刈割對青稞恢復特性及籽粒和秸稈產量品質特性的影響

賀佳奇 白羿雄,3,4 姚曉華,4 姚有華,4 安立昆,4 王玉琴 王小萍李 新,4 崔永梅,4 吳昆侖,4,*

1 青海大學 / 青海省農林科學院 / 青海省青稞遺傳育種重點實驗室 / 國家麥類改良中心青海青稞分中心, 青海西寧 810016; 2 青海大學畜牧獸醫科學院(青海省畜牧獸醫科學院), 青海西寧 810016; 3 西北農林科技大學農學院, 陜西楊凌 712100; 4 青藏高原種質資源研究與利用實驗室, 青海西寧 810016

青稞(HordeumvulgareL. var.nudumHook. f.)是高寒地區主要糧飼兼用作物之一, 具有抗寒、耐旱、抗逆性強等特點[1], 是唯一可在海拔3000 m 以上冷涼區域正常成熟的糧飼兩用作物。青稞青苗與秸稈可用于牲畜飼喂, 且青苗富含可被牲畜消化吸收的粗蛋白、灰分、脂肪等營養物質, 而木質素和纖維素類不易被牲畜直接消化的物質含量較低[2]。青稞青苗相對飼喂價值較高, 為農牧交錯區牲畜快速育肥提供優質補飼飼料。

刈割是作物多元化利用的一種重要方式, 該利用途徑可在傳統作物利用方式基礎上, 拓寬其飼用化利用方式。刈割通過去除地上部作物組織, 會減少同化物合成并阻斷營養物質轉運, 影響同化物的再分配, 使庫器官中營養物質積累情況發生變化, 導致再生作物籽粒產量和品質會產生相應變化[3-4]。合理刈割方式有利于作物秸稈籽粒產量與品質提升[5],分蘗盛期刈割可不影響小麥籽粒產量[6], 留茬高度8 cm 有助于促進青稞穗部、莖部和根系的生長發育,提高籽粒產量[7]。Butchee 等[6]研究結果表明刈割后留茬12 cm 有利于維持小麥籽粒產量, 而留茬高度降低會導致籽粒減產。Zeleke 等[8]通過刈割方式對春小麥進行模擬放牧, 發現中晚熟小麥品種開展模擬放牧后可在不影響籽粒產量前提下, 能有效填補飼料缺口。張騰薇等[9]研究了刈割可使全株大麥青貯飼草中粗蛋白、可溶性碳水化合物含量增高, 粗灰分含量降低。李變變等[10]研究結果表明于適期刈割有助于油莎豆增產且其塊莖中淀粉、粗蛋白、粗脂肪、不飽和脂肪酸、油酸以及含油量均顯著提升。陳曉東等[11]研究表明于分蘗期刈割留茬8 cm 時, 在不影響大麥籽粒產量的前提下, 可提升大麥飼草品質。

目前, 圍繞青稞刈割后莖部組織再生恢復特性、抗氧化酶活性與植物激素響應方面的研究仍尚屬空白。本研究擬通過課題組前期篩選出的最適刈割期和留茬高度開展刈割試驗, 并對刈割后青稞莖稈和籽粒品質特性開展相關分析, 以探明刈割對青稞籽粒和秸稈產量與品質特性的影響; 并就刈割后青稞莖稈再生恢復速率、抗氧化酶活性和刈割后72 h 內激素響應情況開展相關研究, 以期從農藝與理化角度探明青稞刈割后響應情況, 進而為青稞的多元化利用和再生恢復機制的解析提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2021—2022 年在青海省西寧市青海大學農林科學院作物所試驗田(36°56′N, 101°74′E)進行。試驗地年均氣溫7.6 ℃, 海拔2261 m。供試材料為本課題組從種質資源中篩選出的再生恢復速率快的青稞新品種昆侖18 號和再生恢復速率慢的青稞種質藏1257, 均由青海大學農林科學院提供。試驗采用兩因素裂區設計, 試驗設正常生長(CK)和刈割處理(M)兩個水平, 管理措施同大田生產一致。于分蘗盛期[7]利用割草機(HD 20, 諸暨市海道機械有限公司)進行刈割, 高度擋桿調節至8 cm[7], 于刈割后不同生育階段取材, 分別為T0: 0 h、T1: 割后2 h、T2: 割后24 h、T3: 割后72 h、T4: 拔節期(割后第7 天)、T5: 抽穗期(割后第20 天)、T6: 灌漿期(割后第37天)。試驗設3 次重復, 行距為15 cm, 小區間距45 cm, 小區面積2.5 m×4.0 m。

