刈割对青稞恢复特性及籽粒和秸秆产量品质特性的影响

贺佳奇 白羿雄,3,4 姚晓华,4 姚有华,4 安立昆,4 王玉琴 王小萍李 新,4 崔永梅,4 吴昆仑,4,*

1 青海大学 / 青海省农林科学院 / 青海省青稞遗传育种重点实验室 / 国家麦类改良中心青海青稞分中心, 青海西宁 810016; 2 青海大学畜牧兽医科学院(青海省畜牧兽医科学院), 青海西宁 810016; 3 西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100; 4 青藏高原种质资源研究与利用实验室, 青海西宁 810016

青稞(HordeumvulgareL. var.nudumHook. f.)是高寒地区主要粮饲兼用作物之一, 具有抗寒、耐旱、抗逆性强等特点[1], 是唯一可在海拔3000 m 以上冷凉区域正常成熟的粮饲两用作物。青稞青苗与秸秆可用于牲畜饲喂, 且青苗富含可被牲畜消化吸收的粗蛋白、灰分、脂肪等营养物质, 而木质素和纤维素类不易被牲畜直接消化的物质含量较低[2]。青稞青苗相对饲喂价值较高, 为农牧交错区牲畜快速育肥提供优质补饲饲料。

刈割是作物多元化利用的一种重要方式, 该利用途径可在传统作物利用方式基础上, 拓宽其饲用化利用方式。刈割通过去除地上部作物组织, 会减少同化物合成并阻断营养物质转运, 影响同化物的再分配, 使库器官中营养物质积累情况发生变化, 导致再生作物籽粒产量和品质会产生相应变化[3-4]。合理刈割方式有利于作物秸秆籽粒产量与品质提升[5],分蘖盛期刈割可不影响小麦籽粒产量[6], 留茬高度8 cm 有助于促进青稞穗部、茎部和根系的生长发育,提高籽粒产量[7]。Butchee 等[6]研究结果表明刈割后留茬12 cm 有利于维持小麦籽粒产量, 而留茬高度降低会导致籽粒减产。Zeleke 等[8]通过刈割方式对春小麦进行模拟放牧, 发现中晚熟小麦品种开展模拟放牧后可在不影响籽粒产量前提下, 能有效填补饲料缺口。张腾薇等[9]研究了刈割可使全株大麦青贮饲草中粗蛋白、可溶性碳水化合物含量增高, 粗灰分含量降低。李变变等[10]研究结果表明于适期刈割有助于油莎豆增产且其块茎中淀粉、粗蛋白、粗脂肪、不饱和脂肪酸、油酸以及含油量均显著提升。陈晓东等[11]研究表明于分蘖期刈割留茬8 cm 时, 在不影响大麦籽粒产量的前提下, 可提升大麦饲草品质。

目前, 围绕青稞刈割后茎部组织再生恢复特性、抗氧化酶活性与植物激素响应方面的研究仍尚属空白。本研究拟通过课题组前期筛选出的最适刈割期和留茬高度开展刈割试验, 并对刈割后青稞茎秆和籽粒品质特性开展相关分析, 以探明刈割对青稞籽粒和秸秆产量与品质特性的影响; 并就刈割后青稞茎秆再生恢复速率、抗氧化酶活性和刈割后72 h 内激素响应情况开展相关研究, 以期从农艺与理化角度探明青稞刈割后响应情况, 进而为青稞的多元化利用和再生恢复机制的解析提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2021—2022 年在青海省西宁市青海大学农林科学院作物所试验田(36°56′N, 101°74′E)进行。试验地年均气温7.6 ℃, 海拔2261 m。供试材料为本课题组从种质资源中筛选出的再生恢复速率快的青稞新品种昆仑18 号和再生恢复速率慢的青稞种质藏1257, 均由青海大学农林科学院提供。试验采用两因素裂区设计, 试验设正常生长(CK)和刈割处理(M)两个水平, 管理措施同大田生产一致。于分蘖盛期[7]利用割草机(HD 20, 诸暨市海道机械有限公司)进行刈割, 高度挡杆调节至8 cm[7], 于刈割后不同生育阶段取材, 分别为T0: 0 h、T1: 割后2 h、T2: 割后24 h、T3: 割后72 h、T4: 拔节期(割后第7 天)、T5: 抽穗期(割后第20 天)、T6: 灌浆期(割后第37天)。试验设3 次重复, 行距为15 cm, 小区间距45 cm, 小区面积2.5 m×4.0 m。

