春化作用與GA有關(guān)課件

第九章植物的成花生理植物營養(yǎng)生長到一定階段，在外界條件的誘導(dǎo)下，就會進入生殖生長。一般植物必須長到一定大小，達到一定生理狀態(tài)后，才能感受所要求的外界條件而開花。植物具有的能感受環(huán)境條件而誘導(dǎo)開花的生理狀態(tài)稱花熟狀態(tài)?；ㄊ鞝顟B(tài)是植物營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)入生殖生長的標志。通常將植物達到花熟狀態(tài)之前的營養(yǎng)生長時期稱幼年期。幼年期各類植物長短不一。植物的開花大致可分為3個階段：（1）成花誘導(dǎo)：指能感受環(huán)境條件，啟動開花基因，使植物營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)化為生殖生長。（2）花的發(fā)端：分生組織開始分化，形成花原基。（3）花的發(fā)育：花原基進一步發(fā)育，形成各種花器官。

第一節(jié)春化作用一、春化作用現(xiàn)象

1918年Gassner等用冬黑麥進行試驗，發(fā)現(xiàn)冬黑麥在萌發(fā)期或苗期必須經(jīng)歷一個低溫階段才能開花，而春小麥則不需要。冬小麥必須冬播，次年才正常開花，若改為春播，整個夏季便進行營養(yǎng)生長不開花。Gassner將小麥和黑麥分為冬性和春性兩種。

1928年Lysenko（李森科）將吸水萌動的冬小麥種子經(jīng)低溫處理后春播，發(fā)現(xiàn)其可在當(dāng)年夏季抽穗開花。他將低溫促進植物開花的作用稱春化作用（Vernalization）。二、植物對低溫反應(yīng)的類型：現(xiàn)在研究表明，除了冬小麥、冬黑麥以外，某些二年生植物如白菜、蘿卜、芹菜、甜菜、甘藍、天仙子等以及一些多年生植物如牧草的開花也需經(jīng)春化作用。但各種植物對低溫的要求不同：有三類：1、植物對低溫的要求是絕對的：這類植物若不經(jīng)過一定天數(shù)的低溫處理，可保持無限的營養(yǎng)生長，不開花。主要是些二年生和多年生草本植物。如油菜、胡蘿卜、白菜等。

2、植物對低溫的要求是相對的：這類植物若不經(jīng)過低溫春化，只延長營養(yǎng)生長期，時間一長照樣開花。如冬小麥春播，時間一長照樣開花。

3、多數(shù)喜溫植物和許多木本植物不需要春化。

如水稻、玉米、黃瓜等。根據(jù)小麥和黑麥開花對低溫的要求和通過春化的時間，可將小麥和黑麥分為冬性、半冬性、春性三個類型，一般冬性越強，要求春化的溫度越低，時間越長。冬小麥：0-3℃，40-45天；半冬性小麥：3-6℃，10-15天；春小麥：8-15℃，5-8天。三、植物通過春化的條件1、低溫：對于大多數(shù)植物，1-2℃是最有效的春化溫度。但只要有足夠的時間，在-3-10℃范圍內(nèi)對春化都有效。各類植物通過春化所要求的低溫和時間有所不同，一般冬性越強，要求春化的溫度越低，時間越長。

在植物春化過程結(jié)束前，如將植物放到較高的生長溫度下，低溫的效果會被減弱或消除，這種現(xiàn)象稱去春化作用。一般解除春化的溫度為25-40℃。去春化作用呈現(xiàn)下列特點：（1）去春化作用只能發(fā)生在低溫處理的時期，當(dāng)春化過程結(jié)束，就不會被高溫去春化。（2）植物經(jīng)低溫處理時間愈長，解除春化愈困難。（3）去春化的植物可用低溫重新春化，而且低溫的效應(yīng)可以累加。這種解除春化之后，再進行的春化作用稱再春化作用。（4）缺氧也可發(fā)生去春化作用。推測低溫誘導(dǎo)植物開花可能與在低溫下某種物質(zhì)的合成有關(guān)。2、水分：將已萌動的小麥種子失水干燥，當(dāng)其含水量低于40%時，就不能通過低溫春化。3、氧氣：在缺氧條件下，即使?jié)M足了水分、低溫要求，仍不能通過春化。據(jù)測定，春化期間，某些酶的活性會提高，氧化還原作用會加強，呼吸作用增加。缺氧也會發(fā)生去春化作用。4、呼吸底物營養(yǎng)：通過春化作用還需要足夠的營養(yǎng)物質(zhì)。若將小麥種子的胚培養(yǎng)在富含蔗糖的培養(yǎng)基中，在低溫下通過春化，但若培養(yǎng)基中缺乏蔗糖，則不能通過春化。此外，許多植物在感受低溫后還需經(jīng)過長日照誘導(dǎo)才能開花。如天仙子，經(jīng)低溫處理后放在短日照下，就不開花。

四、春化作用機理（一）春化刺激部位和傳遞1、春化作用的時期和部位（1）春化作用的時期

一般植物在種子萌發(fā)到植物營養(yǎng)生長的苗期都可感受低溫而通過春化。如冬小麥、黑小麥可在萌動期，也可在苗期，甚至可在母體正在發(fā)育的幼胚中進行。但胡蘿卜、甘藍和芹菜等植物只有在幼苗長到一定大小以后，才能通過春化。例甘藍幼苗的莖的直徑達0.6cm，葉寬達5cm以上才能通過春化。月見草至少要有6-7個葉片，才接受低溫處理。（2）感受春化的部位

