Young spike differentiation and reproductive pattern of Bromus inermis in different habitats

doi:10.11686/cyxb2022014

Abstract

Abstract:

In this study， we explored the effects of habitat on young spike differentiation and the reproductive pattern of Bromus inermis cv. Wusu No.1. We compared the process of young spike differentiation and flowering habits between plants in two growth environments： a desert oasis area and a high altitude area. The results showed that the young spike differentiation of B. inermis extended from the tillering stage to the heading stage， and could be divided into eight stages： the vegetative stage， elongation stage， single ridge stage， spikelet primordial stage， floret primordial stage， stamen primordial formation stage， stamen formation stage， and spike completion stage. Young spike differentiation started from the first branch primordium and floret primordium at the top of the growth cone. The primordia on the same branchlets and floret primordia developed from bottom to top. The flowering sequence of the whole spike was from top to bottom， and the flowering time was shorter on the lower branches than on the upper branches. The florets on the spikelets bloomed from bottom to top. Compared with the plants in the desert oasis area， those in the high altitude area differentiated young spikes later， had a shorter cycle， had higher contents of gibberellin， abscisic acid， and leaf soluble protein in the spike， lower cytokinin content and 1000-grain weight， and higher number of mature seeds per spike and seed yield per unit area. These results show that the high altitude area is more suitable for B. inermis seed production.

Key words: habitat, Bromus inermis, young spike, differentiation, reproductive pattern

Ying-xia CHEN, Yu DU, Yu-xiang WANG, Bo ZHANG, Abduriherman ADILE. Young spike differentiation and reproductive pattern of Bromus inermis in different habitats[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(1): 112-121.

