谷子水培體系的構(gòu)建與應(yīng)用

郭永正，宋萬琪，楊致榮

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西太谷030801）

谷子起源于我國，有7 000多年的歷史[1]，主要栽培于黃河中上游，具有抗旱、耐瘠薄和高光效等突出優(yōu)勢，并且有其獨(dú)特的營養(yǎng)價(jià)值[2]，是我國的主要農(nóng)作物，也是我國北方主要糧食作物之一[3]。此外，谷子糧草兼用的特征非常明顯，具有較高的食用和飼用價(jià)值[4]。谷子種質(zhì)資源是一種豐富且蘊(yùn)藏著各種性狀遺傳基因的重要自然資源，在漫長的歷史進(jìn)化過程中由自然演化和人工創(chuàng)制而形成[5]。但是，由于谷子只是區(qū)域重要性作物[6]，與小麥和玉米的品種數(shù)量相比，谷子品種仍存在較大差距。為了加快谷子優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的篩選進(jìn)程，適宜的栽培體系是必不可少的。

目前，谷子的栽培條件主要包括：土培法、水培法、砂培法等[7]。在對植物的營養(yǎng)特性做研究時(shí)，土培法是一種最為理想也是最為可靠的方法[8]，其優(yōu)點(diǎn)在于土壤是作物生長的介質(zhì)，是篩選耐受性作物最直接、最有效的方法，但其缺點(diǎn)則是不利于精確控制營養(yǎng)元素的濃度以及對根系進(jìn)行觀察[9]。水培法是目前使用最多的篩選方法之一，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以對培養(yǎng)作物的介質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確而有效的控制，能快速有效地對某些需研究的特性相關(guān)基因進(jìn)行篩選，也可以對培養(yǎng)條件進(jìn)行準(zhǔn)確無誤地重復(fù)，同時(shí)可以很方便地對植物的根部性狀進(jìn)行有效的分析[9]。而砂培法是一種介于土培法和水培法之間的培養(yǎng)方法，同時(shí)包含了以上2種方法的特點(diǎn)。

本研究選用豫谷1號為試驗(yàn)材料，在氣候室中對其進(jìn)行水培，研究其最佳的生長條件，旨在獲得一套谷子的最佳水培體系，從而為谷子優(yōu)良種質(zhì)資源的篩選及其他方面的研究提供可靠的基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試谷子品種為豫谷1號，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)雜糧分子育種團(tuán)隊(duì)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用籽粒飽滿的種子播種于帶孔的海綿板中，用去離子水澆灌，使其全部浸濕，然后將其放在晝夜時(shí)間為 14，10 h，晝夜溫度分別為（29±5），（22±5）℃，相對濕度為20%～70%的溫室中，篩選出種子萌發(fā)的最適溫度和濕度。然后將發(fā)芽好的種子移至不同的光照強(qiáng)度（15 000，30 000，45 000 lx）下，觀察生長情況得出最適的光照強(qiáng)度。最后在溫度、濕度、光照強(qiáng)度最適的條件下，挑選長勢一致的幼苗，移至不同氮、磷、鉀濃度的培養(yǎng)液（3種缺素營養(yǎng)液配方如表1所示，分別在缺氮營養(yǎng)液的基礎(chǔ)上，用NH4NO3調(diào)控氮的濃度為 0.2，0.5，2.0，5.0 mmol/L，在缺磷營養(yǎng)液的基礎(chǔ)上，用KH2PO3調(diào)控磷的濃度為0.000 4，0.004，0.007，0.018，0.037 mmol/L，在缺鉀營養(yǎng)液的基礎(chǔ)上，用KNO3調(diào)控鉀的濃度為0，0.2，0.5，2.5，5.0 mmol/L）中，在移苗后設(shè)置地下部分是否避光（對照組植株根部以下避光，試驗(yàn)組植株根部以下不避光）和不同的通氣時(shí)間（對照組每天8 h，試驗(yàn)組通氣時(shí)間分別為 24，4，8 h），觀察，21 d 后取樣測定相應(yīng)指標(biāo)。

表1 營養(yǎng)液配方

1.3 測定指標(biāo)及方法

不同生長條件及不同氮、磷、鉀水平處理21 d后，每個(gè)處理取10株，用蒸餾水沖洗干凈后，用刻度尺測定谷子的根長和苗高，用微量天平稱量根的鮮質(zhì)量與干質(zhì)量、苗的鮮質(zhì)量與干質(zhì)量，采用葉綠素測量儀（SPAD-502 Plus）測定葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)采用Excel進(jìn)行基本描述性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培育條件對谷子生長發(fā)育的影響

