4份苜蓿材料根系形态特征的初步分析

摘要： 研究了直根型陇东苜蓿、根蘖型甘农2号杂花苜蓿，野生黄花苜蓿和根茎型清水苜蓿在甘肃半湿润、半干旱和干旱3个不同生态区的根系形态特征。结果表明：根茎型清水苜蓿在天水半湿润区和兰州半干旱区主根长度较长，适应性较强；直根型陇东苜蓿在兰州半干旱区主根长度、主根直径、侧根数、根颈直径、根颈入土深度及分枝直径均最大，生长最为适宜；根蘖型黄花苜蓿在武威干旱区主根长度最长，根蘖型甘农2号杂花苜蓿在武威干旱区主根长度、主根直径、侧根数、侧根直径及根颈直径均最大，具有抗逆、耐牧和竞争性强等优良特性。

关键词： 苜蓿；根系形态；生态区

中图分类号： S 551+.7文献标识码： A

文章编号： 1009-5500(2011)03-0027-05

苜蓿（Medicago sativa）是世界上栽培和利用价值最高的豆科牧草，可与黄花苜蓿进行天然杂交，由于异花授粉和互交可孕而带来了大量的遗传变异，受基因来源及生态环境的影响，苜蓿的根系类型可划分为直根型（tap rooted）、侧根型（branch rooted）、根蘖型（creeping rooted）和根茎型（rhizomatous rooted）4类[1]。根茎型苜蓿相对较少，清水紫花苜蓿（Medicago sativacv. Qingshui）是由甘肃农业大学在甘肃清水灌丛草原地带发现的野生根茎型紫花苜蓿，经采集单株分株繁殖，多代栽培驯化育成，为我国第1个根茎型苜蓿品种。该品种根系强大，茎细而硬，耐牧性强，固土护坡、保持水土能力强，可为改良苜蓿耐牧品质、

创造生态型种质提供新的遗传材料。

目前，有关苜蓿根茎和根系形态的研究国内外已有许多报道[2-5]，有关根茎型清水苜蓿的根系形态鲜见报道。为此，研究了清水苜蓿、直根型陇东苜蓿（Medicago sativa cv. Longdong）、根蘖型甘农2号杂花苜蓿（Medicago varia cv. Gannong No.2）和野生黄花苜蓿（Medicago falcata）4份材料在不同生态区根系形态特征的发育状况，探讨不同苜蓿材料在半湿润、半干旱和干旱3个不同生态区的根系发育特征，为区域化种植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验选择了3种不同的生态区。

1.1.1 甘肃天水试验区 位于甘肃省天水市麦积区中滩镇，N 34°42′，E 105°39′，海拔1 100 m，属大陆半湿润季风气候，年均温11.6 ℃，降水量427.1 mm，蒸发量1 504 mm，无霜期201 d，沙壤土。播种期：2009年4月23日；出苗期：2009年5月1日。

1.1.2 甘肃兰州试验区 位于甘肃省兰州市榆中县和平镇，N 35°52′，E 104°09′，海拔1 874.1 m，属温带半干旱大陆性气候，年均温9.7 ℃，降水量320 mm，蒸发量1 664 mm，无霜期177 d，黑垆土。播种期：2009年4月3日；出苗期：2009年4月20日。

1.1.3 甘肃武威试验区 位于甘肃省武威市黄羊镇，N 37°55′，E 102°40′，海拔1 530.8 m，属温带干旱荒漠气候，年均温7.7 ℃，降水量150 mm，蒸发量2 019.9 mm，无霜期154 d，灌淤土。播种期：2009年4月13日；出苗期：2009年4月24日。

3个生态区的土壤化学性状见表1。

1.2 试验设计

3个生态区均采用完全随机设计，均为4个处理，3次重复，共12个小区；播深2 cm，行距30 cm，小区面积3.0 m×5.0 m，相邻2小区种植间隔0.5 m的保护行，播种量10 kg/hm2。供试材料：Ⅰ 根茎型清水紫花苜蓿；Ⅱ 根蘖型野生黄花苜蓿材料；Ⅲ 根蘖型甘农2号杂花苜蓿；Ⅳ 直根型陇东苜蓿。其中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ种子均由甘肃农业大学草业学院提供，Ⅱ的种子由中国农业科学院草原研究所提供。

1.3 测定指标和方法

2009年9月底测定播种后5个月的苜蓿根颈和根形态，用Marquez-Ortiz法[6]和Johnson法[2]。随机在长势均等处取3个样方，面积为0.5 m×0.5 m，割掉地上部分，地下部分用壕沟法挖取根系深见根端，每个样方取代表性单株3株，清水洗净，测定指标。1.3.1 根系形态 （1）主根长度，根颈以下主根一直到主根d≥0.1 cm处的长度；（2）主根直径，根颈以下1 cm处直径；（3）侧根数，侧根离主根0.5 cm处的d≥0.1 cm时，可计入，小于0.1 cm时，不计入；（4）侧根直径，靠近主根处；（5）侧根位置，距根颈最近的第1个侧根。

