張曉娟，劉勇，王繪艷，聶萌恩，張一中，范昕琦，梁篤，郭琦，柳青山

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 高粱研究所/省部共建有機旱作農(nóng)業(yè)國家重點實驗室（籌）/高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室，山西 晉中 030600）

高粱是傳統(tǒng)的特色雜糧作物，也是抗旱首選作物之一［1］。在全世界分布范圍廣，具有食用、釀酒、飼用、能源、青貯用等多種用途［2］。近年來，高粱在生產(chǎn)上常出現(xiàn)種子出苗率低的問題，有時甚至出現(xiàn)缺苗斷壟、毀種等現(xiàn)象。因此，提高高粱種質(zhì)出苗率已成為高粱育種工作者亟待解決的問題。

研究發(fā)現(xiàn)造成高粱種子出苗率低的原因很多，包括土壤的土質(zhì)類型、溫濕度因素、肥力狀況、播種深度［3-4］、氣候因素（低溫冷害）、病蟲害等環(huán)境因素［5-8］。其中，種子活力和播種深度是最重要的因素［9-10］。胚芽鞘在作物生長初期具有重要意義，是作物子葉應(yīng)對生長初期逆境的保護組織。而中胚軸是聯(lián)系初生根與苗端的過渡區(qū)，在種子萌發(fā)至成為幼苗的過程中，中胚軸伸長將胚芽連同胚芽鞘送至土表。目前，胚芽鞘和中胚軸伸長對出苗率變化的影響在水稻［11］、玉米［12-15］等作物中均有研究。張光恒等［11］采用不同覆土深度研究水稻種子出苗頂土動力源，發(fā)現(xiàn)芽鞘節(jié)間和中胚軸的伸長對種子頂土出苗起關(guān)鍵作用。曹慧英等［12］發(fā)現(xiàn)隨著播種深度的增加玉米出苗率逐漸下降。李月明等［13］發(fā)現(xiàn)室內(nèi)活力指標可作為耐深播玉米雜交種的參考依據(jù)，中胚軸伸長和中胚軸干重對玉米雜交種出苗起主要促進作用。但高粱中關(guān)于中胚軸和胚芽鞘的報道極少。

閆鳳霞等［16］在不同高粱種質(zhì)幼苗器官形態(tài)與出苗能力關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，高粱中胚軸的伸長能力是決定不同播種深度處理出苗率變化的重要因素。陳冰嬬等［17］認為高粱中胚軸的伸長特性是基因型與環(huán)境互作的結(jié)果，雜交種中胚軸伸長特性受母本影響較大。可見，高粱中胚軸的伸長能力與出苗率存在著相關(guān)性。但是上述研究只針對室內(nèi)模擬條件，而大田條件與室內(nèi)存在著一定的環(huán)境因素差異，如土壤的土質(zhì)條件、氣候因素、肥力狀況以及整地質(zhì)量等因素都會影響高粱種植的全苗、壯苗情況，所以本文采用了大田試驗對室內(nèi)試驗的研究結(jié)果進行了進一步的驗證。

高粱籽粒根據(jù)淀粉結(jié)構(gòu)可分為糯高粱和粳高粱，優(yōu)質(zhì)糯高粱是名優(yōu)白酒的主要釀造原料［18-19］。本研究選用新選糯高粱種質(zhì)進行室內(nèi)發(fā)芽試驗，通過培養(yǎng)皿無阻力發(fā)芽、無光照條件水培、不同播種深度沙培以及大田調(diào)查出苗率研究高粱種質(zhì)的出苗能力，分析中胚軸和胚芽鞘伸長的特性與種子出苗率之間的關(guān)系，尋找高粱種質(zhì)頂土出苗的主要促進因素，為進一步利用中胚軸長的種質(zhì)資源，進行目標品種的選育提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

糯高粱品種晉糯3 號（10480A2×L17）、晉糯4號（11476A2×L2R）、紅糯16 號（11494A2×L17）及對應(yīng)的父母本共8 份種質(zhì)材料，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計方法

試驗于2022 年春季在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室與東白育種基地進行。發(fā)芽試驗分4 種：培養(yǎng)皿無阻力發(fā)芽、黑暗水培發(fā)芽、3 個不同播深沙培發(fā)芽、大田出苗率調(diào)查試驗。培養(yǎng)皿無阻力發(fā)芽用于統(tǒng)計高粱種質(zhì)發(fā)芽勢和發(fā)芽率；黑暗水培和沙培發(fā)芽通過測量胚芽鞘和中胚軸長度，分析其與高粱種質(zhì)頂土出苗能力的關(guān)系；大田試驗通過調(diào)查出苗率，分析出苗率與各性狀之間的相關(guān)性。

