赤霉素抑制剂对马铃薯离体块茎形成和发育的影响

梁力力,程鑫,崔丹丹,杨巧玲,张俊莲，王玉萍,

(1.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州 730070)

赤霉素(GA)是高等植物中普遍存在的一类生长调节剂，比如，诱导细胞伸长、种子萌发、促进茎的伸长和叶片扩大、花粉成熟和果实生长、以及开花等[1-4].在植物体内GA的生物合成途径较为复杂，且种类较多，第1阶段是从异戊烯焦磷酸到贝壳杉烯，在质体中进行[7]；第2阶段是从贝壳杉烯到GA12醛，在内质网中进行[1]；第3阶段是由GA12醛转化成其它GA的阶段，在细胞质中进行.研究发现，植物体内GA只有少数具有生物活性[5-6]

研究发现，GA3含量的变化显著影响马铃薯匍匐茎伸长和膨大，，高水平GA3促进细胞的纵向伸长，只有低浓度GA3才能促进块茎膨大[9].很多研究表明，GA抑制剂主要分为3类，第1类是鎓类化合物，主要有矮壮素(CCC)、缩节安、氯化磷等；第2类是含氮杂环化合物，主要有多效唑(MET)、烯效唑等；第3类是酰基环己二酮类生长延缓剂，主要有调环酸钙(Pc)、抗倒酯、丁酰肼等[15].MET通过抑制贝壳杉烯到贝壳杉烯醇的氧化方式来减少GA的生物合成，外源施加MET能促进了马铃薯试管苗提早结薯，使平均直径和单薯鲜质量都显著增加，同时降低了畸形薯的概率[16]；CCC通过抑制贝壳杉烯酶和焦磷酸合酶的活性来抑制GA合成的，CCC有促进马铃薯块茎提前形成的作用，外源施加CCC后，促进了马铃薯块茎增大，个数增加，提高产量等[17]；Pc通过抑制α-酮戊二酸依赖性双加氧酶的活性，抑制GA的生物合成，目前没有Pc对马铃薯块茎的作用的报道[18].

目前国内外关于GA及其抑制剂的的研究主要采用的是室外浇灌或者田间喷洒，作物集中在棉花、大豆、花生等植物，一般是单独施加GA或者只施加其中一类抑制剂，而对于马铃薯离体块茎的研究甚少.前人研究表明，单独施加多效唑或矮壮素时，促进了块茎单薯鲜质量的增加，有研究表明多效唑使用浓度仅为矮壮素的1/5 000，就能使块茎单薯鲜质量增加，而对于调环酸钙在马铃薯块茎上的施用效果和生理特性的研究很少.本试验的创新之处在于对马铃薯匍匐茎同时施加GA3和3类抑制剂，分析3类抑制剂作用下的GA3对马铃薯离体块茎的影响和3类抑制剂对GA3的抑制效果.本研究主要通过探讨不同浓度的GA3和抑制剂共同作用对马铃薯试管薯离体诱导效果，通过外源生物合成抑制剂的使用，可以深入分析GA3对马铃薯块茎形成和发育造成的影响，进而为阐明GA3在马铃薯块茎发育过程中的作用机理提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

以马铃薯(SolanumtuberosumL.)品种“大西洋”试管苗(由甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室提供)为供试材料.将试管苗接种到MS液体培养基中.培养温度(22±1)℃，光照时间16 h/d，光照强度2 000 lx，30 d后转入诱导培养基中，黑暗诱导产生匍匐茎.将匍匐茎接入含有不同浓度GA3与MET、CCC和Pc的1/10 MS液体培养基中，对照不加GA3和抑制剂，每个处理5次重复.培养40 d后，采集诱导形成的马铃薯块茎，液氮速冻，-80 ℃保存.

1.2 试验方法

1.2.1 培养基浓度设置 试验中GA3与MET、CCC与Pc的浓度设置见表1.

1.2.2 形态观察 在块茎生长发育期间，记录不同浓度的GA3与MET、CCC和Pc的处理下块茎开始形成的时间.

1.2.3 块茎直径、鲜质量、干质量和结薯率测定培养40 d后，测量不同浓度的GA3与MET、CCC和Pc处理下块茎的直径、结薯率和鲜质量、干质量.

