强弱分蘖特性甘蔗品种的分蘖期光合产物分配差异

周慧文 梁容真 邓宇驰 吴建明 闫海锋，* 丘立杭，*

（1广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所/农业部甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室，广西，南宁 530007；2广西大学农学院，广西，南宁 530004）

甘蔗（Saccharumofficinarum）为禾本科甘蔗属，是全球重要的糖料作物和可再生能源作物，被广泛种植于热带和亚热带地区［1-2］，其茎秆是糖分储藏的重要“库”器官。促进甘蔗有效茎的形成，即促进甘蔗分蘖及提高分蘖成茎的比例是甘蔗高产的有效途径之一［3-4］。分蘖作为单子叶植物生长发育过程中的一种特殊分枝特性［5］，与作物产量显著相关，是衡量产量形成的重要农艺性状之一［6］。甘蔗分蘖习性与其他禾本科作物相似，涉及众多内外因素［6］，如适宜的种植密度可激发甘蔗最佳分蘖水平［7-8］；深耕深松种植能增加甘蔗地下部分蘖芽数和出苗率［9］；28～30 ℃是甘蔗分蘖的最佳环境温度范围，对分蘖有促进作用，低于20 ℃则抑制分蘖［10］；施用有机肥可改善土壤微生物群落结构，提高微量物质含量和土壤肥力，从而促进分蘖［11-14］。甘蔗分蘖的调控也受诸多植物激素共同作用，乙烯利通过解除吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA）的顶端优势对侧芽的抑制作用来促进分蘖［15］；高浓度的内源IAA和细胞分裂素（cytokinin，CTK）有助于甘蔗分蘖，IAA/脱落酸（abscisic acid，ABA）和玉米素核苷（trans-zeatin-riboside，ZRs）/ABA的动态平衡对分蘖发生和成茎至关重要［16］。

前期研究发现，弱光抑制甘蔗分蘖及成茎主要是由于低强度的光照改变了植株内源激素含量及平衡，降低了甘蔗功能叶光合同化能力，无法为分蘖提供充足的物质和能量［16］。同化能力较低会影响光合产物的合成及其向库器官的转运能力［17］。

蔗糖是光合产物向库器官输送的主要形式［18］，蔗糖磷酸合酶（sucrose phosphate synthase，SPS）和蔗糖合酶（sucrose synthase，SS）是将光合中间产物磷酸丙糖催化成蔗糖的关键限速酶，这两种酶的活性反映了光合产物的合成能力及其向库器官的输送能力［19］，借助13C 同位素示踪技术能有效追溯光合产物在各生育期组织器官中的分配情况［20］。前人利用13C 标记技术发现小麦主茎光合能力强弱可显著影响分蘖发展成穗的数量［21］；应用13C 同位素示踪技术研究光合产物在苹果（Maluspumila）［22-23］、枫香（Liquidambar formosana）和山乌桕（Sapiumdiscolar）［24］等作物中的转运规律，均获得了良好的效果。然而，有关功能叶的同化能力及光合产物分配情况对甘蔗分蘖及其成茎影响的研究鲜见报道。因此，本研究利用13C 同位素示踪技术，结合相关生理指标测定，探究强分蘖和弱分蘖特性甘蔗品种在不同分蘖时期的光合产物固定和分配规律，分析分蘖特性与光合同化能力和同化物分配动态的相关性，以期为丰富甘蔗分蘖调控的理论内涵和定向栽培调控甘蔗分蘖成茎提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

在前期对甘蔗材料评价和筛选的基础上，结合前人研究结果［25-26］，选择广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所选育的分蘖性强的甘蔗品种桂糖49 号（GT49）和分蘖性弱的甘蔗品系桂糖03-2112（GT03）为供试材料。于2021 年3 月10 日将材料种植于广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所试验场的温室大棚，土壤理化性质为：pH 值5.8，全氮含量0.81 g·kg-1，全磷0.44 g·kg-1，全钾6.60 g·kg-1，有机质9.10 g·kg-1，碱解氮59.00 mg·kg-1，有效磷30.10 mg·kg-1，有效钾65.00 mg·kg-1。GT49 与GT03 隔行相间种植，行长7 m、行距1.2 m，均以每亩6 000 个芽的标准下种，施用750 kg·hm-2复合肥和150 kg·hm-2尿素作为基肥，地膜覆盖，其他田间管理参照常规种植开展。

