不同小麥品種(系)莖稈顯微結(jié)構(gòu)、生化組分與莖稈強度的關(guān)系

賀 潔，孫少光，葛昌斌，宋丹陽，喬冀良，李鎖平，蘇亞蕊，廖平安

(1.河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475000；2.漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 漯河 462000)

小麥倒伏是制約小麥豐產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的主要因素之一。小麥倒伏的原因分為外部因素和內(nèi)部因素的影響：外部因素主要包括天氣的影響、肥料的使用、種植后的管理等；內(nèi)部因素包括品種自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)、理化特點等[1]。內(nèi)部因素是小麥抗倒育種的關(guān)鍵，研究發(fā)現(xiàn)，植株鮮質(zhì)量、重心高度和植株高度對倒伏均有重要的負影響，而莖稈強度則對倒伏有重要的正影響[2-4]。因此，育種學(xué)家主要采用2種策略展開小麥的抗倒育種：一是“矮稈育種”策略，該策略有效地減少了植株的倒伏，但過度矮化會導(dǎo)致小麥葉層過密，不利于植株進行光合作用，同時抗逆性差、易引起病蟲害，反而影響小麥質(zhì)量及產(chǎn)量[5]；二是“強稈育種”策略，即提高小麥莖稈的機械強度，該策略以實現(xiàn)抗倒伏與產(chǎn)量協(xié)同改良為目的，克服了傳統(tǒng)“矮稈育種”策略造成的產(chǎn)量下降的弊端，是抗倒伏育種關(guān)注的重點[6]。

谷物莖稈是一種典型的多相、篩狀、不連續(xù)、不均勻和各向異性的復(fù)合材料，其強度受到多方面因素的影響。在對水稻抗倒伏的研究中發(fā)現(xiàn)，較大的莖稈直徑可能有利于莖的整體強度[7]。然而，Kelbert等[8]在對13種不同春小麥的調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)莖稈直徑與抗倒伏之間顯著的相關(guān)性。在大麥的研究中則發(fā)現(xiàn)，莖直徑反而與莖稈強度呈負相關(guān)[9]。隨后，Wang等[10]發(fā)現(xiàn)，小麥莖有的外皮層或壁厚往往影響莖稈強度，指出莖稈強度和彈性與莖稈顯微結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。莖稈橫切面顯微結(jié)構(gòu)主要包括厚壁機械組織、小維管束、薄壁組織、大維管束，前2個一起構(gòu)成了莖稈的緊密層，后2個則構(gòu)成了稀疏層[11]。一般認為，緊密層的機械組織細胞及維管束特征可能與小麥莖稈強度存在著高度相關(guān)性[10]。同時一些研究也認為，薄壁組織正向影響莖稈力學(xué)特征，在小麥圓柱形強稈的塑造中具有積極作用[12]。但Wang 等[10]研究卻發(fā)現(xiàn)，薄壁組織的數(shù)量與莖的強度呈負相關(guān)。

纖維素和木質(zhì)素是構(gòu)成小麥莖稈的重要結(jié)構(gòu)性碳水化合物。其中纖維素是細胞壁的主要組成成分，形成了小麥莖稈的支撐骨架。而木質(zhì)素作為僅次于纖維素的第二大高分子聚合物填充于纖維素構(gòu)成的骨架之中，增強莖稈的硬度和支撐強度。因此，木質(zhì)素和纖維素的含量將會對莖稈強度有直接影響，從而影響到作物的抗倒伏能力。Shah等[13]研究指出，纖維素含量可增強莖稈機械強度；楊霞等[14]對六倍體小黑麥和普通小麥中國春的化學(xué)成分研究發(fā)現(xiàn)，小黑麥的纖維素含量高于中國春，小黑麥更抗倒伏。而人們對小麥莖稈中木質(zhì)素含量與莖稈強度的關(guān)系一直存在爭論。大多研究者認為，莖稈木質(zhì)素含量與小麥倒伏率呈顯著負相關(guān)[15]，但韓新峰[16]通過對232份小麥品種資源抗倒伏相關(guān)因素分析后發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量與莖稈強度相關(guān)性并不顯著。

