不同培養條件下小麥幼苗與根系發育質量比較

楊一晨，楊習文，周蘇玫，黃 源，徐利利，付錦州，郭芳芳，賀德先

(河南農業大學農學院/國家小麥工程技術研究中心/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室/河南糧食作物協同創新中心，河南 鄭州 450046)

【研究意義】在小麥生理生態和遺傳育種研究中，培養和選用優質且接近于大田條件下的小麥幼苗是試驗的基礎。縱觀國內外小麥幼苗培養的方法和技術，種類繁多且復雜，這造成了不同培養條件下的同類研究結果或同一指標差異較大，缺乏可比性[1]。因此，規范化、標準化的幼苗培養方法可提高試驗研究的準確性和可靠性，同時也具有重要的方法論意義[2]。【前人研究進展】對研究者來說，采用規范一致的培養方式和方法，并使用標準的育苗基質培養幼苗，是必須的研究途徑。目前國外內采用的育苗方法分為土壤栽培法和無土栽培法[3]。土壤栽培法雖能對幼苗能起到很好的支持和緩沖作用，但其不可避免地帶來土傳病蟲害進而影響幼苗發育，另又不宜沖洗干凈，污染環境等限制因素。無土栽培法包含砂培，蛭石培，水培等多種培養方法，雖更易于培養管理，但也存在緩沖力低，病菌污染等諸多缺點[4-5]。同時，前人研究表明不同培養條件下小麥幼苗長勢和根系活力存在差異[1,6]，不同培養基質對作物的幼苗素質及產量的影響也不同[7-14]。不同幼苗培養方法之間可比性差以及在相關研究實踐中缺乏標準等問題尚未解決[15-17]，且就不同培養方法對小麥種子萌發和幼苗生長的影響，尤其是對根系發育和生理活性的影響報道較少。【本研究切入點】選取幾種在研究中常用的培養基質對小麥幼苗進行培養鑒定，以期提高小麥幼苗不同培養方法之間的可比性。【擬解決的關鍵問題】本研究擬解決科學研究過程中室內不同培養方法下的小麥幼苗與根系發育質量代表性差，與大田環境生長的幼苗差異大的問題，減少實驗誤差，提高研究結果的可比性，規范化小麥幼苗的培養方法，為提高試驗研究準確性提供基礎支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于河南農業大學作物生產實驗室人工氣候箱(型號RXZ-800C)內進行。供試材料為黃淮麥區大面積推廣的半冬性中熟小麥品種周麥27(國審麥2011003)。

1.2 試驗設計與條件控制

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的培養皿中，置于20 ℃恒溫培養箱中避光催芽，種子露白后，將一部分種子播種在土壤、細砂、蛭石中進行培養；其余種子移至濕潤發芽網上，待幼苗生長到一葉時挑選長勢均勻一致的幼苗，移至水(Hoagland營養液)培中培養。

發芽和幼苗培養環境模擬河南中部地區小麥秋播季節和幼苗早期生長環境的平均水平，溫度控制為20 ℃/18 ℃(晝/夜)，光照周期為16 h/8 h(晝/夜)，大氣相對濕度為70%。水培采用Hoagland營養液，每2 d更換一次；土壤、細砂、蛭石等培養基質過篩，裝入高7.5 cm、直徑8 cm的營養缽中，播種后7 d定苗，每個營養缽定苗5株，每2 d補充一次Hoagland營養液，每個營養缽中的添加量保持一致。每種培養基質分別設置45盆。

1.3 調查與測定分析方法

1.3.1 幼苗發育質量與根系形態數量性狀的調查分析 分別于幼苗3、4、5葉齡時，各處理選取3株長勢一致且具有代表性的植株樣品，將其幼苗取出并沖洗干凈，測量調查株高、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(Regent Instruments Inc.,Canada)進行圖像分析獲得單株總根長、總根體積、總根表面積、平均根直徑、總根分枝數。最后，將樣品分為根、莖葉，在105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘至恒重，計算單株幼苗干重(不含根系，下同)。重復3次。

1.3.2 幼苗根系生理活性測定 分別于幼苗3、4、5葉齡時，各處理選取5株長勢一致且具有代表性的植株樣品，采用改良TTC法[18]測定根系活性，亞甲基藍吸附法[19]測定單株根系總吸收面積和活躍吸收面積，單株根系生理勢為根系活性與單株根鮮重的乘積[20]。重復3次。

1.3.3 幼苗根中氮、磷、鉀含量與積累量的測定 分別于幼苗3、4、5葉齡時，各處理選取5株長勢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，并粉碎過篩，經濃H2SO4-H2O2消解，以全自動凱氏定氮儀(SPD80)測定氮含量[21],以釩鉬黃比色法測定磷含量[21],以火焰分光光度法測定鉀含量[22]，并重復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 數據分析方法

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0進行數據處理和統計分析，用Origin 2018進行作圖，并通過Duncan法進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同培養條件下小麥幼苗發育質量的差異分析

由圖1可知，不同培養方式下，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顯著水平(P<0.05)；在4葉期，土培條件下的株高與其它培養方式間的差異均達顯著水平(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顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達顯著水平(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顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)。分析認為，就株高、出葉速度、單株葉面積、幼苗干重幾個重要的幼苗素質指標看，小麥幼苗培養實踐中，最好選用土培，其次是水培。

