基于幼苗生长性状的苜蓿秋眠性预测研究

武 祎,宋彦涛,田 雨

(1.吉林省教育学院,吉林 长春 130022;2.大连民族大学环境与资源学院,辽宁 大连 116605;3.吉林农业大学动物科技学院,吉林 长春 130118)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上广泛种植的优质高产豆科饲草[1].苜蓿的秋眠性是苜蓿对秋季温度降低和日照变短的响应,是指植株生长减缓且茎匍匐生长的特性[2-3].秋眠性是决定苜蓿品种适应性最重要的特征之一,在苜蓿育种过程中广泛应用[2].在美国和加拿大等苜蓿生产大国,秋眠性通常作为苜蓿品种特性评定的首要指标[4].然而,苜蓿秋眠级数的确定需要在秋季最后一次刈割后,测定植株的再生高度并与标准秋眠级数品种进行对比,周期较长且耗费大量人力物力[4].

一些研究曾尝试探索预测秋眠级数的新方法.Kallenbach等[5]认为近红外发射光谱法可以检验苜蓿秋眠级数,但不能准确分离秋眠级数相似的品种;Schnieder[6]和李崇巍[7]的研究表明,子叶节长与秋眠级数高度相关;也有研究[8-10]指出,秋眠级数与子叶面积、株高、返青高度等有极显著的相关性,节间距可用于大致测定苜蓿品种的秋眠类别,如子叶到第1真叶节间距,第1、第2真叶节间距等.然而,很少有研究关注秋季自然环境下苜蓿秋眠级数与植株幼苗各项生长性状之间的关系.为此,本文探讨了苜蓿幼苗的生长性状对秋眠性的预测关系,通过检验不同播期下幼苗的生长性状和秋眠级数的关系,获得检验苜蓿秋眠性的新方法.

1 研究材料与方法

1.1 实验材料

实验共选取15个国内外苜蓿品种,包括13个不同秋眠级数的国外苜蓿品种,2个国内苜蓿品种(公农2号、敖汉).各品种秋眠级数和秋眠类型见表1.

1.2 实验方法

实验在东北师范大学自由校区校园内(43°86′N,125°33′E)进行.将田间土与河沙按V/V=2∶1混合,装入育苗纸筒,分别在7月28日和9月15日进行播种.每个品种播种50个纸筒,每纸筒播3粒种子,出苗后间苗,保留长势一致且健康的苗1株,实验期间保持水分充足.出苗后第4周进行取样,测定株高、第1片真叶柄长、子叶节长(子叶节点到第1片真叶节点之间的距离)以及第1片真叶的长、宽、茎和根的直径;将根上的沙土用流水冲洗干净后,测量根系长度;将幼苗65 ℃烘干至恒重,测定总生物量.7月28日播期,幼苗生长期间日平均温度为22.8 ℃(最高温平均为27.4 ℃,最低温平均为18.7 ℃);9月15日播期,幼苗生长期间日平均温度为13.1 ℃(最高温平均为19.0 ℃,最低温平均为7.1 ℃).

1.3 数据分析

采用双因素方差分析检验播期、品种及其交互作用对幼苗生长性状的影响,对13个国外品种幼苗的生长性状与秋眠级数进行皮尔森相关分析,对与秋眠级数显著相关的生长性状与秋眠级数作回归分析.根据与秋眠级数显著相关的部分幼苗性状,采取层次聚类分析对15个国内外苜蓿品种进行聚类分析.统计分析利用SPSS软件完成.

2 结果分析

2.1 播期对各品种苜蓿幼苗生长性状的影响

播期、品种及其交互作用对苜蓿幼苗生长性状均有极显著影响(P<0.001),结果见表2.

表2 播期和品种对苜蓿幼苗生长性状影响的双因素方差分析

7月播种的苜蓿幼苗株高和生物量显著高于9月播种的(见图1a,b).9月播种的秋眠型(秋眠级数<4)苜蓿真叶的叶片宽度基本都小于7月播种的,而半秋眠、不秋眠和极不秋眠型苜蓿真叶的宽度则大于7月播种的(见图1f);真叶长也呈现类似的特征(见图1e).

图1 不同播期各品种苜蓿幼苗的生长性状

7月播种的苜蓿幼苗株高、生物量和子叶节长基本随秋眠级数的升高而增加(见图1a,b,i);9月播种的苜蓿幼苗株高、生物量、真叶柄长、子叶节长、真叶宽等性状也有随秋眠级数升高而增加的趋势(见图1a,b,d,f,i),根长则表现出相反的趋势,即随秋眠级数升高而降低(见图1c).

2.2 不同播期各品种苜蓿幼苗的生长性状与秋眠级数的关系

7月和9月播期条件下不同苜蓿品种幼苗的生长性状与秋眠级数的相关分析和回归分析结果(见表3)表明,大部分幼苗生长性状都与秋眠级数呈极显著正相关(P<0.01),9月播种的幼苗根长与秋眠级数呈极显著负相关(P<0.01).9月播种的苜蓿幼苗生长性状与品种秋眠级数的相关系数绝对值基本都比7月播种的高,且多大于0.9,如真叶柄长(r=0.942,P<0.001),子叶节长(r=0.942,P<0.001),真叶宽(r=0.938,P<0.001);而7月播种的只有幼苗的生物量(r=0.921,P<0.001)和株高(r=0.934,P<0.001)与秋眠级数的相关系数大于0.9.回归分析结果显示,9月播种的幼苗,大部分生长性状回归方程的R2值都在0.8以上,而7月份播种的只有株高和生物量回归方程的R2值超过了0.8(见表3).

