菜豆的生長發育及生理特性研究

何永恒，馮國軍，劉大軍，劉 暢，楊曉旭，閆志山

（1黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱150080；2黑龍江大學現代農業與生態環境學院，哈爾濱150080）

0 引言

菜豆(Phaseolus vulgaris)又名四季豆、蕓豆等，按豆莖的生長習性可分為矮生菜豆和蔓生菜豆[1]，矮生菜豆相比于蔓生菜豆具有生育期、收獲期短，種植成本低，便于生產管理等優點，但也存在產量、經濟效益低，不耐澇等缺點。然而有關蔓生與矮生菜豆對比的研究較少，且多數關于株型、株高、產量等農藝性狀，而少有對菜豆生理特性的報道。

光合作用是植物生長發育的基礎，隨著植株發育呈現動態水平，其作用強弱決定植株長勢與效益[2]，不同植株不同時期之間存在較大差異花芽分化期[3]。和花期是植物發育的關鍵時期，此時植株由營養生長轉變為生殖生長，逐漸形成生殖器官，即從葉芽的生理組織狀態轉化為花芽的生理組織狀態，進而發育成花器官原基雛形的過程[4-5]。這是一個形態和生理生化建成的過程，分化的好壞又直接影響開花率及果實的產量。

前人大多以單一菜豆品種或性狀展開花芽形態、生理測定等研究，少有對矮生和蔓生對比分析，筆者選取矮生和蔓生2個菜豆品種，探究兩者花芽分化的形態差異及分化過程中植物光合速率等生理指標的變化，以期探討不同生長類型菜豆發育特性。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料來自黑龍江大學園藝學課題組，分別挑選120粒飽滿的‘將軍’和‘熱那亞’菜豆種子于2020年7月在黑龍江大學試驗田進行播種，壟距60 cm，穴距30 cm，每壟10穴，分4壟，每穴播種3粒，出苗后每穴保苗2株，正常大田管理。

1.2 實驗方法

1.2.1 農藝性狀測定 初生真葉完全展開至葉腋或頂端開始出現凸起的生長錐之前，視為菜豆苗期；葉腋或頂端開始出現凸起的生長錐至開花前，視為開始花芽分化期；菜豆從產生旗瓣、翼瓣展平的開放花苞至不再開花視為花期。所有種植材料中，超過50%菜豆達到上述生長狀態即認為到達該發育時期，以此記錄菜豆各生長發育階段開始及持續的時間。

測定出苗后15、30、45、60天植株干、鮮重，計算絕對生長速率，如式(1)，每次隨機選取3株作為生物重復，測定各項農藝指標并計算均值。

式中，W1為前期鮮重，W2為后期鮮重，T1為前期時間，T2為后期時間。

1.2.2 花芽石蠟切片 在熱那亞花芽分化初期（播種后15天）和將軍花芽分化初期（播種后18天），一次性采摘分化初始期、花序原基分化期、萼片分化期、雌雄蕊原基分化期、花瓣原基分化期、雌雄蕊原基分化后期、花器官完成期的‘熱那亞’和‘將軍’飽滿無病害花芽，并用FAA固定液固定[6]，采用常規石蠟切片法，即材料的固定→軟化→各級濃度的乙醇溶液脫水→透明→浸蠟→包埋→切片→展片→脫蠟→番紅染色→固綠染色→脫水→透明，用加拿大中性樹膠封片，制成永久切片。用萊卡DM4000 B LED正置顯微鏡觀察、拍照。

1.2.3 光合速率測定 選‘將軍’和‘熱那亞’葉片（苗期取倒數第3片三出復葉，花期‘熱那亞’和‘將軍’分別取倒數第5節和第8節三出復葉）進行掛牌標記，于9:30—11:00利用美國思愛迪(CID)CI-340便攜式光合作用測定儀，測定出苗后15、20、30、35、40、45、50、55、60、65天葉片的光合指標[光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)][7]，每個葉片重復3次，共測5片。

1.2.4 蛋白質含量測定 選‘將軍’和‘熱那亞’葉片（苗期取倒數第3片三出復葉，花期‘熱那亞’和‘將軍’分別選取倒數第5節和第8節三出復葉）進行掛牌標記，取出苗后15、20、30、35、40、45、50、55、60、65天葉片，剪碎混勻后稱0.5 g用錫紙包好置于液氮中速凍，每個樣品重復3次，用于蛋白質含量的測定[8]。

1.2.5 數據處理 所有測定指標均取3次重復的平均值，繪圖采用Excel完成，差異顯著性采用DPS軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 菜豆絕對生長速率

苗期（0～15天）‘熱那亞’絕對生長速率是‘將軍’的2.14倍，之后進入生殖生長，‘將軍’絕對生長速率急增超過‘熱那亞’，2個品種的絕對生長速率均在花期達到最大值，‘將軍’花期（45～60天）為‘熱那亞’花期（31～45天）的2.12倍（圖1）。

