羊草有性生殖数量性状对不同外源植物激素喷施时间和浓度的响应

李晓宇， 王 彪， 张继涛， 穆春生

(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，中国科学院湿地生态与环境重点实验室， 吉林 长春130102； 2. 东北师范大学草地科学研究所，植被生态科学教育部重点实验室， 吉林 长春130024；3. 长春市九台区水土保持工作站， 吉林 长春 130500)

羊草(Leymuschinensis)属禾本科赖草属，是根茎型多年生禾草，广泛的分布于松嫩平原西部，具有耐盐碱、耐寒和耐旱的生理特性，是防沙治沙、生态环境保护的优良牧草品种。然而由于气候变化和人类活动导致羊草草地退化，土壤盐碱化、沙化问题严重。恢复和提高羊草草地生产力是践行“美丽中国”，遏制土壤恶化、实现草地绿色发展的重要研究内容。羊草的克隆繁殖能力强，但有性繁殖能力较弱，利用根茎进行羊草草地恢复需要挖掘大量根茎，对原有草地的破坏性较大，因此提高羊草有性繁殖能力，尤其是提高种子的产量和质量对羊草种群恢复具有十分重要的意义。羊草有性繁殖能力低，表现为三低现象，即抽穗率低、结实率低和发芽率低，导致种子产量很低。羊草结实率低与多种因素相关：即受遗传和生物学特性的影响[1-2]，也受所在的生态环境影响[3-5]，通常羊草颖花开放时间不一致[6]，而结实受花位、开放时间、穗的发育条件、营养状况和开花迟早影响[7]；小孢子和花粉易发育异常[8-9]；外界环境温度和光照[10]、放牧时间和强度[11-12]、采收时间等都将影响羊草种子形成和发育。

植物激素对植物生长发育起着重要的调控作用。外施植物激素对植物有性繁殖的影响通常分为促进作用、抑制作用和无影响3种。通常细胞分裂素对作物产量表现为促进作用，如喷施玉米素(ZR)和6-卞氨基嘌呤(6-BA)能促进小麦和大豆的小花发育，显著增加可孕小花数和结实数，提高小麦和大豆的产量[13-14]。但利用激动素(KT)浸种，对不同品种玉米的生长及产量均无显著影响[15]。赤霉素(GA3)也能促进作物增产，外源GA3可促进小麦籽粒中可溶性糖和蔗糖的聚积，从而提高小麦产量[16-17]。但也有GA3对小麦和水稻产量性状无影响，甚至产生抑制作用的报道[13,18]。生长素(IAA)通常会抑制作物的产量[15,17]，外源IAA抑制小麦和水稻的产量性状[13,19]。以上结果表明外源植物激素对植物有性生殖的影响与植物物种、激素种类、施用时间和浓度均相关。为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蘖期向叶片喷施GA3、KT、IAA3种外源激素方法，研究羊草小穗发育过程中，抽穗数、结实数和粒重等有性生殖数量性状对不同外源植物激素施用时间和浓度的响应，为提高羊草结实率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及试验材料

研究地点设在松嫩草原西南部，吉林省长岭县东北师范大学草业科学研究站内的羊草人工草地(2000年建植)。地理位置为123°44′ E，44°44′ N，属于温带半干旱季风气候，具有典型的大陆性气候特点。年平均气温4.9℃，年均降水量470 mm，大部分集中在6-8月份，约占全年降水量的70%以上。2007年试验期间，由试验区气象数据总结可知，降雨主要集中在5—8月份，总降雨量为160.9 mm。最高气温在7月份，日均温约为25.7℃(图1)。该地区水平地带性土壤为淡黑钙土，隐域性土壤主要有草甸土、盐土和碱土，pH值8～9[20]。

2007年，选择无其他杂草、密度相对均一的羊草人工草地作为试验样地，2006年羊草密度约为1 600株·m-2。试验中使用的GA3、IAA和KT激素试剂(BBI-BIO BASIC INC,Canada)纯度分别为>90%，>98.5%和>99.7%。

图1 试验地气温和降雨量变化Fig.1 The change of air temperature andprecipitation in experimental field

1.2 实验设计

参考杨建昌等人在水稻上的施用浓度[15-19]，将GA3、IAA和KT3种激素均设置75 mg·L-1和150 mg·L-12个梯度，激素用少量酒精溶解，再用蒸馏水配制成最后使用的浓度，并以喷施清水为对照处理。选择羊草的返青期(4月29日)和分蘖期(5月19日)，选择无风晴朗天气于17:00—19:00 向叶片喷施植物激素。小区面积为12 m2，采用随机区组设计，4次重复，小区间设0.5 m保护行。因此，本实验共有56个小区，包括2个喷施时间、7种激素处理及4次重复。喷雾时小区间用挡板隔开，以防激素沾染。

1.3 研究方法

在每个小区定点设置4个1 m×1 m的样方，调查单位面积的抽穗数，计算抽穗率。

另外选择30株在同一天集中开花的生殖枝进行挂牌标记，在种子成熟期齐地面剪下，记录羊草穗长、每穗小穗数、总小花数、结实数，并计算单穗结实率(结实数/小花数×100%)。然后将每穗的结实种子与穗轴(包括小穗梗)和不实花分开，于65℃烘48 h，使用万分之一天平称其干重，并计算单穗重和单穗粒重。

