周慧文 梁容真 鄧宇馳 吳建明 閆海鋒，* 丘立杭，*

（1廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所/農(nóng)業(yè)部甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，廣西，南寧 530007；2廣西大學農(nóng)學院，廣西，南寧 530004）

甘蔗（Saccharumofficinarum）為禾本科甘蔗屬，是全球重要的糖料作物和可再生能源作物，被廣泛種植于熱帶和亞熱帶地區(qū)［1-2］，其莖稈是糖分儲藏的重要“庫”器官。促進甘蔗有效莖的形成，即促進甘蔗分蘗及提高分蘗成莖的比例是甘蔗高產(chǎn)的有效途徑之一［3-4］。分蘗作為單子葉植物生長發(fā)育過程中的一種特殊分枝特性［5］，與作物產(chǎn)量顯著相關，是衡量產(chǎn)量形成的重要農(nóng)藝性狀之一［6］。甘蔗分蘗習性與其他禾本科作物相似，涉及眾多內(nèi)外因素［6］，如適宜的種植密度可激發(fā)甘蔗最佳分蘗水平［7-8］；深耕深松種植能增加甘蔗地下部分蘗芽數(shù)和出苗率［9］；28～30 ℃是甘蔗分蘗的最佳環(huán)境溫度范圍，對分蘗有促進作用，低于20 ℃則抑制分蘗［10］；施用有機肥可改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高微量物質(zhì)含量和土壤肥力，從而促進分蘗［11-14］。甘蔗分蘗的調(diào)控也受諸多植物激素共同作用，乙烯利通過解除吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA）的頂端優(yōu)勢對側(cè)芽的抑制作用來促進分蘗［15］；高濃度的內(nèi)源IAA和細胞分裂素（cytokinin，CTK）有助于甘蔗分蘗，IAA/脫落酸（abscisic acid，ABA）和玉米素核苷（trans-zeatin-riboside，ZRs）/ABA的動態(tài)平衡對分蘗發(fā)生和成莖至關重要［16］。

前期研究發(fā)現(xiàn)，弱光抑制甘蔗分蘗及成莖主要是由于低強度的光照改變了植株內(nèi)源激素含量及平衡，降低了甘蔗功能葉光合同化能力，無法為分蘗提供充足的物質(zhì)和能量［16］。同化能力較低會影響光合產(chǎn)物的合成及其向庫器官的轉(zhuǎn)運能力［17］。

蔗糖是光合產(chǎn)物向庫器官輸送的主要形式［18］，蔗糖磷酸合酶（sucrose phosphate synthase，SPS）和蔗糖合酶（sucrose synthase，SS）是將光合中間產(chǎn)物磷酸丙糖催化成蔗糖的關鍵限速酶，這兩種酶的活性反映了光合產(chǎn)物的合成能力及其向庫器官的輸送能力［19］，借助13C 同位素示蹤技術能有效追溯光合產(chǎn)物在各生育期組織器官中的分配情況［20］。前人利用13C 標記技術發(fā)現(xiàn)小麥主莖光合能力強弱可顯著影響分蘗發(fā)展成穗的數(shù)量［21］；應用13C 同位素示蹤技術研究光合產(chǎn)物在蘋果（Maluspumila）［22-23］、楓香（Liquidambar formosana）和山烏桕（Sapiumdiscolar）［24］等作物中的轉(zhuǎn)運規(guī)律，均獲得了良好的效果。然而，有關功能葉的同化能力及光合產(chǎn)物分配情況對甘蔗分蘗及其成莖影響的研究鮮見報道。因此，本研究利用13C 同位素示蹤技術，結(jié)合相關生理指標測定，探究強分蘗和弱分蘗特性甘蔗品種在不同分蘗時期的光合產(chǎn)物固定和分配規(guī)律，分析分蘗特性與光合同化能力和同化物分配動態(tài)的相關性，以期為豐富甘蔗分蘗調(diào)控的理論內(nèi)涵和定向栽培調(diào)控甘蔗分蘗成莖提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

在前期對甘蔗材料評價和篩選的基礎上，結(jié)合前人研究結(jié)果［25-26］，選擇廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所選育的分蘗性強的甘蔗品種桂糖49 號（GT49）和分蘗性弱的甘蔗品系桂糖03-2112（GT03）為供試材料。于2021 年3 月10 日將材料種植于廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所試驗場的溫室大棚，土壤理化性質(zhì)為：pH 值5.8，全氮含量0.81 g·kg-1，全磷0.44 g·kg-1，全鉀6.60 g·kg-1，有機質(zhì)9.10 g·kg-1，堿解氮59.00 mg·kg-1，有效磷30.10 mg·kg-1，有效鉀65.00 mg·kg-1。GT49 與GT03 隔行相間種植，行長7 m、行距1.2 m，均以每畝6 000 個芽的標準下種，施用750 kg·hm-2復合肥和150 kg·hm-2尿素作為基肥，地膜覆蓋，其他田間管理參照常規(guī)種植開展。

