張巧玉張 睿劉朝輝田曉莉,*中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物化控研究中心, 北京0093;中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物科學(xué)系, 北京0093

缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下應(yīng)用嫁接技術(shù)研究根-冠互作對(duì)棉花下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的影響

張巧玉1張 睿1劉朝輝2,*田曉莉1,*
1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院作物化控研究中心, 北京100193;2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物科學(xué)系, 北京100193

缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下, 根-冠互作對(duì)棉花葉片早衰的調(diào)節(jié)包括地上部主導(dǎo)型和根系主導(dǎo)型。本研究主要觀察缺鉀條件下2種根-冠互作類(lèi)型單接穗單砧木(I型)和雙接穗單砧木(Y型)嫁接接穗下胚軸的解剖結(jié)構(gòu), 并判斷其與下胚軸木質(zhì)部中CTK和ABA的流量是否有關(guān)。結(jié)果表明, 地上部主導(dǎo)型I型嫁接接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)與砧木品種更為相似, 與其木質(zhì)部CTK和ABA的流量主要受地上部調(diào)節(jié)不符; Y型嫁接2個(gè)不同品種接穗之間下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的差異與其木質(zhì)部CTK和ABA流量的差異雖然具有相關(guān)性, 但可能是一種伴生現(xiàn)象。根系主導(dǎo)型I型嫁接砧木對(duì)接穗的影響很大, 但這與砧木對(duì)接穗下胚軸木質(zhì)部CTK和ABA流量的調(diào)節(jié)可能也是一種伴生現(xiàn)象; Y型嫁接2個(gè)不同接穗之間下胚軸解剖結(jié)構(gòu)差異較大, 與二者之間 CTK和 ABA流量無(wú)顯著差異的結(jié)果不符。因此, 棉花葉片早衰 2種根-冠互作類(lèi)型接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)與其木質(zhì)部中CTK和ABA的流量無(wú)關(guān)。此外, 無(wú)論是地上部主導(dǎo)型還是根系主導(dǎo)型, 2個(gè)品種自身嫁接的接穗下胚軸結(jié)構(gòu)差異在Y型嫁接與I型嫁接中不一致, 可能與Y型嫁接的2個(gè)接穗之間存在冠-冠互作有關(guān)。

棉花; 嫁接; 根-冠互作; 下胚軸; 解剖結(jié)構(gòu)

嫁接是一種古老的植物無(wú)性繁殖技術(shù), 廣泛應(yīng)用于果樹(shù)生產(chǎn), 最近幾十年也用于蔬菜作物。此外,嫁接也是研究植物根-冠互作和長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)挠行侄巍?duì)缺鉀敏感、衰老較快的棉花品種中棉所 41 (CCRI41, 簡(jiǎn)稱(chēng) C41)分別與對(duì)缺鉀敏感性低、衰老較慢的棉花品種魯棉研22 (SCRC22, 簡(jiǎn)稱(chēng)S22)和中棉所49 (CCRI49, 簡(jiǎn)稱(chēng)C49)嫁接, 結(jié)果表明在缺鉀誘導(dǎo)早衰的條件下根-冠互作對(duì)棉花葉片衰老的調(diào)節(jié)具有多樣性, 可分為地上部主導(dǎo)型(C41與S22組合)[1-2]和根系主導(dǎo)型(C41和C49組合)[3]。地上部主導(dǎo)型的葉片早衰(以光合速率和葉綠素含量表征)受接穗的影響比較大, 部分機(jī)制可能是因?yàn)榻铀雽?duì)其下胚軸木質(zhì)部細(xì)胞分裂素(CTK、ZR+Z和iPA+iP)和脫落酸(ABA)的流量影響較大[2]。根系主導(dǎo)型的砧木則對(duì)葉片早衰和接穗下胚軸木質(zhì)部CTK及ABA的流量影響比較大[3]。

對(duì)蘋(píng)果[4]、桃[5]、甜櫻桃[6]、葡萄[7]、柑橘[8]等果樹(shù)的研究表明, 砧木控制接穗生長(zhǎng)(樹(shù)體大小)的機(jī)制之一是影響接穗木質(zhì)部的輸導(dǎo)能力, 如導(dǎo)管數(shù)量、直徑和密度等。但就棉花葉片早衰而言, 無(wú)論是地上部主導(dǎo)型的接穗還是根系主導(dǎo)型的砧木, 對(duì)接穗下胚軸木質(zhì)部CTK和ABA流量的影響與下胚軸木質(zhì)部輸導(dǎo)能力可能無(wú)直接聯(lián)系, 因?yàn)樗鼈儗?duì)CTK和ABA流量的影響是相反的。如C41 (在地上部主導(dǎo)型組合中作為接穗, 在根系主導(dǎo)型組合中作為砧木)降低CTK流量但提高ABA流量, S22 (在地上部主導(dǎo)型組合中作為接穗)和 C49 (在根系主導(dǎo)型組合中作為砧木)提高CTK流量但降低ABA流量[2-3]。

在缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下, Wang等[2]對(duì)下胚軸木質(zhì)部CTK和ABA流量的測(cè)定及楊志威[9]從砧木引入14C-ZR的研究均表明, 地上部主導(dǎo)型(C41和S22組合)的接穗下胚軸可能具有較強(qiáng)的CTK和ABA合成、代謝或橫向運(yùn)輸能力; 根系主導(dǎo)型(C41和 C49組合)的接穗下胚軸木質(zhì)部則可能主要輸導(dǎo)來(lái)自根系的CTK和ABA[3,9]。已知CTK合成基因AtIPT3[10]、運(yùn)輸基因 AtABCG14[11-12]和 ABA 合成基因AtNCED3[13]、AtABA2[14]、AtAAO3[15]及運(yùn)輸基因AtABCG25[16]均主要在植物的維管系統(tǒng)中表達(dá), 其中 AtABCG14[11-12]、AtABA2[14]和 AtAAO3[15]可在下胚軸的維管系統(tǒng)中表達(dá)。此外, 棉花下胚軸韌皮部中(韌皮部+皮層)的CTK合成基因GhIPT (與AtIPT3同源性為55%)和運(yùn)輸基因GhPUP (與AtPUP2同源性為 55%)表達(dá)量高于木質(zhì)部, 而木質(zhì)部中(木質(zhì)部+髓)的ABA合成基因GhNCED (與AtNCED3同源性為66%)、活化基因GhBG (與AtBG1同源性為52%)和運(yùn)輸基因GhABCG (與AtABCG25同源性為64%)表達(dá)量高于韌皮部[17]。

本文以C41、S22和C49為材料, 分別進(jìn)行單接穗單砧木(I型)和雙接穗單砧木(Y型)嫁接, 在低鉀(0.03 mmol L–1K+)脅迫下誘導(dǎo)葉片早衰, 主要觀察接穗和砧木下胚軸木質(zhì)部和韌皮部的厚度、木質(zhì)部管狀分子、韌皮部篩管和伴胞、薄壁細(xì)胞及其活性(是否發(fā)生細(xì)胞壁次生加厚且木質(zhì)化, 簡(jiǎn)稱(chēng)薄壁細(xì)胞硬化程度)和橫向運(yùn)輸組分(木質(zhì)部和韌皮部射線)等,旨在探明棉花葉片早衰不同根-冠互作類(lèi)型對(duì)下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的影響, 并判斷接穗下胚軸的解剖結(jié)構(gòu)與其木質(zhì)部汁液中CTK和ABA的流量是否有關(guān)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料的培養(yǎng)

供試材料為C41、S22和C49, 種子由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所和山東棉花研究中心提供。于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)光照培養(yǎng)室進(jìn)行試驗(yàn), 光照強(qiáng)度為 500 μmol cm–2s–1, 光照/黑暗時(shí)間為14 h/10 h, 晝/夜溫度為(28±2)℃/(22±2)℃, 相對(duì)濕度為 70%～80%。種子經(jīng)10%雙氧水消毒15 min并清洗數(shù)遍后, 置去離子水中浸種24 h, 露白后播于不含K+的沙床, 出苗2 d后轉(zhuǎn)移至 K+濃度為 0.1 mmol L–1的 1/2改良Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)。

1.2 嫁接處理

參照李博等[18]的方法, 對(duì)地上部主導(dǎo)型(C41和S22組合)和根系主導(dǎo)型(C41和C49組合)分別進(jìn)行I型(接穗/砧木)和Y型(接穗+接穗/砧木)嫁接(圖1)。I型嫁接采用劈接法, 用雙面刀片將接穗切成楔形,垂直插入砧木下胚軸長(zhǎng)約1.0～1.5 cm的切口中, 然后用石蠟封口膜(Parafilm, USA)包裹固定。Y型嫁接是將 2個(gè)接穗下部均切削成楔形, 等高并排插入砧木下胚軸切口內(nèi), 然后用封口膜層層纏緊。嫁接結(jié)束后將嫁接苗置刺有若干小孔的保鮮袋內(nèi)(注意避免葉片與保鮮袋直接接觸), 放在光強(qiáng)為 80～100 μmol cm-2s-1、晝夜溫度為29℃/20℃的條件下緩苗, 5 d后揭掉保鮮袋, 7 d后移至600 μmol cm-2s-1光強(qiáng)下開(kāi)始低鉀(0.03 mmol L–1K+)脅迫。

圖1 I型(接穗/砧木)和Y型(接穗+接穗/砧木)嫁接示意圖Fig. 1 Schema of I type graft (one scion grafted onto one rootstock) and Y type graft (two scions grafted onto one rootstock)

1.3 石蠟切片

嫁接苗成活后4周, 在距嫁接位點(diǎn)1.0 cm以外分別切取砧木和接穗0.5 cm長(zhǎng)的下胚軸, 投入FAA固定液中, 真空泵抽氣5 min。經(jīng)系列乙醇脫水、二甲苯透明和石蠟包埋后, 利用 RM2016石蠟切片機(jī)(徠卡儀器有限公司, 上海)橫切包埋的下胚軸, 切片厚度10 μm, 切片經(jīng)粘片、脫蠟、番紅-固綠對(duì)染、中性樹(shù)膠封片等常規(guī)石蠟制片處理制作成永久制片,采用配備 DP72 CCD的 Olympus BX51顯微鏡(Tokyo, Japan)觀察和照相。