1.2 測定內容與方法

1.2.1 農藝性狀測定 秸稈及籽粒產量: 于成熟期在各小區取15 株完整青稞植株, 參照趙小紅等[12]研究方法測定株高、稈強和單株生物量。測定完莖部農藝性狀后剪去穗部與根部, 將莖稈烘干后稱重。各小區植株收獲后脫粒, 風干至恒重后稱千粒重及籽粒產量。秸稈及籽粒品質: 粗蛋白、粗灰分、木質素、纖維素類、淀粉和相對飼喂價值均參照趙小紅等[12]研究方法進行測定。

1.2.2 假莖或莖稈中抗氧化酶活性的測定 于莖基部3 cm 以上切下2 cm 的假莖或莖稈[13], 測定過氧化物酶(POD)采用比色法、過氧化氫酶(CAT)采用鉬酸銨法及超氧化物歧化酶(SOD)采用羥胺法進行測定(試劑盒, 南京建成生物科技有限公司)。

1.2.3 假莖中內源激素含量測定 于莖基部3 cm以上切下2 cm 的假莖莖段, 采用Pan 等[14]測定方法,利用液相色譜-質譜聯用技術(HPLC-MS)技術測定假莖中反式玉米素(tZT)、吲哚-3-乙酸(IAA)、反式玉米素核苷(TZR)、異戊烯基腺苷(iPA)和脫落酸(ABA)含量。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 軟件進行繪圖和數據處理。利用SPSS 20.0 進行方差分析, 利用Origin 2023 b 進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 刈割對秸稈籽粒產量及品質恢復特性的影響

2.1.1 刈割對秸稈產量恢復特性及品質特性的影響

刈割會影響青稞再生秸稈產量和品質特性。刈割使昆侖18 號和藏1257 秸稈產量均升高(圖1)。刈割使再生莖稈中不易消化的纖維素、半纖維素、木質素、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量均降低;使再生莖稈中可被牲畜消化吸收的粗蛋白和粗灰分含量升高, 致使相對飼喂價值均升高(表1)。秸稈品質特性在品種間存在一定差異, 再生恢復慢的藏1257 秸稈相對飼喂價值高于再生恢復快的昆侖18 號。

表1 刈割處理對后茬青稞秸稈品質特性的影響Table 1 Effect of mowing treatment on quality characteristics of barley straw after stubble

圖1 刈割對秸稈產量的影響Fig. 1 Effect of cutting on straw yield

2.1.2 刈割對青稞籽粒產量及品質特性的影響 刈割使青稞植株千粒重與每公頃穗數升高, 每穗的穗粒數降低, 致使籽粒產量顯著升高。每公頃穗數和千粒重增加對籽粒產量提升貢獻最大。昆侖18 號穗粒數、千粒重、每公頃穗數和籽粒產量均高于藏1257 (表2)。刈割處理提高青稞籽粒中粗蛋白與淀粉含量(表3)。籽粒中粗蛋白和淀粉含量在品種間存在一定差異, 再生恢復慢的藏1257 籽粒中粗蛋白和淀粉含量均高于再生恢復快的昆侖18 號。

表2 刈割對籽粒產量的影響Table 2 Effect of mowing on seed yield

表3 刈割對籽粒品質的影響Table 3 Effects of cutting on grain quality

2.2 刈割對莖部再生恢復特性的影響

青稞莖部株高和單株生物量的生長恢復速率隨發育期推進呈先升高后降低趨勢。莖部不同指標對刈割響應情況存在差異, 刈割后青稞再生植株的株高和單株生物量的恢復速率在各發育期均升高。青稞品種對刈割響應存在一定差異, 刈割后再生恢復快的昆侖18 號莖部中株高和地上部生物量的再生恢復速率均高于再生恢復慢的藏1257。昆侖18 號為刈割后地上部再生恢復速率相對較快的青稞品種,藏1257 為割后地上部再生恢復速率相對較慢的青稞種質(圖2)。表明刈割會促進青稞植株株高和地上部生物量的再生恢復。

