(shù)越多，分蘗特性越強(qiáng)，地下芽數(shù)少則分蘗少［27］。也有研究認(rèn)為，分蘗特性與芽點(diǎn)著生在蔗根上的位置有關(guān)，高位芽易出苗，但易受損，因此后期生長(zhǎng)狀況不佳［28］。本研究結(jié)果與前人研究部分一致［27］，對(duì)于強(qiáng)分蘗品種GT49 來(lái)說(shuō)，地上部分分蘗水平與地下芽數(shù)呈顯著正相關(guān)，地下芽數(shù)越多，分蘗特性越強(qiáng)；而弱分蘗品種GT03地下芽數(shù)與地上分蘗數(shù)之間幾乎不存在相關(guān)性（表1），在地下芽數(shù)顯著高于強(qiáng)分蘗特性GT49的情況下，分蘗率卻顯著低于GT49，造成這種矛盾現(xiàn)象的原因可能是由不同分蘗力甘蔗品種的光合產(chǎn)物分配能力差異所致。

3.2 光合同化及其產(chǎn)物分配與分蘗特性的關(guān)系

作物光合同化物在分蘗的分配量過(guò)低時(shí)，對(duì)分蘗發(fā)育有負(fù)面影響［22］。高分蘗小麥主莖轉(zhuǎn)運(yùn)給分蘗莖的光合產(chǎn)物顯著高于低分蘗小麥?zhǔn)怯绊懫浞痔Y發(fā)生率的重要原因之一［29］。主莖與分蘗還存在非對(duì)稱(chēng)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系［30］，主莖干物質(zhì)積累量大在一定程度上會(huì)影響分蘗發(fā)育［31］。本研究結(jié)果顯示，弱分蘗特性品種GT03主苗的生物量和13C 分配量顯著高于GT49，強(qiáng)分蘗品種GT49的主苗能將光合產(chǎn)物更多地分配至分蘗苗中，使之用于地下芽發(fā)育成分蘗苗的光合產(chǎn)物較GT03多，因此GT49分蘗特性顯著強(qiáng)于GT03。進(jìn)一步的相關(guān)性分析結(jié)果也表明，在分蘗前期和中期，分蘗苗的13C分配量和分配比例會(huì)影響甘蔗的分蘗特性（表6），即甘蔗分蘗特性的強(qiáng)弱受分蘗期主苗向分蘗苗分配的光合產(chǎn)物量的影響。

光合產(chǎn)物的主要輸出形式是蔗糖，它不僅是重要的能源物質(zhì)，還是植物重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子。前人研究證明了蔗糖是影響植物分枝/分蘗的重要因素［32-34］；缺失編碼蔗糖合成的關(guān)鍵酶會(huì)導(dǎo)致分蘗芽伸長(zhǎng)受抑制［35］。蔗糖可通過(guò)介導(dǎo)細(xì)胞分裂素途徑［34］、獨(dú)腳金內(nèi)酯途徑［33］、生長(zhǎng)素［36］等多途徑影響作物分枝/分蘗。SS 與SPS 是影響蔗糖合成的關(guān)鍵酶［17］。在本研究中，SS 與SPS 活性在品種間差異不顯著，說(shuō)明GT49 和GT03 的蔗糖合成能力相近。據(jù)此推測(cè)，GT49 分蘗性較GT03 強(qiáng)的原因可能是有更多的光合產(chǎn)物從主苗分配至分蘗芽以提供分蘗形態(tài)建成所需的物質(zhì)和能量，同時(shí)，蔗糖作為重要的信號(hào)分子激活了分蘗相關(guān)的下游調(diào)控基因和通路，促進(jìn)了甘蔗分蘗芽的生長(zhǎng)發(fā)育。然而，蔗糖通過(guò)何種信號(hào)通路影響甘蔗分蘗的分子調(diào)控機(jī)制尚需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，強(qiáng)分蘗品種（GT49）和弱分蘗品種（GT03）間的光合產(chǎn)物的分配規(guī)律存在差異，強(qiáng)分蘗特性品種的主莖能更多地將光合產(chǎn)物分配至分蘗芽，弱分蘗特性品種反之。在T1、T2和T3分蘗期間，GT49和GT03 的13C 分配量無(wú)顯著差異，但GT03 的13C 自留量顯著高于GT49，且其分配至分蘗苗的13C 分配比例均顯著低于同期GT49。此外，甘蔗分蘗率和分蘗發(fā)生率與分蘗苗13C 分配量與分配比例整體呈顯著或極顯著正相關(guān)，T2 時(shí)的相關(guān)系數(shù)最大。由此可見(jiàn)，甘蔗分蘗特性與光合產(chǎn)物分配至分蘗苗的同化物的量和比例密切相關(guān)。