李曉宇， 王 彪， 張繼濤， 穆春生

(1. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，中國(guó)科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春130102； 2. 東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所，植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春130024；3. 長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)水土保持工作站， 吉林 長(zhǎng)春 130500)

羊草(Leymuschinensis)屬禾本科賴(lài)草屬，是根莖型多年生禾草，廣泛的分布于松嫩平原西部，具有耐鹽堿、耐寒和耐旱的生理特性，是防沙治沙、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的優(yōu)良牧草品種。然而由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致羊草草地退化，土壤鹽堿化、沙化問(wèn)題嚴(yán)重?；謴?fù)和提高羊草草地生產(chǎn)力是踐行“美麗中國(guó)”，遏制土壤惡化、實(shí)現(xiàn)草地綠色發(fā)展的重要研究?jī)?nèi)容。羊草的克隆繁殖能力強(qiáng)，但有性繁殖能力較弱，利用根莖進(jìn)行羊草草地恢復(fù)需要挖掘大量根莖，對(duì)原有草地的破壞性較大，因此提高羊草有性繁殖能力，尤其是提高種子的產(chǎn)量和質(zhì)量對(duì)羊草種群恢復(fù)具有十分重要的意義。羊草有性繁殖能力低，表現(xiàn)為三低現(xiàn)象，即抽穗率低、結(jié)實(shí)率低和發(fā)芽率低，導(dǎo)致種子產(chǎn)量很低。羊草結(jié)實(shí)率低與多種因素相關(guān)：即受遺傳和生物學(xué)特性的影響[1-2]，也受所在的生態(tài)環(huán)境影響[3-5]，通常羊草穎花開(kāi)放時(shí)間不一致[6]，而結(jié)實(shí)受花位、開(kāi)放時(shí)間、穗的發(fā)育條件、營(yíng)養(yǎng)狀況和開(kāi)花遲早影響[7]；小孢子和花粉易發(fā)育異常[8-9]；外界環(huán)境溫度和光照[10]、放牧?xí)r間和強(qiáng)度[11-12]、采收時(shí)間等都將影響羊草種子形成和發(fā)育。

植物激素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的調(diào)控作用。外施植物激素對(duì)植物有性繁殖的影響通常分為促進(jìn)作用、抑制作用和無(wú)影響3種。通常細(xì)胞分裂素對(duì)作物產(chǎn)量表現(xiàn)為促進(jìn)作用，如噴施玉米素(ZR)和6-卞氨基嘌呤(6-BA)能促進(jìn)小麥和大豆的小花發(fā)育，顯著增加可孕小花數(shù)和結(jié)實(shí)數(shù)，提高小麥和大豆的產(chǎn)量[13-14]。但利用激動(dòng)素(KT)浸種，對(duì)不同品種玉米的生長(zhǎng)及產(chǎn)量均無(wú)顯著影響[15]。赤霉素(GA3)也能促進(jìn)作物增產(chǎn)，外源GA3可促進(jìn)小麥籽粒中可溶性糖和蔗糖的聚積，從而提高小麥產(chǎn)量[16-17]。但也有GA3對(duì)小麥和水稻產(chǎn)量性狀無(wú)影響，甚至產(chǎn)生抑制作用的報(bào)道[13,18]。生長(zhǎng)素(IAA)通常會(huì)抑制作物的產(chǎn)量[15,17]，外源IAA抑制小麥和水稻的產(chǎn)量性狀[13,19]。以上結(jié)果表明外源植物激素對(duì)植物有性生殖的影響與植物物種、激素種類(lèi)、施用時(shí)間和濃度均相關(guān)。為了研究外源植物激素是否能提高羊草的有性生殖能力，本研究于羊草返青期和分蘗期向葉片噴施GA3、KT、IAA3種外源激素方法，研究羊草小穗發(fā)育過(guò)程中，抽穗數(shù)、結(jié)實(shí)數(shù)和粒重等有性生殖數(shù)量性狀對(duì)不同外源植物激素施用時(shí)間和濃度的響應(yīng)，為提高羊草結(jié)實(shí)率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

