朱 莉，席念勛，張大勇

(1.黃岡師范學院生物與農(nóng)業(yè)資源學院/經(jīng)濟林木種質改良與資源綜合利用湖北省重點實驗室 黃岡 438000；2.北京師范大學生命科學學院/生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點實驗室 北京 100875；3.中山大學生命科學學院/有害生物控制與資源利用國家重點實驗室 廣州 510275)

據(jù)估計，世界人口總數(shù)將于2040年達到80 億，糧食安全問題將持續(xù)存在[1]。達爾文農(nóng)學理論(Darwinian agriculture)認為，引入進化思想可以為農(nóng)業(yè)育種提供一個嶄新的視角[2]。早在19世紀，達爾文就在《物種起源》中指出，自然選擇和人工選擇是兩種具有不同目標的進化動力[3]；自然選擇最大化作物個體適合度，而人工選擇的目標則是提升作物群體表現(xiàn)，比如單位面積籽粒產(chǎn)量。作物群體中，高莖稈、大根系等變異使植株在競爭有限資源時具有較高個體競爭力，因此生產(chǎn)更多種子，從而增加在種群中的頻率。由于單位土地面積上資源總量一定，營養(yǎng)生長和繁殖生長之間必然存在權衡[4]，故營養(yǎng)器官的冗余生長不利于群體產(chǎn)量?；谶_爾文農(nóng)學理論，可以利用個體競爭力和產(chǎn)量之間的權衡關系——選育個體競爭力弱化的、營養(yǎng)器官冗余減小的基因型，以期提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[2，5-8]。

事實上，人們在培育高產(chǎn)作物時已經(jīng)無意識地利用了這種權衡關系。綠色革命中的矮稈品種的成功普及即是一個鮮明的例證：原本用于莖稈生產(chǎn)的光合產(chǎn)物更多投入到種子生產(chǎn)，因此大幅度提高了產(chǎn)量[9]。對個體競爭力的無意識弱化也發(fā)生在地下。美國玉米(Zea mays)在過去的100年育種歷程中次生根數(shù)量減少、根系構型發(fā)生了改變[10]。中國春小麥(Triticum aestivum)現(xiàn)代品種相比古老品種，由于減少了根系冗余得以提高產(chǎn)量[6，11-13]。另一方面，大量研究證明，當同一基因型或同品種個體之間競爭總量一定的地下資源時，會產(chǎn)生可塑性的根系增生[14-17]，而根系增生以作物產(chǎn)量降低為代價，這被稱為根系競爭的“公地悲劇”(tragedy of the commons)。因此，除了減少根系冗余，減少或者消除根系競爭導致的根系增生(也是減弱個體競爭力)，也可以成為農(nóng)業(yè)上提高產(chǎn)量的一種有效途徑[18]。但關于根系如何響應鄰株根系的存在，目前為止并沒有一致結論[19]。也有研究表明，根系競爭不會導致根系增生[20-21]。另外，之前的研究較少從育種的角度解讀根系競爭對農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的影響，對于人工育種是否已經(jīng)無意識地影響作物根系競爭效應，截至目前相關研究很少[22-23]。因此，本研究選用全球第三大糧食作物小麥的兩個不同年 代品種，考察春小麥是否存在根系增生，以及育種如何影響根系競爭效應。已有的根系競爭的“公地悲劇”研究一般采用分根法，即無根系競爭采用兩個植株分別在兩個花盆中單獨生長，根系競爭則采用兩個植株的根系分別跨越兩個相鄰花盆競爭生長[14-16]，這導致競爭處理中植株的根系生長空間是無競爭處理的2 倍，因此根系競爭效應可能與根系生長空間混淆[24-25]。也有研究在排除根系生長空間的影響后，仍發(fā)現(xiàn)根系競爭導致根系增生[26-28]。有研究用尼龍網(wǎng)隔離不同植株根系，在允許根系分泌物通過的同時限制了根系生長范圍，排除了根系生長空間這一干擾因素[29]。但另一方面，尼龍隔離也允許水和營養(yǎng)物質的流動，這可能會增加植株可利用營養(yǎng)總量。本研究除了設置尼龍隔離和無競爭塑料隔離，還設置了有競爭塑料隔離以及2 倍營養(yǎng)處理。1 倍營養(yǎng)-無競爭塑料隔離和2 倍營養(yǎng)-有競爭塑料隔離相比，單株根系可利用生長空間和單株可獲得營養(yǎng)量均一致，可有效研究根系競爭效應。本研究選取春小麥古老品種‘和尚頭’和現(xiàn)代品種‘92-46’，通過設置不同根系隔離處理，主要解答以下兩個關鍵問題：1)春小麥根系競爭如何影響各部分生物量及資源分配(根系競爭效應)? 2)兩個不同年代春小麥品種根系競爭效應有何差異(根系競爭效應×品種效應)?

