GR24和IAA及互作對甜瓜胚根和不定根生長的影響

李敬蕊,王育博,張 穎,吳曉蕾,宮彬彬,呂桂云,高洪波

(河北農(nóng)業(yè)大學 園藝學院/河北省蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點實驗室/河北省蔬菜產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，河北保定 071001)

甜瓜(CucumismeloL.)是世界十大水果之一，由于栽培周期較短、管理技術(shù)較簡單、經(jīng)濟效益較好等優(yōu)點，其生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大[1]。中國是甜瓜種植與消費第一大國，2017年播種面積約為34.88萬hm2，總產(chǎn)量1232.60萬t[2]，形成了華北、華東、西北等重點發(fā)展區(qū)域，對促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展和提升農(nóng)民收入發(fā)揮重要作用。但是甜瓜種子萌發(fā)或植株生長過程中，經(jīng)常受土壤、施肥、逆境等影響，導致幼苗胚根或根系生長受到抑制或損傷，加之甜瓜根系再生不定根能力弱[3]，嚴重影響甜瓜植株生長、產(chǎn)量和品質(zhì)的形成。但目前對甜瓜根系發(fā)育調(diào)控的研究較少，在生產(chǎn)中促進胚根或不定根發(fā)生的技術(shù)和產(chǎn)品較少，因此促進甜瓜根系生長發(fā)育的研究具有十分重要的理論價值和實踐意義。

根系是固定作物以及吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，也是生理活性物質(zhì)合成和同化的重要部位，因此，根系的發(fā)育是作物形態(tài)建成和產(chǎn)量品質(zhì)形成的基礎(chǔ)，尤其在幼苗期，根系的生長狀況起著決定性作用。多年來的研究證明，植物根系生長與激素密切相關(guān)[4]，其中生長素促發(fā)根系生長的效果因物種不同、濃度不同存在顯著差異[5-6]。一定濃度吲哚乙酸(IAA)可以促進擬南芥?zhèn)雀纳L[7]；IAA對不定根生長也具有濃度效應，低濃度(0.1nmol·L-1)IAA可以促進葉菜型甘薯不定根生長，而高濃度(10nmol·L-1)抑制其生長[8]。因此在生產(chǎn)中需根據(jù)不同作物品種、作物生長階段確定促進根系生長的適宜生長素濃度[9]。進一步研究表明，除生長素外，根系生長也受其他激素調(diào)控[10]。

獨腳金內(nèi)酯(Strigolactones)作為一類萜類小分子化合物，是2008年從獨腳金中發(fā)現(xiàn)的一種新型植物激素[11]，在植物根部合成，具有抑制植物分枝、促進菌絲分枝[12]、刺激種子萌發(fā)[13]等作用，而且獨腳金內(nèi)酯調(diào)控植物生長發(fā)育與生長素、赤霉素、細胞分裂素等植物激素均存在互作效應[14]。近年來研究證明，獨腳金內(nèi)酯參與初生根長度、側(cè)根發(fā)育和根毛伸長的調(diào)控[15]，促進油菜幼苗根系生長[16]，而此過程與生長素關(guān)系密切[17]。但是獨腳金內(nèi)酯和生長素對甜瓜根系生長是否具有濃度效應及促進不同根系生長的適宜濃度尚不明確，兩者對根系發(fā)育的調(diào)控作用和主導因素等問題鮮見報道。

甜瓜幼苗根系的生長發(fā)育是后期形態(tài)建立的基礎(chǔ)，尤其對種子萌發(fā)和幼苗生長期根系發(fā)育至關(guān)重要，促進根系發(fā)育關(guān)鍵在于調(diào)控物質(zhì)和適宜質(zhì)量濃度的篩選。本研究以甜瓜種子和幼苗作為試驗材料，研究不同質(zhì)量濃度獨腳金內(nèi)酯人工合成類似物(GR24)、吲哚乙酸(IAA)及其交互濃度處理對胚根和不定根生長的影響，以期篩選促進甜瓜胚根及不定根生長的最佳質(zhì)量濃度，明確種子萌發(fā)和幼苗生長期調(diào)控根系生長的關(guān)鍵因素，為促進甜瓜健壯生長及提高產(chǎn)量與品質(zhì)提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

