不同水高效基因型小麥根系特性差異分析

蘭澤君，柳斌輝，王變銀，張文英*

（1.石家莊市第二中學，河北 石家莊 050051；2.河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所，河北 衡水 053000）

不同水高效基因型小麥根系特性差異分析

蘭澤君1，柳斌輝2，王變銀2，張文英2*

（1.石家莊市第二中學，河北 石家莊 050051；2.河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所，河北 衡水 053000）

研究不同水高效基因型小麥的根系特性差異，可為抗旱節(jié)水小麥品種選育過程中正確選擇根系指標提供科學依據。以抗旱品種石新633（DRI=1.300）和不抗旱品種河農58-3（DRI=0.713）為試材，在旱處理（足墑播種出苗后，小麥生育期不再補充灌溉）條件下，采用大田取根方法，比較了不同抗旱性小麥品種的根系特性差異及其在土壤中的垂直分布情況。結果表明：抗旱品種0～160 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重均＞非抗旱品種，其中，80～160 cm深層土壤的根總長度和根干重差異達到了顯著水平。相關分析結果顯示，0～80 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重與抗旱性均呈負相關，其中，60～80 cm土層的根總長度、根體積和根面積與抗旱性的相關程度達到了顯著水平（相關系數分別為-0.508、-0.428、-0.540）；80～160cm深層土壤的根總長度、根體積、根面積、根干重與抗旱性均呈正相關，其中，140～160cm土層的根總長度、根體積和根干重與抗旱性的相關程度達到了顯著水平。干旱脅迫下抗旱節(jié)水冬小麥主要利用深層土壤中的水分，由此認為，主要是分布在深層土壤的根系對抗旱性起作用。在選育抗旱節(jié)水冬小麥品種時，應注意加大深層根系的比例，選擇淺層和中層根系比例相對較小的品種。

小麥；水高效基因型；根系；抗旱性

根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，了解不同水高效基因型冬小麥根系的特征特性可為研究節(jié)水抗旱冬小麥品種生產提供更全面的認識。前人對不同作物的根系發(fā)育和根群分布等[1～5]進行了研究。在玉米上的研究結果表明，玉米根系發(fā)達，在土壤中形成網狀致密的根群，整個根系呈圓錐狀或傘狀，入土深度達1 m以上，其中主要根群分布在20～50cm土層，水平伸展長達50cm以上，能有效利用土壤中的水分和養(yǎng)分[6]。不同水稻品種的根系體積和總質量存在差異，各品種的根系體積和質量均隨土層深度的增加而下降，但主要分布在土壤耕作層（0～20 cm），其中表層（0～10 cm）根系占80%以上[7]。不同谷子品種的總根長差異較大，相同水分條件下不同品種形成的根系大小不同，從50 cm以下土層的根系長度占總根長的比例可以反映出不同品種根系在土壤中的分布差異[8]。谷子根系主要分布在60 cm以內的表土層中，該層根系重量占根總重的比例高達97.51%[9]。高產壯苗根系分布較深，深層根量相對比例大，不僅消耗表層土壤水分較少，而且在生育后期土壤干旱條件下，有利于充分利用深層土壤的水分，提高水分利用率[10]。由于根系生長于地下，準確取樣、測定、觀察存在一定困難，特別是研究方法欠缺、采樣破壞性大、工作量大，因此，阻礙了根系研究的深入開展，前人在不同水分環(huán)境下進行的根系形態(tài)變化研究結論是有局限性的[11]。采用田間取樣的方法，以不同水高效基因型小麥為試材，研究了不同深度土層的根系性狀以及垂直空間分布的情況，以期從宏觀角度明確抗旱節(jié)水小麥的根系分布特點，探討根系分布特征與抗旱性的關系，為抗旱節(jié)水小麥品種選育過程中根系指標的選擇提供科學依據。

1 材料與方法

數據材料來源于2013年10月～2014年5月在河北省農林科學院旱作農業(yè)研究所節(jié)水試驗站進行的河北省小麥節(jié)水組區(qū)域試驗（表1和2）。試驗區(qū)土壤為粘土，0～200 cm土層平均田間持水量38.5%（v/v），耕層土壤基礎養(yǎng)分含量為有機質12.5g/kg、全氮1.11 g/kg（其中速效氮80 mg/kg）、速效磷21 mg/kg、速效鉀120 mg/kg，種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。夏玉米收獲后秸稈全部粉碎還田，然后隨整地施磷酸二銨（P2O5含量46%）375 kg/hm2和尿素（N含量46%）150 kg/hm2，旋耕2遍，常規(guī)播種冬小麥，行距15 cm。小區(qū)面積13.5 m2（7.5 m×1.8 m），田間隨機區(qū)組排列，10行/區(qū)，3次重復。小麥其他施肥和耕作管理與當地大田水平一致。

