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滇杨与毛白杨插穗内源激素含量的比较研究

于雷, 何小帆, 周安佩, 甘沛华, 邹辛联, 纵丹, 何承忠

于雷, 何小帆, 周安佩, 等. 滇杨与毛白杨插穗内源激素含量的比较研究[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2018, 33(4): 715-720. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).201805048
引用本文: 于雷, 何小帆, 周安佩, 等. 滇杨与毛白杨插穗内源激素含量的比较研究[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2018, 33(4): 715-720. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).201805048
Lei YU, Xiaofan HE, Anpei ZHOU, et al. Comparative Study on the Endogenous Hormone Contents in Cuttings of Populus yunnanensis and P. tomentosa[J]. JOURNAL OF YUNNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(Natural Science), 2018, 33(4): 715-720. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).201805048
Citation: Lei YU, Xiaofan HE, Anpei ZHOU, et al. Comparative Study on the Endogenous Hormone Contents in Cuttings of Populus yunnanensis and P. tomentosa[J]. JOURNAL OF YUNNAN AGRICULTURAL UNIVERSITY(Natural Science), 2018, 33(4): 715-720. DOI: 10.12101/j.issn.1004-390X(n).201805048

滇杨与毛白杨插穗内源激素含量的比较研究

基金项目: 国家自然科学基金项目(31360184,31460205);云南省教育厅基金项目(2015J094);云南省博士研究生学术新人奖项目(51500801);云南省高校林木遗传改良与繁育重点实验室开放基金项目(YNGB201502)
详细信息
    作者简介:

    #对本文贡献等同,为并列第一作者。于雷(1989—),男,黑龙江牡丹江人,在读硕士研究生,主要从事林木分子生物学研究。E-mail: 815228722@qq.com

    何小帆(1991—),女,甘肃民勤人,在读硕士研究生,主要从事林木遗传育种与分子生物学研究。E-mail: 894102319@qq.com

    通信作者:

    何承忠(1970—),男,甘肃民勤人,博士,教授,主要从事林木遗传育种与分子生物学研究。E-mail: hcz70@163.com

摘要:
目的 对滇杨和毛白杨插穗基部皮层内源激素测定,探讨插穗生根过程中内源激素对不定根形成的影响。
方法 以易生根的滇杨和难生根的毛白杨为试材进行扦插繁殖,采用高效液相色谱法(HPLC)检测2种杨树插穗基部(土面以下)皮层内源生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3)和玉米素(ZT)含量的动态变化。
结果 滇杨插穗7 d时产生愈伤组织,21 d时不定根形成,毛白杨21 d出现愈伤组织,直至49 d都无不定根形成。滇杨插穗基部皮层内IAA和ZT含量均略高于毛白杨,但差异均不显著(P>0.05);毛白杨插穗基部皮层于整个观测期内有高浓度的ABA和GA3富集,且与滇杨插穗基部皮层的含量差异均达极显著水平(P<0.01)。
结论 IAA或ZT并不是影响毛白杨扦插难生根的主要因素,而高含量的ABA和GA3可能抑制了其插穗不定根的形成。

 

Comparative Study on the Endogenous Hormone Contents in Cuttings of Populus yunnanensis and P. tomentosa

Abstract:
Purpose Endogenous hormones contents in cortices of the cutting base of Populus yunnanensis and P. tomentosa were tested to investigate the effect of endogenous hormones on adventitious root formation of cuttings.
Methods The cuttings of easy-to-root P. yunnanensis and difficult-to-root P. tomentosa were cultured in soil. High performance liquid chromatography (HPLC) was used to examine the dynamic changes of IAA, ABA, GA3 and ZT in cortices of the cutting base.
Results The cuttings of P. yunnanensis were 7 d for forming callus and 21 d for formatting adventitious roots, while P. tomentosa had callus in 21 d and failed rooting by 49 d. The contents of IAA and ZT in cortices of the cutting base of P. yunnanensis were higher than those in cortices of the cutting base of P. tomentosa, but the difference was not significant (P>0.05). However, the ABA and GA3 contents in cortices of the cutting base of P. tomentosa were significantly higher than those in cortices of the cutting base of P. yunnanensis throughout the rooting process (P<0.01).
Conclusion IAA and ZT were not the main factors to affect the adventitious root formation, but the high contents of ABA and GA3 in cortices of the cutting base could be the main inducement of cuttings of P. tomentosa failed to take adventitious roots.