以甜瓜品種‘西州蜜25號’為試驗材料，該品種購自新疆西域集團種業(yè)有限責任公司。GR24和IAA均為分析純試劑，分別購自北京大秦興業(yè)科技有限公司和Sigma公司。

1.2 試驗方法及測定指標

1.2.1 對甜瓜胚根生長的影響 挑選飽滿、整齊一致的甜瓜種子，溫湯浸種后在GR24(0.1、0.5、1、2、3、5 mg·L-1)和IAA(0.01、0.05、0.1、0.5、1、3、5、10 mg·L-1)的單一質(zhì)量濃度和交互質(zhì)量濃度溶液中進行處理，以清水作為對照(CK)，每處理重復5次，每處理15粒種子。浸泡5 h后，擺放在鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中，置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進行催芽，溫度設定28 ℃～30 ℃，空氣濕度85%。每天定時補充相應質(zhì)量濃度浸泡溶液，5 d后用根系掃描儀(Epson Expression 1680, Sydney, Australia)測定不同處理胚根長度、數(shù)量、表面積和體積。

1.2.2 對幼苗胚軸不定根生長的影響 挑選整齊一致的甜瓜種子，溫燙浸種后置于清水中浸泡5 h，培養(yǎng)箱中催芽后，選取發(fā)芽整齊的種子播于裝有草炭：蛭石=2∶1的50孔穴盤內(nèi)，置于人工氣候室內(nèi)培養(yǎng)，白天溫度28 ℃±2 ℃，夜間 16 ℃±2 ℃，空氣濕度80%，光照180 μmol·m-2·s-1。待植株子葉完全展開后澆灌1/2倍Hoagland營養(yǎng)液，幼苗長至二葉一心時，選取生長整齊一致的幼苗，在莖基部距基質(zhì)2～3 mm處剪下，置于GR24(0.01、0.05、0.1、0.5、1 mg·L-1)和IAA(75、125、250、375和500 mg·L-1)的單一質(zhì)量濃度和交互質(zhì)量濃度溶液中，浸泡深度約為1.5 cm(從剪切口至子葉下1 cm)，3 h后轉(zhuǎn)入清水培養(yǎng)。每處理重復3次，每重復10株幼苗。處理10 d后用根系掃描儀測定不同處理不定根長度、數(shù)量、表面積和體積。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用 Excel 2016 軟件處理試驗數(shù)據(jù)，并使用 SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因素和 Duncan’s法進行顯著性差異比較(P<0.05)，主成分提取的原則是起始特征值大于1。

2 結(jié)果與分析

2.1 GR24和IAA及互作處理對甜瓜胚根生長的影響

2.1.1 胚根長度 如圖1所示，不同質(zhì)量濃度GR24處理的甜瓜胚根長度是對照的1.15～2.94倍，其中，1.0 mg·L-1GR24處理的胚根最長，顯著高于對照和其他質(zhì)量濃度GR24處理。 0.01～3.0 mg·L-1IAA的處理是對照的1.53～2.86倍，其中，0.1 mg·L-1IAA處理的胚根最長；而高質(zhì)量濃度(5.0～10.0 mg·L-1)IAA處理顯著抑制胚根長度。GR24與IAA互作處理中，0.1 mg·L-1GR24與0.01～5.0 mg·L-1IAA能夠促進胚根長度；0.5 mg·L-1GR24與0.01～1.0 mg·L-1IAA；1.0 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度IAA均能促進胚根長度；高質(zhì)量濃度(2.0～5.0 mg·L-1)GR24與低質(zhì)量濃度(0.05～0.5 mg·L-1)IAA處理促進胚根長度。綜合分析，1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA處理的胚根最長。