Figures/Tables 6

References 39

1	Xie F， Li Z Z， Ma Q Z， et al. Observations on the young spike differentiation of Elymus dahuricus Turcz. Chinese Journal of Grassland， 2014， 36（3）： 16-21.
	谢菲，李造哲，马青枝，等. 披碱草幼穗分化的观察. 中国草地学报， 2014， 36（3）： 16-21.
2	Zhang Z J. The study on young spike differentiation and the relationship of daughter shoot and spike formation next year of Leymus chinensis. Changchun： Northeast Normal University， 2011.
	张兆军. 羊草幼穗分化及子株与翌年成穗关系研究. 长春：东北师范大学， 2011.
3	Yang Z Q， Yin J， Zhou R， et al. Effects of accumulated temperature before wintering and vernalization treatments on spike differentiation of wheat cultivars with different vernalization development characteristics. Journal of Nuclear Agricultural Sciences， 2008， 22（4）： 503-509.
	杨宗渠，尹钧，周冉，等. 冬前积温和春化处理对不同春化发育特性小麦品种幼穗分化的效应. 核农学报， 2008， 22（4）： 503-509.
4	Hebblethwaite P D， Hampton J G， Batts G R， et al.The effect of time of application of the growth retardant flurprimidol （EL500） on seed yield and yield components in Lolium perenne L. Journal of Applied Seed Production， 1985（3）： 15-19.
5	Gong Y L， Lei Y， Xia Y Y， et al. Effects of cytokinins used at spike differentiation stage on spike traits and plant type traits of rice. Corps， 2017（5）： 112-118.
	宫彦龙，雷月，夏原野，等. 幼穗分化期喷施细胞分裂素（CTK）对水稻穗部性状及株型性状的影响. 作物杂志， 2017（5）： 112-118.
6	Wu C， Cui K H， Wang W C， et al. Heat-induced cytokinin transportation and degradation are associated with reduced spike cytokinin expression and fewer spikelets per spike in rice. Frontiers in Plant Science， 2017， 8： 371.
7	Jin Z X， Wang J， Wang S Y， et al. Analysis of gene expression related to young spike differentiation of rice varieties with different spike types. Journal of Northeast Agricultural University， 2020， 51（12）： 14-23.
	金正勋，王剑，王思宇，等. 水稻不同穗型品种幼穗分化相关基因表达分析. 东北农业大学学报， 2020， 51（12）： 14-23.
8	Zhang Z Y， Wang B， Wang Z Y， et al. Analysis of miRNA expression profile in young ear of two wheat varieties under low temperature stress at the female stamen primordium differentiation stage. Acta Agriculturae Boreali-Sinica， 2021， 36（1）： 81-94.
	张自阳，王斌，王智煜，等. 雌雄蕊原基分化期低温胁迫下2个小麦品种幼穗miRNA表达谱分析. 华北农学报， 2021， 36（1）： 81-94.
9	Mao P S， Han J G， Liu G. Study on the differentiation of young spike of siberian wildrye. Grassland of China， 2004， 26（5）： 16-21.
	毛培胜，韩建国，刘刚. 老芒麦幼穗的分化过程. 中国草地， 2004， 26（5）： 16-21.
10	Mao P S. Grassland science. Beijing： China Agriculture Press， 2001.
	毛培胜. 草地学. 北京：中国农业出版社， 2001.
11	Tao Q B， Bai M J， Han Y H， et al. Use of plant growth regulators in forage seed production. Pratacultural Science， 2017， 34（6）： 1238-1246.
	陶奇波，白梦杰，韩云华，等. 植物生长调节剂在牧草种子生产中的应用. 草业科学， 2017， 34（6）： 1238-1246.
12	Li J R， Ma Z， Zhang Q， et al. Cold hardiness research and comprehensive evaluation of six grasses in Qinghai Province. Acta Agrestia Sinica， 2020， 28（2）： 405-411.
	李京蓉，马真，张骞，等. 青海省6种禾本科牧草的抗寒性研究及综合评价. 草地学报， 2020， 28（2）： 405-411.
13	Luo F M， Lei H J， Wang J， et al. Effect of irrigation and fertilizer on quality of Bromus inermis. Pratacultural Science， 2014， 31（11）： 2135-2140.
	罗凤敏，雷虹娟，汪季，等. 水肥调控对无芒雀麦品质的影响. 草业科学， 2014， 31（11）： 2135-2140.
14	Yi M H. Preparation of antibodies against plant hormone jasmonates and anticancer drug 5-fluorouracil and establishment of enzyme-linked immunosorbent assays. Suzhou： Soochow University， 2020.
	移明慧. 植物激素茉莉酸类物质和抗癌药物五氟尿嘧啶抗体的制备以及酶联免疫吸附分析方法的建立. 苏州：苏州大学， 2020.
15	Deng L L， Pan X Q， Sheng J P， et al. Optimization of experimental conditions for the determination of water soluble protein in apple pulp using coomassie brilliant blue method. Food Science， 2012， 33（24）： 185-189.
	邓丽莉，潘晓倩，生吉萍，等. 考马斯亮蓝法测定苹果组织微量可溶性蛋白含量的条件优化. 食品科学， 2012， 33（24）： 185-189.
16	Liu L， Hu Y Y， Wang Z L. Spike differentiation and flowering characteristics in tall fescue. Acta Agrestia Sinica， 2009， 17（2）： 197-201.
	刘露，胡玉咏，王兆龙. 高羊茅幼穗分化过程及开花习性的观察. 草地学报， 2009， 17（2）： 197-201.
17	Zhao X X. Dvide differentiation process of switchgrass spike into stages and identify TIFY gene family in switchgrass. Xianyang： Northwest A & F University， 2019.
	赵晓晓. 柳枝稷幼穗分化分期与TIFY基因家族鉴定. 咸阳：西北农林科技大学， 2019.
18	Liu L， Hu Y Y， Wang Z L. Observation of spike differentiation and flowering characteristics in kentucky bluegrass. Pratacultural Science， 2009， 26（7）： 50-55.
	刘露，胡玉咏，王兆龙. 草地早熟禾幼穗分化过程及开花习性的观察. 草业科学， 2009， 26（7）： 50-55.
19	He X， Li Q F， Lu H P. Observations on inflorescence differentiation of Elymus sibiricus L. Journal of Inner Mongolia Agricultural University， 2004， 25（14）： 26-29.
	贺晓，李青丰，陆海平. 老芒麦花序分化过程的观察. 内蒙古农业大学学报， 2004， 25（14）： 26-29.
20	Zhao W. Studies on seed yield components and seed production performance of five gramineous plants. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2003.
	赵威. 5种禾本科牧草种子产量构成因子和种子生产性能的研究. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2003.
21	Li C H， Li S J， Zhang J， et al. Observations on spike differentiation of Kengyilia thoroldiana. Pratacultural Science， 2013， 30（8）： 1189-1193.
	李长慧，李淑娟，张静，等. 梭罗草幼穗分化过程的观察. 草业科学， 2013， 30（8）： 1189-1193.
22	Zhang X Q， Du Y， Zheng D C， et al. Flowering behavior of some grasses. Pratacultural Science， 1994， 11（3）： 42-45.
	张新全，杜逸，郑德成，等. 几种禾草的开花习性. 草业科学， 1994， 11（3）： 42-45.
23	Yu H T， Chen G H. Research progress on related factor affecting flowering time of rice. Crop Research， 2008， 22（5）： 368-371.
	于海涛，陈光辉. 影响水稻开花时间的相关因素研究进展. 作物研究， 2008， 22（5）： 368-371.
24	Zhang M， Chen T， Hojatollah L， et al. How plant density affects maize spike differentiation， kernel set， and grain yield formation in Northeast China？ Journal of Integrative Agriculture， 2018， 17（8）： 1745-1757.
25	Heide O M. Flowering requirements in Bromus inermis， a short-long-day plant. Physiologia Plantarum， 1984， 62： 59-64.
26	Jiang L N， Zhao Y L， Shao Y， et al. Comparative study of spike differentiation in wheat in the glasshouse and field. Acta Ecologica Sinica， 2011， 31（15）： 4207-4214.
	姜丽娜，赵艳岭，邵云，等. 玻璃温室与田间栽培小麦幼穗分化的比较. 生态学报， 2011， 31（15）： 4207-4214.
27	Luo M N. Effect of growth regulator on endogenous hormones in wheat and maize. Xianyang： Northwest A & F University， 2019.
	罗梦娜. 生长调节剂对小麦和玉米内源激素的影响. 咸阳：西北农林科技大学， 2019.
28	Liu Y， Yu M L， Zhang R， et al. The relationship between endogenous hormone content and apomixis rate of wild Kentucky bluegrass in Gansu Province. Acta Prataculturae Sinica， 2020， 29（7）： 99-111.
	刘燕，于美玲，张然，等. 甘肃野生草地早熟禾内源激素含量的变化与无融合生殖率的关系研究. 草业学报， 2020， 29（7）： 99-111.
29	Ni Y L. Differences in physiological basis of floret development and response to cultivation regulation in wheat. Tai’an： Shandong Agricultural University， 2013.
	倪英丽. 小麦小花发育差异性的生理基础及栽培措施调控研究. 泰安：山东农业大学， 2013.
30	Wang H Q， Liu P， Zhang J W， et al. Endogenous hormones inhibit differentiation of young ears in maize （Zea mays L.） under heat stress. Frontiers in Plant Science， 2020， 11： 533046.
31	Zhang W， Wang J， Huang Z， et al. Effects of low temperature at booting stage on sucrose metabolism and endogenous hormone contents in winter wheat spikelet. Frontiers in Plant Science， 2019， 10： 498.
32	Wang X W， Wang S H， Li G H， et al. Effect of panicle nitrogen fertilizer on concentrations of cytokinin and auxin in young panicles of japonica rice and its relation with spikelet development. Acta Agronomica Sinica， 2008， 34（12）： 2184-2189.
	王夏雯，王绍华，李刚华，等. 氮素穗肥对水稻幼穗细胞分裂素和生长素浓度的影响及其与颖花发育的关系. 作物学报， 2008， 34（12）： 2184-2189.
33	Li X D， Zhang D Q， Wang H F， et al. Impact of temperature increment before the over-wintering period on growth and development and grain yield of winter wheat. Chinese Journal of Applied Ecology， 2015， 26（3）： 839-846.
	李向东，张德奇，王汉芳，等. 越冬前增温对小麦生长发育和产量的影响. 应用生态学报， 2015， 26（3）： 839-846.
34	Xu L， Gao Z Q， An W， et al. Low-temperature response and cold tolerance at spike differentiation stage of winter wheat varieties sowed in spring. Chinese Journal of Applied Ecology， 2015， 26（6）： 1679-1686.
	徐澜，高志强，安伟，等. 冬麦春播小麦穗分化阶段对低温胁迫的响应及耐寒性. 应用生态学报， 2015， 26（6）： 1679-1686.
35	Fan G Q， Liu F， Shao Q Q， et al. The relationship between protein and starch content and endogenous hormone content during grain development in wheat. Plant Physiology Communications， 2007， 43（1）： 36-40.
	樊高琼，刘帆，邵庆勤，等. 小麦蛋白质和淀粉含量与籽粒发育过程中内源激素含量的关系. 植物生理学通讯， 2007， 43（1）： 36-40.
36	Wang L. Winter wheat spike differentiation process of physiological indexes change and flowering related gene differential expression analysis. Harbin： Northeast Agricultural University， 2016.
	王璐. 冬小麦穗分化中生理指标变化及开花基因的差异表达分析. 哈尔滨：东北农业大学， 2016.
37	Yang Z Q， Wang X L， Peng X D， et al. Effect of difference between day and night temperature on nutrients and dry mass partitioning of tomato in climate chamber. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（5）： 138-147.
	杨再强，王学林，彭晓丹，等. 人工环境昼夜温差对番茄营养物质和干物质分配的影响. 农业工程学报， 2014， 30（5）： 138-147.
38	Du Y X， Ji X， Zhang J， et al. Research progress on the impacts of low light intensity on rice growth and development. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2013， 21（11）： 1307-1317.
	杜彦修，季新，张静，等. 弱光对水稻生长发育影响研究进展. 中国生态农业学报， 2013， 21（11）： 1307-1317.
39	Zhang C， He L H， Liao S， et al. Effect of sowing date on daily yield of mechanical indica hybrid rice under different ecological conditions. Acta Agronomica Sinica， 2020， 46（10）： 1579-1590.
	张驰，何连华，廖爽，等. 不同生态条件下播期对机插杂交籼稻日产量的影响. 作物学报， 2020， 46（10）： 1579-1590.

