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摘 要：利用一对穗分枝差异的小麦近等基因系，研究其生长锥分化过程和发育规律。结果表明：穗分枝小麦发育至二棱期后，分枝穗轴突起形成，继而形成穗分枝；发育过程可分为9个时期：初生期、伸长期、单棱期、二棱期、分枝突起形成期、分枝小穗突起形成期、小花分化期、雌雄蕊分化期和抽穗始期；物候学方面，分枝小麦在二棱期之前的发育进程与正常穗型小麦一致，但分枝穗轴形成后，分枝小麦的拔节期、抽穗期和开花期分别要晚于正常穗型4.2、2.3 d和1.4 d，说明穗分枝小麦二棱期之后有一个分枝穗轴突起形成和伸长期。本研究有利于了解穗分枝小麦生长锥的发育进程，为进一步实现小麦遗传改良、优化栽培技术和加快该种质资源的利用奠定形态学基础。
关键词：分枝小麦；生长锥分化；近等基因系；显微解剖
中图分类号：S512.101文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）03-0021-05
穗分枝型小麦是一种特殊的小麦种质资源，具有超多小穗数和穗粒数。其分枝特性有两种遗传来源，一种源于普通小麦，这种材料的分枝性状受环境条件的影响极大，难以在生产上应用；另一种源于普通小麦和具有分枝穗型的圆锥小麦的杂交后代，这种分枝类型遗传稳定，具有很高的利用价值[1～3]。
陕西省农业科学院利用多次杂交和回交方法，历经20多年，在国内外首次将圆锥小麦的穗分枝性状导入普通小麦，育成了小麦亚远缘杂交超高产新品种——分33[7]。这种穗分枝小麦表型性状是：一个主穗轴上不是着生小穗，而是再次长出分枝，分枝上再长出小穗。该穗分枝是一种穗结构的变异类型，不增加主穗轴节数，而是通过在主穗轴节上形成的分枝（支穗轴）上着生多个小穗来增加小穗数[8]，从而增加了穗粒数（穗粒数60～120粒，千粒重约50 g），有很大的丰产潜力。通过分析“分33”与普通小麦品种杂交产生的 F1、F2和BC1的穗分枝性状遗传，证明其穗分枝性状与来自圆锥小麦的分枝类型相似，由两对隐性基因控制，无胞质效应，同时还受一些修饰基因的影响[7]。
为了充分利用这一穗分枝多粒型种质资源，有必要了解其生殖结构的形态发育特点。前期培育的穗分枝不同近等基因系，在穗部特征和农艺性状上具有相似的特点[14]。本研究以一对穗分枝差异的近等基因系为实验材料，研究其生长锥分化及幼穗形成过程，了解生长锥分化及幼穗形成过程与植株外部形态及物候发育特征的关系，旨在为分枝小麦栽培管理、繁殖与育种工作提供更科学和直观的依据；同时，为深入研究分枝小麦的遗传、生理生化和分子机制奠定形态学基础。
1 材料与方法
1.1 材料
通过“分33”与“泰山008”不断回交和表型鉴定获得一组近等基因系材料（BC6F4株系）。选取一对为供试材料，其中穗分枝类型为双隐性基因sb1 sb2系；正常穗轴（不分枝）为双显性基因Sb1 Sb2系。
1.2 方法
实验于2011～2012年在山东农业大学小麦高新技术示范园（E 117°09′，N 36°09′）进行。2011年10月初点播，株距5 cm，行距25 cm，种植面积4 m2。出苗后开始观察，越冬期暂停，2012年2月中旬返青后续测，到开花期止。取材时，随机标定普通穗型、分枝穗型株各10个，每隔2～3天于上午进行株高、叶片数、物候期观测。取全株，将带少量外包叶的生长锥在FAA固定液中固定24 h以上备用，剩余材料在显微镜（O-LYMPUS SZX9）下解剖、照相，测量生长锥长度。数据用Excel和SAS 9.0软件处理。
2 结果与分析
2.1 分枝小麦穗部发育过程
在实验地点，分枝小麦生长锥发育始于2月中下旬返青期，开花期结束于5月中旬。与正常穗型小麦相比，分枝穗型具有分枝穗轴，多了一个分枝突起形成期，发生在二棱期之后。根据其生长和发育的形态特征，分枝型小麦生长锥发育过程可分为9个时期：初生期、伸长期、单棱期、二棱期、分枝突起形成期、分枝小穗突起形成期、小花分化期、雌雄蕊分化期和抽穗始期。