2.1.2 胚根數(shù) 圖2表明，GR24與IAA處理對甜瓜胚根數(shù)具有濃度效應，在不同質(zhì)量濃度GR24單一處理中， 1.0 mg·L-1GR24處理的胚根數(shù)最多，是對照的2.37倍；而不同質(zhì)量濃度IAA處理中，0.01～3.0 mg·L-1處理的胚根數(shù)顯著高于對照，是對照的1.06～2.44倍；其中， 0.1 mg·L-1IAA處理的胚根數(shù)最多；而5.0～ 10.0 mg·L-1IAA處理顯著抑制胚根數(shù)。0.1～0.5 mg·L-1GR24與 0.01～1.0 mg·L-1IAA處理均促進胚根數(shù)增加；1.0 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度IAA互作處理中所有處理組合均顯著大于對應GR24和IAA質(zhì)量濃度的單一處理，其中1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA處理的胚根數(shù)達到最高，是對照的4.47倍；高質(zhì)量濃度(2.0～5.0 mg·L-1)GR24與(0.01～10.0 mg·L-1)IAA互作處理中2.0 mg·L-1GR24與0.01 mg·L-1IAA和0.1～ 0.5 mg·L-1IAA、3.0 mg·L-1GR24與0.05～0.5 mg·L-1IAA、5.0 mg·L-1GR24與0.01～0.1 mg·L-1IAA處理的胚根數(shù)高于對照。

2.1.3 胚根表面積 圖3表明，其中0.1～2.0 mg·L-1GR24處理提高甜瓜胚根表面積，比對照提高4.06%～105.56%，且在1.0 mg·L-1時，甜瓜胚根表面積達到最大，而3.0～5.0 mg·L-1GR24處理顯著抑制胚根表面積。不同質(zhì)量濃度IAA處理中，0.05～1.0 mg·L-1IAA處理的胚根表面積增加15.98%～86.72%，其中0.1 mg·L-1IAA處理的胚根表面積最大。兩激素互作處理中，低質(zhì)量濃度(0.1～0.5 mg·L-1)GR24與低質(zhì)量濃度(0.01～0.5 mg·L-1)IAA能夠促進胚根表面積的增加；1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA組合處理的胚根表面積最大，顯著高于對照和相應質(zhì)量濃度GR24和 IAA單一處理，是對照的 2.79倍，分別是單一質(zhì)量濃度激素處理的1.36倍和 1.49倍；2.0 mg·L-1GR24與0.1～0.5 mg·L-1IAA顯著促進胚根生長；而3.0 mg·L-1和5.0 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度 IAA處理均未顯著提高胚根表面積。

2.1.4 胚根體積 如圖4所示，不同質(zhì)量濃度GR24處理中， 0.5～2 mg·L-1GR24處理的甜瓜胚根體積為對照的1.19～2.44倍，呈顯著差異，其中1 mg·L-1GR24處理的胚根數(shù)最多，顯著高于對照和其他質(zhì)量濃度GR24處理。0.5～10 mg·L-1IAA處理提高胚根體積，是對照的1.23～2.36倍，隨著IAA質(zhì)量濃度增加，胚根體積呈現(xiàn)上升趨勢，且0.1 mg·L-1IAA處理的體積最高。1.0 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度IAA互作處理的胚根體積明顯高于其他處理組合，且在IAA質(zhì)量濃度為0.1 mg·L-1時達到最高；0.1 mg·L-1GR24與0.01～3.0 mg·L-1IAA處理、0.5 mg·L-1GR24與 0.01～0.5 mg·L-1IAA和 2.0 mg·L-1GR24與0.01～5 mg·L-1IAA組合促進胚根體積增加；3.0 mg·L-1GR24與 0.05～0.5 mg·L-1IAA處理的胚根體積與對照無顯著差異；5.0 mg·L-1GR24與0.01～0.5 mg·L-1IAA處理顯著增加胚根體積。綜合以上分析，1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA處理對胚根體積促進作用最明顯，顯著高于其他處理。