1.3.2 根颈形态 （1）根颈入土深度，从地表到根颈膨大处（从地表到根颈上端的垂直距离）；（2）根颈直径，用游标卡尺测根颈膨大处；（3）根颈分枝数，从根颈直接长出的分枝；（4）分枝直径，用游标卡尺测分枝基部。

1.4 数据分析

采用DPS3.01和SPSS16.0统计软件对数据进行处理。DPS3.01进行方差分析、新复极差测验，SPSS进行相关分析及主成分分析。2 结果与分析

2.1 根系特性

根系是植物吸收、转化和储藏营养物质的重要器官，对地上部的生长、形态建成发生作用，其生长好坏直接影响地上部分的产量和植物的水土保持能力[7]。由表2可见，供试苜蓿材料间根系特性差异明显。在天水，清水苜蓿主根长度最长，为80.0 cm，显著高于黄花和陇东；主根直径、侧根数、侧根位置和侧根直径各材料间无明显差异。在兰州，清水苜蓿主根长度与黄花、陇东差异不显著，但显著高于甘农2号；主根直径显著高于黄花，与甘农2号差异不显著，但显著低于陇东；侧根直径显著小于其他3份材料；侧根数、侧根位置各材料间差异不显著。在武威，清水苜蓿的主根直径、侧根数、侧根直径均显著低于甘农2号，与黄花、陇东差异不显著；主根长度、侧根位置各材料间无明显差异。

2.2 根颈特性

根颈是产生枝条的重要部位，与苜蓿的再生性、耐寒性、抗旱性和抗病害等有密切的关系，直接影响苜蓿生产性能和可持续利用[8]。供试苜蓿材料间根颈特性差异明显（表3），在天水，清水苜蓿的根颈直径、根颈入土深度和根颈分枝数与黄花、甘农2号、陇东无明显差异；分枝直径显著小于甘农2号，与黄花、陇东差异不显著。在兰州，清水苜蓿的根颈直径显著低于陇东，与其他2份材料差异不显著；根颈入土深度、根颈分枝数与其他3份材料差异不显著；分枝直径显著低于甘农2号和陇东，与黄花差异不显著。在武威，清水苜蓿的根颈直径显著小于甘农2号，与黄花、陇东差异不显著；不同苜蓿材料间根颈入土深度无明显差异；根颈分枝数与黄花差异不显著，但显著高于甘农2号和陇东；分枝直径显著大于陇东，与黄花、甘农2号差异不显著。

2.3 根系相关性分析

由表4可以看出，根部各性状中，主根长度与侧根位置、根颈入土深度呈显著正相关；主根直径与侧根数、根颈直径、分枝直径呈极显著正相关，与侧根直径呈显著正相关；侧根数与侧根直径、根颈直径呈极显著正相关，与分枝直径呈显著正相关；侧根直径与根颈直径呈极显著正相关，与侧根位置呈显著负相关；根颈直径与分枝直径，根颈入土深度与根颈分枝数间均呈显著正相关；根系其余各指标间相关性不显著。其中主根直径与侧根数、侧根直径达极显著和显著水平，这与Johnson等对1 067 个紫花苜蓿种质材料的研究结果一致[2]。

2.4 根系主成分分析

以上分析表明，4份苜蓿材料在不同生态区其根系形态存在丰富的遗传变异，为进一步探明其变异的主要原因，对测定的性状进行了主成分分析(表5) 。从第4 主成分开始特征值都非常低(小于1) ，且前3个主成分累计贡献率达到了91.075% ，可以近似代替原始因子所代表的全部信息。第1 成分(主根长度) 的特

注：X1=主根长度；XD2=主根直径；X3=侧根数；X4=侧根直径;X5=侧根位置；X6=根颈直径；X7=根颈入土深度；X8=根颈分枝数；X9=分枝直径。“*”表示t测验0.05显著水平,“**”表示t测验0.01显著水平(表5同此)

征贡献率为48.491%，是分析的主要方面。其次为主根直径和侧根数，特征贡献率分别为28.949%和13.636%。由此可知，试验材料根系形态的主要变异来源于苜蓿的主根长度，其次是主根直径和侧根数，第3 变异来源于侧根直径、侧根位置、根颈直径、根颈入土深度、根颈分枝数及分枝直径。