綜上，關(guān)于小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)和生化組成及其與莖稈強度關(guān)系的研究有限且存在爭議。因此，本研究在廣泛調(diào)查了我國育成的主要小麥品種(系)的莖稈強度基礎(chǔ)上，進一步關(guān)注內(nèi)部因素中小麥的莖稈顯微結(jié)構(gòu)和生化組分，研究小麥莖稈的顯微結(jié)構(gòu)和木質(zhì)素、纖維素含量與小麥莖稈強度之間的關(guān)系，以探尋影響小麥莖稈強度的關(guān)鍵因素，為選育抗倒伏小麥品種(系)提供理論參考；同時，篩選出的莖稈特征優(yōu)異的小麥材料，可作為小麥“強稈育種”的重要遺傳資源。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與處理

選取72份我國推廣小麥品種、新育成品種(系)作為試驗材料。

于2019年10月20日分別種植于河南大學(xué)試驗田、河南省開封市王周莊試驗田，采取隨機區(qū)組設(shè)計，每個小麥種質(zhì)材料為1個小區(qū)，小區(qū)行長1.50 m，行距 0.25 m，共6行，每行播種50粒，2次重復(fù)。在此期間，對小麥進行常規(guī)大田管理，其生長發(fā)育的整個期間未出現(xiàn)嚴重病蟲害。分別于開花期(小麥材料所在小區(qū)50%植株第一朵花開放時期)、灌漿中后期(開花后20 d)隨機取典型植株3株，除去基部第2莖節(jié)的葉鞘，在其莖稈中部切取2 cm長的橫切環(huán)，放入FAA(甲醛-乙酸-乙醇)固定液中固定24 h以上，用于莖稈顯微結(jié)構(gòu)觀察備用。于小麥乳熟期(開花后30 d)，隨機取5株主莖的基部第2莖節(jié)秸稈，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，之后粉碎，過孔徑為0.50 mm的篩網(wǎng)，稱取大約0.5 g到5 mL EP管中，用于木質(zhì)素、纖維素含量測定。

1.2 小麥莖稈強度的聚類分析

分別在每一小麥品種(系)的開花期、灌漿期和乳熟期隨機取5株，采用莖稈強度檢測儀YY1-a(浙江托普儀器有限公司)測定莖稈基部第2莖節(jié)強度(Stem strength，SS)。并基于3個發(fā)育時期的莖稈強度數(shù)據(jù)，利用RStudio數(shù)據(jù)分析軟件，計算歐式距離，經(jīng)UPGMA法聚類分析，繪制材料間的聚類分析圖，根據(jù)小麥材料的莖稈強度遺傳差異進行分組。

1.3 小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)觀察

1.4 小麥莖稈木質(zhì)素、纖維素含量測定

利用粉碎的秸稈，使用Solarbio 生物技術(shù)公司的纖維素含量檢測試劑盒提取纖維素并計算纖維素含量；使用Solarbio 生物技術(shù)公司的木質(zhì)素含量檢測試劑盒，提取木質(zhì)素并計算木質(zhì)素含量。

1.5 小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)、生化指標的數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS Statistics 26對小麥開花期和灌漿期的莖稈顯微結(jié)構(gòu)，以及乳熟期的木質(zhì)素、纖維素含量進行遺傳變異分析；利用IBM SPSS Statistics 26進行顯微結(jié)構(gòu)、木質(zhì)素和纖維素含量與莖稈強度的相關(guān)性分析，了解小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)及主要生化組分對小麥莖稈強度的影響。利用IBM SPSS Statistics 26進行莖稈顯微結(jié)構(gòu)的主成分分析，計算各主成分的方差貢獻率，提取公因子，計算每個材料的因子評價值，并將各因子對應(yīng)的方差貢獻率比例作為權(quán)數(shù)計算得到綜合因子得分。將顯微結(jié)構(gòu)的綜合因子得分和木質(zhì)素、纖維素含量作為3種變量類型，利用RStudio數(shù)據(jù)分析軟件，計算歐式距離，經(jīng)UPGMA法聚類分析，繪制材料間的聚類分析圖，綜合評價各個小麥材料的顯微結(jié)構(gòu)和生化指標等莖稈強度相關(guān)性狀的表現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種(系)莖稈強度的聚類分析