1.2 甘蔗材料的13C示踪处理和计算

分别于分蘖初期（T1，甘蔗生长第50 天）、分蘖盛期（T2，甘蔗生长第65天）和分蘖末期（T3，甘蔗生长第80 天），在晴天早上9：00 选择3 株长势相近的甘蔗主苗的第一片完全展开叶进行13C 标记，标记物选择Na213CO（3丰度99atom%，武汉纽瑞德特种气体有限公司），每株为1个重复。标记前将装有0.5 g Na213CO3粉末的小烧杯轻绑在即将标记的植株上，用体积约500 mL的透明塑料薄膜将标记叶与烧杯密封。分2次用医用注射剂把50 mL 1 mol·L-1的盐酸溶液倒入烧杯中，使之反应完全。标记4 h后撤掉薄膜，72 h后，将标记的主苗和分蘖苗分别破坏性取样，并用纸巾缓慢将材料表面尘土擦拭干净后进行风干。样品经充分研磨粉碎后过100目筛，使用Elementar isoprime 100稳定同位素比质谱仪（英国Isoprime 公司）检测δ13C 值，各器官样品中13C含量（mg）参照沙建川等［22］的方法计算。

1.3 农艺性状测定

在T1、T2 和T3 时期，分别测定供试品种主苗和分蘖苗的茎秆鲜重，将材料于105 ℃烘箱中杀青30 min，然后于70 ℃恒温烘干3 d，测定其干重。待分蘖结束时，用游标卡尺测量植株的茎秆大小，并统计其完整叶片数目，同时挖取甘蔗地下部，清洗干净后对其地下部的分蘖芽进行计数。按以下公式计算分蘖发生率和分蘖率：

分蘖发生率＝发生分蘖的植株数/总苗数×100%；

分蘖率=分蘖苗数/总苗数×100%。

1.4 生理指标测定

随机选取3株长势相对一致的植株，分别采集T1、T2 和T3 时期主苗和分蘖苗顶端第一片完全展开的功能叶，参照牛俊奇等［19］的方法测定其蔗糖合酶（SS）和蔗糖磷酸合酶（SPS）活性。同时，按照丘立杭等［16］的方法提取上述样品的叶绿素，使用UV-1800 型紫外可见分光光度仪（日本岛津公司）分别测定提取液在645和663 nm波长下的吸光值。

1.5 数据处理

所有指标均按3 个生物学重复和3 次技术重复进行测定，采用Excel 2019 处理数据，采用SPSS 20.0 软件进行单因素方差分析和相关性分析，Graphad Prism 8.0 软件绘图，差异显著性检验用最小显著差异法（least significant difference，LSD），显著性水平设为α=0.05。试验数据均以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 分蘖期农艺性状及地下芽特征分析

由图1-A 可知，GT49（强分蘖力）与GT03（弱分蘖力）的分蘖发生率和分蘖率均随分蘖进程的推进而增加，且3 个分蘖时期GT49 的分蘖发生率和分蘖率均显著高于GT03。可见，GT49 的分蘖特性显著强于GT03。分蘖结束后（T3 之后）对甘蔗茎径和叶片数进行统计，结果显示（图1-B），两个品种主苗和分蘖苗的茎径和叶片数均无显著差异，表明两者在库-源器官的表型上相对一致。

图1 分蘖期GT49和GT03的农艺性状Fig.1 The agronomic characters of GT49 and GT03 in tiller stage

由图2 和图3 可知，分蘖结束后，GT49 和GT03 的平均分蘖数与平均发芽数、单株最大芽数和最大分蘖数存在差异。其中，GT49 平均分蘖数显著高于GT03。GT49 的单株最大分蘖数为7 个，高于GT03（2 个，图2-B），平均发芽数表现则相反（图2-A）。相关性分析表明（表1），GT49 的地上可见分蘖与地下芽数呈显著正相关，而GT03地上可见分蘖与地下芽数的相关性系数仅为0.045，几乎不存在相关性。

表1 可见分蘖与地下芽数的相关系数Table 1 Correlation coefficient between aboveground visible tillers and the number of underground buds

