不同水高效基因型小麦根系特性差异分析

兰泽君，柳斌辉，王变银，张文英*

（1.石家庄市第二中学，河北 石家庄 050051；2.河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000）

不同水高效基因型小麦根系特性差异分析

兰泽君1，柳斌辉2，王变银2，张文英2*

（1.石家庄市第二中学，河北 石家庄 050051；2.河北省农林科学院旱作农业研究所，河北 衡水 053000）

研究不同水高效基因型小麦的根系特性差异，可为抗旱节水小麦品种选育过程中正确选择根系指标提供科学依据。以抗旱品种石新633（DRI=1.300）和不抗旱品种河农58-3（DRI=0.713）为试材，在旱处理（足墒播种出苗后，小麦生育期不再补充灌溉）条件下，采用大田取根方法，比较了不同抗旱性小麦品种的根系特性差异及其在土壤中的垂直分布情况。结果表明：抗旱品种0～160 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重均＞非抗旱品种，其中，80～160 cm深层土壤的根总长度和根干重差异达到了显著水平。相关分析结果显示，0～80 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重与抗旱性均呈负相关，其中，60～80 cm土层的根总长度、根体积和根面积与抗旱性的相关程度达到了显著水平（相关系数分别为-0.508、-0.428、-0.540）；80～160cm深层土壤的根总长度、根体积、根面积、根干重与抗旱性均呈正相关，其中，140～160cm土层的根总长度、根体积和根干重与抗旱性的相关程度达到了显著水平。干旱胁迫下抗旱节水冬小麦主要利用深层土壤中的水分，由此认为，主要是分布在深层土壤的根系对抗旱性起作用。在选育抗旱节水冬小麦品种时，应注意加大深层根系的比例，选择浅层和中层根系比例相对较小的品种。

小麦；水高效基因型；根系；抗旱性

根系是植物吸收养分和水分的重要器官，了解不同水高效基因型冬小麦根系的特征特性可为研究节水抗旱冬小麦品种生产提供更全面的认识。前人对不同作物的根系发育和根群分布等[1～5]进行了研究。在玉米上的研究结果表明，玉米根系发达，在土壤中形成网状致密的根群，整个根系呈圆锥状或伞状，入土深度达1 m以上，其中主要根群分布在20～50cm土层，水平伸展长达50cm以上，能有效利用土壤中的水分和养分[6]。不同水稻品种的根系体积和总质量存在差异，各品种的根系体积和质量均随土层深度的增加而下降，但主要分布在土壤耕作层（0～20 cm），其中表层（0～10 cm）根系占80%以上[7]。不同谷子品种的总根长差异较大，相同水分条件下不同品种形成的根系大小不同，从50 cm以下土层的根系长度占总根长的比例可以反映出不同品种根系在土壤中的分布差异[8]。谷子根系主要分布在60 cm以内的表土层中，该层根系重量占根总重的比例高达97.51%[9]。高产壮苗根系分布较深，深层根量相对比例大，不仅消耗表层土壤水分较少，而且在生育后期土壤干旱条件下，有利于充分利用深层土壤的水分，提高水分利用率[10]。由于根系生长于地下，准确取样、测定、观察存在一定困难，特别是研究方法欠缺、采样破坏性大、工作量大，因此，阻碍了根系研究的深入开展，前人在不同水分环境下进行的根系形态变化研究结论是有局限性的[11]。采用田间取样的方法，以不同水高效基因型小麦为试材，研究了不同深度土层的根系性状以及垂直空间分布的情况，以期从宏观角度明确抗旱节水小麦的根系分布特点，探讨根系分布特征与抗旱性的关系，为抗旱节水小麦品种选育过程中根系指标的选择提供科学依据。

1 材料与方法

数据材料来源于2013年10月～2014年5月在河北省农林科学院旱作农业研究所节水试验站进行的河北省小麦节水组区域试验（表1和2）。试验区土壤为粘土，0～200 cm土层平均田间持水量38.5%（v/v），耕层土壤基础养分含量为有机质12.5g/kg、全氮1.11 g/kg（其中速效氮80 mg/kg）、速效磷21 mg/kg、速效钾120 mg/kg，种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制。夏玉米收获后秸秆全部粉碎还田，然后随整地施磷酸二铵（P2O5含量46%）375 kg/hm2和尿素（N含量46%）150 kg/hm2，旋耕2遍，常规播种冬小麦，行距15 cm。小区面积13.5 m2（7.5 m×1.8 m），田间随机区组排列，10行/区，3次重复。小麦其他施肥和耕作管理与当地大田水平一致。

