基于幼苗生長(zhǎng)性狀的苜蓿秋眠性預(yù)測(cè)研究

武 祎,宋彥濤,田 雨

(1.吉林省教育學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130022;2.大連民族大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,遼寧 大連 116605;3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上廣泛種植的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)豆科飼草[1].苜蓿的秋眠性是苜蓿對(duì)秋季溫度降低和日照變短的響應(yīng),是指植株生長(zhǎng)減緩且莖匍匐生長(zhǎng)的特性[2-3].秋眠性是決定苜蓿品種適應(yīng)性最重要的特征之一,在苜蓿育種過(guò)程中廣泛應(yīng)用[2].在美國(guó)和加拿大等苜蓿生產(chǎn)大國(guó),秋眠性通常作為苜蓿品種特性評(píng)定的首要指標(biāo)[4].然而,苜蓿秋眠級(jí)數(shù)的確定需要在秋季最后一次刈割后,測(cè)定植株的再生高度并與標(biāo)準(zhǔn)秋眠級(jí)數(shù)品種進(jìn)行對(duì)比,周期較長(zhǎng)且耗費(fèi)大量人力物力[4].

一些研究曾嘗試探索預(yù)測(cè)秋眠級(jí)數(shù)的新方法.Kallenbach等[5]認(rèn)為近紅外發(fā)射光譜法可以檢驗(yàn)苜蓿秋眠級(jí)數(shù),但不能準(zhǔn)確分離秋眠級(jí)數(shù)相似的品種;Schnieder[6]和李崇巍[7]的研究表明,子葉節(jié)長(zhǎng)與秋眠級(jí)數(shù)高度相關(guān);也有研究[8-10]指出,秋眠級(jí)數(shù)與子葉面積、株高、返青高度等有極顯著的相關(guān)性,節(jié)間距可用于大致測(cè)定苜蓿品種的秋眠類(lèi)別,如子葉到第1真葉節(jié)間距,第1、第2真葉節(jié)間距等.然而,很少有研究關(guān)注秋季自然環(huán)境下苜蓿秋眠級(jí)數(shù)與植株幼苗各項(xiàng)生長(zhǎng)性狀之間的關(guān)系.為此,本文探討了苜蓿幼苗的生長(zhǎng)性狀對(duì)秋眠性的預(yù)測(cè)關(guān)系,通過(guò)檢驗(yàn)不同播期下幼苗的生長(zhǎng)性狀和秋眠級(jí)數(shù)的關(guān)系,獲得檢驗(yàn)苜蓿秋眠性的新方法.

1 研究材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)共選取15個(gè)國(guó)內(nèi)外苜蓿品種,包括13個(gè)不同秋眠級(jí)數(shù)的國(guó)外苜蓿品種,2個(gè)國(guó)內(nèi)苜蓿品種(公農(nóng)2號(hào)、敖漢).各品種秋眠級(jí)數(shù)和秋眠類(lèi)型見(jiàn)表1.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在東北師范大學(xué)自由校區(qū)校園內(nèi)(43°86′N(xiāo),125°33′E)進(jìn)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(jìn)行播種.每個(gè)品種播種50個(gè)紙筒,每紙筒播3粒種子,出苗后間苗,保留長(zhǎng)勢(shì)一致且健康的苗1株,實(shí)驗(yàn)期間保持水分充足.出苗后第4周進(jìn)行取樣,測(cè)定株高、第1片真葉柄長(zhǎng)、子葉節(jié)長(zhǎng)(子葉節(jié)點(diǎn)到第1片真葉節(jié)點(diǎn)之間的距離)以及第1片真葉的長(zhǎng)、寬、莖和根的直徑;將根上的沙土用流水沖洗干凈后,測(cè)量根系長(zhǎng)度;將幼苗65 ℃烘干至恒重,測(cè)定總生物量.7月28日播期,幼苗生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shù)據(jù)分析

采用雙因素方差分析檢驗(yàn)播期、品種及其交互作用對(duì)幼苗生長(zhǎng)性狀的影響,對(duì)13個(gè)國(guó)外品種幼苗的生長(zhǎng)性狀與秋眠級(jí)數(shù)進(jìn)行皮爾森相關(guān)分析,對(duì)與秋眠級(jí)數(shù)顯著相關(guān)的生長(zhǎng)性狀與秋眠級(jí)數(shù)作回歸分析.根據(jù)與秋眠級(jí)數(shù)顯著相關(guān)的部分幼苗性狀,采取層次聚類(lèi)分析對(duì)15個(gè)國(guó)內(nèi)外苜蓿品種進(jìn)行聚類(lèi)分析.統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS軟件完成.

