2022, Vol. 30
甘蔗(Soccharum officinarum)是世界上最重要的糖料作物。甘蔗的收获环节作业量约占生产全程总作业量的一半以上，从人工收获角度来看，剥叶的作业量占比收获期作业量的六成之多[1]，这不仅使得甘蔗生产的效率低、工作强度大，更使得甘蔗的生产成本居高不下[2]；从机械化收获角度来看, 虽然机械化耕整地及机械化种植已较为普及，但甘蔗机收的推进仍不理想[3]，广西甘蔗的机收率仍不到10%，机收阶段的含杂率过高是阻滞甘蔗机械化收获全面实行的一个重要影响因素，决定机收含杂率高低的一个重要成分恰恰是收获时夹杂蔗叶的多少[4]。故无论是人工砍收还是机械作业，选育和栽培脱叶性好的甘蔗优良新品种将可能较大地降低工作强度及含杂率，对降低甘蔗的生产成本具有十分重要的作用[5]。
目前，甘蔗的品种选育多侧重糖分和产量，脱叶性方面的研究开展较少[2, 6]。虽然已有研究表明, 乙烯(ethylene)、脱落酸(abscisic acid, ABA)和茉莉酸(jasmonic acid, JA)及其衍生物等都对植物器官的脱落具有重要的调节作用, A4无核荔枝(Litchi chinensis)正常果的果柄离区脱落酸和乙烯的含量显著低于触落果，果柄离区此2种激素含量的升高加速了荔枝果实的脱落[7]；调控月季(Rosa chinensis)花瓣脱落的重要转录因子RhERF1的表达水平受到乙烯的调节[8]，与月季花瓣脱落可能存在关联的转录因子RbEXPA1在乙烯的刺激下表达量出现上调[9]; 棉花(Gossypium hirsutum)叶片的脱落受到乙烯的调控，ABA则通过乙烯进一步诱导棉花叶片的脱落[10]；ABA和ACC在柑橘(Citrus sinensis)等果实的脱落过程中进行调控[11]；茉莉酸及其衍生物能促进菜豆(Phaseolus vulgaris)叶柄的脱落等[12]，但目前，有关甘蔗内源激素与甘蔗脱叶性之间的相关研究鲜见报道。本研究从上述几种重要的植物激素着手, 在甘蔗的不同成熟时期分别对脱叶性不同的甘蔗品种(系)凉蔗02-169和‘桂糖47号’的不同叶位的叶鞘基部进行取样，通过测定上述激素及相关衍生物的含量来初步探究不同脱叶性甘蔗品种成熟期内源激素含量的差异以及这些激素类物质对甘蔗脱叶性可能存在的影响，为进一步选育脱叶性好的甘蔗优良新品种提供参考。
1 材料和方法 1.1 材料本试验选用脱叶性极强的甘蔗(Soccharum officinarum)凉蔗02-169品系(LZ02-169)和脱叶性差的‘桂糖47号’品种(‘GT47’)为材料，均种植并保存于广西壮族自治区亚热带作物研究所甘蔗种质资源圃。
1.2 方法2020年3月，将供试材料种茎种植于广西热作所甘蔗种质资源圃试验田。每个品种按小区各种植3个重复，每小区5行，行长5 m，行宽1.1 m。每行下种60芽，双行种植；为尽量避免外界环境如风力、光照等因素差异对自然脱叶率的影响，在小区边际设保护行。遵循田间常规管理，且在甘蔗生长过程中，均不进行人工剥叶。于2020年甘蔗成熟初期(11月中旬)、中期(12月中旬)和后期(次年1月中旬)的晴朗上午，对LZ02-169和‘GT47’进行自然脱叶率的统计并进行采样。每品种随机选取长势良好的8~10株植株，分别取+2、+5和+8叶(以顶端最高且可见肥厚带叶片为+1叶)的叶鞘基部(自鞘基而上约1.0 cm的离区组织)，迅速置于液氮中, 随后保存于-80 ℃超低温冰箱中备用。叶鞘基部用研磨仪研磨成粉末状，称取50 mg粉末后加入内标, 用1 mL甲醇∶水∶甲酸(体积比为15∶4∶1)溶液进行提取，浓缩液用100 μL 80%甲醇溶液复溶后过滤膜(0.22 μm)，用于LC-MS/MS分析。
自然脱叶率=自然脱落的叶片数/总节数×100%; 1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)、脱落酸(ABA)、脱落酸葡萄糖酯(ABA-GE)和茉莉酸(JA)及其衍生物茉莉酸-缬氨酸(JA-Val)的含量交由武汉迈特维尔生物科技有限公司代为测定。
试验数据使用SPSS软件进行方差分析，采用Excel 2003对数据进行整理和制表，以P<0.05表示差异显著。
2 结果和分析 2.1 自然脱叶率的差异3个成熟期‘GT47’的自然脱叶率均为0，表明该品种在自然生长下很难自动脱叶；而LZ02-169在成熟中期和后期的自然脱叶率分别为(55.75± 0.45)%和(62.14±0.17)%，与前期(48.33±0.03%)达显著差异。
