红麻光周期诱导下部分生理指标的变化

2013-04-25徐建堂祁建民林荔辉林培清陶爱芬方平平

福建农林大学学报（自然科学版） 2013年1期

徐建堂，祁建民，林荔辉，林培清，陶爱芬，方平平

(1．福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室;2．福建农林大学农业部东南黄红麻科学观测实验站，福建福州350002)

红麻(Hibiscus cannabinus L．)为喜温短日照韧皮纤维作物，对光周期反应极为敏感，即使在苗期(出苗后3叶期)连续3周的日照短于11．5 h即可促使植株从营养生长转入生殖生长，对光周期敏感的红麻品种在生产上易造成早花减产．据统计，上世纪80年代我国至少有20%以上的面积因早花减产50%左右，给红麻生产造成重大的经济损失［1］．

光周期是决定植物开花的关键因子之一，而叶片是感受光周期诱导的主要部位［2］，作为植物感受光周期的源头器官，叶片生理指标的变化与成花有重要的关系，并直接或间接地影响着植物后期的生长发育［3］．近年来的研究表明:在高等植物中，蔗糖及其衍生物不仅是光合同化物与能量的运输和贮藏形式，而且是能被植物细胞感知，进而调控基因表达和影响生理生化过程的强有力的信号传递［4］;植物体内的可溶性蛋白大多数是参与各种代谢的酶类，其含量是衡量植物总体代谢强弱的一项重要指标，氨基酸是组成蛋白质的基本单位，也是蛋白质的分解产物，测定植物组织中的游离氨基酸含量对研究氮素代谢具有重要意义［5］．蛋白质水解是成花诱导的最初条件，韩天富等［6］研究表明，光周期可在开花前后引起大豆叶片蛋白质组分发生变化．光周期诱导后叶片碳水化合物响应也非常敏感，屠乃美等［7］研究表明，在长日照条件下，水稻茎鞘总糖(淀粉+可溶性糖)含量增加，尤以16 h处理下最为明显，可溶性糖含量亦趋于增加，但增加幅度不如总糖明显;Klebs et al经过大量研究发现，植物体内糖类与含氮化合物的比值高时，植物就开花，而比值低时，植物就不开花，为此提出了控制植物开花的碳氮比(C/N)假说［8－9］;许伟东等［10］认为，杨梅花芽生理分化开始时碳氮比值增大，可以促进花芽分化．红麻为喜温短日照作物，对光周期反应敏感，迄今国内外对红麻光周期反应的研究报道甚少，尤其是红麻光钝感突变体不同叶龄光周期诱导影响成花时叶片发生的生理变化尚未见报道．因红麻是以收获韧皮纤维为目的，红麻对光反应不敏感，可延长开花时间，有利于提高纤维的产量和质量．本试验研究人工11．5 h短日照处理下红麻光钝感突变体可溶性糖、游离氨基酸、可溶性蛋白含量和碳氮比的变化规律，探明光钝感与生理代谢的关系，旨在揭示光钝感突变体形成的机理，为红麻遗传改良及丰产栽培提供理论依据．

1 材料与方法

1．1 材料

以福建农林大学育成的红麻新品种福红952(对照)及其经航天诱变获得的光钝感突变体08C－8为供试材料．

1．2 试验设计

在海南三亚冬季自然短日照条件下，红麻福红952和08C－8于2009年11月7日播种，福红952 80 d左右可现蕾开花，而08C－8播种后145 d未见现蕾，表现出明显的光反应钝感特性．在长日照条件下，福红952和08C－8于2011年5月16日播种于福建农林大学教学农场，福红952于160 d现蕾，而08C－8于183 d现蕾．为便于观察和取样，福红952和08C－8于2009年12月30日在冬季短日照条件下播种于福建农林大学玻璃温室中，每盆种植整齐一致的植株5－6株，设3次重复．用加热器使室内温度保持在18℃左右，光照度8000 lx，光照时间为07:00－18:30．分别于2010年2月1日(苗期第3片完全展开叶)、3月29日(生长中期第12片完全展开叶)、4月9日(第23片完全展开叶)3个时期取样．其中，4月9日取样时福红952已现蕾，而08C－8未现蕾．