1.2 甘蔗材料的13C示蹤處理和計算

分別于分蘗初期（T1，甘蔗生長第50 天）、分蘗盛期（T2，甘蔗生長第65天）和分蘗末期（T3，甘蔗生長第80 天），在晴天早上9：00 選擇3 株長勢相近的甘蔗主苗的第一片完全展開葉進行13C 標記，標記物選擇Na213CO（3豐度99atom%，武漢紐瑞德特種氣體有限公司），每株為1個重復。標記前將裝有0.5 g Na213CO3粉末的小燒杯輕綁在即將標記的植株上，用體積約500 mL的透明塑料薄膜將標記葉與燒杯密封。分2次用醫(yī)用注射劑把50 mL 1 mol·L-1的鹽酸溶液倒入燒杯中，使之反應完全。標記4 h后撤掉薄膜，72 h后，將標記的主苗和分蘗苗分別破壞性取樣，并用紙巾緩慢將材料表面塵土擦拭干凈后進行風干。樣品經(jīng)充分研磨粉碎后過100目篩，使用Elementar isoprime 100穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀（英國Isoprime 公司）檢測δ13C 值，各器官樣品中13C含量（mg）參照沙建川等［22］的方法計算。

1.3 農(nóng)藝性狀測定

在T1、T2 和T3 時期，分別測定供試品種主苗和分蘗苗的莖稈鮮重，將材料于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后于70 ℃恒溫烘干3 d，測定其干重。待分蘗結(jié)束時，用游標卡尺測量植株的莖稈大小，并統(tǒng)計其完整葉片數(shù)目，同時挖取甘蔗地下部，清洗干凈后對其地下部的分蘗芽進行計數(shù)。按以下公式計算分蘗發(fā)生率和分蘗率：

分蘗發(fā)生率＝發(fā)生分蘗的植株數(shù)/總苗數(shù)×100%；

分蘗率=分蘗苗數(shù)/總苗數(shù)×100%。

1.4 生理指標測定

隨機選取3株長勢相對一致的植株，分別采集T1、T2 和T3 時期主苗和分蘗苗頂端第一片完全展開的功能葉，參照?？∑娴龋?9］的方法測定其蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）活性。同時，按照丘立杭等［16］的方法提取上述樣品的葉綠素，使用UV-1800 型紫外可見分光光度儀（日本島津公司）分別測定提取液在645和663 nm波長下的吸光值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有指標均按3 個生物學重復和3 次技術重復進行測定，采用Excel 2019 處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析和相關性分析，Graphad Prism 8.0 軟件繪圖，差異顯著性檢驗用最小顯著差異法（least significant difference，LSD），顯著性水平設為α=0.05。試驗數(shù)據(jù)均以平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 分蘗期農(nóng)藝性狀及地下芽特征分析

由圖1-A 可知，GT49（強分蘗力）與GT03（弱分蘗力）的分蘗發(fā)生率和分蘗率均隨分蘗進程的推進而增加，且3 個分蘗時期GT49 的分蘗發(fā)生率和分蘗率均顯著高于GT03?？梢姡珿T49 的分蘗特性顯著強于GT03。分蘗結(jié)束后（T3 之后）對甘蔗莖徑和葉片數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示（圖1-B），兩個品種主苗和分蘗苗的莖徑和葉片數(shù)均無顯著差異，表明兩者在庫-源器官的表型上相對一致。

圖1 分蘗期GT49和GT03的農(nóng)藝性狀Fig.1 The agronomic characters of GT49 and GT03 in tiller stage

由圖2 和圖3 可知，分蘗結(jié)束后，GT49 和GT03 的平均分蘗數(shù)與平均發(fā)芽數(shù)、單株最大芽數(shù)和最大分蘗數(shù)存在差異。其中，GT49 平均分蘗數(shù)顯著高于GT03。GT49 的單株最大分蘗數(shù)為7 個，高于GT03（2 個，圖2-B），平均發(fā)芽數(shù)表現(xiàn)則相反（圖2-A）。相關性分析表明（表1），GT49 的地上可見分蘗與地下芽數(shù)呈顯著正相關，而GT03地上可見分蘗與地下芽數(shù)的相關性系數(shù)僅為0.045，幾乎不存在相關性。

表1 可見分蘗與地下芽數(shù)的相關系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between aboveground visible tillers and the number of underground buds

