水稻茎秆的结构及其性能的相关性

① 收稿日期 :2003 - 07 - 15 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (39770206) 作者简介 :段传人 (1970 - ) ,男 ,重庆云阳人 ,重庆大学讲师 ,博士研究生 ,从事植物生物力学和分子生物学研究 。
第 26 卷第 11 期 段传人 等 : 水稻茎秆的结构及其性能的相关性
2003 年 11 月 第 26 卷第 11 期
重庆大学学报 Journal of Chongqing U niversity
文章编号 :1000 - 582X(2003) 11 - 0038 - 03
Nov. 2003 Vol. 26 No . 11
水稻茎秆的结构及其性能的相关性 ①
段 传 人 ,王 伯 初 ,王 凭 青
1. 19～2. 34
3 分析与讨论
水稻茎秆的力学性能是由水稻茎秆的细观结构所 决定的 ,在长期的自然选择和人工选择下 ,水稻茎秆的 结构日趋合理 ,其结构和功能适应性体现得相当完 美[2 ] 。在自然条件下 ,水稻的结实率不高 ,单穗重不 大 ,其茎秆的主要作用是支撑及抵抗外部的风雨病害 的袭击 ,因此在自然条件下 ,水稻只要能生长在合适的 环境中 (有较充分的光照 ,水分和不太密集) 倒伏现象 较小发生[3 - 4 ] 。随着人们对野生稻种的驯化 ,水稻产 量大幅度提高 ,水稻茎秆的载荷大部分来自于茎重和 穗重 ,在自然条件变化不大的相同情况下 ,栽培稻比野 生稻所承受的载荷要大得多 ,特别是随着集约化耕作 和普遍施用化肥 ,水稻的生物产量更进一步提高 ,这就 对水稻茎秆的力学性能提出了更高的要求[5 - 7 ] 。既 要丰产 ,又要抗倒 ,也就需要对水稻茎秆的结构和力学 性质进行深入的分析和探讨 。 3. 1 水稻茎秆的拉伸强度极限和弹性模量比较
2 实验结果
不同水稻品种的性状比较结果见表 1 ,大 、小维管
束的分布情况见图 1 。
表 1 不同水稻品种性状结果
茎粗 品种
/ mm 农丰 1 号 6. 35
桂朝 2 号 5. 50
广陆矮 4 号 4. 30
桂优 99 5. 23
茎壁厚 / mm 0. 41 0. 49 0. 36 0. 42
大维管束 小维管束
13. 23
11. 58
9. 14
9. 67
11. 69
12. 34
8. 90
12. 30
12. 34
14. 79
10. 23
9. 73
10. 37
13. 23
9. 68
9. 54
14. 21
15. 50
10. 70
9. 53
12. 56
14. 30
8. 72
10. 34
11. 33
11. 40
11. 75
外农学 ,1981 , (2) :81 - 82. [4 ] KAL IN INA S L . 稻类作物决定抗倒性的性状描述 [J ] .
