基于幼苗生長性狀的苜蓿秋眠性預測研究

武 祎,宋彥濤,田 雨

(1.吉林省教育學院,吉林 長春 130022;2.大連民族大學環境與資源學院,遼寧 大連 116605;3.吉林農業大學動物科技學院,吉林 長春 130118)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上廣泛種植的優質高產豆科飼草[1].苜蓿的秋眠性是苜蓿對秋季溫度降低和日照變短的響應,是指植株生長減緩且莖匍匐生長的特性[2-3].秋眠性是決定苜蓿品種適應性最重要的特征之一,在苜蓿育種過程中廣泛應用[2].在美國和加拿大等苜蓿生產大國,秋眠性通常作為苜蓿品種特性評定的首要指標[4].然而,苜蓿秋眠級數的確定需要在秋季最后一次刈割后,測定植株的再生高度并與標準秋眠級數品種進行對比,周期較長且耗費大量人力物力[4].

一些研究曾嘗試探索預測秋眠級數的新方法.Kallenbach等[5]認為近紅外發射光譜法可以檢驗苜蓿秋眠級數,但不能準確分離秋眠級數相似的品種;Schnieder[6]和李崇巍[7]的研究表明,子葉節長與秋眠級數高度相關;也有研究[8-10]指出,秋眠級數與子葉面積、株高、返青高度等有極顯著的相關性,節間距可用于大致測定苜蓿品種的秋眠類別,如子葉到第1真葉節間距,第1、第2真葉節間距等.然而,很少有研究關注秋季自然環境下苜蓿秋眠級數與植株幼苗各項生長性狀之間的關系.為此,本文探討了苜蓿幼苗的生長性狀對秋眠性的預測關系,通過檢驗不同播期下幼苗的生長性狀和秋眠級數的關系,獲得檢驗苜蓿秋眠性的新方法.

1 研究材料與方法

1.1 實驗材料

實驗共選取15個國內外苜蓿品種,包括13個不同秋眠級數的國外苜蓿品種,2個國內苜蓿品種(公農2號、敖漢).各品種秋眠級數和秋眠類型見表1.

1.2 實驗方法

實驗在東北師范大學自由校區校園內(43°86′N,125°33′E)進行.將田間土與河沙按V/V=2∶1混合,裝入育苗紙筒,分別在7月28日和9月15日進行播種.每個品種播種50個紙筒,每紙筒播3粒種子,出苗后間苗,保留長勢一致且健康的苗1株,實驗期間保持水分充足.出苗后第4周進行取樣,測定株高、第1片真葉柄長、子葉節長(子葉節點到第1片真葉節點之間的距離)以及第1片真葉的長、寬、莖和根的直徑;將根上的沙土用流水沖洗干凈后,測量根系長度;將幼苗65 ℃烘干至恒重,測定總生物量.7月28日播期,幼苗生長期間日平均溫度為22.8 ℃(最高溫平均為27.4 ℃,最低溫平均為18.7 ℃);9月15日播期,幼苗生長期間日平均溫度為13.1 ℃(最高溫平均為19.0 ℃,最低溫平均為7.1 ℃).

1.3 數據分析

采用雙因素方差分析檢驗播期、品種及其交互作用對幼苗生長性狀的影響,對13個國外品種幼苗的生長性狀與秋眠級數進行皮爾森相關分析,對與秋眠級數顯著相關的生長性狀與秋眠級數作回歸分析.根據與秋眠級數顯著相關的部分幼苗性狀,采取層次聚類分析對15個國內外苜蓿品種進行聚類分析.統計分析利用SPSS軟件完成.

2 結果分析

2.1 播期對各品種苜蓿幼苗生長性狀的影響

播期、品種及其交互作用對苜蓿幼苗生長性狀均有極顯著影響(P<0.001),結果見表2.