1.2.1 無阻力發(fā)芽

先將培養(yǎng)皿洗干凈置于烘干箱內(nèi)烘干消毒2 h。再將每份種質(zhì)去雜質(zhì)，挑選大小一致、子粒飽滿的種子各100 粒，先用75%酒精浸泡3 min 沖洗干凈，再用10%雙氧水消毒30 s，用流動水沖洗干凈。然后均勻擺放于鋪有定性濾紙的培養(yǎng)皿中，濾紙用無菌水噴濕，最后置于培養(yǎng)箱內(nèi)25 ℃條件下培養(yǎng)發(fā)芽。第3 天初次統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，第10 天末次統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，并計算發(fā)芽勢和發(fā)芽率。

1.2.2 黑暗條件下水培發(fā)芽

挑選各種質(zhì)種子30 粒，均勻排放于特制裝置中，使種子漂于水面上，育苗培養(yǎng)室溫度28 ℃，相對濕度75%，黑暗培養(yǎng)1 周，3 次重復(fù)，隨機取樣測定胚芽鞘和中胚軸長度。

1.2.3 沙培發(fā)芽

在育苗培養(yǎng)室進行。各種質(zhì)挑選50 粒飽滿種子，均勻撒入鋪有2 cm 沙子的花盆中，播種深度設(shè)3個處理：3、5、7 cm，每個處理重復(fù)3 次。播種后，每隔3 天記錄1 次出苗數(shù)，最后計算出苗率。20 天后拔起完整幼苗，隨機取樣測量胚芽鞘和中胚軸長度。

1.2.4 大田出苗率調(diào)查試驗

在東白基地試驗田，每份材料種植2 個穗行，小區(qū)面積5 m×2.5 m，每小區(qū)種植6 行，設(shè)3 次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，田間管理按一般大田水平管理，在出苗期調(diào)查出苗率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用EXCEL 軟件分析數(shù)據(jù)和繪圖，用DPS 軟件對各處理的數(shù)據(jù)進行單因素方差（ANOVA）分析，用LSD 多重比較法進行顯著性差異分析。圖表中將晉糯3 號（10480A2×L17）、晉糯4 號（11476A2×L2R）、紅糯16 號（11494A2×L17）各項指標與其對應(yīng)的父母本各項指標進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱種質(zhì)的發(fā)芽勢和發(fā)芽率

無阻力條件下高粱種子發(fā)芽試驗結(jié)果表明（圖1），供試材料中親本11494A2和L17 發(fā)芽率和發(fā)芽勢均較低，分別為65%、69%和59%、63%，而其余材料的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均達到80%和70%以上。具體表現(xiàn)為：晉糯4 號發(fā)芽率最高，晉糯3 號次之，而紅糯16 號發(fā)芽率最低。此外，3 個雜交種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均大于其對應(yīng)的父母本，如晉糯4 號發(fā)芽勢和發(fā)芽率分別為86% 和93%，而其父母本11476A2和L2R 發(fā)芽勢及發(fā)芽率分別為80%、72%和87%、80%。

圖1 高粱供試材料發(fā)芽勢（a）和發(fā)芽率（b）Fig. 1 Germination potential and germination rate of sorghum test materials

2.2 黑暗水培處理條件胚芽鞘和中胚軸的發(fā)育

黑暗水培處理種質(zhì)發(fā)芽，測量胚芽鞘和中胚軸長度結(jié)果如表1 所示，3 組材料（雜交種及對應(yīng)的親本）中胚軸測量結(jié)果顯示，雜交種晉糯3 號、晉糯4號與對應(yīng)母本差異極顯著，紅糯16 號與對應(yīng)母本差異顯著。L2R 和晉糯4 號的中胚軸最長，分別為8.73 cm 和8.53 cm，中胚軸最短的是紅糯16 號及其母本11494A2，分別為7.03 cm 和6.73 cm。這與沙培處理種質(zhì)發(fā)芽的結(jié)果是相一致的，中胚軸伸長與其對應(yīng)母本相一致，黑暗水培處理對高粱胚芽鞘的生長影響不大，對中胚軸伸長影響較大。由結(jié)果推測高粱種子發(fā)芽的頂土動力主要來自于中胚軸的伸長。

表1 供試種質(zhì)黑暗水培處理結(jié)果Table 1 Results of dark hydroponic experiments of tested germplasm

