第九章 植物的成花生理

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第九章 植物的成花生理
由营养生长转入生殖生长是植物生命周期中的一大转折,实 现这一转折需要一些特殊的条件。 不论是一年生、二年生或多年生植物都必须达到一定的生理 状态后,才能感受所要求的外界条件而开花。 植物具有的这种能感受环境条件而诱导开花的生理状态被称 为花熟状态(ripeness to flower state)。 花熟状态 是植物从营 养生长转入 生殖生长的 标志。植物 在开花之前, 对环境的反 应相当敏感。 对开花最有 影响的环境 因子是日照 长度与温度。
地球上不同纬度地区的 温度、雨量和昼夜长度等会 随季节有规律地变化。在各 种气象因子中,昼夜长度变 化是最可靠的信号,不同纬 度地区昼夜长度的季节性变 化是很准确的
图 9-3 北半球不同纬度地区昼夜长 度的季节变化 (A)一年中不同时间内纬度对日照 长度的影响。日长是在每个月的20号 测量的。(B)显示经度与纬度的世 界地图
图24.17 烟草的马里兰猛 犸(Maryland Mammoth) 突变体(右)与野生型烟 草(左)的对比。这两个 植株在夏天都是在温室中 生长的。
光周期的发现,使 人们认识到光不但为植 物光合作用提供能量, 而且还作为环境信号调 节着植物的发育过程, 尤其是对成花诱导起着 重要的作用。
(二) 植物的光周期反应类型
二、植物通过春化的条件
(一) 低温
低温是春化作用的主要条件。有效温 度的范围和低温持续的时间随植物的 种类和品种而不同。 对大多数要求低温的植物来说,1~ 2℃是最有效的春化温度,但只要有足 够的时间,在-3~10℃范围内对春化 都有效。
低温处理的时间数提高了春化作用效应的 稳定性。冬黑麦进行寒冷处理的时间越长, 这样在寒冷处理后的去春化作用之后仍然 保持春化的植株的数目就越大。在本实验 中,吸水的黑麦种子进行了不同时间长度 的5℃低温处理,然后在35℃下进行勒天的 去春化处理。
2.短日植物(short-day plant,SDP)
指在24h昼夜周期中,日照长度短于一定时数才能成花 的植物。对这些植物适当延长黑暗或缩短光照可促进或 提早开花,相反,如延长日照则推迟开花或不能成花。 属于短日植物的有:水稻、玉米、大豆、高粱、苍耳、 紫苏、大麻、黄麻、草莓、烟草、菊花、秋海棠、腊梅、 日本牵牛等。如菊花须满足少于10h的日照才能开花。
(二) 春化的生理生化基础
植物在通过春化作用的过程中,虽然在形态上没 有发生明显的变化,但是在生理生化上发生了深 刻的变化:
1、呼吸速率增强
2、核酸代谢加速 在春化过程中核酸(特别是RNA)含量增加,而且RNA性质 有所变化。 3、蛋白质代谢 可溶性Pr及游离AA含量(Pro)增加。 4、GA含量增加 一些需春化的植物(如天仙子、白菜、胡萝卜等)未经低 温处理,若施用GA也能开花。 赤霉素和玉米赤霉烯酮与春化有关。
对低温的要求是绝对的
二年生和多年生草本植物,不经过一定天 数的低温,就一直保持营养生长状态,绝 对不开花
对低温的要求是相对的 冬小麦等冬性植物,低温处理可促进它们开
花,未经低温处理的植株虽然营养生长期延 长,但是最终也能开花
(二) 植物对低温反应的类型
根据原产地的不同,可将小麦分为冬性、半冬性和 春性三种类型。中国华北地区的秋播小麦多为冬性 品种,黄河流域一带多为半冬性品种,而华南一带 一般为春性品种。 不同类型小麦所要求的低温范围和时间都有所不同, 一般来说,冬性强的,要求的春化温度低、春化天 数长(表9-1)。
临界日长
日中性植物
6
12
18 20
24
每日光照长度(h)