1 材料與方法

1.1 試驗設計

盆栽試驗于2010年5—8月在北京師范大學生 物園(116°2′E，39°6′N，海拔54 m)開展。設置隔離、營養(yǎng)和品種3 個因子。3 種隔離處理如圖1所示：尼龍隔離、無競爭塑料隔離、有競爭塑料隔離。尼龍隔離中，以尼龍布(400 目)將聚乙烯花盆(直徑25 cm，高38 cm)均分為兩部分。塑料隔離中，用塑料板(長37 cm，寬24.5 cm)將花盆均分為兩部分，并用密封膠填補邊緣縫隙。尼龍隔離和無競爭塑料隔離中，2株春小麥分布在隔離兩側；有競爭塑料隔離中，2 株春小麥分布在同側。所有處理中兩株春小麥間距均為9 cm，以保證地上競爭一致。2 倍營養(yǎng)-有競爭塑料隔離與1 倍營養(yǎng)-無競爭塑料隔離相比，即根系競爭處理與無根系競爭處理相比，單株根系可利用生長空間和單株可獲得營養(yǎng)量一致(表1)。種植基質為蛭石，以澆營養(yǎng)液頻率設置兩個營養(yǎng)水平：每隔6 d施用1 次營養(yǎng)液的為2 倍營養(yǎng)液處理，每隔12 d 施用 1 次營養(yǎng)液的為 1 倍營養(yǎng)處理，營養(yǎng)液均為0.2 g·L–1的花多多1 號通用肥(N-P-K：20 g-20 g-20 g)水溶液。

供試品種為春小麥‘和尚頭’和‘92-46’。品種‘和尚頭’是中國甘肅省地方品種，于20世紀40年代到70年代間廣泛種植?，F(xiàn)代品種‘92-46’是甘肅省2000年育成品種，也在當?shù)貜V泛種植。這兩個品種生長期相近，但‘和尚頭’無麥芒故可以從形態(tài)上區(qū)分。每種處理重復10 次，共120 盆。待春小麥成熟后，收獲每株春小麥地上部分，65℃烘干稱重；將種子從穗中分離出來并稱重。用清水將根系沖洗干凈，65℃烘干稱重。

圖1 不同隔離處理示意圖Fig.1 Illustration for different partition treatments

表1 根系競爭處理和無根系競爭處理下春小麥生長條件比較Table1 Comparison of growing conditions of wheat plants with root competition and without root competition treatments

1.2 數(shù)據(jù)分析

用ANOVA分析隔離、營養(yǎng)和品種對各部分生物量及總生物量的影響；合并1倍營養(yǎng)和2倍營養(yǎng)再分析隔離、品種及交互作用對各部分生物量及總生物量的影響；用ANOVA分析根系競爭(2倍營養(yǎng)-有競爭塑料隔離和1倍營養(yǎng)-無競爭塑料隔離)、品種及交互作用對各部分生物量及總生物量的影響。用Tukey多重比較對不同處理間均值進行差異顯著性分析。為了滿足殘差正態(tài)分布和方差齊性，所有生物量數(shù)據(jù)使用前進行對數(shù)轉換。以上數(shù)據(jù)分析均使用SPSS 22.0進行。

為了消除單株可獲得營養(yǎng)量(即植株大小效應)對結果的影響，用標準化主軸回歸(standardized major axis regression，SMA)進行各器官生物量與總生物量之間的回歸分析[18，30]。用post-hoc 多重比較對不同處理間回歸斜率和截距進行差異顯著性分析。以上分析均使用軟件‘Standardized Major Axis Tests and Routines (SMATR)2.0’進行[31]。

