任 云，李 強，李哲馨，劉奕清，唐建民

(重慶經(jīng)濟植物生物技術(shù)重點實驗室，重慶市特種植物協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心，重慶文理學(xué)院 特色植物研究院，重慶 402160)

生姜(ZingierofficinalRoscoe)為姜科多年生草本植物，具有食用和藥用雙重價值，在世界范圍內(nèi)廣泛種植[1-2]。我國生姜在全球市場占主導(dǎo)地位，栽培面積與總產(chǎn)量均居世界首位[3]。同時，生姜作為我國優(yōu)勢特色蔬菜和主要調(diào)味品原料，已成為鄉(xiāng)村振興與脫貧攻堅的特色高效產(chǎn)業(yè)，也是重慶市現(xiàn)代特色效益農(nóng)業(yè)調(diào)味品產(chǎn)業(yè)體系主導(dǎo)作物之一[4-5]。

生姜以地下根莖無性繁殖為主，連年自留種，種性退化，病原物積累，土傳病害嚴重，使得生姜生長緩慢，品質(zhì)下降，減產(chǎn)甚至絕收，嚴重制約生姜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展[6-7]。而組織培養(yǎng)是解決無性繁殖作物種性退化、病原物積累，提高抗病性和產(chǎn)量潛力的重要措施[8-11]。王林生等[12]研究表明，不同世代組培甘薯增產(chǎn)幅度差異明顯，莖尖苗增產(chǎn)效果明顯高于原原種苗、原種苗和良種苗。湯青林等[13]通過測定不同世代組培芋苗葉片生理指標和產(chǎn)量，綜合評價指出組培2代要優(yōu)于組培1代和普通苗，是大面積推廣種植的種源。組培技術(shù)在甘薯、馬鈴薯上已有大量研究應(yīng)用[14-15]。生姜的組培多是關(guān)于其組培快繁體系建立的相關(guān)研究，而關(guān)于不同世代組培生姜物質(zhì)積累與分配特性，以及產(chǎn)量形成差異的研究還鮮有報道。本研究以生姜原原種(T1)、原種(T2)、生產(chǎn)種(T3)為試驗材料，研究了不同世代組培生姜物質(zhì)生產(chǎn)特性與產(chǎn)量形成差異，以期為生姜組培種生產(chǎn)上最佳推廣世代的確定及其增產(chǎn)機制的研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年和2018年在永川區(qū)五間鎮(zhèn)試驗基地進行，該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均溫度17.7 ℃，年平均降雨量1 015.0 mm，日均日照時數(shù)3.3 h，年均無霜期317 d。該地區(qū)為淺丘旱地，以特色經(jīng)濟作物為主。2年試驗均在同一地塊進行，2017年播種前試驗地0～30 cm土層有機質(zhì)含量18.7 g·kg-1，堿解氮41.6 mg·kg-1，速效磷122.1 mg·kg-1，速效鉀338.8 mg·kg-1，全氮1.3 g·kg-1，全磷17.9 g·kg-1，全鉀1.6 g·kg-1，pH為6.84。

1.2 方法

試驗生姜品種為竹根姜，供試材料為本實驗室自主培育的不同世代竹根姜脫毒姜種。原原種(T1)為組培試管苗，原種(T2)為原原種種植收獲的姜種，生產(chǎn)種(T3)為原種種植收獲的姜種。

采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，共設(shè)3個處理，分別為原原種(T1)、原種(T2)、生產(chǎn)種(T3)，3次重復(fù)，小區(qū)面積50 m2。常規(guī)化肥施氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)用量分別為400、200、600 kg·hm-2，有機肥1 500 kg·hm-2。磷肥、鉀肥和有機肥一次性基施，氮肥50%基施，50%塊莖膨大期追肥。種植規(guī)格為畦帶溝寬1.8 m，雙行種植，株行距為0.5 m×0.3 m，種植密度為90 000 株·hm-2，其他栽培管理同當?shù)厣弋a(chǎn)田。2017年于4月28日播種，11月20日收獲；2018年于5月1日播種，11月25日收獲計產(chǎn)。

