《Scientia Horticulturae》：Exogenous plant growth regulators promote early tillering and enhance flowering potential in
Iris sanguinea and
I. ensata seedlings
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鸢尾属（Iris）植物具有较高的观赏价值和巨大的景观应用潜力。然而，溪荪（Iris sanguinea）和花菖蒲（Iris ensata）幼苗较长的幼年期和缓慢的早期分蘖限制了其繁殖效率和商业化种苗生产。本研究系统比较了6-苄氨基嘌呤（6-BA）、脱落酸（AB
鸢尾属（Iris）植物具有较高的观赏价值和巨大的景观应用潜力。然而，溪荪（Iris sanguinea）和花菖蒲（Iris ensata）幼苗较长的幼年期和缓慢的早期分蘖限制了其繁殖效率和商业化种苗生产。本研究系统比较了6-苄氨基嘌呤（6-BA）、脱落酸（ABA）、独脚金内酯（strigolactone, SL）类似物GR24以及独脚金内酯生物合成抑制剂TIS108对溪荪和花菖蒲幼苗分蘖、后续茎分蘖形成及开花潜力的影响，并进一步研究了ABA促进溪荪分蘖的生理基础。结果表明，6-BA、ABA和TIS108在不同程度上促进了两个物种的早期分蘖，而GR24显著抑制了分蘖。其中，30 mg/L ABA处理提前了溪荪分蘖的发生时间，增加了二、三年生植株的茎分蘖数，提高了后续开花率，并显著促进了根系发育。ABA生物合成抑制剂氟啶酮（fluridone, FD）处理抑制了溪荪的分蘖，而异源过表达IsNCED3的拟南芥（Arabidopsis thaliana）表现出促进分枝的表型，进一步支持了ABA生物合成相关过程参与分蘖和分枝调控。激素组学和转录组学联合分析表明，ABA处理后溪荪根茎中内源吲哚-3-乙酸（IAA）含量迅速下降，这一下降伴随着IAA生物合成相关基因TAA/YUCCA随时间变化的表达改变（在后期时间点显著下调），同时IAA运输相关基因PIN/PILS表达下调，以及D14、TB1和D53相关独脚金内酯信号组分的表达降低。上述结果表明，外源ABA可能通过调节IAA稳态、削弱生长素介导的抑制效应并重塑分蘖相关转录网络来促进溪荪的早期分蘖和幼苗活力。该研究为利用外源植物生长调节剂提高观赏鸢尾的繁殖效率和开花潜力提供了理论和实践参考。
一、研究背景与意义
鸢尾属（Iris）植物是广泛栽培的多年生观赏植物，具有花色多样、花型优雅和环境适应性强等特点，在园林绿化、湿地景观、切花生产和盆栽观赏等方面具有较高的应用价值。溪荪（Iris sanguinea）和花菖蒲（I. ensata）是东北亚常见的根茎型鸢尾，均具有较强的耐寒性和较高的观赏价值。其中，溪荪是西伯利亚鸢尾类群的重要亲本资源，在耐寒改良和种质创新方面具有重要价值；花菖蒲则是日本花菖蒲品种形成和遗传改良的重要祖先亲本。然而，这两个物种的幼苗具有较长的幼年期，通常需要2–3年才能达到开花阶段，其缓慢的早期分蘖进一步限制了在花卉育种和景观应用中的快速利用。分蘖是多年生单子叶植物分枝的重要形式，是决定根茎型观赏植物株型结构、营养繁殖能力和开花潜力的关键性状。与水稻、小麦等谷类作物相比，鸢尾、萱草和玉簪等多年生单子叶观赏植物的分蘖研究相对不足。因此，开发促进观赏鸢尾早期分蘖和幼苗健壮生长的调控方法，对于缩短种苗生产周期、提高繁殖效率和加速景观建植具有重要意义。
二、研究内容与主要结论