3 讨论与结论

(1) 不同生态区的光照、温度、水分、营养条件、土壤物理状况及其他生态因子对根系的生长均有不同程度的影响，但不同类型的根系在形态特征、分布范围和生长发育状况上又各有不同的表现。根茎型清水苜蓿主根长度在兰州最长，在天水最短；根蘖型甘农2号杂花苜蓿的主根长度、主根直径、侧根数、侧根直径及根颈直径在武威均最大；根蘖型野生黄花苜蓿的主根长度在武威最长，在天水最短；直根型陇东苜蓿的主根长度、主根直径、侧根数、根颈直径、根颈入土深度及分枝直径在兰州均最大，说明影响根系发育的因子主要是材料的生物学特性，材料是限制苜蓿地上地下生长的主要因素。根茎型清水苜蓿和根蘖型野生黄花苜蓿、甘农2号杂花苜蓿的水平伸展特性在不同生态区和不同土壤质地生长当年均未表现，这与高振生等[9]、洪绂曾等[10]的研究结论一致。

(2) 供试苜蓿材料间根系特性差异明显。综合分析可知：根茎型清水苜蓿主根偏细、侧根数较少、侧根离主根较远、侧根较其他苜蓿细，根颈及分枝也较其他苜蓿细、根颈入土较浅；根蘖型野生黄花苜蓿的各项指标大多在根茎型清水苜蓿和直根型陇东苜蓿之间，有的指标与陇东苜蓿更接近；根蘖型甘农2号杂花苜蓿根系强大，具有抗逆、耐牧和竞争性强等优良特性。综合分析各个变量因子后，从根系发育的情况看，根茎型清水苜蓿在天水半湿润区和兰州半干旱区、直根型陇东苜蓿在兰州半干旱区、根蘖型甘农2号杂花苜蓿和野生黄花苜蓿在武威干旱区有较强的根系发育能力。此次试验结论是播种后5个月的试验结果，并不能代表各根系类型苜蓿生长发育成熟时的根系形态。

参考文献：

[1] 刘志鹏,杨青川,呼天明. 侧根型紫花苜蓿遗传基础及其育种研究进展[J]. 中国草地,2003,25(3):66-71.

[2] Johnson L D,Marquez J J,Lamb J F S,et al. Root morphology of alfalfa plant introductions and cultivars[J]. Crop Sci,1998，38:497-502.

[3] Marquez-Ortiz J J,Lamb F S,Johnson L D，et al. Heritability of crown trait in alfalfa[J]. Crop Science，1999，39:38-43.

[4] 吴新卫,韩清芳,贾志宽. 不同苜蓿品种根颈和根系形态学特性比较及根系发育能力[J]. 西北农业学报,2007,16(2):80-86.

[5] 孙启忠,韩建国,桂荣,等. 科尔沁沙地苜蓿根系和根颈特性[J]. 草地学报,2001,9(4):269-276.

[6] Marquez-Ortiz J J,Johnson L D,Basigalup D H,et al. Crown morphology relationships among alfalfa plant introduction and cultivars[J]. Crop Sci,1996,36:766-770.

[7] 胡守林,郑德明,邓成贵,等. 不同耕作方式棉花根系发育能力的研究[J]. 水土保持研究,2006,13(6):115-119.

[8] 王月胜,于林清,张利军. 播种当年苜蓿根系研究初报[J]. 草地学报,2008,16(3):313-315.

[9] 高振生,王培,洪绂曾,等. 苜蓿根蘖性状发生与生态适应性的研究[J]. 草地学报,1995,39(2):126-134.

[10] 洪绂曾,吴义顺,白永和,等. 苜蓿根蘖性状的研究[J]. 中国草地,1991(1):27-30.

Analysis on root morphology of four species of alfalfa

NAN Li-li1,2,SHI Shang-li1,2 ,ZHU Xin-qiang1,2 ,CHEN Jian-gang1,2 ,ZHAO Wen-han1,2

(College of Pratacultural Science,Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem，Ministry of Education/Sino-U.S.Centers for Grazingland Ecosystem Sustainability/Pratacultural Engineeing Laboratory of Gansu Province,Lanzhou 730070,China)

Abstract: The study in field were conducted in semi-humid,semi-arid,and arid regions to analyze root morphology of rhizomatous rooted Medicago sativa cv.Qingshui,tap rooted Medicago sativa cv.Longdong,creeping rooted Medicago varia cv.Gannong No.2,and creeping rooted native Medicago falcata material. The results showed that Medicago sativa cv.Qingshui was suitable for planting in Tianshui and Lanzhou regions due to its length of tap root;Medicago sativa cv.Longdong was suitable for planting in Lanzhou region due to its length of tap root,diameter of tap root,number of lateral root,crown diameter,crown depth,and crown branch diameter;native Medicago falcata material grew better in Wuwei region due to its length of taproot;Medicago varia cv.Gannong No.2 grew best in Wuwei region due to its length of taproot,diameter of tap root,number of lateral root,diameter of lateral root,and crown diameter.

Key words: Medicago；root morphology；ecotype

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”