基于嫁接评价不同大豆品种根系对籽粒产量的贡献

大豆根系具有养分和水分的吸收以及信号传递的功能，在调控地上部组织的生长和发育中起着极为重要的作用[1]。面对干旱胁迫，选育具有良好的根系功能的品种对于增强大豆的抗旱性和水分利用效率具有重要作用[2-3]。然而，由于根系隐藏在土壤中难以被观察和测定，在品种选育过程中，人工选择主要根据产量、品质和抗性进行决选，几乎没有考虑根系性状。因此，利用便捷的、全面的根系评价方法对大豆种质资源进行鉴定对于根系改良具有重要意义。

高产大豆品种具有较长的根长，占据着较大的土壤空间，避免了表层土壤养分和水分匮乏带来的风险，从而保证了根系具有较长的功能期[4]。张含彬等[5]研究表明，大豆品种的一级侧根数、一级侧根长、根系干质量、根系活力均与籽粒产量呈显著正相关。梁泉等[6]研究表明，大豆根系的根长、根系表面积和根系干质量对植株的吸磷量存在显著影响。高阳等[7]研究表明，大豆花荚期根干质量、侧根长、侧根表面积的增量与荚数呈显著正相关。周行等[8]研究表明，大豆籽粒产量与鼓粒期垂直20～40 cm土层内的根表面积和垂直120～140 cm土层内的根干质量呈正相关，与垂直0～20 cm土层内的根表面积呈负相关。张晓霞等[9]研究表明，超高产大豆品种相比于普通品种在生育后期具有较高的根系伤流液质量、根系活力、根瘤质量、根瘤固氮活性和固氮量，从而表现出较强的根系生理活性。

我国大豆种质资源丰富，遗传多样性高，为大豆根系改良提供了重要基础。前人主要利用挖掘法、根箱法、塑料管土柱法、同位素示踪法等对根系性状进行评价[10]。然而，任何一个单一或部分的性状难以准确全面的描述根系发育过程及根系对地上部生长发育过程的影响，缺少了一个综合性的整体评价指标。曹晓宁[11]提出利用嫁接技术创造一个地上部基因型一致的平台，将根系作为整体来研究根系对地上部产量的贡献能力。辽宁省农业科学院大豆育种与栽培研究团队前期研究发现，大豆品种辽豆21在湿润半湿润地区产量较高，但在干旱地区则产量较低，抗旱能力较弱[12]。本研究以辽宁省育成的22份大豆品种作为砧木，分别与辽豆21的接穗进行嫁接，在不同水分处理下评价不同基因型大豆根系对地上部产量的贡献能力及其与根系形态特征的关系，从而为大豆根系改良和抗旱育种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选用22份辽宁省育成大豆品种作为试材，其中，辽豆14、辽豆15、辽豆21、辽豆24、辽豆26、辽豆28、辽豆29、辽豆32、辽豆34、辽豆36、辽豆38、辽豆40、辽豆43、辽豆46和辽豆47由辽宁省农业科学院作物研究所选育，铁豆39、铁豆54、铁豆61、铁豆62、铁豆67、铁丰31和铁丰33由铁岭市农业科学院选育。

1.2 试验设计

以辽豆21作为共同接穗，分别与22个基因型砧木进行嫁接。参照Pantalone等[13]的嫁接方法，将精选的种子播种于盛满土的营养钵(12 cm×12 cm×12 cm)中，于子叶期采用劈接法进行嫁接，待V2期嫁接植株成活后(成活率>90%)，统一移栽至室外盆栽(25 cm×20 cm×30 cm，12.5 kg土)中。设置正常供水(WW)和水分胁迫(WS)处理，每盆定苗2株，随机区组排列，每个处理6盆。正常供水处理为：全生育期土壤含水量保持在田间持水量的80%；水分胁迫处理为：结荚期土壤含水量控制在田间持水量的50%，持续15 d，而后恢复至正常供水。本试验于2017，2018年连续2 a在辽宁农业科学院试验基地自动抗旱棚内进行，每天用称质量法测定土壤含水量，补水至设定值。