按照GB 13/T 398.5—1999[12]，选取抗旱性极强的品种石新633（DRI=1.300）和抗旱性弱的品种河农58-3（DRI=0.713）为研究对象，分析不同抗旱性小麦品种的根系特性及其在土壤中的垂直分布状况。

表1 河北省小麦节水组区域试验的田间水分管理概况Table 1 General situation of field water management in regional test of wheat water-saving group in Hebei Province

小麦灌浆期，在垄上和垄间各选一点，用直径9 cm的根钻进行根系取样，合并为1个样本。每20 cm为1个层次，深度达160 cm，每个处理均取3个样本。用孔径0.25 mm的土壤筛洗净根系，去除杂质后冲洗干净，备用。在保持根系之间不重叠的前提下，将根系摆放至盛有清水的扫描盘（Amersham UMAX）上，根据实际情况调整黑白阈值使图片达到最佳清晰度，使用Hp scanjet 8200扫描软件进行透射光扫描，获取数据，并做好记录；采用Delta-t scan软件将数据转化为Excel格式，并计算参试材料各深度土层的根总长度（各级根系长度的总和）、根体积（各级根系体积的总和）和根面积（各级根系表面积的总和）。将扫描后的根系，置烘箱内80～85℃烘干至恒重，测定根干重。

利用Excel 2000和DPS数据处理系统进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 旱处理条件下不同深度土层小麦根系的分布情况

调查结果（表3）显示，抗旱性不同的小麦品种，仅120～160 cm深层土壤的根系分布出现差异；而在0～120 cm土层，二者的根总长度、根体积、根面积和根干重变化趋势均基本一致。

在0～60 cm的上层土壤，参试品种的根总长度、根面积、根体积和根干重均随土层深度加大呈逐渐降低趋势；在60～80 cm的中间土层，4个指标值均略有回升，而在100～120 cm土层均又出现降低；在120～160 m的深层土壤，抗旱品种石新633的根长、根体积和根面积再次呈现增加趋势，而不抗旱品种河农58-3的指标值基本呈逐渐降低趋势。石新633品种80～160 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重占0～160 cm相应指标整体的比例分别为43.62%、44.09%、44.40%和16.18%，分别较河农58-3增加10.17个百分点、2.81个百分点、8.07个百分点和7.58个百分点，其中，土壤根总长度和根干重差异达到了显著水平。抗旱品种深层土壤的根长度和根干重显著高于非抗旱品种，进一步说明，深层土壤中的根长度和根干重对小麦品种的抗旱节水起重要作用。

表3 旱处理条件下不同水高效基因型小麦各深度土层的根量分布Table 3 Root distribution in different soil depths of wheat genotypes under drought treatments

2.2 干旱胁迫下不同深度土层小麦根部性状与抗旱性的相关性

相关分析结果（表4）显示，0～80 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重与抗旱性均呈负相关，其中，60～80 cm土层的根总长度、根体积和根面积与抗旱性的相关程度达到了显著水平，相关系数分别为-0.508、-0.428和-0.540；80 cm以下土层的根总长度、根体积、根面积和根干重与抗旱性均呈正相关，其中，140～160 cm土层的根总长度、根体积和根干重与抗旱性的相关程度达到了显著水平。

表4 不同深度土层小麦根部性状与抗旱性的相关性Table 4 The correlation of root traits and DRI of wheat genotypes under drought treatments in different soil depths

2.3 干旱胁迫下0～160 cm土层小麦根系性状与产量的关系

不同抗旱性品种的0～160 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重与产量均呈正相关（图1～4），相关系数分别为0.80、0.72、0.40、0.49，其中，根总长度和根体积与产量的相关程度达到了显著水平。

图1 160 cm土层根总长度与产量的关系Fig.1 Relationship between root length and yield of 160 cm soil layer

图2 160 cm土层根体积与产量的关系Fig.2 Relationship between root volume and yield of 160 cm soil layer

图3 160 cm土层根面积与产量的关系Fig.3 Relationship between root total area and yield of 160 cm soil layer

图4 160 cm土层根干重与产量的关系Fig.4 Relationship between root dry weight and yield of 160 cm soil layer