分生組織和某些進行細胞分裂的部位。1）莖尖分生組織：將芹菜的莖尖給予0℃左右的低溫，其它部分放在25℃的高溫中，植物可通過春化，反之，將莖尖置于高溫中，其它部分置于低溫中，則不能通過春化。2）幼胚：Gregory和Purvis將冬黑麥的胚分開，用1-2℃低溫處理離體胚后，轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)基上培養(yǎng)，長出的小植株表現(xiàn)出春化效果。3）葉柄基部：椴花的葉柄基部在適當(dāng)?shù)蜏靥幚砗?，?jīng)組織培養(yǎng)可培養(yǎng)出花莖，但如果將葉柄基部切除0.5cm，再生的植株就不能形成花莖。2、春化作用的傳遞有兩類結(jié)果相反的實驗：（1）低溫處理的植株可能產(chǎn)生了某種可以傳遞的物質(zhì)，并可經(jīng)過嫁接傳遞給未經(jīng)春化的植株。天仙子嫁接實驗：Melchers和Lang將已春化的二年生植物天仙子枝條或一片葉片嫁接到未春化天仙子枝條上，能誘導(dǎo)未春化植株開花。不但如此，將已春化的天仙子枝條嫁接到煙草或矮牽牛植株上，也能使這兩種植物開了花。（2）低溫處理不產(chǎn)生傳遞物質(zhì)，低溫感應(yīng)效應(yīng)經(jīng)細胞分裂由一個細胞傳遞到另一個細胞。1）菊花嫁接實驗：將菊花已春化植株和未春化植株嫁接，未春化植株不能開花。如將春化后的芽移植到未春化植株上，則僅這個芽長出的梢開花。2）蘿卜嫁接實驗：將未春化的蘿卜植株的頂芽嫁接到已春化的蘿卜植株上，該頂芽長出的梢不能開花。（二）春化作用的生理生化變化：1、呼吸作用增加：試驗表明：1）春化處理過的冬小麥呼吸速率要比對照高；2）春化作用需氧氣和呼吸底物；3）用氧化磷酸化解偶聯(lián)劑DNP處理，可抑制春化的過程；4）在春化過程中，呼吸氧化酶系統(tǒng)會發(fā)生了變化，前期以細胞色素氧化酶為主，后期細胞色素氧化酶活性逐漸降低，抗壞血酸氧化酶活性增加。2、增加了RNA的合成和性質(zhì)的改變：試驗證明：低溫處理可提高冬小麥幼苗的可溶性RNA和rRNA含量。從經(jīng)過60d春化處理的冬小麥幼苗中提取出來的染色體，主要合成大于20S的mRNA，而從常溫下萌發(fā)的冬小麥幼苗中提取出來的染色體，主要合成9-20S的mRNA，說明，低溫處理下，植物有新的mRNA的合成。3、增加可溶性蛋白質(zhì)和游離Aa的含量：實驗表明：低溫處理可提高冬小麥種子增加可溶性蛋白質(zhì)和游離Aa的含量。電泳分析顯示，春化處理的冬小麥有新的蛋白質(zhì)譜帶出現(xiàn)。在去春化作用的冬小麥中，原來經(jīng)低溫誘導(dǎo)產(chǎn)生的新蛋白質(zhì)消失了。在增加的游離Aa中，以Proline增加最多。說明，春化作用是一個基因啟動、表達與調(diào)節(jié)的復(fù)雜過程，涉及到某些特定基因的活化，特定mRNA和蛋白質(zhì)的合成。

（三）春化作用機理

1、春化基因去甲基化假說認為：低溫導(dǎo)致DNA去甲基化，而改變基因表達。依據(jù)：DNA去甲基化試劑5-氮胞苷處理擬南芥晚花突變體和冬小麥，總DNA甲基化水平降低，開花提早。而擬南芥早花突變體和春小麥對5-氮胞苷不敏感。因此，認為擬南芥晚花突變體之所以遲開花，是由于基因被甲基化,而阻礙了開花相關(guān)基因表達，

2、與開花抑制物基因（FLC，floweringlocusc)的表達有關(guān)：在非春化植株的頂端分生組織中，F(xiàn)LC強烈表達，但低溫處理后FLC表達就減弱。低溫時間越長，F(xiàn)LC表達越弱。低溫抑制FLC基因的表達，從而減弱了其對開花的抑制作用。

3、與開花基因Ver203的表達有關(guān)種康等（1994）得到與春化相關(guān)的三個基因Ver17、Ver69、Ver203的cDNA，將Ver203反義基因轉(zhuǎn)入植物，發(fā)現(xiàn)開花顯著被抑制。

4、春化作用與GA的關(guān)系（1）春化作用與GA有關(guān)：

1）二年生植物天仙子、白菜、甜菜等若不經(jīng)過低溫處理，植物呈蓮座狀，不能抽苔開花。但使用GA可使這些植物不經(jīng)低溫處理就能開花。

2）許多植物如菊、小麥、油菜等經(jīng)春化處理后，體內(nèi)GA含量會增加。3）用GA生物合成抑制劑如福斯方D、AMO-1618等處理，可抑制春化作用。（2）GA不是春化開花刺激物

1）GA并不能誘導(dǎo)所有需春化的植物開花。GA對低溫的替代作用只對長日植物有效。

2）植物對GA的反應(yīng)不同于低溫：被低溫誘導(dǎo)的植物抽苔時就出現(xiàn)花芽，而GA雖可引起植物莖的伸長或抽苔，但不一定開花。近年的研究發(fā)現(xiàn)植物體的的赤霉素烯酮與植物的春化作用有關(guān)。五、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用：

