不同抗倒性小麦品种的茎秆结构及其化学成分和力学特性分析

杨 霞，王红娟，徐文静，陈军营

(1．河南职业技术学院，河南郑州450032;2．河南农业大学农学院，河南 郑州450002)

茎秆是植物体的重要器官之一，担负着输导和机械支持作用．因暴风雨和品种本身缺陷引起的茎秆折断和倒伏已成为制约农作物高产、稳产的重要因素．有研究表明，小麦乳熟期倒伏可减产10%左右，灌浆期倒伏减产25% ～35% ，开花后倒伏减产可达40% ～50%，严重时甚至绝收［1］．而茎秆机械强度小是一些禾谷类作物品种倒伏的重要原因，小麦茎秆机械强度由其形态、结构、化学成分等多种因素决定［2］．段传人等［3］对不同水稻品种茎秆的结构和力学性能研究发现，水稻茎秆横切面中大、小维管束数目越多，抗倒伏能力越强;王岩等［4］研究发现，随着小麦茎秆强度的增强，其产量随之增加，随着群体密度的增加，茎秆的抗倒力降低．高志强等［5］研究认为，弯曲强度与弹性模量与作物倒伏关系密切，可作为抗倒育种的参考指标．为了研究小品种抗倒的机理，本研究对普通小麦大粒1号、中国春、六倍体小黑麦的茎秆结构特征、化学成分及其力学特性进行比较研究，以期为小麦抗倒品种选育与资源创新提供理论依据．

1 材料与方法

1．1 试验材料

普通小麦大粒1号(染色体组型:AABBDD;株高80 cm，大穗大粒，千粒重70 g左右;茎秆粗壮，抗倒性强)、中国春(染色体组型:AABBDD;株高110 cm，小穗小粒，千粒重34 g左右;茎秆纤细，容易倒伏)、六倍体小黑麦(染色体组型:AABBRR;株高120 cm，大穗中粒，千粒重37 g左右，粒皱;茎秆粗壮，抗倒性强)，以上材料均由河南农业大学小麦育种室提供．

试验材料于2009－10－12适期播种于河南农业大学科教园区．行距23 cm，株距10 cm，常规管理．

1．2 试验方法

1．2．1 小麦茎秆微观结构观察 开花期(2010－04－30)从田间取回3个品种植株，以倒2节间作为研究对象，借助光学显微镜(Olympus CX41)，用徒手切片法制备茎秆横切片，观察节间中部的茎壁厚度，大、小维管束数目及各种组织比例等，每个材料观察10次，取平均值．

1．2．2 小麦茎秆化学成分测定 分别在开花期(2010－04－30)、灌浆期(2010－05－19)，蜡熟期(2010－05－31)取样，选取茎秆基部往上数第1～3节间，将取回的材料按节间截取，烘干、粉碎，按王健等［4］的方法测定其纤维素和木质素含量．

1．2．3 小麦茎秆力学特性分析 小麦茎秆力学特性分析在河南农业大学机电工程学院进行，与化学成分测定同期取材，依据GB/T 1040—2006(塑料和复合材料拉伸强度、拉伸模量和拉伸应力－应变关系)的测定方法，采用微机控制非金属材料电子万能测试仪对小麦茎秆倒二节间进行测定，每个品种均采取5个样本，取其平均值．

2 结果与分析

2．1 不同小麦品种茎秆显微结构观察

借助光学显微镜可以看出，开花期3个品种小麦茎秆均由厚壁组织、薄壁细胞组织和维管束组织3部分组成．厚壁组织包括表皮及其下皮层，组织层密度较高，机械组织发达，细胞大多呈椭圆状，细胞壁厚;薄壁细胞组织大多呈六边形或多边形，细胞排列疏松，细胞壁薄;维管束组织成椭圆状，小束分布在厚壁组织靠近基本薄壁组织一侧，与机械组织连成一体;大维管束分布在薄壁组织内，茎秆的空腔(髓腔)是茎中心的基本薄壁组织在发育过程中解体形成的(图1)．

图1 不同小麦品种茎秆横切面的显微结构Fig．1 Stem microstructure of different wheat varieties on cross section