研究地點(diǎn)設(shè)在松嫩草原西南部，吉林省長(zhǎng)嶺縣東北師范大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究站內(nèi)的羊草人工草地(2000年建植)。地理位置為123°44′ E，44°44′ N，屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候，具有典型的大陸性氣候特點(diǎn)。年平均氣溫4.9℃，年均降水量470 mm，大部分集中在6-8月份，約占全年降水量的70%以上。2007年試驗(yàn)期間，由試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)總結(jié)可知，降雨主要集中在5—8月份，總降雨量為160.9 mm。最高氣溫在7月份，日均溫約為25.7℃(圖1)。該地區(qū)水平地帶性土壤為淡黑鈣土，隱域性土壤主要有草甸土、鹽土和堿土，pH值8～9[20]。

2007年，選擇無(wú)其他雜草、密度相對(duì)均一的羊草人工草地作為試驗(yàn)樣地，2006年羊草密度約為1 600株·m-2。試驗(yàn)中使用的GA3、IAA和KT激素試劑(BBI-BIO BASIC INC,Canada)純度分別為>90%，>98.5%和>99.7%。

圖1 試驗(yàn)地氣溫和降雨量變化Fig.1 The change of air temperature andprecipitation in experimental field

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參考楊建昌等人在水稻上的施用濃度[15-19]，將GA3、IAA和KT3種激素均設(shè)置75 mg·L-1和150 mg·L-12個(gè)梯度，激素用少量酒精溶解，再用蒸餾水配制成最后使用的濃度，并以噴施清水為對(duì)照處理。選擇羊草的返青期(4月29日)和分蘗期(5月19日)，選擇無(wú)風(fēng)晴朗天氣于17:00—19:00 向葉片噴施植物激素。小區(qū)面積為12 m2，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，小區(qū)間設(shè)0.5 m保護(hù)行。因此，本實(shí)驗(yàn)共有56個(gè)小區(qū)，包括2個(gè)噴施時(shí)間、7種激素處理及4次重復(fù)。噴霧時(shí)小區(qū)間用擋板隔開(kāi)，以防激素沾染。

1.3 研究方法

在每個(gè)小區(qū)定點(diǎn)設(shè)置4個(gè)1 m×1 m的樣方，調(diào)查單位面積的抽穗數(shù)，計(jì)算抽穗率。

另外選擇30株在同一天集中開(kāi)花的生殖枝進(jìn)行掛牌標(biāo)記，在種子成熟期齊地面剪下，記錄羊草穗長(zhǎng)、每穗小穗數(shù)、總小花數(shù)、結(jié)實(shí)數(shù)，并計(jì)算單穗結(jié)實(shí)率(結(jié)實(shí)數(shù)/小花數(shù)×100%)。然后將每穗的結(jié)實(shí)種子與穗軸(包括小穗梗)和不實(shí)花分開(kāi)，于65℃烘48 h，使用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)其干重，并計(jì)算單穗重和單穗粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 22.0(version 22.0,SPSS Inc,Chicago,Illinoi)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)植物激素和噴施時(shí)間進(jìn)行二因素方差分析，在對(duì)兩次噴施時(shí)間做獨(dú)立樣本T體檢，結(jié)果用Mean±SE表示，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源植物激素種類(lèi)及濃度和施用時(shí)間對(duì)羊草抽穗數(shù)和抽穗率的影響

植物激素的噴施時(shí)間、種類(lèi)和濃度對(duì)抽穗數(shù)和抽穗率均沒(méi)有顯著性差異。返青期噴施植物激素處理的抽穗數(shù)和抽穗率分別在113～153株和11.98%～17.01%之間。分蘗期噴施植物激素處理的抽穗數(shù)和抽穗率分別在120～160株和10.90%～16.76%之間。

2.2 外源植物激素和施用時(shí)間對(duì)羊草穗長(zhǎng)的影響

二因素方差分析結(jié)果表明，植物激素對(duì)羊草穗長(zhǎng)有顯著影響，噴施時(shí)間則對(duì)穗長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響(表1和表2)。在返青期施用高低濃度的GA3、IAA和KT對(duì)穗長(zhǎng)均無(wú)顯著影響。分蘗期高低濃度的IAA和GA3及高濃度的KT對(duì)羊草穗長(zhǎng)無(wú)顯著影響，但低濃度的KT處理下穗長(zhǎng)增加了13.1%(圖2，P<0.05)。