1.4 切片觀察及測(cè)量

將制好的切片在20×、50×更好觀察完整下胚軸結(jié)構(gòu), 根據(jù)標(biāo)尺長(zhǎng)度, 使用Image J軟件Measure長(zhǎng)度測(cè)量功能測(cè)量髓部、木質(zhì)部、韌皮部、皮層+表皮厚度和下胚軸半徑。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

選擇每處理 3株代表性植株進(jìn)行下胚軸制片,在 20×下觀察后每株選一張切片照相和測(cè)量, 利用SPSS Statistics 17.0.2 (IBM, 2009)的一般線性模型(general linear model procedure, GLM)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析, 用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 砧木下胚軸解剖結(jié)構(gòu)

無(wú)論是地上部主導(dǎo)型還是根系主導(dǎo)型, 無(wú)論是I型嫁接還是Y型嫁接, 缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下接穗對(duì)砧木下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的影響均很小(圖片未給出)。

2.2 I型嫁接接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)

2.2.1 地上部主導(dǎo)型(C41和 S22組合) 缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下, 2個(gè)品種自身嫁接接穗的下胚軸半徑相似, 但下胚軸各部位厚度有差異, C41的髓部比較厚, S22的皮層+表皮比較厚, 二者木質(zhì)部和韌皮部厚度相同(圖 2-A, D; 表 1)。從圖 2還可看出, 與S22/S22相比, C41/C41接穗木質(zhì)部靠近形成層的薄壁細(xì)胞數(shù)量多、早期形成的薄壁細(xì)胞硬化程度高、大口徑管狀分子多, 韌皮部差異不大, 但韌皮纖維量較多、韌皮纖維口徑小、壁較厚, 維管射線(包括木射線和韌皮射線)整體口徑較寬(圖2-E, H)。

C41/S22與 C41/C41相比, 或 S22/C41與S22/S22相比, 砧木改變后對(duì)接穗的髓部或皮層+表皮厚度有顯著影響, 但對(duì)木質(zhì)部和韌皮部厚度影響不大(圖2和表1)。進(jìn)一步觀察木質(zhì)部和韌皮部的組織結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)與C41/C41相比, S22作為砧木使C41接穗下胚軸木質(zhì)部早期形成的薄壁細(xì)胞硬化程度減輕、韌皮部有輸導(dǎo)功能的組分(篩管+伴胞)增加、纖維細(xì)胞減少、韌皮纖維口徑變小壁增厚(圖 2-G, H),因此 C41/S22的接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)總體上與S22/S22接穗更為相近(圖2-A, C)。與S22/S22相比, C41作為砧木使 S22接穗下胚軸木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的硬化程度明顯增加、大口徑射線增多、小口徑管狀分子減少、大口徑管狀分子增加, 使韌皮部有輸導(dǎo)能力的部位變薄、有輸導(dǎo)功能的韌皮部組份減少、韌皮纖維量增加(圖2-E, F)。S22/C41的接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)總體上與C41/C41接穗相近(圖2-B, D)。

2.2.2 根系主導(dǎo)型(C41和 C49組合) 缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下, 2個(gè)品種自身嫁接接穗下胚軸差異較大, C49的皮層薄于C41、髓部小于C41, 但木質(zhì)部和韌皮部均顯著厚于 C41, 且木質(zhì)部的管狀分子(尤其是大口徑管狀分子)和韌皮部中的韌皮纖維量明顯多于C41 (圖3-A, D)。此外, C49韌皮部的大口徑射線少于C41。

C41/C49與 C41/C41相比, 或 C49/C41與C49/C49相比, 可看出砧木顯著影響接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)(圖3和表2)。C49作為砧木增加了C41接穗的木質(zhì)部和韌皮部厚度, 但其髓部變小、皮層變薄(圖3-C, D)。C41作為砧木顯著減小了C49接穗下胚軸的木質(zhì)部和韌皮部厚度, 對(duì)髓部影響不大, 皮層+表皮有所增厚(圖3-A, B)。進(jìn)一步觀察木質(zhì)部和韌皮部的組織結(jié)構(gòu), 發(fā)現(xiàn)與 C41自身嫁接相比, C49作為砧木大幅增加了C41接穗下胚軸木質(zhì)部的管狀分子和薄壁細(xì)胞, 韌皮部中的韌皮纖維量也明顯增多,大口徑射線量減少(圖3-G, H)。C41/C49接穗下胚軸的解剖結(jié)構(gòu)總體上與C49/C49接穗相似(圖3-A, C)。與C49自身嫁接相比, C41作為砧木使C49接穗木質(zhì)部管狀分子和薄壁細(xì)胞大幅減少, 使下胚軸韌皮部大口徑的射線增加、韌皮纖維減少(圖 3-E, F)。C49/C41接穗下胚軸的解剖結(jié)構(gòu)與C41/C41接穗基本相同(圖3-B, D)。