2.2 GR24和IAA及互作處理對甜瓜胚軸不定根生長的影響

2.2.1 胚軸不定根長度 如圖5所示，不同濃度(0.01～1 mg·L-1)GR24處理的甜瓜胚軸不定根長度均高于對照，其中0.05 mg·L-1和0.1 mg·L-1GR24處理的胚軸不定根長度均顯著高于對照。不同質(zhì)量濃度IAA處理中，75～250 mg·L-1IAA的處理，對胚軸不定根長度有促進作用，是對照的1.1～1.66倍；其中，250 mg·L-1IAA處理的胚軸不定根最長，而375～500 mg·L-1IAA處理顯著抑制胚軸不定根長度。0.01 mg·L-1GR24與125～375 mg·L-1IAA互作處理顯著促進胚軸不定根長度；0.05 mg·L-1GR24與75 mg·L-1IAA、 250～375 mg·L-1IAA組合能夠促進不定根的增長；0.1 mg·L-1GR24與125～250 mg·L-1IAA顯著促進甜瓜胚軸不定根伸長； 0.5 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度IAA互作處理的不定根長度均顯著高于對照，且隨著IAA質(zhì)量濃度增加逐漸增加，并在IAA質(zhì)量濃度為375 mg·L-1時達到最高；1.0 mg·L-1GR24與 125～250 mg·L-1IAA促進不定根生長。綜上，0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA組合對不定根長度促進作用最明顯。

2.2.2 胚軸不定根數(shù)量 由圖6可知，不同濃度 GR24處理的甜瓜胚軸不定根數(shù)量均高于對照，是對照的1.24～1.6倍，其中0.1 mg·L-1GR24處理的胚軸不定根最多，顯著高于對照。隨著IAA質(zhì)量濃度的增加，胚軸不定根數(shù)量呈現(xiàn)升高趨勢，且在IAA濃度為500 mg·L-1時，胚軸不定根數(shù)量最高，是對照的1.59倍。0.01～1 mg·L-1GR24與IAA互作處理的不定根數(shù)量，隨著IAA質(zhì)量濃度增加而逐漸升高，并均在IAA質(zhì)量濃度為250 mg·L-1時達到最多，均顯著高于對照，分別比對照高 55.17%、72.41%、 134.48%、93.10%和 47.41%。但是0.1 mg·L-1GR24與75 mg·L-1、375 mg·L-1和500 mg·L-1IAA互作處理、 0.5 mg·L-1GR24與75 mg·L-1IAA互作處理，1 mg·L-1GR24與500 mg·L-1IAA互作處理均顯著抑制不定根數(shù)量。

2.2.3 胚軸不定根表面積 圖7表明，不同質(zhì)量濃度GR24處理的甜瓜胚軸不定根表面積均高于對照，其中0.05～1 mg·L-1GR24處理的不定根表面積比對照高40.79%～237.78%，顯著高于對照。不同質(zhì)量濃度IAA處理的胚軸不定根表面積呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，不同質(zhì)量濃度IAA的處理，對胚軸不定根表面積均有促進作用，且隨著IAA質(zhì)量濃度增加呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，其中，250 mg·L-1IAA處理的胚軸不定根表面積最大。0.01 mg·L-1和0.05 mg·L-1GR24與IAA互作處理的不定根表面積隨著IAA質(zhì)量濃度增加而增加，分別在IAA質(zhì)量濃度為375 mg·L-1和125 mg·L-1時達到最高，且顯著高于對照；0.1 mg·L-1GR24與75～375 mg·L-1IAA互作處理均顯著高于對照；0.5 mg·L-1GR24與75 mg·L-1和125 mg·L-1IAA互作處理顯著提高不定根表面積；1.0 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度IAA互作處理的不定根表面積無顯著差異，均顯著高于對照。綜合以上分析，0.1 mg·L-1GR24與250 mg·L-1IAA互作處理對甜瓜胚軸不定根表面積促進作用最明顯。