1、人工春化處理冬小麥萌動后，對其進行低溫處理可進行春天補種。在育種中可利用春化處理，在一年中培育3-4代冬性作物，加速育種過程。

2、調(diào)種引種

在南北方地區(qū)之間引種時，必須注意品種對溫度的要求。北種南引，植物因得不到合適的低溫，致使植物只進行營養(yǎng)生長，不開花結(jié)果。

3、控制花期

1）低溫處理可使秋播的一、二年生草本花卉改為春播，當(dāng)年開花。

2）利用解除春化控制某些植物開花：例洋蔥鱗莖在春季種植前，用高溫處理，解除春化作用，可防止其在生長期開花而增加鱗莖的產(chǎn)量。第二節(jié)光周期現(xiàn)象

1920年美國的貝爾茲維爾農(nóng)業(yè)研究小組的W.W.Garner和H.A.Alard注意到煙草的一個變種,在夏季進行旺盛的營養(yǎng)生長,株高可達3-5M,但不開花.但在冬季轉(zhuǎn)入溫室后,株高不足1M就可開花。他們試驗了溫度、光質(zhì)、營養(yǎng)等各種條件，發(fā)現(xiàn)晝夜長度是影響煙草開花的關(guān)鍵因素。如果在夏天用黑布遮光，人為縮短日照長度，煙草就能開花，冬季在溫室內(nèi)用人工光照延長日照長度，則煙草保持營養(yǎng)狀態(tài)而不開花。由此他們得出結(jié)論：植物的開花與晝夜的相對長度有關(guān)。

現(xiàn)在已證明，不僅是植物的開花，植物的休眠和落葉，鱗莖、塊莖、球莖等地下貯藏器官的形成都受光周期的影響。如菊芋塊莖的形成需短日照，馬鈴薯塊莖、洋蔥鱗莖的形成需長日照。人們將一晝夜間光暗交替（晝夜光暗的相對長度）稱光周期。而植物對晝夜長度所發(fā)生的反應(yīng)現(xiàn)象稱光周期現(xiàn)象。研究最多的是植物的成花光周期誘導(dǎo)。冬季夏季一、植物光周期的類型依據(jù)自然界植物對日照長短反應(yīng)的不同，可將植物分為：1、長日植物（LDP）：指在24小時晝夜周期中，日照長度長于一定時間才能成花的植物。延長光照可促進或提早這類植物開花。一般是上半年開花的植物。如小麥、大麥、油菜、菠菜、蘿卜、白菜、芹菜，山茶、天仙子等。2、短日植物（SDP）：指在24小時晝夜周期中,日照長度短于一定時間才能成花的植物。對于這類植物,適當(dāng)延長暗期或縮短光期可促進或提早開花。一般是下半年開花的植物。如大豆、高梁、水稻、玉米、蒼耳、煙草、菊花等。3、日中性植物（NDP）：這類植物成花對日照長度無特別要求，只要其它條件能滿足，可在任何日照長度下開花。如黃瓜、茄子、番茄、辣椒、菜豆、月季、君子蘭、向日葵等。4、長短日植物和短長日植物：這些植物花的誘導(dǎo)和形成兩個過程明顯分開，需雙重的日照條件。大葉落地生根、蘆薈、夜香樹等植物長日照有花的誘導(dǎo)作用，但花器官的形成需短日照是長短日植物。風(fēng)鈴草、瓦松、白三葉草等植物花的誘導(dǎo)在短日下進行，而花器官的形成需長日照是短長日植物。此外，還有：中日照植物：指只能在一定的中等日照長度下才能開花，延長或縮短日照都抑制開花的植物。常見有甘蔗,其要求11.5-12.5h的日照。

兩極光周期植物：在中等日照條件下植物保持營養(yǎng)生長，而在較長或較短日照條件下才開花。如狗尾草。

我們將誘導(dǎo)長日植物開花所需最短的日照時數(shù)或短日植物開花最長的日照時數(shù)，稱臨界日長是(CDL:critical

daylength).長日植物的光照時間只要大于CDL就開花，而短日植物光照時間只要小于CDL就可開花。例SDP大豆的CDL為14h,LDP冬小麥的CDL為12h，現(xiàn)光照為13h，兩種植物都開花。二、光周期誘導(dǎo)（一）光周期誘導(dǎo)1、光周期誘導(dǎo)天數(shù)：植物開花必須感受適當(dāng)?shù)墓庵芷诖碳ぃ谶m宜的光周期下要放多長時間呢？研究表明：為了引起開花，植物并不需要長時間地都放在適當(dāng)?shù)娜照諚l件下，只要得到足夠天數(shù)的適宜的光周期，以后即使放在不適宜的光周期下，仍然可以長期保持刺激效果而開花，這種誘導(dǎo)效應(yīng)稱光周期誘導(dǎo)。

各種植物通過光周期誘導(dǎo)的天數(shù)不同。

短日照植物：蒼耳、日本牽牛、水稻、浮萍只需1d，大豆要2-3d，大麻要4d，菊花要12d。長日照植物：天仙子2-3d，擬南芥菜4d，甜菜13-15d，胡蘿卜15-20d。短于誘導(dǎo)周期的最低天數(shù)，不能誘導(dǎo)植物成花，而增加光周期誘導(dǎo)天數(shù)可加速花原基的發(fā)育，可增加花的數(shù)量。

2、光周誘導(dǎo)光強用于光周期誘導(dǎo)的光強只要50-100lx,低于光合作用所需光強。

（二）光周期誘導(dǎo)中光期和暗期的作用對于LDP植物，只要日照長度大于CDL就開花，而對于SDP植物而言：日照長度小于CDL就開花。與臨界日長相對應(yīng)的概念為臨界夜長：短日植物開花的最短的暗期長度或長日植物開花的最長暗期長度稱臨界夜長（criticalnightlength,CNL）。對于SDP，暗期只要大于CNL，就開開花，對于LDP，暗期小于CNL才開花。光期和暗期在光周期誘導(dǎo)中的作用?

