芍药不同品种发育过程中花茎细胞壁成分变化

侯竞涵，万映伶，刘爱青，洪爱英，刘 燕，*

(1.北京林业大学 园林学院，花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室，国家花卉工程技术研究中心，城乡生态环境北京实验室，北京100083；

2.菏泽市城市管理事业发展中心，山东 菏泽 274000)

芍药(Pall.)是芍药科芍药属植物，为我国传统名花，是重要的庭院花卉和新切花。芍药花茎特性与应用形式密切相关，在庭院栽培中花茎垂弯、花头下垂的芍药受到喜爱；
而切花需要挺直的花茎。因此，了解芍药不同品种花茎特性及其成因有重要意义。

目前国内外针对芍药花茎特性的研究不多，已有研究主要围绕花茎细胞壁成分展开。比较一致的结论是，芍药花茎直立性和木质素含量正相关，即木质素含量越高，芍药花茎直立性越好。纤维素作为植物细胞壁的主要成分，在维持细胞壁刚性和花茎机械强度等方面发挥了重要作用。目前芍药花茎直立性与纤维素含量的关系未有一致结论，有研究认为芍药花茎直立性与纤维素含量极显著负相关，也有学者认为二者显著正相关，还有观点认为纤维素含量与花茎直立性没有严格的相关性。半纤维素在细胞壁中与纤维素交联，对于维持坚硬的细胞壁结构也有重要作用。但目前仅见2个芍药品种有相关报道，直立性好的品种大富贵在发育后期半纤维素含量呈上升趋势，直立性差的品种垂头红在发育后期半纤维素含量呈下降趋势。此外，也有报道显示，直立性好的芍药品种原果胶含量较高、水溶性果胶含量较低。

本研究在课题组前期研究的基础上，选用花枝夹角这一直观的表型指标作为花茎直立性的评判标准，以国内优良切花品种东方少女和杨妃出浴及其他4个庭院品种为研究对象，将芍药从现蕾期到花朵盛开的过程划分成S1至S5共5个阶段，探究其花茎在不同发育时期以及同一时期不同品种间5种细胞壁组分的动态变化，旨在明确芍药花茎直立性产生差异的关键时期，以及细胞壁组分对芍药直立性的作用，为后期调控芍药花茎直立性和切花品种的选育提供支持。

1.1 试验材料

参试芍药品种为东方少女(Dongfang Shaonv)、杨妃出浴(Yangfei Chuyu)、迟粉(Chifen)、种生粉(Zhongshengfen)、奇花露霜(Qihua Lushuang)和晴雯(Qingwen)均栽植于北京市昌平区国家花卉技术工程中心小汤山资源与种质创新基地。样品于2021年4月17日至5月24日采集。每个芍药品种每个时期随机选取3株芍药，每株芍药随机选取2个花枝进行取样，共6个花枝，在蕾下5～15 cm花茎弯茎处取材，取材后迅速用锡纸包好置于液氮中，带回实验室存放于-80 ℃冰箱。

1.2 试验方法

1.2.1 生长阶段划分

参照芍药花枝的生长发育模型，将芍药生长时期划分为S1～S5共5个阶段，自S1时期芍药现蕾期开始取材，每隔7 d进行取材直至芍药花朵盛开S5时期停止取材，采样时期见图1。

A，S1时期；
B，S2时期；
C，S3时期；
D，S4时期；
E，S5时期。A， Stage 1 (S1)；

B， Stage 2 (S2)；

C， Stage 3 (S3)；

D， Stage 4 (S4)；

E， Stage 5 (S5).图1 芍药样品取材时期Fig.1 Sampling time of Paeonia lactiflora

1.2.2 芍药直立性评判标准

芍药花茎直立性的判断在前人对芍药花枝夹角的评判标准基础上略有修改，花枝夹角测量方式见图2。其中，花枝夹角越大，直立性越差。本文将花枝夹角>15°进一步区分为直立Ⅱ、Ⅲ级，即盛花期花枝夹角<15°的划分为直立等级Ⅰ级，花枝夹角范围在15°～45°划分为直立等级Ⅱ级，花枝夹角>45°划分为直立等级Ⅲ级。