对茎秆结构的测定结果(表1)表明，大粒1号茎秆最粗，小黑麦次之，中国春最细;大粒1号和小黑麦的茎秆外径分别较中国春增大36．4%～44．8%;小黑麦的壁厚却大于大粒1号，中国春最薄;茎秆的薄壁组织与厚壁组织比例差异不大，厚壁组织比例以小黑麦为最高，中国春次之，大粒1号最低．大、小维管束的总数以小黑麦为最多(87个)，大粒1号次之(60．5个)，中国春的维管束数量少(49．2个)．但就单位面积的维管束数目而言，中国春最多，其次是小黑麦和大粒1号．

2．2 不同小麦品种茎秆化学成分比较

表2表明，在开花期和灌浆期以大粒1号和小黑麦茎秆的纤维素含量较高，中国春的纤维素含量最低，蜡熟期则纤维素含量有所下降;木质素含量随着灌浆的进行木质素含量表现升高趋势，蜡熟期达到最高，但品种间差别不大;表2还表明，纤维素含量在同一品种同一时期的不同节间之间差别不大，而木质素含量则存在一定差异．如大粒1号的蜡熟期、中国春和小黑麦的灌浆期，其倒3节的木质素含量高于倒1，2节;而在灌浆期，中国春和小黑麦的倒2节的木质素含量高于倒1节和倒3节．

表1 不同小麦品种开花期茎秆微观结构比较Table 1 Comparison of wheat stem microscopic structure at flower stage

2．3 不同小麦品种茎秆力学特性比较

表3表明，大粒1号、中国春和小黑麦茎秆倒2节间的弯曲强度在3个生育时期有明显差别，其中，小黑麦的弯曲强度最高，其次为大粒1号，中国春最低;大粒1号的弹性模量在3个生育时期均高于中国春和小黑麦．表3资料还表明，对于不同时期的同一品种，茎秆的弯曲强度随着生育期的推移而增加;3个品种茎秆的弹性模量也随着生育期的推移而増大，但其增幅没有弯曲强度的增幅明显．

3 结论与讨论

禾谷类作物茎秆的抗倒伏能力与茎秆的长度、节间数、质量以及密度、茎秆外径、壁厚等指标密切相关．王健等［2］对小麦茎秆结构与抗压强度的研究认为，在评价茎秆机械强度时，茎秆的壁厚与外径之比可能是首选的形态指标之一．因而，在小麦的常规育种过程中，不能一味地追求茎秆直径的粗细，而应该更加注重茎秆壁厚与外径的比率［5，7］．郭维俊等［8］认为，茎秆细胞壁中纤维素含量对增加茎秆抗倒伏能力的作用大于木质素的含量，小麦茎秆的纤维素起着骨架物质作用，是茎秆抗倒伏的主要贡献因子;木质素渗透在细胞壁的骨架物质和基体物质之中，可使细胞壁坚硬，使秆壁结壳或硬固［9，10］．本研究通过对3个小麦品种茎秆的研究表明，小麦茎秆的抗倒伏能力与茎秆的结构，组织比例及化学成分密切相关，这与之前的研究相一致［2，5，7，10］．小麦茎秆中单位面积大维管束数目对茎秆抗倒伏能力有显著影响，而小维管束的数目对茎秆抗倒伏能力似无显著的作用［7］;而本研究发现，小麦茎秆的单位面积小维管束数目与2个力学性能指标变化一致，因而认为单位面积小维管束数量也影响着小麦茎秆的抗倒伏能力．这些不同结论可能是由于不同材料之间存在着某些内在差异所致，进一步研究正在进行之中．

表2 不同小麦品种茎秆化学成分含量比较Table 2 Comparison of stem chemical composition content in different wheat varieties g·kg－1

表3 不同小麦品种茎秆倒2节间的力学特性比较Table 3 Comparison of mechanical properties in second internode in different wheat varieties

在3个品种中，小黑麦茎秆的力学性能突出，茎秆弯曲强度高，弹性模量大，其茎秆外径大，茎秆壁厚、维管束数目多，单位面积大维管束适中和纤维素含量高，因此，小黑麦可作为一个很好的抗倒资源．

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