2.1.1 溫度與濕度對谷子生長發(fā)育的影響 溫度與濕度是影響植物生長與產(chǎn)量的重要環(huán)境因素[10]，對種子的萌發(fā)起到至關(guān)重要的作用。當(dāng)溫度高于31℃、濕度高于50%時(shí)，種子發(fā)霉的概率增加（圖1-B），同樣當(dāng)溫度低于20℃、濕度低于45%時(shí)，會(huì)限制種子中酶的活性，延遲種子的萌發(fā)。通過對氣候室中溫度、濕度的24 h測定得出，晝夜溫度分別為（29±2），（22±2）℃，相對濕度為 45%～50%時(shí)，種子可達(dá)到100%萌發(fā)率，且生長良好。

2.1.2 光照對谷子生長發(fā)育的影響 光能促進(jìn)植物組織和器官的分化，且制約著各器官的生長速度和發(fā)育比例。在溫濕度最適宜的情況下，當(dāng)光照強(qiáng)度為15 000 lx時(shí)，莖明顯瘦且長（圖1-C），可能是由于光照強(qiáng)度較弱時(shí)，供植物光合利用的能量不足，凈光合速率降低[11]，營養(yǎng)物質(zhì)積累不足。光照強(qiáng)度為45 000 lx時(shí)，谷子葉片發(fā)黃（圖1-D），強(qiáng)光往往會(huì)導(dǎo)致高溫，易造成水分缺失、氣孔關(guān)閉、二氧化碳供應(yīng)不足，葉片發(fā)黃，從而影響植物生長。光照強(qiáng)度為30 000 lx時(shí)，谷子的生長情況良好。

此外在水培條件下，處于水中的根部是否避光也會(huì)影響谷子的生長，在不避光情況下，營養(yǎng)液中的藻類會(huì)通過光合作用大量繁殖，使培養(yǎng)液變綠（圖1-E），嚴(yán)重影響根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，因此，對處于水培液中的部分要進(jìn)行避光處理，且每7 d需更換一次培養(yǎng)液。

2.1.3 通氣量對谷子生長發(fā)育的影響 土壤中的氧濃度也是影響根系形態(tài)建成和養(yǎng)分吸收、代謝的重要因素[12]，氧對植物生長和氮素吸收利用具有獨(dú)特作用，增氧利于植物地上部分對氮素的吸收和利用[13]。在水培過程中，培養(yǎng)液中的氧含量對植物的生長也是必需的。在沒通氣的情況下，植株矮小、葉片發(fā)黃（圖1-F）。用氣泵給培養(yǎng)液中通氣后，植株生長良好，但不同的通氧時(shí)間對植物的生長會(huì)產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)通氧時(shí)間過長時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物根部細(xì)胞損壞，影響植物生長；通氧時(shí)間過短，會(huì)使水中氧含量過低，不利于根系呼吸而使其腐爛。試驗(yàn)得出，每天通氣8 h最為合適。

2.2 不同水平氮、磷、鉀含量對谷子生長的影響

2.2.1 不同濃度氮對谷子苗期生長發(fā)育的影響

變異程度是衡量一個(gè)性狀是否可以作為篩選指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，變異系數(shù)越大，說明該指標(biāo)越靈敏[14]。由表2可知，在不同的氮素處理下，鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉綠素含量都隨著氮濃度的增加而增加，但當(dāng)?shù)獫舛葹? mmol/L時(shí)，株高達(dá)到了最大值，隨著氮素水平達(dá)到5 mmol/L時(shí)，株高降低了1%（圖2）。而根長、株高、苗鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、苗干質(zhì)量的變異系數(shù)比5 mmol/L濃度下分別提高了38%，63%，35%，67%和14%，說明谷子對2 mmol/L的氮濃度更敏感，因此，可將2 mmol/L作為最適的氮處理濃度。

由以上結(jié)論可得出，低于2 mmol/L的氮濃度為低氮處理，由表2可知，在0.2 mmol/L的氮水平下，根長、根鮮質(zhì)量、葉綠素含量、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量的變異系數(shù)均比0.5 mmol/L氮處理大，說明這些指標(biāo)對0.2 mmol/L的氮濃度更加敏感。而苗鮮質(zhì)量、株高的變異系數(shù)相差不大，所以，可將0.2 mmol/L的氮濃度作為篩選耐低氮種質(zhì)資源的最適濃度，根長、根鮮質(zhì)量、葉綠素含量、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量作為評價(jià)篩選的指標(biāo)，苗鮮質(zhì)量和株高作為輔助指標(biāo)。

表2 4種氮素水平下供試豫谷1號苗期生長情況

2.2.2 不同濃度磷對谷子苗期生長發(fā)育的影響由圖3可知，在5個(gè)濃度的磷水平下生長21 d后，各項(xiàng)指標(biāo)都出現(xiàn)了較大的差異，在0.004 mmol/L下，谷子的生長情況最好。從表3可以看出，在0.004 mmol/L的磷濃度下，苗鮮質(zhì)量、葉綠素含量、株高、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量比其他磷濃度處理分別提高107%～211%，4%～63%，65%～182%，71%～140%，33%～300%，說明0.004 mmol/L的磷濃度更適合谷子生長，所以，可將0.004 mmol/L作為最適的水培磷濃度。

