硬粒小麦的抗倒性受到从节间伸长启动到第二节间伸长结束期间光竞争的强烈影响

《Field Crops Research》：The lodging resistance of durum wheat is strongly affected by competition for light from the initiation of internode elongation to the end of the second internode elongation stage

　　

摘要

植物倒伏阻碍了硬粒小麦高产的实现。虽然氮肥通常用于提高作物产量，但已有研究表明施氮会诱导倒伏。在茎秆伸长阶段的光照竞争是造成这一现象的主要原因。本研究通过不同的施氮时期和遮光处理，调查了硬粒小麦中抗倒伏性、光照竞争与施氮之间的关系。在传统高氮处理下（即在茎秆伸长阶段开始前的GS30期），以及从GS30到第二个节间伸长阶段结束（GS32）期间使用遮光网遮挡75%光合有效辐射的植物中，主茎和分蘖的第二节间（评估抗倒伏性的最重要部位）长度更长。在传统处理和遮光处理小区中，外径和秆壁厚度较小。第三个节间伸长阶段时，第二节间的节间长度、外径和秆壁厚度达到其最大值的70–80%。即使去除遮光后，遮光植物的单位长度节间干重仍低于未遮光的对照。从GS30到GS32结束的光照接收量影响了抗倒伏性，但不影响产量或氮吸收。总之，在GS30之后施氮以减少GS30到GS32结束期间的"光照竞争"对于增强硬粒小麦的抗倒伏性至关重要。

引言

硬粒小麦是全球种植的经济重要作物，预计2025年产量约4200万吨（加拿大农业及农业食品部，2025年），消费量约3500万吨（加拿大农业及农业食品部，2025年），表明生产大于消费，市场状况良好。然而，自2021年以来，普通小麦的消费量一直超过产量（美国小麦协会，2025年）。因此，作为主食，由于未来全球人口增长带来的消费需求增加，硬粒小麦也预计将面临供应短缺。因此，增加硬粒小麦产量对于确保粮食安全至关重要。

通常，使用氮肥来增加硬粒小麦产量（Tedone等，2014；Desta等，2025年）。因此，似乎尽可能多施氮对于增加作物产量是必要的。然而，研究表明过量施氮会增加倒伏风险（Pinthus等，1973年；Desta和Almayehu，2020年），倒伏是指因茎秆或根系脆弱导致植株开始倒伏的现象。倒伏不仅减少作物产量和籽粒质量，还促进普通小麦中镰刀菌穗腐病等疾病的发展（Nakajima等，2008年）。由于物种特性，硬粒小麦极易感染镰刀菌穗腐病，并容易在籽粒中积累去氧雪腐镰刀菌烯醇等霉毒素（Prat等，2014年）。由于含有霉毒素的小麦籽粒食用后可导致各种人体健康危害，因此已建立了限制其运输的监管标准。这意味着以增产为目的施氮有时可能因倒伏而导致减产。为防止此问题，需要验证氮与倒伏之间的确切关系；然而，目前关于硬粒小麦倒伏机制的研究很少。

最近的研究结果表明氮可能不是小麦倒伏的原因。例如，Mizuta等（2020年）阐明增加的倒伏风险并非由于施氮，而是由于茎秆伸长阶段前氮引起的生长增加以及茎秆伸长期间的"光照竞争"。此外，茎秆伸长初期的冠层覆盖度与成熟时的倒伏程度以及开花后两周的单位长度节间干重（节间硬度的指标）呈强相关，无论此后施氮速率如何（Mizuta等，2023年）。虽然近年来报告了其他研究冠层中光照条件与冠层结构关系的研究（Li等，2023a；Hu等，2024年；Wang等，2024年），但均未在硬粒小麦上进行，因为硬粒小麦的基因组与普通小麦不同。此外，由于Mizuta等（2020年）在研究遮光处理与光照和倒伏关系时使用的时间段较长（从茎秆伸长开始到旗叶出现阶段），光照决定茎秆发育的关键时期仍不清楚。

本研究中，第一年通过改变施氮时间调查了与抗倒伏性相关的秆性状发育情况。在随后两年中，通过在被认为对抗倒伏性相关秆性状发育至关重要的生长阶段增加遮光处理，详细调查了硬粒小麦中倒伏、光照和氮之间的关系。

章节摘要

试验地点与作物管理

田间试验在香川大学农学院的旱地田上进行，连续三个生长季（2021/22、2022/23、2023/24）。该田地（0–20 cm深度）的土壤含全氮2.03 g kg^–1、Truog-P 1844 ppm、K 62.0 ppm、CaO 1.44 g kg^–1、MgO 0.21 g kg^–1。按照该地区惯例，形成浅沟，间距1.5 m，以便于排水。沟中挖出的土壤分布在

结果

图1显示了施氮时间和遮光对第二节间长度的影响。关于2021/22年度作物，在GS32和GS33时期，各处理组之间第二节间长度无显著差异。GS47之后，IN_late和IN_late-32样本的节间长度比传统处理短5–19%。在从第一个节（T1）或第二个节（T2）长出的分蘖中也观察到类似模式。

讨论

在本研究中，我们调查了施氮时间和遮光对硬粒小麦抗倒伏性的影响，这类研究对于硬粒小麦非常少。此外，通过追踪与该植物特性相关的茎秆性状发育，验证了增强抗倒伏性的最佳施氮时间。

缓解"光照竞争"对于增强硬粒小麦的抗倒伏性很重要。虽然氮长期以来被认为是

结论

在本研究中，我们调查了施氮和光照对抗倒伏性相关秆性状的影响，对于硬粒小麦这类倒伏信息仍然有限的作物。我们的结果表明，从茎秆伸长开始（GS30）到第二个节间伸长结束（GS32）期间减少光照通过导致节间长度增加、单位长度节间干重减轻、外径减小而降低了抗倒伏性。

CRediT作者贡献声明

Keisuke Mizuta：原创草稿撰写、可视化、资源、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。Masahiro Morokuma：稿件审阅与编辑。Masanori Toyota：稿件审阅与编辑、资源。

资金

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何专项资助。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

我们感谢国立农业研究中心（NARO）西部地区农业研究中心为本研究提供了"Setodure"的种子作为研究样本。

Keisuke Mizuta | Masahiro Morokuma | Masanori Toyota

香川大学农学院，日本香川县三木町池野，邮编761-0795