1、暗期比光期更重要

(1)SDP大豆：CNL為10h,發(fā)現(xiàn)暗期小于10h無花芽分化，暗期長于10h形成花芽，暗期13-14h花芽最多。

(2)LDP天仙子：CDL為11h。發(fā)現(xiàn)12h的光期+12H的暗期下不開花，但6h光期+6h暗期植物開了花。因此，SDP只要滿足一個長的（大于CNL）連續(xù)的暗期就開花，SDP稱長夜植物。而LDP只要滿足一個短暗期就能開花，LDP稱短夜植物。2、暗期起決定性作用，光期也必不可少短日植物的成花誘導(dǎo)要求暗期，但光期太短也不能成花，也就是說，在一定范圍內(nèi)，暗期愈長對開花越有利，但并不可以無限制地延長暗期。在大于臨界夜長固定的長暗期中，增加光照時間，SDP的開花數(shù)會增加，因為花的發(fā)育需光合作用提供足夠的營養(yǎng)物質(zhì)。

對于長日植物，日照只要大于臨界日長就開花，日照愈長開花愈早，連續(xù)光照開花最早。（三）光周期刺激的感受和傳遞1、感受光刺激的部位：葉片，菊花實驗

A、將SDP植物菊花整株放在長日條件下，植物保持營養(yǎng)生長而不開花。B、將SDP植物菊花整株放在短日條件下，植物開花。C、將菊花的葉片處于短日條件下而莖尖給予長日照，植株開花。D、將菊花的葉片處于長日條件下而莖尖給予短日照，植株不開花。表明：只要葉片處于適宜的光周期條件下就能誘導(dǎo)成花，而于莖尖所處的光周期條件無關(guān)，葉片是感受光刺激的主要部位。

2、感受光周期刺激的時期通常植物生長到一定大小后，才能感受光周期刺激。不同植物對光周期表現(xiàn)的敏感開始年齡不同，如大豆在子葉伸展期，水稻在7葉期前后，紅麻在6葉期。幼小的和衰老的葉片敏感性差，剛成熟的葉片敏感性最強。3、光周期刺激的傳遞接受光周期的部位是葉片，誘導(dǎo)開花的部位是莖尖生長點。在最初的感受部位和發(fā)生成花反應(yīng)的部位之間存在著葉柄和一段莖的距離。因此推測：葉片接受光周期刺激后，可能產(chǎn)生了開花刺激物，被運輸?shù)搅饲o尖，從而產(chǎn)生了成花反應(yīng)。（1）接受光周期刺激后葉片有開花刺激物的形成柴拉軒（Chailakhyan）5株蒼耳嫁接實驗：將5株蒼耳嫁接串連在一起，只要其中一株的一片葉接受了適宜的光周期誘導(dǎo)，即使其他植株都在長日照條件下，最后所有植株都能開花。證實存在開花刺激物質(zhì)，可以通過嫁接在株間進行傳遞。（2）不同光周期類型的開花刺激物的性質(zhì)相似：嫁接實驗

LDP與SDP嫁接實驗：A．LDP天仙子和SDP煙草嫁接，發(fā)現(xiàn)在LD或SD下兩種植物都能開花。B．將經(jīng)適宜光周期誘導(dǎo)的LDP大葉落地生根的花序切去，嫁接上未經(jīng)誘導(dǎo)的SDP高涼菜植物，置于長日照下，高涼菜可大量開花。而用未經(jīng)光周期誘的大葉落地生根嫁接上高涼菜，高涼菜仍保持營養(yǎng)生長。

（3）合成開花刺激物需要相當(dāng)長的時間：2-4h去葉實驗：蒼耳在黑暗結(jié)束后的不同時間，將蒼耳的葉片打掉，觀察植物的開花情況。發(fā)現(xiàn)葉片在黑暗結(jié)束后至少有保留2-4h，植物才開花，葉片在植株上保留1-2天開花效果最好。（4）開花刺激物是經(jīng)韌皮部運輸利用環(huán)割或蒸汽處理植物的葉柄或莖，干擾或阻止韌皮部的運輸，可延遲或抑制開花。說明開花刺激物是經(jīng)韌皮部運輸?shù)?。?）開花刺激物運輸速度一般小于或接近同化物

柴拉軒1957年用14CO2進行試驗，發(fā)現(xiàn)開花的紫蘇由誘導(dǎo)葉片運到花芽的同位素很高，而不開花的紫蘇芽的同位素含量較低。毒麥的蔗糖的運輸速度為100cm/h，而開花刺激物為10-24mm/h，牽?；ǖ耐餅?3-37cm/h，開花刺激物運輸速度為24-37cm/h。4、開花刺激物提取

1961年（Lincoln）等人以甲醇從開花的蒼耳植株提取了成花刺激物，并將它們的粗提物加入羊毛脂，施于在長日照下生長的蒼耳植株上，可誘發(fā)50%的植株開花。而從營養(yǎng)生長的蒼耳植株內(nèi)提取的物質(zhì)不具有誘導(dǎo)開花的活性，但是在進一步提純這種物質(zhì)時活性消失。

1967年Carr重復(fù)了Lincoln的工作，并發(fā)現(xiàn)在開花活性提取物中加入GA3后，誘導(dǎo)開花效果特別明顯，被處理蒼耳100%開花。

1970年Hadson和Hammer也重復(fù)這個實驗，但用丙酮提取，也證明在加入GA3的粗提物可誘導(dǎo)浮萍、蒼耳開花，還進一步證明這種粗提物對長日植物無效。

開花刺激物可能與GA有關(guān)。依據(jù)：1）LDP植物菠菜在SD下，GA含量低，植株不開花，當(dāng)把植株轉(zhuǎn)移到LD下時，進行13-OH途徑合成GA，GA1水平增加5倍。2）GA可代替某些LDP植物如天仙子、金光菊等的LD條件，使它們在非誘導(dǎo)條件SD下開花。3)GA可代替某些冬性LDP植物的低溫條件，使它們不經(jīng)低溫而開花。還有證據(jù)表明，水楊酸、ETH、CTK、多胺可能也是開花刺激物組成成分。5、成花抑制物