 

  • 杨树是杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus L.)树种的统称,因其生长快、适应性强、用途广而被世界许多国家和地区广泛栽培和利用,是当今世界中纬度地区栽培面积最广、木材产量最多的树种之一[1-3]。中国具有丰富的杨树种质资源,占世界杨树种类的50%以上,其中白杨派和青杨派中的许多树种均为中国所特有,且分布非常广泛[4-6]。毛白杨(P. tomentosa)属白杨派(Section Leuce),为中国优良的速生树种之一,以材质好、生长快、冠形优美等特点而为人们所喜爱,是优良的庭园绿化和行道树种,但硬枝扦插不易成活,限制了其栽培利用[7-8]。滇杨(P. yunnanensis)为青杨派(Section Tacamahaca)树种,主要分布于云南省中部、北部和南部,贵州省西部及四川省西南部等地区中海拔范围1 300~3 200 m间的山地,具有分布海拔梯度变化大,适应性强,生长迅速,扦插易于生根等优良特性,是典型而稀有的低纬度高海拔南方型杨属树种,可用于插杆造林[9-11]

    本试验以扦插难以生根的毛白杨和扦插易于生根的滇杨为试材,比较二者插穗生根过程中内源激素生长素(indole-3-acetic acid, IAA)、玉米素(zeatin, ZT)、赤霉素(gibberellin, GA3)和脱落酸(abscisic acid, ABA)的动态变化,探讨该4种内源激素对2种杨树生根难易程度的影响,为揭示毛白杨扦插不易生根的内部机制奠定研究基础。

    以前期收集并繁殖保存的滇杨和毛白杨3株优树为母体,剪取截干后1年生长势与粗度相近的滇杨与毛白杨萌生枝用于制作插穗,插穗长度为30 cm,上部保留2~3颗饱满侧芽。参照随机区组试验设计方法,每小区1个基因型,10株小区,按株行距30 cm×40 cm扦插于不添加任何肥料的苗床上,扦插深度约15 cm。树种间各小区相互交错排列。以扦插第0 天为起始,每隔7 d取样1次,至第49天,共取样8次。每次随机选取滇杨和毛白杨3个基因型各1根插穗切取基部皮层提取内源激素,共计3个生物学重复。

    采集的插穗样品用清水冲洗干净沙土,再经蒸馏水冲洗,砂布擦干表面水分。用手术刀切取插穗土面以下2 cm至插穗基部端口以上2 cm之间的所有树皮。若插穗已萌生不定根,则去除不定根。液氮充分研磨,−80 ℃保存备用。

    参照李佳蔓等[12]的方法提取IAA、ABA、GA3和ZT。提取IAA、ABA和GA3的方法为:称取样品粉末约1.0 g,加入10 mL甲醇4 ℃静置18 h,过滤甲醇冲洗样品,并合并滤液;加入等体积的石油醚分液,萃取2次(弃醚相),45 ℃减压蒸干;加NaHCO3 (pH 8.5)溶解,用H3PO4调pH至2~3,等体积乙酸乙酯萃取2次,合并酯相,45 ℃旋转蒸干,1 mL 甲醇定容,0.45 μm 的有机系微孔滤膜过滤,作为供试液保存于4 ℃冰箱。提取ZT的方法为:用提取IAA、ABA和GA3相同的方法处理样品,调节pH至2~3,Sep-Pak C18小柱分离纯化,依次以纯水、50%甲醇、100%甲醇洗脱,收集50%甲醇洗脱液,45 ℃旋转蒸干;1 mL 甲醇定容,0.45 μm 的有机系微孔滤膜过滤,作为供试液保存于4 ℃冰箱。