2.2.4 胚軸不定根體積 如圖8所示，不同質(zhì)量濃度(0.01～1 mg·L-1)GR24處理的甜瓜胚軸不定根體積均高于對照，其中0.1 mg·L-1GR24處理的胚軸不定根體積最大，顯著高于對照。不同質(zhì)量濃度IAA處理的胚軸不定根體積差異顯著，其中，250 mg·L-1IAA處理的胚軸不定根體積最大，顯著高于對照，是對照的7.21倍。GR24與IAA互作處理中，0.01 mg·L-1GR24與不同質(zhì)量濃度IAA處理均促進不定根體積增加；0.05～0.5 mg·L-1GR24與75～375 mg·L-1IAA處理均對不定根體積的增加有促進作用，其中0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA組合處理的促進作用最大，顯著高于對照和單一激素處理，是對照的10.27倍，是不同濃度GR24和IAA處理的 1.69倍和1.43倍；1.0 mg·L-1GR24與75～250 mg·L-1IAA處理對甜瓜胚軸不定根體積具有促進作用。

2.3 甜瓜種子胚根和胚軸不定根生長指標的主成分分析

由于各處理對甜瓜種子胚根和胚軸不定根生長指標表現(xiàn)趨勢不一致，無法最終確定不同濃度GR24和IAA及互作處理的作用效果。因此，分別對胚根和胚軸不定根的4個生長指標進行主成分分析，以此確定胚根和胚軸不定根的主要因子。由主成分分析結(jié)果可以看出，起始特征值>1的甜瓜種子胚根生長主成分有1個，其方差貢獻率為70.20%，表明胚根生長的4項生長指標存在較好的關(guān)聯(lián)性，可以提取1個主成分；起始特征 值>1的甜瓜種子不定根生長主成分也有1個，其方差貢獻率為79.29%，表明不定根生長的4項生長指標之間同樣存在較好的關(guān)聯(lián)性，可以合為1個主成分(表1)。

表1 甜瓜種子胚根和胚軸不定根的主成分Table 1 Principal component in radicle and adventitious roots

對上述主成分1進行分析得到載荷矩陣(表2)，由載荷矩陣可以看出，4個指標均對胚根和不定根產(chǎn)生正向影響，說明不論是胚根還是不定根，其主成分1均可反映這些指標的信息。用各指標變量的主成分載荷除以主成分相對應的特征值開平方根，得到胚根和胚軸不定根主成分中每個指標所對應的系數(shù)即特征向量，以特征向量為權(quán)重構(gòu)建主成分的函數(shù)表達式，即胚根主成分1= 0.548×胚根長度+0.524×胚根數(shù)量+0.533×胚根表面積+0.375 ×胚根體積；不定根主成 分1 =0.509×不定根長度+0.522×不定根數(shù)量+0.464×不定根表面積+0.504×不定根 體積。

表2 甜瓜種子胚根和胚軸不定根主成分1的載荷矩陣Table 2 Load matrix of principal component 1 of radicle and adventitious roots

2.4 甜瓜種子胚根和胚軸不定根生長主成分1的方差分析

對種子胚根主成分1進行方差分析，結(jié)果表明，GR24與IAA處理對胚根生長存在互作作用(P=0.012；P=0.019)，且兩者互作效應顯著，其中GR24和IAA對胚根生長均具有極顯著的濃度效應(P<0.001)。對胚軸不定根主成分1進行方差分析，結(jié)果表明，GR24與IAA處理對胚根生長互作效應顯著，其中GR24(P=0.023)具有顯著的濃度效應，而IAA(P<0.001)具有極顯著的濃度效應(表3)。

表3 甜瓜種子胚根和胚軸不定根生長主成分1的方差分析Table 3 Variance analysis of principal component 1 in radicle and adventitious roots

GR24、IAA及互作均影響甜瓜種子胚根和胚軸不定根主成分1(圖9)。其中，不同濃度GR24單一處理中1.0 mg·L-1GR24明顯促進種子胚根生長，而0.1 mg·L-1GR24促進胚軸不定根生長作用最明顯。不同IAA質(zhì)量濃度單一處理中促進種子胚根和胚軸不定根生長的最佳單一IAA質(zhì)量濃度分別為0.1 mg·L-1和250 mg·L-1。在所有處理中1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA對種子胚根促進作用最明顯；而 0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA明顯促進胚軸不定根生長。

