小麥粒重與幼苗根系生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)系

馬秀云,趙 鵬,程明珠,許盛寶,王曉明

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院,陜西楊凌 712100)

小麥(TriticumaestivumL.)作為主要糧食作物之一,在全世界范圍內(nèi)廣泛種植。小麥根系是重要的營(yíng)養(yǎng)器官,在維持小麥地上部分結(jié)構(gòu)、吸收土壤中水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的同時(shí),還承擔(dān)著合成代謝有機(jī)物、地上與地下物質(zhì)信息交換的功能,因此良好的根系對(duì)于小麥地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育以及最終產(chǎn)量形成具有重要意義[1-2]。

種子是植物發(fā)育的起始基礎(chǔ),也是幼苗形態(tài)建成的關(guān)鍵。千粒重作為小麥產(chǎn)量構(gòu)成的三要素之一,具有相對(duì)穩(wěn)定的表型特征,可以在一定程度上反映種子中貯存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的多少。研究表明,大粒種子在種子活力[3-6]、幼苗鮮重和干重[7-9]、幼苗根長(zhǎng)和根數(shù)[10-13]、幼苗長(zhǎng)勢(shì)[14-19]等方面相比于小粒種子存在一定優(yōu)勢(shì)。因此,粒重大小與小麥幼苗形態(tài)建成密切相關(guān)。但是,先前的研究大都集中于粒重對(duì)小麥出苗時(shí)間、出苗率和幼苗長(zhǎng)勢(shì)等地上部性狀的影響,關(guān)于粒重對(duì)小麥幼苗根系發(fā)育影響的研究還較少。隨著種子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,小麥幼苗根系發(fā)育何時(shí)受到影響,影響程度有多大,需要進(jìn)一步研究。本研究根據(jù)千粒重將60個(gè)小麥品種分為三類(lèi),分析粒重對(duì)小麥幼苗根系生長(zhǎng)發(fā)育的影響,以期為小麥高產(chǎn)栽培和大粒品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種包括西風(fēng)、紅芒蚰子麥、三元麥、疙縐麥、坨坨麥、鯽魚(yú)麥、三月黃、胡須麥、蘭溪早小麥、Krac66、紅袖子、白蒲、禿芒麥、Indexa、Hamedan1、Duiker、四方麥、土麥、康定小麥、無(wú)須麥、魚(yú)鰍麥、和蒲頭、Safha3、Fredrick、Carpo、白花麥、Acimital、Glenlea、美原278、中國(guó)春、綿麥46、鄭麥9023、鄭引1號(hào)、CENTAURD、PRIMOASI、陜354、揚(yáng)麥16、科遺26、淮麥20、西農(nóng)88、山農(nóng)15、晉麥31、鎮(zhèn)麥5號(hào)、Claudia、陜旱8675、揚(yáng)麥17、Knteh、濰麥8號(hào)、揚(yáng)麥11、綿麥40、Saet、碧螞4號(hào)、隴春8號(hào)、Napo 63、H114、Filin、豐產(chǎn)1號(hào)、PADUS、SAGITTARIO、印度313,共60份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每份供試小麥材料選取飽滿(mǎn)且大小均勻一致的種子120粒。將種子分別裝入15 mL離心管,注入無(wú)菌蒸餾水常溫浸泡6 h。浸泡過(guò)后倒出蒸餾水,用消毒液對(duì)種子表面消毒10 min,再用蒸餾水沖洗干凈,注入1 mL無(wú)菌蒸餾水于 4 ℃低溫處理2 d,使種子露白時(shí)間基本保持一致。繼而移入鋪有濾紙的發(fā)芽盒(12 cm×12 cm×5 cm)中,注入5 mL無(wú)菌蒸餾水用保鮮膜封口,并留有4～5個(gè)小孔以通氣。將置入發(fā)芽盒的種子放于培養(yǎng)箱培養(yǎng)14 d(光照條件下24 ℃,黑暗條件下20 ℃;濕度50%;光照強(qiáng)度2 000 lx;光照16 h,黑暗8 h),培養(yǎng)期間定期補(bǔ)充無(wú)菌蒸餾水,保證濾紙?zhí)幱跐駶?rùn)狀態(tài)。每份供試材料6個(gè)重復(fù)。