圖2 棉花葉片早衰地上部主導(dǎo)型(中棉所41與魯棉研22組合)I型嫁接(接穗/砧木)接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)Fig. 2 Anatomy of scion hypocotyl in I type grafts (one scion grafted onto one rootstock, scion/rootstock) of shoot-dominated pattern (CCRI41 and SCRC22 combination) regarding cotton leaf premature senescence

表1 棉花葉片早衰地上部主導(dǎo)型(中棉所41與魯棉研22組合) I型嫁接接穗下胚軸各部分厚度及下胚軸半徑Table 1 Thickness of each tissue in cross section of scion hypocotyl and radius of scion hypocotyl in I type grafts (one scion grafted onto one rootstock, scion/rootstock) of shoot-dominated pattern (CCRI41 and SCRC22 combination) regarding cotton leaf premature senescence (μm)

表2 棉花葉片早衰根系主導(dǎo)型(中棉所41與中棉所49組合)I型嫁接接穗下胚軸各部分厚度及下胚軸半徑Table 2 Thickness of each tissue in cross section of scion hypocotyl and radius of scion hypocotyl in I type grafts (one scion grafted onto one rootstock, scion/rootstock) of root-dominated pattern (CCRI41 and CCRI49 combination) regarding cotton leaf premature senescence (μm)

2.3 Y型嫁接接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)

2.3.1 地上部主導(dǎo)型(C41和 S22組合) 缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下, C41自身嫁接(C41+C41/C41)與 S22自身嫁接(S22+S22/S22)相比, 接穗下胚軸半徑相差不大, 但C41的韌皮部較厚、韌皮部射線較粗, S22木質(zhì)部的管狀分子則比較多(圖4和表3)。此外, 無(wú)論砧木為何品種, 互相嫁接 2個(gè)不同品種接穗的半徑、木質(zhì)部和韌皮部厚度、木質(zhì)部管狀分子均小于(少于)或顯著小于(少于)自身嫁接(圖4和表3), 提示Y型嫁接 2個(gè)不同品種的接穗之間存在互相抑制作用。比較互相嫁接處理的2個(gè)接穗, 可見(jiàn)S22接穗下胚軸半徑、木質(zhì)部和韌皮部厚度(砧木為S22時(shí)除外)及木質(zhì)部管狀分子和薄壁細(xì)胞數(shù)量大于或多于C41接穗(圖 4-C～F; 表 3), 且這種差異與砧木品種關(guān)系不大。

圖3 棉花葉片早衰根系主導(dǎo)型(中棉所41與中棉所49組合) I型嫁接(接穗/砧木)接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)Fig. 3 Anatomy of scion hypocotyl in I type grafts (one scion grafted onto one rootstock, scion/rootstock) of root-dominated pattern (CCRI41 and CCRI49 combination) regarding cotton leaf premature senescence

表3 棉花葉片早衰地上部主導(dǎo)型(中棉所41與魯棉研22組合)Y型嫁接接穗下胚軸各部分厚度及下胚軸半徑Table 3 Thickness of each tissue in cross section of scion hypocotyl and radius of scion hypocotyl in Y type grafts (two scions grafted onto one rootstock, scion+scion/rootstock) of shoot-dominated pattern (CCRI41 and SCRC22 combination) regarding cotton leaf premature senescence (μm)

2.3.2 根系主導(dǎo)型(C41和 C49組合) 缺鉀誘導(dǎo)早衰條件下, C41自身嫁接(C41+C41/C41)與C49自身嫁接(C49+C49/C49)相比, 接穗下胚軸半徑相差不大, 木質(zhì)部和韌皮部厚度也基本相似, 但 C41木質(zhì)部靠近形成層的薄壁細(xì)胞多于 C49、皮層較 C49厚(圖5和表4)。互相嫁接(C41+C49/C41、C41+C49/ C49)各接穗下胚軸木質(zhì)部和韌皮部厚度均小于自身嫁接, C41+C49/C41的C49接穗和C41+C49/C49的C41接穗下胚軸半徑與自身嫁接相比也顯著降低,提示互相嫁接的 2個(gè)不同品種接穗之間存在互相抑制作用(圖5和表4)。此外, 互相嫁接接穗下胚軸的皮層均較自身嫁接加厚, C41+C49/C49的C41接穗下胚軸韌皮部射線寬度小于C41自身嫁接(圖5和表4)。比較互相嫁接處理的2個(gè)接穗, 可見(jiàn)與砧木品種相同的接穗相對(duì)于另一個(gè)接穗表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。如砧木為C41時(shí), C41接穗下胚軸各部位的厚度和下胚軸半徑大于 C49接穗, 其中髓部厚度和下胚軸半徑差異顯著(圖5-E, F); 砧木為C49時(shí), C49接穗下胚軸各部位厚度和下胚軸半徑大于 C41接穗,其中木質(zhì)部和皮層+表皮的差異比較大(圖5-C, D)。