3 討 論

植物根系生長與植物激素種類和濃度有關(guān)。研究表明，GR24作為一種新型植物激素，具有影響植物根系生長的作用，且對初生根和側(cè)根的生長均具有濃度效應。但是在不同植物中其濃度效應不一致。在擬南芥中1.25～2.5 μmol·L-1GR24促進初生根生長，而5～10 μmol·L-1GR24抑制擬南芥初生根生長[18]。低濃度(1.8×10-4～1.8 μmol·L-1)GR24處理促進油菜側(cè)根發(fā)育，高濃度(18 μmol·L-1)GR24處理則具有抑制作用[17]。進一步研究表明，GR24可對微管形成層進行誘導，使其分生組織分化，促進植物根系次生生長，增加根系的表面積和體積[19]。本研究結(jié)果表明，GR24對胚根和不定根生長均具有濃度效應，低質(zhì)量濃度GR24促進胚根和不定根的生長，高質(zhì)量濃度GR24抑制其生長。GR24促進胚根和不定根生長的最佳質(zhì)量濃度不同， 0.5～1 mg·L-1GR24促進胚根生長，其中 1 mg·L-1GR24效果最顯著；而0.01～ 1 mg·L-1GR24促進甜瓜胚軸不定根生長，以 0.1 mg·L-1GR24效果最顯著。

生長素對根系生長同樣具有濃度效應[20]。低濃度(30～300 μmol·L-1)IAA促進刺果瓜幼苗根伸長生長，而高濃度(3 000 μmol·L-1)IAA明顯抑制了根的伸長[21]；10 μmol·L-1IAA處理的黃瓜幼苗不定根數(shù)量顯著增加[22]。因此，不同植物根系生長所需生長素濃度不同。本試驗結(jié)果表明，IAA促進甜瓜種子生根的質(zhì)量濃度范圍是在0.1～0.5 mg·L-1，最適合胚根生長的IAA質(zhì)量濃度為0.1 mg·L-1。促進甜瓜胚軸不定根生長的質(zhì)量濃度范圍是在125～250 mg·L-1，最適合胚軸不定根生長的IAA質(zhì)量濃度為250 mg·L-1。

植物激素共同作用影響根系生長。獨腳金內(nèi)酯對番茄根系生長的影響與外源生長素有關(guān)。在生長素存在的情況下，隨著獨腳金內(nèi)酯濃度的增加，番茄根長增加[15]。獨腳金內(nèi)酯對根形成的影響可能是通過調(diào)節(jié)局部生長素水平或敏感性[23]。本研究結(jié)果表明，適宜質(zhì)量濃度的GR24和 IAA互作對甜瓜根系生長具有顯著促進作用。0.5～1.0 mg·L-1GR24+0.1～0.5 mg·L-1IAA處理促進胚根生長，其中1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA作用最顯著。而0.01～ 1 mg·L-1GR24+250～375 mg·L-1IAA處理促進不定根生長，其中0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA作用最顯著。

4 結(jié) 論

GR24和IAA對甜瓜胚根和不定根生長具有濃度效應，且對胚根和不定根發(fā)生的作用具有明顯質(zhì)量濃度差異，1.0 mg·L-1GR24+0.1 mg·L-1IAA處理對胚根生長最為顯著，顯著高于對照和單一激素處理；0.1 mg·L-1GR24+250 mg·L-1IAA的處理顯著促進不定根生長。多因素方差分析表明，GR24和IAA處理促進甜瓜胚根和不定根生長過程中均具有顯著調(diào)控作用，且互作作用和濃度效應明顯。表明不論是激素單一處理還是二者互作處理，對甜瓜種子萌發(fā)和根系生長均具有濃度效應，但是對于其調(diào)控根系的分子機理還需進一步研究。