2 結(jié)果分析

2.1 播期對(duì)各品種苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀的影響

播期、品種及其交互作用對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀均有極顯著影響(P<0.001),結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 播期和品種對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)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(jiàn)圖1a,b).9月播種的秋眠型(秋眠級(jí)數(shù)<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(jiàn)圖1f);真葉長(zhǎng)也呈現(xiàn)類(lèi)似的特征(見(jiàn)圖1e).

圖1 不同播期各品種苜蓿幼苗的生長(zhǎng)性狀

7月播種的苜蓿幼苗株高、生物量和子葉節(jié)長(zhǎng)基本隨秋眠級(jí)數(shù)的升高而增加(見(jiàn)圖1a,b,i);9月播種的苜蓿幼苗株高、生物量、真葉柄長(zhǎng)、子葉節(jié)長(zhǎng)、真葉寬等性狀也有隨秋眠級(jí)數(shù)升高而增加的趨勢(shì)(見(jiàn)圖1a,b,d,f,i),根長(zhǎng)則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì),即隨秋眠級(jí)數(shù)升高而降低(見(jiàn)圖1c).

2.2 不同播期各品種苜蓿幼苗的生長(zhǎng)性狀與秋眠級(jí)數(shù)的關(guān)系

7月和9月播期條件下不同苜蓿品種幼苗的生長(zhǎng)性狀與秋眠級(jí)數(shù)的相關(guān)分析和回歸分析結(jié)果(見(jiàn)表3)表明,大部分幼苗生長(zhǎng)性狀都與秋眠級(jí)數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),9月播種的幼苗根長(zhǎng)與秋眠級(jí)數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01).9月播種的苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀與品種秋眠級(jí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值基本都比7月播種的高,且多大于0.9,如真葉柄長(zhǎng)(r=0.942,P<0.001),子葉節(jié)長(zhǎng)(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(jí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)大于0.9.回歸分析結(jié)果顯示,9月播種的幼苗,大部分生長(zhǎng)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(guò)了0.8(見(jiàn)表3).

表3 不同播期各品種苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀與秋眠級(jí)數(shù)的關(guān)系

2.3 基于不同秋眠級(jí)數(shù)品種苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀的聚類(lèi)分析

采用與秋眠級(jí)數(shù)顯著相關(guān)的株高、第1片真葉柄長(zhǎng)、子葉節(jié)長(zhǎng)、第1片真葉長(zhǎng)和寬、根長(zhǎng)和生物量等7個(gè)苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀,分別對(duì)7月播種和9月播種的15個(gè)紫花苜蓿品種進(jìn)行層次聚類(lèi)分析.結(jié)果表明,7月份播種處理的,當(dāng)歐氏距離在5以上時(shí),可以將15個(gè)不同秋眠級(jí)數(shù)的紫花苜蓿品種劃分為4種類(lèi)型,Ⅰ類(lèi)包括馴鹿、公農(nóng)2號(hào)、敖漢、金皇后、Vernal;Ⅱ類(lèi)包括皇冠、CW402、53Q60、Sarannac、Magnum IV、Tango、亮苜601、亮苜702;Ⅲ類(lèi)為CUF101;Ⅳ類(lèi)為CW1010.與表1中各品種秋眠級(jí)數(shù)對(duì)應(yīng)可知,Ⅰ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)1～2的品種,Ⅱ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)3～7的品種,Ⅲ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)為9的品種;Ⅳ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)為10的品種(見(jiàn)圖2).

圖2 7月播種的不同秋眠級(jí)數(shù)苜蓿層次聚類(lèi)分析樹(shù)狀圖

9月份播種處理的苜蓿品種,當(dāng)歐氏距離在5以上時(shí),可以將15個(gè)不同秋眠級(jí)數(shù)的苜蓿品種劃分為3種類(lèi)型,Ⅰ類(lèi)包括皇冠、CW402、53Q60、Magnum IV、Sarannac、Tango、亮苜601;Ⅱ類(lèi)包括馴鹿、公農(nóng)2號(hào)、敖漢、金皇后、Vernal;Ⅲ類(lèi)包括CUF101、亮苜702、CW1010(見(jiàn)圖3).與表1中各品種對(duì)應(yīng)的秋眠級(jí)數(shù)相比較可知,Ⅰ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)3～6的品種,Ⅱ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)1～2的品種,Ⅲ類(lèi)為秋眠級(jí)數(shù)7～10的品種.這樣的分類(lèi)基本與品種的秋眠類(lèi)型相同,除了秋眠級(jí)數(shù)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(jí)數(shù)苜蓿層次分析聚類(lèi)樹(shù)狀圖