表4 棉花葉片早衰根系主導(dǎo)型(中棉所41與中棉所49組合)Y型嫁接接穗下胚軸各部分厚度及下胚軸半徑Table 4 Thickness of each tissue in cross section of scion hypocotyl and radius of scion hypocotyl in Y type grafts (two scions grafted onto one rootstock, scion+scion/rootstock) of root-dominated pattern (CCRI41 and CCRI49 combination) regarding cotton leaf premature senescence (μm)

圖4 棉花葉片早衰地上部主導(dǎo)型(中棉所41與魯棉研22組合)Y型嫁接(接穗+接穗/砧木)接穗下胚軸Fig. 4 Anatomy of scion hypocotyl in Y type grafts (two scions grafted onto one rootstock, scion+scion/rootstock) of shoot-dominated pattern (CCRI41 and SCRC22 combination) regarding cotton leaf premature senescence

3 討論

3.1 接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)與其木質(zhì)部中植物激素流量的可能關(guān)系

本試驗(yàn) I型嫁接結(jié)果表明, 在低鉀脅迫誘導(dǎo)早衰的條件下, 棉花葉片早衰根系主導(dǎo)型的 2個(gè)品種(C41和C49)接穗下胚軸結(jié)構(gòu)差異很大, 地上部主導(dǎo)型的2個(gè)品種(C41和S22)差異相對(duì)較小, 但2種類(lèi)型的砧木均可明顯改變接穗的下胚軸結(jié)構(gòu), 使其與砧木品種更為接近(圖2和圖3)。

低鉀脅迫條件下, 地上部主導(dǎo)型 I型嫁接的砧木對(duì)接穗下胚軸木質(zhì)部CTK和ABA的流量影響較小[2], 因此該類(lèi)型下胚軸解剖結(jié)構(gòu)與其木質(zhì)部的植物激素流量可能受到不同機(jī)制的調(diào)節(jié)。地上部主導(dǎo)型的Y型互相嫁接, 無(wú)論砧木為何品種, S22接穗下胚軸木質(zhì)部汁液中的CTK流量在低鉀脅迫下顯著高于C41接穗, ABA流量則顯著低于C41接穗[2]。本研究S22接穗較C41接穗下胚軸在缺鉀脅迫下的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)雖然與砧木的關(guān)系也不大, 但推測(cè) S22接穗在低鉀脅迫下的抗早衰能力(指下胚軸木質(zhì)部的高CTK流量和低ABA流量)與下胚軸生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)是一種伴生關(guān)系而非因果關(guān)系。因?yàn)镾22接穗的木質(zhì)部厚度和薄壁細(xì)胞數(shù)量明顯大于(多于) C41接穗, 考慮到棉花下胚軸木質(zhì)部薄壁細(xì)胞可能是 ABA生物合成的場(chǎng)所[13,15,17], 所以推測(cè)S22的ABA流量可能高于C41, 但實(shí)際情況相反。

圖5 棉花葉片早衰根系主導(dǎo)型(中棉所41與中棉所49組合) Y型嫁接(接穗+接穗/砧木)接穗下胚軸Fig. 5 Anatomy of scion hypocotyl in Y type grafts (two scions grafted onto one rootstock, scion+scion/rootstock) of root-dominated pattern (CCRI41 and CCRI49 combination) regarding cotton leaf premature senescence

葉片早衰根系主導(dǎo)型 I型嫁接的接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)(圖3)與其木質(zhì)部的植物激素流量[3]在低鉀脅迫下雖然均受到砧木的顯著影響, 但這 2個(gè)過(guò)程可能也是一種伴生關(guān)系而不是因果關(guān)系。因?yàn)镃49作為砧木顯著增加了C41接穗下胚軸的木質(zhì)部厚度及薄壁細(xì)胞(潛在的ABA合成部位)數(shù)量, 所以有可能提高 ABA的流量, 但實(shí)際上 C49作為砧木降低了C41接穗木質(zhì)部的ABA流量[3]。根系主導(dǎo)型Y型互相嫁接的C41和C49接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)在低鉀脅迫下差異較大(圖5), 但二者木質(zhì)部的CTK和ABA流量無(wú)顯著差異[3], 說(shuō)明下胚軸解剖結(jié)構(gòu)與其運(yùn)輸植物激素的能力是2個(gè)獨(dú)立的過(guò)程。

3.2 根-冠互作對(duì)砧木和接穗下胚軸結(jié)構(gòu)的影響不同

雙子葉植物下胚軸的生長(zhǎng)和解剖結(jié)構(gòu)主要與形成層的活性和分化能力有關(guān)。已知生長(zhǎng)素(auxin)、CTK、赤霉素(GA)和油菜素內(nèi)酯(BRs)協(xié)同作用維持形成層的活性[19-20], 木質(zhì)部的分化和生長(zhǎng)發(fā)育主要受GA[21-24]和BRs[25-27]的調(diào)節(jié)。Ragni等[23]利用突變體及嫁接技術(shù)研究發(fā)現(xiàn), GA信號(hào)途徑(DELLA)對(duì)木質(zhì)部擴(kuò)張的影響不能通過(guò)嫁接傳遞, 而 GA本身可作為移動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)木質(zhì)部發(fā)育, 野生型(Ler)無(wú)論作為接穗還是砧木均能恢復(fù)GA合成突變體 ga1-3下胚軸木質(zhì)部的擴(kuò)張能力。

