不同小麥品種(系)莖稈顯微結構、生化組分與莖稈強度的關系

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 生命科學學院，河南 開封 475000；2.漯河市農業科學院，河南 漯河 462000)

小麥倒伏是制約小麥豐產和優質的主要因素之一。小麥倒伏的原因分為外部因素和內部因素的影響：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；內部因素包括品種自身的形態結構、理化特點等[1]。內部因素是小麥抗倒育種的關鍵，研究發現，植株鮮質量、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，反而影響小麥質量及產量[5]；二是“強稈育種”策略，即提高小麥莖稈的機械強度，該策略以實現抗倒伏與產量協同改良為目的，克服了傳統“矮稈育種”策略造成的產量下降的弊端，是抗倒伏育種關注的重點[6]。

谷物莖稈是一種典型的多相、篩狀、不連續、不均勻和各向異性的復合材料，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現，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種不同春小麥的調查中未發現莖稈直徑與抗倒伏之間顯著的相關性。在大麥的研究中則發現，莖直徑反而與莖稈強度呈負相關[9]。隨后，Wang等[10]發現，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構組成密切相關。莖稈橫切面顯微結構主要包括厚壁機械組織、小維管束、薄壁組織、大維管束，前2個一起構成了莖稈的緊密層，后2個則構成了稀疏層[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性[10]。同時一些研究也認為，薄壁組織正向影響莖稈力學特征，在小麥圓柱形強稈的塑造中具有積極作用[12]。但Wang 等[10]研究卻發現，薄壁組織的數量與莖的強度呈負相關。

纖維素和木質素是構成小麥莖稈的重要結構性碳水化合物。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成的骨架之中，增強莖稈的硬度和支撐強度。因此，木質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成分研究發現，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素含量與莖稈強度的關系一直存在爭論。大多研究者認為，莖稈木質素含量與小麥倒伏率呈顯著負相關[15]，但韓新峰[16]通過對232份小麥品種資源抗倒伏相關因素分析后發現，木質素含量與莖稈強度相關性并不顯著。

綜上，關于小麥莖稈顯微結構和生化組成及其與莖稈強度關系的研究有限且存在爭議。因此，本研究在廣泛調查了我國育成的主要小麥品種(系)的莖稈強度基礎上，進一步關注內部因素中小麥的莖稈顯微結構和生化組分，研究小麥莖稈的顯微結構和木質素、纖維素含量與小麥莖稈強度之間的關系，以探尋影響小麥莖稈強度的關鍵因素，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試驗田、河南省開封市王周莊試驗田，采取隨機區組設計，每個小麥種質材料為1個小區，小區行長1.50 m，行距 0.25 m，共6行，每行播種50粒，2次重復。在此期間，對小麥進行常規大田管理，其生長發育的整個期間未出現嚴重病蟲害。分別于開花期(小麥材料所在小區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莖節的葉鞘，在其莖稈中部切取2 cm長的橫切環，放入FAA(甲醛-乙酸-乙醇)固定液中固定24 h以上，用于莖稈顯微結構觀察備用。于小麥乳熟期(開花后30 d)，隨機取5株主莖的基部第2莖節秸稈，80 ℃烘干至恒質量，之后粉碎，過孔徑為0.50 mm的篩網，稱取大約0.5 g到5 mL EP管中，用于木質素、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莖節強度(Stem strength，SS)。并基于3個發育時期的莖稈強度數據，利用RStudio數據分析軟件，計算歐式距離，經UPGMA法聚類分析，繪制材料間的聚類分析圖，根據小麥材料的莖稈強度遺傳差異進行分組。

1.3 小麥莖稈顯微結構觀察

1.4 小麥莖稈木質素、纖維素含量測定

利用粉碎的秸稈，使用Solarbio 生物技術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 生物技術公司的木質素含量檢測試劑盒，提取木質素并計算木質素含量。

1.5 小麥莖稈顯微結構、生化指標的數據分析

利用IBM SPSS Statistics 26對小麥開花期和灌漿期的莖稈顯微結構，以及乳熟期的木質素、纖維素含量進行遺傳變異分析；利用IBM SPSS Statistics 26進行顯微結構、木質素和纖維素含量與莖稈強度的相關性分析，了解小麥莖稈顯微結構及主要生化組分對小麥莖稈強度的影響。利用IBM SPSS Statistics 26進行莖稈顯微結構的主成分分析，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，并將各因子對應的方差貢獻率比例作為權數計算得到綜合因子得分。將顯微結構的綜合因子得分和木質素、纖維素含量作為3種變量類型，利用RStudio數據分析軟件，計算歐式距離，經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構和生化指標等莖稈強度相關性狀的表現。

2 結果與分析

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個生育時期表現最為優秀，定義為高強度(High strength，H)組；另一大類由61份莖稈強度表現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構差異

