青稞莖稈形態(tài)特性與抗倒伏性的關(guān)系

次旦卓嘎，趙愛宣，劉倩倩，卓 嘎

（1.西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏自治區(qū)日喀則市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，西藏 日喀則 857000）

倒伏是禾谷類作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素之一，它是由風(fēng)、雨等自然因素與作物莖稈、根系特性等自身因素相互作用所引發(fā)的使植株莖稈從自然直立狀態(tài)到永久錯位的現(xiàn)象。青稞（Hordeum vulgareL.var.nudumHook.f）屬禾本科大麥屬［1］，因其根系淺、莖稈薄軟、較一般麥類作物更易倒伏［2］，導(dǎo)致其嚴(yán)重減產(chǎn)、子粒和飼草品質(zhì)顯著降低，不利于機械化收獲［3］。國內(nèi)外針對禾本科作物植株形態(tài)與抗倒伏性已展開了許多研究，水稻抗倒性強弱的10%～30%與莖稈機械組織的強度、莖稈的韌性以及地上各節(jié)間的長度密切相關(guān)，有效縮短主莖基部第1、2節(jié)間長度、降低穗位，可使水稻植株的抗倒伏能力得到加強［4］。在小麥中，基部節(jié)間機械組織不發(fā)達(dá)或基部第1、2節(jié)間伸長變細(xì)，會影響其對地上植株的支撐［5］。針對青稞莖稈形態(tài)特性研究發(fā)現(xiàn)，青稞基部節(jié)間越短、穗下節(jié)間越長，其抗倒伏能力就越強，青稞抗倒伏能力與基部第2～4節(jié)顯著相關(guān)，莖稈解剖結(jié)構(gòu)中維管束數(shù)量越多，面積越大，抗倒伏能力就越強，莖稈的機械組織越厚，細(xì)胞層數(shù)越多，抗倒伏能力就越強［6-10］。

自20世紀(jì)90年以來，對抗倒伏的研究熱點逐漸從不同作物倒伏原因及其相關(guān)預(yù)防措施研究等定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锴o稈的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、力學(xué)、分子標(biāo)記等方面的定量分析。利用品種抗性開展抗倒伏育種是解決青稞倒伏問題最經(jīng)濟、最有效的途徑，具有優(yōu)異抗倒性的育種材料就成為關(guān)鍵，這些材料需要從大量的種質(zhì)資源中挖掘。在中國青藏高原地區(qū)，青稞種質(zhì)資源的遺傳多樣性豐富，但關(guān)于青稞種質(zhì)資源抗倒伏性鑒定、評價與利用方面的研究報道相對較少。本研究利用前期構(gòu)建的青稞微核心種質(zhì)資源，結(jié)合青稞莖稈形態(tài)、機械強度、解剖結(jié)構(gòu)等性狀，明晰青稞抗倒伏的相關(guān)性狀并確立客觀、科學(xué)的評價指標(biāo)，為青稞抗倒伏育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年10月28日至2020年6月29日在西藏農(nóng)牧學(xué) 院實習(xí)農(nóng)場（N29°40′17.41″，E94°20′28.64″）進(jìn)行，該試驗地土壤為沙壤土，耕層較淺，地勢平坦，肥力中等，有灌溉條件。根據(jù)基因型、地理來源、表型和重要農(nóng)藝性狀，從來源西藏所有生態(tài)區(qū)的1 700份青稞資源中篩選和構(gòu)建了包含367份材料的青稞核心種質(zhì)資源為試驗材料，其中有267份農(nóng)家種質(zhì)資源，100份育成品種。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，每份材料種植1行，行長1 m，行距0.25 m，每行種植20粒，走道0.5 m，播種深度為0.05 m，點播，重復(fù)3次，在試驗地外圍設(shè)保護(hù)行，田間栽培管理按一般青稞栽培管理方式進(jìn)行。