2.1.1 初生期 生长锥在初生期为半球体，高度小于宽度，直径约小于0.1 mm，锥体外面被叶原基包被，底部叶原基交互排列，属于营养生长（图1-1）。该时期一般从冬3叶开始一直持续到第二年2月中旬。
2.1.2 伸长期 生长锥开始伸长，半球体逐渐变为圆锥体，圆锥体长度大于宽度，基部叶原基停止生长。这一时期持续大约2周（图1-2）。
2.1.3 单棱期 生长锥继续伸长，并从生长锥基部由下向上分化出现分节的环状突起，这些突起为苞叶原基。苞叶原基以后退化，并在原着生苞叶原基的节与节之间形成穗轴节片。每节一个苞叶原基，明显地分为正面和侧面，从侧面观察为单棱状，故称为单棱期。此时生长锥略呈扁平状，进入生殖生长阶段。这一时期持续约10 d左右（图1-3）。
2.1.4 二棱期 在幼穗中部，苞叶原基腋部出现二次突起，为小穗原基。由于小穗原基也呈棱状，与苞叶原基构成“二棱”，故称为二棱期，然后幼穗上部和基部相继也出现小穗原基（图1-4）。该时期之前分枝穗型和正常穗型的发育基本一致。
2.1.5 分枝突起形成期 正常穗型小麦，二棱后期已分化的小穗原基不断增大，最终完全遮没苞叶原基。分枝小麦，小穗原基发育停滞，在小穗原基基部形成二次生长锥即新的穗轴突起，随后在分枝穗轴上形成新的小穗原基（图1-5）。该时期进展很快，主穗轴中、上部的分枝形成与主穗轴下部分枝穗轴上的小穗突起期并行发生。
正常穗型小麦在二棱后期就按照护颖分化期、小花分化期、雌雄蕊分化期和抽穗始期的顺序发育；分枝穗型小麦的新生小穗原基进一步伸长，然后重新进入穗部器官的分化过程，而分枝穗基部的小穗按正常穗型小麦的小穗发育顺序生长。
2.1.6 分枝小穗突起形成期 分枝穗轴开始形成小穗原基并进一步发育。而最先分化的小穗原基基部首先分化出护颖原基，小穗原基从正面观测为近圆形。小穗原基首先从分枝穗轴的下部发生，然后逐渐向上发展。小穗原基进一步生长分化，使得整个分枝穗明显呈扁平状（图1-6）。 2.1.7 小花分化期（包括小花原基形成期和分化期） 随着分枝小穗原基的分化，主穗轴着生的原始小穗在护颖原基内侧分化出第一小花外颖原基，进入小花原基分化期，随后分化出第二朵小花的外颖、内颖，此后第一、第二朵小花的内颖亦开始分化，第三朵小花的外颖、内颖继续分化。小穗上小花的发育从基部开始，然后向顶端进行（图1-7）。
2.1.8 雌雄蕊分化期 在外稃内侧组织几乎同时分化出内稃和雌雄蕊原基。从侧面看，初形成的内稃原基为一顶端略尖的突起，与外稃原基相对，它们中间为3枚球形突起的雄蕊原始体，进而发育成3个花药，花丝也慢慢伸长，然后3个雄蕊原始体中间分化出雌蕊原始体，不久就出现了柱头、花柱和柱头分叉（图1-8）。
2.1.9 抽穗始期 5月上旬，分枝穗主穗轴接近成熟时，长度达到160 mm，穗分化结束（图1-9）。
分枝型小麦与正常小麦的穗发育顺序不同。正常穗型小麦的小穗原基和小花原基的分化次序均由穗中部开始，然后向上、向下进行分化；而在分枝穗轴上，小穗原基和小花原基的分化均从基下部开始依次向顶部发育。
2.2 穗发育与植株特征和物候期的关系
2012年2月中旬至4月底分枝小麦花序（前期为生长锥，后期为花序穗轴）各阶段长度变化差异较大。从返青期开始至2月18日，处于初生期的生长锥伸长极为缓慢。2月18日以后生长锥伸长速度稍微加快，但仍较缓慢，长度刚足1.5 mm。3月20日至25日，生长锥迅速伸长，同时经历分枝突起形成期和颖片分化期。3月25日至4月20日，生长锥伸长速度达到顶峰，经历小花分化期、雌雄蕊分化期，4月28日穗已接近成熟长度，平均长160 mm，最大宽28 mm。从返青期至3月15日株高增长缓慢，3月15日至4月28日增长加快，5月5日抽穗期以后趋于停止（表1）。
3 分枝穗型小麦研究展望
分枝穗型与正常穗型小麦相比，有一些性状需要改良，如结实率低、籽粒饱满度不够以及分枝穗轴数目影响小穗小花数等。这些性状既可以通过遗传进行改良，也可通过优化栽培技术进行改良，可以将生长锥发育特点作为施肥、灌溉和喷施植物生长调节剂的参考标准。
