不同小麥品種抗倒性能差異的內(nèi)在機(jī)制及其對氮密互作的調(diào)控響應(yīng).pdf

1、在大田生產(chǎn)中，增加氮肥投入及群體密度可通過增加群體生物量來提高產(chǎn)量。然而，過高的氮肥及密度導(dǎo)致分蘗過多，破壞群體結(jié)構(gòu)，莖稈發(fā)育細(xì)弱，機(jī)械強(qiáng)度及韌性下降，容易發(fā)生倒伏，減產(chǎn)嚴(yán)重。由于不同品種的遺傳背景差異，莖稈質(zhì)量存在變異。因此，闡明小麥莖稈抗倒伏能力的基因型差異對品種改良、發(fā)揮小麥抗倒增產(chǎn)潛力具有重要的理論指導(dǎo)意義。栽培措施可以通過調(diào)控小麥莖稈的質(zhì)量來影響其抗倒性能。細(xì)胞壁中的木質(zhì)素對評價(jià)莖稈質(zhì)量具有重要作用。木質(zhì)素賦予植株以結(jié)構(gòu)剛性，

2、顯著影響莖稈的機(jī)械強(qiáng)度。因此，闡明栽培措施對小麥莖稈木質(zhì)素代謝的調(diào)控及與抗倒伏關(guān)系，不僅是基礎(chǔ)研究的必要，同時(shí)對大田生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。本研究于2014-2016年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了兩個生長季的大田試驗(yàn)。試驗(yàn)一：抗倒伏差異的基因型試驗(yàn)，該試驗(yàn)選用莖稈抗折力存在差異的8個品種為試驗(yàn)材料，分別為濰麥8號（WM8）、臨麥4號（LM4）、山農(nóng)11（SN11）、山農(nóng)23（SN23）、萊州95021（LZ95）、濟(jì)麥22（JM22）

3、、山農(nóng)16（SN16）、周麥22（ZM22）。試驗(yàn)二：栽培措施調(diào)控試驗(yàn)，以抗倒伏能力差異顯著的SN16（倒伏敏感型）和SN23（抗倒伏型）為試驗(yàn)材料，設(shè)置三個氮肥水平，分別為120（N1）、240（N2）、360（N3）kg/hm2,三個密度水平，分別為75（D1）、225（D2）、375（D3）萬株/hm2。利用生理學(xué)、解剖學(xué)和分子生物學(xué)相結(jié)合的方法來系統(tǒng)闡明小麥抗倒伏的基因型差異及氮肥和密度對小麥莖稈木質(zhì)素代謝的調(diào)控機(jī)制及與抗倒伏的

4、關(guān)系，旨在為品種抗倒?jié)摿ν诰蚣皟?yōu)化抗倒栽培途徑提供理論依據(jù)。本研究的主要結(jié)果如下：
　　1不同品種小麥莖稈抗倒伏差異的生理機(jī)制
　　利用莖稈強(qiáng)度測定儀，在小麥開花期（DC,65）、乳熟期（DC,75）和蠟熟期（DC,85）分別測定了8個品種莖稈基二節(jié)間的抗折力。自開花后，莖稈抗折力因莖稈光合同化物的分解轉(zhuǎn)運(yùn)，充實(shí)度下降而逐漸降低。通過比較不同材料間莖稈抗折力，人為將8個品種分為兩組，分別定義為抗倒伏型和倒伏敏感型。兩組品種抗

5、折力存在顯著差異，但組內(nèi)極端性品種SN11和SN16與其相對應(yīng)的組內(nèi)品種差異顯著。
　　在蠟熟期測定了兩組品種的形態(tài)特征，包括株高、重心高度、重心高度占株高的比重、莖粗和莖稈充實(shí)度。結(jié)果表明，抗倒伏型品種的植株高度高于倒伏敏感型品種，重心高度在兩組品種中差異不顯著，但抗倒伏型品種的重心高度占株高的比重顯著低于倒伏敏感型品種?？沟狗推贩N的莖稈粗度和莖稈充實(shí)度（莖稈密度）顯著大于倒伏敏感型品種。說明在選擇抗倒伏型品種或改良品種過程中

6、，以重心高度占株高的比重、莖粗和莖稈充實(shí)度作為參考指標(biāo)，而對株高和重心高度應(yīng)進(jìn)行綜合分析。
　　進(jìn)一步通過解剖結(jié)構(gòu)的觀察，深入分析不同品種莖稈抗折力差異的原因。對開花后10天的莖稈基部第二節(jié)間進(jìn)行取樣并用FAA固定，制作石蠟切片后進(jìn)行番紅固綠對染。莖稈橫切面木質(zhì)化組織呈紅色，非木質(zhì)化組織呈綠色。結(jié)果顯示，抗倒材料的木質(zhì)化程度及面積與抗倒弱的材料存在顯著差異?？沟共牧系哪举|(zhì)化程度及面積顯著高于倒伏弱的材料。其中抗倒伏型品種中抗折力最

7、大的SN11的染色程度顯著高于倒伏敏感型品種的抗折力最小的SN16。利用CaseViewer掃描切片軟件量化大、小維管束的數(shù)目及面積。結(jié)果表明，除了抗倒伏型品種SN11的小維管束數(shù)目顯著高于倒伏敏感型品種SN16，其他處理沒有表現(xiàn)出相似的規(guī)律。而抗倒伏型品種的小維管束面積和大維管束數(shù)目顯著高于倒伏敏感型品種。說明小麥莖稈小維管束面積和大維管束數(shù)目較高的品種抗倒伏能力較強(qiáng)。
　　利用溴乙酰方法測定了莖稈木質(zhì)素積累量。分析表明，不同抗