圖1 菜豆絕對生長速率

2.2 菜豆苗期、分化期及花期各階段持續時間

菜豆于7月17日播種，7月20日破土，7月25日出苗完成。‘熱那亞’8月5日開始花芽分化，8月16日進入花期，8月26日花期結束；‘將軍’8月8日開始花芽分化、9月1日進入花期（表1）。由此可見，矮生菜豆進入花芽分化時期和開花期均早于蔓生菜豆。

表1 菜豆花期前各階段持續時間

2.3 菜豆花芽分化的過程及特征

菜豆花芽分化是一個連續的過程。為了便于記載和描述，根據花器官的分化順序分為7個時期，分別是分化初始期、花序原基分化期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雌雄蕊原基分化期、雌雄蕊原基分化后期、花器官完成期[9-10]。

分化初始期作為花芽分化的起始時期，出現在出苗后10天左右，‘熱那亞’從頂端依次向下產生花芽，‘將軍’從中部葉腋分別向上下產生花芽，且‘將軍’的分化初始期出現較‘熱那亞’晚3天左右（圖2R1、D1）。

花序原基分化期花芽的生長錐快速發育變成扁平狀，并分化成序軸節，節上生長出片狀的序節苞片（圖2R2、D2）。

萼片分化期花序原基體積不斷增大。首先在其頂部相對的兩側分化產生1對小花苞片內苞，其葉平面又與分枝苞外苞的葉平面垂直。小花苞片一出現，花原基頂端很快出現一圈不連續的堰狀突起即花萼原始體（圖2R3、D3）。

雌雄蕊原基分化期花萼半包小花，長度占小花的2/3，頂端有一小孔。這個時期花萼原基向上隆起長大，在原基頂端周圍出現圍成一周的幾個小珠狀突起，中央處還有一個較高一些的乳狀突起，這就是雄蕊和雌蕊原基，它們都被已迅速伸長并向心包合的幼小花萼包裹著。此時已有明顯的分枝（圖2R4、D4）。

花瓣原基分化期雄蕊原基外側出現花瓣原基，心皮縫對應的近軸花瓣原基（旗瓣原基）分化不明顯（圖2R5、D5）。

雌雄蕊原基分化后期花萼將小花緊緊包住，頂端呈圓錐形，內部隨著花冠原基出現后不久，第一輪外輪雄蕊的花萼分化出來，而后是第二輪內輪雄蕊的花藥出現。花瓣中旗瓣發育最快并抱合其他花瓣，抱合前雌蕊子房腔內，已有了胚珠突起，整個雄蕊群中花藥、花絲己能明顯區別開來，花藥內已出現花粉母細胞（圖2R6、D6）。

產生大小孢子后，花器進入增長高峰期，花器明顯肥大起來，進入花器官完成期。高速伸長的花冠自花萼伸出，在此階段生長并達到定長。花瓣、萼片等覆蓋物逐漸伸長，把生殖器官覆蓋，形成蕾（圖2R7、D7）。

圖2 花芽分化進程圖

2.4 蛋白質含量

‘熱那亞’花芽分化發育期為8月5—15日，花期為8月16—25日‘；將軍’花芽分化發育期為8月10—31日，花期為9月1—20日。為方便對比2個菜豆不同時期各指標的差異，所以用各時期的中間值進行對比，即‘熱那亞’花芽分化期（8月10日）與‘將軍’花芽分化（8月20日）相比‘，熱那亞’花期（8月20日）與‘將軍’花期（9月10日）相比。

‘熱那亞’花芽分化期蛋白質含量顯著高于‘將軍’，但花期‘熱那亞’顯著低于‘將軍’（圖3）。‘熱那亞’分化期先升高后下降，到花期中期（8月20日）達到最低值，之后又上升；‘將軍’在同樣時間段與‘熱那亞’表現出相同規律，但‘熱那亞’在發育后期蛋白質含量驟降（圖4）。

圖3 各時期葉片蛋白質含量

圖4 各時間點葉片蛋白質含量

2.5 光合速率

‘熱那亞’花芽分化期凈光合速率呈上升趨勢且顯著高于‘將軍’，其花期呈現先上升后下降的趨勢，且兩者花期光合速率無顯著差異（圖5）。

圖5 各時期葉片凈光合速率

‘熱那亞’花芽分化期蒸騰速率呈上升趨勢，花期下降，各時期騰速率顯著高于‘將軍’；而‘將軍’分化期呈下降趨勢，花期呈現2個波峰，在開花前期（9月5日）和開花后期（9月15日）達到2個峰值（圖6）。

圖6 各時期葉片蒸騰速率

‘熱那亞’花芽分化期氣孔導度與‘將軍’無明顯差異，花期顯著高于‘將軍’。‘熱那亞’分化期上升，花期下降；‘將軍’分化期呈下降趨勢，花期呈2個波峰，在開花前期（9月5日）和開花后期（9月15日）達到2個峰值（圖7）。

