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甘蔗(Saccharum officinarum L.)是中国乃至世界第一大糖料作物,也是中国南方的重要经济作物之一。在甘蔗产量不断提高的同时,受甘蔗倒伏的影响也越来越大。甘蔗倒伏后严重影响蔗茎的生长和糖分积累,降低产量和蔗糖分,更会影响到甘蔗机械化作业的开展。本研究以具有不同倒伏类型的甘蔗品种(系)及国内外甘蔗种质的组合后代作为材料,开展甘蔗抗倒伏能力的评价,分析倒伏与甘蔗生理生化特性及显微结构的关系,结合转录组学分析,研究甘蔗抗倒伏性的机理,为挖掘抗倒伏相关基因及选育抗倒伏优良甘蔗品种提供依据。主要研究结果如下:1.建立甘蔗倒伏分级及抗倒伏指数。本研究将甘蔗倒伏类型分为1级(倒伏)、2级(半倒伏)和3级(直立)。结合倒伏分级标准,利用抗倒伏指数、农艺和理化性状评价了不同倒伏类型的甘蔗品种(系)的抗倒伏能力。通过研究发现在新植和宿根试验中各试验材料抗倒伏指数的变化趋势相同,反映了甘蔗田间的实际倒伏情况。直立类型GT42的抗倒伏指数为3.0,全倒伏类型GF98-296的抗倒伏指数小于1.2,半倒伏类型ROC22和GT10-2003的介于两者之间。在新植和宿根试验中,GF98-296的重心高度显著高于ROC22、GT10-2003与GT42。GT42的基部茎径与中部茎径比值在新植和宿根试验中显著高于其他三个品种(系),数值均大于1。GF98-296弯曲高度的数值在两轮试验中均为最小值。GF98-296的穿刺强度数值最高。按照倒伏类型分析,全倒伏类型的甘蔗株高、重心高度均显著高于其他三个品种(系),弯曲高度均显著低于其他三个品种(系)。直立类型的甘蔗基部茎径与中部茎径比值大于1。抗倒伏指数与基部和中部茎径比值、锤度呈显著正相关,基部和中部茎径比值与锤度呈显著正相关,株高与单茎重、重心高度呈极显著正相关。基部茎径与中部茎径比值大于1时,属于“塔型”结构,有利于甘蔗抗倒伏;当比值小于1的时候,抗倒伏指数小,倒伏程度明显加大,头重脚轻,容易发生倒伏。2.以30个甘蔗组合的2070单株为材料,通过对倒伏级数、基部茎径、中部茎径进行调查,验证了甘蔗倒伏分级标准及抗倒伏指数的可靠性,两者结合可以有效判断甘蔗的抗倒伏能力。研究证明,倒伏发生后,甘蔗锤度会随之降低;基部茎径和中部茎径比值与甘蔗的抗倒伏指数呈显著正相关。利用抗倒伏指数将30个甘蔗组合进行了聚类分析,筛选出抗倒伏组合16个,半倒伏组合13个,全倒伏组合2个。3.对不同倒伏类型甘蔗蔗茎的生化成分进行分析,发现倒伏类型甘蔗茎的纤维素含量最高,与其他类型品种(系)达到显著差异。半纤维素的变化比较规律,倒伏的甘蔗品种(系)含量都比直立的低。GT42的木质素、原果胶和含硅量含量显著高于其他品种(系)。GF98-296的木质素和含硅量显著低于其他品种(系)。直立GT10-2003的可溶性果胶显著高于其他品种。倒伏类型的试验材料含氮量都比较高,其中GF98-296的含氮量显著高于其他品种(系)。倒伏类型的含钙量和含钾量显著高于直立类型。含氮量与半纤维素含量呈显著负相关,氮素含量的增加容易导致作物发生倒伏。进一步对不同倒伏类型甘蔗品种茎部进行显微结构分析,发现GT42茎的木质化和栓质化程度高,大小维管束数量明显比GF98-296多,维管束中的导管和纤维木质化很明显,且皮层细胞长宽比大。