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《兰州大学》 2019年
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旱地春小麦根系特征与产量的协同演化

 
【摘要】:作物生产是一个群体过程,植株个体适合度的提升在密植的作物生态系统中会影响群体产量的表现。在自然条件下,与个体适合度有关的特征和行为受到自然选择的青睐,而根据作物进化理论,作物生产中群体产量的提高需要弱化作物植株个体的自私性。因此,减少植物与个体适合度有关的特征和行为的表达,降低干物质向与生存和竞争有关器官分配的比例,增加繁殖输出,提高种植密度是品种演化过程中提高群体产量最为有效的方式。在西北干旱、半干旱地区,与水分、养分探索吸收有关的根系功能特征都是与个体适合度有关的,所以植株根系表现出较强的自私性。在此,我们提出这样一个假说:随旱地春小麦品种的演化,根系在构型特征和形态特征上表现出符合群体选择的收敛性状,继而降低竞争力和表型可塑性。为验证我们提出的假说,我们以该地区一个世纪以来广泛种植且序列替代的小麦品种为材料,进行4个试验:试验一、根系构型特征试验。8个序列替代的小麦品种种植在凝胶根室中,通过扫描测定种子根生长角、数量和长度;种植在由2个水分处理,2个氮肥处理和2个磷肥处理组成的8个不同资源水平的土壤根室中以测定分形维数;种植在标准密度(256株/m~2)和低密度(128株/m~2)的大田条件下测定产量。试验二、根系形态特征试验。该实验在大田条件下进行,测定生物量特征、垂直深度1 m以内的如根长密度、比根长和根系直径等根系特征及地上部分形态特征如株高、旗叶面积、穗下节长等,并在此试验中附加一个限制根系横向生长的验证试验。试验三、根系竞争试验。通过一个田间的单播和混播试验测定两个新老品种典型代表的竞争力;并在盆栽试验中设置4个密度梯度和不同水分处理,研究品种内和品种间的根系竞争。试验四、表型可塑性试验。在表型可塑性试验中设置两个水分处理、养分异质性环境和三种种植模式,分析新老品种的表型可塑对养分和邻居信息的响应。主要结果如下:1、大田产量试验中,小麦的产量在标准密度下随品种的更替显著提高,在低播种密度下除了JBY和LC8275外其它品种间没有显著性差异。2、凝胶根室试验中,种子根数量、生长角和产量均呈显著的负相关,初生种子根根长与产量呈正相关,表现为现代品种的根系比老品种的窄、扎根深,横向分布少。土壤根室试验中,在所有的水分、N和P处理的水平上,根系分形维数与产量均呈负相关;在氮磷都施的水平上,根冠生物量比与产量呈负相关,表现为现代品种根系更为简单、高效。3、根系形态特征与产量的关系受种植密度的影响。在低种植密度下,株高、根长密度等形态特征与地上、地下生物量特征随品种演化的持续降低;但在标准密度下这些特征与品种演化过程的关系为单峰曲线。老品种的根长密度会因种植密度的降低而增加,而近代品种和现代品种的根长密度表现为减小。4、种植密度也影响形态特征和生物量特征对产量的效应。在低密度下,地上和地下生物量、株高和根长密度对产量有正效应;在标准种植密度下,地上生物量、收获指数和根系组织密度对产量有正效应,但地下生物量、株高、旗叶面积和根长密度在产量低于260 g/m~2时为正效应,高于260 g/m~2时呈负效应。5、竞争试验中,老品种比现代品种表现出更强的竞争力。盆栽试验条件下,邻近植株根系的存在会使目标植株在播种后60天出现显著的根系增殖,播种后90天出现地上生物量降低的现象,而现代品种对邻近植株根系的反应较老品种小。6、表型可塑性试验中,水分处理、养分异质性和种植模式都不同程度的显著影响着两个品种的表型特征和生物量特征,但两个品种对处理的响应有差异。竞争力强的老品种表现出比现代品种更强的表型可塑性。老品种对养分信息敏感,而现代品种对邻居信息敏感。7、限制根系横向生长使老品种和新品种分别在标准密度和低密度下增产。当限制根系横向生长后,根长密度显著增加,尤其是深层土壤中的根长密度。比根长并未变化,根系组织密度增加,根系直径降低。本研究结果表明,在我国旱地春小麦品种演化过程中,根系构型和形态特征的变化符合群体选择下根系更为收敛的目标,形成了更窄、扎根更深、横向分布较少的根系;弱化了竞争能力和表型可塑性,减小对周围植株的影响,也容许更高的种植密度,进而产生更高的群体产量。但在理解产量提升和品种演化过程的同时,必须要考虑土壤资源水平。对资源的竞争而言,在农业领域和在自然界一样十分重要,但作物生产的最优策略将与自然选择有着相当大的差异。小麦植株因资源水平和邻近根系的存在而改变干物质的分配,其中一些反应降低了群体的表现。所以在未来的育种过程中,降低根系自私特征和竞争行为的表达,选择更符合群体利益的“公共性”植株品种更为有效。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S512.12

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