圖2 分蘗期GT49和GT03的分蘗特性Fig.2 The number of underground buds in GT49和GT03

圖3 GT49和GT03的地下芽Fig.3 Underground buds of GT49 and GT03

由表2 可知，隨著分蘗進程的推進，GT49 與GT03主苗和分蘗苗的莖稈干重和鮮重均不斷增加。T1 和T2 時期，GT49 與GT03 間主苗和分蘗苗的莖稈生物量均無顯著差異，但T2 時期GT49 的單個分蘗重的鮮重顯著低于GT03。在T3 時期，GT03 主苗和單個分蘗重的鮮重均顯著高于GT49，分蘗苗生物量在品種間差異不顯著?？梢姡诜痔Y期，GT03 主苗的莖稈生長發(fā)育較快，積累的生物量較GT49 大，但兩者分蘗苗的生物量卻無顯著差異，表明分蘗期不同品種分蘗個體的大小與甘蔗分蘗特性差異無關。

表2 分蘗期GT49和GT03主苗和分蘗苗生物量的變化Table 2 Biomass changes of GT49 and GT03 in tillering stage/g

2.2 分蘗期功能葉中葉綠素含量與SS、SPS 活性的差異

由表3 可知，隨著分蘗進程的推進，不同分蘗力品種主苗和分蘗苗功能葉中的葉綠素含量整體不斷增加。從分蘗進程看，與分蘗苗相比，兩品種主苗的葉綠素含量在T1 和T2 時期整體顯著增加，而T3 時則基本無顯著差異。從品種表現(xiàn)看，主苗T1 時期GT49 主苗的葉綠素含量高于GT03，T2和T3時期GT03主苗的葉綠素含量高于GT49，但整體均無顯著差異，表明不同分蘗力甘蔗品種功能葉在不同分蘗期的光合能力無明顯差異。進一步測定SS和SPS活性，結(jié)果表明（表4），整體上，主苗和分蘗苗的酶活性均隨分蘗進程的推進而增加，分蘗苗的酶活性增加更為明顯，在T3時期的酶活性已接近主苗。T1時期，不同分蘗力品種間功能葉的SS和SPS活性均無顯著差異，表明分蘗初期甘蔗的光合固定能力可能不受品種分蘗力影響；T2時期功能葉的SS活性在品種間也無顯著差異，但GT03 分蘗苗的SPS 活性顯著高于GT49；T3時期GT49和GT03間的SS活性仍無顯著差異，而GT03 主苗與分蘗苗的SPS 活性均顯著高于GT49。上述結(jié)果表明，分蘗力弱的甘蔗品種需要高活性的SPS來保障分蘗過程所需的光合同化物。

表3 分蘗期GT49和GT03主苗和分蘗苗葉綠素含量的變化Table 3 Chlorophyll content changes of GT49 and GT03 in tillering stage/（mg·g-1 FW）

表4 分蘗期GT49和GT03主苗和分蘗苗SS和SPS活性的變化Table 4 The activity changes of SS and SPS of GT49 and GT03 in tillering stage/（μmol·g-1·h-1）

2.3 分蘗期甘蔗光合產(chǎn)物分配的差異與相關性

光合產(chǎn)物同化和分配特點如表5 所示，整體上，隨著甘蔗分蘗進程的推進，植株逐漸成熟，主苗的13C 分配量也逐漸增加。分配給主苗和分蘗苗的13C 分配量之和在品種間無明顯差異，但T2 和T3 時期GT49的主苗13C 分配量顯著低于GT03。在分配動態(tài)上，GT49 分蘗苗的分配比例隨分蘗進程的推進呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在T1 和T3 時期，光合產(chǎn)物分配至分蘗苗的比例較低，T2時最高。GT03的分蘗苗的分配比例隨分蘗進程的推進呈逐步上升趨勢，在T3時期達到最高，但其在T1～T3的分配比例均顯著低于GT49。

表5 主苗和分蘗苗的13C光合產(chǎn)物同化分配特性Table 5 Distribution rate of 13C assimilate in seedling and tiller in tillering stage

由表6可知，甘蔗的分蘗率和分蘗發(fā)生率與分蘗苗的分配比例呈顯著或極顯著正相關，且分蘗盛期（T2）的相關性達極顯著。在分蘗前期（T1）和盛期（T2），分蘗率和分蘗發(fā)生率與分蘗苗13C分配量呈顯著正相關，在T3時期則無顯著相關性，可能是由后期分蘗趨近完成所致。主苗自留比例和主苗13C分配量與分蘗特性整體上呈負相關，其中主苗自留比例與分蘗特性在T2時期呈極顯著負相關，主苗自留比例和主苗13C分配量與分蘗特性在T2和T3時期均呈顯著負相關。上述結(jié)果表明，在分蘗的前期和中期，光合同化物向分蘗苗的分配量以及分配比例與品種的分蘗特性顯著相關。