幼穗分化时期 Young spike differentiation stages	时间Time （月-日Month-day）		幼穗长度Young spike length （mm）		物候期 Phenophase
幼穗分化时期 Young spike differentiation stages	三坪Sanping	谢家沟Xiejiagou	三坪Sanping	谢家沟Xiejiagou	物候期 Phenophase
初生期Vegetative stage	04-09-04-10	05-07-05-08	<0.10	<0.10	分蘖期Tillering stage
伸长期Elongation stage	04-11-04-14	05-09-05-11	0.41±0.009a	0.45±0.012a	分蘖期Tillering stage
结节期Single ridge stage	04-15-04-21	05-12-05-17	1.39±0.015b	1.47±0.012a	分蘖期Tillering stage
小穗原基分化期Spikelet primordial stage	04-22-04-25	05-18-05-20	8.61±0.113b	9.20±0.159a	拔节期Jointing stage
小花原基分化期Floret primordial stage	04-26-04-29	05-21-05-24	22.06±0.520b	27.65±0.635a	拔节期Jointing stage
雌雄蕊原基分化期Stamen primordial formation stage	04-30-05-04	05-23-05-27	91.56±0.885b	101.86±1.436a	孕穗期Booting stage
雌雄蕊形成期Stamen formation stage	05-05-05-11	05-28-06-01	166.93±1.302b	176.28±1.331a	孕穗期Booting stage
完穗期Spike completion stage	05-12-05-20	06-02-06-09	188.81±1.743b	210.40±1.990a	抽穗期Heading stage