1.2.2 測量方法莖稈基部第2節(jié)抗折力的測定：灌漿后期選取長勢均勻一致的植株，每份材料選取5株。利用植物莖稈強度測定儀（YYD-1），取主莖莖稈基部第2節(jié)，去葉鞘，將節(jié)間水平放置在兩支點距離為5 cm的凹槽內(nèi)，在其中部施力使其折斷，折斷時所測得的數(shù)據(jù)作為該材料基部第2節(jié)間的莖稈抗折力強度，單位為N。莖稈基部第2節(jié)解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo)及測定：青稞灌漿后期，每份材料選取3株長勢均勻一致的主莖。在莖基部第二節(jié)間中部取0.5～1.0 cm，用FAA溶液（50%乙醇溶液84 mL，甘油6 mL，甲醛10 mL）固定。參照姜鵬［11］、鄭孟靜［12］的制作方法，制成石蠟切片，均放置在40倍Nikon HQimage C310顯微鏡下觀察并拍照，并用HQimage圖像處理軟件，固定150μm焦距，統(tǒng)計并測量其內(nèi)部大小維管束面積、表皮厚度、厚壁組織厚度、薄壁組織厚度及機械組織厚度等。

1.3 統(tǒng)計分析

運用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總、計算，利用ICIM QTLIcimapping進(jìn)行相關(guān)性分析。以參試材料基部第2節(jié)間抗折力（X）為抗倒伏性的評價依據(jù)，計算抗折力的平均值（μ）和標(biāo)準(zhǔn)差（σ），根據(jù)這些指標(biāo)將供試材料分為5個等級，分別如下。

弱：Ⅰ（X＜μ-1.5σ）；

較弱：Ⅱ（μ-1.5σ＜X＜μ-0.5σ）；

中等：Ⅲ（μ-0.5σ＜X＜μ+0.5σ）；

較強：Ⅳ（μ+0.5σ＜X＜μ+1.5σ）；

強：Ⅴ（X＞μ+1.5σ）

計算每一級相對頻率Pi，得到多樣性指數(shù)。計算公式如下。

式中，n為供試材料份數(shù)，Pi為某性狀第i級別材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞種質(zhì)資源基部第2節(jié)間抗折力等級劃分

367份青稞資源的基部第2節(jié)間抗折力等級分布如圖1所示。由圖1可知，在所有參試材料中，抗折力弱（Ⅰ）的有59份，占16.07%，較弱（Ⅱ）的有73份，占19.89%，中等（Ⅲ）的有133份，占36.24%，較強（Ⅳ）的有44份，占11.99%，強（Ⅴ）的有58份，占15.8%。進(jìn)一步對農(nóng)家品種和育成品種分類發(fā)現(xiàn)，農(nóng)家和育成品種抗折力弱（Ⅰ）的分別有41、12份，較弱（Ⅱ）的品種分別有59、24份，中等（Ⅲ）的品種分別有99、40份，較強（Ⅳ）的品種分別有23、9份，強（Ⅴ）的品種分別有45、15份，各個抗折力等級的品種在農(nóng)家品種和育成品種所占比例一致（圖2、圖3）。這表明，農(nóng)家品種和育成品種在抗倒伏遺傳分布表現(xiàn)一致，在育種過程中抗倒伏特性沒有得到重視。

圖1 367份青稞核心種質(zhì)資源抗折力等級分布

圖2 267份青稞農(nóng)家品種抗折力等級分布

圖3 100份青稞育成品種抗折力等級分布

2.2 不同類型青稞莖桿基部第2節(jié)間抗折力

對367份青稞基部第2節(jié)間抗折力研究發(fā)現(xiàn)，抗折力最強和最弱的品種均為農(nóng)家品種，分別為黑青稞（62.27 N）和白青稞（5.13 N）；區(qū)內(nèi)育成品種抗折力最強和最弱的分別為藏青85（45.17 N）和高原早一號（6.15 N），其他藏區(qū)育成品種抗折力最強和最弱的分別為昆侖14號（58.77 N）和北青2號（8.17 N）。由表1可知，在3種品種類型中，農(nóng)家品種的抗折力最大，變異系數(shù)最小，這表明農(nóng)家品種抗折力遺傳更穩(wěn)定，有利于培育抗倒伏品種。

表1 不同類型青稞莖稈基部第2節(jié)間抗折力

2.3 青稞種質(zhì)資源莖稈外部性狀與基部第2節(jié)間抗折力的相關(guān)性

由表2可知，基部第2節(jié)間抗折力與株高（0.658**）、重心高（0.578**）、穗長（0.543**）均呈極顯著正相關(guān)，這表明隨著青稞株高、重心高、穗長的增加，其抗折力就越強，抗倒性越強。

