糯高粱顶土能力与幼苗器官形态关系的研究

张晓娟，刘勇，王绘艳，聂萌恩，张一中，范昕琦，梁笃，郭琦，柳青山

（山西农业大学 高粱研究所/省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹）/高粱遗传与种质创新山西省重点实验室，山西 晋中 030600）

高粱是传统的特色杂粮作物，也是抗旱首选作物之一［1］。在全世界分布范围广，具有食用、酿酒、饲用、能源、青贮用等多种用途［2］。近年来，高粱在生产上常出现种子出苗率低的问题，有时甚至出现缺苗断垄、毁种等现象。因此，提高高粱种质出苗率已成为高粱育种工作者亟待解决的问题。

研究发现造成高粱种子出苗率低的原因很多，包括土壤的土质类型、温湿度因素、肥力状况、播种深度［3-4］、气候因素（低温冷害）、病虫害等环境因素［5-8］。其中，种子活力和播种深度是最重要的因素［9-10］。胚芽鞘在作物生长初期具有重要意义，是作物子叶应对生长初期逆境的保护组织。而中胚轴是联系初生根与苗端的过渡区，在种子萌发至成为幼苗的过程中，中胚轴伸长将胚芽连同胚芽鞘送至土表。目前，胚芽鞘和中胚轴伸长对出苗率变化的影响在水稻［11］、玉米［12-15］等作物中均有研究。张光恒等［11］采用不同覆土深度研究水稻种子出苗顶土动力源，发现芽鞘节间和中胚轴的伸长对种子顶土出苗起关键作用。曹慧英等［12］发现随着播种深度的增加玉米出苗率逐渐下降。李月明等［13］发现室内活力指标可作为耐深播玉米杂交种的参考依据，中胚轴伸长和中胚轴干重对玉米杂交种出苗起主要促进作用。但高粱中关于中胚轴和胚芽鞘的报道极少。

闫凤霞等［16］在不同高粱种质幼苗器官形态与出苗能力关系的研究中发现，高粱中胚轴的伸长能力是决定不同播种深度处理出苗率变化的重要因素。陈冰嬬等［17］认为高粱中胚轴的伸长特性是基因型与环境互作的结果，杂交种中胚轴伸长特性受母本影响较大。可见，高粱中胚轴的伸长能力与出苗率存在着相关性。但是上述研究只针对室内模拟条件，而大田条件与室内存在着一定的环境因素差异，如土壤的土质条件、气候因素、肥力状况以及整地质量等因素都会影响高粱种植的全苗、壮苗情况，所以本文采用了大田试验对室内试验的研究结果进行了进一步的验证。

高粱籽粒根据淀粉结构可分为糯高粱和粳高粱，优质糯高粱是名优白酒的主要酿造原料［18-19］。本研究选用新选糯高粱种质进行室内发芽试验，通过培养皿无阻力发芽、无光照条件水培、不同播种深度沙培以及大田调查出苗率研究高粱种质的出苗能力，分析中胚轴和胚芽鞘伸长的特性与种子出苗率之间的关系，寻找高粱种质顶土出苗的主要促进因素，为进一步利用中胚轴长的种质资源，进行目标品种的选育提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

糯高粱品种晋糯3 号（10480A2×L17）、晋糯4号（11476A2×L2R）、红糯16 号（11494A2×L17）及对应的父母本共8 份种质材料，由山西农业大学高粱研究所提供。

1.2 试验设计方法

试验于2022 年春季在山西农业大学高粱研究所高粱遗传与种质创新山西省重点实验室与东白育种基地进行。发芽试验分4 种：培养皿无阻力发芽、黑暗水培发芽、3 个不同播深沙培发芽、大田出苗率调查试验。培养皿无阻力发芽用于统计高粱种质发芽势和发芽率；黑暗水培和沙培发芽通过测量胚芽鞘和中胚轴长度，分析其与高粱种质顶土出苗能力的关系；大田试验通过调查出苗率，分析出苗率与各性状之间的相关性。