图2 分蘖期GT49和GT03的分蘖特性Fig.2 The number of underground buds in GT49和GT03

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

由表2 可知，随着分蘖进程的推进，GT49 与GT03主苗和分蘖苗的茎秆干重和鲜重均不断增加。T1 和T2 时期，GT49 与GT03 间主苗和分蘖苗的茎秆生物量均无显著差异，但T2 时期GT49 的单个分蘖重的鲜重显著低于GT03。在T3 时期，GT03 主苗和单个分蘖重的鲜重均显著高于GT49，分蘖苗生物量在品种间差异不显著。可见，在分蘖期，GT03 主苗的茎秆生长发育较快，积累的生物量较GT49 大，但两者分蘖苗的生物量却无显著差异，表明分蘖期不同品种分蘖个体的大小与甘蔗分蘖特性差异无关。

表2 分蘖期GT49和GT03主苗和分蘖苗生物量的变化Table 2 Biomass changes of GT49 and GT03 in tillering stage/g

2.2 分蘖期功能叶中叶绿素含量与SS、SPS 活性的差异

由表3 可知，随着分蘖进程的推进，不同分蘖力品种主苗和分蘖苗功能叶中的叶绿素含量整体不断增加。从分蘖进程看，与分蘖苗相比，两品种主苗的叶绿素含量在T1 和T2 时期整体显著增加，而T3 时则基本无显著差异。从品种表现看，主苗T1 时期GT49 主苗的叶绿素含量高于GT03，T2和T3时期GT03主苗的叶绿素含量高于GT49，但整体均无显著差异，表明不同分蘖力甘蔗品种功能叶在不同分蘖期的光合能力无明显差异。进一步测定SS和SPS活性，结果表明（表4），整体上，主苗和分蘖苗的酶活性均随分蘖进程的推进而增加，分蘖苗的酶活性增加更为明显，在T3时期的酶活性已接近主苗。T1时期，不同分蘖力品种间功能叶的SS和SPS活性均无显著差异，表明分蘖初期甘蔗的光合固定能力可能不受品种分蘖力影响；T2时期功能叶的SS活性在品种间也无显著差异，但GT03 分蘖苗的SPS 活性显著高于GT49；T3时期GT49和GT03间的SS活性仍无显著差异，而GT03 主苗与分蘖苗的SPS 活性均显著高于GT49。上述结果表明，分蘖力弱的甘蔗品种需要高活性的SPS来保障分蘖过程所需的光合同化物。

表3 分蘖期GT49和GT03主苗和分蘖苗叶绿素含量的变化Table 3 Chlorophyll content changes of GT49 and GT03 in tillering stage/（mg·g-1 FW）

表4 分蘖期GT49和GT03主苗和分蘖苗SS和SPS活性的变化Table 4 The activity changes of SS and SPS of GT49 and GT03 in tillering stage/（μmol·g-1·h-1）

2.3 分蘖期甘蔗光合产物分配的差异与相关性

光合产物同化和分配特点如表5 所示，整体上，随着甘蔗分蘖进程的推进，植株逐渐成熟，主苗的13C 分配量也逐渐增加。分配给主苗和分蘖苗的13C 分配量之和在品种间无明显差异，但T2 和T3 时期GT49的主苗13C 分配量显著低于GT03。在分配动态上，GT49 分蘖苗的分配比例随分蘖进程的推进呈现先升高后降低的趋势，在T1 和T3 时期，光合产物分配至分蘖苗的比例较低，T2时最高。GT03的分蘖苗的分配比例随分蘖进程的推进呈逐步上升趋势，在T3时期达到最高，但其在T1～T3的分配比例均显著低于GT49。

表5 主苗和分蘖苗的13C光合产物同化分配特性Table 5 Distribution rate of 13C assimilate in seedling and tiller in tillering stage

由表6可知，甘蔗的分蘖率和分蘖发生率与分蘖苗的分配比例呈显著或极显著正相关，且分蘖盛期（T2）的相关性达极显著。在分蘖前期（T1）和盛期（T2），分蘖率和分蘖发生率与分蘖苗13C分配量呈显著正相关，在T3时期则无显著相关性，可能是由后期分蘖趋近完成所致。主苗自留比例和主苗13C分配量与分蘖特性整体上呈负相关，其中主苗自留比例与分蘖特性在T2时期呈极显著负相关，主苗自留比例和主苗13C分配量与分蘖特性在T2和T3时期均呈显著负相关。上述结果表明，在分蘖的前期和中期，光合同化物向分蘖苗的分配量以及分配比例与品种的分蘖特性显著相关。