本研究首先基于小麥開花期、灌漿期、乳熟期3個生育時期的莖稈強度進行72份小麥品種(系)的聚類分析(圖1)。所有小麥材料按莖稈強度可分為兩大類：一類由漯麥163、河開2號、竹子麥、濟南17、周麥27、丹麥128、周麥36、漯麥906、漯麥36、漯麥40和漯麥44 等11個小麥材料組成，其莖稈強度在3個生育時期表現(xiàn)最為優(yōu)秀，定義為高強度(High strength，H)組；另一大類由61份莖稈強度表現(xiàn)不佳的小麥材料組成，分為中等強度(Medium strength，M)組和低強度(Low strength，L)組。其中L組中，中國春、新麥26、天民298、新植716、百農(nóng)416、開麥26號、開抗2號、陜225、鄭麥37、開麥18號、開抗1號和鄭麥0943 等12個小麥材料莖稈強度相對較弱。

2.2 不同莖稈強度小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)差異

小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)是影響小麥莖稈強度的關(guān)鍵因素，為全面了解小麥莖稈在不同生育時期、不同莖稈強度下的顯微結(jié)構(gòu)狀況，對72個小麥材料進行開花期和灌漿期莖稈強度及顯微結(jié)構(gòu)遺傳變異分析(表1)。結(jié)果顯示，不同生育時期的莖稈強度出現(xiàn)了顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為開花期顯著高于灌漿期；而莖稈顯微結(jié)構(gòu)中的機械組織厚度也出現(xiàn)了顯著差異(P<0.05)，開花期顯著高于灌漿期；而其他莖稈顯微結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀在開花期和灌漿期均無顯著差異(P>0.05)。72份小麥材料的莖稈強度和小維管束數(shù)目及比例均具有較大的變異系數(shù)，表明小麥材料間的莖稈強度、小維管束數(shù)目及比例出現(xiàn)了較大的遺傳變異。

表1 不同生育時期小麥莖稈橫切面的顯微結(jié)構(gòu)比較Tab.1 Comparison of microstructure of stem cross section in different growth stages of wheat

針對莖稈強度聚類分析篩選出的H組和L組材料，將不同生育時期的顯微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)取平均值，比較2組材料顯微結(jié)構(gòu)的遺傳差異(表2)，結(jié)果顯示，2組間的薄壁組織厚度、機械組織厚度和大維管束面積的平均值均有顯著或極顯著差異(P<0.05或P<0.01)，表明較厚的薄壁組織厚度與機械組織厚度、較大的大維管束面積有利于增強小麥莖稈強度。

表2 不同莖稈強度分組下小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)比較Tab.2 Comparison of microstructure of wheat stem under different stem strength groups

圖1 72份小麥材料基于3個生育時期的莖稈強度的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 72 wheat varieties(lines)based on stem strength at three growth stages

2.3 小麥莖稈橫切面的顯微結(jié)構(gòu)與莖稈強度的相關(guān)性分析

莖稈顯微結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀與莖稈強度的相關(guān)性分析顯示(表3)，無論開花期還是灌漿期，機械組織厚度、大維管束面積與莖稈強度均有極顯著的相關(guān)性，再次印證了小麥莖稈的機械組織越厚、大維管束面積越大，其莖稈強度越強。如竹子麥、濟南17、漯麥163、天民304和蘭硬7莖稈強度較強的小麥材料均具有較厚的機械組織厚度(105.9～108.0 μm)和較大的大維管束面積(891.55×103～1 160.92×103μm2，而莖稈強度較弱的中國春、新麥26等的機械組織厚度(70.83～85.20 μm)和大維管束面積(704.29×103～852.13×103μm2)均相對較小(圖2)。

表3 小麥莖稈橫切面的顯微結(jié)構(gòu)與莖稈強度的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between microstructure of stem cross section and stem strength of wheat

A.濟南17；B.中國春；C.漯麥163；D.新麥26。a.機械組織；b.小維管束；c.大維管束；d.薄壁組織。A.Jinan 17；B.Chinese spring；C.Luomai 163；D.Xinmai 26.a.Mechanical tissue；b.Small vascular bundles；c.Large vascular bundles；d.Parenchyma.