表3 不同播期各品种苜蓿幼苗生长性状与秋眠级数的关系

2.3 基于不同秋眠级数品种苜蓿幼苗生长性状的聚类分析

采用与秋眠级数显著相关的株高、第1片真叶柄长、子叶节长、第1片真叶长和宽、根长和生物量等7个苜蓿幼苗生长性状,分别对7月播种和9月播种的15个紫花苜蓿品种进行层次聚类分析.结果表明,7月份播种处理的,当欧氏距离在5以上时,可以将15个不同秋眠级数的紫花苜蓿品种划分为4种类型,Ⅰ类包括驯鹿、公农2号、敖汉、金皇后、Vernal;Ⅱ类包括皇冠、CW402、53Q60、Sarannac、Magnum IV、Tango、亮苜601、亮苜702;Ⅲ类为CUF101;Ⅳ类为CW1010.与表1中各品种秋眠级数对应可知,Ⅰ类为秋眠级数1～2的品种,Ⅱ类为秋眠级数3～7的品种,Ⅲ类为秋眠级数为9的品种;Ⅳ类为秋眠级数为10的品种(见图2).

图2 7月播种的不同秋眠级数苜蓿层次聚类分析树状图

9月份播种处理的苜蓿品种,当欧氏距离在5以上时,可以将15个不同秋眠级数的苜蓿品种划分为3种类型,Ⅰ类包括皇冠、CW402、53Q60、Magnum IV、Sarannac、Tango、亮苜601;Ⅱ类包括驯鹿、公农2号、敖汉、金皇后、Vernal;Ⅲ类包括CUF101、亮苜702、CW1010(见图3).与表1中各品种对应的秋眠级数相比较可知,Ⅰ类为秋眠级数3～6的品种,Ⅱ类为秋眠级数1～2的品种,Ⅲ类为秋眠级数7～10的品种.这样的分类基本与品种的秋眠类型相同,除了秋眠级数为3的53Q60被归入中度秋眠组,极不秋眠的CW1010被归入不秋眠组.

图3 9月播种的不同秋眠级数苜蓿层次分析聚类树状图

3 讨论

本文的研究发现,秋季播种的苜蓿幼苗生长性状如株高、真叶柄长、子叶节长、真叶长和真叶宽等与秋眠级数之间具有较高的相关性,表明通过幼苗对秋季环境条件的反应可以区分不同苜蓿品种间的秋眠性[12-13].冯长松等[14]研究指出,秋眠型不同的苜蓿品种植株再生高度与日照时长呈极显著负相关;Schonhorst等[15]研究发现,在温度为15 ℃、日照时长为12 h的条件下,不同苜蓿品种植株再生高度差异最大;Susuki[16]研究指出,最不秋眠品种(Moapa)秋季茎秆伸长的临界温度为6.9 ℃,而最秋眠品种(Ladak)秋季茎秆伸长的临界温度为13.6 ℃,说明在秋季秋眠品种比非秋眠品种需要更高的温度来促进生长.本研究在9月播期的幼苗生长过程中每日平均温度波动范围为7.1 ℃～19 ℃,处于秋眠品种和非秋眠品种临界温度之间,因此增大了品种间的生长差异.本研究中7月播种的幼苗的生长性状多数与秋眠级数显著相关,但相关系数大都比9月播期的低.与以往的研究[6-7]结果相似,两个播期下幼苗子叶节长均与秋眠级数显著相关.

在由气温下降和光周期缩短导致的冷适应阶段,植物会进行生理休眠以维持生存,等适宜条件来临再进行生长[17-19].本研究中9月播种的幼苗根长与秋眠级数呈显著负相关,这可能是由于秋眠品种响应了秋季温度、光照等环境条件的变化,秋眠机制得到激发,地上部分生长变缓,同时增加对地下生长的投入以储备能量应对严寒的冬季[2,19].秋季的降温和光周期的减小还能产生一些不易在春季和夏季观察到的形态特征[2].本文的研究发现,9月播种的所有秋眠型苜蓿品种(秋眠级数<4)真叶的叶片长度和宽度基本小于7月的,而秋眠级数较高的品种幼苗叶片的长和宽则大于7月播种的,体现出叶片形态变化对秋季环境条件的响应.Smith等[20]的研究结果表明,21 ℃/12 ℃下生长的苜蓿幼苗上部的叶片大于生长在相对较高温度下的叶片.

通过建立一系列生长性状与秋眠级数的回归方程,可以对秋眠级数进行预测.根据7月播种的幼苗株高与秋眠级数的回归公式,计算得到敖汉和公农2号苜蓿的相对秋眠级数为1.1和1.5;根据9月播种的幼苗真叶宽的回归公式,计算得到敖汉和公农2号苜蓿的相对秋眠级数分别为1.0和1.6.由本研究的预测公式,计算得到的敖汉和公农2号的相对秋眠级数低于传统刈割方法得出的3.2和3.2[11].在东北寒冷地区,敖汉和公农2号苜蓿都能够稳定越冬,这也说明本研究的预测方程能较好地体现秋眠与越冬的指示关系[2].

根据9月播种的苜蓿幼苗生长性状特征,通过聚类分析把本实验中的紫花苜蓿品种划分为秋眠、半秋眠和不秋眠3个类型,与它们本身的秋眠类型基本相符.在苜蓿育种过程中,可以应用此方法快速检验品系、品种或者种质资源的秋眠性,将未知品系和材料划分为三类秋眠群体,有效缩短筛选和育种的时间.

苜蓿秋眠性是由一系列遗传、形态、生理和环境因子联合调控的,难以精确测定[4,21-22],仍需要进一步开展秋季环境条件的模拟控制实验,同时进行不同地点的野外实验,以找到能稳定表达品种间最大秋眠性差异的环境条件以及相关的生长性状.