不同世代生姜组培苗物质生产特性与产量形成差异

任 云，李 强，李哲馨，刘奕清，唐建民

(重庆经济植物生物技术重点实验室，重庆市特种植物协调创新中心，重庆文理学院 特色植物研究院，重庆 402160)

生姜(ZingierofficinalRoscoe)为姜科多年生草本植物，具有食用和药用双重价值，在世界范围内广泛种植[1-2]。我国生姜在全球市场占主导地位，栽培面积与总产量均居世界首位[3]。同时，生姜作为我国优势特色蔬菜和主要调味品原料，已成为乡村振兴与脱贫攻坚的特色高效产业，也是重庆市现代特色效益农业调味品产业体系主导作物之一[4-5]。

生姜以地下根茎无性繁殖为主，连年自留种，种性退化，病原物积累，土传病害严重，使得生姜生长缓慢，品质下降，减产甚至绝收，严重制约生姜产业的持续健康发展[6-7]。而组织培养是解决无性繁殖作物种性退化、病原物积累，提高抗病性和产量潜力的重要措施[8-11]。王林生等[12]研究表明，不同世代组培甘薯增产幅度差异明显，茎尖苗增产效果明显高于原原种苗、原种苗和良种苗。汤青林等[13]通过测定不同世代组培芋苗叶片生理指标和产量，综合评价指出组培2代要优于组培1代和普通苗，是大面积推广种植的种源。组培技术在甘薯、马铃薯上已有大量研究应用[14-15]。生姜的组培多是关于其组培快繁体系建立的相关研究，而关于不同世代组培生姜物质积累与分配特性，以及产量形成差异的研究还鲜有报道。本研究以生姜原原种(T1)、原种(T2)、生产种(T3)为试验材料，研究了不同世代组培生姜物质生产特性与产量形成差异，以期为生姜组培种生产上最佳推广世代的确定及其增产机制的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年和2018年在永川区五间镇试验基地进行，该地区属于亚热带季风性湿润气候，年平均温度17.7 ℃，年平均降雨量1 015.0 mm，日均日照时数3.3 h，年均无霜期317 d。该地区为浅丘旱地，以特色经济作物为主。2年试验均在同一地块进行，2017年播种前试验地0～30 cm土层有机质含量18.7 g·kg-1，碱解氮41.6 mg·kg-1，速效磷122.1 mg·kg-1，速效钾338.8 mg·kg-1，全氮1.3 g·kg-1，全磷17.9 g·kg-1，全钾1.6 g·kg-1，pH为6.84。

1.2 方法

试验生姜品种为竹根姜，供试材料为本实验室自主培育的不同世代竹根姜脱毒姜种。原原种(T1)为组培试管苗，原种(T2)为原原种种植收获的姜种，生产种(T3)为原种种植收获的姜种。

采用随机区组试验设计，共设3个处理，分别为原原种(T1)、原种(T2)、生产种(T3)，3次重复，小区面积50 m2。常规化肥施氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)用量分别为400、200、600 kg·hm-2，有机肥1 500 kg·hm-2。磷肥、钾肥和有机肥一次性基施，氮肥50%基施，50%块茎膨大期追肥。种植规格为畦带沟宽1.8 m，双行种植，株行距为0.5 m×0.3 m，种植密度为90 000 株·hm-2，其他栽培管理同当地生姜高产田。2017年于4月28日播种，11月20日收获；2018年于5月1日播种，11月25日收获计产。

1.3 指标测定

1.3.1 形态指标测定

生姜出苗后，每隔20 d每小区选取连续10株长势一致的生姜植株，测定株高、茎粗、分蘖数。株高测定从主茎基部量到生姜植株顶部；茎粗采用电子游标卡尺测量每一株生姜茎粗最大的分蘖；分蘖数采用直接计数法。

1.3.2 植物各器官干物质积累与分配

于生姜主要生育阶段(2017年出苗后105、126、150、189和207 d，2018年出苗后81、113、144、174和193 d)选取长势一致的生姜植株5株，按根、块茎、茎鞘和叶各器官分开，测定各部分干质量，并计算生姜的根冠比和物质分配比例。

利用Logistic方程对生姜物质生产进行曲线拟合，可以得出最大理论生物量(final theoretical biomass yield，MD)、最大生长速率(maximum growth rate，VmD)、平均生长速率(average growth rate，VaD)、最大生长速率出现时间点(time of instantaneous maximum slope，T0D)、生长加速点(time of growth rate acceleration，T1D)，生长减速点(time of growth rate deceleration，T2D)和快速生长期(rapid growth rate period，T2D-T1D)[16-18]。