表6 分蘗特性與13C分配率和13C分配量的相關性分析Table 6 Correlation coefficient between tiller characteristics and 13C distribution rate and the amount of 13C distribution

3 討論

3.1 地下芽數(shù)與分蘗特性的關系

甘蔗品種分蘗特性的強弱極大程度受品種特性影響，分蘗特性強的品種宿根性好，蔗芽萌發(fā)速度快且多［25］。有研究認為，造成品種間分蘗特性差異的原因與地下芽數(shù)有關，地下芽數(shù)越多，分蘗特性越強，地下芽數(shù)少則分蘗少［27］。也有研究認為，分蘗特性與芽點著生在蔗根上的位置有關，高位芽易出苗，但易受損，因此后期生長狀況不佳［28］。本研究結(jié)果與前人研究部分一致［27］，對于強分蘗品種GT49 來說，地上部分分蘗水平與地下芽數(shù)呈顯著正相關，地下芽數(shù)越多，分蘗特性越強；而弱分蘗品種GT03地下芽數(shù)與地上分蘗數(shù)之間幾乎不存在相關性（表1），在地下芽數(shù)顯著高于強分蘗特性GT49的情況下，分蘗率卻顯著低于GT49，造成這種矛盾現(xiàn)象的原因可能是由不同分蘗力甘蔗品種的光合產(chǎn)物分配能力差異所致。

3.2 光合同化及其產(chǎn)物分配與分蘗特性的關系

作物光合同化物在分蘗的分配量過低時，對分蘗發(fā)育有負面影響［22］。高分蘗小麥主莖轉(zhuǎn)運給分蘗莖的光合產(chǎn)物顯著高于低分蘗小麥是影響其分蘗發(fā)生率的重要原因之一［29］。主莖與分蘗還存在非對稱競爭關系［30］，主莖干物質(zhì)積累量大在一定程度上會影響分蘗發(fā)育［31］。本研究結(jié)果顯示，弱分蘗特性品種GT03主苗的生物量和13C 分配量顯著高于GT49，強分蘗品種GT49的主苗能將光合產(chǎn)物更多地分配至分蘗苗中，使之用于地下芽發(fā)育成分蘗苗的光合產(chǎn)物較GT03多，因此GT49分蘗特性顯著強于GT03。進一步的相關性分析結(jié)果也表明，在分蘗前期和中期，分蘗苗的13C分配量和分配比例會影響甘蔗的分蘗特性（表6），即甘蔗分蘗特性的強弱受分蘗期主苗向分蘗苗分配的光合產(chǎn)物量的影響。

光合產(chǎn)物的主要輸出形式是蔗糖，它不僅是重要的能源物質(zhì)，還是植物重要的信號轉(zhuǎn)導分子。前人研究證明了蔗糖是影響植物分枝/分蘗的重要因素［32-34］；缺失編碼蔗糖合成的關鍵酶會導致分蘗芽伸長受抑制［35］。蔗糖可通過介導細胞分裂素途徑［34］、獨腳金內(nèi)酯途徑［33］、生長素［36］等多途徑影響作物分枝/分蘗。SS 與SPS 是影響蔗糖合成的關鍵酶［17］。在本研究中，SS 與SPS 活性在品種間差異不顯著，說明GT49 和GT03 的蔗糖合成能力相近。據(jù)此推測，GT49 分蘗性較GT03 強的原因可能是有更多的光合產(chǎn)物從主苗分配至分蘗芽以提供分蘗形態(tài)建成所需的物質(zhì)和能量，同時，蔗糖作為重要的信號分子激活了分蘗相關的下游調(diào)控基因和通路，促進了甘蔗分蘗芽的生長發(fā)育。然而，蔗糖通過何種信號通路影響甘蔗分蘗的分子調(diào)控機制尚需進一步深入研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，強分蘗品種（GT49）和弱分蘗品種（GT03）間的光合產(chǎn)物的分配規(guī)律存在差異，強分蘗特性品種的主莖能更多地將光合產(chǎn)物分配至分蘗芽，弱分蘗特性品種反之。在T1、T2和T3分蘗期間，GT49和GT03 的13C 分配量無顯著差異，但GT03 的13C 自留量顯著高于GT49，且其分配至分蘗苗的13C 分配比例均顯著低于同期GT49。此外，甘蔗分蘗率和分蘗發(fā)生率與分蘗苗13C 分配量與分配比例整體呈顯著或極顯著正相關，T2 時的相關系數(shù)最大。由此可見，甘蔗分蘗特性與光合產(chǎn)物分配至分蘗苗的同化物的量和比例密切相關。