3 结论与讨论

本研究结果表明，0～80 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重与小麦品种的抗旱性均呈负相关，其中，60～80 cm土层的根总长度、根体积、根面积与抗旱性的相关程度达到了显著水平（p＜0.05）；而80～160 cm土层的根总长度、根体积、根面积和根干重与小麦品种的抗旱性均呈正相关，其中，140～160cm土层的根总长度、根体积和根干重与抗旱性的相关程度达到了显著水平。干旱胁迫下抗旱冬小麦品种主要利用深层土壤的水分，进一步证明，主要是深层根系对抗旱性起作用。因此，在选育抗旱节水小麦品种时，应注意选择浅层和中层根系比例较小的品种。研究表明，在正常水肥情况下，根系最大程度地利用耕作层的水分和养分，一般20 cm以上耕层根系越庞大，小麦产量越高[13]；土壤水分不足会抑制小麦根系的生长，表现为次生根数、根量和根体积减少，促使小麦根系向下生长，以充分利用深层土壤中的水分，从而获得尽可能多的产量[6]。

在谷子上的研究结果显示，抗逆性强、适应性广的生态特性与其发达的根系系统有关[9]。在小麦和水稻等农作物上的研究表明，抗旱品种的种子根根系发达，下扎快，分布深，深层根量比例大，吸收深层土壤水分的能力强[1～7，13]。Narayan[15]在研究了不同土壤水分条件下小麦品种根系生长与生产力的关系后指出，干旱胁迫条件下对抗旱品种进行选择时，与根系密度相比，根系的下扎深度是更好的选择指标。本研究结果也表明，根系较长的小麦品种，抗旱性较强。具有深而分布广和分枝多的根系，有利于植物充分吸收利用贮存在土壤中的水分。改善根系的发育环境，促使其尽快下扎到含水量较高的土壤层，是避免干旱灾害的有效措施。影响根系对某一层次土壤水分利用的主要原因是该层土壤中的根量、根系本身的吸水活力和土壤水分状况[16]。本研究结论与前人的研究观点相一致。根系分布状况与水分胁迫有关，上层根少、下层根多的品种对土壤干旱的敏感性较低，而上层根多、下层根少的品种则敏感性较高；在土壤水分正常条件下，根系生物量主要集中在上层土壤，土壤干旱时根系在下层分布得明显增多[17～19]。本研究结果表明，在水分干旱胁迫时，小麦深层根量与其抗旱性呈显著正相关，根系向深层土壤发育有利于吸收更多的水分和养分，以满足根系本身和地上部分的需要，这是小麦对干旱环境的一种适应性变化。因此，在小麦栽培措施中，应促使根系利用深层水分以节水增产，在诱导根系深扎的同时，促使根系在土壤深层大量发育。在小麦抗旱节水育种中，可以从根系的深层空间分布入手，适当选育一些扎根较深、深层土壤单位面积中根长度较大的品种，以更加适应干旱缺水的恶劣环境。

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Analysis on Root Characteristics of Wheat Genotypes with Different Water Use Efficiency

LAN Ze-jun1，LIU Bin-hui2，WANG Bian-yin2，ZHANG Wen-ying2*

（1.The Second Middle School of Shijiazhuang，Shijiazhuang 050051，China；2.Dryland Farming Institute，Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Hengshui 053000，China）

The aim of the study was to evacuate variation of root characteristics among wheat genotypes with different water use efficiency，to provide a root selection index.Two different genotype Shixin 633（drought tolerance，DRI=1.300），Henong 58-3（drought sensitive，DRI=0.713）and a single drought treatment（no irrigation after seedling）were employed for the test.A field root sampling method was selected to evaluate the variation of root characters and distribution within soil.The results showed that within 0-160 cm profiles，the root length and dry weight were higher for drought tolerance variety then sensitive one and significant higher within 80-160 cm layer.The results of correlation analysis showed that all the total root length，root volume，total root area and root dry weight within 0-80 cm were negatively correlated with drought tolerance，there were significance correlation between total root length，root volume and root total area of 60-80 cm profile to drought tolerance（-0.508，-0.428，-0.540，respectively），in contract，there were positive correlation between total length，volume area，dry weight and drought tolerance in 80-160 cm profiles.The relationship between root length，volume，dry weight in 140-160 cm profiles and drought tolerance reached a significant level.The results showed that under water stress，drought tolerance ability of winter wheat was due to the ability of deep water use and the deep root characters.It means to select deep root proportion in deep profile and relatively small proportion in shallow profiles in drought tolerance breeding program is a useful protocol.

Wheat；Water efficient genotype；Root；Drought tolerance

S512.1+1

：A

：1008-1631（2017）01-0019-05

2016-09-16

河北省科技支撑计划项目（1152021D）；国家行业专项（2013BAD69B01）；国家行业专项（2015BAD02B02）

兰泽君（1999-），男，河北石家庄市人，石家庄市第二中学学生。

张文英（1975-），河北衡水人，研究员，博士，主要从事农作物抗旱性鉴定及遗传规律研究。 E-mail：zxm. 0223@163.com。