式中：x，生长天数；y，干物质积累量；a、EXP和b代表方程系数；m，实际干物质积累量；T0，最大积累速率时间点。

1.3.3 产量测定

收获时，小区实收计产，并按小区面积折算不同处理生姜实际产量。

1.4 数据分析

利用SPSS 20.0统计软件进行数据统计分析，用LSD法对数据进行差异显著性检验，用GraphPad Prism 5.0进行绘图，利用OriginPro 2016进行生姜生长曲线拟合。

2 结果与分析

2.1 不同世代组培生姜植株生长特性的差异

图1表明，不同世代生姜组培苗株高均随生育进程而逐渐增加，但不同世代生姜组培苗株高差异显著。2017年和2018年各世代株高均表现为T3>T2>T1，其中各时期T3较T2株高的增幅均明显高于T2较T1株高的增幅，T3较T2各时期平均株高增幅分别为55.74% (2017年)和55.49%(2018年)，T2较T1各时期平均株高增幅分别为44.42%(2017年)和36.77%(2018年)。T3较T2和T2较T1株高的增幅均随生育进程而表现出先增加后降低的变化趋势，出苗80 d左右，T2较T1株高增幅最大，增幅达61.24%；T3较T2最大株高增幅也出现在出苗80 d左右，增幅达68.53%。表明生产种(T3)较原种(T2)和原原种(T1)具有明显的株高优势。

不同世代组培生姜茎粗均表现出前期增长较快，后期增长放缓，但不同世代生姜茎粗差异显著，2017和2018年各时期均表现出T3>T2>T1的变化趋势(图2)。2017、2018年收获时T2较T1茎粗分别高19.84%和19.66%，而T3较T2分别高17.35%和16.27%，表明随组培世代的增加，组培生姜茎粗增幅下降。2017、2018年T2较T1与T3较T2茎粗差异均表现为随生育进程逐渐下降。2017年T2较T1茎粗增幅从49.85%下降到19.84%，2018年从28.22%下降到19.66%；2017年T3较T2茎粗增幅从37.11%下降到17.35%，2018年从46.70%下降到16.27%。表明原种(T2)和生产种(T3)生育前期能保持较好的形态建成，保证其快速生长期的物质积累，尤其是生产种。

图1 不同世代组培生姜株高差异Fig.1 Plant height differences of different generation tissue culture gingers

图3结果表明，不同世代组培生姜分蘖数均表现为生育前期增幅缓慢，后期快速增加，出苗80 d以前各世代分蘖数均小于10；出苗80 d以后，T1、T2和T3世代生姜2年平均分蘖数增幅分别达3.66·(10d)-1、2.56·(10d)-1和1.97·(10d)-1。2017、2018年成熟期分蘖数均表现为T1>T2>T3，随世代的增加分蘖数显著下降，2017和2018年收获时T2较T1分蘖数分别下降29.90%和27.52%，T3较T2分蘖数分别下降13.42%和15.44%。表明原种(T2)和生产种(T3)在生育后期能够有效控制分蘖的产生，减少过多分蘖对光合产物的消耗，从而提高其产量。

2.2 不同世代组培生姜干物质积累与分配差异

生姜整个生育期内物质积累呈“S”型增长曲线，本研究拟合的所有Logistic方程的决定系数R2均大于0.99(图4)。不同世代组培生姜理论物质积累量(MD)、最大积累速率(VmD)、平均积累速率(VaD)、最大积累速率出现时间点(T0D)和快速增长期(T2D-T1D)差异均显著(图4和表1)。随世代的增加，MD、VmD、VaD均表现出逐渐增加的趋势，T0D有所提前，使得T2D-T1D显著延长。2017、2018年T2较T1平均快速增长期延长了11.07%(5.85 d)，T3较T1延长了45.80%(24.22 d)。因此，随组培世代的增加，干物质积累速率逐渐提高，快速增长期逐渐延长，显著提高了原种(T2)和生产种(T3)的物质积累量。T2较T1干物质积累量分别提高了27.32%(2017年)和22.77%(2018年)，T3较T2分别提高了28.20%(2017年)和31.50%(2018年)。

图2 不同世代组培生姜茎粗差异Fig.2 Stem diameter differences of different generation tissue culture gingers

图3 不同世代组培生姜分蘖数差异Fig.3 Tillering number differences of different generation tissue culture gingers