1.3 指標測定

1.3.1 形態(tài)指標測定

生姜出苗后，每隔20 d每小區(qū)選取連續(xù)10株長勢一致的生姜植株，測定株高、莖粗、分蘗數(shù)。株高測定從主莖基部量到生姜植株頂部；莖粗采用電子游標卡尺測量每一株生姜莖粗最大的分蘗；分蘗數(shù)采用直接計數(shù)法。

1.3.2 植物各器官干物質(zhì)積累與分配

于生姜主要生育階段(2017年出苗后105、126、150、189和207 d，2018年出苗后81、113、144、174和193 d)選取長勢一致的生姜植株5株，按根、塊莖、莖鞘和葉各器官分開，測定各部分干質(zhì)量，并計算生姜的根冠比和物質(zhì)分配比例。

利用Logistic方程對生姜物質(zhì)生產(chǎn)進行曲線擬合，可以得出最大理論生物量(final theoretical biomass yield，MD)、最大生長速率(maximum growth rate，VmD)、平均生長速率(average growth rate，VaD)、最大生長速率出現(xiàn)時間點(time of instantaneous maximum slope，T0D)、生長加速點(time of growth rate acceleration，T1D)，生長減速點(time of growth rate deceleration，T2D)和快速生長期(rapid growth rate period，T2D-T1D)[16-18]。

式中：x，生長天數(shù)；y，干物質(zhì)積累量；a、EXP和b代表方程系數(shù)；m，實際干物質(zhì)積累量；T0，最大積累速率時間點。

1.3.3 產(chǎn)量測定

收獲時，小區(qū)實收計產(chǎn)，并按小區(qū)面積折算不同處理生姜實際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用LSD法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗，用GraphPad Prism 5.0進行繪圖，利用OriginPro 2016進行生姜生長曲線擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同世代組培生姜植株生長特性的差異

圖1表明，不同世代生姜組培苗株高均隨生育進程而逐漸增加，但不同世代生姜組培苗株高差異顯著。2017年和2018年各世代株高均表現(xiàn)為T3>T2>T1，其中各時期T3較T2株高的增幅均明顯高于T2較T1株高的增幅，T3較T2各時期平均株高增幅分別為55.74% (2017年)和55.49%(2018年)，T2較T1各時期平均株高增幅分別為44.42%(2017年)和36.77%(2018年)。T3較T2和T2較T1株高的增幅均隨生育進程而表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，出苗80 d左右，T2較T1株高增幅最大，增幅達61.24%；T3較T2最大株高增幅也出現(xiàn)在出苗80 d左右，增幅達68.53%。表明生產(chǎn)種(T3)較原種(T2)和原原種(T1)具有明顯的株高優(yōu)勢。

不同世代組培生姜莖粗均表現(xiàn)出前期增長較快，后期增長放緩，但不同世代生姜莖粗差異顯著，2017和2018年各時期均表現(xiàn)出T3>T2>T1的變化趨勢(圖2)。2017、2018年收獲時T2較T1莖粗分別高19.84%和19.66%，而T3較T2分別高17.35%和16.27%，表明隨組培世代的增加，組培生姜莖粗增幅下降。2017、2018年T2較T1與T3較T2莖粗差異均表現(xiàn)為隨生育進程逐漸下降。2017年T2較T1莖粗增幅從49.85%下降到19.84%，2018年從28.22%下降到19.66%；2017年T3較T2莖粗增幅從37.11%下降到17.35%，2018年從46.70%下降到16.27%。表明原種(T2)和生產(chǎn)種(T3)生育前期能保持較好的形態(tài)建成，保證其快速生長期的物質(zhì)積累，尤其是生產(chǎn)種。

圖1 不同世代組培生姜株高差異Fig.1 Plant height differences of different generation tissue culture gingers

圖3結(jié)果表明，不同世代組培生姜分蘗數(shù)均表現(xiàn)為生育前期增幅緩慢，后期快速增加，出苗80 d以前各世代分蘗數(shù)均小于10；出苗80 d以后，T1、T2和T3世代生姜2年平均分蘗數(shù)增幅分別達3.66·(10d)-1、2.56·(10d)-1和1.97·(10d)-1。2017、2018年成熟期分蘗數(shù)均表現(xiàn)為T1>T2>T3，隨世代的增加分蘗數(shù)顯著下降，2017和2018年收獲時T2較T1分蘗數(shù)分別下降29.90%和27.52%，T3較T2分蘗數(shù)分別下降13.42%和15.44%。表明原種(T2)和生產(chǎn)種(T3)在生育后期能夠有效控制分蘗的產(chǎn)生，減少過多分蘗對光合產(chǎn)物的消耗，從而提高其產(chǎn)量。