2.3 高粱種質(zhì)沙培發(fā)芽結(jié)果

模擬大田環(huán)境進行沙培發(fā)芽，結(jié)果如圖2 所示，高粱種質(zhì)隨著播種深度的增加出苗率呈下降趨勢，但下降幅度有所不同。如11476A2、10480A2在播種深度為3 cm 時，出苗率分別為93%和92%，當播深為7 cm 時，出苗率降至77%和74%；而11494A2和L17 在播深為3 cm 時出苗率分別為62%和74%，當播深增至7 cm 時，出苗率分別下降至26% 和48%，表明不同材料的頂土能力對播種深度的敏感程度不同。試驗顯示種質(zhì)11476A2、10480A2對播種深度有一定的耐受力，頂土能力較強；而種質(zhì)11494A2和L17 則表現(xiàn)對播種深度較敏感，頂土能力較弱。同時顯示各雜交種的出苗率基本與其對應(yīng)的母本相一致，如晉糯3 號與晉糯4 號，其出苗率較高，而對應(yīng)的母本10480A2、11476A2出苗率也較高；“紅糯16 號”這個組合，父本L17 出苗率比母本11494A2較高，但母本11494A2卻顯示頂土能力較弱、出苗率較低，而“紅糯16 號”出苗率也較低，說明雜交種的頂土能力可能遺傳自母本。

圖2 不同播深處理下供試材料出苗率Fig. 2 Seeding rate of tested materials in different sowing depth treatments

2.3.1 不同播深處理幼苗器官形態(tài)伸長與頂土能力分析

本試驗對不同播深處理下的高粱種質(zhì)幼苗器官形態(tài)中胚軸和胚芽鞘的長度進行了觀察測量（表2）。結(jié)果顯示，3 cm 與7 cm 播深處理下，各材料胚芽鞘長度差異僅L17 與晉糯3 號表現(xiàn)為差異顯著，其余材料均差異不顯著，而中胚軸長度均為差異極顯著，且隨著播種深度的增加中胚軸呈變長趨勢。當播種深度為7 cm 時，晉糯4 號與L2R 中胚軸最長，分別為8.50 cm 和7.20 cm；而11494A2和紅糯16 號中胚軸長度最短，分別為5.90 cm 和6.03 cm。說明播種深度對高粱胚芽鞘的生長影響不大，對中胚軸伸長影響較大；由此推斷高粱發(fā)芽的頂土動力源主要來自于中胚軸的伸長。

表2 不同播深處理各材料胚芽鞘與中胚軸長度比較Table 2 Comparison of coleoptile and mesocotyl length in different sowing depth treatments

2.3.2 高粱中胚軸伸長與出苗率的關(guān)系

對供試種質(zhì)在不同播深處理中，中胚軸和出苗率的變化進行分析，結(jié)果如表3。高粱在不同播深3 cm 與7 cm 處理中所測中胚軸長度差介于1.63%~4.23%之間，同樣處理出苗率（減小）變化范圍在13%~41%之間。中胚軸長度差表現(xiàn)最大的是晉糯4 號（4.23 cm），最小的是紅糯16 號和11494A2（1.63 cm 和2.27 cm）；同時晉糯4 號出苗率變化最?。?3%），與其對應(yīng)的父母本出苗率變化差異不顯著，即在不同播深處理下，晉糯4 號出苗率都維持著較高的水平，而紅糯16 號和11494A2則相反，隨著播深增加出苗率變化較大，分別為41%和36%。對在3 cm 和7 cm 播深處理的中胚軸長度之差和出苗率變化進行相關(guān)分析，中胚軸長度差與出苗率變化程度呈極顯著負相關(guān)（R2=-0.78**），說明不同播深處理下中胚軸長度變化越大，出苗率變化（減?。┏潭仍叫　?/p>

表3 供試種質(zhì)不同播深處理中胚軸長度差和出苗率變化Table 3 The differences between mesocotyl length and the emergence rate in different sowing depth treatments

2.4 大田試驗調(diào)查種質(zhì)出苗率與各性狀指標相關(guān)性分析

為進一步驗證室內(nèi)試驗研究結(jié)果，采取了大田試驗，在苗期對各種質(zhì)進行了出苗率調(diào)查，并與發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚芽鞘、中胚軸進行了相關(guān)分析。由表4 可以看出，出苗率與中胚軸呈顯著正相關(guān)（P<0.05），發(fā)芽率、發(fā)芽勢與出苗率均呈正相關(guān)，發(fā)芽率與發(fā)芽勢呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。說明中胚軸的伸長能力對高粱的出苗頂土能力起主要促進作用。