幼穗分化时期 Young spike differentiation stages	时间Time （月-日Month-day）		幼穗长度Young spike length （mm）		物候期 Phenophase
幼穗分化时期 Young spike differentiation stages	三坪Sanping	谢家沟Xiejiagou	三坪Sanping	谢家沟Xiejiagou	物候期 Phenophase
初生期Vegetative stage	04-09-04-10	05-07-05-08	<0.10	<0.10	分蘖期Tillering stage
伸长期Elongation stage	04-11-04-14	05-09-05-11	0.41±0.009a	0.45±0.012a	分蘖期Tillering stage
结节期Single ridge stage	04-15-04-21	05-12-05-17	1.39±0.015b	1.47±0.012a	分蘖期Tillering stage
小穗原基分化期Spikelet primordial stage	04-22-04-25	05-18-05-20	8.61±0.113b	9.20±0.159a	拔节期Jointing stage
小花原基分化期Floret primordial stage	04-26-04-29	05-21-05-24	22.06±0.520b	27.65±0.635a	拔节期Jointing stage
雌雄蕊原基分化期Stamen primordial formation stage	04-30-05-04	05-23-05-27	91.56±0.885b	101.86±1.436a	孕穗期Booting stage
雌雄蕊形成期Stamen formation stage	05-05-05-11	05-28-06-01	166.93±1.302b	176.28±1.331a	孕穗期Booting stage
完穗期Spike completion stage	05-12-05-20	06-02-06-09	188.81±1.743b	210.40±1.990a	抽穗期Heading stage

