谷子水培體系的構建與應用

郭永正，宋萬琪，楊致榮

（山西農業大學文理學院，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勢，并且有其獨特的營養價值[2]，是我國的主要農作物，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值[4]。谷子種質資源是一種豐富且蘊藏著各種性狀遺傳基因的重要自然資源，在漫長的歷史進化過程中由自然演化和人工創制而形成[5]。但是，由于谷子只是區域重要性作物[6]，與小麥和玉米的品種數量相比，谷子品種仍存在較大差距。為了加快谷子優質種質資源的篩選進程，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]。在對植物的營養特性做研究時，土培法是一種最為理想也是最為可靠的方法[8]，其優點在于土壤是作物生長的介質，是篩選耐受性作物最直接、最有效的方法，但其缺點則是不利于精確控制營養元素的濃度以及對根系進行觀察[9]。水培法是目前使用最多的篩選方法之一，其最大的優點是可以對培養作物的介質進行準確而有效的控制，能快速有效地對某些需研究的特性相關基因進行篩選，也可以對培養條件進行準確無誤地重復，同時可以很方便地對植物的根部性狀進行有效的分析[9]。而砂培法是一種介于土培法和水培法之間的培養方法，同時包含了以上2種方法的特點。

本研究選用豫谷1號為試驗材料，在氣候室中對其進行水培，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，從而為谷子優良種質資源的篩選及其他方面的研究提供可靠的基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試谷子品種為豫谷1號，由山西農業大學雜糧分子育種團隊提供。

1.2 試驗設計

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，篩選出種子萌發的最適溫度和濕度。然后將發芽好的種子移至不同的光照強度（15 000，30 000，45 000 lx）下，觀察生長情況得出最適的光照強度。最后在溫度、濕度、光照強度最適的條件下，挑選長勢一致的幼苗，移至不同氮、磷、鉀濃度的培養液（3種缺素營養液配方如表1所示，分別在缺氮營養液的基礎上，用NH4NO3調控氮的濃度為 0.2，0.5，2.0，5.0 mmol/L，在缺磷營養液的基礎上，用KH2PO3調控磷的濃度為0.000 4，0.004，0.007，0.018，0.037 mmol/L，在缺鉀營養液的基礎上，用KNO3調控鉀的濃度為0，0.2，0.5，2.5，5.0 mmol/L）中，在移苗后設置地下部分是否避光（對照組植株根部以下避光，試驗組植株根部以下不避光）和不同的通氣時間（對照組每天8 h，試驗組通氣時間分別為 24，4，8 h），觀察，21 d 后取樣測定相應指標。

表1 營養液配方

1.3 測定指標及方法

不同生長條件及不同氮、磷、鉀水平處理21 d后，每個處理取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量與干質量、苗的鮮質量與干質量，采用葉綠素測量儀（SPAD-502 Plus）測定葉綠素含量。

1.4 數據處理

試驗采用Excel進行基本描述性數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同培育條件對谷子生長發育的影響

2.1.1 溫度與濕度對谷子生長發育的影響 溫度與濕度是影響植物生長與產量的重要環境因素[10]，對種子的萌發起到至關重要的作用。當溫度高于31℃、濕度高于50%時，種子發霉的概率增加（圖1-B），同樣當溫度低于20℃、濕度低于45%時，會限制種子中酶的活性，延遲種子的萌發。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，種子可達到100%萌發率，且生長良好。

2.1.2 光照對谷子生長發育的影響 光能促進植物組織和器官的分化，且制約著各器官的生長速度和發育比例。在溫濕度最適宜的情況下，當光照強度為15 000 lx時，莖明顯瘦且長（圖1-C），可能是由于光照強度較弱時，供植物光合利用的能量不足，凈光合速率降低[11]，營養物質積累不足。光照強度為45 000 lx時，谷子葉片發黃（圖1-D），強光往往會導致高溫，易造成水分缺失、氣孔關閉、二氧化碳供應不足，葉片發黃，從而影響植物生長。光照強度為30 000 lx時，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影響谷子的生長，在不避光情況下，營養液中的藻類會通過光合作用大量繁殖，使培養液變綠（圖1-E），嚴重影響根系對營養物質的吸收，因此，對處于水培液中的部分要進行避光處理，且每7 d需更換一次培養液。