生长锥的发育与整株高度发育、叶发育和物候期之间存在一定的相关性[18]，由此可以初步确定相应农业栽培措施对生长锥的影响。通过增施氮肥可以显著增加小穗数，促进小穗、小花的分化和干物质的累积[6，19]；孕穗期增加幼穗的ZR和iPA含量、降低IAA和ABA含量，可提高小花育性[20～22]。因此，如果这种效果同样表现于分枝穗型小麦，那么既可在适当的时期使用肥料和植物生长调节剂以增加其可育小花数和千粒重，也可为进一步实现分枝穗型小麦遗传改良、优化栽培技术和加快该种质资源的利用奠定形态发育基础。当然，针对这种多粒的种质资源，还有许多遗传和栽培的基础工作要做。
参 考 文 献：
[1] Koric，S.Study of branched gene complex of Triticum aestivum ssp.vulgare and its significance for wheat breeding[J].J.Sci.Agric.Res.Zagreb Yugoslavia，1980，142：271-282.
[2] 王 超，田纪春，钱兆国，等.不同类型小麦品种不同光合器官与籽粒产量的关系[J].山东农业科学，2011，3：25-29.
[3] Huang G，Yen C.Studies on the developmental genetics of multiple spikelet per spike in wheat[A].In： Proc.7th Intern.Wheat Genet.Symp.[C].Cambridge，UK，1988，527-532.
[4] Sharman B C.Interpretation of the morphology of various naturally occurring abnormalities of the influorescence of wheat （Triticum ssp.） [J].Can.J.Bot.，1967，45：2073-2080.
[5] Koric S.Genetic basis for high spike productivity[A].In：Proceedings of the 2nd International Winter Wheat Conference[C].1975，138-144.
[6] Nerson H， Edelstein M， Pinthus M J.Effects of N and P nutrition on spike development in spring wheat[J].Plant and Soil，1990，124：33-37.
[7] 袁文业，孙 玉，张美荣.穗分枝性状导入普通小麦的遗传研究[J].华北农学报，1995， 10（3）：45-50.
[8] 杨先泉，任正隆.关于多小穗类小麦资源类型与遗传基础的几个问题[J].西南农业学报， 1999，12（2）：112-119.
[9] 孙 玉，闫贵云，任永康，等.分枝型普通小麦的创育及其杂种优势利用研究[J].山西农业科学，2007，35（6）：38-41.
[10]赵 鹏，彭惠茹，倪中福，等.穗分枝小麦与普通小麦杂交组合主要性状的杂种优势与配合力分析[J].麦类作物学报，2009，29 （2）：212-216.
[11]逯腊虎，李国强，武计萍，等.穗分枝小麦与普通小麦的配合力分析[J].陕西农业科学， 2011，3：3-6.
[12]闫晓华.小麦穗分枝基因的初步定位及ramosa2基因的克隆[D].杨凌：西北农林科技大学，2007.
[13]韩撵法.小麦Ramosa基因与穗分枝现象的相关性研究[D].杨凌：西北农林科技大学， 2008.
[14]Zhang W D， Li A F， Tian J C，et al.Development of near isogenic lines of wheat carrying different spike branching genes and their agronomic and spike characters[J].Journal of Agricultural Science，2012，4（8）：215-221.