1.2 测定内容与方法

1.2.1 农艺性状测定 秸秆及籽粒产量: 于成熟期在各小区取15 株完整青稞植株, 参照赵小红等[12]研究方法测定株高、秆强和单株生物量。测定完茎部农艺性状后剪去穗部与根部, 将茎秆烘干后称重。各小区植株收获后脱粒, 风干至恒重后称千粒重及籽粒产量。秸秆及籽粒品质: 粗蛋白、粗灰分、木质素、纤维素类、淀粉和相对饲喂价值均参照赵小红等[12]研究方法进行测定。

1.2.2 假茎或茎秆中抗氧化酶活性的测定 于茎基部3 cm 以上切下2 cm 的假茎或茎秆[13], 测定过氧化物酶(POD)采用比色法、过氧化氢酶(CAT)采用钼酸铵法及超氧化物歧化酶(SOD)采用羟胺法进行测定(试剂盒, 南京建成生物科技有限公司)。

1.2.3 假茎中内源激素含量测定 于茎基部3 cm以上切下2 cm 的假茎茎段, 采用Pan 等[14]测定方法,利用液相色谱-质谱联用技术(HPLC-MS)技术测定假茎中反式玉米素(tZT)、吲哚-3-乙酸(IAA)、反式玉米素核苷(TZR)、异戊烯基腺苷(iPA)和脱落酸(ABA)含量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 软件进行绘图和数据处理。利用SPSS 20.0 进行方差分析, 利用Origin 2023 b 进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 刈割对秸秆籽粒产量及品质恢复特性的影响

2.1.1 刈割对秸秆产量恢复特性及品质特性的影响

刈割会影响青稞再生秸秆产量和品质特性。刈割使昆仑18 号和藏1257 秸秆产量均升高(图1)。刈割使再生茎秆中不易消化的纤维素、半纤维素、木质素、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量均降低;使再生茎秆中可被牲畜消化吸收的粗蛋白和粗灰分含量升高, 致使相对饲喂价值均升高(表1)。秸秆品质特性在品种间存在一定差异, 再生恢复慢的藏1257 秸秆相对饲喂价值高于再生恢复快的昆仑18 号。

表1 刈割处理对后茬青稞秸秆品质特性的影响Table 1 Effect of mowing treatment on quality characteristics of barley straw after stubble

图1 刈割对秸秆产量的影响Fig. 1 Effect of cutting on straw yield

2.1.2 刈割对青稞籽粒产量及品质特性的影响 刈割使青稞植株千粒重与每公顷穗数升高, 每穗的穗粒数降低, 致使籽粒产量显著升高。每公顷穗数和千粒重增加对籽粒产量提升贡献最大。昆仑18 号穗粒数、千粒重、每公顷穗数和籽粒产量均高于藏1257 (表2)。刈割处理提高青稞籽粒中粗蛋白与淀粉含量(表3)。籽粒中粗蛋白和淀粉含量在品种间存在一定差异, 再生恢复慢的藏1257 籽粒中粗蛋白和淀粉含量均高于再生恢复快的昆仑18 号。

表2 刈割对籽粒产量的影响Table 2 Effect of mowing on seed yield

表3 刈割对籽粒品质的影响Table 3 Effects of cutting on grain quality

2.2 刈割对茎部再生恢复特性的影响

青稞茎部株高和单株生物量的生长恢复速率随发育期推进呈先升高后降低趋势。茎部不同指标对刈割响应情况存在差异, 刈割后青稞再生植株的株高和单株生物量的恢复速率在各发育期均升高。青稞品种对刈割响应存在一定差异, 刈割后再生恢复快的昆仑18 号茎部中株高和地上部生物量的再生恢复速率均高于再生恢复慢的藏1257。昆仑18 号为刈割后地上部再生恢复速率相对较快的青稞品种,藏1257 为割后地上部再生恢复速率相对较慢的青稞种质(图2)。表明刈割会促进青稞植株株高和地上部生物量的再生恢复。