2.2 不同世代組培生姜干物質(zhì)積累與分配差異

生姜整個生育期內(nèi)物質(zhì)積累呈“S”型增長曲線，本研究擬合的所有Logistic方程的決定系數(shù)R2均大于0.99(圖4)。不同世代組培生姜理論物質(zhì)積累量(MD)、最大積累速率(VmD)、平均積累速率(VaD)、最大積累速率出現(xiàn)時間點(T0D)和快速增長期(T2D-T1D)差異均顯著(圖4和表1)。隨世代的增加，MD、VmD、VaD均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，T0D有所提前，使得T2D-T1D顯著延長。2017、2018年T2較T1平均快速增長期延長了11.07%(5.85 d)，T3較T1延長了45.80%(24.22 d)。因此，隨組培世代的增加，干物質(zhì)積累速率逐漸提高，快速增長期逐漸延長，顯著提高了原種(T2)和生產(chǎn)種(T3)的物質(zhì)積累量。T2較T1干物質(zhì)積累量分別提高了27.32%(2017年)和22.77%(2018年)，T3較T2分別提高了28.20%(2017年)和31.50%(2018年)。

圖2 不同世代組培生姜莖粗差異Fig.2 Stem diameter differences of different generation tissue culture gingers

圖3 不同世代組培生姜分蘗數(shù)差異Fig.3 Tillering number differences of different generation tissue culture gingers

2年試驗中，生姜生育中后期其葉片和莖的干物質(zhì)分配比例均表現(xiàn)為隨生育進程推進而降低，采收時最低；而塊莖和根的干物質(zhì)分配比例均表現(xiàn)為隨生長期延長而增加，采收時比例最高(圖5)。2017、2018年收獲時葉片、莖和根的干物質(zhì)分配比例均表現(xiàn)出隨世代增加而降低的趨勢，均為T1>T2>T3；而塊莖的分配比例則隨世代增加而增加，均為T3>T2>T1。收獲時2年平均葉片分配比例T1較T2、T3分別高4.50和10.73百分點，莖分配比例分別高3.80和5.18百分點，根分配比例分別高1.72和6.95百分點，而塊莖分配比例T1較T2、T3則分別低10.00和22.86百分點。各世代組培生姜塊莖分配比例差異明顯高于其他器官，表明不同世代組培生姜塊莖物質(zhì)分配比例差異是引起其產(chǎn)量差異的重要原因。

生姜生育期內(nèi)各世代生姜根冠比均表現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢，在成熟期達到最大(圖6)。生育前期生姜需要進行地上部的形態(tài)建成，較低的根冠比可以保證地上部的旺盛生長，而到生育后期生姜以地下塊莖為收獲對象，根冠比越高越利于高產(chǎn)。隨世代的增加，生姜根冠比逐漸升高，2年均表現(xiàn)為T3>T2>T1，收獲時T2較T1分別高出37.55%(2017年)和42.39% (2018年)，T3較T1分別高出93.26%(2017年)和87.38%(2018年)。因此，較高的根冠比是原種(T2)和生產(chǎn)種(T3)高產(chǎn)的重要原因。

圖4 不同世代組培生姜干物質(zhì)積累擬合曲線Fig.4 Dry matter accumulation fitting curves of different generation tissue culture gingers

表1 不同世代組培生姜物質(zhì)積累特性差異

Table 1 Differences in matter accumulation characteristics of different generation tissue culture gingers

年份Years處理Treatments最大速率VmD/(g·d-1)平均速率VaD /(g·d-1)最大速率出現(xiàn)點T0D/d快速增長期T2D-T1D/d2017T11.72 c0.64 c97.03 c50.32 cT22.11 b0.94 b117.13 b60.83 bT33.73 a2.20 a158.55 a80.35 a2018T11.51 c0.66 c107.47 b55.45 bT21.99 b0.89 b108.96 b56.65 bT33.55 a2.06 a145.54 a73.86 a

VmD，最大積累速率；VaD，平均積累速率；T0D，最大積累速率出現(xiàn)時間點；T2D-T1D，快速增長期。同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

VmD， Maximum increasing rate;VaD， Average increasing rate;T0D， Days to MIR;T2D-T1D， Duration of rapid growth period. Data marked without the same lowercase letter in each column indicated significant differences atP<0.05. The same as below.