1.2.1 无阻力发芽

先将培养皿洗干净置于烘干箱内烘干消毒2 h。再将每份种质去杂质，挑选大小一致、子粒饱满的种子各100 粒，先用75%酒精浸泡3 min 冲洗干净，再用10%双氧水消毒30 s，用流动水冲洗干净。然后均匀摆放于铺有定性滤纸的培养皿中，滤纸用无菌水喷湿，最后置于培养箱内25 ℃条件下培养发芽。第3 天初次统计发芽种子数，第10 天末次统计发芽种子数，并计算发芽势和发芽率。

1.2.2 黑暗条件下水培发芽

挑选各种质种子30 粒，均匀排放于特制装置中，使种子漂于水面上，育苗培养室温度28 ℃，相对湿度75%，黑暗培养1 周，3 次重复，随机取样测定胚芽鞘和中胚轴长度。

1.2.3 沙培发芽

在育苗培养室进行。各种质挑选50 粒饱满种子，均匀撒入铺有2 cm 沙子的花盆中，播种深度设3个处理：3、5、7 cm，每个处理重复3 次。播种后，每隔3 天记录1 次出苗数，最后计算出苗率。20 天后拔起完整幼苗，随机取样测量胚芽鞘和中胚轴长度。

1.2.4 大田出苗率调查试验

在东白基地试验田，每份材料种植2 个穗行，小区面积5 m×2.5 m，每小区种植6 行，设3 次重复，随机区组排列，田间管理按一般大田水平管理，在出苗期调查出苗率。

1.3 数据处理

试验数据采用EXCEL 软件分析数据和绘图，用DPS 软件对各处理的数据进行单因素方差（ANOVA）分析，用LSD 多重比较法进行显著性差异分析。图表中将晋糯3 号（10480A2×L17）、晋糯4 号（11476A2×L2R）、红糯16 号（11494A2×L17）各项指标与其对应的父母本各项指标进行比较。

2 结果与分析

2.1 高粱种质的发芽势和发芽率

无阻力条件下高粱种子发芽试验结果表明（图1），供试材料中亲本11494A2和L17 发芽率和发芽势均较低，分别为65%、69%和59%、63%，而其余材料的发芽率和发芽势均达到80%和70%以上。具体表现为：晋糯4 号发芽率最高，晋糯3 号次之，而红糯16 号发芽率最低。此外，3 个杂交种的发芽势和发芽率均大于其对应的父母本，如晋糯4 号发芽势和发芽率分别为86% 和93%，而其父母本11476A2和L2R 发芽势及发芽率分别为80%、72%和87%、80%。

图1 高粱供试材料发芽势（a）和发芽率（b）Fig. 1 Germination potential and germination rate of sorghum test materials

2.2 黑暗水培处理条件胚芽鞘和中胚轴的发育

黑暗水培处理种质发芽，测量胚芽鞘和中胚轴长度结果如表1 所示，3 组材料（杂交种及对应的亲本）中胚轴测量结果显示，杂交种晋糯3 号、晋糯4号与对应母本差异极显著，红糯16 号与对应母本差异显著。L2R 和晋糯4 号的中胚轴最长，分别为8.73 cm 和8.53 cm，中胚轴最短的是红糯16 号及其母本11494A2，分别为7.03 cm 和6.73 cm。这与沙培处理种质发芽的结果是相一致的，中胚轴伸长与其对应母本相一致，黑暗水培处理对高粱胚芽鞘的生长影响不大，对中胚轴伸长影响较大。由结果推测高粱种子发芽的顶土动力主要来自于中胚轴的伸长。

表1 供试种质黑暗水培处理结果Table 1 Results of dark hydroponic experiments of tested germplasm