1.4 数据分析

实验数据用SPSS 22.0(version 22.0,SPSS Inc,Chicago,Illinoi)统计软件对植物激素和喷施时间进行二因素方差分析，在对两次喷施时间做独立样本T体检，结果用Mean±SE表示，采用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 外源植物激素种类及浓度和施用时间对羊草抽穗数和抽穗率的影响

植物激素的喷施时间、种类和浓度对抽穗数和抽穗率均没有显著性差异。返青期喷施植物激素处理的抽穗数和抽穗率分别在113～153株和11.98%～17.01%之间。分蘖期喷施植物激素处理的抽穗数和抽穗率分别在120～160株和10.90%～16.76%之间。

2.2 外源植物激素和施用时间对羊草穗长的影响

二因素方差分析结果表明，植物激素对羊草穗长有显著影响，喷施时间则对穗长没有显著影响(表1和表2)。在返青期施用高低浓度的GA3、IAA和KT对穗长均无显著影响。分蘖期高低浓度的IAA和GA3及高浓度的KT对羊草穗长无显著影响，但低浓度的KT处理下穗长增加了13.1%(图2，P<0.05)。

表1 外源植物激素施用时间和浓度对羊草有性生殖数量性状影响的二因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA analysis of exogenous plant hormone spray time and concentrationeffects on sexual reproduction quantitative characters

注：*P<0.05表示差异显著，**P<0.01表示差异极显著

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

图2 返青期和分蘖期施用植物激素对羊草穗长的影响Fig.2 Effects of plant hormone on L. chinensisspikes length by spraying in regreening and tillering stages注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different letters indicate significance among treatments at the 0.05 level,the same as below

2.3 外源植物激素种类及浓度和施用时间对羊草小穗数和小花数的影响

通过二因素方差分析结果表明，植物激素和喷施时间对羊草小穗数和小花数均有显著影响(表1，P<0.05)。其中，返青期喷施高低浓度的GA3显著地增加羊草的小穗数和小花数(P<0.05)，且两个浓度间无显著差异；不同浓度的IAA和低浓度的KT处理对分化小穗数和小花数均无显著影响，但高浓度KT处理显著增加了小穗数，但对小花数影响不显著。分蘖期，两个浓度的GA3显著增加了小穗数，但对小花数无显著影响；IAA对羊草的小穗和小花数均无显著作用；高浓度的KT能有效增加小穗数，低浓度则无显著效果，但两个浓度的KT均能显著提高小花数，且两个浓度间无显著差异(图3)。

与返青期相比，分蘖期施用植物激素可显著增加小穗数和小花数，平均增加1个小穗和11朵小花(表2)。

表2 植物激素施用时间影响下的羊草各有性生殖数量性状Table 2 The average of exogenous plant hormone spray time effects on sexual reproduction quantitative characters

图3 返青期和分蘖期施用植物激素对羊草小穗数和小花数的影响Fig.3 Effects of plant hormone on L. chinensis numbers of spikes and flowers by spraying in regreening and tillering stages

2.4 外源植物激素种类及浓度和施用时间对羊草结实数和结实率的影响

二因素方差分析结果表明，植物激素对羊草的结实数和结实率都有显著影响(表1)，但喷施时间只影响结实数(P<0.05)。返青期，各种植物激素处理与对照相比，只有高浓度的GA3处理(150 mg·L-1)显著增加了结实数，使其增加了53.0%，其他激素处理均无促进作用，低浓度的IAA甚至显著降低了结实率(图4)。分蘖期，IAA、低浓度的GA3和高浓度的KT对结实数没有显著差异，高浓度的GA3和低浓度的KT均显著的提高了结实数(P<0.05)，然而3种植物激素对结实率均无显著作用(图4)。与返青期相比，在分蘖期施用植物激素可显著提升羊草结实数，每穗平均增加4粒种子(表2)，但结实率并没有显著增加，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。

图4 返青期和分蘖期施用植物激素对羊草结实数和结实率的影响Fig.4 Effects of plant hormone on L. chinensis numbers of seeds and ripening rate by spraying in regreening and tillering stages

2.5 外源植物激素种类及浓度和施用时间对羊草穗重和粒重的影响

二因素方差分析结果表明，植物激素对羊草穗重和粒重有显著影响(表1)，但喷施时间则无差异。返青期，高浓度的GA3处理使羊草的穗重和粒重显著提高(P<0.05)，与对照相比，分别增加37.1%和50%，低浓度则无显著影响。IAA处理对羊草的穗重和粒重均无显著影响。KT处理对穗重的影响不显著，低浓度和高浓度的KT使粒重分别增加15.1%和18.4%，两浓度间无显著差异。GA3对粒重的增加值高于KT(图5)。分蘖期，IAA和GA3的应用，未显著增加穗重及粒重，只有KT显著提高穗重及粒重(P<0.05)，且高低浓度间无显著差异(图5)。