2 結果與分析

2.1 根系競爭對不同年代春小麥品種生物量的影響

2.1.1 尼龍隔離與無競爭塑料隔離的比較

營養(yǎng)因素對兩品種各器官生物量均無顯著影響，因此合并1 倍營養(yǎng)和2 倍營養(yǎng)再做方差分析。不同隔離方式對兩品種的根系生物量均無顯著影響(圖2a)?！蜕蓄^’在尼龍隔離下的種子生物量與無競爭塑料隔離無顯著差異，但‘92-46’在尼龍隔離下的種子生物量顯著高于無競爭塑料隔離(圖2b)。兩品種在尼龍隔離下的莖葉生物量和總生物量都顯著高于無競爭塑料隔離(圖2c-d)?！蜕蓄^’的根系生物量、莖葉生物量和總生物量均顯著大于‘92-46’，而種子生物量顯著小于‘92-46’(圖2)。

2.1.2 根系競爭處理與無根系競爭處理的比較

根系競爭對兩品種的根系生物量和種子生物量均無顯著影響(圖3a-b)，但顯著降低了兩品種的莖葉生物量和總生物量(圖3c-d)，其中對于‘92-46’的莖葉生物量的影響是邊緣顯著的(F=3.14，P=0.093)?！蜕蓄^’的根系生物量、莖葉生物量和總生物量均大于‘92-46’，而種子生物量小于‘92-46’(圖3)。

2.2 根系競爭對不同年代春小麥品種資源分配的影響

2.2.1 尼龍隔離與無競爭塑料隔離的比較

對于任一品種在任一隔離設置下，營養(yǎng)都不影響春小麥器官生物量與總生物量之間的回歸關系，因此把1 倍營養(yǎng)和2 倍營養(yǎng)合并之后再做SMA 分析，并通過比較斜率和截距來判斷隔離或品種對資源分配的影響[18，30-32]。對于古老品種‘和尚頭’，根系競爭對各回歸關系的斜率和截距均無顯著影響(表2)。對于現(xiàn)代品種‘92-46’，根系競爭顯著降低了根系生物量-全株總生物量回歸關系的截距，但對其他回歸關系的斜率和截距均無顯著影響(表2)。SMA 分析顯示出資源分配的品種差異：兩個品種的根系生物量-全株總生物量回歸關系無顯著差異；‘和尚頭’的種子生物量-全株總生物量回歸關系的斜率比‘92-46’大，但截距比‘92-46’?。弧蜕蓄^’的莖葉生物量-全株生物量回歸關系的斜率和‘92-46’無差異，但截距比‘92-46’大(表2)。

2.2.2 根系競爭處理與無根系競爭處理的比較

圖2 尼龍隔離和無競爭塑料隔離下春小麥品種‘和尚頭’和‘92-46’的生物量Fig.2 Biomasses of spring wheat varieties‘Monkhead’and‘92-46’under mesh partition and plastic partition without root competition

圖3 根系競爭處理和無根系競爭處理下春小麥品種‘和尚頭’和‘92-46’的生物量Fig.3 Biomasses of spring wheat varieties‘Monkhead’and‘92-46’with and without root competition

表2 尼龍隔離和無競爭塑料隔離下春小麥品種‘和尚頭’和‘92-46’各器官生物量與全株總生物量之間的標準 主軸回歸分析Table2 Standardized major axis regressions of biomass between different organs and whole plant for spring wheat varieties‘Monkhead’and‘92-46’under mesh partition and plastic partition without competition

表3 根系競爭處理和無根系競爭處理下‘和尚頭’和‘92-46’各器官生物量與全株總生物量之間的標準主軸回歸分析Table3 Standardized major axis regressions of biomass between different organs and whole plant for spring wheat varieties‘Monkhead’and‘92-46’with and without root competition

根系競爭對兩品種的各個回歸關系的斜率和截距均無顯著影響(表3)。SMA 分析顯示出資源分配的品種差異：有根系競爭時，兩個品種的根系生物 量-全株總生物量回歸關系無顯著差異；但無根系競爭時，‘和尚頭’的斜率大于‘92-46’。‘和尚頭’的種子生物量-全株總生物量回歸關系的斜率比‘92-46’大，但截距比‘92-46’小；‘和尚頭’的莖葉生物量-全株總生物量回歸關系的斜率和‘92-46’無差異，但截距比‘92-46’大(表3)。