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 多效唑作用下赤霉素对试管薯形成的影响

结果显示，当GA3浓度为0 μmol/L和0.1 μmol/L时，单薯鲜质量、块茎平均直径和结薯率近似于正态分布，均呈现出先升高后降低的变化.MET调控的0 μmol/L的GA3在10 mg/L时达到最大值128.6 mg、4.5 mm和97.5 %，当浓度介于0.1～10 mg/L时，MET调控下的GA3促进块茎的发育，当浓度介于10～100 mg/L时对块茎发育起抑制作用，而MET浓度超过100 mg/L时，已经完全抑制了块茎的形成，块茎发育起始时间则与之相反，在10 mg/L时到达最低点，在浓度为0.1～10 mg/L时，发育起始时间逐渐降低，超过10 mg/L时，发育起始时间逐渐升高；MET调控的0.01 μmol/L的GA3在40 mg/L时达到最大值98.9 mg、4.1 mm和91.7 %，当浓度介于5～40 mg/L时，MET调控下的GA3促进块茎的发育，当浓度介于40～100 mg/L时，对块茎发育起抑制作用，而MET浓度超过100 mg/L时，块茎完全不结薯.块茎发育起始时间在40 mg/L时有一个最低点，在浓度为5～40 mg/L时，发育起始时间降低，在MET浓度介于40～100 mg/L时，起始时间稍有上升的趋势(图1)，图2为GA和MET共同处理下

最佳浓度下马铃薯块茎的表型特征.

2.2 CCC作用下的GA3对离体块茎发育的影响

CCC作用下的GA3诱导出块茎的单薯鲜质量、块茎平均直径和结薯率与MET相同，近似于正态分布.0 μmol/L的GA3在CCC浓度为60 mg/L时达到最大值40.8 mg、3.47 mm和94.9%，当浓度为0.1～60 mg/L时，CCC调控下的GA3促进块茎的发育，当浓度介于60～150 mg/L时对块茎发育起抑制作用，而CCC浓度超过150 mg/L时，已经完全抑制了块茎的形成，块茎发育起始时间则与之相反，在60 mg/L时到达最低点，在浓度为0.1 ～60 mg/L时，发育起始时间逐渐降低，超过60 mg/L时，发育起始时间逐渐升高；CCC调控的0.01 μmol/L的GA3在10 mg/L时达到最大值72.5 mg、3.9 mm、87 %，当浓度介于0.1 ～10 mg/L时，CCC调控下的GA3促进块茎的发育，当浓度介于10～100 mg/L时，对块茎发育起抑制作用，而CCC浓度超过100 mg/L时，块茎完全不结薯.块茎发育起始时间在10 mg/L时有一个最低点，在浓度为0.1～10 mg/L时，发育起始时间降低，在CCC浓度介于10 ～100 mg/L时，起始时间稍有上升的趋势(图3)，图4为GA和CCC共同处理下最佳浓度下马铃薯块茎的表型特征.

2.3 Pc作用下的GA3对离体块茎发育的影响

Pc作用下的GA3诱导出块茎的单薯鲜质量、块茎平均直径和结薯率与MET、CCC相似，趋于正态分布.0 μmol/L的GA3在Pc浓度为5 μg/L时达到最大值175.6 mg、5.5 mm、98.9 %，当浓度为0.1～5 μg/L时，Pc作用下的GA3促进块茎的发育，当浓度介于5～50 μg/L时对块茎发育起抑制作用，而Pc浓度超过50 μg/L时，已经完全抑制了块茎的形成，块茎发育起始时间则与之相反，在5 μg/L时到达最低点，在浓度为0.1～5 μg/L时，发育起始时间逐渐降低，超过5 μg/L时，发育起始时间逐渐升高；Pc调控的0.01 μmol/L的GA3在5 μg/L时达到最大值105.2 mg、4.3 mm、89.8 %，当浓度介于0.5～5 μg/L时，Pc调控下的GA3促进块茎的发育，当浓度介于5 μg/L～40 μg/L时，对块茎发育起抑制作用，而Pc浓度超过40 μg/L时，块茎完全不结薯.块茎发育起始时间在5 μg/L时有一个最低点，在浓度为0.5～5 μg/L时，发育起始时间降低，在Pc浓度介于5～40 μg/L 时，起始时间稍有上升的趋势(图5).图6为GA和Pc共同处理下最佳浓度下马铃薯块茎的表型特征.

表1 赤霉素和不同抑制剂的浓度

同色柱不同字母表示同一浓度间不同处理差异显著(P<0.05)，GA表示赤霉素，P表示多效唑.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration (P<0.05).GA indicates gibberellin,P indicates paclobutrarol.图1 外源赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)以及不同浓度的多效唑处理下离体块茎下的单薯鲜质量(A)、单薯干质量(B)、块茎直径(C)、结薯率(D)和发育起始时间(E)Figure 1 The fresh weight per microtuber (A),dry weight per microtuber (B),mean diameter (C)、percentage of tuberization (D) and tuberization beginning time (E) of tubersin vitrounder exogenous GA3(0 μmol/L、 0.01 μmol/L) and different MET concentration treatments

图2 赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)和多效唑共同处理下马铃薯离体块茎的形态特征Figure 2 The phenotypic characteristic of potato tuberin vitrounder GA3(0 μmol/L、0.01 μmol/L) and MET