1.3 测定项目

控水处理15 d后，每个处理取3盆进行根系性状分析。在植株子叶节处利用果枝剪将地上部与根系分开，利用自来水将盆中的土冲洗掉，将根系冲洗干净并完整的取出。利用根系扫描系统WinRHIZO Pro 2012b(Regent Instruments，Inc.，Quebec，Canada)测定根系的根长、根系表面积和根系体积。最后，将根系与地上部置于烘箱中进行105 ℃杀青30 min，85 ℃烘至恒质量。根系密度(g/m3)= 根系干质量/根系体积。

每个处理剩余3盆恢复正常供水至成熟期进行产量测定。根据不同处理下各嫁接植株的产量计算不同基因型的根系贡献值(RCV)：RCV=(Yi-Yck)/Yck×100%，其中，Yck为辽豆21自身嫁接植株的产量，Yi为第i个基因型作为砧木时，辽豆21接穗的产量。

1.4 数据统计

数据分析采用SPSS 17.0软件进行。采用一般线性模型进行分析，包括2个水分处理(正常供水和水分胁迫)、22个砧木基因型和2 a试验。其中，水分处理、基因型和水分处理×基因型作为固定因子。多重比较采用最小显著差异法。

2 结果与分析

2.1 不同大豆嫁接植株产量及根系贡献值评价

方差分析表明，单株产量在不同嫁接处理间存在极显著差异(P<0.01)，并且在水分处理与嫁接处理间存在显著的互作效应(P<0.05)。由表1可知，辽豆21作为共同接穗与22个不同基因型砧木进行嫁接时，单株产量在正常供水下的变化为12.56～23.87 g，在水分胁迫下的变化为8.45～19.53 g。辽豆21作为对照砧木，其嫁接植株在正常供水和水分胁迫下的单株产量分别为18.89，11.99 g。在正常供水下，有3个基因型砧木使辽豆21的单株产量得到显著降低，根系贡献值变化为-18.02%～-33.61%；有7个基因型砧木使辽豆21的单株产量得到显著提高，根系贡献值变化为18.49%～26.77%。在水分胁迫下，有1个基因型砧木使辽豆21的单株产量得到显著降低，根系贡献值为-29.26%；有5个基因型砧木使辽豆21的单株产量得到显著提高，根系贡献值变化为44.48%～62.80%。其中，铁豆54、辽豆15、辽豆34和辽豆14砧木在正常供水与水分胁迫下均具有较高的根系贡献值。

2.2 不同大豆嫁接植株根系形态性状比较

方差分析表明，根长、根系表面积与根系体积在不同嫁接处理间存在显著差异(P<0.01)，并且在水分处理与嫁接处理间存在显著的互作效应(P<0.05)。由图1可见，水分胁迫下根长、根系表面积和根系体积在不同基因型砧木间的变化幅度大于正常供水条件。正常供水下，22个不同基因型砧木的根长变化为12 606～15 056 cm，根系表面积变化为4 600～5 763 cm2，根系体积变化为134～192 cm3；水分胁迫下，22个不同基因型砧木的根长变化为11 409～16 217 cm，根系表面积变化为3 470～7 122 cm2，根系体积变化为81～261 cm3。在正常供水下，根系贡献值与根长、根系表面积和根系体积的相关性不显著；在干旱胁迫下，根系贡献值与根长(r=0.408**)、根系表面积(r=0.350**)和根系体积(r=0.300**)呈极显著正相关。

2.3 不同大豆嫁接植株根冠比与根系组织密度比较

方差分析表明，根系干质量、根冠比与根系组织密度在不同嫁接处理间存在显著差异(P<0.01)，并且在水分处理与嫁接处理间存在显著的互作效应(P<0.01)。由图2可见，正常供水下，22个不同基因型砧木的根系干质量变化为8.07～11.79 g，根冠比变化为0.13～0.20，根系组织密度变化为0.04～0.09；水分胁迫下，22个不同基因型砧木的根系干质量变化为9.25～12.83 g，根冠比变化为0.20～0.32，根系组织密度变化为0.04～0.15。在正常供水下，根系贡献值与根系干质量(r=-0.302**)和根冠比(r=-0.380**)呈极显著负相关，与根系组织密度的相关性不显著；在干旱胁迫下，根系贡献值与根系干质量(r=-0.442**)、根冠比(r=-0.618**)和根系组织密度(r=-0.385**)呈极显著负相关。线性回归分析表明，随着根系贡献值的增大，干旱胁迫下根冠比和根系组织密度的下降斜率高于正常供水。