2.2.3 不同濃度鉀對谷子苗期生長發(fā)育的影響鉀是植物生長必需的3大營養(yǎng)元素之一，不同植物對鉀元素的吸收能力存在很大差異[15]。近年來，隨著氮、磷肥施用量的日益增加，農(nóng)作物產(chǎn)量不斷增加，土壤中的鉀素在迅速減少[16]，所以，對于耐低鉀作物的研究也迫在眉睫?；诖?，設(shè)置了5個(gè)濃度的鉀水平，以期得到谷子水培最適的鉀濃度以及篩選耐低鉀作物的最適濃度。從表4可以看出，在2.5 mmol/L的鉀濃度下，根長、苗鮮質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、葉綠素含量、株高、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量比其他處理分別提高了17%～56%，49%～110%，68%～200%，9%～24%，8%～28%，71%～120%，100%～240%，說明在該濃度下，谷子的生長情況最好，且所測各項(xiàng)指標(biāo)均最大，因此，可將2.5 mmol/L的鉀作為最適水培濃度。

相比低于2.5 mmol/L的鉀濃度，可作為低鉀處理。從表4可以看出，在0.5mmol/L的鉀濃度下，根鮮質(zhì)量、株高、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量的變異系數(shù)均比0，0.2 mmol/L處理下的大，表明這些指標(biāo)對0.5 mmol/L的鉀濃度敏感，所以，此濃度可用于篩選耐低鉀的品種，這些指標(biāo)可作為篩選的評價(jià)指標(biāo)。根長和苗鮮質(zhì)量在低鉀處理下的變異系數(shù)相差不大，則可作為輔助評價(jià)指標(biāo)。

表3 5種磷素水平下供試豫谷1號苗期生長情況

表4 5種鉀素水平下供試豫谷1號苗期生長情況

3 討論

在研究建立的谷子水培體系中，光照強(qiáng)度、濕度、溫度、通氣量等都會(huì)對水培的效果產(chǎn)生影響，結(jié)果表明，最適水培條件為：光照強(qiáng)度為30 000 lx，光照時(shí)間為 14 h，晝夜溫度分別為（29±2），（22±2）℃，相對濕度45%～55%，通氧時(shí)間8 h/d，根部以下保證避光，且7 d換一次水培營養(yǎng)液。

用不同濃度氮、磷、鉀培養(yǎng)液培養(yǎng)后，谷子植株生長正常并對脅迫條件做出了發(fā)育形態(tài)建成水平的反應(yīng)；在 2 mmol/L氮、2.5 mmol/L鉀、0.004 mmol/L磷處理下，谷子在苗期生長發(fā)育良好，可以進(jìn)一步利用該體系進(jìn)行谷子種質(zhì)資源的培養(yǎng)或高效種質(zhì)資源的篩選鑒定和相關(guān)基因的表達(dá)分析研究。

相比較于傳統(tǒng)的培育篩選方法，對成千上萬份的作物種質(zhì)以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量為指標(biāo)進(jìn)行全生育期的重復(fù)田間培育篩選，用水培法對作物進(jìn)行培育，找到作物苗期與耐受性性狀密切相關(guān)的生理指標(biāo)作為篩選指標(biāo)，從而進(jìn)行苗期篩選。不僅解決了育苗周期長、工作量大的問題，而且可以精確的控制各種營養(yǎng)元素的含量，準(zhǔn)確篩選優(yōu)良的種質(zhì)資源，另外植物側(cè)根具有吸收和運(yùn)輸養(yǎng)分的重要功能功能[17]，而水培法可使植物側(cè)根保存完整。但水培法的缺點(diǎn)是不能研究根系形態(tài)學(xué)特征在攝取養(yǎng)分時(shí)所起到的決定作用[8]。目前一般采用的是水培法、土培法或砂培法在苗期進(jìn)行粗篩選，然后將初步篩選出的品種在大田中進(jìn)行全生育期的復(fù)篩選[18]。

此外，在篩選耐低氮、低鉀的優(yōu)良作物品種時(shí)，通過對不同篩選指標(biāo)的測定，以及變異系數(shù)的計(jì)算得出，篩選耐低氮的最適濃度為0.2 mmol/L，并且可將根長、根鮮質(zhì)量、葉綠素含量、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量作為評價(jià)篩選的指標(biāo)；篩選耐低鉀的最適濃度為0.5 mmol/L，根鮮質(zhì)量、株高、苗干質(zhì)量、根干質(zhì)量可作為篩選的指標(biāo)，而根長和苗鮮質(zhì)量可作為輔助評價(jià)指標(biāo)。