[15]杨艳莉，周青平，颜红波，等.行距对青海扁茎早熟禾无性繁殖影响的研究[J].草业科学，2009，26（5）：66-71.
[16]刘文辉，周青平，颜红波，等.青海扁茎早熟禾种子生长生理特性研究[J].草业科学，2007，24（5）：69-73.
[17]石红霄，周青平，颜红波，等.三种根茎型禾草无性繁殖时空扩展初探[J].草业科学，2008，25（5）：131-136.
关键词：分枝小麦；生长锥分化；近等基因系；显微解剖
中图分类号：S512.101文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）03-0021-05
穗分枝型小麦是一种特殊的小麦种质资源，具有超多小穗数和穗粒数。其分枝特性有两种遗传来源，一种源于普通小麦，这种材料的分枝性状受环境条件的影响极大，难以在生产上应用；另一种源于普通小麦和具有分枝穗型的圆锥小麦的杂交后代，这种分枝类型遗传稳定，具有很高的利用价值[1～3]。
陕西省农业科学院利用多次杂交和回交方法，历经20多年，在国内外首次将圆锥小麦的穗分枝性状导入普通小麦，育成了小麦亚远缘杂交超高产新品种——分33[7]。这种穗分枝小麦表型性状是：一个主穗轴上不是着生小穗，而是再次长出分枝，分枝上再长出小穗。该穗分枝是一种穗结构的变异类型，不增加主穗轴节数，而是通过在主穗轴节上形成的分枝（支穗轴）上着生多个小穗来增加小穗数[8]，从而增加了穗粒数（穗粒数60～120粒，千粒重约50 g），有很大的丰产潜力。通过分析“分33”与普通小麦品种杂交产生的 F1、F2和BC1的穗分枝性状遗传，证明其穗分枝性状与来自圆锥小麦的分枝类型相似，由两对隐性基因控制，无胞质效应，同时还受一些修饰基因的影响[7]。
为了充分利用这一穗分枝多粒型种质资源，有必要了解其生殖结构的形态发育特点。前期培育的穗分枝不同近等基因系，在穗部特征和农艺性状上具有相似的特点[14]。本研究以一对穗分枝差异的近等基因系为实验材料，研究其生长锥分化及幼穗形成过程，了解生长锥分化及幼穗形成过程与植株外部形态及物候发育特征的关系，旨在为分枝小麦栽培管理、繁殖与育种工作提供更科学和直观的依据；同时，为深入研究分枝小麦的遗传、生理生化和分子机制奠定形态学基础。
1 材料与方法
1.1 材料
通过“分33”与“泰山008”不断回交和表型鉴定获得一组近等基因系材料（BC6F4株系）。选取一对为供试材料，其中穗分枝类型为双隐性基因sb1 sb2系；正常穗轴（不分枝）为双显性基因Sb1 Sb2系。
1.2 方法
实验于2011～2012年在山东农业大学小麦高新技术示范园（E 117°09′，N 36°09′）进行。2011年10月初点播，株距5 cm，行距25 cm，种植面积4 m2。出苗后开始观察，越冬期暂停，2012年2月中旬返青后续测，到开花期止。取材时，随机标定普通穗型、分枝穗型株各10个，每隔2～3天于上午进行株高、叶片数、物候期观测。取全株，将带少量外包叶的生长锥在FAA固定液中固定24 h以上备用，剩余材料在显微镜（O-LYMPUS SZX9）下解剖、照相，测量生长锥长度。数据用Excel和SAS 9.0软件处理。
2 结果与分析
2.1 分枝小麦穗部发育过程
在实验地点，分枝小麦生长锥发育始于2月中下旬返青期，开花期结束于5月中旬。与正常穗型小麦相比，分枝穗型具有分枝穗轴，多了一个分枝突起形成期，发生在二棱期之后。根据其生长和发育的形态特征，分枝型小麦生长锥发育过程可分为9个时期：初生期、伸长期、单棱期、二棱期、分枝突起形成期、分枝小穗突起形成期、小花分化期、雌雄蕊分化期和抽穗始期。
2.1.1 初生期 生长锥在初生期为半球体，高度小于宽度，直径约小于0.1 mm，锥体外面被叶原基包被，底部叶原基交互排列，属于营养生长（图1-1）。该时期一般从冬3叶开始一直持续到第二年2月中旬。
2.1.2 伸长期 生长锥开始伸长，半球体逐渐变为圆锥体，圆锥体长度大于宽度，基部叶原基停止生长。这一时期持续大约2周（图1-2）。