2年试验中，生姜生育中后期其叶片和茎的干物质分配比例均表现为随生育进程推进而降低，采收时最低；而块茎和根的干物质分配比例均表现为随生长期延长而增加，采收时比例最高(图5)。2017、2018年收获时叶片、茎和根的干物质分配比例均表现出随世代增加而降低的趋势，均为T1>T2>T3；而块茎的分配比例则随世代增加而增加，均为T3>T2>T1。收获时2年平均叶片分配比例T1较T2、T3分别高4.50和10.73百分点，茎分配比例分别高3.80和5.18百分点，根分配比例分别高1.72和6.95百分点，而块茎分配比例T1较T2、T3则分别低10.00和22.86百分点。各世代组培生姜块茎分配比例差异明显高于其他器官，表明不同世代组培生姜块茎物质分配比例差异是引起其产量差异的重要原因。

生姜生育期内各世代生姜根冠比均表现出逐渐升高的变化趋势，在成熟期达到最大(图6)。生育前期生姜需要进行地上部的形态建成，较低的根冠比可以保证地上部的旺盛生长，而到生育后期生姜以地下块茎为收获对象，根冠比越高越利于高产。随世代的增加，生姜根冠比逐渐升高，2年均表现为T3>T2>T1，收获时T2较T1分别高出37.55%(2017年)和42.39% (2018年)，T3较T1分别高出93.26%(2017年)和87.38%(2018年)。因此，较高的根冠比是原种(T2)和生产种(T3)高产的重要原因。

图4 不同世代组培生姜干物质积累拟合曲线Fig.4 Dry matter accumulation fitting curves of different generation tissue culture gingers

表1 不同世代组培生姜物质积累特性差异

Table 1 Differences in matter accumulation characteristics of different generation tissue culture gingers

年份Years处理Treatments最大速率VmD/(g·d-1)平均速率VaD /(g·d-1)最大速率出现点T0D/d快速增长期T2D-T1D/d2017T11.72 c0.64 c97.03 c50.32 cT22.11 b0.94 b117.13 b60.83 bT33.73 a2.20 a158.55 a80.35 a2018T11.51 c0.66 c107.47 b55.45 bT21.99 b0.89 b108.96 b56.65 bT33.55 a2.06 a145.54 a73.86 a

VmD，最大积累速率；VaD，平均积累速率；T0D，最大积累速率出现时间点；T2D-T1D，快速增长期。同列数据后无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

VmD， Maximum increasing rate;VaD， Average increasing rate;T0D， Days to MIR;T2D-T1D， Duration of rapid growth period. Data marked without the same lowercase letter in each column indicated significant differences atP<0.05. The same as below.

图5 不同世代组培生姜物质分配差异Fig.5 Matter distribution differences of different generation tissue culture gingers

2.3 不同世代组培生姜产量差异

不同世代组培生姜产量差异显著，2017年、2018年均表现出T3>T2>T1(图7)。T2较T1增产56.18%(2017年)和47.48%(2018年)，而T3产量较T1高出120.92%(2017年)和109.87%(2018年)，表明生产种(T3)较原原种(T1)和原种(T2)在产量上均有较大的提高，更能发挥生姜品种的产量潜力。

图6 不同世代组培生姜根冠比变化Fig.6 Changes of root-to-shoot ratio of different generation tissue culture gingers

图7 不同世代组培生姜产量差异Fig.7 Yield differences of different generation tissue culture gingers

2.4 不同世代组培生姜生产效益分析

表2结果表明，不同世代组培生姜生产的投入差异较大，经济效益也存在显著差异。由于生姜组培苗价格较高，所以2年姜种投入均表现出随世代增加而降低，T1>T2>T3，而肥料、农药与其他投入在处理之间差异不大，使得总投入也表现出T1>T2>T3的趋势。总收入和效益2年均为生产种(T3)显著高于T1和T2，而T1与T2差异较小，2年平均T3总收入较T1、T2分别高出34.21%和41.88%，效益分别高出66.25%和66.12%。由于T1总投入较高，使得产投比2年均表现出T3>T2>T1。

3 结论与讨论

T3和T2生长特性明显优于T1，生育前期株2017和2018年组培苗均为0.6 元·株-1，原种均为12 元·kg-1，而生产种2017年7元·kg-1，2018年8元·kg-1。

表2 不同世代组培生姜生产的投入与产出

Table 2 Input and output of different generation tissue culture ginger production yuan·hm-2

年份Year处理Treatment效益Efficiency总投入Total inputs姜种Seeds肥、药Fertilizer and pesticide其他Other总收入Total income产投比Output to input ratio2017T1217063123900540009900600003409632.75T2204728105900360009900600003106282.93T334115698250283509900600004394064.472018T1195004123900540009900600003189042.57T2207645105900360009900600003135452.96T3343887102300324009900600004461874.36

The tissue culture seedling were 0.6 yuan·plant-1and original seeds 12 yuan·kg-1in both 2017 and 2018. The production seeds was 7 yuan·kg-1in 2017 and 8 yuan·kg-1in 2018.