GF98-296茎的表皮细胞层数多,排列整齐,表皮硬度大,与穿刺强度的表现相符,但因其蔗茎内部的机械强度较低,依然容易发生倒伏。4.对不同倒伏类型甘蔗根部生化成分进行分析,研究发现抗倒伏品种GT42根的纤维素含量显著高于其他参试品种(系)。ROC22根的半纤维素含量显著高于其他参试品种(系)。GT42的木质素显著高于GT10-2003。GF98-296的根系活力最强,与GT42和ROC22差异显著。相关性分析结果显示,不同品种(系)的根系活力与纤维素含量呈极显著负相关;半纤维素含量与纤维素含量呈显著负相关。参试四个甘蔗品种(系)的纤维素含量随时间变化都是呈先升后降再升的趋势。各参试品种(系)半纤维素含量的变化差异不大,都是先下降后上升,然后再下降。不同品种(系)的木质素含量变化趋势不一,GT42的是先降后升高,GF98-296的先升高后降低,ROC22的一直呈下降趋势,GT10-2003的变化趋势和纤维素一致。GT42的根系活力一直呈下降趋势,其他三个品种(系)变化趋势基本一致,先下降后上升再下降。种植后78天的GT42的根量最大,其次是GF98-296和ROC22,GT10-2003最少。G42的根系中新根明显较多,而且很粗壮,硬度较大,韧性好;GT98-296和GT10-2003的根较细,且韧性较差,容易断。两种倒伏类型甘蔗的根系特点均与生化指标分析结果一致。对不同倒伏类型甘蔗品种根部进行显微结构分析,发现GT42根的木质部导管比GF98-296发达,与其根部木质素含量较高相吻合。此外,GT42根的表皮较厚,细胞层数较多,皮层细胞排列整齐,且皮层及中柱薄壁细胞的细胞壁较厚,这样的结构可以使根部的稳定性提高。5.首次对不同倒伏类型的甘蔗品种(系)进行转录组分析,平均每个样品产出93.2 Mb的Raw Reads,过滤后平均每个样品的Clean Reads为88.6Mb,平均为12.9 Gb(Giga base pairs)数据量,总计获得232.1 Gb数据,Q20 reads的平均占比为97.6%,Q30 reads的平均占比为92.9%。共得到转录本706533个,总长度为511.2 M,平均长度723.48 bp,N50 1055 bp。KEGG结果中三组差异转录本中同时富集到类苯基丙烷合成以及激素的信号传导,类苯基丙烷和植物激素传导的差别可能是所有倒伏类型共同的特点。研究同时发现玉米素可能与半倒伏性相关信号通路MAPK以及黄酮类相关的代谢可能与倒伏的交叉相关,细胞壁应该是与倒伏性密切相关的细胞成分。MYB转录因子在倒伏的发生过程中发挥着重要作用。从代谢水平上分析,直立性状与木质素、纤维素和半纤维素都有关,需要三者的含量都达到一定水平才能实现。通过对表达基因进行聚类分析,最终通过筛选获得与木质素合成的相关基因23个,与纤维素合成的相关基因28个。6.综合全文数据分析,GT42茎和根的木质素含量高,茎的维管束数量多且木质化明显,机械组织发达,茎径高下粗上小,属于“塔型”结构;根的表皮细胞层数多,皮层细胞排列整齐,且皮层及中柱薄壁细胞的细胞壁较厚,根部稳定好;根部木质部导管发达,水分和矿物质可以快速往地上部输送。无论从株型结构、理化性质还是显微结构看,GT42均属抗倒伏类型甘蔗的典型代表。GF98-296茎和根的木质素含量低,维管束数量少且木质化程度低,机械组织不发达;茎径下部偏小上部偏粗,属于“茶盅脚”结构,属于全倒伏类型甘蔗的典型代表。