由于明確的成花刺激物沒找到，推測植物在非誘導(dǎo)條件下不能開花是由于葉片中存在某種開花抑制物。依據(jù)：LDP天仙子、SDP草莓和藜在非誘導(dǎo)光周期條件下不能開花，但是去掉全部葉片時，在任何日長下都能開花。但成花抑制物至今也沒找到。三、光敏素在植物成花中的作用1、夜間斷現(xiàn)象在一個足夠使SDP開花，LDP不開花的長暗期中，給予一個短時間足夠強度的閃光處理，發(fā)現(xiàn)可抑制SDP開花，促進LDP開花，此現(xiàn)象稱夜間斷現(xiàn)象或短夜反應(yīng)。短夜反應(yīng)的效果：（1）時相分布：暗期中間給于閃光處理最有效。（2）光強和照光時間有關(guān)：短時間閃光處理需高強度光，長時間光照,光強可弱點,例對于蒼耳,10-100lx照光1分鐘便有效。（3）光質(zhì)有關(guān)：閃光處理抑制SDP開花，促進LDP成花，紅光最有效，紅光的夜間斷反應(yīng)可被遠紅光所轉(zhuǎn)逆，遠紅光逆轉(zhuǎn)紅光的效果又可被紅光逆轉(zhuǎn)。推測光敏素參于光周期成花反應(yīng)。

2、光敏素與植物的開花

暗期間斷實驗表明：光敏素對成花的作用與Pr和Pfr的可逆轉(zhuǎn)化有關(guān)。進一步的研究表明：（1）成花作用不是決定于Pr和Pfr絕對含量，而是受Pfr/Pr比值的影響：

1）Pfr/Pr比值高，促進LDP成花長光期，Pfr合成增加，短間期，Pfr逆轉(zhuǎn)為Pr減少，結(jié)果Pfr/Pr比值高，LDP成花。

2）Pfr/Pr比值低，有利于SDP成花：短光期Pfr合成少，長暗期Pfr又逆轉(zhuǎn)為Pr，Pfr/Pr比值降低，SDP成花。（2）誘導(dǎo)SDP或LDP開花還需Pfr的變化

1）SDP在暗期的前期要求高的Pfr含量，后期才要求低的Pfr水平：

SDP牽?；蚣t藜若在暗期就以遠紅光照射，前期Pfr水平低，反而抑制成花，但若暗誘導(dǎo)的后期，降低Pfr水平，就促進SDP成花。

2）LDP：暗期的前期要求由高到低的Pfr含量變化，后期才要求由低到高的Pfr水平：

LDP毒麥在短日狀態(tài)時，以紅光延長光照8h，增加前期Pfr含量，植株成花不顯著，但如在暗期前期紅光中加入幾小時的遠紅光，則明顯促進成花。四、光周期限理論在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用

1、植物的地理起源和分布：

(1)低緯度地區(qū)：只分布短日植物；(2)高緯度地區(qū):多分布長日植物；(3)中等緯度地區(qū)，長短日植物并存。但需指出的是：人工栽培的品種，同一品種可在不同緯度地區(qū)都有分布，如大豆是SDP植物，東北和海南島都有當(dāng)?shù)氐挠善贩N，水稻也是如此。已形成對當(dāng)?shù)毓庵芷诘倪m應(yīng)。2、北半球一年四季光周期的變化：3、在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用：（1）引種和育種

1）引種：同緯度引種容易成功，不同緯度引種應(yīng)考慮引種植物的光周期性質(zhì)和原產(chǎn)地與被引種地日照的長短。還可用品種的早晚性加以調(diào)節(jié)：

SDP植物：南種北引，延遲開花，應(yīng)引早熟種；而北種南引，提前開花，應(yīng)引晚熟種。LDP植物：南種北引，提前開花，應(yīng)引晚熟種；而北種南引，延遲開花，應(yīng)引早熟種。

2）育種：通過人工光周期調(diào)節(jié)，加速良種繁育，縮短育種年限。方法：

培育新品種：通過人工光周期調(diào)節(jié)，使生長在不同光周期地區(qū)的植物，同時開花進行有性雜交，培育新品種?？s短育種年限：SDP水稻、玉米可在海南島加快繁育種子。長日植物小麥夏季在黑龍江、冬季在云南種植。一年內(nèi)可繁育2-3代。

（2）控制花期

可用人工控制光周期來提前或推遲花卉植物開花。SDP植物采用遮光法可使其在上半年開花，LDP植物進行人工延長光照處理，則可提早開花。

（3）調(diào)節(jié)營養(yǎng)生長和生殖生長

以收獲營養(yǎng)體為主的植物可采用：SDP植物南種北引，延遲開花，促進營養(yǎng)生長如SDP麻類植物；LDP植物采用北種南引，延遲開花，促進營養(yǎng)生長。

第三節(jié)花器官的形成和性別表現(xiàn)

一、花器官的形成植物經(jīng)過一定時期的營養(yǎng)生長后，就能感受低溫和光周期誘導(dǎo)，產(chǎn)生開花刺激物。開花刺激物運輸?shù)角o端分生組織，由莖端分生組織分化形成花器官?；ǖ陌l(fā)育可分為3個階段：