研究人员以溪荪和花菖蒲幼苗为材料，系统比较了6-苄氨基嘌呤（6-BA）、脱落酸（ABA）、独脚金内酯（SL）类似物GR24和SL生物合成抑制剂TIS108对幼苗早期分蘖、后续茎分蘖形成及开花潜力的影响。结果表明，6-BA、ABA和TIS108在不同程度上促进了两个物种的分蘖，而GR24显著抑制了分蘖。其中，30 mg/L ABA处理不仅提前了溪荪分蘖的发生时间，增加了二、三年生植株的茎分蘖数，提高了三年生植株的开花率，还显著促进了根系发育。ABA生物合成抑制剂氟啶酮（FD）处理抑制了溪荪的分蘖，而异源过表达IsNCED3的拟南芥表现出促进分枝的表型，进一步支持了ABA生物合成相关过程参与分蘖和分枝调控。激素组学和转录组学联合分析表明，ABA处理后溪荪根茎中内源吲哚-3-乙酸（IAA）含量迅速下降，伴随IAA生物合成相关基因TAA/YUCCA和运输相关基因PIN/PILS表达下调，以及D14、TB1和D53相关SL信号组分表达降低。研究提出，外源ABA可能通过调节IAA稳态、削弱生长素介导的顶端优势抑制效应并重塑分蘖相关转录网络来促进溪荪的早期分蘖。该研究为利用外源植物生长调节剂提高观赏鸢尾的繁殖效率和开花潜力提供了理论和实践参考。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：以溪荪和花菖蒲种子培育的幼苗为材料，种子于2019年采自中国哈尔滨东北林业大学实验苗圃，2020年10月播种，2021年4月选取生长一致的幼苗进行外源植物生长调节剂处理；采用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）进行基因表达分析；利用农杆菌介导的花序浸蘸法进行拟南芥遗传转化；采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）进行激素组学分析；利用MGI平台进行转录组测序；结合加权基因共表达网络分析（WGCNA）、K-means聚类和Pearson相关性分析进行数据挖掘。
四、研究结果
4.1 外源植物生长调节剂差异性调控鸢尾幼苗早期分蘖和长期开花潜力
研究人员对溪荪和花菖蒲幼苗进行外源叶面喷施6-BA、ABA、GR24和TIS108处理。结果表明，6-BA、ABA和TIS108在不同程度上促进了两个物种的分蘖，而GR24显著抑制了分蘖。在溪荪中，30 mg/L 6-BA处理90 d时分蘖率达到41.67%，分蘖发生提前至处理后60 d；30 mg/L ABA处理90 d时分蘖率为25.00%，且30和60 mg/L ABA均将分蘖发生提前至处理后60 d。长期观察显示，30 mg/L 6-BA使二、三年生植株茎分蘖数分别达到对照的1.97倍和1.43倍，开花率达到对照的2.00倍；30 mg/L ABA使二、三年生植株茎分蘖数分别达到对照的1.87倍和1.55倍，开花率达到对照的1.87倍。在花菖蒲中，60 mg/L 6-BA和30 mg/L ABA均表现出较强的促分蘖效果。GR24处理在两个物种中均未观察到分蘖发生，且长期观察中茎分蘖数显著低于对照。TIS108处理促进了两个物种的分蘖，其中0.9 mg/L TIS108在溪荪和花菖蒲中90 d分蘖率分别达到23.33%和28.33%，并显著增加了二、三年生植株的茎分蘖数。
4.2 异源表达IsNCED3促进拟南芥分枝
研究人员从溪荪中克隆了ABA生物合成相关基因IsNCED3，其CDS长度为1683 bp，编码560个氨基酸。序列比对和系统发育分析表明IsNCED3与藏红花（Crocus sativus）的NCED3蛋白具有较高相似性。将IsNCED3构建至pCAMBIA1300-EGFP过表达载体并转化拟南芥后，与空载体对照（EV）相比，IsNCED3转基因株系的莲座叶数显著增加，花序分枝数和次级花序分枝数也显著高于EV植株，表明异源表达IsNCED3促进了拟南芥的分枝。此外，细胞分裂素生物合成相关基因IsIPT9的异源表达也增加了拟南芥的莲座叶数和花序分枝数。
4.3 ABA促进溪荪分蘖的功能验证及其对根系发育的影响
研究人员用ABA生物合成抑制剂氟啶酮（FD）处理溪荪幼苗，1、5和10 mg/L FD均在150 d内降低了分蘖率，表明内源ABA水平与溪荪早期分蘖密切相关。对30 mg/L ABA处理150 d的溪荪幼苗根系进行扫描分析，结果显示ABA处理显著促进了根系发育，总根长、平均根直径、根体积和根分叉数均显著增加。
4.4 ABA处理对溪荪根茎内源激素谱的影响