1.3 根系表型測(cè)定

在培養(yǎng)的第4、7和14天,每個(gè)重復(fù)選取代表性幼苗6株,用直尺測(cè)量主根長(zhǎng)(根和莖分隔處到主根最遠(yuǎn)點(diǎn)的長(zhǎng)度);再將其初生根剪下,放入萬(wàn)深LA-S植物根系掃描儀中掃描,并通過(guò)萬(wàn)深LA-S根系分析系統(tǒng)(V.2.6.4.4)分析測(cè)定總根長(zhǎng)、根表面積和根體積;最后將初生根表面水分擦干,稱(chēng)鮮重。

1.4 根尖分生區(qū)觀察

采用趙佳男[21]構(gòu)建的基于共聚焦顯微鏡(LSCM來(lái)自O(shè)lympus公司,型號(hào)為IX83-FV1200)的方法,在幼苗培養(yǎng)14 d后,取主根根尖部位0.5 cm進(jìn)行分生區(qū)細(xì)胞學(xué)觀察。按照固定-脫水-透明的步驟處理樣品并制片,利用LSCM進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)觀察。分生區(qū)靠近伸長(zhǎng)區(qū)的區(qū)域,以首個(gè)由扁形過(guò)渡為方形的細(xì)胞作為根尖分生區(qū)上邊界,其寬度定為分生區(qū)寬度,并將其距分生區(qū)頂端穹窿形結(jié)構(gòu)的距離定義為分生區(qū)長(zhǎng)度。

1.5 供試材料粒重聚類(lèi)

每個(gè)供試品種選取飽滿(mǎn)、均勻一致的種子若干,散布于測(cè)樣盤(pán)中,利用SC-G考種儀(萬(wàn)深公司,中國(guó))自動(dòng)測(cè)量千粒重,重復(fù)三次,取平均值。再根據(jù)千粒重?cái)?shù)據(jù),對(duì)60個(gè)小麥材料進(jìn)行聚類(lèi)分析,在歐氏距離為60處將供試材料分為三種不同的粒重類(lèi)型(圖1)。其中,第Ⅰ類(lèi)為小粒重類(lèi)型,包含20份材料;第Ⅱ類(lèi)為中粒重類(lèi)型,包含29份材料;第Ⅲ類(lèi)為大粒重類(lèi)型,包括11份材料。三種類(lèi)型材料的千粒重存在顯著差異。

圖1 聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.1 Results of cluster analysis

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用Origin(2019b)、Graphpad Prism 9和Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、制圖及相關(guān)分析。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行One-Way ANOVA方差分析,利用LSD檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較,確定各因子之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥萌發(fā)第4天根系性狀特點(diǎn)

供試材料種子萌發(fā)第4天的主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)和根鮮重均呈現(xiàn)正態(tài)分布(圖2A)。其中,主根長(zhǎng)平均為4.78 cm,變異系數(shù)為19.8%;總根長(zhǎng)平均為13.82 cm,變異系數(shù)為23.3%;根鮮重平均為0.032 g,變異系數(shù)為27.08%。不同粒重類(lèi)型間主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)和根鮮重均無(wú)顯著差異(圖2B),說(shuō)明粒重對(duì)小麥種子萌發(fā)第4天的根系沒(méi)有顯著影響。

A:萌發(fā)第4天根系表型分布 B:不同粒重類(lèi)型萌發(fā)第4天根系表型的比較,不同小寫(xiě)字母表示不同粒重類(lèi)型間差異顯著(P<0.05)。SS:小粒;MS:中粒;BS:大粒。下圖同。A:The distribution of root related traits on the fourth day after germination. B:Comparison of root related traits among the three kernel-weight groups on the fourth day after germination. The different letters above bars represent significance at 0.05 level.SS:Small seed;MS:Medium seed;BS:Big seed.The same in figures 3-5.圖2 小麥種子萌發(fā)第4天根系表型分析Fig.2 Analysis of root related traits on the fourth day after germination of wheat seed