按照GB 13/T 398.5—1999[12]，選取抗旱性極強的品種石新633（DRI=1.300）和抗旱性弱的品種河農58-3（DRI=0.713）為研究對象，分析不同抗旱性小麥品種的根系特性及其在土壤中的垂直分布狀況。

表1 河北省小麥節(jié)水組區(qū)域試驗的田間水分管理概況Table 1 General situation of field water management in regional test of wheat water-saving group in Hebei Province

小麥灌漿期，在壟上和壟間各選一點，用直徑9 cm的根鉆進行根系取樣，合并為1個樣本。每20 cm為1個層次，深度達160 cm，每個處理均取3個樣本。用孔徑0.25 mm的土壤篩洗凈根系，去除雜質后沖洗干凈，備用。在保持根系之間不重疊的前提下，將根系擺放至盛有清水的掃描盤（Amersham UMAX）上，根據實際情況調整黑白閾值使圖片達到最佳清晰度，使用Hp scanjet 8200掃描軟件進行透射光掃描，獲取數據，并做好記錄；采用Delta-t scan軟件將數據轉化為Excel格式，并計算參試材料各深度土層的根總長度（各級根系長度的總和）、根體積（各級根系體積的總和）和根面積（各級根系表面積的總和）。將掃描后的根系，置烘箱內80～85℃烘干至恒重，測定根干重。

利用Excel 2000和DPS數據處理系統(tǒng)進行方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 旱處理條件下不同深度土層小麥根系的分布情況

調查結果（表3）顯示，抗旱性不同的小麥品種，僅120～160 cm深層土壤的根系分布出現(xiàn)差異；而在0～120 cm土層，二者的根總長度、根體積、根面積和根干重變化趨勢均基本一致。

在0～60 cm的上層土壤，參試品種的根總長度、根面積、根體積和根干重均隨土層深度加大呈逐漸降低趨勢；在60～80 cm的中間土層，4個指標值均略有回升，而在100～120 cm土層均又出現(xiàn)降低；在120～160 m的深層土壤，抗旱品種石新633的根長、根體積和根面積再次呈現(xiàn)增加趨勢，而不抗旱品種河農58-3的指標值基本呈逐漸降低趨勢。石新633品種80～160 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重占0～160 cm相應指標整體的比例分別為43.62%、44.09%、44.40%和16.18%，分別較河農58-3增加10.17個百分點、2.81個百分點、8.07個百分點和7.58個百分點，其中，土壤根總長度和根干重差異達到了顯著水平。抗旱品種深層土壤的根長度和根干重顯著高于非抗旱品種，進一步說明，深層土壤中的根長度和根干重對小麥品種的抗旱節(jié)水起重要作用。

表3 旱處理條件下不同水高效基因型小麥各深度土層的根量分布Table 3 Root distribution in different soil depths of wheat genotypes under drought treatments

2.2 干旱脅迫下不同深度土層小麥根部性狀與抗旱性的相關性

相關分析結果（表4）顯示，0～80 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重與抗旱性均呈負相關，其中，60～80 cm土層的根總長度、根體積和根面積與抗旱性的相關程度達到了顯著水平，相關系數分別為-0.508、-0.428和-0.540；80 cm以下土層的根總長度、根體積、根面積和根干重與抗旱性均呈正相關，其中，140～160 cm土層的根總長度、根體積和根干重與抗旱性的相關程度達到了顯著水平。

表4 不同深度土層小麥根部性狀與抗旱性的相關性Table 4 The correlation of root traits and DRI of wheat genotypes under drought treatments in different soil depths

2.3 干旱脅迫下0～160 cm土層小麥根系性狀與產量的關系

不同抗旱性品種的0～160 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重與產量均呈正相關（圖1～4），相關系數分別為0.80、0.72、0.40、0.49，其中，根總長度和根體積與產量的相關程度達到了顯著水平。

圖1 160 cm土層根總長度與產量的關系Fig.1 Relationship between root length and yield of 160 cm soil layer

圖2 160 cm土層根體積與產量的關系Fig.2 Relationship between root volume and yield of 160 cm soil layer

圖3 160 cm土層根面積與產量的關系Fig.3 Relationship between root total area and yield of 160 cm soil layer

圖4 160 cm土層根干重與產量的關系Fig.4 Relationship between root dry weight and yield of 160 cm soil layer