2.4 小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)的主成分分析

基于72份小麥材料不同生育時期的顯微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)平均值進行莖稈顯微結(jié)構(gòu)的主成分分析，最終提取、保留3個公因子(特征值>1)(表4)，其累積方差貢獻值為81.880%。在第1公因子表達式中，大維管束面積的荷重最大，表明其為反映小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵指標；第2公因子表達式中，機械組織厚度具有最大的系數(shù)，其為反映小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)的另一關(guān)鍵指標；第3公因子表達式中，大維管束數(shù)目具有最大的系數(shù)，而且它與大維管束面積極顯著相關(guān)(P<0.01)。以上結(jié)果表明，大維管束面積和機械組織厚度從不同方面反映了群體的莖稈顯微結(jié)構(gòu)特點，是影響小麥抗倒性的關(guān)鍵性狀。根據(jù)公因子表達式計算因子得分，并將各公因子對應(yīng)的方差貢獻率比例作為權(quán)數(shù)計算綜合得分，用于后續(xù)不同小麥材料的聚類分析。

表4 小麥莖稈顯微結(jié)構(gòu)的主成分特征值及貢獻率Tab.4 Eigen value and variance contribution of principal components of microstructure of wheat stem

2.5 小麥莖稈木質(zhì)素和纖維素含量的遺傳差異

本研究測定了72份小麥材料的木質(zhì)素和纖維素含量，結(jié)果顯示，72份小麥材料的木質(zhì)素含量平均值為16.58%，標準差為2.44%，變異系數(shù)為15.0%，其中漯麥906、漯麥116、周麥36、漯麥47、漯麥50及硬粒小麥蘭硬7的木質(zhì)素含量在20%以上；所有材料的纖維素含量平均值為389.24 mg/g，標準差為77.35 mg/g，變異系數(shù)為20.0%，其中漯麥906、河開2號、濟南17、百農(nóng)419、鄭麥379、周麥27以及竹子麥的纖維素含量在500 mg/g以上。

將H組和L組材料的木質(zhì)素和纖維素含量進行差異分析，結(jié)果顯示，H組木質(zhì)素含量平均值為19.04%，遠大于L組木質(zhì)素含量(平均值為13.98%)，兩組差異極顯著(P<0.01)；H組纖維素含量平均值為471.48 mg/g，遠大于L組纖維素含量(平均值為346.13 mg/g)，兩組差異也達到極顯著水平(P<0.01)。

木質(zhì)素含量和纖維素含量與莖稈強度的相關(guān)分析顯示，木質(zhì)素含量與莖稈強度的相關(guān)系數(shù)為0.353，呈極顯著相關(guān)(P<0.01)；纖維素含量與莖稈強度的相關(guān)系數(shù)為0.390，也呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。以上結(jié)果均表明，木質(zhì)素和纖維素含量是影響小麥莖稈強度的重要因素。

2.6 基于小麥顯微結(jié)構(gòu)和生化指標的聚類分析

將顯微結(jié)構(gòu)的綜合因子得分和木質(zhì)素、纖維素含量作為3種變量類型進行72份材料的聚類分析(圖3)，結(jié)果顯示，所有材料分為Ⅰ、Ⅱ兩大類。其中，Ⅰ類由百農(nóng)419、漯麥163、鄭品麥24、矮抗58、周麥26、周麥32、周麥36、存麥8號、漯麥47、蘭硬7、丹麥128、漯麥3192、漯麥906、竹子麥、濟南17、鄭麥379、河開2號和周麥27 共18份小麥材料組成，該組材料在莖稈顯微結(jié)構(gòu)和生化指標方面表現(xiàn)突出，可作為今后強稈育種的重要親本資源。

圖3 72份小麥材料基于莖稈顯微結(jié)構(gòu)和生化指標的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of 72 wheat varieties(lines)based on microstructure and biochemical indexes of stem

3 結(jié)論與討論

倒伏是限制小麥高產(chǎn)的主要因素之一，可致使小麥減產(chǎn)7%～80%[17]。尤其在小麥灌漿期，出現(xiàn)大范圍的大風、降雨天氣，往往造成小麥嚴重倒伏，因此，抗倒伏小麥材料的開發(fā)與推廣顯得尤為重要[18-19]。多年來，人們通常采用導(dǎo)入半矮稈等位基因或使用植物生長調(diào)節(jié)劑等手段來降低植株的高度，從而減少倒伏[6]。而研究表明，小麥植株高度最小應(yīng)在0.7～1.0 m才能確保高產(chǎn)；且極端矮稈往往伴隨著葉密度更高、谷粒萎縮、過早成熟、對疾病的易感性增加等，因此，通過持續(xù)矮化改善小麥倒伏的效果是有限的[5，20]。同時，若莖強度較弱，倒伏仍可能出現(xiàn)在矮稈品種中[21]。因此，提高莖稈強度是實現(xiàn)小麥高產(chǎn)、抗倒育種的根本手段。