1）成花誘導(dǎo)：植物感受外界刺激如光周期、低溫等以及自身產(chǎn)生的開花信號。

2）形成花原基：感受成花刺激后，莖端分生組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛ǚ稚M織。

3）形成花器官：花分生組織分化形成不同的花器官。（一）成花誘導(dǎo)途徑

以擬南芥為材料，采用現(xiàn)代分子生物學(xué)研究手段，發(fā)現(xiàn)擬南芥有4條成花誘導(dǎo)發(fā)育途徑。1、光周期途徑紅光促進LDP成花，抑制SDP成花，而遠紅光促進SDP成花，抑制LDP成花。光是植物成花的誘導(dǎo)因子之一?，F(xiàn)已知，光敏素（Phytochrome，PHY）和隱花素（Cryptochrome，CRY）參與了光誘導(dǎo)成花的過程。擬南芥至少有5個基因編碼光敏素蛋白，它們是PHYA、PHYB、PHYC、PHYD和PHYE。這些編碼基因有各自不同的時間、空間分布和生理功能。其中:(1)PHYB接受紅光后抑制CONSTANS（CO）基因的表達，而抑制開花；

(2)PHYA與隱花素基因CRY1和CRY2互作，通過生理鐘基因，促進開花素的形成，從而促進CO的表達，CO編碼一個轉(zhuǎn)錄因子，通過作用于分生組織決定基因AGL20（AGAMOUS-LIKE20），促進開花。2、春化/自主途徑植物要達到一定的年齡才能開花，稱開花自主途徑。植物達到花熟狀態(tài)后或經(jīng)低溫處理后，會抑制開花阻抑物基因FLC（FLOWERINGLOCUSC）的表達，而解除了FLC對分生組織決定基因AGL20的抑制作用，而促進下游基因的表達。3、赤霉素GA途徑

GA與受體結(jié)合后，通過自身的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，促進分生組織決定基因AGL20的表達，促進開花和在非誘導(dǎo)條件下開花。4、蔗糖（糖類）途徑蔗糖可通過促進分生組織決定基因AGL20的表達，而促進擬南芥開花。（二）花器官發(fā)育的基因控制

花器官的形成依賴于器官特征基因在時間和空間位置上的表達。近幾年，對花發(fā)育特異性基因的表達研究有了突破性進展。最突出的是對花發(fā)育同源異型基因的研究。器官特征基因的鑒定是通過花器官改變突變體的研究進行的。由于基因發(fā)生突變，會發(fā)生如花瓣部分被雄蕊代替、萼片被心皮代替等花器官改變。這種遺傳變異現(xiàn)象被稱為花發(fā)育同源異型突變。抑制解除抑制促進促進花形態(tài)建成控制的ABC理論(Coen提出)

在擬南芥中發(fā)現(xiàn)有5種花器官特征基因，AP1、AP2、AP3、PI和AG基因，可分為A、B、C3類：

A類：AP2基因，控制萼片的形成。

B類：AP3和PI基因，和A類基因一起控制花瓣形成。

C類：AG基因，和B類基因一起，形成雄蕊；僅C類基因表達，則形成心皮。(三)花器官形成所需條件1、營養(yǎng)狀態(tài)

營養(yǎng)是花芽分化和器官形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。其中：1）.碳水化合物是合成其它物質(zhì)的碳源和能源。2）蛋白質(zhì)是花芽分化和器官形成所必需的，氮素營養(yǎng)不足，花芽分化少且慢，但若氮素過多，C/N比失調(diào)，會造成植物貪青晚熟。3）磷的化合物和核酸也參與了花芽的分化。

ABC三類基因突變后花器官表型的變化2、內(nèi)源激素體內(nèi)營養(yǎng)狀況與內(nèi)源激素的平衡相互調(diào)節(jié)著花芽的分化。已知：CTK、ABA和乙烯含量高、GA、IAA含量低促進花芽的分化；高濃度GA、IAA有抑制作用。高GA由于可誘導(dǎo)a-淀粉酶的活性，促進淀粉的水解，對花芽形成不利。3、外部因素

(1)光：光照有利于花器官的形成，自然光照時間越長，光強越大，形成的有機物質(zhì)越多，對花形成越有利。不同植物開花和器官形成所要求的最低光強有所不同：一般陽地植物高于陰生植物；雄蕊高于雌蕊。例小麥花藥發(fā)育處于花粉母細胞形成前夕時遮光72h，花粉全部敗育。(2)溫度溫度由于影響光合作用、呼吸作用和物質(zhì)轉(zhuǎn)化和運輸?shù)冗^程而間接影響花芽的分化。一般在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，花芽分化越快。低溫下花粉母細胞往往分裂受阻；絨氈層細胞異常，不能向花粉粒供應(yīng)能量，花粉敗育。例：水稻減數(shù)分裂時如遇17℃以下低溫?；ǚ勰讣毎荒苷７至眩q氈層細胞肥大，不能向花粉粒供應(yīng)充足的能量，花粉敗育。(3)水小麥、水稻的孕穗期往往是植物對水分最敏感的時期，若此時缺水，就會影響雌雄蕊的分化。但夏季適度干旱可提高果樹的C/N比，對形成花芽有利。(4)肥：氮素營養(yǎng)不足，花芽分化少且慢，但若氮素過多，C/N比失調(diào)，會造成植物貪青晚熟。增施磷肥可增加花數(shù)。在適宜的氮肥條件下，配合使用磷鉀肥，并注意補Mn、Mo等微量元素，對開花有益。二、性別分化與表達

(一)植物性別表現(xiàn)類型：常見：1、雌雄同花植物：大多數(shù)植物屬雌雄同花植物，一朵花中既有雄蕊又有雌蕊，為兩性花。如小麥、蕃茄、茶花等。2、雌雄異株植物：只具雌花或雄花（單性花）。例楊、柳、桑、銀杏等。3、雌雄同株異花植物：一株植株上既有雌花，又有雄花（單性花）。如瓜類：西瓜、甜瓜、玉米、絲瓜等。4、雄性系或雌性系：指雌雄同株異花植物僅開雄花稱雄性系；僅開雌花的稱雌性系。常為人工栽培的特別品系。（二）雌雄個體生理差異：雌雄株間：

