甜高粱、纤维高粱和粒用高粱早期田间出苗的耐冷性评估 [Sorghum bicolor (L.) Moench]

《Frontiers in Plant Science》：Assessment of cold tolerance in early field emergence in sweet, fiber, and grain sorghums [Sorghum bicolor (L.) Moench]

　　

引言：生物质高粱采用早播的制约因素在于其萌发期间对冷胁迫敏感。方法：对7个甜高粱、纤维高粱和粒用高粱品种进行了实验室初步试验，以评估其萌发期间的耐冷性。高粱在8°C和25°C（对照）下萌发。试验结束时，计算最终发芽率（final germination percentage, FG）、平均发芽时间（mean germination time, MGT）和发芽指数（germination index, GI）。随后，在意大利南部半干旱气候条件下开展了第一年（2009年）田间研究，采用10个高粱品种（包括实验室试验中的品种），以评估其在萌发和随后出苗期间对寒冷的响应。设置了5个播期：3月15日和30日（分别为S1和S2）、4月15日和30日（分别为S3和S4）以及5月15日（S5，对照）。从播种后至约5周记录田间出苗情况。收获时，测定最终植株密度、单株叶片数、株高和株重以及生物量产量。第二年（2010年）在相同试验地点进行了田间试验，采用上一年表现最好的4个高粱品种。高粱于3月16日（S1）和5月15日（S5）播种。结果：实验室评估的FG>90%，而在8°C下降至54.9%。在8°C下，就FG、MGT和GI而言，最耐受的品种是“H128”。第一年试验结果显示，所有品种在S1（3月中旬）的幼苗出苗率均较低（<17%）。除“Kaoliang”（对照）外，所有品种的田间出苗率均与播种后10天期间记录的最高气温呈正相关。早播（S1）中极低的田间出苗率导致除“NK180”外的所有品种植株密度较低，其中“NK180”与预测值（11株m^?2）相符。S1中极低温度降低了植株生产力，大多数品种维持在<8 t ha^?1。S2（3月下旬）的生物量产量与S5（5月中旬）测定值相当。第二年S1中较温暖的气温（+4–5°C）比同播期第一年诱导了更高的田间出苗率和干生物量。讨论：在萌发和幼苗生长早期阶段具备耐冷性的高粱品种的可用性，可能有助于育种者开展遗传研究，以开发兼具耐冷性和高生产力的新品种，并帮助农民根据预期温度条件预测播种量。在这方面，“NK180”高粱虽即使在正常播种下也产量较低，但作为现有高粱品种中对寒冷具有韧性的材料，可能代表育种计划中增强田间生长极早期耐冷性的宝贵遗传来源。品种“H128”同样耐冷，在不同播期下表现出更稳定的产量，因此在农艺上更适合。尽管实验室种子萌发在极度限制的环境条件下可能不能可靠预测成功的田间出苗，但它有助于在现有高粱种质中进行耐冷性的初步筛选。

甜高粱、纤维高粱和粒用高粱早期田间出苗耐冷性评估的论文解读

一、研究背景与目的

面对化石燃料引发的温室气体排放和全球变暖问题，生物能源被视为有前景的替代方案。高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]作为一种C4植物，具有光合效率高、需水量低、养分吸收高效等优点，适合在边际土地上种植，且其籽粒富含淀粉、茎秆汁液含可发酵糖、生物质纤维素含量高，可转化为生物乙醇、沼气等燃料。然而，高粱原产于热带，对低温高度敏感，尤其在种子萌发和幼苗出苗阶段。在地中海半干旱地区，3月早播可帮助作物利用雨季土壤水分、避开夏季干旱并节约灌溉用水，但早春低于10°C的温度会延迟和降低出苗，使早播成为高风险实践。因此，鉴定耐冷品种对扩大栽培区域至关重要。本研究在意大利农林部资助的“BIOSEA”项目框架下开展，旨在：（1）确定高粱品种在种子萌发和幼苗出苗期间是否存在耐冷性的遗传变异；（2）鉴定更具耐冷性的品种；（3）探究低温对南欧半干旱地区采用早播的限制。

二、研究内容与总体结论

研究人员先在实验室对7个品种（甜、纤维、粒用类型）在8°C（亚适宜）和25°C（对照）下进行发芽试验，计算最终发芽率（FG）、平均发芽时间（MGT）和发芽指数（GI）。随后在意大利西西里岛半干旱丘陵地区（海拔500 m）开展了两年田间试验。第一年采用10个品种、5个播期（3月中旬至5月中旬），第二年选择4个上一年表现较好的品种在3月中旬和5月中旬两个极端播期验证。研究发现品种间存在明显的耐冷性遗传变异，实验室8°C下“H128”、“Wray”和“Kaoliang”发芽率较高；田间极早播（3月中旬）严重抑制出苗，但“NK180”表现突出；延迟至3月底播种可在多数品种中恢复生物量产量。研究为耐冷高粱育种和早播农艺管理提供了重要依据。该论文发表在《Frontiers in Plant Science》。