本研究表明, 棉花葉片早衰2種根-冠互作類(lèi)型的砧木均可明顯改變接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu), 但接穗對(duì)砧木下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的影響很小, 說(shuō)明接穗下胚軸的生長(zhǎng)和發(fā)育受到了來(lái)自砧木的信號(hào)影響, 但砧木下胚軸的生長(zhǎng)和發(fā)育表現(xiàn)出更多的自治性。這其中涉及的長(zhǎng)距離和/或局部信號(hào)及其調(diào)節(jié)機(jī)制可能比較復(fù)雜, 需要開(kāi)展系統(tǒng)和深入的研究。

3.3 雙接穗單砧木(Y型)嫁接存在冠-冠互作

關(guān)于棉花葉片早衰和木質(zhì)部CTK及ABA流量的研究未發(fā)現(xiàn) Y型嫁接具有明顯和一致的冠-冠互作[2-3], 但本文缺鉀脅迫條件下Y型嫁接接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的結(jié)果可能需要用冠-冠互作來(lái)解釋。

無(wú)論是地上部主導(dǎo)型還是根系主導(dǎo)型, 2個(gè)品種自身嫁接的接穗下胚軸結(jié)構(gòu)差異在Y型嫁接與I型嫁接中不一致。地上部主導(dǎo)型2個(gè)品種(C41和S22) Y型自身嫁接接穗下胚軸的半徑雖然也像 I型自身嫁接一樣無(wú)明顯差別, 但組織水平的差異不一致。如C41的I型自身嫁接木質(zhì)部管狀分子多于S22 (圖2), 但Y型自身嫁接的木質(zhì)部管狀分子少于S22 (圖4)。又如C41和S22的I型嫁接接穗韌皮部厚度和射線口徑無(wú)明顯差別(圖2), 但Y型嫁接C41的韌皮部較厚, 韌皮部射線的口徑較大(圖4)。根系主導(dǎo)型的I型自身嫁接, C49接穗的半徑、木質(zhì)部和韌皮部厚度均顯著且大幅高于C41接穗(圖3), 但2個(gè)品種Y型自身嫁接接穗的上述幾個(gè)指標(biāo)無(wú)明顯差異(圖5)。除此之外, 地上部主導(dǎo)型和根系主導(dǎo)型 Y型互相嫁接的2個(gè)不同品種接穗均表現(xiàn)出互相抑制作用(與自身嫁接相比), 其中地上部主導(dǎo)型接穗之間的互相抑制與砧木關(guān)系不大(圖4), 而根系主導(dǎo)型接穗之間的互相抑制與砧木有關(guān)(圖5)。

4 結(jié)論

在缺鉀誘導(dǎo)棉花葉片早衰的條件下, 無(wú)論是根-冠互作的地上部主導(dǎo)型組合還是根系主導(dǎo)型組合,無(wú)論是I型嫁接還是Y型嫁接, 砧木對(duì)接穗下胚軸的解剖結(jié)構(gòu)影響較大; Y型嫁接接穗下胚軸的解剖結(jié)構(gòu)還受到冠-冠互作的影響。接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)不能解釋其木質(zhì)部CTK和ABA的流量。未來(lái)需要開(kāi)展分子生物學(xué)和組織化學(xué)等方面的研究, 為棉花葉片早衰的地上部主導(dǎo)型接穗下胚軸合成、代謝和/或橫向運(yùn)輸CTK、ABA的能力提供直接證據(jù), 并明確根系主導(dǎo)型接穗下胚軸是否主要行使輸導(dǎo)來(lái)自根系的CTK和ABA的功能。此外, 還需要研究Y型嫁接冠-冠互作影響接穗下胚軸解剖結(jié)構(gòu)的信號(hào)物質(zhì)和調(diào)節(jié)機(jī)制, 及冠-冠互作與根-冠互作之間的關(guān)系。

致謝: 感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院王幼群副教授在制片技術(shù)上提供的幫助, 感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化控研究中心王崧嫚同學(xué)在圖片整理過(guò)程中提供的幫助。

[1] Li B, Wang Y, Zhang Z Y, Wang B M, Eneji A E, Duan L S, Li ZH, Tian X L. Cotton shoot plays a major role in mediating senescence induced by potassium deficiency. J Plant Physiol, 2012, 169: 327–335

[2] Wang Y, Li B, Du M W, Eneji A E, Wang B M, Duan L S, Li Z H, Tian X L. Mechanism of phytohormone involvement in feedback regulation of cotton leaf senescence induced by potassium deficiency. J Exp Bot, 2012, 63: 5887–5901