表2 青稞種質(zhì)資源莖稈長度與基部第2節(jié)抗折力相關(guān)分析

由表3可知，基部第2節(jié)間抗折力與基部第1、2、3節(jié)的節(jié)間粗、充實度均呈極顯著正相關(guān)，這表明隨著青稞基部第1、2、3節(jié)間粗和充實度的增加，其抗折力也會增強，抗倒伏能力越強?；康?節(jié)間抗折力與基部第2節(jié)間粗和充實度相關(guān)性最強，相關(guān)系數(shù)分別為0.923、0.929，這表明基部第2節(jié)間粗和充實度是影響青稞抗倒伏的關(guān)鍵因素。

表3 青稞種質(zhì)資源基部第2節(jié)間抗折力與基部莖稈節(jié)間粗、充實度相關(guān)分析

2.4 青稞種質(zhì)資源莖稈基部第2節(jié)間顯微結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步探究基部第2節(jié)間抗倒性強的原因，研究了莖稈內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)與抗折力的關(guān)系。對品種的大、小維管束面積、表皮、厚壁組織、薄壁組織、機械組織厚度等6個顯微結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行測量分析。由表4可以看出，農(nóng)家品種大維管束面積和厚壁組織變異系數(shù)比育成品種低，小維管束面積、表皮厚度、薄壁組織厚度、機械組織厚度變異系數(shù)比育成品種高。由表5可知，農(nóng)家品種的抗折力與機械組織厚度（0.634 8**）呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），與大維管束面積（0.505 4*）、小維管束面積（0.359 8*）、厚壁組織厚度（0.307 4*）呈顯著相關(guān)（P＜0.05），育成品種的抗折力與機械組織厚度（0.645 2**）、大維管束面積（0.613 7**）呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），與小維管束面積（0.304 4*）、厚壁組織厚度（0.334 4*）呈顯著相關(guān)（P＜0.05），這表明青稞維管束面積越大、厚壁組織和機械組織厚度越厚，莖稈機械強度就越高，其抗倒伏能力就越強。

表4 青稞種質(zhì)資源莖稈內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)分析

表5 青稞種質(zhì)資源內(nèi)部形態(tài)指標(biāo)和抗折力相關(guān)性分析

由圖4可以看出，抗折力強的黑青稞、昆侖14品種與抗折力弱的白青稞、加俊馬相比，其機械組織厚度明顯更厚。同時，抗折力強的喜馬拉14、扎西宗紫比抗折力弱的尼嘎、對芒蘭青稞維管束面積更大。此外，從田間的長勢可明顯地觀察出不同抗折力強度的品種的區(qū)別，抗折力強的黑青稞莖稈粗、直立不松散，抗折力弱的白青稞莖稈細(xì)、半彎松散，由此也同樣證明了維管束面積和機械組織厚度對抗折力的正向作用。

圖4 青稞基部第2節(jié)間抗折力內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)（觀察所采用倍率均為40倍）

3 小結(jié)與討論

本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)家品種作為西藏青稞重要的種質(zhì)資源，在抗倒伏方面與育成品種既有共性，又有其獨特性，農(nóng)家與育成品種均為中等抗倒性品種最多，抗倒性強的品種都具備大維管束面積、小維管束面積大、厚壁組織和機械組織厚度較厚的特點，其中大維管束面積、機械組織厚度與抗折力均有較強的相關(guān)性，這些結(jié)構(gòu)特性有待進(jìn)一步挖掘。

本研究以青稞莖稈基部第2節(jié)間的抗折力作為抗倒性的評價指標(biāo)，對青稞種質(zhì)資源外部形態(tài)特性、內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)特性與抗折力進(jìn)行相關(guān)分析，并基于以上分析對青稞資源進(jìn)行抗倒伏性評價。材料選取覆蓋了西藏所有生態(tài)區(qū)，具有代表性，結(jié)果初步明確了青稞種質(zhì)資源基部第2節(jié)間抗折力對抗倒伏品種評價與篩選具有重要意義，農(nóng)家各個品種間的抗折力各有不同，存在較大差異，可以從中挑選抗折力較大且適合西藏氣候的優(yōu)質(zhì)青稞種質(zhì)作為將來青稞抗倒伏性遺傳改良的優(yōu)異親本。本研究的結(jié)果僅基于1年的分析數(shù)據(jù)，在今后青稞種質(zhì)資源研究中，需進(jìn)一步增加資源鑒定地點，并開展多點、多年鑒定，為青稞種質(zhì)資源的利用和抗倒伏性研究奠定基礎(chǔ)。