(图2)

2.3 刈割对茎部抗氧化酶活性的影响

刈割后青稞假茎中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性均表现出先升高后降低的趋势(图3)。青稞抗氧化酶系统在刈割后迅速响应, 使假茎中SOD 和CAT 活性迅速升高, 其可能参与到清除假茎中过量累积的活性氧, 以维持较低的膜脂过氧化水平和细胞膜的完整性。品种间抗氧化酶活性对刈割的响应存在差异。表明抗氧化酶(SOD 和CAT)在青稞刈割后受伤部位快速自愈及残茬快速补偿生长中可能发挥重要生理保护作用。

图3 2021-2022 年刈割对茎部保护酶活性的影响Fig. 3 Effect of mowing on stem protective enzyme activity in 2021 and 2022

2.4 刈割对茎部内源激素的影响

刈割使青稞茎秆中反式玉米素核苷(TZR)、反式玉米素(tZT)和异戊烯基腺苷(iPA)含量呈现出先升高后降低的趋势, 吲哚-3-乙酸(IAA)与脱落酸(ABA)含量则在青稞植株刈割后显著降低。TZR、tZT 和iPA在刈割处理后2 h、24 h 均显著升高, 正常生长青稞植株中tZT 呈现缓慢升高的变化规律、iPA 呈现缓慢降低的趋势(图4)。不同类型青稞茎秆中内源激素对刈割响应存在差异, 割后再生恢复速率较快的昆仑18 号假茎中TZR、iPA、IAA 和ABA 含量均高于藏1257。表明细胞分裂素和生长素在割后青稞植株地上部的快速再生恢复过程中可能发挥了重要调控作用。

图4 2021-2022 年刈割对茎部内源激素的影响Fig. 4 Effect of mowing on endogenous hormones in the stem in 2021-2022

2.5 刈割后各指标的相关性性分析

相关分析结果表明, 青稞农艺性状、抗氧化酶指标、内源激素指标间存在相关性(图5)。农艺性状间存在相关性, 例如株高和单株生物量呈显著正相关。内源激素指标间也存在相关性, 其中假茎中的吲哚-3-乙酸(IAA)和脱落酸(ABA)呈极显著正相关。农艺性状和抗氧化酶指标间也存在相关性, 超氧化物歧化酶(SOD)活性同株高、单株生物量呈显著正相关。农艺性状和内源激素含量间存在相关性, 异戊烯基腺苷(iPA)和青稞茎秆强度呈显著负相关, 生长素中IAA 和株高、单株生物量呈显著负相关, ABA与株高呈显著负相关。抗氧化酶活性与内源激素也存在相关性, SOD 与IAA、ABA 呈显著负相关。表明抗氧化酶SOD 活性和内源激素中的IAA 和ABA在刈割后茎部生长发育中可能发挥重要调控作用。

图5 各单项指标相对值的相关性分析Fig. 5 Correlation analysis of the relative values of each individual index