研究人员对30 mg/L ABA处理后的溪荪幼苗根茎进行了时间序列激素组学分析，共检测到43种属于7大类的内源激素。聚类热图和主成分分析显示，ABA处理样品在2、6和12 h均与时间匹配的水处理对照明显分离。ABA处理后根茎中ABA含量在2、6和12 h均显著增加。在15种差异累积激素中，仅IAA与ABA含量呈显著负相关。IAA含量在ABA处理后2–6 h内迅速下降，而IAA-Gly在ABA处理样品中未被检测到。ABA处理后未检测到活性细胞分裂素的显著短期变化。
4.5 ABA处理后的时间序列转录组分析
研究人员以0 h样品为基线，对ABA处理后2、6和12 h的根茎样品进行了时间序列转录组分析。以|log2FoldChange| ≥ 1和FDR < 0.05为筛选标准，在2 h vs 0 h、6 h vs 0 h和12 h vs 0 h比较中分别鉴定出17,673、16,512和19,609个差异表达基因（DEGs），其中5,327个基因在三个时间点均差异表达。KEGG富集分析显示，不同时间点的DEGs显著富集于"次生代谢物生物合成"、"代谢通路"、"类黄酮生物合成"和"淀粉和蔗糖代谢"等通路。GO富集分析显示DEGs主要富集于蛋白质复合物组装、营养储备活性等相关条目。
4.6 转录组与激素组学联合分析鉴定分蘖调控候选基因
研究人员将转录组与激素组学数据进行联合分析。在差异表达基因中鉴定出1个TAA家族基因和2个YUCCA家族基因，这些基因在12 h均显著下调。IAA运输相关基因PIN和PILS在ABA处理后也呈现下调趋势。K-means聚类将3,717个差异表达转录本分为4个表达簇，通过Pearson相关性分析鉴定出1,171个与ABA含量高度相关的基因，其中包含67个属于25个家族的转录因子，bZIP和AP2家族成员数量较多。SL信号相关组分D53和D14属于持续下调的Class 4簇，而分蘖抑制相关因子TB1属于快速下调的Class 3簇，在ABA处理后2 h即显著下降。WGCNA分析鉴定出与IAA稳态相关基因正相关和负相关的模块，其中正相关模块包含29个转录因子，负相关模块包含47个转录因子。
五、讨论与结论
讨论部分指出，外源植物生长调节剂为促进鸢尾幼苗分蘖提供了可行途径。6-BA的促分蘖作用与细胞分裂素促进腋芽起始和分枝的经典功能一致；GR24抑制分蘖而TIS108促进分蘖，表明SL通路在鸢尾分蘖调控中可能具有相对保守的负调控作用。ABA在溪荪幼苗分蘖中作为正调控因子发挥作用，FD处理抑制分蘖和IsNCED3异源表达促进分枝的结果支持了ABA生物合成相关过程参与分蘖调控。ABA处理还显著改善了根系发育，表现出促蘖与壮苗的联合效应。机制方面，ABA可能通过下调IAA生物合成基因TAA/YUCCA和运输基因PIN/PILS的表达来减少根茎中IAA积累、削弱顶端优势，同时影响D14、TB1等SL相关信号组分和AP2/ERF、bZIP等候选转录因子的表达，从而促进分蘖。研究提出了ABA促进溪荪分蘖的工作模型，并指出外源ABA处理可能在一定程度上模拟根茎中秋季内源激素的变化，从而提前启动幼苗分蘖程序。
研究结论为：6-BA、ABA和TIS108在不同程度上促进了溪荪和花菖蒲幼苗的分蘖，而GR24抑制了分蘖。其中，ABA处理不仅提前了溪荪幼苗分蘖的发生时间，增加了二、三年生植株的茎分蘖数，提高了三年生植株的开花率，还促进了根系发育。FD处理和IsNCED3异源过表达进一步支持了ABA参与分蘖和分枝相关发育过程。激素组学和转录组学联合分析表明，ABA处理后溪荪根茎中IAA含量迅速下降，伴随IAA生物合成和运输相关基因TAA/YUCCA和PIN/PILS表达的时间依赖性变化以及D14、TB1和D53相关SL信号组分表达的改变。这些结果表明，ABA可能通过减少根茎中IAA积累、削弱顶端优势和调控分蘖相关转录网络来促进溪荪的分蘖。该研究为利用外源植物生长调节剂提高鸢尾种苗生产效率、促进丛生形成和改善开花性能提供了参考，并为理解多年生单子叶观赏植物分蘖的激素调控提供了新见解。