3 讨论与结论

长期以来，作物科学领域重点关注着作物产量形成的内在和外在的机制，作物地上部性状的生理、生态和遗传方面已经得到了广泛和深入的研究，而对于作物的地下部根系的相关研究较少[14]。根系在抗旱育种中的重要性虽早已为国内外研究者们所注意，但由于土壤限制了研究者对根系的观察和测定，对大豆种质资源抗旱性鉴定主要集中于地上部产量、农艺性状和生理性状，而对根系性状的鉴定较少[15-16]。利用嫁接技术创造的试验平台，将根系作为一个“黑箱”进行整体性研究，一定程度上排除了地上基因型不同所造成的干扰，无需对根系进行直接研究，而是通过对地上部性状的直接观察来研究根系对产量贡献能力，避免了传统挖根法费时和费力[11]。本研究将22份不同大豆基因型根系分别嫁接至辽豆21接穗下，以辽豆21自身嫁接作为对照，并进一步将各嫁接植株的增产比定义为各自的根系贡献值，结果表明，正常供水条件下22份大豆品种的根系贡献值的变化为-33.61%～26.77%，而水分胁迫下根系贡献值的变化为-29.26%～62.80%。

根系改良作为大豆育种工作的热点和难点，其核心问题是怎样的根系形态与生理特征符合大豆高产育种的要求。本研究表明，在正常供水下，大豆根系贡献值与根系形态性状无关，但在水分胁迫下与根长、根系表面积和根系体积呈极显著正相关。原因是大豆根系在生育前期快速生长，形成较长的主根和较多的侧根数，将有利于改善根系的吸收能力，从而提高抵御生育后期干旱胁迫的能力[17]。

此外，人们对选育作物庞大根系抱有极大兴趣，但对组建和维持发达根系需要很多光合产物却认识不足。从生存的角度考虑，野生种较大的根冠比是必要的，而在栽培种上，根冠比则应适当降低[18]。Xiong等[19]认为小麦进化过程中根冠比减小是人工选择改变物质分配流向的结果，小麦地上部物质运输占据更多的优势。张荣等[20]认为，以提高籽粒产量为目标的品种选育应该是根系逐渐变小的过程。田中伟等[21]认为，在小麦品种改良过程中构建适宜的根系群体和根冠比尤为重要。Wang等[22]和Lynch[23]认为，作物的根系形态过大将会造成无效的消耗，从而对产量的提高产生诸多不利的影响。Fried等[24]研究发现，高产大豆品种在高产田中表现出较小的根系表面积和根系体积，能够使同化物和能量用于籽粒物质生产。Zhu等[25-26]研究表明，在土壤水肥资源丰富的条件下，作物产量与根冠比呈显著负相关，降低或消除根系生长冗余是提高籽粒产量的重要途径。本人前期研究发现，随着品种育成年代的推进，大豆的根系干质量和根冠比呈增加趋势，但其对地上部籽粒产量的贡献能力并未提高[27]。在本研究中，根系贡献值与根系干质量和根冠比均呈极显著负相关，尤其是在水分胁迫下趋势更加明显。研究者将生产单位根系体积所需的干物质量定义为根系组织密度，越来越多地被用作衡量植物资源利用的指标[28]。本研究表明，在正常供水条件下，大豆根系贡献值与根系组织密度相关性不显著，但在水分胁迫下二者呈极显著负相关。其中，铁豆54、辽豆15、辽豆34和辽豆14根系在水分胁迫下具有较低组织密度，从而对地上部籽粒产量贡献较大。因此，如何避免根系生长冗余带来的无效消耗是大豆产量改良中无法忽视的问题。

利用嫁接技术创造的试验平台可以评价不同基因型大豆根系对地上部籽粒产量的贡献能力，从而丰富了大豆根系功能研究的手段。与正常供水条件相比，大豆遭受水分胁迫时根系的重要更加突出。水分胁迫下，根系对产量的贡献能力的提高与根系形态指标呈极显著正相关，与根冠比和根系组织密度呈极显著负相关。因此，在大豆育种中应选择以较低干物质投入获得较大的根系形态的品种，以降低根系生长冗余，并提高大豆的抵御非生物胁迫的能力。

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