(圖2)

2.3 刈割對莖部抗氧化酶活性的影響

刈割后青稞假莖中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性均表現出先升高后降低的趨勢(圖3)。青稞抗氧化酶系統在刈割后迅速響應, 使假莖中SOD 和CAT 活性迅速升高, 其可能參與到清除假莖中過量累積的活性氧, 以維持較低的膜脂過氧化水平和細胞膜的完整性。品種間抗氧化酶活性對刈割的響應存在差異。表明抗氧化酶(SOD 和CAT)在青稞刈割后受傷部位快速自愈及殘茬快速補償生長中可能發揮重要生理保護作用。

圖3 2021-2022 年刈割對莖部保護酶活性的影響Fig. 3 Effect of mowing on stem protective enzyme activity in 2021 and 2022

2.4 刈割對莖部內源激素的影響

刈割使青稞莖稈中反式玉米素核苷(TZR)、反式玉米素(tZT)和異戊烯基腺苷(iPA)含量呈現出先升高后降低的趨勢, 吲哚-3-乙酸(IAA)與脫落酸(ABA)含量則在青稞植株刈割后顯著降低。TZR、tZT 和iPA在刈割處理后2 h、24 h 均顯著升高, 正常生長青稞植株中tZT 呈現緩慢升高的變化規律、iPA 呈現緩慢降低的趨勢(圖4)。不同類型青稞莖稈中內源激素對刈割響應存在差異, 割后再生恢復速率較快的昆侖18 號假莖中TZR、iPA、IAA 和ABA 含量均高于藏1257。表明細胞分裂素和生長素在割后青稞植株地上部的快速再生恢復過程中可能發揮了重要調控作用。

圖4 2021-2022 年刈割對莖部內源激素的影響Fig. 4 Effect of mowing on endogenous hormones in the stem in 2021-2022

2.5 刈割后各指標的相關性性分析

相關分析結果表明, 青稞農藝性狀、抗氧化酶指標、內源激素指標間存在相關性(圖5)。農藝性狀間存在相關性, 例如株高和單株生物量呈顯著正相關。內源激素指標間也存在相關性, 其中假莖中的吲哚-3-乙酸(IAA)和脫落酸(ABA)呈極顯著正相關。農藝性狀和抗氧化酶指標間也存在相關性, 超氧化物歧化酶(SOD)活性同株高、單株生物量呈顯著正相關。農藝性狀和內源激素含量間存在相關性, 異戊烯基腺苷(iPA)和青稞莖稈強度呈顯著負相關, 生長素中IAA 和株高、單株生物量呈顯著負相關, ABA與株高呈顯著負相關。抗氧化酶活性與內源激素也存在相關性, SOD 與IAA、ABA 呈顯著負相關。表明抗氧化酶SOD 活性和內源激素中的IAA 和ABA在刈割后莖部生長發育中可能發揮重要調控作用。

圖5 各單項指標相對值的相關性分析Fig. 5 Correlation analysis of the relative values of each individual index