2.1.3 通氣量對谷子生長發育的影響 土壤中的氧濃度也是影響根系形態建成和養分吸收、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、葉片發黃（圖1-F）。用氣泵給培養液中通氣后，植株生長良好，但不同的通氧時間對植物的生長會產生不同的影響，當通氧時間過長時會導致植物根部細胞損壞，影響植物生長；通氧時間過短，會使水中氧含量過低，不利于根系呼吸而使其腐爛。試驗得出，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育的影響

變異程度是衡量一個性狀是否可以作為篩選指標的標準，變異系數越大，說明該指標越靈敏[14]。由表2可知，在不同的氮素處理下，鮮質量、干質量、葉綠素含量都隨著氮濃度的增加而增加，但當氮濃度為2 mmol/L時，株高達到了最大值，隨著氮素水平達到5 mmol/L時，株高降低了1%（圖2）。而根長、株高、苗鮮質量、根鮮質量、苗干質量的變異系數比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、根鮮質量、葉綠素含量、苗干質量、根干質量的變異系數均比0.5 mmol/L氮處理大，說明這些指標對0.2 mmol/L的氮濃度更加敏感。而苗鮮質量、株高的變異系數相差不大，所以，可將0.2 mmol/L的氮濃度作為篩選耐低氮種質資源的最適濃度，根長、根鮮質量、葉綠素含量、苗干質量、根干質量作為評價篩選的指標，苗鮮質量和株高作為輔助指標。

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育的影響由圖3可知，在5個濃度的磷水平下生長21 d后，各項指標都出現了較大的差異，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，苗鮮質量、葉綠素含量、株高、苗干質量、根干質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育的影響鉀是植物生長必需的3大營養元素之一，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，農作物產量不斷增加，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。基于此，設置了5個濃度的鉀水平，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、苗鮮質量、根鮮質量、葉綠素含量、株高、苗干質量、根干質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，且所測各項指標均最大，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，根鮮質量、株高、苗干質量、根干質量的變異系數均比0，0.2 mmol/L處理下的大，表明這些指標對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，這些指標可作為篩選的評價指標。根長和苗鮮質量在低鉀處理下的變異系數相差不大，則可作為輔助評價指標。

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，光照強度、濕度、溫度、通氣量等都會對水培的效果產生影響，結果表明，最適水培條件為：光照強度為30 000 lx，光照時間為 14 h，晝夜溫度分別為（29±2），（22±2）℃，相對濕度45%～55%，通氧時間8 h/d，根部以下保證避光，且7 d換一次水培營養液。

用不同濃度氮、磷、鉀培養液培養后，谷子植株生長正常并對脅迫條件做出了發育形態建成水平的反應；在 2 mmol/L氮、2.5 mmol/L鉀、0.004 mmol/L磷處理下，谷子在苗期生長發育良好，可以進一步利用該體系進行谷子種質資源的培養或高效種質資源的篩選鑒定和相關基因的表達分析研究。

相比較于傳統的培育篩選方法，對成千上萬份的作物種質以經濟產量為指標進行全生育期的重復田間培育篩選，用水培法對作物進行培育，找到作物苗期與耐受性性狀密切相關的生理指標作為篩選指標，從而進行苗期篩選。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元素的含量，準確篩選優良的種質資源，另外植物側根具有吸收和運輸養分的重要功能功能[17]，而水培法可使植物側根保存完整。但水培法的缺點是不能研究根系形態學特征在攝取養分時所起到的決定作用[8]。目前一般采用的是水培法、土培法或砂培法在苗期進行粗篩選，然后將初步篩選出的品種在大田中進行全生育期的復篩選[18]。

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