α表示花枝夹角。α represented flower branch angle.图2 芍药花枝夹角测量方式Fig.2 Measurement method of flower branch angle of Paeonia lactiflora

1.2.3 细胞壁组分测定

纤维素含量采用蒽酮比色法测定，半纤维素含量采用DNS法测定，木质素含量采用乙酰溴法测定，原果胶含量和水溶性果胶含量采用咔唑比色法测定。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel软件对数据进行整理，用SPSS软件对芍药不同直立等级品种花茎的细胞壁组分含量进行差异显著性分析，用SPSS软件对不同品种在5个时期的花枝夹角均值与细胞壁组分含量进行相关性分析，使用prism7软件作图。

2.1 不同芍药品种的花枝夹角及其直立性评级

芍药不同时期的花枝夹角测量结果见表1，根据盛花期(S5)的花枝夹角，将东方少女和杨妃出浴划为直立等级Ⅰ级，迟粉和种生粉划为直立等级Ⅱ级，奇花露霜和晴雯划为直立等级Ⅲ级，此结果与大田实地调查观测结果一致。

表1 不同芍药品种在5个发育阶段的花枝夹角

芍药不同品种在S1～S5时期的花枝夹角呈现不同趋势。东方少女在5个时期的花枝夹角无显著差异，杨妃出浴在S2～S5时期的花枝夹角无显著差异，晴雯自S4时期花枝夹角显著增大，产生明显弯曲，其余3个品种花枝夹角随生长发育逐渐增大。

进一步比较不同直立等级的芍药品种在同一时期的花枝夹角，结果显示，自S2时期，直立等级Ⅰ级的东方少女、杨妃出浴与直立等级Ⅱ级的迟粉、直立等级Ⅲ级的奇花露霜的花枝夹角开始出现差异，S5时期花枝夹角差异达到最大。值得注意的是，2个直立等级Ⅰ级的品种与直立等级Ⅲ级晴雯的花枝夹角差异始于S4时期。由此可见，不同品种出现花茎直立性差异的关键时期不完全一致，多数直立性差的品种花茎随发育逐渐变弯，但晴雯自S4时期开始迅速下垂，研究中应依品种对S2或S4时期予以关注。

2.2 不同直立等级品种芍药的花茎细胞壁组分含量变化

2.2.1 纤维素含量

6个芍药品种的纤维素含量见图3。同一直立等级的品种在5个发育阶段的纤维素含量变化规律不同，直立等级Ⅰ级的东方少女和杨妃出浴的纤维素含量在早期升高，后期无显著差异；
直立等级Ⅱ级的品种纤维素含量在S1至S4时期先升高后降低；
直立等级Ⅲ级的品种纤维素含量没有一致规律，奇花露霜的纤维素含量先下降后上升，晴雯的纤维素含量先上升后下降。对同一发育阶段不同品种的纤维素含量进行比较，结果显示，除了直立等级Ⅲ级的晴雯，S4～S5时期直立等级Ⅰ级品种的纤维素含量显著高于Ⅱ级和Ⅲ级品种；
直立等级Ⅲ级的晴雯，在5个发育阶段，其纤维素含量显著高于其他5个品种。由此可见，对大多数品种而言，发育后期花茎挺直的芍药品种，其纤维素含量相对较高。

大写字母为同一时期不同品种间的差异(P<0.05)，小写字母为同一品种不同时期的差异(P<0.05)。下同。Capital letters refered to the differences (P<0.05) between various varieties in the same stage， and lowercase letters refered to the differences (P<0.05) among different stages of a variety. The same as below.图3 各时期不同直立等级芍药的纤维素含量Fig.3 Cellulose content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.2.2 半纤维素含量