表6 分蘖特性与13C分配率和13C分配量的相关性分析Table 6 Correlation coefficient between tiller characteristics and 13C distribution rate and the amount of 13C distribution

3 讨论

3.1 地下芽数与分蘖特性的关系

甘蔗品种分蘖特性的强弱极大程度受品种特性影响，分蘖特性强的品种宿根性好，蔗芽萌发速度快且多［25］。有研究认为，造成品种间分蘖特性差异的原因与地下芽数有关，地下芽数越多，分蘖特性越强，地下芽数少则分蘖少［27］。也有研究认为，分蘖特性与芽点着生在蔗根上的位置有关，高位芽易出苗，但易受损，因此后期生长状况不佳［28］。本研究结果与前人研究部分一致［27］，对于强分蘖品种GT49 来说，地上部分分蘖水平与地下芽数呈显著正相关，地下芽数越多，分蘖特性越强；而弱分蘖品种GT03地下芽数与地上分蘖数之间几乎不存在相关性（表1），在地下芽数显著高于强分蘖特性GT49的情况下，分蘖率却显著低于GT49，造成这种矛盾现象的原因可能是由不同分蘖力甘蔗品种的光合产物分配能力差异所致。

3.2 光合同化及其产物分配与分蘖特性的关系

作物光合同化物在分蘖的分配量过低时，对分蘖发育有负面影响［22］。高分蘖小麦主茎转运给分蘖茎的光合产物显著高于低分蘖小麦是影响其分蘖发生率的重要原因之一［29］。主茎与分蘖还存在非对称竞争关系［30］，主茎干物质积累量大在一定程度上会影响分蘖发育［31］。本研究结果显示，弱分蘖特性品种GT03主苗的生物量和13C 分配量显著高于GT49，强分蘖品种GT49的主苗能将光合产物更多地分配至分蘖苗中，使之用于地下芽发育成分蘖苗的光合产物较GT03多，因此GT49分蘖特性显著强于GT03。进一步的相关性分析结果也表明，在分蘖前期和中期，分蘖苗的13C分配量和分配比例会影响甘蔗的分蘖特性（表6），即甘蔗分蘖特性的强弱受分蘖期主苗向分蘖苗分配的光合产物量的影响。

光合产物的主要输出形式是蔗糖，它不仅是重要的能源物质，还是植物重要的信号转导分子。前人研究证明了蔗糖是影响植物分枝/分蘖的重要因素［32-34］；缺失编码蔗糖合成的关键酶会导致分蘖芽伸长受抑制［35］。蔗糖可通过介导细胞分裂素途径［34］、独脚金内酯途径［33］、生长素［36］等多途径影响作物分枝/分蘖。SS 与SPS 是影响蔗糖合成的关键酶［17］。在本研究中，SS 与SPS 活性在品种间差异不显著，说明GT49 和GT03 的蔗糖合成能力相近。据此推测，GT49 分蘖性较GT03 强的原因可能是有更多的光合产物从主苗分配至分蘖芽以提供分蘖形态建成所需的物质和能量，同时，蔗糖作为重要的信号分子激活了分蘖相关的下游调控基因和通路，促进了甘蔗分蘖芽的生长发育。然而，蔗糖通过何种信号通路影响甘蔗分蘖的分子调控机制尚需进一步深入研究。

4 结论

本研究结果表明，强分蘖品种（GT49）和弱分蘖品种（GT03）间的光合产物的分配规律存在差异，强分蘖特性品种的主茎能更多地将光合产物分配至分蘖芽，弱分蘖特性品种反之。在T1、T2和T3分蘖期间，GT49和GT03 的13C 分配量无显著差异，但GT03 的13C 自留量显著高于GT49，且其分配至分蘖苗的13C 分配比例均显著低于同期GT49。此外，甘蔗分蘖率和分蘖发生率与分蘖苗13C 分配量与分配比例整体呈显著或极显著正相关，T2 时的相关系数最大。由此可见，甘蔗分蘖特性与光合产物分配至分蘖苗的同化物的量和比例密切相关。