表2 播期和品種對苜蓿幼苗生長性狀影響的雙因素方差分析

7月播種的苜蓿幼苗株高和生物量顯著高于9月播種的(見圖1a,b).9月播種的秋眠型(秋眠級數<4)苜蓿真葉的葉片寬度基本都小于7月播種的,而半秋眠、不秋眠和極不秋眠型苜蓿真葉的寬度則大于7月播種的(見圖1f);真葉長也呈現類似的特征(見圖1e).

圖1 不同播期各品種苜蓿幼苗的生長性狀

7月播種的苜蓿幼苗株高、生物量和子葉節長基本隨秋眠級數的升高而增加(見圖1a,b,i);9月播種的苜蓿幼苗株高、生物量、真葉柄長、子葉節長、真葉寬等性狀也有隨秋眠級數升高而增加的趨勢(見圖1a,b,d,f,i),根長則表現出相反的趨勢,即隨秋眠級數升高而降低(見圖1c).

2.2 不同播期各品種苜蓿幼苗的生長性狀與秋眠級數的關系

7月和9月播期條件下不同苜蓿品種幼苗的生長性狀與秋眠級數的相關分析和回歸分析結果(見表3)表明,大部分幼苗生長性狀都與秋眠級數呈極顯著正相關(P<0.01),9月播種的幼苗根長與秋眠級數呈極顯著負相關(P<0.01).9月播種的苜蓿幼苗生長性狀與品種秋眠級數的相關系數絕對值基本都比7月播種的高,且多大于0.9,如真葉柄長(r=0.942,P<0.001),子葉節長(r=0.942,P<0.001),真葉寬(r=0.938,P<0.001);而7月播種的只有幼苗的生物量(r=0.921,P<0.001)和株高(r=0.934,P<0.001)與秋眠級數的相關系數大于0.9.回歸分析結果顯示,9月播種的幼苗,大部分生長性狀回歸方程的R2值都在0.8以上,而7月份播種的只有株高和生物量回歸方程的R2值超過了0.8(見表3).

表3 不同播期各品種苜蓿幼苗生長性狀與秋眠級數的關系

2.3 基于不同秋眠級數品種苜蓿幼苗生長性狀的聚類分析

采用與秋眠級數顯著相關的株高、第1片真葉柄長、子葉節長、第1片真葉長和寬、根長和生物量等7個苜蓿幼苗生長性狀,分別對7月播種和9月播種的15個紫花苜蓿品種進行層次聚類分析.結果表明,7月份播種處理的,當歐氏距離在5以上時,可以將15個不同秋眠級數的紫花苜蓿品種劃分為4種類型,Ⅰ類包括馴鹿、公農2號、敖漢、金皇后、Vernal;Ⅱ類包括皇冠、CW402、53Q60、Sarannac、Magnum IV、Tango、亮苜601、亮苜702;Ⅲ類為CUF101;Ⅳ類為CW1010.與表1中各品種秋眠級數對應可知,Ⅰ類為秋眠級數1～2的品種,Ⅱ類為秋眠級數3～7的品種,Ⅲ類為秋眠級數為9的品種;Ⅳ類為秋眠級數為10的品種(見圖2).

圖2 7月播種的不同秋眠級數苜蓿層次聚類分析樹狀圖

9月份播種處理的苜蓿品種,當歐氏距離在5以上時,可以將15個不同秋眠級數的苜蓿品種劃分為3種類型,Ⅰ類包括皇冠、CW402、53Q60、Magnum IV、Sarannac、Tango、亮苜601;Ⅱ類包括馴鹿、公農2號、敖漢、金皇后、Vernal;Ⅲ類包括CUF101、亮苜702、CW1010(見圖3).與表1中各品種對應的秋眠級數相比較可知,Ⅰ類為秋眠級數3～6的品種,Ⅱ類為秋眠級數1～2的品種,Ⅲ類為秋眠級數7～10的品種.這樣的分類基本與品種的秋眠類型相同,除了秋眠級數為3的53Q60被歸入中度秋眠組,極不秋眠的CW1010被歸入不秋眠組.

