旱地春小麦人工选择过程中根系吸水能力的演化与产量形成的关系

There exists difference between artificial selection and natural selection. Artificial selection improves the population performance through reducing the individual performance to achieve the objective of maximizing the population yield in agriculture. Root water uptake ability reflecting the competition for water resources of crop, is closely related to its population yield. The previous study showed that the reduction in suppression effect of inter-plant competition would contribute to improvement of population yield of dryland spring wheat. That is the population of individuals of weak competition will obtain the high grain yield. Thus, we speculate that the reduction of root water uptake ability of spring wheat as a result of artificial selection will benefit its population yield. This project will choose spring wheat cultivars released in different era in semiarid regions of Loess Plateau as materials to investigate the variation of root hydraulic conductivity, root bleeding sap rate, root architecture, root anatomy, the balance of leaf water status, individual yield and population yield under different water regimes, trying to explain clearly the relationship between the evolvement of root water uptake ability and yield formation in spring wheat under artificial selection process. This project will provide a scientific basis for spring wheat breeding and cultivation management in semiarid regions of Loess Plateau.

人工选择和自然选择存在分异。人工选择通过降低个体表现而强化群体表现，以实现农业生产中群体产量最大化的目标。根系吸水能力反映了作物对水资源的竞争力，与作物群体产量密切相关。已有研究结果表明，旱地春小麦个体间竞争抑制作用的减弱有利于提高群体产量，即由弱竞争力的春小麦个体组成的种群可获得高产。因此，我们推测春小麦根系吸水能力的削弱有利于其群体产量，并且其根系吸水能力的削弱应该是人工选择的结果。本项目以黄土高原半干旱地区不同年代的春小麦材料，通过研究不同水分梯度下根系导水率、伤流液速率衡量、根系构型、和解剖结构、叶片水分平衡以及个体产量和群体产量的变化, 试图阐释春小麦人工选择过程中根系吸水能力的演化与产量形成的关系。这项研究将为黄土高原半干旱地区春小麦育种和栽培管理提供新的科学依据。

人工选择过程中促使小麦 (Triticum aestivum L.) 生长发育特征发生了显著的变化，包括植株的生物量、形态特征、生育期、收获指数以及繁殖分配等。本项目立足黄土高原半干旱地区，着重研究1）人工选择压力下春小麦水分消耗和株型的演化；2）籽粒产量差异品种间土壤水分利用模式的分化以及根系构型机理以及3）春小麦根系碳消耗和籽粒产量的关系。.主要研究结果1：研发现在两个水分条件下，单株播种的六个春小麦品种间单株籽粒产量接近，但新品种的单穗粒重和收获指数均大于老品种。老品种单株耗水量大于新品种，而籽粒水分利用效率却低于新品种。育种显著改变的干物质分配的模式，研究发现新品种的穗比重（穗穗占总生物量的比例）显著高于老品种，而根比重（根重占总生物量的比例）。因此，在人工选择增加了春小麦的单穗粒重、收获指数和籽粒水分利用效率，这些个体性状的演化可能是群体高产的基础。.主要研究结果2：在模拟半干旱水分处理的18个春小麦品种籽粒产量在品种间差异显著，的变化范围为43.2-92.3 g。根干重与籽粒产量的趋势相反，即随着籽粒产量的增加根干重和根长密度逐渐减小。生育期内总的水分利用在品种间没有差异，由于品种间的差异也造成了春小麦花前和花后水分利用模式的分化。相关分析发现，籽粒产量与开花时间（r=0.88，P<0.001）和花前水分利用（r=0.92，P<0.001）呈显著负相关，与花后水分利用呈显著正相关（r=0.86，P<0.001）。由此可见，春小麦花前节俭型水分利用模式有助于籽粒产量形成。.主要研究结果3：在拔节期和开花期，两个水分梯度下根系呼吸和碳消耗均表现为随着施磷量的增加而逐渐增加，最小值出现在水分梯度为50-45%田间持水量并且不施磷的情况下，最大值出现在水分梯度为80-75%田间持水量且施磷量为109 µg P g-1 土的情况下。然而地上生物量和籽粒产量的最大值却出现在水分梯度为80-75%田间持水量且施磷量为44 µg P g-1 土的情况下，当施磷量增加时地上生物量和籽粒产量反而降低。实验结果说明适当降低磷肥供应可以减少根系碳消耗，从而提高春小麦籽粒产量。