不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗與根系發(fā)育質(zhì)量比較

楊一晨，楊習(xí)文，周蘇玫，黃 源，徐利利，付錦州，郭芳芳，賀德先

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心/省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046)

【研究意義】在小麥生理生態(tài)和遺傳育種研究中，培養(yǎng)和選用優(yōu)質(zhì)且接近于大田條件下的小麥幼苗是試驗(yàn)的基礎(chǔ)?？v觀國(guó)內(nèi)外小麥幼苗培養(yǎng)的方法和技術(shù)，種類繁多且復(fù)雜，這造成了不同培養(yǎng)條件下的同類研究結(jié)果或同一指標(biāo)差異較大，缺乏可比性[1]。因此，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的幼苗培養(yǎng)方法可提高試驗(yàn)研究的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)也具有重要的方法論意義[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】對(duì)研究者來(lái)說(shuō)，采用規(guī)范一致的培養(yǎng)方式和方法，并使用標(biāo)準(zhǔn)的育苗基質(zhì)培養(yǎng)幼苗，是必須的研究途徑。目前國(guó)外內(nèi)采用的育苗方法分為土壤栽培法和無(wú)土栽培法[3]。土壤栽培法雖能對(duì)幼苗能起到很好的支持和緩沖作用，但其不可避免地帶來(lái)土傳病蟲(chóng)害進(jìn)而影響幼苗發(fā)育，另又不宜沖洗干凈，污染環(huán)境等限制因素。無(wú)土栽培法包含砂培，蛭石培，水培等多種培養(yǎng)方法，雖更易于培養(yǎng)管理，但也存在緩沖力低，病菌污染等諸多缺點(diǎn)[4-5]。同時(shí)，前人研究表明不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗長(zhǎng)勢(shì)和根系活力存在差異[1,6]，不同培養(yǎng)基質(zhì)對(duì)作物的幼苗素質(zhì)及產(chǎn)量的影響也不同[7-14]。不同幼苗培養(yǎng)方法之間可比性差以及在相關(guān)研究實(shí)踐中缺乏標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題尚未解決[15-17]，且就不同培養(yǎng)方法對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，尤其是對(duì)根系發(fā)育和生理活性的影響報(bào)道較少?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】選取幾種在研究中常用的培養(yǎng)基質(zhì)對(duì)小麥幼苗進(jìn)行培養(yǎng)鑒定，以期提高小麥幼苗不同培養(yǎng)方法之間的可比性。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究擬解決科學(xué)研究過(guò)程中室內(nèi)不同培養(yǎng)方法下的小麥幼苗與根系發(fā)育質(zhì)量代表性差，與大田環(huán)境生長(zhǎng)的幼苗差異大的問(wèn)題，減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高研究結(jié)果的可比性，規(guī)范化小麥幼苗的培養(yǎng)方法，為提高試驗(yàn)研究準(zhǔn)確性提供基礎(chǔ)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室人工氣候箱(型號(hào)RXZ-800C)內(nèi)進(jìn)行。供試材料為黃淮麥區(qū)大面積推廣的半冬性中熟小麥品種周麥27(國(guó)審麥2011003)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與條件控制

挑選大小一致的種子，用10% H2O2消毒5 min后，蒸餾水沖洗3遍，然后均勻放入底部用水浸潤(rùn)的培養(yǎng)皿中，置于20 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光催芽，種子露白后，將一部分種子播種在土壤、細(xì)砂、蛭石中進(jìn)行培養(yǎng)；其余種子移至濕潤(rùn)發(fā)芽網(wǎng)上，待幼苗生長(zhǎng)到一葉時(shí)挑選長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的幼苗，移至水(Hoagland營(yíng)養(yǎng)液)培中培養(yǎng)。

發(fā)芽和幼苗培養(yǎng)環(huán)境模擬河南中部地區(qū)小麥秋播季節(jié)和幼苗早期生長(zhǎng)環(huán)境的平均水平，溫度控制為20 ℃/18 ℃(晝/夜)，光照周期為16 h/8 h(晝/夜)，大氣相對(duì)濕度為70%。水培采用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每2 d更換一次；土壤、細(xì)砂、蛭石等培養(yǎng)基質(zhì)過(guò)篩，裝入高7.5 cm、直徑8 cm的營(yíng)養(yǎng)缽中，播種后7 d定苗，每個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽定苗5株，每2 d補(bǔ)充一次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽中的添加量保持一致。每種培養(yǎng)基質(zhì)分別設(shè)置45盆。