3 結論與討論

本研究結果表明，0～80 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重與小麥品種的抗旱性均呈負相關，其中，60～80 cm土層的根總長度、根體積、根面積與抗旱性的相關程度達到了顯著水平（p＜0.05）；而80～160 cm土層的根總長度、根體積、根面積和根干重與小麥品種的抗旱性均呈正相關，其中，140～160cm土層的根總長度、根體積和根干重與抗旱性的相關程度達到了顯著水平。干旱脅迫下抗旱冬小麥品種主要利用深層土壤的水分，進一步證明，主要是深層根系對抗旱性起作用。因此，在選育抗旱節(jié)水小麥品種時，應注意選擇淺層和中層根系比例較小的品種。研究表明，在正常水肥情況下，根系最大程度地利用耕作層的水分和養(yǎng)分，一般20 cm以上耕層根系越龐大，小麥產量越高[13]；土壤水分不足會抑制小麥根系的生長，表現(xiàn)為次生根數、根量和根體積減少，促使小麥根系向下生長，以充分利用深層土壤中的水分，從而獲得盡可能多的產量[6]。

在谷子上的研究結果顯示，抗逆性強、適應性廣的生態(tài)特性與其發(fā)達的根系系統(tǒng)有關[9]。在小麥和水稻等農作物上的研究表明，抗旱品種的種子根根系發(fā)達，下扎快，分布深，深層根量比例大，吸收深層土壤水分的能力強[1～7，13]。Narayan[15]在研究了不同土壤水分條件下小麥品種根系生長與生產力的關系后指出，干旱脅迫條件下對抗旱品種進行選擇時，與根系密度相比，根系的下扎深度是更好的選擇指標。本研究結果也表明，根系較長的小麥品種，抗旱性較強。具有深而分布廣和分枝多的根系，有利于植物充分吸收利用貯存在土壤中的水分。改善根系的發(fā)育環(huán)境，促使其盡快下扎到含水量較高的土壤層，是避免干旱災害的有效措施。影響根系對某一層次土壤水分利用的主要原因是該層土壤中的根量、根系本身的吸水活力和土壤水分狀況[16]。本研究結論與前人的研究觀點相一致。根系分布狀況與水分脅迫有關，上層根少、下層根多的品種對土壤干旱的敏感性較低，而上層根多、下層根少的品種則敏感性較高；在土壤水分正常條件下，根系生物量主要集中在上層土壤，土壤干旱時根系在下層分布得明顯增多[17～19]。本研究結果表明，在水分干旱脅迫時，小麥深層根量與其抗旱性呈顯著正相關，根系向深層土壤發(fā)育有利于吸收更多的水分和養(yǎng)分，以滿足根系本身和地上部分的需要，這是小麥對干旱環(huán)境的一種適應性變化。因此，在小麥栽培措施中，應促使根系利用深層水分以節(jié)水增產，在誘導根系深扎的同時，促使根系在土壤深層大量發(fā)育。在小麥抗旱節(jié)水育種中，可以從根系的深層空間分布入手，適當選育一些扎根較深、深層土壤單位面積中根長度較大的品種，以更加適應干旱缺水的惡劣環(huán)境。

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Analysis on Root Characteristics of Wheat Genotypes with Different Water Use Efficiency

LAN Ze-jun1，LIU Bin-hui2，WANG Bian-yin2，ZHANG Wen-ying2*

（1.The Second Middle School of Shijiazhuang，Shijiazhuang 050051，China；2.Dryland Farming Institute，Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Hengshui 053000，China）

The aim of the study was to evacuate variation of root characteristics among wheat genotypes with different water use efficiency，to provide a root selection index.Two different genotype Shixin 633（drought tolerance，DRI=1.300），Henong 58-3（drought sensitive，DRI=0.713）and a single drought treatment（no irrigation after seedling）were employed for the test.A field root sampling method was selected to evaluate the variation of root characters and distribution within soil.The results showed that within 0-160 cm profiles，the root length and dry weight were higher for drought tolerance variety then sensitive one and significant higher within 80-160 cm layer.The results of correlation analysis showed that all the total root length，root volume，total root area and root dry weight within 0-80 cm were negatively correlated with drought tolerance，there were significance correlation between total root length，root volume and root total area of 60-80 cm profile to drought tolerance（-0.508，-0.428，-0.540，respectively），in contract，there were positive correlation between total length，volume area，dry weight and drought tolerance in 80-160 cm profiles.The relationship between root length，volume，dry weight in 140-160 cm profiles and drought tolerance reached a significant level.The results showed that under water stress，drought tolerance ability of winter wheat was due to the ability of deep water use and the deep root characters.It means to select deep root proportion in deep profile and relatively small proportion in shallow profiles in drought tolerance breeding program is a useful protocol.

Wheat；Water efficient genotype；Root；Drought tolerance

S512.1+1

：A

：1008-1631（2017）01-0019-05

2016-09-16

河北省科技支撐計劃項目（1152021D）；國家行業(yè)專項（2013BAD69B01）；國家行業(yè)專項（2015BAD02B02）

蘭澤君（1999-），男，河北石家莊市人，石家莊市第二中學學生。

張文英（1975-），河北衡水人，研究員，博士，主要從事農作物抗旱性鑒定及遺傳規(guī)律研究。 E-mail：zxm. 0223@163.com。