    于Agilent 1200 Series高效液相色谱仪上采用外标峰面积法进行4种内源激素的定量检测,试验条件为柱温30 ℃,流速1 mL/min,进样量10 μL,检测波长:GA3,210 nm;IAA和ABA,254 nm;ZT,280 nm。

    对滇杨和毛白杨插穗基部皮层内4种内源激素的含量测定值分别进行统计分析,比较滇杨和毛白杨4种内源激素含量的变化。所得数据用Excel 2003进行整理,采用SPSS 13.0进行数据分析,应用Origin 8.5软件进行相关图形的绘制。

    根据对取样时挖取的插穗基部观测表明:扦插第7天,滇杨插穗开始出现愈伤组织,并在21 d观测到不定根的出现,而毛白杨在21 d出现愈伤组织,但直到49 d都没有形成不定根(图1)。

    图  1  滇杨和毛白杨的愈伤组织及不定根
    注:a)和b)分别表示扦插第7天和21天的滇杨;c)表示扦插第21天的毛白杨。
    Figure  1.  The adventitious root and callus of P. yunnanensis and P. tomentosa
    Note: a) and b) were P. yunnanensis at 7 d and 21 d, and c) was P. tomentosa at 21 d.

    于49 d观测期内,滇杨IAA含量略高于毛白杨,但差异均不显著,且2种杨树均于7 d (滇杨出现愈伤组织)时具有较高IAA含量[滇杨插穗为219.55 μg/g (FW),毛白杨插穗为200.26 μg/g(FW)],而21 d时(滇杨不定根形成,毛白杨产生愈伤) IAA含量均较低。前5个观测期内(0、7、14、21和28 d),滇杨的ZT含量较高,与毛白杨差异仅于0 d时达显著水平,而后3个观测期(35、42和49 d),毛白杨的ZT含量略高,但差异不显著。毛白杨ABA含量和GA3含量于整个观测期内均高于滇杨,其中,毛白杨ABA含量在第0、21、28和49天时显著或极显著高于滇杨,而毛白杨GA3含量于第7~35天共5个时期显著或极显著高于滇杨(图2)。

    图  2  滇杨和毛白杨插穗内源激素含量的动态变化
    注:*表示差异显著, **表示差异极显著;下同。
    Figure  2.  Dynamic changes of endogenous hormones contents in cuttings of P. tomentosa and P. yunnanensis
    Note: * stands for the significant difference, and ** stands for the very significant difference; the same as below.

    图3所示:以滇杨为参照,毛白杨的IAA/ZT于0、7 、28和35 d时较高,其余观测期较低,但差异均不显著。IAA/ABA、ZT/ABA、IAA/GA3和ZT/GA3比值在整个观测期内均低于滇杨,其中,2种杨树的IAA/ABA和ZT/ABA比值差异于0和14 d时达极显著水平,而IAA/GA3和ZT/GA3比值于0、7、14和28 d时差异显著。毛白杨插穗基部的ABA/GA3结果在观测期内均高于滇杨,但差异不显著。

    图  3  滇杨和毛白杨插穗内源激素含量比值的动态变化
    Figure  3.  Dynamic changes of endogenous hormones ratios in cuttings of P. tomentosa and P. yunnanensis

    根是植物长期进化过程中形成的适应陆生生活的重要器官之一,主要分为3种,主根源于种子中的胚根,侧根为主根发育出的分支,这2种根均属于直根系,而不定根属须根系,通常在某种环境胁迫下,由地上部分的器官(如茎)发生而成[13]。在林木无性繁殖过程中,扦插技术难易程度直接取决于不定根是否发生。不定根的形成由环境和内源激素相互作用、共同调控[14]。许多研究认为IAA是调节不定根发生和发育的主要内源激素,而其他内源激素主要通过与生长素的互作调节而起作用[15]。本研究结果显示:滇杨与毛白杨插穗基部皮层中,滇杨的IAA和ZT含量较高,但2个树种之间的差异并不显著,而毛白杨插穗基部皮层的ABA和GA3则在整个观测期内含量较高,表明IAA或ZT含量的高低并不是影响毛白杨扦插难生根的主要因素,而高浓度的ABA和GA3可能抑制了毛白杨插穗不定根的形成。