6个芍药品种在5个发育阶段的半纤维素含量见图4。直立等级Ⅰ级的2个品种、直立等级Ⅱ级的种生粉和直立等级Ⅲ级的奇花露霜半纤维素含量基本呈先上升后下降趋势，但峰值出现的时期因品种略有差异，为S3或S4时期。直立等级Ⅱ级的迟粉和直立等级Ⅲ级的晴雯半纤维素含量在S1～S4阶段保持相对稳定，S5时期升高。对同一时期不同品种的半纤维素含量进行比较，结果显示，直立等级Ⅰ级的品种东方少女在S2时期、杨妃出浴在S4时期的半纤维素含量高于同时期的其他直立等级品种。

图4 各时期不同直立等级芍药品种的半纤维素含量Fig.4 Hemicellulose content of Paeonia lactiflora varieties with different vertical grades at five developmental stages

2.2.3 木质素含量

6个芍药品种在5个发育阶段的木质素含量见图5。3类直立等级品种的木质素含量均随发育时期呈升高趋势，其中，直立等级Ⅰ级和Ⅱ级品种的木质素含量在S5时期达到最大值，但直立等级Ⅲ级品种的木质素含量自S3时期基本保持不变。对同一时期不同直立等级品种的木质素含量进行比较，结果显示，直立等级Ⅰ级品种的木质素含量在S1～S5时期均高于同时期的Ⅱ级和Ⅲ级品种奇花露霜，在S1和S5时期高于同时期的直立等级Ⅲ级品种晴雯。从大多数品种的结果来看，相对较高的木质素含量有助于保持芍药花茎直立。

图5 各时期不同直立等级芍药品种的木质素含量Fig.5 Lignin content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.2.4 原果胶含量

6个品种的原果胶含量见图6。直立等级Ⅰ级的2个品种、直立等级Ⅱ级的种生粉和直立等级Ⅲ级的奇花露霜，原果胶含量基本呈先上升后稳定的趋势，直立等级Ⅱ级的迟粉和直立等级Ⅲ级的晴雯在后期原果胶含量均显著降低，但前期变化规律不同。进一步对同一时期不同品种的原果胶含量进行比较，结果显示，在S1时期，直立等级Ⅲ级品种晴雯原果胶含量显著高于其他品种，S2时期直立等级Ⅱ级品种种生粉的原果胶含量显著高于其他品种。

图6 各时期不同直立等级芍药品种的原果胶含量Fig.6 Protopectin content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.2.5 水溶性果胶含量

6个品种芍药的水溶性果胶含量见图7。自S2时期起，3类直立等级品种的水溶性果胶含量均呈降低趋势，直立等级Ⅲ级品种奇花露霜和晴雯在S2时期水溶性果胶含量大幅升高，在S3时期水溶性果胶含量大幅降低。从同一时期不同品种的水溶性果胶含量来看，直立等级Ⅲ级品种奇花露霜和晴雯的水溶性果胶含量在S1、S2、S5时期均显著高于其他直立等级的品种。由此推测，发育过程中相对较高的水溶性果胶含量可能不利于芍药花茎保持直立。

图7 各时期不同直立等级芍药品种的水溶性果胶含量Fig.7 Water-soluble pectin content of Paeonia lactiflora with different vertical grades at five developmental stages

2.3 花茎直立性和其细胞壁成分的相关性

不同芍药品种在5个发育阶段的花枝夹角与细胞壁组分含量间的相关性分析见表2，芍药花茎的花枝夹角与细胞壁组分相关性受发育阶段影响。S1时期花枝夹角与5种细胞壁组分均没有显著相关性。S2时期花枝夹角与木质素含量极显著负相关(=-0.761)，即S2时期直立性好的芍药品种木质素含量高。S3时期花枝夹角也与木质素含量极显著负相关(=-0.743)，与原果胶含量显著正相关(=0.565)，即S3时期直立性好的芍药品种木质素含量高，原果胶含量低。S4时期花枝夹角与半纤维素含量极显著负相关(=-0.604)，即S4时期直立性好的芍药品种半纤维素含量高。S5时期花枝夹角与木质素含量极显著负相关(=-0.678)，与水溶性果胶含量显著正相关(=0.864)，即S5时期直立性好的芍药品种，木质素含量高，水溶性果胶含量低。