8、倒伏型品種的莖稈木質(zhì)素積累量存在顯著差異?？沟狗推贩N的木質(zhì)素顯著高于倒伏敏感型品種。其中抗折力最高的SN11的木質(zhì)素含量最高，而抗折力最低的SN16的木質(zhì)素含量最低。
　　相關(guān)分析表明，莖稈抗折力與木質(zhì)素積累量、莖粗、充實(shí)度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。說明選擇木質(zhì)素積累量高、莖稈粗壯、充實(shí)度的高的品種可以降低倒伏的風(fēng)險(xiǎn)。
　　2氮肥和密度對小麥莖稈木質(zhì)素代謝的調(diào)控及與抗倒伏的關(guān)系
　　氮肥和密度處理對小麥莖稈基部第二節(jié)間的抗

9、折力具有一定的調(diào)控效應(yīng)。相同氮肥水平下，增加種植密度會降低莖稈抗折力；氮肥對抗折力的影響因不同的密度水平而存在差異。在低密度條件下（D1），施氮量從N1增加到N2，莖稈抗折力增強(qiáng)；由N2增到N3時(shí)，抗折力反而減弱，表現(xiàn)為N2D1>N1D1>N3D1。增加種植密度后（D2和D3），增加施氮水平則抗折力逐漸減弱。
　　對表觀性狀的分析結(jié)果顯示，同一氮肥水平下，增加群體密度導(dǎo)致單株鮮質(zhì)量降低、重心高度上移、重心高度占株高的比例增加，莖稈

10、細(xì)弱、莖稈充實(shí)度降低。進(jìn)而使莖稈彎曲力矩降低、莖稈質(zhì)量變劣，降低莖稈抗折力。在低密度水平下，增加施氮量會使單株鮮重增加、重心高度占株高比重降低、莖稈粗壯、莖稈充實(shí)度高，增加了莖稈質(zhì)量，提高了抗折力。然而，增加種植密度導(dǎo)致上述指標(biāo)降低。
　　對開花后10天的莖稈基部第二節(jié)間進(jìn)行取樣FAA固定，制作石蠟切片并進(jìn)行番紅固綠對染。莖稈橫切面木質(zhì)化組織呈紅色，非木質(zhì)化組織呈綠色。結(jié)果顯示，小麥莖稈的表皮細(xì)胞、厚壁組織細(xì)胞、維管束鞘細(xì)胞及導(dǎo)管

11、和管胞被染成紅色。說明木質(zhì)素主要在這些組織部位進(jìn)行沉積。氮肥和密度對莖稈木質(zhì)化程度具有顯著的影響。隨密度的增加，莖稈木質(zhì)化程度呈降低趨勢。除 D1處理下，不同施氮量間差異不顯著外，D2和D3處理下，增加施氮量會降低莖稈木質(zhì)化程度。通過量化莖稈基部第二節(jié)間大、小維管束的數(shù)量及面積發(fā)現(xiàn)，N1和N2處理下，不同密度處理間小維管束數(shù)量沒有明顯的趨勢。在高氮肥和高密度條件下（N3D3），小維管束的數(shù)量顯著低于其他處理。相同氮肥水平下，大維管束數(shù)量

12、隨密度的增加而降低；相同密度條件下，隨施氮量的增加而降低。通過雙光子激光共聚焦顯微鏡觀察不同時(shí)期木質(zhì)素的自發(fā)熒光發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素的自發(fā)熒光信號強(qiáng)度隨生育進(jìn)程呈逐漸增強(qiáng)的趨勢。
　　木質(zhì)素在各生育時(shí)期的積累速率不同，在基二節(jié)間形成后的0-28天是木質(zhì)素積累速率相對較快，之后積累仍在繼續(xù)，但相對比較緩慢。相同氮肥水平下，增加群體密度會降低莖稈木質(zhì)素的積累量。在低密度群體下（D1），增加施氮量會增加木質(zhì)素的積累，但過量施氮（N3）導(dǎo)致木質(zhì)素

13、積累量的降低。增加種植密度（D2和D3）后，木質(zhì)素含量隨施氮量的增加而降低。進(jìn)一步分析了不同處理下木質(zhì)素合成途徑關(guān)鍵酶活性和基因表達(dá)豐度發(fā)現(xiàn)，不同處理下木質(zhì)素含量的差異是由于苯丙氨酸解氨酶（PAL）、咖啡酰氧甲基轉(zhuǎn)移酶（COMT）、肉桂酰輔酶A還原酶（CCR）和肉桂醇脫氫酶（CAD）的活性及表達(dá)豐度存在差異。較高的PAL、COMT、CCR和CAD活性及表達(dá)豐度促進(jìn)木質(zhì)素的合成積累。
　　利用堿性硝基苯氧化法降解小麥莖稈中的木質(zhì)素，

14、通過高效液相色譜質(zhì)譜儀（UPLC-MS/MS）定性及定量不同處理間莖稈中木質(zhì)素單體的含量。小麥莖稈中木質(zhì)素單體的形式為H、G和S型，其中G型和S型單體是小麥莖稈中木質(zhì)素的主要形式。氮肥和密度對木質(zhì)素單體含量具有顯著的調(diào)控效應(yīng)。增加種植密度使H型單體增加，S型單體降低，G型單體呈先增加后降低的趨勢。與N1處理相比，增加施氮量使H型和G型單體增加，S型單體降低。由此可知，S型單體與莖稈的機(jī)械強(qiáng)度有關(guān)。在品種改良過程中可以通過增加S型單體的含