1.3 調(diào)查與測(cè)定分析方法

1.3.1 幼苗發(fā)育質(zhì)量與根系形態(tài)數(shù)量性狀的調(diào)查分析 分別于幼苗3、4、5葉齡時(shí)，各處理選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致且具有代表性的植株樣品，將其幼苗取出并沖洗干凈，測(cè)量調(diào)查株高、出葉速度、單株葉面積，之后使用根系掃描儀(Epson Expression12000XL)掃描得到圖像，使用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(Regent Instruments Inc.,Canada)進(jìn)行圖像分析獲得單株總根長(zhǎng)、總根體積、總根表面積、平均根直徑、總根分枝數(shù)。最后，將樣品分為根、莖葉，在105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘至恒重，計(jì)算單株幼苗干重(不含根系，下同)。重復(fù)3次。

1.3.2 幼苗根系生理活性測(cè)定 分別于幼苗3、4、5葉齡時(shí)，各處理選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致且具有代表性的植株樣品，采用改良TTC法[18]測(cè)定根系活性，亞甲基藍(lán)吸附法[19]測(cè)定單株根系總吸收面積和活躍吸收面積，單株根系生理勢(shì)為根系活性與單株根鮮重的乘積[20]。重復(fù)3次。

1.3.3 幼苗根中氮、磷、鉀含量與積累量的測(cè)定 分別于幼苗3、4、5葉齡時(shí)，各處理選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致且具有代表性的植株，獲取其根系樣品后，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘至恒重，并粉碎過(guò)篩，經(jīng)濃H2SO4-H2O2消解，以全自動(dòng)凱氏定氮儀(SPD80)測(cè)定氮含量[21],以釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量[21],以火焰分光光度法測(cè)定鉀含量[22]，并重復(fù)3次。

根中氮、磷、鉀積累量(mg/plant)=根中氮、磷、鉀含量(mg/g)×根干重(g/plant)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 2018進(jìn)行作圖，并通過(guò)Duncan法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗發(fā)育質(zhì)量的差異分析

由圖1可知，不同培養(yǎng)方式下，小麥幼苗不同階段(苗齡)的株高、出葉速度、單株葉面積、幼苗干重均一致表現(xiàn)為土培>水培>砂培>蛭石培。其中，在3葉期，土培條件下的株高、出葉速度、單株葉面積和幼苗干重，與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在4葉期，土培條件下的株高與其它培養(yǎng)方式間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，其單株葉面積分別與砂培和蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培和水培條件下單株葉面積、出葉速度、幼苗干重的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在5葉期，土培和水培條件下株高、出葉速度、單株葉面積、幼苗干重的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。分析認(rèn)為，就株高、出葉速度、單株葉面積、幼苗干重幾個(gè)重要的幼苗素質(zhì)指標(biāo)看，小麥幼苗培養(yǎng)實(shí)踐中，最好選用土培，其次是水培。

2.2 不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗根系發(fā)育與功能的差異分析

2.2.1 幼苗根系形態(tài)數(shù)量性狀的差異 由表1可知，不同培養(yǎng)方式下，小麥幼苗不同階段(苗齡)的單株總根長(zhǎng)，總根表面積，總根體積及總根分枝數(shù)均一致表現(xiàn)為土培>水培>砂培>蛭石培，而平均根直徑的變化則表現(xiàn)為土培<水培<砂培<蛭石培。其中，在3葉期，土培條件下單株總分枝數(shù)與其它培養(yǎng)方式間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培條件下單株總分枝數(shù)分別較砂培、蛭石培和水培多135.50、165.17和63.50，其中水培下單株總分枝數(shù)與土培差值最小。土培與水培條件下單株總根長(zhǎng)、平均根直徑差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在4葉期，土培條件下的單株平均根直徑、總根分枝數(shù)與其它培養(yǎng)方式間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下單株總根長(zhǎng)、總根表面積和總根體積的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在5葉期，土培條件下的單株平均根直徑、總根分枝數(shù)與其它培養(yǎng)方式下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下單株總根長(zhǎng)、總根表面積和總根體積的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。綜合來(lái)看，土培條件下幼苗根系發(fā)達(dá)程度相較于其它培養(yǎng)條件最高，蛭石培最差。且水培條件下的小麥根系形態(tài)數(shù)量指標(biāo)與土培條件下的差異較小，在測(cè)定根系形態(tài)性狀上可以替代土培。

