不同小麦品种(系)茎秆显微结构、生化组分与茎秆强度的关系

贺 洁，孙少光，葛昌斌，宋丹阳，乔冀良，李锁平，苏亚蕊，廖平安

(1.河南大学 生命科学学院，河南 开封 475000；2.漯河市农业科学院，河南 漯河 462000)

小麦倒伏是制约小麦丰产和优质的主要因素之一。小麦倒伏的原因分为外部因素和内部因素的影响：外部因素主要包括天气的影响、肥料的使用、种植后的管理等；内部因素包括品种自身的形态结构、理化特点等[1]。内部因素是小麦抗倒育种的关键，研究发现，植株鲜质量、重心高度和植株高度对倒伏均有重要的负影响，而茎秆强度则对倒伏有重要的正影响[2-4]。因此，育种学家主要采用2种策略展开小麦的抗倒育种：一是“矮秆育种”策略，该策略有效地减少了植株的倒伏，但过度矮化会导致小麦叶层过密，不利于植株进行光合作用，同时抗逆性差、易引起病虫害，反而影响小麦质量及产量[5]；二是“强秆育种”策略，即提高小麦茎秆的机械强度，该策略以实现抗倒伏与产量协同改良为目的，克服了传统“矮秆育种”策略造成的产量下降的弊端，是抗倒伏育种关注的重点[6]。

谷物茎秆是一种典型的多相、筛状、不连续、不均匀和各向异性的复合材料，其强度受到多方面因素的影响。在对水稻抗倒伏的研究中发现，较大的茎秆直径可能有利于茎的整体强度[7]。然而，Kelbert等[8]在对13种不同春小麦的调查中未发现茎秆直径与抗倒伏之间显著的相关性。在大麦的研究中则发现，茎直径反而与茎秆强度呈负相关[9]。随后，Wang等[10]发现，小麦茎有的外皮层或壁厚往往影响茎秆强度，指出茎秆强度和弹性与茎秆显微结构组成密切相关。茎秆横切面显微结构主要包括厚壁机械组织、小维管束、薄壁组织、大维管束，前2个一起构成了茎秆的紧密层，后2个则构成了稀疏层[11]。一般认为，紧密层的机械组织细胞及维管束特征可能与小麦茎秆强度存在着高度相关性[10]。同时一些研究也认为，薄壁组织正向影响茎秆力学特征，在小麦圆柱形强秆的塑造中具有积极作用[12]。但Wang 等[10]研究却发现，薄壁组织的数量与茎的强度呈负相关。

纤维素和木质素是构成小麦茎秆的重要结构性碳水化合物。其中纤维素是细胞壁的主要组成成分，形成了小麦茎秆的支撑骨架。而木质素作为仅次于纤维素的第二大高分子聚合物填充于纤维素构成的骨架之中，增强茎秆的硬度和支撑强度。因此，木质素和纤维素的含量将会对茎秆强度有直接影响，从而影响到作物的抗倒伏能力。Shah等[13]研究指出，纤维素含量可增强茎秆机械强度；杨霞等[14]对六倍体小黑麦和普通小麦中国春的化学成分研究发现，小黑麦的纤维素含量高于中国春，小黑麦更抗倒伏。而人们对小麦茎秆中木质素含量与茎秆强度的关系一直存在争论。大多研究者认为，茎秆木质素含量与小麦倒伏率呈显著负相关[15]，但韩新峰[16]通过对232份小麦品种资源抗倒伏相关因素分析后发现，木质素含量与茎秆强度相关性并不显著。

综上，关于小麦茎秆显微结构和生化组成及其与茎秆强度关系的研究有限且存在争议。因此，本研究在广泛调查了我国育成的主要小麦品种(系)的茎秆强度基础上，进一步关注内部因素中小麦的茎秆显微结构和生化组分，研究小麦茎秆的显微结构和木质素、纤维素含量与小麦茎秆强度之间的关系，以探寻影响小麦茎秆强度的关键因素，为选育抗倒伏小麦品种(系)提供理论参考；同时，筛选出的茎秆特征优异的小麦材料，可作为小麦“强秆育种”的重要遗传资源。