2.2 不同培養條件下小麥幼苗根系發育與功能的差異分析

2.2.1 幼苗根系形態數量性狀的差異 由表1可知，不同培養方式下，小麥幼苗不同階段(苗齡)的單株總根長，總根表面積，總根體積及總根分枝數均一致表現為土培>水培>砂培>蛭石培，而平均根直徑的變化則表現為土培<水培<砂培<蛭石培。其中，在3葉期，土培條件下單株總分枝數與其它培養方式間的差異均達顯著水平(P<0.05)，土培條件下單株總分枝數分別較砂培、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與土培差值最小。土培與水培條件下單株總根長、平均根直徑差異未達顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)；在4葉期，土培條件下的單株平均根直徑、總根分枝數與其它培養方式間的差異均達顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下單株總根長、總根表面積和總根體積的差異未達顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)；在5葉期，土培條件下的單株平均根直徑、總根分枝數與其它培養方式下的差異達顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下單株總根長、總根表面積和總根體積的差異未達顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)。綜合來看，土培條件下幼苗根系發達程度相較于其它培養條件最高，蛭石培最差。且水培條件下的小麥根系形態數量指標與土培條件下的差異較小，在測定根系形態性狀上可以替代土培。

表1 不同培養條件下小麥幼苗根系形態數量性狀的差異

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、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%，相較于其它培養方式，水培條件下的根系活性總增幅最高。不同培養方式下，小麥幼苗不同階段(苗齡)的根系活性、單株根系生理勢、根系總吸收面積和根系活躍吸收面積均表現為土培>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、根系總吸收面積和根系活躍吸收面積，與其它培養條件下的差異達顯著水平(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差異未達顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)；在5葉期，土培條件下根系活性、單株根系生理勢分別與沙培和蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)，土培與水培條件下根系活性、單株根系生理勢和總吸收面積的差異未達顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達顯著水平(P<0.05)。通過數據分析可知，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在3個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方式下的差異達顯著水平(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顯著水平(P>0.05)，而與蛭石培條件下的差異達顯著水平(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條件下的差異均達顯著水平(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顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培下的差異達顯著水平(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方式間的差異均達顯著水平(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顯著水平(P>0.05)，而與砂培和蛭石培條件下的差異達顯著水平(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的養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分吸收與利用能力最差。

3 討 論

小麥生理生態和遺傳育種研究實踐中，常需要進行苗期觀察分析或進行苗期鑒定。因此，選擇適宜且標準的培養條件，以培養出正常、健壯且接近于大田生產實際的幼苗，然后在此幼苗均勻一致且具有可比性的基礎上，實施試驗處理，對于合理選用培養體系或正確理解實驗結果都具有重要意義。

鑒定幼苗和根系發育的指標眾多，包含形態數量、出苗質量、幼苗長勢、植物激素含量、酶含量、生理活性和養分積累等等[1,6,23]。為了更好的量化幼苗和根系發育質量，本研究從中選取株高、出葉速度、根系活性、吸收面積、生理勢和氮磷鉀積累量等主要指標進行測定，尤其將根系生理勢作為衡量根系生理活性的一個重要參考，能夠更準確體現小麥幼苗的生長狀態和單株根系的實際生理功能，使試驗結果更全面，更具有代表性[20]。然而本試驗還可以開放性地選用更多關于小麥幼苗和根系發育的其它指標，那么就能夠更全面的衡量幼苗質量和根系發育，從而更清晰深入地比較不同培養條件下小麥幼苗和根系發育的差異。

表2 不同培養條件下小麥幼苗根中氮磷鉀積累量的差異

對于幼苗培養條件的選擇，以往有研究認為無土栽培優于土壤栽培[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條件更高[1,6]，而本研究認為土培條件下幼苗發育質量、根系形態、根系生理活性和養分吸收利用相較其它幾種栽培基質更高，其原因可能是作物生長過程中變化復雜，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，減輕或排除其對植物體的直接影響[3]，培養幼苗最為適宜，而其它培養條件缺少這種介質的保護。普通小麥(TriticumaestivumL.)是陸生植物，一般認為其在固體基質培養下的生長情況應優于液體條件培養[24]，本研究中水培條件下的小麥幼苗發育質量、根系形態、根系生理活性和養分吸收利用均優于砂培和蛭石培，其原因可能是不同基質材料的保水力和透氣性差異大，且對營養液的化學性質的影響是多種多樣的[3]。本研究水培以霍格蘭營養液為基底，其它固體基質采用相同配方的營養液按需澆灌，而未根據各種不同固體培養基質對營養液的影響做出配方上的調整。不同培養基質下配套營養液的改進，頗值得進一步研究。

本試驗中，幼苗在恒溫、恒定光照長度，強度、恒定大氣相對濕度的培養環境中進行萌發與培養，培養環境與大田自然栽培條件下存在出入，因此試驗可根據黃淮海平原深秋時期小麥大田自然條件下的生長環境和變化規律，進一步研究設置不同的溫度、光照長度、光照強度和大氣相對濕度等梯度，以此使幼苗培養環境接近于大田自然生長下的氣候條件，進而能增強不同培養方法之間的可比性，篩選出更適合當地大田生長狀況的室內幼苗培養方式，使試驗結果更準確，更具有代表性。

4 結 論

在本研究所選定的4種小麥幼苗室內培養方式中，土培條件下幼苗和根系發育質量、根系生理活性和根中氮、磷、鉀積累均優于其它培養條件。比較而言，水培最接近土培，兩者間幼苗質量和根系發育等的差異未達顯著水平，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育質量則較差。綜合分析認為，就小麥幼苗(根系)培養質量、根系發育及生理功能等方面研判，在室內培養研究實踐中，選用土培方式最為適宜，而水培次之。