同色柱不同字母表示同一浓度间不同处理差异显著(P<0.05)，GA表示赤霉素，C表示矮壮素.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration (P<0.05).GA indicates gibberellin,C indicates chlormequat chloride.图3 外源赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)以及不同浓度的矮壮素处理下离体块茎的单薯鲜质量(A)、单薯干质量(B)、块茎直径(C)、结薯率(D)和发育起始时间(E)Figure 3 The fresh weight per microtuber (A)、dry weight per microtuber (B)、mean diameter (C)、percentage of tuberization (D) and tuberization beginning time (E) of tubersin vitrounder exogenous GA3(0 μmol/L、 0.01 μmol/L) and different CCC concentration treatments

图4 赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)和矮壮素共同处理下马铃薯离体块茎的形态特征Figure 4 The phenotypic characteristic of potato tuberin vitrounder GA3(0 μmol/L、0.01 μmol/L) and CCC

同色柱不同字母表示同一浓度间不同处理差异显著(P<0.05)，GA表示赤霉素，Pc表示调环酸钙.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration (P<0.05).GA indicates gibberellin,Pc indicates prohexadione calcium.图5 外源赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)以及不同浓度的调环酸钙处理下离体块茎的单薯鲜质量(A)、单薯干质量(B)、块茎直径(C)、结薯率(D)和发育起始时间(E)Figure 5 The fresh weight per microtuber (A)、dry weight per microtuber (B)、mean diameter (C)、percentage of tuberization (D) and tuberization beginning time (E) of tubersin vitrounder exogenous GA3(0 μmol/L、 0.01 μmol/L) and different Pc concentration treatments

同色柱不同字母表示同一浓度间不同处理差异显著(P<0.05)，GA表示赤霉素，Pc表示调环酸钙.Different letters on the same color column indicate significant differences between treatments in the same concentration(P<0.05).GA indicates gibberellin,Pc indicates prohexadione calcium.图6 赤霉素(0 μmol/L、0.01 μmol/L)和调环酸钙共同处理下马铃薯离体块茎的形态特征Figure 6 The phenotypic characteristic of potato tuberin vitrounder GA3(0 μmol/L、0.01 μmol/L) and Pc

3 讨论

MET、CCC和Pc作为GA的抑制剂，分别抑制GA合成的不同阶段.GA对3类抑制剂具有一定的拮抗作用，3类抑制剂在减弱GA对马铃薯块茎的抑制效应时，产生的效果不同.离体培养条件下，外源施加GA后，促进了匍匐茎的形成和伸长，但延迟或抑制了块茎的形成.有研究表明，低浓度的GA促进花粉萌发，高浓度的GA则对花粉萌发起抑制作用[21].

MET主要通过阻止贝壳杉烯氧化为内根-异贝壳杉烯酸，从而抑制GA的生物合成[14].前人研究表明，离体培养条件下，单独外源施加GA后，促进了匍匐茎的形成和伸长，但却延迟或抑制了块茎的形成[11-14].本研究结果发现，赤霉素在多效唑的调控下，随着多效唑浓度的升高，块茎鲜质量、直径和结薯率等逐渐升高，说明多效唑能减缓GA对块茎的发育影响，但随着赤霉素浓度的升高，这种影响逐渐减弱，甚至消失，GA作为植物必不可少的激素，对植物的生长发育是非常重要的，多效唑对GA的抑制作用促进了块茎的发育，当多效唑浓度超过一定范围时，对GA的抑制作用超过了植物正常发育所需要的GA，GA含量过低导致植物不能正常发育.

CCC通过阻断焦磷酸合酶和贝杉烯合酶参与GA代谢的早期步骤，从而阻止GA的生物合成[14].前人研究表明，MET使用浓度仅为CCC的1/5 000，就能使块茎单薯鲜重量增加[16].本研究结果发现，CCC作用下的GA对马铃薯块茎发育的影响较多效唑弱，矮壮素较多效唑一边降低游离态GA的合成，一边加速结合态GA的合成，故同浓度的多效唑比矮壮素更能促进块茎的发育.

Pc在马铃薯块茎上的施用效果和生理特性的研究很少，MET和Pc可提高植物POD的活性，且Pc的作用更明显[19-20].本试验研究结果发现，较于MET和CCC，微量的Pc作用下的GA对马铃薯发育的影响更大.

4 结论

综上所述，外源施加GA和MET、CCC和Pc 3类抑制剂时，块茎的形成和发育明显受到影响；MET、CCC和Pc的浓度超过一定浓度后，匍匐茎死亡，说明GA含量过低，以至于不能满足匍匐茎生长条件，故而表明GA在植物生长过程中占据重要作用，低于一定浓度时，对马铃薯的正常发育起阻碍作用，高浓度的多效唑、矮壮素和调环酸钙可能不利于块茎的发育；三类抑制剂对赤霉素抑制的最佳浓度不同，当GA浓度分别为0 μM和0.01 μmol/L时，MET对GA抑制的最佳浓度是10 mg/L和40 mg/L，CCC对GA抑制的最佳浓度是60 mg/L和10 mg/L，Pc对GA抑制的最佳浓度均是5 μg/L；5 μg/L的Pc可能诱导出最大的单薯鲜干质量和块茎直径，说明调环酸钙对GA的抑制效果可能更好.