    皮层内的IAA主要集中于细胞分裂活动旺盛的形成层区[16],其局部富集有助于刺激不定根发生[17],是不定根原基起始的必要条件,直到根原基形成后,生长素才会迅速转移至其他生长活跃的部位[18]。但也有许多研究表明IAA与植物生根难易没有直接关系[19-20]。董宁光[21]对杨树嫩茎生根研究表明:低浓度的细胞分裂素促进生根,高浓度则抑制生根。欧阳群芳等[15]对欧洲云杉生根过程中内源激素检测时发现:GA3和ZT含量的降低是促进插穗生根的重要原因,高含量是不定根形成的抑制剂。但长白松的扦插试验表明:在组织形成、不定根的产生过程中GA4含量增加[18]。关于ABA含量与生根关系也有不同的报道,ABA在白桦插穗根原基发生过程中大幅度下降[22],是抑制生根的主要激素,但在鹅掌楸不定根形成前开始上升,促进了插穗的生根[23]。在白杨派树种生根过程,高浓度ABA在多数试验中均被证实起抑制作用[24-25]。由此可见,内源激素与生根的关系较为复杂,本研究无论是基于生根时间(滇杨于21 d时IAA和ZT含量低于14 d),还是基于树种对比(IAA和ZT含量于滇杨和毛白杨中差异不显著),均表明IAA和ZT与滇杨和毛白杨生根能力差异的关系不明显。同时,毛白杨于整个观测期内并没有形成不定根,而滇杨于21 d可观测到不定根,2种杨树的内源激素随时间的变化趋势相似,进一步表明ABA和GA3的高浓度富集才是抑制毛白杨生根的主要因素,这与杨树生根过程中内源激素变化研究的较多结果[26-28]相一致。

    内源激素对植物生根过程的调节是十分精细和复杂的,一个简单的生理过程不仅需要单个激素的瞬时调控,更多的是多种激素的共同作用结果[29-31],这些激素常以联合体的形式参与植株的生长发育进程[13, 32-33]。因此,杨树插穗生根过程中内源激素动态变化分析时,不仅考虑单个激素的富集与释放,也要考虑激素之间的动态平衡。陈雪梅等[24]认为:IAA/ABA的比值可以作为杨树插穗生根能力的标准,其比值越高,生根能力越强。本研究发现:滇杨插穗基部皮层内的IAA含量高于毛白杨,而ABA含量显著低于毛白杨。相应地,滇杨插穗基部皮层内的IAA/ABA比值显著高于毛白杨。由此可知:插穗基部皮层内高含量的ABA可能抑制了毛白杨插穗基部不定根的形成。此外,研究结果还显示:ABA与GA3协同作用抑制了毛白杨插穗不定根的形成,但二者之间如何维持平衡从而抑制毛白杨不定根的产生,有待于进一步深入研究。

  • 图  1   滇杨和毛白杨的愈伤组织及不定根

    注:a)和b)分别表示扦插第7天和21天的滇杨;c)表示扦插第21天的毛白杨。

    Figure  1.   The adventitious root and callus of P. yunnanensis and P. tomentosa

    Note: a) and b) were P. yunnanensis at 7 d and 21 d, and c) was P. tomentosa at 21 d.

    图  2   滇杨和毛白杨插穗内源激素含量的动态变化

    注:*表示差异显著, **表示差异极显著;下同。

    Figure  2.   Dynamic changes of endogenous hormones contents in cuttings of P. tomentosa and P. yunnanensis

    Note: * stands for the significant difference, and ** stands for the very significant difference; the same as below.

    图  3   滇杨和毛白杨插穗内源激素含量比值的动态变化

    Figure  3.   Dynamic changes of endogenous hormones ratios in cuttings of P. tomentosa and P. yunnanensis

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图(3)
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出版历程
  • 通信作者:  何承忠 hcz70@163.com
  • 收稿日期:  2018-05-19
  • 修回日期:  2018-06-04
  • 网络首发日期:  2018-06-30

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