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从图 2、图 3 的结果和表 1 对比后发现 ,桂朝 2 号的 拉伸强度极限σ和弹性模量 E 在 4 个供试品种中是最高 的 ,其大、小维管束数目也最多 ,茎粗、茎壁厚中等。同时 通过观察大、小维管束的分布排列情况后发现 ,其大维管 束的排列是规则的 ,小维管束数目多于大维管束数目 ,而 其它 3 个品种的大维管束的排列是规则的圆周排列 ,这 也给我们一个启示 ,在材料学中 ,纤维物体的排列对于物
13. 43
13. 45
12. 97
8. 70
12. 49
14. 01
13. 63
9. 30
13. 47
12. 53
13. 35
9. 64
11. 00
10. 37～14. 21 11. 4～15. 5 8. 70～11. 75 9. 50～13. 47
品种
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 范围
学报 ,1997 ,28 (4) :328 - 333. [ 8 ] 何光华. 水稻茎秆维管束特性 、籽粒生长 、器官干物质运
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39
的圆木棍 。试验时先测定内 ,外直径 。然后加载至破 坏 ,记取其破坏荷载 ,除以横截面面积 ,得强度极限 。 2) 拉伸弹性模量的测定 :试样制取同上 ,置试样于拉伸 台上 ,缓慢加载至其不产生破坏为止 ,由实验数据绘出 应力 - 应变关系曲线 。在应力 - 应变关系曲线上的直 线段上任取两点 ,由对应的σ和ε值计算得Δσ和Δε, 即 E =Δσ/Δε。
表 3 不同类型水稻茎秆拉伸弹性模量 GPa
农丰 1 号 2. 32 2. 56 1. 98 2. 67 2. 05 1. 83 1. 98 2. 12 2. 16 1. 89 2. 17
1. 98～2. 67
桂朝 2 号 3. 03 2. 72 2. 05 2. 14 2. 87 2. 34 2. 26 2. 19 2. 50 2. 58 2. 53
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不 同 类 型 水 稻 茎 秆 拉 伸 强度极限的实验结果
见表 2 ,拉伸弹性模量的实验结果见表 3 。
表 2 不同类型水稻茎秆拉伸强度极限 MPa
品种
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 平均 范围
农丰 1 号 桂朝 2 号 广陆矮 4 号 桂优 99
12. 18
13. 75
9. 31
10. 28
性状 强度极限 弹性模量
茎粗 茎壁厚 0. 557 5 0. 682 7 0. 476 4 0. 684 5
大维管束数 0. 869 4 0. 775 6
小维管束数 0. 476 9 0. 573 1
参考文献 :
[1 ] 周 本 濂. 复 合 材 料 的 仿 生 探 索 [J ] . 自 然 科 学 进 展 ,
主要观察和测定了茎粗 、茎壁厚 、大维管束数目 ;同时 平行测定茎秆的拉伸弹性模量和拉伸强度极限 ,以此 反映水稻茎秆的力学性能 。通过统计学分析来比较不 同水稻品种的细观结构和力学性能的差异 ,并分析结 构和性能的相关性 。 1. 2. 1 水稻茎秆细观结构的测定
水稻齐穗后截取地上部第 3 节间 , 每个品种 10 株 ,全部选用主茎 。用解剖刀在第 3 节间的中部切取 一宽约 0. 1～0. 3 cm 的横切环 ,用戊二醛溶液固定 6～ 10 h ,清洗干净后镀金膜 ,作显微镜观察 、照片 ,测量茎 粗 、茎壁厚 、大维管束数目 。因为水稻茎秆并不是规则 的圆形 ,所以茎粗的测定方法为 :
模量在 4 个供试品种中是最高的 ,其大 、小维管束数目最多 ,茎粗 、茎壁厚中等 ,抗倒伏能力最强 。因此
在高产抗倒伏品种的选育中应向矮中求高 ,向中秆 、硬秆的方向来选育 。
关键词 :水稻茎秆 ;拉伸强度极限 ;拉伸弹性模量 ;抗倒伏
中图分类号 :Q947
文献标识码 :A
