不同培养条件下小麦幼苗与根系发育质量比较

杨一晨，杨习文，周苏玫，黄 源，徐利利，付锦州，郭芳芳，贺德先

(河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室/河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450046)

【研究意义】在小麦生理生态和遗传育种研究中，培养和选用优质且接近于大田条件下的小麦幼苗是试验的基础。纵观国内外小麦幼苗培养的方法和技术，种类繁多且复杂，这造成了不同培养条件下的同类研究结果或同一指标差异较大，缺乏可比性[1]。因此，规范化、标准化的幼苗培养方法可提高试验研究的准确性和可靠性，同时也具有重要的方法论意义[2]。【前人研究进展】对研究者来说，采用规范一致的培养方式和方法，并使用标准的育苗基质培养幼苗，是必须的研究途径。目前国外内采用的育苗方法分为土壤栽培法和无土栽培法[3]。土壤栽培法虽能对幼苗能起到很好的支持和缓冲作用，但其不可避免地带来土传病虫害进而影响幼苗发育，另又不宜冲洗干净，污染环境等限制因素。无土栽培法包含砂培，蛭石培，水培等多种培养方法，虽更易于培养管理，但也存在缓冲力低，病菌污染等诸多缺点[4-5]。同时，前人研究表明不同培养条件下小麦幼苗长势和根系活力存在差异[1,6]，不同培养基质对作物的幼苗素质及产量的影响也不同[7-14]。不同幼苗培养方法之间可比性差以及在相关研究实践中缺乏标准等问题尚未解决[15-17]，且就不同培养方法对小麦种子萌发和幼苗生长的影响，尤其是对根系发育和生理活性的影响报道较少。【本研究切入点】选取几种在研究中常用的培养基质对小麦幼苗进行培养鉴定，以期提高小麦幼苗不同培养方法之间的可比性。【拟解决的关键问题】本研究拟解决科学研究过程中室内不同培养方法下的小麦幼苗与根系发育质量代表性差，与大田环境生长的幼苗差异大的问题，减少实验误差，提高研究结果的可比性，规范化小麦幼苗的培养方法，为提高试验研究准确性提供基础支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于河南农业大学作物生产实验室人工气候箱(型号RXZ-800C)内进行。供试材料为黄淮麦区大面积推广的半冬性中熟小麦品种周麦27(国审麦2011003)。

1.2 试验设计与条件控制

挑选大小一致的种子，用10% H2O2消毒5 min后，蒸馏水冲洗3遍，然后均匀放入底部用水浸润的培养皿中，置于20 ℃恒温培养箱中避光催芽，种子露白后，将一部分种子播种在土壤、细砂、蛭石中进行培养；其余种子移至湿润发芽网上，待幼苗生长到一叶时挑选长势均匀一致的幼苗，移至水(Hoagland营养液)培中培养。

发芽和幼苗培养环境模拟河南中部地区小麦秋播季节和幼苗早期生长环境的平均水平，温度控制为20 ℃/18 ℃(昼/夜)，光照周期为16 h/8 h(昼/夜)，大气相对湿度为70%。水培采用Hoagland营养液，每2 d更换一次；土壤、细砂、蛭石等培养基质过筛，装入高7.5 cm、直径8 cm的营养钵中，播种后7 d定苗，每个营养钵定苗5株，每2 d补充一次Hoagland营养液，每个营养钵中的添加量保持一致。每种培养基质分别设置45盆。

1.3 调查与测定分析方法

1.3.1 幼苗发育质量与根系形态数量性状的调查分析 分别于幼苗3、4、5叶龄时，各处理选取3株长势一致且具有代表性的植株样品，将其幼苗取出并冲洗干净，测量调查株高、出叶速度、单株叶面积，之后使用根系扫描仪(Epson Expression12000XL)扫描得到图像，使用WinRHIZO根系分析系统(Regent Instruments Inc.,Canada)进行图像分析获得单株总根长、总根体积、总根表面积、平均根直径、总根分枝数。最后，将样品分为根、茎叶，在105 ℃杀青30 min，80 ℃下烘至恒重，计算单株幼苗干重(不含根系，下同)。重复3次。

1.3.2 幼苗根系生理活性测定 分别于幼苗3、4、5叶龄时，各处理选取5株长势一致且具有代表性的植株样品，采用改良TTC法[18]测定根系活性，亚甲基蓝吸附法[19]测定单株根系总吸收面积和活跃吸收面积，单株根系生理势为根系活性与单株根鲜重的乘积[20]。重复3次。