3 討論

本研究通過設置不同根系競爭情境(尼龍隔離與無競爭塑料隔離，根系競爭處理與無根系競爭處理)研究根系競爭效應。結果顯示，不管是‘和尚頭’還是‘92-46’，春小麥品種內(nèi)根系競爭均沒有導致根系增生或者根系資源分配提高(圖2、圖3，表2、表3)。這表明春小麥的根系競爭沒有導致所謂的“公地悲劇”。研究表明，鄰近植株根系的存在除了可以導致 根系增生[15，20，33-34]，還可以導致根系生物量減少[21，35-37]或者沒有變化[38-39]。沒有變化的原因可能是植株無法識別鄰株的存在，或者能夠識別但不能區(qū)分自己根系與鄰株根系[35]。根系競爭試驗的meta分析表明，種內(nèi)根系競爭策略的選擇是由該物種的進化歷史和當前生存環(huán)境共同決定的[40]，并且根系增生現(xiàn)象多出現(xiàn)于豆科(Fabaceae)植物中。根系競爭的“公地悲劇”現(xiàn)象是地下資源依賴的，當?shù)叵沦Y源更稀缺時，植物有更大概率采取根系增生策略，因為此時地下資源的競爭對于個體生存更重要[20，40]。同樣用‘和尚頭’和‘92-46’這兩個品種，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)當設置差異明顯的兩個水肥條件時，高水肥條件下根系競爭不影響資源分配，但低水肥條件下根系競爭導致‘和尚頭’莖葉資源分配增多且繁殖分配下降[41]。除了地下資源，土壤中的其他諸多因素都會影響根系競爭行為[38，42-43]。

需要注意到是，由于植物生長本身是一個異速生長的過程[18]，異速生長分析(SMA)相比生物量數(shù)據(jù)及生物量比例數(shù)據(jù)(根系生物量/總生物量)更能真實反映植物的資源分配策略[18，32，44-45]。本研究結果顯示，尼龍隔離下種子生物量(只有現(xiàn)代品種‘92-46’)、莖葉生物量和總生物量大于無競爭塑料隔離，但異速生長分析顯示種子和莖葉資源分配模式均無變化(圖2，表2)。這表明莖葉生物量和總生物量的增加并不是由于根系競爭效應，推測可能是由于尼龍隔離使得植株可獲得營養(yǎng)量增加導致[25]。研究結果還顯示，根系競爭處理(2 倍營養(yǎng)-有競爭塑料隔離)的莖葉生物量和總生物量小于無根系競爭處理(1 倍營養(yǎng)-無競爭塑料隔離)，但異速生長分析顯示資源分配模式也沒有變化(圖3，表3)。這表明莖葉生物量和總生物量的減少也不是由于根系競爭效應導致的。這可能是由于試驗實施過程中實際施肥方式導致：即在按2 倍關系施加營養(yǎng)之前，所有處理均施加了兩次底肥，導致根系競爭處理植株實際獲得營養(yǎng)量小于無根系競爭處理(表1)。

雖然根系競爭沒有使‘和尚頭’和‘92-46’陷入“公地悲劇”，但仍顯示出顯著的根系競爭效應及根系競爭×品種交互效應：尼龍隔離下‘92-46’的根系資源分配小于無競爭塑料隔離，而‘和尚頭’無此變化(表2)。首先，這一現(xiàn)象表明，現(xiàn)代品種‘92-46’的根系有一定程度的自我-非我識別能力，當感知到周圍有同品種非我植株時，能做出調(diào)整資源分配的反應。已有研究表明，植物可以通過地上葉片感知周圍環(huán)境中紅外線/遠紅外線比例來判斷有無競爭者并做出相應反饋[46]。有不少研究發(fā)現(xiàn)植物也可以通過根系進行自我-非我識別[22，36，47]。其次，本試驗設置中，尼龍隔離和無競爭塑料隔離下，相鄰植株的根系都沒有物理接觸，區(qū)別在于根系分泌物，即尼龍隔離允許根系分泌物穿過尼龍網(wǎng)進而影響鄰株，而無競爭塑料隔離中根系分泌物無法通過。因此我們推測，‘92-46’對鄰株的識別可能是根系分泌物介導的。已有不少研究表明根系分泌物可以介導植株自我-非我識別[22，36，47-48]。第三，現(xiàn)代品種‘92-46’在同品種根系競爭時減少了根系資源分配，即克制了根系競爭行為；而‘和尚頭’在同品種根系競爭時并無此變化。這表明現(xiàn)代品種相比古老品種，可能在以高產(chǎn)為目標的育種過程中被無意識選育出一定程度的合作行為。而古老品種在自然選擇的作用下以最大化個體競爭力為目標，不大可能進化出合作行為。達爾文農(nóng)學認為，應有意識地通過群體選擇來培育個體之間更加合作的基因型，以提高單位面積產(chǎn)量[49]。本研究結果中‘92-46’根系資源分配的減少也與我們前期研究結果一致：競爭力比較實驗中，‘92-46’相對比例越高，根系資源分配就越??；而‘和尚頭’的根系資源分配不隨相對比例的變化而變化[13]，表明‘92-46’在與同品種個體競爭時更加保守，降低了對根系的資源投入。