1、呼吸代謝的差異：一般雄株的呼吸速率高于雌株。例大麻、桑、番木瓜等植物雄株的CAT酶活性比雌株高約50-70%，而銀杏、菠菜雄株幼葉POD同工酶譜帶少于雌株。由于呼吸代謝的差異，氧化還原能力上也有差異：一般雄株的氧化能力強，雌株的還原能力強。

2、光合作用的差異：一般雌株的RNA、葉綠素、胡蘿卜素和碳水化合物含量高于雄株。

3、內(nèi)源激素差異：如大麻雌株葉片內(nèi)IAA含量高，而雄株葉片中的GA含量較高；玉米雌穗IAA水平高，而雄穗中GA含量高；雌雄異株的野生葡萄中，雌株的CTK含量高于雄株。

（三）外界條件對性別分化的調(diào)控：

植物性別的表達受基因的控制。多數(shù)雌雄異花或雌雄異株植物，其器官發(fā)育的早期均為兩性的，但在發(fā)育的不同時期，一種性器官敗育而另一種性器官得到完全發(fā)育至成熟。

1、光：光不僅能誘導(dǎo)開花，而且能調(diào)節(jié)花性別的分化：一般是適宜的光周期促進雌花的分化，而在非誘導(dǎo)光周期下，多開雄花。即SD促進SDP植物多開雌花，LDP多開雄花；LD促進LDP植物多開雌花，SDP多開雄花。例：LDP菠菜，在光周期誘導(dǎo)后給予短日照，在其雌株上也能形成雄花。水稻農(nóng)墾58S：在短日條件下是可育的，但在長日條件下，其花粉完全敗育，稱光周期敏感核不育水稻。其與對日照長度敏感的—隱性雄性不育基因的表達有關(guān)，光敏素是這種水稻接受光周期的光敏受體，也稱光敏素雄性不育水稻。2、溫度：晝夜溫差大對雌花發(fā)育有利。例：夜間溫度低利于菠菜、大麻、葫蘆雌花的發(fā)育，對于番木瓜，低溫下雌花占優(yōu)勢，高溫下以雄花為主。但黃瓜夜間溫度低時雌花分化少。3、水肥：水肥充足多開雌花，土壤干旱、氮肥少，雄花分化多。4、植物激素（1）IAA、ETH、CTK：利于雌株的分化：GA：利于雄株分化。（2）三碘苯甲酸（TIBA）、馬來酰肼抑制雌花產(chǎn)生，誘導(dǎo)出雄花；CCC：對抗GA長雌花。5、機械損傷或煙熏煙中含CO和乙烯，可抑制IAA氧化酶的活性，提高體內(nèi)IAA水平，而多開雌花，植物損傷，增加乙烯產(chǎn)生，多開雌花。

第四節(jié)受精生理一、花粉的結(jié)構(gòu)

1、花粉粒的發(fā)育

花粉母細胞減數(shù)分裂形成4個單核細胞稱小孢子。小孢子繼續(xù)分裂為二，形成較大的一個稱營養(yǎng)細胞，較小的一個稱生殖細胞（生殖核外有一團細胞質(zhì)，整個游離于營養(yǎng)細胞的細胞質(zhì)中），形成有二細胞花粉，一些原始的科如木蘭科、百合科等的花粉為二細胞花粉。在一些較進化的科如十字花科、菊科中，生殖細胞再分裂一次形成2個精細胞，加上一個營養(yǎng)細胞，構(gòu)成三細胞花粉。兩個互相連接的精細胞與營養(yǎng)核作為一個功能團被稱作雄性生殖單位。成熟花粉粒也稱雄配子體。

2、花粉粒的結(jié)構(gòu)

有兩層：

（1)外壁：較堅固，主要由纖維素、類黃酮素、孢粉素和外壁蛋白等物質(zhì)組成。孢粉素：是類胡蘿卜素的氧化聚合物，其化學(xué)性能穩(wěn)定，耐溫、耐壓、抗酸能力強，增加花粉粒的生存力。外壁蛋白：其由絨氈層細胞合成，參于與柱頭的相互識別。外壁上還有許多孔和溝，稱萌發(fā)孔和萌發(fā)溝。（2)內(nèi)壁：主要由纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)和活性內(nèi)壁蛋白組成?；钚詢?nèi)壁蛋白主要是些花粉萌發(fā)以及穿入柱頭的有關(guān)酶類。萌發(fā)孔處的內(nèi)壁蛋白十分豐富，內(nèi)壁對水分子有很大的親和力。