2.2 小麥萌發(fā)第7天根系性狀特點(diǎn)

供試材料種子萌發(fā)第7天的主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根鮮重、根體積和根表面積均呈正態(tài)分布(圖3A)。其中,主根長(zhǎng)平均為8.71 cm,變異系數(shù)為 17.4%;總根長(zhǎng)平均為27.67 cm,變異系數(shù)為 25.39%;根鮮重平均為0.048 g,變異系數(shù)為 27.25%;根表面積平均為3.47 cm2,變異系數(shù)為 27.47%;根體積平均為0.036 cm3,變異系數(shù)為34.79%。主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根鮮重雖然均表現(xiàn)為大粒重類(lèi)型>中粒重類(lèi)型>小粒重類(lèi)型,但不同粒重類(lèi)型間各性狀的差異均不顯著(圖3B),說(shuō)明粒重對(duì)小麥種子萌發(fā)第7天的根系生長(zhǎng)發(fā)育依然沒(méi)有顯著影響。

A:萌發(fā)第7天根系表型分布 B:不同粒重類(lèi)型萌發(fā)第7天根系表型的比較。A:The distribution of root related trait on the seventh day after germination. B:Comparison of root related traits among the three kernel-weight groups on the seventh day after germination.圖3 小麥種子萌發(fā)第7天根系表型分析Fig.3 Analysis of root related traits on the seventh day after germination of wheat seed

2.3 小麥萌發(fā)第14天根系性狀特點(diǎn)

供試材料種子萌發(fā)第14天的主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根鮮重、根體積和根表面積均呈現(xiàn)正態(tài)分布(圖4A)。其中,主根長(zhǎng)平均為20.45 cm,變異系數(shù)為8.3%;總根長(zhǎng)平均為65 cm,變異系數(shù)為14.57%;根鮮重平均為0.084 g,變異系數(shù)為 16.22%;根表面積平均為6.63 cm2,變異系數(shù)為 14.76%;根體積平均為0.056 cm3,變異系數(shù)為 17.42%?？偢L(zhǎng)、根表面積、根體積和根鮮重均表現(xiàn)為大粒類(lèi)型>中粒類(lèi)型>小粒類(lèi)型,且不同粒重類(lèi)型間差異顯著;不同粒重類(lèi)型間主根長(zhǎng)差異均不顯著(圖4B)。粒重對(duì)小麥種子萌發(fā)第14天的根系生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的影響,但不同性狀受到的影響程度不同。

A:萌發(fā)第14天根系表型分布 B:不同粒重類(lèi)型萌發(fā)第14天根系表型的比較。A:The distribution of root related trait on the 14th day after germination. B:Comparison of root related traits among the three kernel-weight groups on the 14th day after germination.圖4 小麥種子萌發(fā)第14天根系表型分析Fig.4 Analysis of root related traits on the 14th day after germination of wheat seed

2.4 幼苗根系分生區(qū)特點(diǎn)

供試材料分生區(qū)長(zhǎng)度與寬度均呈正態(tài)分布(圖5A)。其中,分生區(qū)長(zhǎng)度平均為799.68 μm,變異系數(shù)為14%;分生區(qū)寬度平均為407.60 μm,變異系數(shù)為6.34%。分生區(qū)長(zhǎng)度和寬度均表現(xiàn)為大粒重類(lèi)型>中粒重類(lèi)型>小粒重類(lèi)型,但三種粒重類(lèi)型間差異均不顯著(圖5B),說(shuō)明粒重對(duì)種子萌發(fā)第14天的幼苗根系分生區(qū)長(zhǎng)度和寬度都沒(méi)有明顯的影響。