1 材料和方法

1.1 试验材料与处理

选取72份我国推广小麦品种、新育成品种(系)作为试验材料。

于2019年10月20日分别种植于河南大学试验田、河南省开封市王周庄试验田，采取随机区组设计，每个小麦种质材料为1个小区，小区行长1.50 m，行距 0.25 m，共6行，每行播种50粒，2次重复。在此期间，对小麦进行常规大田管理，其生长发育的整个期间未出现严重病虫害。分别于开花期(小麦材料所在小区50%植株第一朵花开放时期)、灌浆中后期(开花后20 d)随机取典型植株3株，除去基部第2茎节的叶鞘，在其茎秆中部切取2 cm长的横切环，放入FAA(甲醛-乙酸-乙醇)固定液中固定24 h以上，用于茎秆显微结构观察备用。于小麦乳熟期(开花后30 d)，随机取5株主茎的基部第2茎节秸秆，80 ℃烘干至恒质量，之后粉碎，过孔径为0.50 mm的筛网，称取大约0.5 g到5 mL EP管中，用于木质素、纤维素含量测定。

1.2 小麦茎秆强度的聚类分析

分别在每一小麦品种(系)的开花期、灌浆期和乳熟期随机取5株，采用茎秆强度检测仪YY1-a(浙江托普仪器有限公司)测定茎秆基部第2茎节强度(Stem strength，SS)。并基于3个发育时期的茎秆强度数据，利用RStudio数据分析软件，计算欧式距离，经UPGMA法聚类分析，绘制材料间的聚类分析图，根据小麦材料的茎秆强度遗传差异进行分组。

1.3 小麦茎秆显微结构观察

1.4 小麦茎秆木质素、纤维素含量测定

利用粉碎的秸秆，使用Solarbio 生物技术公司的纤维素含量检测试剂盒提取纤维素并计算纤维素含量；使用Solarbio 生物技术公司的木质素含量检测试剂盒，提取木质素并计算木质素含量。

1.5 小麦茎秆显微结构、生化指标的数据分析

利用IBM SPSS Statistics 26对小麦开花期和灌浆期的茎秆显微结构，以及乳熟期的木质素、纤维素含量进行遗传变异分析；利用IBM SPSS Statistics 26进行显微结构、木质素和纤维素含量与茎秆强度的相关性分析，了解小麦茎秆显微结构及主要生化组分对小麦茎秆强度的影响。利用IBM SPSS Statistics 26进行茎秆显微结构的主成分分析，计算各主成分的方差贡献率，提取公因子，计算每个材料的因子评价值，并将各因子对应的方差贡献率比例作为权数计算得到综合因子得分。将显微结构的综合因子得分和木质素、纤维素含量作为3种变量类型，利用RStudio数据分析软件，计算欧式距离，经UPGMA法聚类分析，绘制材料间的聚类分析图，综合评价各个小麦材料的显微结构和生化指标等茎秆强度相关性状的表现。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种(系)茎秆强度的聚类分析

本研究首先基于小麦开花期、灌浆期、乳熟期3个生育时期的茎秆强度进行72份小麦品种(系)的聚类分析(图1)。所有小麦材料按茎秆强度可分为两大类：一类由漯麦163、河开2号、竹子麦、济南17、周麦27、丹麦128、周麦36、漯麦906、漯麦36、漯麦40和漯麦44 等11个小麦材料组成，其茎秆强度在3个生育时期表现最为优秀，定义为高强度(High strength，H)组；另一大类由61份茎秆强度表现不佳的小麦材料组成，分为中等强度(Medium strength，M)组和低强度(Low strength，L)组。其中L组中，中国春、新麦26、天民298、新植716、百农416、开麦26号、开抗2号、陕225、郑麦37、开麦18号、开抗1号和郑麦0943 等12个小麦材料茎秆强度相对较弱。

2.2 不同茎秆强度小麦茎秆显微结构差异

小麦茎秆显微结构是影响小麦茎秆强度的关键因素，为全面了解小麦茎秆在不同生育时期、不同茎秆强度下的显微结构状况，对72个小麦材料进行开花期和灌浆期茎秆强度及显微结构遗传变异分析(表1)。结果显示，不同生育时期的茎秆强度出现了显著差异(P<0.05)，表现为开花期显著高于灌浆期；而茎秆显微结构中的机械组织厚度也出现了显著差异(P<0.05)，开花期显著高于灌浆期；而其他茎秆显微结构相关性状在开花期和灌浆期均无显著差异(P>0.05)。72份小麦材料的茎秆强度和小维管束数目及比例均具有较大的变异系数，表明小麦材料间的茎秆强度、小维管束数目及比例出现了较大的遗传变异。

表1 不同生育时期小麦茎秆横切面的显微结构比较Tab.1 Comparison of microstructure of stem cross section in different growth stages of wheat