表4 大田試驗糯高粱種質(zhì)出苗率與各性狀指標相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between seeding rate and each characters index of sorghum germplasm

3 討論

高粱是我國傳統(tǒng)白酒和山西老陳醋的主要釀造原料，具有抗旱節(jié)水、耐瘠耐澇等特性，在有機旱作農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。隨著我國農(nóng)業(yè)機械化水平不斷提高，大規(guī)模種植高粱基本已實現(xiàn)全程機械化，特別是機械精量播種技術(shù)，解決了高粱人工間苗難、效率低的問題，這要求品種的種子頂土能力強，確保播種后苗齊苗全。

成慧娟等［9］研究發(fā)現(xiàn)同一個高粱品種發(fā)芽勢不同，出苗率也不同。本文無阻力發(fā)芽試驗研究結(jié)果表明，供試種質(zhì)發(fā)芽勢和發(fā)芽率具有明顯差異，3 個雜交種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均大于其對應(yīng)的父母本。陳冰嬬等［17］等研究發(fā)現(xiàn)雜交種的中胚軸伸長特性是負向中親優(yōu)勢，且偏向母本。本文黑暗水培處理試驗表明雜交種中胚軸伸長與其對應(yīng)母本相一致。李志華等［7］研究了不同土壤類型不同覆土厚度對高粱出苗率的影響，結(jié)果顯示不同土質(zhì)對高粱出苗能力的影響較大，出苗能力弱的種質(zhì)，播種厚度不宜過深。本文沙培試驗結(jié)果表明供試材料隨著播種深度的增加，其出苗率呈逐漸下降的趨勢，同時顯示各雜交種的出苗率基本與其對應(yīng)的母本相一致，無阻力和沙培試驗的結(jié)果均顯示，3 個雜交種發(fā)芽率依次為晉糯4 號>晉糯3 號>紅糯16 號，說明雜交種的頂土能力可能遺傳自母本。因此在組配雜交種時，應(yīng)該注意選擇中胚軸伸長較長且綜合性狀較好的不育系親本進行組配。

周瑜等［20］研究發(fā)現(xiàn)隨著播深的增加，高粱中胚軸長、根重和根冠比都顯著增加，而胚芽鞘長無顯著變化。本研究中不同播種深度處理下種質(zhì)胚芽鞘長度變化不明顯，而中胚軸顯著伸長，黑暗水培處理同樣對高粱胚芽鞘的生長影響不大，對中胚軸伸長影響較大，說明中胚軸的伸長能力是高粱種質(zhì)出苗率變化的重要因素。王良群等［21］對高粱出苗能力與幼苗器官形態(tài)進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)高粱出苗能力與根莖長呈正相關(guān)。李月明等［13］對播深15 cm條件下玉米自交系田間出苗性狀進行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)苗長、苗重和根冠比與田間出苗率顯著相關(guān)。本研究在大田條件下對供試糯高粱出苗率與相關(guān)性狀指標進行相關(guān)分析，結(jié)果表明出苗率與中胚軸、發(fā)芽率、發(fā)芽勢均呈正相關(guān)，其中與中胚軸呈顯著正相關(guān)。說明出苗率與中胚軸長度高度相關(guān)，可以通過室內(nèi)發(fā)芽試驗觀察中胚軸長度初步鑒別種質(zhì)出苗能力。

在實際田間種植過程中，影響高粱出苗率的因素還有很多，如種子成熟度、種子量、藥劑影響等［10］，而選育優(yōu)良品種是高粱獲得高產(chǎn)的重要因素之一，發(fā)掘出苗率高且穩(wěn)定的種質(zhì)資源至關(guān)重要。因此在選用種質(zhì)的時候盡量選用種子成熟度好、活力高的長胚軸種質(zhì)。田間播種不僅要考慮土壤類型與氣候特征，還要考慮播種深度，要科學(xué)選種、科學(xué)選擇種植方式。

4 結(jié)論

高粱中胚軸的伸長對出苗頂土能力具有一定的促進作用，雜交種的頂土能力與其對應(yīng)的母本相一致。本研究發(fā)現(xiàn)，種質(zhì)11476A2、10480A2是雜交測配的優(yōu)良親本。11476A2、10480A2中胚軸伸長能力、頂土能力較強；而11494A2和L17 中胚軸伸長能力、頂土能力相對較弱，不宜深播。結(jié)合前人研究結(jié)果，筆者認為在高粱遺傳育種過程中，為了保證出苗率，要注重選育中胚軸伸長能力大、頂土能力強的親本種質(zhì)，尤其是母本的選育。