3 討論

3.1 刈割對青稞秸稈和籽粒產量品質特性的影響

刈割處理是一種重要飼用化利用方式, 在其他飼草化利用的作物中研究報道相對較多, 例如冬小麥[15]和高粱[16]中刈割后秸稈產量及品質提高利于牲畜消化。本研究結果發現刈割使秸稈產量升高, 籽粒中千粒重和每公頃穗數升高, 可能是因為刈割去除了青稞植株優勢穗, 刺激青稞莖稈茬口和基部重新生長出新分蘗芽, 新生分蘗芽緣于分化時間一致,其會產生平衡優勢[17], 使植株產生更多分蘗, 提高秸稈產量的同時植株有效穗會增加, 最終使每公頃穗數增多和籽粒產量升高。刈割會影響飼用作物莖稈發育進而影響其品質特性。本研究結果表明, 刈割處理使青稞秸稈中可被牲畜消化吸收的粗蛋白、粗灰分含量升高, 而結構性的纖維素、半纖維素及木質素含量降低; 籽粒中粗蛋白與淀粉品質升高該研究結果同刈割后高粱[18]、大麥[19]、黑麥草[20]飼用品質和冬小麥[21]籽粒品質變化規律一致, 產生該現象的原因可能同青稞植株中同化物的累積與分配密切相關。相較于葉器官, 青稞莖稈中具有更多結構性物質, 如木質素、纖維素等以維持莖稈的剛性與彈性[21], 而刈割后木質化程度較高的葉鞘(葉片)不能再生, 而殘留葉芽則可在刈割部位再生分化形成新的葉鞘、葉片與莖稈。植物葉芽中葉原基可分化為幼葉和葉鞘; 芽軸則分化為植株莖稈。籽粒品質升高可能為刈割處理導致植株產生過補償效應, 使源器官積累更多同化物, 以合成更多蛋白和淀粉粒,通過再分配使籽粒中積累更多粗蛋白和淀粉。

3.2 刈割對青稞莖部抗氧化酶活性及內源激素含量的影響

刈割使青稞殘茬中超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)含量升高, 這與Jiang 等[22]和Srivalli等[23]研究結果一致, 可能是因為刈割會使莖桿中活性氧增加, 抗氧化酶會清除假莖中過量的活性氧, 以維持較低的膜脂過氧化水平和細胞膜的完整性[24]。本研究結果表明, 抗氧化酶SOD 和CAT 在青稞刈割后受傷部位快速自愈及殘茬快速補償生長中起重要生理保護作用, 該研究結果和黑麥草[25]刈割處理后的研究結果一致, 而不同于苜蓿刈割處理后的研究結果; 產生該現象的原因可能為青稞和黑麥草親緣關系相對較近, 而青稞同苜蓿親緣關系相對較遠。本研究結果表明, 昆侖18 號假莖或莖稈中過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性高于藏1257, 而SOD活性則低于藏1257; 產生該現象的原因可能為不同青稞品種為清除機體多余活性氧的生理調控機制差異所致。刈割后青稞殘差中SOD 和CAT 活性迅速升高, 以清除細胞質和細胞核中的活性氧(ROS), 以避免ROS 爆發引起的毒害作用[25], 該現象的分子及生理調控機制有待于開展進一步研究與解析。

植物激素在植物生長發育和抗逆方面發揮重要作用。植株莖部中生長素(NAA)與細胞分裂素(CTK)之前存在互作效應[26], 吲哚-3-乙酸(IAA)能夠抑制側芽生長同時顯著抑制植株分蘗, 而CTK 能夠促進側芽生長, 增加植株分蘗[27]。且調控植株分蘗的并不是濃度高低決定的, 而是由NAA 與CTK 的比值決定[28], 比值越小, 分蘗越強。本研究表明刈割后青稞假莖中脫落酸(ABA)和吲哚-3-乙酸(IAA)含量降低而細胞分裂素(CTK)含量升高, 可能是因為刈割后ABA 可能作為信號分子, 在信號轉導過程中發揮了相應調控作用, 青稞植株可能通過ABA 信號途徑將受傷信號傳遞給莖部等其他組織, 使青稞殘茬中的ABA 含量降低。CTK 和ABA 拮抗作用可能激活了青稞植株體內CTK 合成, 使CTK 含量增加, 隨著NAA 含量減少, 使分蘗芽再生能力也一定程度受到抑制, 但可能受CTK 和NAA 這兩種信號級聯并介導分蘗芽的再生, 使刈割部位可再生出分蘗芽, 該調控機制有待于進一步的研究與分析。

4 結論

割后青稞殘茬中SOD 與CAT 含量快速升高, 抗氧化酶系統迅速響應, 誘導青稞殘茬中細胞分裂素類TZR 與iPA 快速合成, 使再生青稞植株株高和單株生物量恢復速率加快, 促進分蘗芽的再生和莖部生長。刈割不僅提高了秸稈與籽粒產量, 且使割后再生秸稈相對飼喂價值升高、籽粒中積累更多粗蛋白和淀粉。刈割有助于促進青稞殘茬再生恢復以及籽粒與秸稈產量品質的提升。