2.1.3 单棱期 生长锥继续伸长，并从生长锥基部由下向上分化出现分节的环状突起，这些突起为苞叶原基。苞叶原基以后退化，并在原着生苞叶原基的节与节之间形成穗轴节片。每节一个苞叶原基，明显地分为正面和侧面，从侧面观察为单棱状，故称为单棱期。此时生长锥略呈扁平状，进入生殖生长阶段。这一时期持续约10 d左右（图1-3）。
2.1.4 二棱期 在幼穗中部，苞叶原基腋部出现二次突起，为小穗原基。由于小穗原基也呈棱状，与苞叶原基构成“二棱”，故称为二棱期，然后幼穗上部和基部相继也出现小穗原基（图1-4）。该时期之前分枝穗型和正常穗型的发育基本一致。
2.1.5 分枝突起形成期 正常穗型小麦，二棱后期已分化的小穗原基不断增大，最终完全遮没苞叶原基。分枝小麦，小穗原基发育停滞，在小穗原基基部形成二次生长锥即新的穗轴突起，随后在分枝穗轴上形成新的小穗原基（图1-5）。该时期进展很快，主穗轴中、上部的分枝形成与主穗轴下部分枝穗轴上的小穗突起期并行发生。
正常穗型小麦在二棱后期就按照护颖分化期、小花分化期、雌雄蕊分化期和抽穗始期的顺序发育；分枝穗型小麦的新生小穗原基进一步伸长，然后重新进入穗部器官的分化过程，而分枝穗基部的小穗按正常穗型小麦的小穗发育顺序生长。
2.1.6 分枝小穗突起形成期 分枝穗轴开始形成小穗原基并进一步发育。而最先分化的小穗原基基部首先分化出护颖原基，小穗原基从正面观测为近圆形。小穗原基首先从分枝穗轴的下部发生，然后逐渐向上发展。小穗原基进一步生长分化，使得整个分枝穗明显呈扁平状（图1-6）。 2.1.7 小花分化期（包括小花原基形成期和分化期） 随着分枝小穗原基的分化，主穗轴着生的原始小穗在护颖原基内侧分化出第一小花外颖原基，进入小花原基分化期，随后分化出第二朵小花的外颖、内颖，此后第一、第二朵小花的内颖亦开始分化，第三朵小花的外颖、内颖继续分化。小穗上小花的发育从基部开始，然后向顶端进行（图1-7）。
2.1.8 雌雄蕊分化期 在外稃内侧组织几乎同时分化出内稃和雌雄蕊原基。从侧面看，初形成的内稃原基为一顶端略尖的突起，与外稃原基相对，它们中间为3枚球形突起的雄蕊原始体，进而发育成3个花药，花丝也慢慢伸长，然后3个雄蕊原始体中间分化出雌蕊原始体，不久就出现了柱头、花柱和柱头分叉（图1-8）。
2.1.9 抽穗始期 5月上旬，分枝穗主穗轴接近成熟时，长度达到160 mm，穗分化结束（图1-9）。
分枝型小麦与正常小麦的穗发育顺序不同。正常穗型小麦的小穗原基和小花原基的分化次序均由穗中部开始，然后向上、向下进行分化；而在分枝穗轴上，小穗原基和小花原基的分化均从基下部开始依次向顶部发育。
2.2 穗发育与植株特征和物候期的关系
2012年2月中旬至4月底分枝小麦花序（前期为生长锥，后期为花序穗轴）各阶段长度变化差异较大。从返青期开始至2月18日，处于初生期的生长锥伸长极为缓慢。2月18日以后生长锥伸长速度稍微加快，但仍较缓慢，长度刚足1.5 mm。3月20日至25日，生长锥迅速伸长，同时经历分枝突起形成期和颖片分化期。3月25日至4月20日，生长锥伸长速度达到顶峰，经历小花分化期、雌雄蕊分化期，4月28日穗已接近成熟长度，平均长160 mm，最大宽28 mm。从返青期至3月15日株高增长缓慢，3月15日至4月28日增长加快，5月5日抽穗期以后趋于停止（表1）。
3 分枝穗型小麦研究展望
分枝穗型与正常穗型小麦相比，有一些性状需要改良，如结实率低、籽粒饱满度不够以及分枝穗轴数目影响小穗小花数等。这些性状既可以通过遗传进行改良，也可通过优化栽培技术进行改良，可以将生长锥发育特点作为施肥、灌溉和喷施植物生长调节剂的参考标准。
生长锥的发育与整株高度发育、叶发育和物候期之间存在一定的相关性[18]，由此可以初步确定相应农业栽培措施对生长锥的影响。通过增施氮肥可以显著增加小穗数，促进小穗、小花的分化和干物质的累积[6，19]；孕穗期增加幼穗的ZR和iPA含量、降低IAA和ABA含量，可提高小花育性[20～22]。因此，如果这种效果同样表现于分枝穗型小麦，那么既可在适当的时期使用肥料和植物生长调节剂以增加其可育小花数和千粒重，也可为进一步实现分枝穗型小麦遗传改良、优化栽培技术和加快该种质资源的利用奠定形态发育基础。当然，针对这种多粒的种质资源，还有许多遗传和栽培的基础工作要做。
