光調控香草蘭花芽分化的生理機制初探

王 怡，張何信，浦同華，莊輝發,3，邢詒彰,3，王 輝*

[1.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所，海南萬寧 571533；2.海南省林業科學研究院（海南省紅樹林研究院），海南?？?571100；3.海南省熱帶香辛飲料作物遺傳改良與品質調控重點實驗室，海南萬寧571533]

香草蘭（Vanilla planifoliaAndrews）又名香子蘭、香莢蘭，原產于熱帶雨林，是蘭科香莢蘭屬的多年生熱帶攀援藤本香料植物，因其用途廣泛，在醫藥、保健等行業具有極高的關注度[1]。目前，香草蘭花芽分化率低是生產中亟待解決的技術問題。遮陰會降低光合速率并改變光譜質量，影響植物的光合作用和光形態建成[2]。碳水化合物是一種結構物質，同時也是能量供給源，其積累與花芽的分化密切相關，對花芽分化起著重要作用[3]?；诖?，部分學者開展了遮陰影響香草蘭花芽分化及碳水化合物變化的研究[4-5]。筆者在探討光合誘導特性的基礎上，深入開展遮陰對碳水化合物合成和相關酶活性的影響研究，旨在進一步探明光調控香草蘭花芽分化的生理機制，為提高香草蘭花芽分化率，實現穩產高產奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于中國熱帶農業科學院香料飲料研究所高龍試驗基地（東經110°10′，北緯18°41′）。試驗地土壤為磚紅壤，有機質含量為18 g·kg-1，土壤肥力中等，年平均氣溫24.0 ℃，年降水量2400 mm。

1.2 試驗材料

試驗所用香草蘭品種為熱引3 號香草蘭，蔭蔽條件下露地栽培。

1.3 試驗設計

香草蘭全光照條件下無法生長，無實際生產意義，故未設0%（全光照）對照。遮陰處理設50%、75%、90%（皆為遮光度）3 個水平，3 種處理均由同一種遮陽網疊加而成，各處理統一進行肥水、雜草和病蟲害等管理。于2020 年12 月22 日進行換網遮陰處理，每個處理3個重復。

1.4 試驗方法

1.4.1 取樣

在花芽分化階段，作為生長中心的芽體與距離其最近的健康葉片間有較強的庫源關系，是光合產物與礦質營養的分配中心[6]。因此，選擇生長良好且相對穩定的香草蘭植株，在花芽分化的各個階段，選取最接近芽體的健康葉作為芽體功能葉，并在芽體功能葉處做標記，每個重復標記40株。

從2021 年2 月底開始，每隔15 d 選擇晴天采集1次標記葉片，取樣時期分別為花芽特征分化期、花芽分化初期（Ⅰ）；花芽分化中期、花序分化初期（Ⅱ）；花序分化中期、花分化初期（Ⅲ）3 個階段。每次采集葉片剪去先端和基部后，將葉片中部用鋁箔包好在液氮中固定20 min，用冰盒帶回實驗室。放入-80 ℃超低溫冰箱中保存待用，實驗前粉碎后混勻。

1.4.2 測定

1）光誘導特性測定。在大約25 ℃的大氣空氣條件，使用Dual-PAM-100 測定系統（Heinz Walz，Effeltrich，德國）活體測量。2）SS、SPS 活性測定。稱取0.1 g 鮮葉于2 mL 離心管中，用高通量組織研磨機粉碎，加入1 mL提取液勻漿，8000 r·min-1、4 ℃離心10 min，取上清液采用試劑盒測定。3）在開花中后期，統計標記莖段的葉芽數和花芽數，計算各重復平均花芽分化率及總芽數。

1.5 數據處理與統計方法

以可溶性糖與淀粉含量之和作為非結構性碳水化合物總量。利用SPSS 20.0軟件進行方差分析和顯著性檢驗，利用Origin 9.1軟件整理數據及制作圖表。

2 結果與分析

2.1 對光誘導特性的影響

如圖1 所示，在光照強度增加后，光系統II 電子傳遞速率（ETRII）隨著時間的推移逐漸增加，在240～360 s 內迅速增加到最大值的95%，其中90%遮光度處理條件下所需時間最短且ETRII 最高，但各處理差異不顯著（p＞0.05，下同）。

圖1 不同遮陰處理下香草蘭葉片光反應中心電子傳遞速率的變化

2.2 對可溶性糖含量的影響

香草蘭花芽分化不同時期葉片中可溶性糖的含量差異顯著（p＜0.05，下同），可溶性糖含量在前期大量積累，中期顯著降低，后期又逐漸積累。前期（Ⅰ），50%和90%遮光度處理顯著增加了功能葉中可溶性糖含量；中期（Ⅱ），90%遮光度處理可溶性糖含量達3.15 mg·g-1(FW)，顯著高于75%遮光度處理；后期（Ⅲ），90%遮光度處理可溶性糖含量最高，且顯著高于50%和75%遮光度處理（見圖2）?？傮w上，在香草蘭花芽分化期，90%遮光度處理可溶性糖含量最高，達4.00 mg·g-1(FW)，50%遮光度處理次之，75%遮光度處理最低（見表1）。