表1 不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗根系形態(tài)數(shù)量性狀的差異

2.2.2 幼苗根系生理活性的差異 由圖2可知，從3葉期到5葉期，水培條件下的幼苗根系活性、單株根系生理勢(shì)、根系總吸收面積和根系活躍吸收面積的增幅分別為71%、222%、132%和159%，相較于其它培養(yǎng)方式，水培條件下的根系活性總增幅最高。不同培養(yǎng)方式下，小麥幼苗不同階段(苗齡)的根系活性、單株根系生理勢(shì)、根系總吸收面積和根系活躍吸收面積均表現(xiàn)為土培>水培>砂培>蛭石培。其中，在3葉期，土培條件下的小麥根系活性、單株根系生理勢(shì)、根系總吸收面積和根系活躍吸收面積，與其它培養(yǎng)條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在4葉期，土培與水培條件下的根系活性和單株根系生理勢(shì)差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在5葉期，土培條件下根系活性、單株根系生理勢(shì)分別與沙培和蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下根系活性、單株根系生理勢(shì)和總吸收面積的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可知，小麥幼苗根系在土培條件下具有較高的生理活性，并且根系活性和單株根系生理勢(shì)在3個(gè)葉齡均顯著高于蛭石培條件下，水培條件下根系生理活性與土培最為相近，僅3葉期與水培條件下差異顯著。因此，在幼苗根系生理活性方面，水培條件下更接近于土培，蛭石培條件下根系生理活性最差。

2.2.3 幼苗根中氮、磷、鉀積累的差異 由表2可知，不同培養(yǎng)方式下，小麥幼苗不同階段(苗齡)的根中氮磷鉀含量和積累量均表現(xiàn)為土培和水培較高，砂培和蛭石培次之。其中，在3葉期，土培條件下的根中氮含量和積累量與其它培養(yǎng)方式下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下根中磷，鉀含量和積累量的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在4葉期，土培條件下根中氮，磷含量和氮，鉀積累量與其它培養(yǎng)條件下的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下根中鉀含量、磷積累量的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；在5葉期，土培條件下根中磷，鉀含量和積累量與其它培養(yǎng)方式間的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下根中氮含量、氮積累量的差異未達(dá)顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培條件下的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。綜上，土培條件下根中氮、磷、鉀含量和積累量在3個(gè)葉齡均顯著高于蛭石培條件下，僅在5葉期根中磷積累量顯著低于水培條件下。因此，小麥幼苗根系在土培條件下具有更強(qiáng)的養(yǎng)分吸收與利用的能力，水培條件下更接近于土培，蛭石培條件下根系養(yǎng)分吸收與利用能力最差。

3 討 論

小麥生理生態(tài)和遺傳育種研究實(shí)踐中，常需要進(jìn)行苗期觀察分析或進(jìn)行苗期鑒定。因此，選擇適宜且標(biāo)準(zhǔn)的培養(yǎng)條件，以培養(yǎng)出正常、健壯且接近于大田生產(chǎn)實(shí)際的幼苗，然后在此幼苗均勻一致且具有可比性的基礎(chǔ)上，實(shí)施試驗(yàn)處理，對(duì)于合理選用培養(yǎng)體系或正確理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果都具有重要意義。

鑒定幼苗和根系發(fā)育的指標(biāo)眾多，包含形態(tài)數(shù)量、出苗質(zhì)量、幼苗長(zhǎng)勢(shì)、植物激素含量、酶含量、生理活性和養(yǎng)分積累等等[1,6,23]。為了更好的量化幼苗和根系發(fā)育質(zhì)量，本研究從中選取株高、出葉速度、根系活性、吸收面積、生理勢(shì)和氮磷鉀積累量等主要指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，尤其將根系生理勢(shì)作為衡量根系生理活性的一個(gè)重要參考，能夠更準(zhǔn)確體現(xiàn)小麥幼苗的生長(zhǎng)狀態(tài)和單株根系的實(shí)際生理功能，使試驗(yàn)結(jié)果更全面，更具有代表性[20]。然而本試驗(yàn)還可以開(kāi)放性地選用更多關(guān)于小麥幼苗和根系發(fā)育的其它指標(biāo)，那么就能夠更全面的衡量幼苗質(zhì)量和根系發(fā)育，從而更清晰深入地比較不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗和根系發(fā)育的差異。