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[1] Koric，S.Study of branched gene complex of Triticum aestivum ssp.vulgare and its significance for wheat breeding[J].J.Sci.Agric.Res.Zagreb Yugoslavia，1980，142：271-282.
[2] 王 超，田纪春，钱兆国，等.不同类型小麦品种不同光合器官与籽粒产量的关系[J].山东农业科学，2011，3：25-29.
[3] Huang G，Yen C.Studies on the developmental genetics of multiple spikelet per spike in wheat[A].In： Proc.7th Intern.Wheat Genet.Symp.[C].Cambridge，UK，1988，527-532.
[4] Sharman B C.Interpretation of the morphology of various naturally occurring abnormalities of the influorescence of wheat （Triticum ssp.） [J].Can.J.Bot.，1967，45：2073-2080.
[5] Koric S.Genetic basis for high spike productivity[A].In：Proceedings of the 2nd International Winter Wheat Conference[C].1975，138-144.
[6] Nerson H， Edelstein M， Pinthus M J.Effects of N and P nutrition on spike development in spring wheat[J].Plant and Soil，1990，124：33-37.
[7] 袁文业，孙 玉，张美荣.穗分枝性状导入普通小麦的遗传研究[J].华北农学报，1995， 10（3）：45-50.
[8] 杨先泉，任正隆.关于多小穗类小麦资源类型与遗传基础的几个问题[J].西南农业学报， 1999，12（2）：112-119.
[9] 孙 玉，闫贵云，任永康，等.分枝型普通小麦的创育及其杂种优势利用研究[J].山西农业科学，2007，35（6）：38-41.
[10]赵 鹏，彭惠茹，倪中福，等.穗分枝小麦与普通小麦杂交组合主要性状的杂种优势与配合力分析[J].麦类作物学报，2009，29 （2）：212-216.
[11]逯腊虎，李国强，武计萍，等.穗分枝小麦与普通小麦的配合力分析[J].陕西农业科学， 2011，3：3-6.
[12]闫晓华.小麦穗分枝基因的初步定位及ramosa2基因的克隆[D].杨凌：西北农林科技大学，2007.
[13]韩撵法.小麦Ramosa基因与穗分枝现象的相关性研究[D].杨凌：西北农林科技大学， 2008.
[14]Zhang W D， Li A F， Tian J C，et al.Development of near isogenic lines of wheat carrying different spike branching genes and their agronomic and spike characters[J].Journal of Agricultural Science，2012，4（8）：215-221.
[15]杨艳莉，周青平，颜红波，等.行距对青海扁茎早熟禾无性繁殖影响的研究[J].草业科学，2009，26（5）：66-71.
[16]刘文辉，周青平，颜红波，等.青海扁茎早熟禾种子生长生理特性研究[J].草业科学，2007，24（5）：69-73.
[17]石红霄，周青平，颜红波，等.三种根茎型禾草无性繁殖时空扩展初探[J].草业科学，2008，25（5）：131-136.