高、茎粗快速生长，保证其地上部快速生长；进入根茎膨大期后，生姜株高和茎粗的增长减缓，分蘖快速发生，能够有效地控制分蘖的发生，减少分蘖过多对光合产物的消耗，保证了根茎光合产物的供给，从而提高其物质积累速率，延长快速生长期，并显著提高其干物质积累，为高产奠定了物质基础。进入根茎膨大期后，较低的茎、叶和根系物质分配比例，促进光合产物向根茎的转移，进一步促进根茎的膨大，从而获得高产。因此，与原原种和原种相比，生姜组培生产种具有明显的产量优势，能够有效提高生姜生产的经济效益。综合考虑不同世代组培生姜产量和经济效益差异与种性退化规律，可以把组培生姜生产种(T3)作为生产上的最佳推广世代，既能充分发挥其产量潜力、提高经济效益，又能有效控制病害的发生。

作物产量与植株形态特征密切相关，茎基部较粗、蔓较短、分枝数较少、薯块大小均匀的甘薯往往产量较高[19]。高产型生姜的主要特征为茎秆粗壮、分蘖较少、叶片较厚、同化系统发达、根茎干物质含量较低[5，20]。本研究结果表明，不同世代组培生姜株高、茎粗和分蘖数差异显著，株高与茎粗均随世代的增加而显著增加，而分蘖数随世代增加而显著降低。生产种生长状况明显优于原种和原原种，生育前期株高、茎粗快速生长，保证其地上部快速生长，能够更好地进行光合作用，为后期根茎的生长奠定良好的物质基础。进入块茎膨大期后，株高和茎粗的增长减缓，分蘖快速发生，生产种能够有效地控制分蘖的发生，减少分蘖过多对光合产物的消耗，保证了根茎光合产物的供给。因此，株高、茎粗增加，分蘖减少是生产种较原种和原原种增产的重要原因。

干物质积累与分配是作物产量形成的基础，脱毒甘薯干物质的积累，在整个生育期内均明显高于对照，其分配规律为：前期以地上部茎叶为主，中后期地下部块根迅速增加，从而提高产量[11-12]。本研究结果表明，生产种(T3)干物质积累速率提高，快速增长期延长，各时期的物质积累量增加为其高产奠定了物质基础。生姜生育前期主要进行地上部形态建成，物质分配以茎叶为主，根冠比较低；而进入根茎膨大期后，物质积累从地上向地下转移，根茎物质分配比和根冠比逐渐提高，茎叶分配比则随之下降，与王林生等[12]在甘薯上的研究结果一致。组培生姜茎、叶片和根物质分配比例均随组培世代的增加而降低，而块茎分配比例则随组培世代的增加而升高。原种和原原种较低的物质积累速率和较短的快速增长期，使得其物质积累量显著低于生产种，从根本生影响其产量形成；进入根茎膨大期后，茎叶较高的物质分配比影响了原种和原原种光合产物从地上部往根茎的转运，进一步限制了根茎的膨大；原种和原原种需要较多的根系才能满足其植株的生长，使得其根系物质分配比显著高于生产种，再一次影响了根茎的物质供给。

与原种、原原种相比，生产种株高、茎粗增加，分蘖减少，为其高产奠定了理想的株型结构；而物质积累速率高与快速增长期长，使其物质积累显著增加，为其高产奠定了物质基础。同时较低的茎鞘、叶片和根系物质分配比与较高的根茎物质分配比充分发挥其物质基础，使得生产种的产量显著高于原种和原原种。较高的产量使得T3总收入、效益和产投比均显著高于T1和T2，表明生姜生产种较原种和原原种具有显著的产量优势，能够有效提高生姜生产的经济效益。大量研究表明，随组培世代的增加，种块病原菌积累，感病程度增加，且产量和品质均大幅下降[21-23]。综合考虑不同世代组培生姜产量差异与种源种性退化规律，可以把生姜生产种(T3)作为生产上的最佳推广世代，既能充分发挥其产量潜力，又能控制病害的发生。