2.3 高粱种质沙培发芽结果

模拟大田环境进行沙培发芽，结果如图2 所示，高粱种质随着播种深度的增加出苗率呈下降趋势，但下降幅度有所不同。如11476A2、10480A2在播种深度为3 cm 时，出苗率分别为93%和92%，当播深为7 cm 时，出苗率降至77%和74%；而11494A2和L17 在播深为3 cm 时出苗率分别为62%和74%，当播深增至7 cm 时，出苗率分别下降至26% 和48%，表明不同材料的顶土能力对播种深度的敏感程度不同。试验显示种质11476A2、10480A2对播种深度有一定的耐受力，顶土能力较强；而种质11494A2和L17 则表现对播种深度较敏感，顶土能力较弱。同时显示各杂交种的出苗率基本与其对应的母本相一致，如晋糯3 号与晋糯4 号，其出苗率较高，而对应的母本10480A2、11476A2出苗率也较高；“红糯16 号”这个组合，父本L17 出苗率比母本11494A2较高，但母本11494A2却显示顶土能力较弱、出苗率较低，而“红糯16 号”出苗率也较低，说明杂交种的顶土能力可能遗传自母本。

图2 不同播深处理下供试材料出苗率Fig. 2 Seeding rate of tested materials in different sowing depth treatments

2.3.1 不同播深处理幼苗器官形态伸长与顶土能力分析

本试验对不同播深处理下的高粱种质幼苗器官形态中胚轴和胚芽鞘的长度进行了观察测量（表2）。结果显示，3 cm 与7 cm 播深处理下，各材料胚芽鞘长度差异仅L17 与晋糯3 号表现为差异显著，其余材料均差异不显著，而中胚轴长度均为差异极显著，且随着播种深度的增加中胚轴呈变长趋势。当播种深度为7 cm 时，晋糯4 号与L2R 中胚轴最长，分别为8.50 cm 和7.20 cm；而11494A2和红糯16 号中胚轴长度最短，分别为5.90 cm 和6.03 cm。说明播种深度对高粱胚芽鞘的生长影响不大，对中胚轴伸长影响较大；由此推断高粱发芽的顶土动力源主要来自于中胚轴的伸长。

表2 不同播深处理各材料胚芽鞘与中胚轴长度比较Table 2 Comparison of coleoptile and mesocotyl length in different sowing depth treatments

2.3.2 高粱中胚轴伸长与出苗率的关系

对供试种质在不同播深处理中，中胚轴和出苗率的变化进行分析，结果如表3。高粱在不同播深3 cm 与7 cm 处理中所测中胚轴长度差介于1.63%~4.23%之间，同样处理出苗率（减小）变化范围在13%~41%之间。中胚轴长度差表现最大的是晋糯4 号（4.23 cm），最小的是红糯16 号和11494A2（1.63 cm 和2.27 cm）；同时晋糯4 号出苗率变化最小（13%），与其对应的父母本出苗率变化差异不显著，即在不同播深处理下，晋糯4 号出苗率都维持着较高的水平，而红糯16 号和11494A2则相反，随着播深增加出苗率变化较大，分别为41%和36%。对在3 cm 和7 cm 播深处理的中胚轴长度之差和出苗率变化进行相关分析，中胚轴长度差与出苗率变化程度呈极显著负相关（R2=-0.78**），说明不同播深处理下中胚轴长度变化越大，出苗率变化（减小）程度越小。

表3 供试种质不同播深处理中胚轴长度差和出苗率变化Table 3 The differences between mesocotyl length and the emergence rate in different sowing depth treatments

2.4 大田试验调查种质出苗率与各性状指标相关性分析

为进一步验证室内试验研究结果，采取了大田试验，在苗期对各种质进行了出苗率调查，并与发芽势、发芽率、胚芽鞘、中胚轴进行了相关分析。由表4 可以看出，出苗率与中胚轴呈显著正相关（P<0.05），发芽率、发芽势与出苗率均呈正相关，发芽率与发芽势呈极显著正相关（P<0.01）。说明中胚轴的伸长能力对高粱的出苗顶土能力起主要促进作用。