A:分生區(qū)表型分布 B:不同類(lèi)型分生區(qū)表型的比較。A:The distribution of meristem zone traits B:Comparison of meristems zone traits among the three kernel-weight groups.圖5 小麥幼苗根尖分生區(qū)表型Fig.5 Meristem traits of wheat seedling root tip

2.5 千粒重與幼苗根系性狀的線性關(guān)系

將供試材料苗期的小麥主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根鮮重以及分生區(qū)長(zhǎng)度和寬度分別與其千粒重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析。結(jié)果(圖6)顯示,種子萌發(fā)第14天的幼苗主根長(zhǎng)、分生區(qū)長(zhǎng)度和寬度與千粒重的線性關(guān)系未達(dá)到顯著水平,而總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根鮮重與千粒重間均存在顯著的正向線性關(guān)系,千粒重分別可以解釋總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根鮮重20.58%、21.78%、20.09%和20.4%的表型變異,進(jìn)一步說(shuō)明粒重的增加對(duì)小麥幼苗根系生長(zhǎng)發(fā)育具有一定的促進(jìn)作用。

圖6 小麥千粒重與根系表型線性回歸結(jié)果Fig.6 Linear regression result of thousand kernel weight and root related traits of wheat

3 討 論

根系是小麥吸收水分和土壤礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的主要器官,發(fā)達(dá)的根系能夠顯著增強(qiáng)植物的抗旱性,提高水肥利用效率[20,22-24]。小麥苗期根系形態(tài)可有效指示成株期的根系分布特點(diǎn)[25-26],也與小麥抗逆性和產(chǎn)量密切相關(guān)[27]。因?yàn)樾←湼翟诖筇镏惺芡寥拉h(huán)境影響很大,因而本研究采用水培法,其結(jié)果誤差小、損傷小且操作簡(jiǎn)便,結(jié)合根系掃描分析,可對(duì)小麥苗期根系進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)。

種子大小對(duì)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、根系發(fā)育等方面都有一定的影響,粒重較大的種子幼苗長(zhǎng)勢(shì)較好[28-30]。千粒重是判斷種子大小的重要指標(biāo)之一,是影響小麥幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。對(duì)小麥不同穗部位的種子活力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),粒重會(huì)影響幼苗發(fā)育,但無(wú)明顯規(guī)律可循[31]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,小麥不同粒重類(lèi)型間種子萌發(fā)第4和第7天的幼苗根系都沒(méi)有顯著差異,而種子萌發(fā)第14天的幼苗總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根鮮重均表現(xiàn)為大粒重類(lèi)型顯著高于中粒重和小粒重類(lèi)型,而主根長(zhǎng)、分生區(qū)長(zhǎng)度、分生區(qū)寬度在粒重類(lèi)型間均無(wú)顯著差異。由此也可以看出,不同粒重類(lèi)型之間小麥根系生長(zhǎng)發(fā)育的差異在種子發(fā)芽初期表現(xiàn)不明顯,但隨著植株的生長(zhǎng),根系的總根長(zhǎng)、根體積、根表面積都在增大,這種差異逐漸明顯,可能是因?yàn)榇罅Ｖ仡?lèi)型小麥的種子粒重大,種子胚乳內(nèi)含物較多,能為幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育提供相對(duì)充足的營(yíng)養(yǎng)支持。另外,從線性回歸結(jié)果看,千粒重和根系一些性狀間存在顯著的相關(guān)性,說(shuō)明兩者間可能存在共同的遺傳因素調(diào)控[9,32]。值得注意的是,不同根系性狀受到粒重影響的程度不同,且只能解釋20%左右的根系表型變異,但由于試驗(yàn)條件所限,只對(duì)不同粒重類(lèi)型小麥幼苗初期的根系表型進(jìn)行了比較,關(guān)于粒重是否對(duì)小麥根系的后期發(fā)育存在影響,還需進(jìn)一步的研究。這些結(jié)果是否在幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的其他時(shí)期能夠表現(xiàn)出來(lái)有待進(jìn)一步分析。