6 12 18 20 24 每日光照长度(h)
相 对 开 花 反 应
SDP(苍耳)
临界日长
6
12
18 20 24
每日光照长度(h)
4.长-短日植物(long-short day plant)
这类植物的开花要求有先长日后短日的双重日照条 件,如大叶落地生根、芦荟、夜香树等。
3.日中性植物(day-neutral plant,DNP)
这类植物的成花对日照长度不敏感,只要其他条件满足, 在任何长度的日照下均能开花。 如月季、黄瓜、茄子、番茄、辣椒、菜豆、君子兰、向 日葵、蒲公英等。
三种主要 光周期反应类型
相 对 开 花 反 应
相 对 开 花 反 应
LDP(天仙子)
1928年,李森科(Lysenko)将吸水萌动的冬小麦种子 经低温处理后春播,发现其可在当年夏季抽穗开花,他 将这种处理方法称为春化,意指使冬小麦春麦化了。 这种低温诱导促使植物开花的作用称春化作用 (vernalization)。 除了冬小麦、冬黑麦、冬大麦等冬性禾谷类作物以外, 某些二年生植物,如白菜、萝卜、胡萝卜、芹菜、甜菜、 甘蓝和天仙子等,以及一些多年生草本植物(如牧草) 的开花也需要经过春化作用。 植物开花对低温的要求大致有两种类型:
5.短-长日植物(short-long day plant)
这类植物的开花要求有先短日后长日的双重日照条 件,如风铃草、鸭茅、瓦松、白三叶草等。
6.中日照植物(intermediate-daylength plant)
只有在某一定中等长度的日照条件下才能开花,而 在较长或较短日照下均保持营养生长状态的植物,如 甘蔗的成花要求每天有11.5~12.5h日照。
(二) 调种引种
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不同纬度地区的温度有明显的差异,中国北方纬度高 而温度低,南方纬度低而温度高。 在南北方地区之间引种时,必须了解品种对低温的要 求,北方的品种引种到南方,就可能因当地温度较高 而不能满足它对低温的要求,致使植物只进行营养生 长而不开花结实,造成不可弥补的损失。
(三) 控制花期
天仙子成花诱导对低 温和长日照的要求
三、春化作用的机理
(一) 春化刺激的感受和传递
1. 感受低温的时期和部位
时期:一般植物在种子萌发后到植物营养体生长的 苗期都可感受低温而通过春化。 种子春化 绿苗春化 部位:分生组织和某些能进行细胞分裂的部位。 胚 茎尖生长点
拟南芥顶芽区域的营养组 织(A)与生殖组织的纵切 面(B)
2.春化效应的传递
低温刺激作用能否在植物体内传导,经试验有两 种截然相反的结果: 1.通过低温处理的植株可能产生了某种可以传递 的物质(春化素),并通过嫁接传递给未经春化 的植株,而诱导其开花。 天仙子, 已春化——未春化(开花) 天仙子——烟草或矮牵牛 (开花) (开花) 2.低温诱导作用不能以某种物质的形式在植物体 内传递,而是通过细胞分裂的方式由母细胞传给 子细胞
在植物春化过程结束之前,如将植物放到较高的生长温度 下,低温的效果会被减弱或消除,这种现象称去春化作用 (devernalization)或解除春化。 一般解除春化的温度为25~40℃。如冬小麦在30℃以上 3~5d即可解除春化。通常植物经过低温春化的时间愈长, 则解除春化愈困难。 当春化过程结束后,春化效应则很稳定,不会被高温所解 除。大多数去春化的植物返回到低温下,又可重新进行春 化,而且低温的效应是可以累加的,这种解除春化之后, 再进行的春化作用称再春化作用(revernalization)。
10 μg GA/d 处理4周
低温处理6周
对照
GA对胡萝卜开 花的影响
四、春化作用在农业生产上的应用
(一) 人工春化处理