表4 大田试验糯高粱种质出苗率与各性状指标相关性分析Table 4 Correlation analysis between seeding rate and each characters index of sorghum germplasm

3 讨论

高粱是我国传统白酒和山西老陈醋的主要酿造原料，具有抗旱节水、耐瘠耐涝等特性，在有机旱作农业中发挥着重要的作用。随着我国农业机械化水平不断提高，大规模种植高粱基本已实现全程机械化，特别是机械精量播种技术，解决了高粱人工间苗难、效率低的问题，这要求品种的种子顶土能力强，确保播种后苗齐苗全。

成慧娟等［9］研究发现同一个高粱品种发芽势不同，出苗率也不同。本文无阻力发芽试验研究结果表明，供试种质发芽势和发芽率具有明显差异，3 个杂交种的发芽势和发芽率均大于其对应的父母本。陈冰嬬等［17］等研究发现杂交种的中胚轴伸长特性是负向中亲优势，且偏向母本。本文黑暗水培处理试验表明杂交种中胚轴伸长与其对应母本相一致。李志华等［7］研究了不同土壤类型不同覆土厚度对高粱出苗率的影响，结果显示不同土质对高粱出苗能力的影响较大，出苗能力弱的种质，播种厚度不宜过深。本文沙培试验结果表明供试材料随着播种深度的增加，其出苗率呈逐渐下降的趋势，同时显示各杂交种的出苗率基本与其对应的母本相一致，无阻力和沙培试验的结果均显示，3 个杂交种发芽率依次为晋糯4 号>晋糯3 号>红糯16 号，说明杂交种的顶土能力可能遗传自母本。因此在组配杂交种时，应该注意选择中胚轴伸长较长且综合性状较好的不育系亲本进行组配。

周瑜等［20］研究发现随着播深的增加，高粱中胚轴长、根重和根冠比都显著增加，而胚芽鞘长无显著变化。本研究中不同播种深度处理下种质胚芽鞘长度变化不明显，而中胚轴显著伸长，黑暗水培处理同样对高粱胚芽鞘的生长影响不大，对中胚轴伸长影响较大，说明中胚轴的伸长能力是高粱种质出苗率变化的重要因素。王良群等［21］对高粱出苗能力与幼苗器官形态进行相关分析，发现高粱出苗能力与根茎长呈正相关。李月明等［13］对播深15 cm条件下玉米自交系田间出苗性状进行相关分析，发现苗长、苗重和根冠比与田间出苗率显著相关。本研究在大田条件下对供试糯高粱出苗率与相关性状指标进行相关分析，结果表明出苗率与中胚轴、发芽率、发芽势均呈正相关，其中与中胚轴呈显著正相关。说明出苗率与中胚轴长度高度相关，可以通过室内发芽试验观察中胚轴长度初步鉴别种质出苗能力。

在实际田间种植过程中，影响高粱出苗率的因素还有很多，如种子成熟度、种子量、药剂影响等［10］，而选育优良品种是高粱获得高产的重要因素之一，发掘出苗率高且稳定的种质资源至关重要。因此在选用种质的时候尽量选用种子成熟度好、活力高的长胚轴种质。田间播种不仅要考虑土壤类型与气候特征，还要考虑播种深度，要科学选种、科学选择种植方式。

4 结论

高粱中胚轴的伸长对出苗顶土能力具有一定的促进作用，杂交种的顶土能力与其对应的母本相一致。本研究发现，种质11476A2、10480A2是杂交测配的优良亲本。11476A2、10480A2中胚轴伸长能力、顶土能力较强；而11494A2和L17 中胚轴伸长能力、顶土能力相对较弱，不宜深播。结合前人研究结果，笔者认为在高粱遗传育种过程中，为了保证出苗率，要注重选育中胚轴伸长能力大、顶土能力强的亲本种质，尤其是母本的选育。