表1 外源植物激素施用時(shí)間和濃度對(duì)羊草有性生殖數(shù)量性狀影響的二因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis of exogenous plant hormone spray time and concentrationeffects on sexual reproduction quantitative characters

注：*P<0.05表示差異顯著，**P<0.01表示差異極顯著

Note:* and ** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 level,respectively

圖2 返青期和分蘗期施用植物激素對(duì)羊草穗長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of plant hormone on L. chinensisspikes length by spraying in regreening and tillering stages注：不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different letters indicate significance among treatments at the 0.05 level,the same as below

2.3 外源植物激素種類(lèi)及濃度和施用時(shí)間對(duì)羊草小穗數(shù)和小花數(shù)的影響

通過(guò)二因素方差分析結(jié)果表明，植物激素和噴施時(shí)間對(duì)羊草小穗數(shù)和小花數(shù)均有顯著影響(表1，P<0.05)。其中，返青期噴施高低濃度的GA3顯著地增加羊草的小穗數(shù)和小花數(shù)(P<0.05)，且兩個(gè)濃度間無(wú)顯著差異；不同濃度的IAA和低濃度的KT處理對(duì)分化小穗數(shù)和小花數(shù)均無(wú)顯著影響，但高濃度KT處理顯著增加了小穗數(shù)，但對(duì)小花數(shù)影響不顯著。分蘗期，兩個(gè)濃度的GA3顯著增加了小穗數(shù)，但對(duì)小花數(shù)無(wú)顯著影響；IAA對(duì)羊草的小穗和小花數(shù)均無(wú)顯著作用；高濃度的KT能有效增加小穗數(shù)，低濃度則無(wú)顯著效果，但兩個(gè)濃度的KT均能顯著提高小花數(shù)，且兩個(gè)濃度間無(wú)顯著差異(圖3)。

與返青期相比，分蘗期施用植物激素可顯著增加小穗數(shù)和小花數(shù)，平均增加1個(gè)小穗和11朵小花(表2)。

表2 植物激素施用時(shí)間影響下的羊草各有性生殖數(shù)量性狀Table 2 The average of exogenous plant hormone spray time effects on sexual reproduction quantitative characters

圖3 返青期和分蘗期施用植物激素對(duì)羊草小穗數(shù)和小花數(shù)的影響Fig.3 Effects of plant hormone on L. chinensis numbers of spikes and flowers by spraying in regreening and tillering stages

2.4 外源植物激素種類(lèi)及濃度和施用時(shí)間對(duì)羊草結(jié)實(shí)數(shù)和結(jié)實(shí)率的影響

二因素方差分析結(jié)果表明，植物激素對(duì)羊草的結(jié)實(shí)數(shù)和結(jié)實(shí)率都有顯著影響(表1)，但噴施時(shí)間只影響結(jié)實(shí)數(shù)(P<0.05)。返青期，各種植物激素處理與對(duì)照相比，只有高濃度的GA3處理(150 mg·L-1)顯著增加了結(jié)實(shí)數(shù)，使其增加了53.0%，其他激素處理均無(wú)促進(jìn)作用，低濃度的IAA甚至顯著降低了結(jié)實(shí)率(圖4)。分蘗期，IAA、低濃度的GA3和高濃度的KT對(duì)結(jié)實(shí)數(shù)沒(méi)有顯著差異，高濃度的GA3和低濃度的KT均顯著的提高了結(jié)實(shí)數(shù)(P<0.05)，然而3種植物激素對(duì)結(jié)實(shí)率均無(wú)顯著作用(圖4)。與返青期相比，在分蘗期施用植物激素可顯著提升羊草結(jié)實(shí)數(shù)，每穗平均增加4粒種子(表2)，但結(jié)實(shí)率并沒(méi)有顯著增加，可能增加的小穗和小花中，含有可育小花和不育小花，且不育小花的比例更多。