1．3 指标测定

可溶性糖、可溶性蛋白和游离氨基酸含量均采用孔祥生等［5］的方法测定．可溶性糖含量采用蒽酮法测定，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G－250法测定，游离氨基酸含量采用茚三酮法测定．试验数据采用DPS软件进行分析．

2 结果与分析

2．1 可溶性糖含量的变化

植物生殖器官的发育比营养生长需要更多的能量，在成花诱导条件下，植物通过改变体内源/库的关系，使茎尖获得比非诱导条件下更有利的同化物供应，表明碳水化合物在成花转变中起着重要的作用［8］．在苗期、生长中期和现蕾期3个不同时期，红麻福红952和08C－8叶片中的可溶性糖含量呈现出低→高→低的变化规律．从图1可知，08C－8的可溶性糖含量比福红952高，较生长中期下降，变化幅度小于福红952．因此可以推测，由于福红952对光周期反应较08C－8敏感，导致可溶性糖含量减少，而08C－8由于对光周期反应不敏感，还处于营养生长阶段，可溶性糖含量相对较高．随着植株的继续生长，具光钝感特性的08C－8叶片中的光合产物仍主要用于形态建成，可溶性糖含量也相对较高．

2．2 可溶性蛋白含量的变化

可溶性蛋白含量的变化是了解植物总代谢的一个重要指标［5］．从图2可知，在苗期、生长中期和现蕾期3个不同时期，红麻福红952和08C－8叶片中的可溶性蛋白含量同样呈现出低→高→低的变化规律．从图2还可以看出，08C－8在苗期和生长中期的可溶性蛋白含量低于福红952，而福红952进入现蕾期时，08C－8的可溶性蛋白含量高于福红952，08C－8可溶性蛋白含量的变化幅度小于福红952．可能是由于福红952进入了生殖生长，叶片中积累的蛋白质含量逐渐减少，08C－8可溶性蛋白的消耗相对较少，这与可溶性糖的代谢变化趋势相同．

图1 红麻品种福红952及其光钝感突变体08C-8不同时期的可溶性糖含量Fig．1 The trend graph of the content of soluble sugar between the light－insensitive mutant 08C－8 and the control cultivar Fuhong 952 during different development stages in kenaf

图2 红麻品种福红952及其光钝感突变体08C-8不同时期的可溶性蛋白含量Fig．2 The trend graph of the content of soluble protein between the light－insensitive mutant 08C－8 and the control cultivar Fuhong 952 during different development stages in kenaf

2．3 游离氨基酸含量的变化

游离氨基酸是含氮化合物，参与可溶性蛋白的分解与合成，在植物成花过程中起重要作用［5］．从图3可知，在苗期、生长中期和现蕾期3个不同时期，红麻福红952和08C－8叶片中的游离氨基酸含量同样呈现出低→高→低的变化规律．综合图2、3可以看出，08C－8游离氨基酸含量的变化幅度在苗期和生长中期均略低于福红952，而可溶性蛋白含量在现蕾期的变化幅度均高于福红952．由于植物中的游离氨基酸是构成蛋白质的基本单位，在生长中期08C－8的游离氨基酸含量略低于福红952，同时在生长中期和现蕾期，游离氨基酸含量的变化幅度低于福红952，表明红麻在进入生殖生长期，叶片中的可溶性蛋白和游离氨基酸含量出现减少的趋势．

2．4 可溶性糖与可溶性蛋白比值的变化

图3 红麻品种福红952及其光钝感突变体08C-8不同时期的游离氨基酸含量Fig．3 The trend graph of the content of soluble amino acids between the light－insensitive mutant 08C－8 and the control cultivar Fuhong 952 during different development stages in kenaf