1.3.3 幼苗根中氮、磷、钾含量与积累量的测定 分别于幼苗3、4、5叶龄时，各处理选取5株长势一致且具有代表性的植株，获取其根系样品后，在105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘至恒重，并粉碎过筛，经浓H2SO4-H2O2消解，以全自动凯氏定氮仪(SPD80)测定氮含量[21],以钒钼黄比色法测定磷含量[21],以火焰分光光度法测定钾含量[22]，并重复3次。

根中氮、磷、钾积累量(mg/plant)=根中氮、磷、钾含量(mg/g)×根干重(g/plant)。

1.4 数据分析方法

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0进行数据处理和统计分析，用Origin 2018进行作图，并通过Duncan法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同培养条件下小麦幼苗发育质量的差异分析

由图1可知，不同培养方式下，小麦幼苗不同阶段(苗龄)的株高、出叶速度、单株叶面积、幼苗干重均一致表现为土培>水培>砂培>蛭石培。其中，在3叶期，土培条件下的株高、出叶速度、单株叶面积和幼苗干重，与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在4叶期，土培条件下的株高与其它培养方式间的差异均达显著水平(P<0.05)，其单株叶面积分别与砂培和蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)，土培和水培条件下单株叶面积、出叶速度、幼苗干重的差异未达显著水平(P>0.05)，而与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在5叶期，土培和水培条件下株高、出叶速度、单株叶面积、幼苗干重的差异未达显著水平(P>0.05)，而与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)。分析认为，就株高、出叶速度、单株叶面积、幼苗干重几个重要的幼苗素质指标看，小麦幼苗培养实践中，最好选用土培，其次是水培。

2.2 不同培养条件下小麦幼苗根系发育与功能的差异分析

2.2.1 幼苗根系形态数量性状的差异 由表1可知，不同培养方式下，小麦幼苗不同阶段(苗龄)的单株总根长，总根表面积，总根体积及总根分枝数均一致表现为土培>水培>砂培>蛭石培，而平均根直径的变化则表现为土培<水培<砂培<蛭石培。其中，在3叶期，土培条件下单株总分枝数与其它培养方式间的差异均达显著水平(P<0.05)，土培条件下单株总分枝数分别较砂培、蛭石培和水培多135.50、165.17和63.50，其中水培下单株总分枝数与土培差值最小。土培与水培条件下单株总根长、平均根直径差异未达显著水平(P>0.05)，而与砂培和蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在4叶期，土培条件下的单株平均根直径、总根分枝数与其它培养方式间的差异均达显著水平(P<0.05)，土培与水培条件下单株总根长、总根表面积和总根体积的差异未达显著水平(P>0.05)，而与砂培和蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在5叶期，土培条件下的单株平均根直径、总根分枝数与其它培养方式下的差异达显著水平(P<0.05)，土培与水培条件下单株总根长、总根表面积和总根体积的差异未达显著水平(P>0.05)，而与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)。综合来看，土培条件下幼苗根系发达程度相较于其它培养条件最高，蛭石培最差。且水培条件下的小麦根系形态数量指标与土培条件下的差异较小，在测定根系形态性状上可以替代土培。

表1 不同培养条件下小麦幼苗根系形态数量性状的差异

2.2.2 幼苗根系生理活性的差异 由图2可知，从3叶期到5叶期，水培条件下的幼苗根系活性、单株根系生理势、根系总吸收面积和根系活跃吸收面积的增幅分别为71%、222%、132%和159%，相较于其它培养方式，水培条件下的根系活性总增幅最高。不同培养方式下，小麦幼苗不同阶段(苗龄)的根系活性、单株根系生理势、根系总吸收面积和根系活跃吸收面积均表现为土培>水培>砂培>蛭石培。其中，在3叶期，土培条件下的小麦根系活性、单株根系生理势、根系总吸收面积和根系活跃吸收面积，与其它培养条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在4叶期，土培与水培条件下的根系活性和单株根系生理势差异未达显著水平(P>0.05)，而与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在5叶期，土培条件下根系活性、单株根系生理势分别与沙培和蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)，土培与水培条件下根系活性、单株根系生理势和总吸收面积的差异未达显著水平(P>0.05)，而与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)。通过数据分析可知，小麦幼苗根系在土培条件下具有较高的生理活性，并且根系活性和单株根系生理势在3个叶龄均显著高于蛭石培条件下，水培条件下根系生理活性与土培最为相近，仅3叶期与水培条件下差异显著。因此，在幼苗根系生理活性方面，水培条件下更接近于土培，蛭石培条件下根系生理活性最差。