3 讨论

3.1 刈割对青稞秸秆和籽粒产量品质特性的影响

刈割处理是一种重要饲用化利用方式, 在其他饲草化利用的作物中研究报道相对较多, 例如冬小麦[15]和高粱[16]中刈割后秸秆产量及品质提高利于牲畜消化。本研究结果发现刈割使秸秆产量升高, 籽粒中千粒重和每公顷穗数升高, 可能是因为刈割去除了青稞植株优势穗, 刺激青稞茎秆茬口和基部重新生长出新分蘖芽, 新生分蘖芽缘于分化时间一致,其会产生平衡优势[17], 使植株产生更多分蘖, 提高秸秆产量的同时植株有效穗会增加, 最终使每公顷穗数增多和籽粒产量升高。刈割会影响饲用作物茎秆发育进而影响其品质特性。本研究结果表明, 刈割处理使青稞秸秆中可被牲畜消化吸收的粗蛋白、粗灰分含量升高, 而结构性的纤维素、半纤维素及木质素含量降低; 籽粒中粗蛋白与淀粉品质升高该研究结果同刈割后高粱[18]、大麦[19]、黑麦草[20]饲用品质和冬小麦[21]籽粒品质变化规律一致, 产生该现象的原因可能同青稞植株中同化物的累积与分配密切相关。相较于叶器官, 青稞茎秆中具有更多结构性物质, 如木质素、纤维素等以维持茎秆的刚性与弹性[21], 而刈割后木质化程度较高的叶鞘(叶片)不能再生, 而残留叶芽则可在刈割部位再生分化形成新的叶鞘、叶片与茎秆。植物叶芽中叶原基可分化为幼叶和叶鞘; 芽轴则分化为植株茎秆。籽粒品质升高可能为刈割处理导致植株产生过补偿效应, 使源器官积累更多同化物, 以合成更多蛋白和淀粉粒,通过再分配使籽粒中积累更多粗蛋白和淀粉。

3.2 刈割对青稞茎部抗氧化酶活性及内源激素含量的影响

刈割使青稞残茬中超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)含量升高, 这与Jiang 等[22]和Srivalli等[23]研究结果一致, 可能是因为刈割会使茎杆中活性氧增加, 抗氧化酶会清除假茎中过量的活性氧, 以维持较低的膜脂过氧化水平和细胞膜的完整性[24]。本研究结果表明, 抗氧化酶SOD 和CAT 在青稞刈割后受伤部位快速自愈及残茬快速补偿生长中起重要生理保护作用, 该研究结果和黑麦草[25]刈割处理后的研究结果一致, 而不同于苜蓿刈割处理后的研究结果; 产生该现象的原因可能为青稞和黑麦草亲缘关系相对较近, 而青稞同苜蓿亲缘关系相对较远。本研究结果表明, 昆仑18 号假茎或茎秆中过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性高于藏1257, 而SOD活性则低于藏1257; 产生该现象的原因可能为不同青稞品种为清除机体多余活性氧的生理调控机制差异所致。刈割后青稞残差中SOD 和CAT 活性迅速升高, 以清除细胞质和细胞核中的活性氧(ROS), 以避免ROS 爆发引起的毒害作用[25], 该现象的分子及生理调控机制有待于开展进一步研究与解析。

植物激素在植物生长发育和抗逆方面发挥重要作用。植株茎部中生长素(NAA)与细胞分裂素(CTK)之前存在互作效应[26], 吲哚-3-乙酸(IAA)能够抑制侧芽生长同时显著抑制植株分蘖, 而CTK 能够促进侧芽生长, 增加植株分蘖[27]。且调控植株分蘖的并不是浓度高低决定的, 而是由NAA 与CTK 的比值决定[28], 比值越小, 分蘖越强。本研究表明刈割后青稞假茎中脱落酸(ABA)和吲哚-3-乙酸(IAA)含量降低而细胞分裂素(CTK)含量升高, 可能是因为刈割后ABA 可能作为信号分子, 在信号转导过程中发挥了相应调控作用, 青稞植株可能通过ABA 信号途径将受伤信号传递给茎部等其他组织, 使青稞残茬中的ABA 含量降低。CTK 和ABA 拮抗作用可能激活了青稞植株体内CTK 合成, 使CTK 含量增加, 随着NAA 含量减少, 使分蘖芽再生能力也一定程度受到抑制, 但可能受CTK 和NAA 这两种信号级联并介导分蘖芽的再生, 使刈割部位可再生出分蘖芽, 该调控机制有待于进一步的研究与分析。

4 结论

割后青稞残茬中SOD 与CAT 含量快速升高, 抗氧化酶系统迅速响应, 诱导青稞残茬中细胞分裂素类TZR 与iPA 快速合成, 使再生青稞植株株高和单株生物量恢复速率加快, 促进分蘖芽的再生和茎部生长。刈割不仅提高了秸秆与籽粒产量, 且使割后再生秸秆相对饲喂价值升高、籽粒中积累更多粗蛋白和淀粉。刈割有助于促进青稞残茬再生恢复以及籽粒与秸秆产量品质的提升。