小麥莖稈顯微結構是影響小麥莖稈強度的關鍵因素，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構狀況，對72個小麥材料進行開花期和灌漿期莖稈強度及顯微結構遺傳變異分析(表1)。結果顯示，不同生育時期的莖稈強度出現了顯著差異(P<0.05)，表現為開花期顯著高于灌漿期；而莖稈顯微結構中的機械組織厚度也出現了顯著差異(P<0.05)，開花期顯著高于灌漿期；而其他莖稈顯微結構相關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目及比例均具有較大的變異系數，表明小麥材料間的莖稈強度、小維管束數目及比例出現了較大的遺傳變異。

表1 不同生育時期小麥莖稈橫切面的顯微結構比較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構數據取平均值，比較2組材料顯微結構的遺傳差異(表2)，結果顯示，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構比較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構與莖稈強度的相關性分析

莖稈顯微結構相關性狀與莖稈強度的相關性分析顯示(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構與莖稈強度的相關性分析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 小麥莖稈顯微結構的主成分分析

基于72份小麥材料不同生育時期的顯微結構數據平均值進行莖稈顯微結構的主成分分析，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構的關鍵指標；第2公因子表達式中，機械組織厚度具有最大的系數，其為反映小麥莖稈顯微結構的另一關鍵指標；第3公因子表達式中，大維管束數目具有最大的系數，而且它與大維管束面積極顯著相關(P<0.01)。以上結果表明，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構特點，是影響小麥抗倒性的關鍵性狀。根據公因子表達式計算因子得分，并將各公因子對應的方差貢獻率比例作為權數計算綜合得分，用于后續不同小麥材料的聚類分析。

表4 小麥莖稈顯微結構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份小麥材料的木質素和纖維素含量，結果顯示，72份小麥材料的木質素含量平均值為16.58%，標準差為2.44%，變異系數為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，變異系數為20.0%，其中漯麥906、河開2號、濟南17、百農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組材料的木質素和纖維素含量進行差異分析，結果顯示，H組木質素含量平均值為19.04%，遠大于L組木質素含量(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)。

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

2.6 基于小麥顯微結構和生化指標的聚類分析

將顯微結構的綜合因子得分和木質素、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)，結果顯示，所有材料分為Ⅰ、Ⅱ兩大類。其中，Ⅰ類由百農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構和生化指標方面表現突出，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構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 結論與討論

倒伏是限制小麥高產的主要因素之一，可致使小麥減產7%～80%[17]。尤其在小麥灌漿期，出現大范圍的大風、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與推廣顯得尤為重要[18-19]。多年來，人們通常采用導入半矮稈等位基因或使用植物生長調節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在0.7～1.0 m才能確保高產；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，倒伏仍可能出現在矮稈品種中[21]。因此，提高莖稈強度是實現小麥高產、抗倒育種的根本手段。

莖稈強度是一個復雜的特征，與莖的解剖特征密切相關。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，在此基礎上，進一步對這些小麥材料的莖稈顯微結構如薄壁組織厚度、大維管束數目、小維管束數目、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等性狀進行分析，通過不同生育時期莖稈強度及顯微結構的比較、H組和L組材料顯微結構的遺傳差異分析、莖稈顯微結構與莖稈強度的相關分析及莖稈顯微結構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鍵顯微結構，這與Kong等[22]的考察結果基本一致。分析原因，可能是由于機械組織層中的木質素和纖維素含量較高，同時維管束周圍的細胞富含木質素和纖維素[11，23]。此外眾多研究者發現，在小麥、黑麥和燕麥等作物中，維管束數量的減少往往伴隨著莖稈倒伏的增加[13，15，24]。而本研究發現，大、小維管束數量和機械組織層數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性，這與Dunn等[9]在大麥中、Kong等[22]在小麥中的發現一致。結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，有的是以維管束數量上的優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。

小麥中的結構性碳水化合物，如木質素和纖維素，與植株的抗倒伏能力緊密相關[3，25-27]。許多研究表明，纖維素或木質素的積累與水稻、小麥、蕎麥等莖的機械強度有顯著的相關性，倒伏敏感品種莖稈木質素和纖維素的積累量相對較低[3，28-29]。但Kong等[22]指出，倒伏與木質素和纖維素含量無顯著相關性，但實稈材料的木質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)的纖維素和木質素含量，結果顯示，H組的纖維素和木質素含量均高于L組，且相關分析顯示，莖稈纖維素和木質素含量與莖稈強度顯著相關，但相關系數較小，分別為0.390和0.353，表明纖維素和木質素是決定莖稈強度的關鍵因素，但相關程度不高。有關莖稈化學組分與莖稈強度關系的研究結論不一致，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構及木質素、纖維素等化學組分含量是影響小麥莖稈強度的關鍵，因此育種過程中，可選擇具備此類優異莖稈特征的小麥材料作為親本，引入優勢基因型，從而優化高產小麥的相關特性[17]。本研究調查了72份小麥品種(系)的莖稈顯微結構，利用主成分分析法計算得到衡量每個小麥材料顯微結構的綜合因子得分，將其與木質素含量、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性狀表現上的優勢程度，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。