2.2.3 幼苗根中氮、磷、钾积累的差异 由表2可知，不同培养方式下，小麦幼苗不同阶段(苗龄)的根中氮磷钾含量和积累量均表现为土培和水培较高，砂培和蛭石培次之。其中，在3叶期，土培条件下的根中氮含量和积累量与其它培养方式下的差异达显著水平(P<0.05)，土培与水培条件下根中磷，钾含量和积累量的差异未达显著水平(P>0.05)，而与蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)；在4叶期，土培条件下根中氮，磷含量和氮，钾积累量与其它培养条件下的差异均达显著水平(P<0.05)，土培与水培条件下根中钾含量、磷积累量的差异未达显著水平(P>0.05)，而与砂培和蛭石培下的差异达显著水平(P<0.05)；在5叶期，土培条件下根中磷，钾含量和积累量与其它培养方式间的差异均达显著水平(P<0.05)，土培与水培条件下根中氮含量、氮积累量的差异未达显著水平(P>0.05)，而与砂培和蛭石培条件下的差异达显著水平(P<0.05)。综上，土培条件下根中氮、磷、钾含量和积累量在3个叶龄均显著高于蛭石培条件下，仅在5叶期根中磷积累量显著低于水培条件下。因此，小麦幼苗根系在土培条件下具有更强的养分吸收与利用的能力，水培条件下更接近于土培，蛭石培条件下根系养分吸收与利用能力最差。

3 讨 论

小麦生理生态和遗传育种研究实践中，常需要进行苗期观察分析或进行苗期鉴定。因此，选择适宜且标准的培养条件，以培养出正常、健壮且接近于大田生产实际的幼苗，然后在此幼苗均匀一致且具有可比性的基础上，实施试验处理，对于合理选用培养体系或正确理解实验结果都具有重要意义。

鉴定幼苗和根系发育的指标众多，包含形态数量、出苗质量、幼苗长势、植物激素含量、酶含量、生理活性和养分积累等等[1,6,23]。为了更好的量化幼苗和根系发育质量，本研究从中选取株高、出叶速度、根系活性、吸收面积、生理势和氮磷钾积累量等主要指标进行测定，尤其将根系生理势作为衡量根系生理活性的一个重要参考，能够更准确体现小麦幼苗的生长状态和单株根系的实际生理功能，使试验结果更全面，更具有代表性[20]。然而本试验还可以开放性地选用更多关于小麦幼苗和根系发育的其它指标，那么就能够更全面的衡量幼苗质量和根系发育，从而更清晰深入地比较不同培养条件下小麦幼苗和根系发育的差异。

表2 不同培养条件下小麦幼苗根中氮磷钾积累量的差异

对于幼苗培养条件的选择，以往有研究认为无土栽培优于土壤栽培[3-5]。也有研究表明水培条件下的小麦幼苗株高、鲜重和根系活性相较于其它培养条件更高[1,6]，而本研究认为土培条件下幼苗发育质量、根系形态、根系生理活性和养分吸收利用相较其它几种栽培基质更高，其原因可能是作物生长过程中变化复杂，土培接近于大田自然条件，能够阻挡肥料溶液浓度和pH的胁迫，减轻或排除其对植物体的直接影响[3]，培养幼苗最为适宜，而其它培养条件缺少这种介质的保护。普通小麦(TriticumaestivumL.)是陆生植物，一般认为其在固体基质培养下的生长情况应优于液体条件培养[24]，本研究中水培条件下的小麦幼苗发育质量、根系形态、根系生理活性和养分吸收利用均优于砂培和蛭石培，其原因可能是不同基质材料的保水力和透气性差异大，且对营养液的化学性质的影响是多种多样的[3]。本研究水培以霍格兰营养液为基底，其它固体基质采用相同配方的营养液按需浇灌，而未根据各种不同固体培养基质对营养液的影响做出配方上的调整。不同培养基质下配套营养液的改进，颇值得进一步研究。

本试验中，幼苗在恒温、恒定光照长度，强度、恒定大气相对湿度的培养环境中进行萌发与培养，培养环境与大田自然栽培条件下存在出入，因此试验可根据黄淮海平原深秋时期小麦大田自然条件下的生长环境和变化规律，进一步研究设置不同的温度、光照长度、光照强度和大气相对湿度等梯度，以此使幼苗培养环境接近于大田自然生长下的气候条件，进而能增强不同培养方法之间的可比性，筛选出更适合当地大田生长状况的室内幼苗培养方式，使试验结果更准确，更具有代表性。

4 结 论

在本研究所选定的4种小麦幼苗室内培养方式中，土培条件下幼苗和根系发育质量、根系生理活性和根中氮、磷、钾积累均优于其它培养条件。比较而言，水培最接近土培，两者间幼苗质量和根系发育等的差异未达显著水平，因而在一定条件下水培可以替代土培；而蛭石培和砂培条件下的幼苗发育质量则较差。综合分析认为，就小麦幼苗(根系)培养质量、根系发育及生理功能等方面研判，在室内培养研究实践中，选用土培方式最为适宜，而水培次之。