圖3 9月播種的不同秋眠級數苜蓿層次分析聚類樹狀圖

3 討論

本文的研究發現,秋季播種的苜蓿幼苗生長性狀如株高、真葉柄長、子葉節長、真葉長和真葉寬等與秋眠級數之間具有較高的相關性,表明通過幼苗對秋季環境條件的反應可以區分不同苜蓿品種間的秋眠性[12-13].馮長松等[14]研究指出,秋眠型不同的苜蓿品種植株再生高度與日照時長呈極顯著負相關;Schonhorst等[15]研究發現,在溫度為15 ℃、日照時長為12 h的條件下,不同苜蓿品種植株再生高度差異最大;Susuki[16]研究指出,最不秋眠品種(Moapa)秋季莖稈伸長的臨界溫度為6.9 ℃,而最秋眠品種(Ladak)秋季莖稈伸長的臨界溫度為13.6 ℃,說明在秋季秋眠品種比非秋眠品種需要更高的溫度來促進生長.本研究在9月播期的幼苗生長過程中每日平均溫度波動范圍為7.1 ℃～19 ℃,處于秋眠品種和非秋眠品種臨界溫度之間,因此增大了品種間的生長差異.本研究中7月播種的幼苗的生長性狀多數與秋眠級數顯著相關,但相關系數大都比9月播期的低.與以往的研究[6-7]結果相似,兩個播期下幼苗子葉節長均與秋眠級數顯著相關.

在由氣溫下降和光周期縮短導致的冷適應階段,植物會進行生理休眠以維持生存,等適宜條件來臨再進行生長[17-19].本研究中9月播種的幼苗根長與秋眠級數呈顯著負相關,這可能是由于秋眠品種響應了秋季溫度、光照等環境條件的變化,秋眠機制得到激發,地上部分生長變緩,同時增加對地下生長的投入以儲備能量應對嚴寒的冬季[2,19].秋季的降溫和光周期的減小還能產生一些不易在春季和夏季觀察到的形態特征[2].本文的研究發現,9月播種的所有秋眠型苜蓿品種(秋眠級數<4)真葉的葉片長度和寬度基本小于7月的,而秋眠級數較高的品種幼苗葉片的長和寬則大于7月播種的,體現出葉片形態變化對秋季環境條件的響應.Smith等[20]的研究結果表明,21 ℃/12 ℃下生長的苜蓿幼苗上部的葉片大于生長在相對較高溫度下的葉片.

通過建立一系列生長性狀與秋眠級數的回歸方程,可以對秋眠級數進行預測.根據7月播種的幼苗株高與秋眠級數的回歸公式,計算得到敖漢和公農2號苜蓿的相對秋眠級數為1.1和1.5;根據9月播種的幼苗真葉寬的回歸公式,計算得到敖漢和公農2號苜蓿的相對秋眠級數分別為1.0和1.6.由本研究的預測公式,計算得到的敖漢和公農2號的相對秋眠級數低于傳統刈割方法得出的3.2和3.2[11].在東北寒冷地區,敖漢和公農2號苜蓿都能夠穩定越冬,這也說明本研究的預測方程能較好地體現秋眠與越冬的指示關系[2].

根據9月播種的苜蓿幼苗生長性狀特征,通過聚類分析把本實驗中的紫花苜蓿品種劃分為秋眠、半秋眠和不秋眠3個類型,與它們本身的秋眠類型基本相符.在苜蓿育種過程中,可以應用此方法快速檢驗品系、品種或者種質資源的秋眠性,將未知品系和材料劃分為三類秋眠群體,有效縮短篩選和育種的時間.

苜蓿秋眠性是由一系列遺傳、形態、生理和環境因子聯合調控的,難以精確測定[4,21-22],仍需要進一步開展秋季環境條件的模擬控制實驗,同時進行不同地點的野外實驗,以找到能穩定表達品種間最大秋眠性差異的環境條件以及相關的生長性狀.