圖4 返青期和分蘗期施用植物激素對(duì)羊草結(jié)實(shí)數(shù)和結(jié)實(shí)率的影響Fig.4 Effects of plant hormone on L. chinensis numbers of seeds and ripening rate by spraying in regreening and tillering stages

2.5 外源植物激素種類(lèi)及濃度和施用時(shí)間對(duì)羊草穗重和粒重的影響

二因素方差分析結(jié)果表明，植物激素對(duì)羊草穗重和粒重有顯著影響(表1)，但噴施時(shí)間則無(wú)差異。返青期，高濃度的GA3處理使羊草的穗重和粒重顯著提高(P<0.05)，與對(duì)照相比，分別增加37.1%和50%，低濃度則無(wú)顯著影響。IAA處理對(duì)羊草的穗重和粒重均無(wú)顯著影響。KT處理對(duì)穗重的影響不顯著，低濃度和高濃度的KT使粒重分別增加15.1%和18.4%，兩濃度間無(wú)顯著差異。GA3對(duì)粒重的增加值高于KT(圖5)。分蘗期，IAA和GA3的應(yīng)用，未顯著增加穗重及粒重，只有KT顯著提高穗重及粒重(P<0.05)，且高低濃度間無(wú)顯著差異(圖5)。

圖5 返青期和分蘗期施用植物激素對(duì)羊草穗重和粒重的影響Fig.5 Effects of plant hormone on L. chinensis weight of spikes and seeds by spraying in regreening and tillering stages

3 討論

3.1 外源GA3對(duì)羊草有性生殖的影響

GA3的功能是促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，在一定程度上能延緩功能葉的衰老,可以顯著的提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[21-22]。GA3能調(diào)控小麥穗與莖之間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配比例[23-24]，促進(jìn)籽粒中可溶性糖和蔗糖的聚積[17]。本研究結(jié)果表明，在返青期施用高濃度(150 mg·L-1)的GA3，羊草的小穗數(shù)、小花數(shù)、結(jié)實(shí)數(shù)、穗重和粒重均有顯著的增加。這結(jié)果與前人用外源GA3在雜交水稻的研究結(jié)果基本一致[25]，GA3能促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)和擴(kuò)大，延緩籽粒衰老，有利于胚乳細(xì)胞的發(fā)育，從而促進(jìn)籽粒灌漿充實(shí)[26]。這種激素對(duì)羊草的種子發(fā)育及灌漿具有明顯的促進(jìn)作用，羊草進(jìn)入有性生殖期，營(yíng)養(yǎng)向地上分配不足是造成其結(jié)實(shí)率不高的原因之一。羊草地下部營(yíng)養(yǎng)元素的積累量是地上部的5.6倍[27]，開(kāi)花期和結(jié)實(shí)期運(yùn)往地下部的氮素分別是地上部的4.72和3.47倍[28]。而GA3對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和分配起著調(diào)控作用，因此利于羊草結(jié)實(shí)和灌漿。

近20年來(lái)，植物激素或植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在生產(chǎn)上的運(yùn)用越來(lái)越普遍[29]。通常植物激素對(duì)植物的有性生殖影響與激素噴施時(shí)間、種類(lèi)和濃度相關(guān)。在水稻生長(zhǎng)后期施用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，增產(chǎn)作用較大。在本文，返青期施用低濃度的GA3雖然可以顯著提高羊草的小穗數(shù)和小花數(shù)，但對(duì)結(jié)實(shí)數(shù)和結(jié)實(shí)率以及穗重和粒重沒(méi)有顯著影響。在分蘗期施用GA3也僅僅能增加小穗數(shù)，對(duì)結(jié)實(shí)數(shù)和粒重等指標(biāo)無(wú)顯著作用。這表明GA3對(duì)羊草有性繁殖的促進(jìn)影響取決于施用時(shí)間和濃度，在返青期施用高濃度GA3對(duì)羊草結(jié)實(shí)具有顯著作用。