表2 不同培養(yǎng)條件下小麥幼苗根中氮磷鉀積累量的差異

對(duì)于幼苗培養(yǎng)條件的選擇，以往有研究認(rèn)為無(wú)土栽培優(yōu)于土壤栽培[3-5]。也有研究表明水培條件下的小麥幼苗株高、鮮重和根系活性相較于其它培養(yǎng)條件更高[1,6]，而本研究認(rèn)為土培條件下幼苗發(fā)育質(zhì)量、根系形態(tài)、根系生理活性和養(yǎng)分吸收利用相較其它幾種栽培基質(zhì)更高，其原因可能是作物生長(zhǎng)過(guò)程中變化復(fù)雜，土培接近于大田自然條件，能夠阻擋肥料溶液濃度和pH的脅迫，減輕或排除其對(duì)植物體的直接影響[3]，培養(yǎng)幼苗最為適宜，而其它培養(yǎng)條件缺少這種介質(zhì)的保護(hù)。普通小麥(TriticumaestivumL.)是陸生植物，一般認(rèn)為其在固體基質(zhì)培養(yǎng)下的生長(zhǎng)情況應(yīng)優(yōu)于液體條件培養(yǎng)[24]，本研究中水培條件下的小麥幼苗發(fā)育質(zhì)量、根系形態(tài)、根系生理活性和養(yǎng)分吸收利用均優(yōu)于砂培和蛭石培，其原因可能是不同基質(zhì)材料的保水力和透氣性差異大，且對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的化學(xué)性質(zhì)的影響是多種多樣的[3]。本研究水培以霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液為基底，其它固體基質(zhì)采用相同配方的營(yíng)養(yǎng)液按需澆灌，而未根據(jù)各種不同固體培養(yǎng)基質(zhì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的影響做出配方上的調(diào)整。不同培養(yǎng)基質(zhì)下配套營(yíng)養(yǎng)液的改進(jìn)，頗值得進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)中，幼苗在恒溫、恒定光照長(zhǎng)度，強(qiáng)度、恒定大氣相對(duì)濕度的培養(yǎng)環(huán)境中進(jìn)行萌發(fā)與培養(yǎng)，培養(yǎng)環(huán)境與大田自然栽培條件下存在出入，因此試驗(yàn)可根據(jù)黃淮海平原深秋時(shí)期小麥大田自然條件下的生長(zhǎng)環(huán)境和變化規(guī)律，進(jìn)一步研究設(shè)置不同的溫度、光照長(zhǎng)度、光照強(qiáng)度和大氣相對(duì)濕度等梯度，以此使幼苗培養(yǎng)環(huán)境接近于大田自然生長(zhǎng)下的氣候條件，進(jìn)而能增強(qiáng)不同培養(yǎng)方法之間的可比性，篩選出更適合當(dāng)?shù)卮筇锷L(zhǎng)狀況的室內(nèi)幼苗培養(yǎng)方式，使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確，更具有代表性。

4 結(jié) 論

在本研究所選定的4種小麥幼苗室內(nèi)培養(yǎng)方式中，土培條件下幼苗和根系發(fā)育質(zhì)量、根系生理活性和根中氮、磷、鉀積累均優(yōu)于其它培養(yǎng)條件。比較而言，水培最接近土培，兩者間幼苗質(zhì)量和根系發(fā)育等的差異未達(dá)顯著水平，因而在一定條件下水培可以替代土培；而蛭石培和砂培條件下的幼苗發(fā)育質(zhì)量則較差。綜合分析認(rèn)為，就小麥幼苗(根系)培養(yǎng)質(zhì)量、根系發(fā)育及生理功能等方面研判，在室內(nèi)培養(yǎng)研究實(shí)踐中，選用土培方式最為適宜，而水培次之。