表1 不同遮陰處理下香草蘭葉片糖類含量

圖2 不同遮陰處理下香草蘭葉片可溶性糖含量動態

2.3 對蔗糖含量的影響

如圖3 所示，香草蘭花芽分化前期的蔗糖含量顯著高于中、后期，隨著花芽孕育，蔗糖明顯被消耗后又顯著上升，大量積累。前期（Ⅰ），90%遮陰處理下香草蘭功能葉中蔗糖含量達7.04 mg·g-1(FW)，顯著高于75%遮陰處理；中期（Ⅱ），75%遮陰處理蔗糖含量略高于90%遮陰處理，顯著高于50%遮陰處理。如表1所示，90%遮陰處理下蔗糖總體含量最高。

圖3 不同遮陰處理下香草蘭葉片蔗糖含量動態

2.4 對非結構性碳水化合物總量的影響

如圖4所示，前期（Ⅰ），各處理條件下葉片非結構性碳水化合物大量積累，50%遮陰處理最高，達9.72 mg·g-1(FW)，比75%遮陰處理提高了20.15%；中期（Ⅱ），50%遮陰處理非結構性碳水化合物總量最低；后期（Ⅲ），非結構性碳水化合物總量在90%遮陰處理下最高，顯著高于50%和75%遮陰處理?？傮w上，香草蘭花芽分化期間芽體功能葉中非結構性碳水化合物含量依次為90%＞50%＞75%，90%遮陰處理顯著高于75%遮陰處理（見表1）。

圖4 不同遮陰處理下香草蘭葉片碳水化合物總量動態

2.5 對蔗糖合成酶（SS）活性及蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性的影響

如表2 所示，各處理SS 活性動態變化趨于一致，在花芽分化后期急劇提高，前期以50%遮光度處理下SS 活性最高；中期以90% 遮光度處理最高，為817.36μg·g-1·min-1(FW)；分化后期，50%遮光度處理最高，比75%和90%遮光度處理分別高18.41%和11.17%。如表3 所示，75%和90%遮光度處理下，芽體功能葉中SPS 活性動態一致，在前期達最大值，隨花芽生長發育又逐漸降低；而50%遮光度處理下，在分化中期達到最大值，且高于其他處理，而后急劇降低。

表2 不同時期和遮陰處理下香草蘭葉片蔗糖合成酶活性

表3 不同時期和遮陰處理下香草蘭葉片蔗糖磷酸合成酶活性

2.6 對花芽分化的影響

如表4 所示，50%遮光度處理下香草蘭總芽數顯著高于75%和90%遮光度處理；50%遮光度處理下花芽分化率達62.20%，比75%和90%遮光度處理分別高出24.58和60.53個百分點。

表4 不同遮陰處理下香草蘭葉片糖類含量

3 結論與討論

在花芽萌發和花器官形成中，高含量的可溶性糖可促進花芽分化。同樣，香草蘭花芽分化期間，需要大量可溶性糖和淀粉維持花芽生長發育，花芽發育的速度也由可溶性糖和淀粉含量的高低決定。光照對植物體內碳水化合物積累有所影響，遮陰有利于蔗糖積累，從而為植物體生長發育提供充足物質基礎，促進其成花。本研究表明，遮陰處理影響了香草蘭功能葉中的碳水化合物積累和相關代謝酶活性，其均與花芽分化表現出一定的相關性。在50%和90%遮光度處理下，香草蘭葉片非結構性碳水化合物總量均高于75%，可更好地為花芽分化提供能量，促進成花；但75%遮光度下花芽分化率顯著高于90%，具體原因需進一步探討。

蔗糖的合成與輸出是植物成熟葉片的主要功能，SS 和SPS 協同調控植物體內碳水化合物的積累和分配。目前，大部分研究顯示SPS 活性與蔗糖含量存在正相關關系，而與淀粉含量呈負相關；SS活性對蔗糖積累有正效應，與淀粉含量負相關[7]。本實驗中，SS與蔗糖含量正向相關，影響了植株的蔗糖積累，與相對淀粉含量正相關，調節碳同化產物在蔗糖和淀粉之間的分配。

綜上，香草蘭作為景天酸代謝（CAM）植物，在光照強度增加后，ETRII 在240～360 s 內迅速增加到最大值的95%，這說明其表現出快速的光合誘導，90%遮光度處理條件下蘋果酸相對更充足，會快速脫羧蘋果酸；50%和90%遮光度下能提高香草蘭功能葉中的碳水化合物，但90%遮光度在一定程度上抑制了香草蘭花芽分化，從而降低其花芽分化率。碳水化合物的積累雖為花芽分化所需，適宜的碳水化合物對植物花芽分化有重要作用，但高含量的碳水化合物則不一定導致成花，這與孫敏研究結果一致[8]。在75%遮光度下香草蘭總芽數及花芽分化率相對較高，有利于香草蘭產量提高和植株發育。