[3] 張巧玉, 王逸茹, 安靜, 王保民, 田曉莉. 根-冠互作對(duì)棉花葉片衰老的影響. 作物學(xué)報(bào), 2017, 43: 226–237 Zhang Q Y, Wang Y R, An J, Wang B M, Tian X L. Effect of root-shoot interaction on cotton leaf senescence. Acta Agron Sin, 2017, 43: 226–237 (in Chinese with English abstract)

[4] Bauerle T L, Centinari M, Bauerle W L. Shifts in xylem vessel diameter and embolisms in grafted apple trees of differing rootstock growth potential in response to drought. Planta, 2011, 234: 1045–1054

[5] Tombesi S, Almehdi A, DeJong T M. Phenotyping vigour control capacity of new peach rootstocks by xylem vesselanalysis. Sci Hort, 2011, 127: 353–357

[6] Olmstead M A, Lang N S, Ewers F W, Owens S A. Xylem vessel anatomy of sweet cherries grafted onto dwarfing and nondwarfing rootstocks. J Am Soc Hort Sci, 2006, 131: 577–585

[7] Santarosa E, Souza P V D D, Mariath J E D A, Lourosa G V. Physiological Interaction between rootstock-scion: effects on xylem vessels in cabernet sauvignon and merlot grapevines. Am J Enol Viticult, 2016, 67: 65–76

[8] Rodríguezgamir J, Intrigliolo D S, Primomillo E, Fornerginer M A. Relationships between xylem anatomy, root hydraulic conductivity, leaf/root ratio and transpiration in citrus trees on different rootstocks. Physiol Plant, 2010, 139: 159–169

[9] 楊志威. 嫁接對(duì)棉花吸收和運(yùn)輸14C-ZR的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 北京, 2016 Yang Z W. Effect of Grafting on the Uptake and Transportion of14C-ZR in Cotton. MS Thesis of China Agricultural University, Beijing, China, 2016 (in Chinese with English abstract)

[10] Miyawaki K, Matsumoto-Kitano M, Kakimoto T. Expression of cytokinin biosynthetic isopentenyltransferase genes in Arabidopsis: tissue specificity and regulation by auxin, cytokinin, and nitrate. Plant J, 2004, 37: 128–138

[11] Ko D, Kang J, Kiba T, Park J, Kojima M, Do J, Kim K Y, Kwon M, Endler A, Song W Y, Martinoia E, Sakakibara H, Lee Y. Arabidopsis ABCG14 is essential for the root-to-shoot translocation of cytokinin. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111: 7150–7155

[12] Zhang K W, Novak O R, Wei Z Y, Gou M Y, Zhang X B, Yu Y, Yang H J, Cai Y H, Strnad M, Liu C J. Arabidopsis ABCG14 protein controls the acropetal translocation of root-synthesized cytokinins. Nat Commun, 2014, 5: 3274

[13] Endo A, Sawada Y, Takahashi H, Okamoto M, Ikegami K, Koiwai H, Seo M, Toyomasu T, Mitsuhashi W, Shinozaki K, Nakazono M, Kamiya Y, Koshiba T, Nambara E. Drought induction of arabidopsis 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase occurs in vascular parenchyma cells. Plant Physiol, 2008, 147: 1984–1993

[14] Cheng W H, Endo A, Zhou L, Penny J, Chen H C, Arroyo A, Leon P, Nambara E, Asami T, Seo M, Koshiba T, Sheen J. A unique short-chain dehydrogenase/reductase in Arabidopsis glucose signaling and abscisic acid biosynthesis and functions. Plant Cell, 2002, 14: 2723–2743

[15] Koiwai H, Nakaminami K, Seo M, Mitsuhashi W, Toyomasu T, Koshiba T. Tissue-pecific localization of an abscisic acid biosynthetic enzyme, AAO3, in Arabidopsis. Plant Physiol, 2004, 134: 1697–1707

[16] Kuromori T, Sugimoto E, Shinozaki K. Intertissue signal transfer of abscisic acid from vascular cells to guard cells. Plant Physiol, 2014, 164: 1587–1592

[17] 王逸茹. 根冠互作對(duì)棉花下胚軸細(xì)胞分裂素和脫落酸相關(guān)基因表達(dá)的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 北京, 2015 Wang Y R. Effect of Rootstock on The Expression of Cytokinin and Abscisic Acid Related Gene in Cotton Hypocotyl. MS Thesis of China Agricultural University, Beijing, China, 2015 (in Chinese with English abstract)

[18] 李博, 王春霞, 張志勇, 段留生, 李召虎, 田曉莉. 適用于低鉀條件下棉花苗期根冠通訊研究的三種嫁接方法. 作物學(xué)報(bào),2009, 35: 363–369 Li B, Wang C X, Zhang Z Y, Duan L S, Li Z H, Tian X L. Three types of grafting techniques available for research of root-shoot communication in cotton (Gossypium hirsutum) seedlings under low-potassium condition. Acta Agron Sin, 2009, 35: 363–369 (in Chinese with English abstract)

[19] Milhinhos A, Miguel C M. Hormone interactions in xylem development: a matter of signals. Plant Cell Rep, 2013, 32: 867–883