圖5 不同世代組培生姜物質(zhì)分配差異Fig.5 Matter distribution differences of different generation tissue culture gingers

2.3 不同世代組培生姜產(chǎn)量差異

不同世代組培生姜產(chǎn)量差異顯著，2017年、2018年均表現(xiàn)出T3>T2>T1(圖7)。T2較T1增產(chǎn)56.18%(2017年)和47.48%(2018年)，而T3產(chǎn)量較T1高出120.92%(2017年)和109.87%(2018年)，表明生產(chǎn)種(T3)較原原種(T1)和原種(T2)在產(chǎn)量上均有較大的提高，更能發(fā)揮生姜品種的產(chǎn)量潛力。

圖6 不同世代組培生姜根冠比變化Fig.6 Changes of root-to-shoot ratio of different generation tissue culture gingers

圖7 不同世代組培生姜產(chǎn)量差異Fig.7 Yield differences of different generation tissue culture gingers

2.4 不同世代組培生姜生產(chǎn)效益分析

表2結(jié)果表明，不同世代組培生姜生產(chǎn)的投入差異較大，經(jīng)濟效益也存在顯著差異。由于生姜組培苗價格較高，所以2年姜種投入均表現(xiàn)出隨世代增加而降低，T1>T2>T3，而肥料、農(nóng)藥與其他投入在處理之間差異不大，使得總投入也表現(xiàn)出T1>T2>T3的趨勢。總收入和效益2年均為生產(chǎn)種(T3)顯著高于T1和T2，而T1與T2差異較小，2年平均T3總收入較T1、T2分別高出34.21%和41.88%，效益分別高出66.25%和66.12%。由于T1總投入較高，使得產(chǎn)投比2年均表現(xiàn)出T3>T2>T1。

3 結(jié)論與討論

T3和T2生長特性明顯優(yōu)于T1，生育前期株2017和2018年組培苗均為0.6 元·株-1，原種均為12 元·kg-1，而生產(chǎn)種2017年7元·kg-1，2018年8元·kg-1。

表2 不同世代組培生姜生產(chǎn)的投入與產(chǎn)出

Table 2 Input and output of different generation tissue culture ginger production yuan·hm-2

年份Year處理Treatment效益Efficiency總投入Total inputs姜種Seeds肥、藥Fertilizer and pesticide其他Other總收入Total income產(chǎn)投比Output to input ratio2017T1217063123900540009900600003409632.75T2204728105900360009900600003106282.93T334115698250283509900600004394064.472018T1195004123900540009900600003189042.57T2207645105900360009900600003135452.96T3343887102300324009900600004461874.36

The tissue culture seedling were 0.6 yuan·plant-1and original seeds 12 yuan·kg-1in both 2017 and 2018. The production seeds was 7 yuan·kg-1in 2017 and 8 yuan·kg-1in 2018.

高、莖粗快速生長，保證其地上部快速生長；進入根莖膨大期后，生姜株高和莖粗的增長減緩，分蘗快速發(fā)生，能夠有效地控制分蘗的發(fā)生，減少分蘗過多對光合產(chǎn)物的消耗，保證了根莖光合產(chǎn)物的供給，從而提高其物質(zhì)積累速率，延長快速生長期，并顯著提高其干物質(zhì)積累，為高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。進入根莖膨大期后，較低的莖、葉和根系物質(zhì)分配比例，促進光合產(chǎn)物向根莖的轉(zhuǎn)移，進一步促進根莖的膨大，從而獲得高產(chǎn)。因此，與原原種和原種相比，生姜組培生產(chǎn)種具有明顯的產(chǎn)量優(yōu)勢，能夠有效提高生姜生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。綜合考慮不同世代組培生姜產(chǎn)量和經(jīng)濟效益差異與種性退化規(guī)律，可以把組培生姜生產(chǎn)種(T3)作為生產(chǎn)上的最佳推廣世代，既能充分發(fā)揮其產(chǎn)量潛力、提高經(jīng)濟效益，又能有效控制病害的發(fā)生。