三、主要关键技术方法

研究采用实验室控温发芽试验（8°C和25°C，黑暗培养，每日记录胚根≥2 mm的种子数）和田间分期播种试验（2009–2010年，意大利西西里岛，土壤为典型Vertic Xerofluent）。田间试验采用裂区设计（RCBD，3个重复），主区为播期，副区为品种；记录播种后10天最高/最低气温和土温、田间出苗率、收获期植株密度、株高、叶片数、单株干重及总干生物量。统计分析包括双因素和三因素方差分析（ANOVA）、Tukey检验、Pearson相关和回归分析（非线性逻辑斯蒂模型、指数模型、线性回归）。样本来源为10个商业化高粱品种，含甜、纤维、粒用类型，“Kaoliang”作为耐冷对照。

四、研究结果

3.1 实验室种子萌发

在25°C下，所有品种最终发芽率均超过90%；在8°C下，平均发芽率显著降至54.87%。品种与温度存在显著交互作用：8°C下“H128”发芽率最高（70%），“MN1500”最低（25%）。平均发芽时间在8°C下显著延长至近18天，“H128”最快（15天）。发芽指数在低温下大幅降低，“H128”最高（1.41），“Keller”最低（0.30）。

3.2 第一年田间试验

3.2.1 田间出苗

播期和品种均极显著影响出苗率。最早播期S1（3月中旬）平均出苗率仅7.32%，S2（3月下旬）和S5（5月中旬）均接近50%。“NK180”出苗率最高（54.28%），“Wray”和“Kaoliang”最低（<20%）。实验室8°C发芽率与S1田间出苗率呈极显著正相关（r=0.94^**）。

3.2.2 出苗与温度的关系

除“Kaoliang”外，所有品种的田间出苗率均与播种后10天平均最高气温（Air Tmax）呈显著正相关。根据回归x轴截距估算的理论基础最高气温，耐冷品种“H128”和“NK180”的阈值较低（约7.5–7.7°C），而“Brandes”、“Keller”等阈值高于10°C；“Kaoliang”阈值最低（3.94°C）。

3.2.3 收获时植株密度

S1导致极低植株密度（<3.5株 m^?2），而S2和S5接近预测值（11株 m^?2）。品种间“NK180”密度最高（12.97株 m^?2），“Kaoliang”最低（2.54株 m^?2）。田间出苗率与最终密度呈线性正相关（R²=0.66）。

3.2.4 收获时株高和单株叶片数

播期显著影响株高，S5植株最高，S1最矮。“Wray”和“Keller”最高（>230 cm），“NK180”最矮（<80 cm）。S1和S2植株叶片数较多（≥16），品种间“Wray”叶片数最多。叶片数对热时间（GDD）的回归斜率表明“Wray”出叶速率最快，“Brandes”、“Keller”和“H128”较慢。

3.2.5 单株干重

“Wray”单株干重最高（>300 g），“NK180”最低（<72 g）。单株干重与植株密度呈负相关，即密度增加时单株重下降。

3.2.6 收获时干生物量

S2和S5生物量最高（16.39和18.02 t ha^?1），S1最低（7.62 t ha^?1）。品种中“Wray”和“Brandes”最高（≥19 t ha^?1），“NK180”和“Kaoliang”最低（<8 t ha^?1）。生物量与密度的关系符合指数上升至最大值模型，生物质型高粱的最大生物量a=21.73 t ha^?1，粒用型为8.38 t ha^?1。

3.3 第二年田间试验

3.3.1 两年田间出苗比较

第二年总出苗率显著高于第一年（40.83% vs. 31.37%）。播期效应显著，S5出苗率（53.60%）远高于S1（18.62%）。“LP35”和“NK180”整体出苗较好（≥40%）。年份×播期交互显著，S1在第二年出苗率显著升高，而S5无年际差异。

3.3.2 出苗与温度的关系（两年）

将两年S1和S5的出苗率对播种后10天Air Tmax作图，四个品种均呈现紧密的线性关系，证实田间出苗程度取决于播种后的最高气温。

3.3.3 两年干生物量比较

第二年干生物量显著高于第一年（+21%）。S5生物量（18.95 t ha^?1）显著高于S1（8.55 t ha^?1）。“Brandes”产量最高（20.23 t ha^?1），“NK180”最低（8.09 t ha^?1）。年份×品种交互显著，仅“LP35”在第二年显著增产；品种×播期交互表明“LP35”和“Keller”在晚播时产量大幅提高，而“Brandes”和“NK180”不受播期影响。

五、讨论与结论

讨论指出，低于10°C的温度会显著延迟并减少萌发，早播时低温与不利土壤条件共同抑制出苗。实验室发芽测试虽不能完全预测极端限制条件下的田间出苗，但可用于种质初步筛选，且8°C发芽率与3月中旬田间出苗率显著相关。“Kaoliang”虽耐冷但生物量极低，不适合直接利用；“NK180”耐冷性强但产量低，可作为耐冷育种遗传资源；“H128”耐冷且产量稳定，具有农艺价值；“Brandes”在早播下通过降低竞争产生更高的单株生物量，补偿了低密度，维持了产量。若预期3月中旬有极低温度，将播期推迟15天至3月底至4月初，可在多数品种中获得20 t ha^?1以上的生物量，同时节省相同灌溉水。

研究结论：本研究证实了现有高粱种质中存在萌发和幼苗出苗阶段耐冷品种，适合南欧半干旱地区早播。“NK180”虽产量低，但可作为增强田间生长早期耐冷性的遗传来源；“H128”耐冷且产量稳定；“Brandes”产量稳定性好。当3月中旬预计出现极低温度时，适当推迟播种是更优农艺策略。实验室发芽测试可作为耐冷种质初步筛选的有效工具。