针对茎秆强度聚类分析筛选出的H组和L组材料，将不同生育时期的显微结构数据取平均值，比较2组材料显微结构的遗传差异(表2)，结果显示，2组间的薄壁组织厚度、机械组织厚度和大维管束面积的平均值均有显著或极显著差异(P<0.05或P<0.01)，表明较厚的薄壁组织厚度与机械组织厚度、较大的大维管束面积有利于增强小麦茎秆强度。

表2 不同茎秆强度分组下小麦茎秆显微结构比较Tab.2 Comparison of microstructure of wheat stem under different stem strength groups

图1 72份小麦材料基于3个生育时期的茎秆强度的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 72 wheat varieties(lines)based on stem strength at three growth stages

2.3 小麦茎秆横切面的显微结构与茎秆强度的相关性分析

茎秆显微结构相关性状与茎秆强度的相关性分析显示(表3)，无论开花期还是灌浆期，机械组织厚度、大维管束面积与茎秆强度均有极显著的相关性，再次印证了小麦茎秆的机械组织越厚、大维管束面积越大，其茎秆强度越强。如竹子麦、济南17、漯麦163、天民304和兰硬7茎秆强度较强的小麦材料均具有较厚的机械组织厚度(105.9～108.0 μm)和较大的大维管束面积(891.55×103～1 160.92×103μm2，而茎秆强度较弱的中国春、新麦26等的机械组织厚度(70.83～85.20 μm)和大维管束面积(704.29×103～852.13×103μm2)均相对较小(图2)。

表3 小麦茎秆横切面的显微结构与茎秆强度的相关性分析Tab.3 Correlation analysis between microstructure of stem cross section and stem strength of wheat

A.济南17；B.中国春；C.漯麦163；D.新麦26。a.机械组织；b.小维管束；c.大维管束；d.薄壁组织。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 小麦茎秆显微结构的主成分分析

基于72份小麦材料不同生育时期的显微结构数据平均值进行茎秆显微结构的主成分分析，最终提取、保留3个公因子(特征值>1)(表4)，其累积方差贡献值为81.880%。在第1公因子表达式中，大维管束面积的荷重最大，表明其为反映小麦茎秆显微结构的关键指标；第2公因子表达式中，机械组织厚度具有最大的系数，其为反映小麦茎秆显微结构的另一关键指标；第3公因子表达式中，大维管束数目具有最大的系数，而且它与大维管束面积极显著相关(P<0.01)。以上结果表明，大维管束面积和机械组织厚度从不同方面反映了群体的茎秆显微结构特点，是影响小麦抗倒性的关键性状。根据公因子表达式计算因子得分，并将各公因子对应的方差贡献率比例作为权数计算综合得分，用于后续不同小麦材料的聚类分析。

表4 小麦茎秆显微结构的主成分特征值及贡献率Tab.4 Eigen value and variance contribution of principal components of microstructure of wheat stem

2.5 小麦茎秆木质素和纤维素含量的遗传差异

本研究测定了72份小麦材料的木质素和纤维素含量，结果显示，72份小麦材料的木质素含量平均值为16.58%，标准差为2.44%，变异系数为15.0%，其中漯麦906、漯麦116、周麦36、漯麦47、漯麦50及硬粒小麦兰硬7的木质素含量在20%以上；所有材料的纤维素含量平均值为389.24 mg/g，标准差为77.35 mg/g，变异系数为20.0%，其中漯麦906、河开2号、济南17、百农419、郑麦379、周麦27以及竹子麦的纤维素含量在500 mg/g以上。

将H组和L组材料的木质素和纤维素含量进行差异分析，结果显示，H组木质素含量平均值为19.04%，远大于L组木质素含量(平均值为13.98%)，两组差异极显著(P<0.01)；H组纤维素含量平均值为471.48 mg/g，远大于L组纤维素含量(平均值为346.13 mg/g)，两组差异也达到极显著水平(P<0.01)。

木质素含量和纤维素含量与茎秆强度的相关分析显示，木质素含量与茎秆强度的相关系数为0.353，呈极显著相关(P<0.01)；纤维素含量与茎秆强度的相关系数为0.390，也呈极显著相关(P<0.01)。以上结果均表明，木质素和纤维素含量是影响小麦茎秆强度的重要因素。

2.6 基于小麦显微结构和生化指标的聚类分析

将显微结构的综合因子得分和木质素、纤维素含量作为3种变量类型进行72份材料的聚类分析(图3)，结果显示，所有材料分为Ⅰ、Ⅱ两大类。其中，Ⅰ类由百农419、漯麦163、郑品麦24、矮抗58、周麦26、周麦32、周麦36、存麦8号、漯麦47、兰硬7、丹麦128、漯麦3192、漯麦906、竹子麦、济南17、郑麦379、河开2号和周麦27 共18份小麦材料组成，该组材料在茎秆显微结构和生化指标方面表现突出，可作为今后强秆育种的重要亲本资源。