作物產(chǎn)量與植株形態(tài)特征密切相關(guān)，莖基部較粗、蔓較短、分枝數(shù)較少、薯塊大小均勻的甘薯往往產(chǎn)量較高[19]。高產(chǎn)型生姜的主要特征為莖稈粗壯、分蘗較少、葉片較厚、同化系統(tǒng)發(fā)達、根莖干物質(zhì)含量較低[5，20]。本研究結(jié)果表明，不同世代組培生姜株高、莖粗和分蘗數(shù)差異顯著，株高與莖粗均隨世代的增加而顯著增加，而分蘗數(shù)隨世代增加而顯著降低。生產(chǎn)種生長狀況明顯優(yōu)于原種和原原種，生育前期株高、莖粗快速生長，保證其地上部快速生長，能夠更好地進行光合作用，為后期根莖的生長奠定良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。進入塊莖膨大期后，株高和莖粗的增長減緩，分蘗快速發(fā)生，生產(chǎn)種能夠有效地控制分蘗的發(fā)生，減少分蘗過多對光合產(chǎn)物的消耗，保證了根莖光合產(chǎn)物的供給。因此，株高、莖粗增加，分蘗減少是生產(chǎn)種較原種和原原種增產(chǎn)的重要原因。

干物質(zhì)積累與分配是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，脫毒甘薯干物質(zhì)的積累，在整個生育期內(nèi)均明顯高于對照，其分配規(guī)律為：前期以地上部莖葉為主，中后期地下部塊根迅速增加，從而提高產(chǎn)量[11-12]。本研究結(jié)果表明，生產(chǎn)種(T3)干物質(zhì)積累速率提高，快速增長期延長，各時期的物質(zhì)積累量增加為其高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。生姜生育前期主要進行地上部形態(tài)建成，物質(zhì)分配以莖葉為主，根冠比較低；而進入根莖膨大期后，物質(zhì)積累從地上向地下轉(zhuǎn)移，根莖物質(zhì)分配比和根冠比逐漸提高，莖葉分配比則隨之下降，與王林生等[12]在甘薯上的研究結(jié)果一致。組培生姜莖、葉片和根物質(zhì)分配比例均隨組培世代的增加而降低，而塊莖分配比例則隨組培世代的增加而升高。原種和原原種較低的物質(zhì)積累速率和較短的快速增長期，使得其物質(zhì)積累量顯著低于生產(chǎn)種，從根本生影響其產(chǎn)量形成；進入根莖膨大期后，莖葉較高的物質(zhì)分配比影響了原種和原原種光合產(chǎn)物從地上部往根莖的轉(zhuǎn)運，進一步限制了根莖的膨大；原種和原原種需要較多的根系才能滿足其植株的生長，使得其根系物質(zhì)分配比顯著高于生產(chǎn)種，再一次影響了根莖的物質(zhì)供給。

與原種、原原種相比，生產(chǎn)種株高、莖粗增加，分蘗減少，為其高產(chǎn)奠定了理想的株型結(jié)構(gòu)；而物質(zhì)積累速率高與快速增長期長，使其物質(zhì)積累顯著增加，為其高產(chǎn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。同時較低的莖鞘、葉片和根系物質(zhì)分配比與較高的根莖物質(zhì)分配比充分發(fā)揮其物質(zhì)基礎(chǔ)，使得生產(chǎn)種的產(chǎn)量顯著高于原種和原原種。較高的產(chǎn)量使得T3總收入、效益和產(chǎn)投比均顯著高于T1和T2，表明生姜生產(chǎn)種較原種和原原種具有顯著的產(chǎn)量優(yōu)勢，能夠有效提高生姜生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。大量研究表明，隨組培世代的增加，種塊病原菌積累，感病程度增加，且產(chǎn)量和品質(zhì)均大幅下降[21-23]。綜合考慮不同世代組培生姜產(chǎn)量差異與種源種性退化規(guī)律，可以把生姜生產(chǎn)種(T3)作為生產(chǎn)上的最佳推廣世代，既能充分發(fā)揮其產(chǎn)量潛力，又能控制病害的發(fā)生。