3 討論

本文的研究發(fā)現(xiàn),秋季播種的苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀如株高、真葉柄長(zhǎng)、子葉節(jié)長(zhǎng)、真葉長(zhǎng)和真葉寬等與秋眠級(jí)數(shù)之間具有較高的相關(guān)性,表明通過(guò)幼苗對(duì)秋季環(huán)境條件的反應(yīng)可以區(qū)分不同苜蓿品種間的秋眠性[12-13].馮長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān);Schonhorst等[15]研究發(fā)現(xiàn),在溫度為15 ℃、日照時(shí)長(zhǎng)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(zhǎng)的臨界溫度為6.9 ℃,而最秋眠品種(Ladak)秋季莖稈伸長(zhǎng)的臨界溫度為13.6 ℃,說(shuō)明在秋季秋眠品種比非秋眠品種需要更高的溫度來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng).本研究在9月播期的幼苗生長(zhǎng)過(guò)程中每日平均溫度波動(dòng)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(zhǎng)差異.本研究中7月播種的幼苗的生長(zhǎng)性狀多數(shù)與秋眠級(jí)數(shù)顯著相關(guān),但相關(guān)系數(shù)大都比9月播期的低.與以往的研究[6-7]結(jié)果相似,兩個(gè)播期下幼苗子葉節(jié)長(zhǎng)均與秋眠級(jí)數(shù)顯著相關(guān).

在由氣溫下降和光周期縮短導(dǎo)致的冷適應(yīng)階段,植物會(huì)進(jìn)行生理休眠以維持生存,等適宜條件來(lái)臨再進(jìn)行生長(zhǎng)[17-19].本研究中9月播種的幼苗根長(zhǎng)與秋眠級(jí)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān),這可能是由于秋眠品種響應(yīng)了秋季溫度、光照等環(huán)境條件的變化,秋眠機(jī)制得到激發(fā),地上部分生長(zhǎng)變緩,同時(shí)增加對(duì)地下生長(zhǎng)的投入以儲(chǔ)備能量應(yīng)對(duì)嚴(yán)寒的冬季[2,19].秋季的降溫和光周期的減小還能產(chǎn)生一些不易在春季和夏季觀察到的形態(tài)特征[2].本文的研究發(fā)現(xiàn),9月播種的所有秋眠型苜蓿品種(秋眠級(jí)數(shù)<4)真葉的葉片長(zhǎng)度和寬度基本小于7月的,而秋眠級(jí)數(shù)較高的品種幼苗葉片的長(zhǎng)和寬則大于7月播種的,體現(xiàn)出葉片形態(tài)變化對(duì)秋季環(huán)境條件的響應(yīng).Smith等[20]的研究結(jié)果表明,21 ℃/12 ℃下生長(zhǎng)的苜蓿幼苗上部的葉片大于生長(zhǎng)在相對(duì)較高溫度下的葉片.

通過(guò)建立一系列生長(zhǎng)性狀與秋眠級(jí)數(shù)的回歸方程,可以對(duì)秋眠級(jí)數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè).根據(jù)7月播種的幼苗株高與秋眠級(jí)數(shù)的回歸公式,計(jì)算得到敖漢和公農(nóng)2號(hào)苜蓿的相對(duì)秋眠級(jí)數(shù)為1.1和1.5;根據(jù)9月播種的幼苗真葉寬的回歸公式,計(jì)算得到敖漢和公農(nóng)2號(hào)苜蓿的相對(duì)秋眠級(jí)數(shù)分別為1.0和1.6.由本研究的預(yù)測(cè)公式,計(jì)算得到的敖漢和公農(nóng)2號(hào)的相對(duì)秋眠級(jí)數(shù)低于傳統(tǒng)刈割方法得出的3.2和3.2[11].在東北寒冷地區(qū),敖漢和公農(nóng)2號(hào)苜蓿都能夠穩(wěn)定越冬,這也說(shuō)明本研究的預(yù)測(cè)方程能較好地體現(xiàn)秋眠與越冬的指示關(guān)系[2].

根據(jù)9月播種的苜蓿幼苗生長(zhǎng)性狀特征,通過(guò)聚類(lèi)分析把本實(shí)驗(yàn)中的紫花苜蓿品種劃分為秋眠、半秋眠和不秋眠3個(gè)類(lèi)型,與它們本身的秋眠類(lèi)型基本相符.在苜蓿育種過(guò)程中,可以應(yīng)用此方法快速檢驗(yàn)品系、品種或者種質(zhì)資源的秋眠性,將未知品系和材料劃分為三類(lèi)秋眠群體,有效縮短篩選和育種的時(shí)間.

苜蓿秋眠性是由一系列遺傳、形態(tài)、生理和環(huán)境因子聯(lián)合調(diào)控的,難以精確測(cè)定[4,21-22],仍需要進(jìn)一步開(kāi)展秋季環(huán)境條件的模擬控制實(shí)驗(yàn),同時(shí)進(jìn)行不同地點(diǎn)的野外實(shí)驗(yàn),以找到能穩(wěn)定表達(dá)品種間最大秋眠性差異的環(huán)境條件以及相關(guān)的生長(zhǎng)性狀.