水稻的茎秆由节和节间组成 。节可以增强水稻茎 秆的刚度 ,这一点犹如复合材料的加强件 ,使其抵抗外 部的弯曲载荷能力得以提高 ;节间由表皮 ,机械组织 , 薄壁组织和维管束等几个部分组成 :表皮细胞的细胞 壁一部分本质化或硅质化 ,使其表皮的强度进一步得 到提高 ,维管束既是输导组织又是茎秆的增强体 ,并且 周缘的小维管束向外突出 ,成为棱状突起 。水稻茎秆 正是由于具有复杂的多层组合结构从而表现出优良的 力学性能[1 ] 。水稻茎秆的力学性质是水稻茎秆的重 要物理属性 ,在我国的水稻研究中 ,这一属性的确定工 作 ,还尚未进行 ,有必要进行这一工作 。在对水稻茎秆 的力学性质探讨研究中 ,笔者主要对 4 种不同类型的 水稻茎秆进行拉伸实验 ,得出不同类型水稻茎秆的拉 伸弹性模量和拉伸强度极限 ,同时 ,进行水稻茎秆的细 观结构分析 ,从而得出水稻茎秆结构与性能的关系 。
(重庆大学 生物工程学院生物力学与组织工程教育部重点实验室 , 重庆 400044)
摘 要 :水稻茎秆是典型的生物复合材料 ,有着优良的力学性能 ,起到支撑和抗倒伏的作用 。通过
比较高 、中 、矮秆和杂交稻典型水稻品种茎秆的细观结构 ,测定水稻茎秆的拉伸强度极限和弹性模量 ,分
析其细观结构和力学性能的关系 。结果表明 :中秆类型水稻茎秆的结构更为合理 ,拉伸强度极限和弹性
/个
/ 个 茎粗/ 茎壁厚
18. 60 21. 50
15. 48
24. 30 24. 30
11. 22
15. 30 15. 30
11. 91
20. 40 20. 40
12. 45
(a) 农丰ห้องสมุดไป่ตู้1 号
(b) 桂朝 2 号
(c) 广陆矮 4 号
(d) 桂优 99
图 1 不同水稻品种大 、小维管束的分布情况
茎粗 d = (最长直径 + 最短直径) / 2 茎壁厚的测定方法为在一横截面上取 6 个值再平 均计算而得 。 1. 2. 2 水稻茎秆力学性能的测定 从田间取样时每个品种每次取样 5 株 ,取 2 次共 10 株 ,取样后截取相同长度的节间 ,马上进行拉伸试 验 。1) 拉伸强度极限的测定 :制备好试样后 ,置于拉伸 台上 ,适度夹紧 ,为防止水稻茎秆在夹紧过程中破裂 , 试验时在夹紧部位的水稻茎空腔处插入一段大小接近
2. 05～2. 87
广陆矮 4 号 1. 89 1. 73 1. 64 2. 32 2. 12 1. 96 2. 27 1. 84 1. 93 1. 76 1. 95
1. 64～2. 32
桂优 99 1. 89 1. 62 2. 34 2. 07 1. 88 1. 95 2. 12 2. 27 2. 04 1. 19 2. 05
图 3 水稻茎秆拉伸弹性模量的比较
3. 2 水稻茎秆的细观结构和力学性能相关性分析 维管束是水稻的输导组织 ,何光华等[8 ]认为维管
束的分布影响小麦穗 ,小穗及籽粒的发育 ,大维管束数 目 ,面积与每穗小穗数 ,单穗粒数有显著相关性 。黄 璜[9 ]在研究了生态条件对水稻茎秆维管束数的影响
后也指出 ,水稻茎秆维管束数目与一次枝梗数 、穗粒
图 2 水稻茎秆拉伸强度极限的比较
40
重 庆 大 学 学 报 2003 年
体的强度影响极大 ,因此 ,在仿生复合的制备中也应考虑 到增强体的合理分布和排列 。
通过比较研究不同类型水稻茎秆的拉伸强度极限 和弹性模量表明 :中秆类型水稻茎秆的拉伸强度极限 和弹性模量都较高 ,尽管其茎粗不是最大 ,但其茎粗与 茎壁厚的比值比较小 ,这说明其在结构上更为合理 ,这 也从其拉伸强度极限和弹性模量较高上反映出其抗倒 伏能力更强 ,因此今后在高产抗倒品种的选育中向矮 中求高 ,向中秆 、硬秆的方向来选育 。
数 、穗粒重存在极显著正相关 。通过分析水稻的茎粗 、
茎壁厚 、大小维管束数目和其强度极限 、弹性模量的相
关性可以看出 ,茎粗 、茎壁厚 、大小维管束数目与强度
极限 、弹性模量存在极显著正相关 ,这说明水稻茎秆的 力学性能主要是由茎粗 、茎壁厚 、大小维管束数目所决
定的 ,分析结果见表 4 。
表 4 茎秆力学性能同其性状的相关性
1 材料和方法
1. 1 实验材料 实验品种选取了高 、中 、矮秆和杂交稻的典型品
种 ,在高秆品种中选用的是“农丰 1 号”;在中秆品种中 选用的是“桂朝 2 号”;在矮秆品种中选用的是“广陆矮 4 号”;在杂交稻品种中选用的是“桂优 99”。所有供试 品种均由广西农科院品种资源研究所提供 。
1. 2 实验方法 在水稻茎秆细观结构的测定中先进行显微照片 ,