图3 72份小麦材料基于茎秆显微结构和生化指标的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of 72 wheat varieties(lines)based on microstructure and biochemical indexes of stem

3 结论与讨论

倒伏是限制小麦高产的主要因素之一，可致使小麦减产7%～80%[17]。尤其在小麦灌浆期，出现大范围的大风、降雨天气，往往造成小麦严重倒伏，因此，抗倒伏小麦材料的开发与推广显得尤为重要[18-19]。多年来，人们通常采用导入半矮秆等位基因或使用植物生长调节剂等手段来降低植株的高度，从而减少倒伏[6]。而研究表明，小麦植株高度最小应在0.7～1.0 m才能确保高产；且极端矮秆往往伴随着叶密度更高、谷粒萎缩、过早成熟、对疾病的易感性增加等，因此，通过持续矮化改善小麦倒伏的效果是有限的[5，20]。同时，若茎强度较弱，倒伏仍可能出现在矮秆品种中[21]。因此，提高茎秆强度是实现小麦高产、抗倒育种的根本手段。

茎秆强度是一个复杂的特征，与茎的解剖特征密切相关。本研究综合了小麦不同生育时期的茎秆强度进行72份小麦品种(系)的聚类分组，在此基础上，进一步对这些小麦材料的茎秆显微结构如薄壁组织厚度、大维管束数目、小维管束数目、大维管束面积、小维管束比例、机械组织厚度和机械组织层数等性状进行分析，通过不同生育时期茎秆强度及显微结构的比较、H组和L组材料显微结构的遗传差异分析、茎秆显微结构与茎秆强度的相关分析及茎秆显微结构的主成分分析等多方面研究证明，机械组织厚度与大维管束面积是影响小麦茎秆强度的关键显微结构，这与Kong等[22]的考察结果基本一致。分析原因，可能是由于机械组织层中的木质素和纤维素含量较高，同时维管束周围的细胞富含木质素和纤维素[11，23]。此外众多研究者发现，在小麦、黑麦和燕麦等作物中，维管束数量的减少往往伴随着茎秆倒伏的增加[13，15，24]。而本研究发现，大、小维管束数量和机械组织层数在不同茎秆强度小麦材料中并没有明显变化，且与茎秆强度无明显相关性，这与Dunn等[9]在大麦中、Kong等[22]在小麦中的发现一致。结论不一致可能是因为整体大维管束面积对茎杆强度有积极影响，但不同研究的样本基因型存在差异，有的是以维管束数量上的优势影响整体维管束面积，而有的主要以每个大维管束横截面大小决定整体维管束面积。

小麦中的结构性碳水化合物，如木质素和纤维素，与植株的抗倒伏能力紧密相关[3，25-27]。许多研究表明，纤维素或木质素的积累与水稻、小麦、荞麦等茎的机械强度有显著的相关性，倒伏敏感品种茎秆木质素和纤维素的积累量相对较低[3，28-29]。但Kong等[22]指出，倒伏与木质素和纤维素含量无显著相关性，但实秆材料的木质素和纤维素含量却明显较高。本研究测定了72份小麦品种(系)的纤维素和木质素含量，结果显示，H组的纤维素和木质素含量均高于L组，且相关分析显示，茎秆纤维素和木质素含量与茎秆强度显著相关，但相关系数较小，分别为0.390和0.353，表明纤维素和木质素是决定茎秆强度的关键因素，但相关程度不高。有关茎秆化学组分与茎秆强度关系的研究结论不一致，可能是由试验者所选取的样本遗传差异或样本量差异造成的。

茎秆倒伏抗性密切依赖于基因型，不同的小麦材料其茎秆强度存在较大的遗传变异[17]。由于小麦茎秆机械组织厚度和大维管束面积等显微结构及木质素、纤维素等化学组分含量是影响小麦茎秆强度的关键，因此育种过程中，可选择具备此类优异茎秆特征的小麦材料作为亲本，引入优势基因型，从而优化高产小麦的相关特性[17]。本研究调查了72份小麦品种(系)的茎秆显微结构，利用主成分分析法计算得到衡量每个小麦材料显微结构的综合因子得分，将其与木质素含量、纤维素含量2个变量一起进行聚类分析，综合评价了不同材料在小麦茎秆强度相关性状表现上的优势程度，筛选出的18份小麦材料可作为小麦“强秆育种”的重要遗传资源。