表2 不同品种芍药在5个发育阶段的花枝夹角与细胞壁组分含量间的相关性

弯茎是农业生产中的常见现象，小麦等农作物的倒伏是影响其产量的根本原因。切花生产中，花茎直立性也直接影响切花品质。本研究中直立性差的品种茎弯表现出2种类型：(1)直立等级Ⅱ级品种迟粉和种生粉、直立等级Ⅲ级品种奇花露霜，在发育早期即发生弯茎，并随发育时期的推移花枝夹角逐渐加大；
(2)直立等级Ⅲ级的品种晴雯，花茎在发育早期一直保持直立的状态，自S4时期开始突然大幅弯曲。目前关于芍药花茎弯曲发生的阶段鲜有报道，仅见垂头红弯茎始于S3时期，与本文结果基本一致，属于第1种类型。

纤维素是植物细胞壁重要的组成成分之一，在本研究中，直立等级Ⅰ级的品种东方少女和杨妃出浴的纤维素含量在S4～S5时期显著高于大多数Ⅱ级和Ⅲ级的品种，这与课题组前期研究结论较为一致，在油菜()、大豆()、小麦()研究中也有类似结果，高纤维素含量可提高植株的机械强度。但直立等级Ⅲ级的品种晴雯，在5个发育阶段其纤维素含量显著高于其他5个品种，这可能是种植地区差异的影响。有研究指出晴雯在山东地区栽植时符合切花选用标准，花茎直立性良好，但在实践栽培中，晴雯在不同地区花茎直立性变化较大，受环境影响明显。同时，晴雯花茎陡然变弯的现象，也可能与其发育后期木质素含量不再增加有关，或与其细胞壁结构，尤其是纤维素结构相关。多种作物中的研究表明，纤维素结晶度越高，抗倒伏能力越强。

一般认为，半纤维素与纤维素形成的交联结构可提高细胞壁强度，从而提高植株的抗倒伏能力。本研究发现，直立性好的芍药品种半纤维素含量在发育中后期时较高。前人研究发现，参与木聚糖合成的14基因与维持木聚糖含量和稳定细胞壁的15-基因均在直立性好的品种大富贵中表达量较高。因此，推测在芍药花茎发育中后期，半纤维素合成相关基因表达量增加，导致半纤维素含量增加从而使芍药花茎的直立性更好。

果胶作为初生细胞壁的主要组成物质，对植物细胞的形态建成具有重要作用。本研究认为低含量的水溶性果胶可以增加细胞壁的硬度，从而提高芍药花茎的直立性，这与前人在芍药水溶性果胶含量的研究中结果一致，值得后续关注。

综上所述，直立性好的品种在发育过程中始终保持花茎挺直，直立性差的品种花茎发生弯曲的时间不同，可分为随发育逐渐变弯和发育后期陡然变弯这2种类型。晴雯在发育后期陡然弯垂，其内在原因值得进一步深入研究。不同直立等级芍药品种在木质素含量和水溶性果胶含量变化与发育时期的关系上呈现相对一致趋势，直立性好的品种在生长发育中木质素含量高，水溶性果胶含量低。不同品种芍药在5个发育阶段的花枝夹角与细胞壁组分含量的相关性分析表明，在发育前期花茎直立性和木质素含量极显著正相关；
发育中期花茎直立性和木质素含量极显著正相关，和原果胶含量显著负相关；
发育后期花茎直立性和半纤维素含量以及木质素含量极显著正相关，和水溶性果胶含量显著负相关。本研究明确了发育过程中影响芍药花茎直立性的关键细胞壁组分与组分影响的关键时期，为芍药切花品种的选育和栽培提供了理论依据。