另外，本研究還揭示了兩品種的組成型差異：生物量數(shù)據(jù)顯示‘和尚頭’的根系生物量和莖葉生物量均大于‘92-46’，而種子生物量小于‘92-46’(圖2，圖3)。SMA 分析顯示，大部分情況下‘和尚頭’和‘92-46’的根系資源分配并沒有顯著差異(除無根系競爭處理斜率外)，‘和尚頭’的莖葉資源分配顯著高于‘92-46’，而種子資源分配顯著低于‘92-46’(表2，表3)。首先，這一結果表明資源分配在營養(yǎng)生長和繁殖生長間存在權衡。本研究中現(xiàn)代品種‘92-46’繁殖資源分配的提高是由于莖葉資源分配的降低。這符合達爾文農(nóng)學理論的基本假設：選育個體競爭力弱化的、營養(yǎng)器官冗余減小的基因型，以期提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[2，5-8]。需要說明的是，該研究只選用了一個古老品種和一個現(xiàn)代品種，關于育種的影響只是得出初步的、嘗試性的結論。但與后續(xù)他人研究結果的一致性使該研究結論更加可靠。比如，研究考察成熟期相近的35 個中國春小麥品種，發(fā)現(xiàn)中等競爭力品種的產(chǎn)量比高競爭力品種平均高35%[6]。其次，這一結果還表明，資源分配在營養(yǎng)器官上的減少主要體現(xiàn)在莖葉，而不是根系。之前研究較多是從根系生物量或者根系比例(根系生物量/總生物量)這兩個指標上揭示根系冗余的存在[13，50-52]，易把植株大小對繁殖資源分配的影響與根系競爭導致的繁殖資源分配調(diào)整混淆[18]。因此，之前研究[13]可能高估了‘和尚頭’根系冗余的程度，即部分“冗余”是由于其本身較大的總生物量導致，并非真正的資源分配策略上的差異。因此，相對于比較根系生物量或者根系比例這兩個點值，比較不同處理之間的異速生長過程是更優(yōu)化的研究資源分配問題的途徑。

4 結論

通過考察兩個不同年代春小麥品種在不同根系競爭情境下的生物量及資源分配，發(fā)現(xiàn)春小麥根系競爭并沒有導致根系增生的“公地悲劇”現(xiàn)象，這可能與春小麥本身進化歷史有關，或者是由于地下資源比較充分。另外，本研究發(fā)現(xiàn)相比古老品種‘和尚頭’，現(xiàn)代品種‘92-46’可能發(fā)展出一定程度的合作行為，可能是通過根系分泌物介導識別鄰株根系并減少根系資源分配。以高產(chǎn)為目標的作物育種可能無意識選擇了個體之間更加合作的基因型，后續(xù)研究應選用更多品種來檢驗合作行為在現(xiàn)代品種中是否具有普遍性。最后，本研究揭示了兩個品種的組成型差異：現(xiàn)代品種‘92-46’將資源更多分配到繁殖生長，而古老品種‘和尚頭’更多分配到莖葉生長。這支持了達爾文農(nóng)學理論的基本假設：個體競爭力弱化的、營養(yǎng)器官冗余減小的基因型具有產(chǎn)量提高的潛力。如果能夠把對個體競爭力的無意識弱化轉化為有意識的選育，將有助于提高作物產(chǎn)量和應對21世紀的糧食危機。