2.2 叶鞘基部ABA和ABA-GE含量的变化由表 1可见，‘GT47’甘蔗+8叶的叶鞘基部ABA含量在成熟初期和中期均最高，且均显著高于同时期的+2和+5叶及LZ02-169各叶位；其次为LZ02- 169的+8叶。到了成熟后期，叶鞘基部ABA含量最高的为LZ02-169的+8叶，达112.67 ng/g, 较中期增长67.17%，显著高于同时期+2和+5叶及‘GT47’各叶位；其次为‘GT47’的+8叶，较中期下降了14.13%。
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表 1 甘蔗叶鞘基部的激素含量 Table 1 1 Defoliation rate and hormony contents in leaf sheath base of sugarcane |
LZ02-169在成熟初期和中期的+2及+5叶鞘基部的ABA-GE含量较高, 其+8叶未检测到；在成熟后期，+5叶鞘基部的ABA-GE含量也维持较高的水平，+8叶鞘基部的ABA-GE含量较高，+5及+8叶的ABA-GE含量显著高于同时期LZ02-169的+2叶和‘GT47’的+2及+5叶；而‘GT47’仅在成熟后期的+2及+5叶中检测到ABA-GE。
2.3 成熟期叶鞘基部ACC含量的变化LZ02-169的+8叶鞘基部在成熟初期的ACC值最高，显著高于其余叶位，随后逐渐下降；到成熟后期，LZ02-169的+2和+5叶鞘基部ACC含量显著高于+8叶。与同时期的‘GT47’相比，除成熟初期+2叶、成熟后期的+8叶外，同叶位叶鞘基部的ACC含量，LZ02-169均显著高于‘GT47’，且‘GT47’的+8叶鞘基部ACC含量随成熟期先降后升(表 1)。
2.4 成熟期叶鞘基部的JA和JA-Val含量在成熟初期，LZ02-169的+2叶鞘基部的JA含量最高，+2、+5叶的JA含量显著高于同时期+8叶和‘GT47’。到成熟中期，2个甘蔗品种(系)各叶鞘基部JA含量均明显下降。到成熟后期，LZ02-136的+2和+5叶的JA含量较成熟中期分别增长128.38%和31.55%，‘GT47’的+2和+5叶的JA含量较中期分别增长1394.89%和359.25%；LZ02-169的+8叶鞘基部JA含量显著高于‘GT47’的+8叶(表 1)。
随成熟期的推进，LZ02-169的+8叶叶鞘基部的JA-Val含量呈递增趋势，到成熟后期达到最高; 而‘GT47’的+8叶鞘基部的JA-Val含量则呈现递减趋势。LZ02-169的+2、+5叶鞘基部的JA-Val含量均随成熟期呈递增趋势(表 1)。
3 结论和讨论ABA是植物器官脱落的重要调控激素和信号分子[13]，高浓度的ABA能促进植物器官的脱落[11, 14]。ABA-GE是由ABA转葡萄糖基酶催化产生的ABA结合体的最主要的形式[15]，可通过β-葡萄糖苷酶的催化作用转变为有活性的ABA分子，从而实现ABA含量的调节[16]。本研究结果表明，成熟后期LZ02- 169的+8叶鞘基部的ABA-GE突然升高，其ABA含量也为最高，高含量ABA可能加速了+8叶片在成熟后期的脱落, 推测在甘蔗成熟后期, LZ02-169的+8叶鞘基部，储备了足够的ABA-GE和ABA特异性β-d-葡萄糖苷酶，保证了足够高活性的ABA的合成和释放，最终促使了叶片的脱落。
乙烯含量的升高可促进果胶酶合成基因、多聚半乳糖醛酸酶基因等细胞壁水解酶基因的表达，从而促进植物器官的脱落[17]。由于乙烯不易直接测定，通过测定其直接前体ACC含量可为乙烯含量的判断提供参考[18–19]。本研究结果表明，不同成熟期相同叶位叶鞘基部的ACC含量均表现为LZ02- 169高于‘GT47’，LZ02-169的+8叶鞘基部ACC含量与其脱叶率成反比，推测乙烯的合成促进了蔗叶的脱落，即在甘蔗成熟初期叶鞘基部开始储备大量的ACC以合成乙烯，而随着成熟期的推进，ACC合成乙烯的速率加快，乙烯的释放促进了脱叶过程，脱叶后ACC的含量下降。
JA及其衍生物均可引起植物的生理反应, 其中一个重要的作用即为促进植物器官的脱落[20]。本研究结果表明，JA-Val在成熟后期的LZ02-169的+8叶鞘基部表现出最高含量，其在3个成熟期+8叶中的含量变化趋势与其自然脱叶率相同，推测JA-Val对蔗叶的脱落具有一定的促进作用。
综上所述，在甘蔗成熟后期ABA浓度的升高可能加速了蔗叶的脱落；经由ACC转化的乙烯以及JA-Val也对蔗叶的脱落具有促进作用。考虑到植物叶片脱落受到多种内源激素及细胞中激素动态水平的调控[21–23]，以及除ABA、乙烯、JA之外的其他激素、非激素类物质和自然因素等均会对蔗叶的脱落造成影响[17, 24]，故有关蔗叶脱落的相关机理还有待从不同角度展开进一步探索。
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