农业生产上对萌动的种子进行人为的低温处理,使之 完成春化作用的措施称为春化处理。 中国农民创造了闷麦法,即将萌动的冬小麦种子闷在 罐中,放在0~5℃低温下40~50d,就可用于在春天 补种冬小麦; 在育种工作中利用春化处理,可以在一年中培育3~4 代冬性作物,加速育种过程; 为了避免春季倒春寒对春小麦的低温伤害,可以对种 子进行人工春化处理后,适当晚播,缩短生育期。
人们通过用人工延长或缩短光照的方法,广泛地探 测了各种植物开花对日照长度的反应,发现植物开 花对日照长度的反应有以下几种类型:

1.长日植物(long-day plant,LDP)
指在24h昼夜周期中,日照长度长于一定时数,才 能成花的植物。 对这些植物延长光照可促进或提早开花,相反,如 延长黑暗则推迟开花或不能成花。属于长日植物的 有:小麦、大麦、黑麦、油菜、菠菜、萝卜、白菜、 甘蓝、芹菜、甜菜、胡萝卜、金光菊、山茶、杜鹃、 桂花、天仙子等。 典型的长日植物天仙子必须满足一定天数的8.5~ 11.5h日照才能开花,如果日照长度短于8.5h它就 不能开花。

在园艺生产上可用低温处理促进石竹等花卉的花芽分 化; 低温处理还可使秋播的一、二年生草本花卉改为春播, 当年开花; 利用解除春化的效应还能控制某些植物开花,如越冬 贮藏的洋葱鳞茎在春季种植前用高温处理以解除春化, 可防止它在生长期抽薹开花而获得大的鳞茎,以增加 产量;
第二节 光周期现象
一、植物光周期现象的发现和光周期类型
(一)光周期现象的发现
人们早就注意到许多植物的开花具有明显的季节性,同一植物 品种在同一地区种植时,尽管在不同时间播种,但开花期都差 不多;同一品种在不同纬度地区种植时,开花期表现有规律的 变化。 美国园艺学家加纳和阿拉德(Garner and Allard)在1920年 观察到烟草的一个变种( maryland mammoth )在华盛顿地区 夏季生长时,株高达3~5m时仍不开花,但在冬季转入温室栽 培后,其株高不足1m就可开花。 他们试验了温度、光质、营养等各种条件,发现日照长度是影 响烟草开花的关键因素。 在夏季用黑布遮盖,人为缩短日照长度,烟草就能开花;冬季 在温室内用人工光照延长日照长度,则烟草保持营养状态而不 开花。 由此他们得出结论,短日照是这种烟草开花的关键条件。 后来的大量实验也证明,许多植物的开花与昼夜的相对长度即 光周期有关,即这些植物必须经过一定时间的适宜光周期后才 能开花,否则就一直处于营养生长状态。
拟南芥的顶芽分生组织在发育的不同时期形成不同的器官
第一节 春化作用
一、春化作用的概念和反应类型 (一) 春化作用的概念
作物的生长发育进程与季节的温度变化相适应。一些作 物在秋季播种,冬前经过一定的营养生长,然后度过寒冷的 冬季,在第二年春季重新旺盛生长,并于春末夏初开花结实。 如将秋播作物春播,则不能开花或延迟开花。 早在1918年,加 斯纳(Gassner)用冬 黑麦进行试验时发现, 冬黑麦在萌发期或苗期 必须经历一个低温阶段 才能开花,而春黑麦则 不需要。
纬度愈高的地区,夏季昼愈长,夜愈短;冬季昼愈 短,夜愈长;春分和秋分时,各纬度地区昼夜长度 相等,均为12h。 自 然 界 一 昼 夜 间 的 光 暗 交 替 称 为 光 周 期 (photoperiod)。 生长在地球上不同地区的植物在长期适应和进化过 程中表现出生长发育的周期性变化,植物对昼夜长 度 发 生 反 应 的 现 象 称 为 光 周 期 现 象 (photoperiodism)。 植物的开花、休眠和落叶,以及鳞茎、块茎、球茎 等地下贮藏器官的形成都受昼夜长度的调节,但是, 在植物的光周期现象中最为重要且研究最多的是植 物成花的光周期诱导。
前体物

低温

中间产物
高温
低温

最终产物(完成春化)
中间产物分解(解除春化)
(二) 水分、氧气和营养
春化作用除了需要一定时间的低温外, 还需要适量的水分、充足的氧气和作为 呼吸底物的营养物质。 据测定,在春化期间,细胞内某些酶活 性提高,氧化还原作用加强,呼吸作用 增强,这也表明氧气是植物完成春化的 必要条件。不仅高温可以解除春化,缺 氧也有解除春化的效果。 通过春化时还需要足够的营养物质,将 小麦种子的胚培养在富含蔗糖的培养基 中,在低温下可以通过春化,但若培养 基中缺乏蔗糖,则不能通过春化。 此外,许多植物在感受低温后,还需经 长日照诱导才能开花。(菊花除外)如 天仙子植株,在较高温度下不能开花, 经低温春化后放在短日照下,也不能开 花,只有经低温春化后且处于长日照的 条件下植株才能抽薹开花(图9-1)。
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