莖稈強度是一個復(fù)雜的特征，與莖的解剖特征密切相關(guān)。本研究綜合了小麥不同生育時期的莖稈強度進行72份小麥品種(系)的聚類分組，在此基礎(chǔ)上，進一步對這些小麥材料的莖稈顯微結(jié)構(gòu)如薄壁組織厚度、大維管束數(shù)目、小維管束數(shù)目、大維管束面積、小維管束比例、機械組織厚度和機械組織層數(shù)等性狀進行分析，通過不同生育時期莖稈強度及顯微結(jié)構(gòu)的比較、H組和L組材料顯微結(jié)構(gòu)的遺傳差異分析、莖稈顯微結(jié)構(gòu)與莖稈強度的相關(guān)分析及莖稈顯微結(jié)構(gòu)的主成分分析等多方面研究證明，機械組織厚度與大維管束面積是影響小麥莖稈強度的關(guān)鍵顯微結(jié)構(gòu)，這與Kong等[22]的考察結(jié)果基本一致。分析原因，可能是由于機械組織層中的木質(zhì)素和纖維素含量較高，同時維管束周圍的細胞富含木質(zhì)素和纖維素[11，23]。此外眾多研究者發(fā)現(xiàn)，在小麥、黑麥和燕麥等作物中，維管束數(shù)量的減少往往伴隨著莖稈倒伏的增加[13，15，24]。而本研究發(fā)現(xiàn)，大、小維管束數(shù)量和機械組織層數(shù)在不同莖稈強度小麥材料中并沒有明顯變化，且與莖稈強度無明顯相關(guān)性，這與Dunn等[9]在大麥中、Kong等[22]在小麥中的發(fā)現(xiàn)一致。結(jié)論不一致可能是因為整體大維管束面積對莖桿強度有積極影響，但不同研究的樣本基因型存在差異，有的是以維管束數(shù)量上的優(yōu)勢影響整體維管束面積，而有的主要以每個大維管束橫截面大小決定整體維管束面積。

小麥中的結(jié)構(gòu)性碳水化合物，如木質(zhì)素和纖維素，與植株的抗倒伏能力緊密相關(guān)[3，25-27]。許多研究表明，纖維素或木質(zhì)素的積累與水稻、小麥、蕎麥等莖的機械強度有顯著的相關(guān)性，倒伏敏感品種莖稈木質(zhì)素和纖維素的積累量相對較低[3，28-29]。但Kong等[22]指出，倒伏與木質(zhì)素和纖維素含量無顯著相關(guān)性，但實稈材料的木質(zhì)素和纖維素含量卻明顯較高。本研究測定了72份小麥品種(系)的纖維素和木質(zhì)素含量，結(jié)果顯示，H組的纖維素和木質(zhì)素含量均高于L組，且相關(guān)分析顯示，莖稈纖維素和木質(zhì)素含量與莖稈強度顯著相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)較小，分別為0.390和0.353，表明纖維素和木質(zhì)素是決定莖稈強度的關(guān)鍵因素，但相關(guān)程度不高。有關(guān)莖稈化學(xué)組分與莖稈強度關(guān)系的研究結(jié)論不一致，可能是由試驗者所選取的樣本遺傳差異或樣本量差異造成的。

莖稈倒伏抗性密切依賴于基因型，不同的小麥材料其莖稈強度存在較大的遺傳變異[17]。由于小麥莖稈機械組織厚度和大維管束面積等顯微結(jié)構(gòu)及木質(zhì)素、纖維素等化學(xué)組分含量是影響小麥莖稈強度的關(guān)鍵，因此育種過程中，可選擇具備此類優(yōu)異莖稈特征的小麥材料作為親本，引入優(yōu)勢基因型，從而優(yōu)化高產(chǎn)小麥的相關(guān)特性[17]。本研究調(diào)查了72份小麥品種(系)的莖稈顯微結(jié)構(gòu)，利用主成分分析法計算得到衡量每個小麥材料顯微結(jié)構(gòu)的綜合因子得分，將其與木質(zhì)素含量、纖維素含量2個變量一起進行聚類分析，綜合評價了不同材料在小麥莖稈強度相關(guān)性狀表現(xiàn)上的優(yōu)勢程度，篩選出的18份小麥材料可作為小麥“強稈育種”的重要遺傳資源。