圖7 各時期葉片氣孔導度

‘熱那亞’花芽分化期胞間二氧化碳濃度顯著高于‘將軍’（圖8），花期無明顯差異，且‘熱那亞’花期結束（8月30日）前葉片胞間二氧化碳濃度先降低后升高，花期開始時（8月15日）達到峰值；‘將軍’表現出相同規律，但最低值出現在花期中期（9月10日）。

圖8 各時期葉片胞間二氧化碳濃度

3 結論與討論

矮生菜豆出苗期在播種后8～9天[11]，初花期在播種后35～40天[12]，時間略長于本研究結果，但劉庭付等[13]在浙江地區5月20日播種的蔓生菜豆與本實驗中‘將軍’的始花期均在播種后45天開花。推測可能是本實驗種植在7月中旬，高溫促進了植株生長發育。‘將軍’分化前期花芽分化速度較慢，開始分化10天后速率升高；花期持續時間20天，是‘熱那亞’的2倍，‘將軍’開花較為分散且花期持續時間長，‘熱那亞’開花集中且花期持續時間短。形成蔓生菜豆采摘期持續時間長，矮生菜豆統一收獲且節省成本等特點。對2個不同品種菜豆花芽的分化初始期、花序原基分化期、萼片原基分化期、雌雄蕊原基分化期、花瓣原基分化期、雌雄蕊原基分化后期、花器官完成期7個時期[6]的花芽制作石蠟切片發現，‘熱那亞’和‘將軍’的花芽分化過程、形態結構無明顯差異。但兩者開始分化的時間相差2～3天，且‘熱那亞’在開始分化后即進入快速的花芽分化期，而‘將軍’在‘熱那亞’進入花芽分化期2～3天后只出現少量分化的花芽，直到開始分化后15天才逐漸產生較多花芽。

在菜心[14]、杜鵑花[15]、西紅柿[16]、芒果[17]、棗花[18]等作物中均發現蛋白質等營養物質對植物花芽分化發揮著重要作用。楊春民[19]和王利琳[20]發現黃瓜子葉培養物花芽分化初期，可溶性蛋白含量呈下降趨勢；而本實驗中，‘熱那亞’花芽分化期蛋白質含量顯著高于‘將軍’，推測是因為‘熱那亞’分化期時間短，為完成花芽分化、形成花苞而積累大量蛋白質。‘將軍’和‘熱那亞’開始分化后，蛋白質含量顯著上升，到開花前達到峰值[21-22]，開花后驟降，并在開花后期有所回升。推測是開花初期植株蛋白質消耗大，且蛋白質的合成和消耗高峰期會集中在特定時期。

本實驗中‘將軍’伸蔓期（8月10—30日）凈光合速率顯著高于苗期（8月5日），其伸蔓期主要以營養生長為主，凈光合速率相較苗期有所增加[23-24]，但‘將軍’的凈光合速率低于‘熱那亞’；同時發現始花期是植株營養生長向生殖生長的過渡期，凈光合速率有所降低，這與‘將軍’的花期凈光合速率規律一致，但‘熱那亞’在花期并沒有表現出下降趨勢，而是穩定維持在較高水平。

‘將軍’和‘熱那亞’胞間二氧化碳濃度在測定的前期（8月10日）和后期（9月20日）較高，符合苗期植株生長對CO2的需求較小，光合能力弱；后期溫度較低、光照輻射較弱，導致胞間CO2濃度較高。劉麗娜等[25]發現，隨著生長發育進程的推進，氣溫不斷升高，光照強度增加，光合能力增強，對水分需求增加，胞間CO2濃度呈降低趨勢，與本研究結果一致。同時‘熱那亞’在花芽分化期的凈光合速率與胞間二氧化碳濃度均顯著高于‘將軍’，與翟錫姣等[16]發現的光合速率與胞間二氧化碳濃度呈正比的結果一致。

‘將軍’、‘熱那亞’的氣孔導度與蒸騰速率呈正相關，因為氣孔導度降低引起水分由葉片向外排放的阻力增大，導致蒸騰速率降低。本研究中，‘熱那亞’在花期的氣孔導度和蒸騰速率顯著高于‘將軍’，在其他菜豆[26]和山楂[27]的研究中也同樣發現矮生植株下表皮的氣孔數大于蔓生品種。

本實驗發現了矮生菜豆‘熱那亞’與蔓生菜豆‘將軍’花芽分化結構與時間、發育時期、生理特性等方面的特點，簡單揭示了蔓生與矮生菜豆之間生長發育、生理特性的異同點，為進一步研究矮生于蔓生菜豆品種發展間套作種植模式，改善蔬菜田間配置，實施高產栽培技術提供了理論依據和支持。在本研究中，由于矮生菜豆與蔓生菜豆生長高度的差異，光合測定及生理指標測定時僅選擇一個節位的葉片，不能夠全面對比兩者的差異，建議后續試驗每次取樣時，按植株高度合理選取多個節位樣品進行測定。本研究僅從生理角度對不同生長習性菜豆進行分析，接下來可以從分子角度，利用高通量測序技術，挖掘不同生長習性菜豆的差異基因。