[20] Oles V, Panchenko A, Smertenko A. Modeling hormonal control of cambium proliferation. PLoS One, 2017, 12: e0171927

[21] Biemelt S, Tschiersch H, Sonnewald U. Impact of altered gibberellin metabolism on biomass accumulation, lignin biosynthesis, and photosynthesis in transgenic tobacco plants. Plant Physiol, 2004, 135: 254–265

[22] Mauriat M, Moritz T. Analyses of GA20ox- and GID1-overexpressing aspen suggest that gibberellins play two distinct roles in wood formation. Plant J, 2009, 58: 989–1003

[23] Ragni L, Nieminen K, Pacheco-Villalobos D, Sibout R, Schwechheimer C, Hardtke C S. Mobile gibberellin directly stimulates Arabidopsis hypocotyl xylem expansion. Plant Cell, 2011, 23: 1322–1336

[24] Guo H Y, Wang Y C, Liu H Z, Hu P, Jia Y Y, Zhang C R, Wang Y M, Gu S, Yang C P, Wang C. Exogenous GA(3) application enhances xylem development and induces the expression of secondary wall biosynthesis related genes in betula platyphylla. Internl J Mol Sci, 2015, 16: 22960–22975

[25] Ohashi-lto K, Fukuda H. HD-zip III homeobox genes that include a novel member, ZeHB-13 (Zinnia)/ATHB-15 (Arabidopsis), are involved in procambium and xylem cell differentiation. Plant Cell Physiol, 2003, 44: 1350–1358

[26] Cano-Delgado A, Yin Y H, Yu C, Vafeados D, Mora-Garcia S, Cheng J C, Nam K H, Li J M, Chory J. BRL1 and BRL3 are novel brassinosteroid receptors that function in vascular differentiation in Arabidopsis. Development, 2004, 131: 5341–5351

[27] Yamamoto R, Fujioka S, Iwamoto K, Demura T, Takatsuto S, Yoshida S, Fukuda H. Co-regulation of brassinosteroid biosynthesis-related genes during xylem cell differentiation. Plant Cell Physiol, 2007, 48: 74–83

Effect of Root-shoot Interaction on Cotton Hypocotyl Anatomy by Using Grafting Technique under Premature Senescence Induced by Potassium Deficiency

ZHANG Qiao-Yu1, ZHANG Rui1, LIU Zhao-Hui2,*, and TIAN Xiao-Li1,*
1Center of Crop Chemical Regulation, College of Agricultural and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China;2Department of Plant Sciences, College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China

Under potassium (K) deficiency, effect of root-shoot interaction on cotton leaf premature senescence includes shoot-dominated and root-dominated patterns. Indirect evidences from grafting study under K deficiency have suggested that scion hypocotyl of shoot-dominated pattern (CCRI41 and SCRC22 combination) may have the ability to synthesize, metabolize and/or radially transport cytokinin (CTK) and abscisic acid (ABA), while that of root-dominated pattern (CCRI41 and CCRI49 combination) mainly delivers CTK and ABA from roots. In the present study, we observed the anatomy of scion hypocotyls of both patterns under K deficiency (0.03 mmol L–1), and evaluated if it is associated with the flux of CTK and ABA in xylem. In terms of I type grafts (one scion grafted onto one rootstock) of shoot-dominated pattern, the anatomy of scion hypocotyl was clearly influenced by rootstocks, which is inconsistent with the fact that the delivery rate of CTK and ABA in scion xylem was mainly affected by shoot. For Y type grafts (two scions grafted onto one rootstock) of shoot-dominated pattern, the scion with greater CTK flux and lower ABA flux showed growth superiority as compared with its counterpart. However, the two processes referring to flux of phytohormone in scion xylem and scion growth likely occurred concomitantly but not causally. As the results of CTK and ABA flux in scion xylem, the anatomy of scion hypocotyls of root-dominated pattern was obviously altered by rootstock in I grafts. Nevertheless, they might be also concomitant processes rather than the relationship of cause and effect. Addition-ally, there were significant differences in anatomy between two different scions of Y grafts of root-dominated pattern, which was disagreement with the similar CTK and ABA flux in xylem of two scions. In conclusion, the scion hypocotyl anatomy of either shoot- or root-dominated pattern regarding cotton leaf premature senescence induced by K deficiency is independent of CTK and ABA flux in its xylem. In addition, the differences in scion hypocotyl anatomy between two cultivars in I graft type were inconsistent with those in Y graft type, which is possibly due to shoot-shoot interaction in Y graft.

Cotton; Grafts; Root-shoot interaction; Hypocotyl; Anatomy

(

): 2017-03-07; Accepted(接受日期): 2017-05-10; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-06-05.

10.3724/SP.J.1006.2017.01527

本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31271629)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271629).

*通訊作者(Corresponding authors): 田曉莉, E-mail: tianxl@cau.edu.cn, Tel: 010-62734550; 劉朝輝, E-mail: zhaoh@cau.edu.cn

聯(lián)系方式: E-mail: qiaoyu306@126.com, Tel: 010-62734550

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170605.1650.006.html