处理 Treatment	分蘖数 Number of tiller （No.?m^-2）	生殖枝数 Number of shoots （No.?m^-2）	每花序小花数 Number of floret per inflorescence	每花序种子数 Number of seeds per inflorescence	花序长度 Spike length （cm）
三坪Sanping	759.10±14.67a	470.40±11.28a	399.30±16.52a	90.90±2.14b	18.78±0.24b
谢家沟Xiejiagou	758.60±17.94a	496.30±18.40a	386.00±6.63a	108.50±3.40a	20.91±0.55a
处理 Treatment	每花序小穗数 Number of spikelets per inflorescence	单株株高 Individual plant height （cm）	千粒重 1000 grain weight （g）	种子产量 Seed yield （kg·hm^-2）	结实率 Seed setting rate （%）
三坪Sanping	49.40±1.36a	83.56±1.39b	3.653±0.08a	1582.39±65.52b	22.78±0.49b
谢家沟Xiejiagou	44.40±1.33b	107.42±2.58a	3.139±0.06b	1795.87±11.62a	28.56±1.78a

处理 Treatment	分蘖数 Number of tiller （No.?m^-2）	生殖枝数 Number of shoots （No.?m^-2）	每花序小花数 Number of floret per inflorescence	每花序种子数 Number of seeds per inflorescence	花序长度 Spike length （cm）
三坪Sanping	759.10±14.67a	470.40±11.28a	399.30±16.52a	90.90±2.14b	18.78±0.24b
谢家沟Xiejiagou	758.60±17.94a	496.30±18.40a	386.00±6.63a	108.50±3.40a	20.91±0.55a
处理 Treatment	每花序小穗数 Number of spikelets per inflorescence	单株株高 Individual plant height （cm）	千粒重 1000 grain weight （g）	种子产量 Seed yield （kg·hm^-2）	结实率 Seed setting rate （%）
三坪Sanping	49.40±1.36a	83.56±1.39b	3.653±0.08a	1582.39±65.52b	22.78±0.49b
谢家沟Xiejiagou	44.40±1.33b	107.42±2.58a	3.139±0.06b	1795.87±11.62a	28.56±1.78a

幼穗分化时期 Young spike differentiation period	赤霉素 GA	排序 Sequence	细胞分裂素 CTK	排序 Sequence	脱落酸 ABA	排序 Sequence	可溶性蛋白 SP	排序 Sequence
Ⅰ	0.5112	5	0.4686	15	0.4829	11	0.4786	13
Ⅱ	0.4982	9	0.5026	8	0.5038	7	0.5190	3
Ⅲ	0.5154	4	0.5045	6	0.5562	2	0.4870	10
Ⅳ	0.4741	14	0.4654	16	0.4803	12	0.5719	1
Ⅴ	0.5065	8	0.3749	16	0.5117	6	0.5282	4
Ⅵ	0.4540	15	0.4791	13	0.4938	10	0.5154	5
Ⅶ	0.5723	1	0.5080	7	0.5515	3	0.4902	12
Ⅷ	0.5587	2	0.5027	9	0.4937	11	0.4766	14