从图4可知，在苗期、生长中期和现蕾期3个不同时期，红麻福红952和08C－8叶片中可溶性糖与可溶性蛋白比值的变化呈现出高→低→高的变化规律，即呈“V”型的变化规律．在现蕾期，福红952的可溶性糖与可溶性蛋白比值是08C－8的1．59倍，表明福红 952在现蕾前期，叶片生理指标发生了变化，可溶性糖与可溶性蛋白比值的升高可促进现蕾开花;08C－8的可溶性糖和可溶性蛋白含量增加速度较慢，因此可溶性糖与可溶性蛋白比值较低，当可溶性糖与可溶性蛋白比值较低时可延缓植株进入现蕾期．

2．5 可溶性糖与游离氨基酸比值的变化

从图5可知，在苗期、生长中期和现蕾期3个不同时期，红麻福红952和08C－8叶片中可溶性糖与游离氨基酸比值的变化表现为上升趋势，但在苗期08C－8的可溶性糖与游离氨基酸比值略低于福红952，而在生长中期和现蕾期则略高于福红952，该比值的变化和可溶性糖与可溶性蛋白比值的变化有所不同．推测在光周期反应过程中，游离氨基酸含量与可溶性蛋白代谢合成关系密切．

图4 红麻品种福红952及其光钝感突变体08C-8不同时期的可溶性糖与可溶性蛋白比值Fig．4 The ratio of soluble sugar and soluble protein between the light－insensitive mutant 08C－8 and the control cultivar Fuhong 952 during different development stages in kenaf

3 讨论

图5 红麻品种福红952及其光钝感突变体08C-8不同时期的可溶性糖与游离氨基酸比值Fig．5 The ratio of soluble sugar and soluble amino acids between the light－insensitive mutant 08C－8 and the control cultivar Fuhong 952 during different development stages in kenaf

红麻是喜温短日照作物，我国目前生产上种植的多数红麻品种对光长变化的反应都较敏感，对光周期反应较敏感的品种在短日照条件下现蕾开花，但由于红麻是收获营养体的韧皮纤维作物，开花后的纤维累积速度和植株高度显著降低，因此开花期的早迟是红麻纤维产量高低的关键因素之一［12］．

本试验采用蒽酮法测定的可溶性糖包括蔗糖等代谢产物．蔗糖作为植物中最常见的碳水化合物，在成花过程中可能为一种信号物质发挥作用［13］．王占朝［14］研究表明，遮光处理使火鹤叶片中可溶性糖的含量有所增高．张翠华等［15］研究表明，短日照处理的菊花叶片可溶性糖含量明显低于长日照处理，表明菊花成花过程中花芽的形成需要消耗大量的可溶性糖，可溶性糖含量的变化表现为倒“V”型趋势，由此可以推测，在光周期转变的同时菊花叶片中的蔗糖作为感知光周期信号的一种信使分子，可以传递外界环境变化．本试验也获得相似的结果，红麻在生长中期至现蕾期的生长发育过程中，福红952 可溶性糖含量下降 41．76 mg·g－1，而光钝感突变体 08C－8 仅下降 28．81 mg·g－1，表明短日照条件下的光周期诱导促使红麻叶片中的可溶性糖含量升高到一定比值后，可启动成花诱导，因此消耗了大量的可溶性糖．

关于光照对植物叶片含氮化合物的影响方面前人做了很多工作．康彬等［16］研究证实，长日照和短日照诱导水稻后叶片蛋白质产生了变化．袁娟等［17］研究也表明，短日照诱导可提高扁豆叶片中的游离氨基酸总量，表明游离氨基酸为扁豆的成花反应提供了充足的氮源;此外，植物体内的代谢状态(如蔗糖水平)可影响成花．本试验结果也表明，红麻在光周期诱导过程中可溶性蛋白、游离氨基酸的含量也随着光周期诱导发生了相应的变化，即福红952的可溶性糖与可溶性蛋白比值高于光钝感突变体08C－8．红麻叶片中碳氮比的变化也表明，当糖类与含氮化合物的比值即碳氮比高时，可促进红麻开花;比值低时，红麻就不开花．本试验结果符合Klebs［9］提出的控制植物开花的碳氮比假说．

综上所述，在红麻种植栽培的过程中，在开花前期适当增施氮肥有利于延长营养生长，推迟进入生殖生长，从而可提高其韧皮纤维的经济产量．

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