图5 返青期和分蘖期施用植物激素对羊草穗重和粒重的影响Fig.5 Effects of plant hormone on L. chinensis weight of spikes and seeds by spraying in regreening and tillering stages

3 讨论

3.1 外源GA3对羊草有性生殖的影响

GA3的功能是促进细胞伸长生长，在一定程度上能延缓功能叶的衰老,可以显著的提高作物的产量和品质[21-22]。GA3能调控小麦穗与茎之间营养物质的分配比例[23-24]，促进籽粒中可溶性糖和蔗糖的聚积[17]。本研究结果表明，在返青期施用高浓度(150 mg·L-1)的GA3，羊草的小穗数、小花数、结实数、穗重和粒重均有显著的增加。这结果与前人用外源GA3在杂交水稻的研究结果基本一致[25]，GA3能促进细胞伸长和扩大，延缓籽粒衰老，有利于胚乳细胞的发育，从而促进籽粒灌浆充实[26]。这种激素对羊草的种子发育及灌浆具有明显的促进作用，羊草进入有性生殖期，营养向地上分配不足是造成其结实率不高的原因之一。羊草地下部营养元素的积累量是地上部的5.6倍[27]，开花期和结实期运往地下部的氮素分别是地上部的4.72和3.47倍[28]。而GA3对营养物质的运输和分配起着调控作用，因此利于羊草结实和灌浆。

近20年来，植物激素或植物生长调节剂在生产上的运用越来越普遍[29]。通常植物激素对植物的有性生殖影响与激素喷施时间、种类和浓度相关。在水稻生长后期施用植物生长调节剂，增产作用较大。在本文，返青期施用低浓度的GA3虽然可以显著提高羊草的小穗数和小花数，但对结实数和结实率以及穗重和粒重没有显著影响。在分蘖期施用GA3也仅仅能增加小穗数，对结实数和粒重等指标无显著作用。这表明GA3对羊草有性繁殖的促进影响取决于施用时间和浓度，在返青期施用高浓度GA3对羊草结实具有显著作用。

3.2 外源IAA对羊草有性生殖的影响

IAA对与作物结实和产量相关的有性生殖数量性状的影响，多半表现为抑制作用，其机理可能与激素调控顶端优势相似。通常开花后正在发育的籽粒会抑制其他较年幼籽粒的发育[13]，导致饱满籽粒数的降低而引起了结实率的显著降低。在本实验中，当返青期施用低浓度的外源IAA显著降低了羊草结实率，但对其他生殖数量性状没有抑制或促进作用。分蘖期应用IAA对羊草有性生殖数量性状则无显著影响。这也证明IAA对植物的影响与其施用浓度和时间有关。低浓度的IAA对羊草结实率具有显著的抑制作用，而高浓度IAA对羊草无显著的作用。在水稻研究中，当喷施20×10-5mol·L-1的外源IAA后，IAA延长水稻灌浆期，降低了平均灌浆率，降低了谷粒的重量，水稻谷粒中的IAA含量为一定值，当喷施外源IAA后，使得水稻谷粒中生长素浓度过大，IAA/ABA的值增加，从而抑制了灌浆率和谷粒重[19]。

3.3 外源KT对羊草有性生殖的影响

激动素属于细胞分裂素的一种，其主要功能是促进细胞分裂，增加细胞数量，从而促进生长。细胞分裂素与赤霉素具有相似的功能，提高叶片的光合生产能力，调控作物穗与茎之间营养物质的分配比例[23-24]，延缓功能叶的衰老，从而提高作物产量和品质[21-22]。在返青期，喷施低浓度的KT对羊草有性生殖没有显著影响，但高浓度的KT对羊草小穗数和粒重有显著促进作用。在分蘖期施用KT，羊草的小穗和小花数、结实数、穗重和粒重均显著提高。这与前人应用外源细胞分裂素在小麦和大豆[13-14]的研究结果基本一致。综上分析表明，KT对羊草有性生殖数量性状的影响与施用时间、浓度有关，在羊草分蘖期施用KT效果更显著。虽然在分蘖期施用KT，两个浓度间无显著差异，考虑到低浓度的KT处理下各指标平均值高于高浓度KT处理，因此在羊草分蘖期施用75 mg·L-1的KT对其有性生殖，尤其是种子数量和质量的提高更为有效。

4 结论

本研究对比3种植物激素及不同浓度和施用时间对羊草有性生殖数量性状的影响，得出以下结论：羊草有性生殖受外施植物激素的种类、浓度和喷施时间影响：其中GA3和KT表现为促进作用，但IAA表现为无作用或抑制作用；在返青期喷施高浓度(150 mol·L-1)GA3对小穗数、小花数、结实数、穗重和粒重均有显著提升作用，但在分蘖期施用则不显著；高浓度的KT在返青期有效的增加了小穗数和粒重，KT在分蘖期施用能显著增加穗重、粒重和结实数，其中低浓度的效果优于高浓度。因此，为了提高羊草种子产量可以选择在返青期喷施150 mol·L-1的GA3，或在分蘖期喷施75 mol·L-1的KT。