（3)營養(yǎng)細胞：含有豐富的細胞器和貯藏物質(zhì)，營養(yǎng)細胞核膜上有較多的核孔。營養(yǎng)細胞的主要功能是積累與提供營養(yǎng)物質(zhì)。（4)生殖細胞：無細胞壁，游離于營養(yǎng)細胞的細胞質(zhì)中，生殖細胞的細胞質(zhì)稀少，幾乎不含貯藏物質(zhì)，核孔也少。二、避免自花授粉：花粉落到柱頭上能否萌發(fā)，花粉管能否生長并通過花柱進入胚囊受精，取決于花粉與雌蕊的親和性和識別反應(yīng)，以或排斥遠緣或異種花粉。1、自交不親和性：指植物花粉粒落在同花雌蕊的柱頭上不能受精的現(xiàn)象。研究表明，自交不親和性受一系列復(fù)等位S基因的控制。當(dāng)花粉粒和雌蕊組織具有相同的S等位基因時，就表現(xiàn)出不親和性，反之親和，以避免自花受精。被子植物的自交不親和性有2種表型：1）配子體不親和型（GSI）：它的不親和性發(fā)生在花粉中，花粉管進入花柱后，中途生長停止、破裂。如二核花粉的茄科、百合科植物，三核花粉的禾本科植物為GSI型。配子體不親和型與雌蕊花柱S基因編碼的S-核酸酶有關(guān)，S-核酸酶能進入花粉管，把花粉管內(nèi)的RNA水解，花粉管就停止生長。2）孢子體不親和型（SSI型）：表現(xiàn)為花粉和柱頭相互作用，阻礙花粉的水合作用，而不能形成花粉管。三核花粉的十字花科、菊科植物屬SSI型。孢子體不親和型與雌蕊的類受體蛋白激酶有關(guān)。研究比較清楚的有兩個基因：（1）S基因座糖蛋白（Slocusglycoprotein，SLG）基因，編碼糖蛋白并分泌到柱頭乳突細胞的細胞壁和胞間區(qū)。SLG表達時間與植物自交不親和性的反應(yīng)時間相關(guān)。（2）S基因座受體激酶（Slocusreceptorkinase，SRK）基因，編碼一種跨膜的類受體蛋白激酶，它主要由兩個區(qū)域組成，一是與質(zhì)膜蛋白質(zhì)相連的胞外區(qū)，另一個是與細胞質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸激酶相連的胞內(nèi)區(qū)。生化研究表明，SRK參與了柱頭上的磷酸化過程，介導(dǎo)了自交不親和性。

2、經(jīng)生理或形態(tài)的改變達到1）單性花（unisexualflower）：具有單性花的植物必須進行異花傳粉。如雌雄同株的玉米、瓜類等，雌雄異株的桑、大麻、楊、柳、菠菜等。2）雌雄蕊異熟（dichogamy）：指一株植物或一朵花上的雌雄蕊成熟時間不一致。如：玉米的雄花序比雌花序先熟。梨、蘋果的兩性花雄蕊先熟，而油菜的兩性花則雌蕊先熟。3）雌雄蕊異長（heterogony）：

I）二型花柱植物：如蕎麥、報春花的花柱有兩種類型：一種為雄蕊高于花柱，另一種為雌蕊花柱高于雄蕊。只有高雄蕊花藥掉到高柱頭上或低雄蕊的花粉粒傳到低柱頭上才能受精。

II）三型花柱植物：如千屈菜屬植物，花柱和雄蕊分別有長、中、短3種，只須相同高度的雄蕊和雌蕊間才能傳粉，否則傳粉不孕。

4）雌雄蕊異位（herkogamy）指雌、雄蕊通過在空間的排列位置不同，避免自花受粉。如石竹科植物：兩性花的雌蕊高于雄蕊，花粉不易傳到柱頭上。再如百合科的嘉蘭屬植物，雌蕊的花柱基部在近子房處呈直角狀向外伸出，遠離雄蕊，避免自花傳粉。三、花粉的萌發(fā)和花粉管的生長

1、花粉粒的萌發(fā)成熟花粉從花粉囊中散出，落到柱頭上的過程稱授粉。栽培上，將異株異花間的授粉稱異花授粉，而同株異花、同株同花間的授粉稱自花授粉?；ǚ勐涞街^上，相互識別以后，吸收柱頭表皮細胞分泌物和水分，由于營養(yǎng)細胞的吸脹作用使花粉內(nèi)壁及營養(yǎng)細胞的質(zhì)膜在萌發(fā)孔處向外突出，形成花粉管的乳狀頂，此過程稱花粉萌發(fā)。

植物能否成功授粉依賴于柱頭表面與花粉的粘附能力和水合能力。1）柱頭若是干性的，授粉時柱頭就不產(chǎn)生分泌物，由于花粉的胞被含脂質(zhì)，可與柱頭細胞反應(yīng)引起水合作用而形成花粉管，如蕓苔屬植物的柱頭。2）若是濕性柱頭，柱頭能分泌脂肪富集的分泌物，刺激水合作用。2、花粉管的生長花粉粒一方面消耗自身的貯藏物質(zhì)，另一方面從花柱中吸收營養(yǎng)供花粉管的生長和新壁的合成。花粉管的生長一般局限于花粉管頂端區(qū)。研究指出，花粉管頂端區(qū)代謝旺盛，內(nèi)含有新壁合成的相關(guān)細胞器如線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等，用于花粉管的伸長；另外花粉管從頂端到基部還存在由高到低的Ca2+濃度梯度，以保持頂端的極性生長。為減少生長阻力，花粉管還向柱頭分泌許多水解酶，如角質(zhì)酶、淀粉酶、轉(zhuǎn)化酶等?；ǚ酃艽┻^柱頭，通過花柱向子房生長。

1)在空心的花柱中，花柱中央有1到數(shù)條縱行的溝稱花柱道，花粉管沿著花柱道表面上的分泌物生長，如百合。

2)在實心的花柱中，常在花柱中央引導(dǎo)組織細胞間隙的分泌物中生長，若無引導(dǎo)組織還可經(jīng)過中央薄壁細胞中穿過。

3、花粉管定向伸長機理

花粉管總是朝著胚囊組織方向生長?，F(xiàn)在研究表明：這種定向生長與助細胞釋放的Ca2+有關(guān)?；ǚ酃軙尫懦鲆恍┬盘栁镔|(zhì)如GA，可引起助細胞首先解體，助細胞的解體會釋放大量的Ca2+，造成花柱與珠孔間的Ca2+濃度梯度，而Ca2+是一種向化性物質(zhì)，花粉管會朝著Ca2+濃度高的方向生長，最后穿過珠孔，進入胚囊。Machlis（US）也發(fā)現(xiàn)金魚草從柱頭到子房Ca2+濃度也依次遞增。認為花粉管的定向生長是