3.2 外源IAA對(duì)羊草有性生殖的影響

IAA對(duì)與作物結(jié)實(shí)和產(chǎn)量相關(guān)的有性生殖數(shù)量性狀的影響，多半表現(xiàn)為抑制作用，其機(jī)理可能與激素調(diào)控頂端優(yōu)勢(shì)相似。通常開(kāi)花后正在發(fā)育的籽粒會(huì)抑制其他較年幼籽粒的發(fā)育[13]，導(dǎo)致飽滿(mǎn)籽粒數(shù)的降低而引起了結(jié)實(shí)率的顯著降低。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)返青期施用低濃度的外源IAA顯著降低了羊草結(jié)實(shí)率，但對(duì)其他生殖數(shù)量性狀沒(méi)有抑制或促進(jìn)作用。分蘗期應(yīng)用IAA對(duì)羊草有性生殖數(shù)量性狀則無(wú)顯著影響。這也證明IAA對(duì)植物的影響與其施用濃度和時(shí)間有關(guān)。低濃度的IAA對(duì)羊草結(jié)實(shí)率具有顯著的抑制作用，而高濃度IAA對(duì)羊草無(wú)顯著的作用。在水稻研究中，當(dāng)噴施20×10-5mol·L-1的外源IAA后，IAA延長(zhǎng)水稻灌漿期，降低了平均灌漿率，降低了谷粒的重量，水稻谷粒中的IAA含量為一定值，當(dāng)噴施外源IAA后，使得水稻谷粒中生長(zhǎng)素濃度過(guò)大，IAA/ABA的值增加，從而抑制了灌漿率和谷粒重[19]。

3.3 外源KT對(duì)羊草有性生殖的影響

激動(dòng)素屬于細(xì)胞分裂素的一種，其主要功能是促進(jìn)細(xì)胞分裂，增加細(xì)胞數(shù)量，從而促進(jìn)生長(zhǎng)。細(xì)胞分裂素與赤霉素具有相似的功能，提高葉片的光合生產(chǎn)能力，調(diào)控作物穗與莖之間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配比例[23-24]，延緩功能葉的衰老，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[21-22]。在返青期，噴施低濃度的KT對(duì)羊草有性生殖沒(méi)有顯著影響，但高濃度的KT對(duì)羊草小穗數(shù)和粒重有顯著促進(jìn)作用。在分蘗期施用KT，羊草的小穗和小花數(shù)、結(jié)實(shí)數(shù)、穗重和粒重均顯著提高。這與前人應(yīng)用外源細(xì)胞分裂素在小麥和大豆[13-14]的研究結(jié)果基本一致。綜上分析表明，KT對(duì)羊草有性生殖數(shù)量性狀的影響與施用時(shí)間、濃度有關(guān)，在羊草分蘗期施用KT效果更顯著。雖然在分蘗期施用KT，兩個(gè)濃度間無(wú)顯著差異，考慮到低濃度的KT處理下各指標(biāo)平均值高于高濃度KT處理，因此在羊草分蘗期施用75 mg·L-1的KT對(duì)其有性生殖，尤其是種子數(shù)量和質(zhì)量的提高更為有效。

4 結(jié)論

本研究對(duì)比3種植物激素及不同濃度和施用時(shí)間對(duì)羊草有性生殖數(shù)量性狀的影響，得出以下結(jié)論：羊草有性生殖受外施植物激素的種類(lèi)、濃度和噴施時(shí)間影響：其中GA3和KT表現(xiàn)為促進(jìn)作用，但I(xiàn)AA表現(xiàn)為無(wú)作用或抑制作用；在返青期噴施高濃度(150 mol·L-1)GA3對(duì)小穗數(shù)、小花數(shù)、結(jié)實(shí)數(shù)、穗重和粒重均有顯著提升作用，但在分蘗期施用則不顯著；高濃度的KT在返青期有效的增加了小穗數(shù)和粒重，KT在分蘗期施用能顯著增加穗重、粒重和結(jié)實(shí)數(shù)，其中低濃度的效果優(yōu)于高濃度。因此，為了提高羊草種子產(chǎn)量可以選擇在返青期噴施150 mol·L-1的GA3，或在分蘗期噴施75 mol·L-1的KT。