小麥黑胚病遺傳力及氣象因子與黑胚率的相關性分析

徐喬喬，李俊暢，李巧云，姜玉梅，牛吉山

(河南農(nóng)業(yè)大學國家小麥工程技術研究中心/河南省糧食作物生理生態(tài)與遺傳改良重點實驗室，河南鄭州 450002)

小麥黑胚病(black point)在國內(nèi)外小麥種植區(qū)頻繁發(fā)生[1-10]，其典型癥狀為胚或其周圍出現(xiàn)褐色至黑色斑點，有時也會深入到胚乳內(nèi)、腹溝側或冠毛端，嚴重時整個籽粒變色皺縮[11-12]。不同地區(qū)、不同國家報道的小麥黑胚率差異很大，在0.3%～70.0%范圍變化[5-6,10, 13-14]。黑胚病嚴重影響小麥籽粒外觀，導致收購級別降低和經(jīng)濟損失[8-9, 15-18]；黑胚病還降低種子的發(fā)芽率、出苗率與幼苗生長力，尤其是4級病粒的發(fā)芽率顯著低于正常籽粒，苗、根干重降低[4-6]；更嚴重的是感黑胚病籽粒有嚴重的霉菌毒素污染，對人畜有害[19-20]，如麥根腐平臍蠕孢(Bipolarissorokiniana)產(chǎn)生的Prehelminthosporol(PHL) 能破壞細胞膜并影響膜上多種酶的活性[20]。因此，許多國家對小麥黑胚率都有明確的規(guī)定。如美國食品業(yè)允許的黑胚率為2%～4%[8], 澳大利亞倉儲種子黑胚率上限為5%[12]。我國現(xiàn)行的小麥質(zhì)量標準[21]將小麥黑胚率歸在不完善粒之中，3等以上小麥黑胚粒的最大允許含量為6.0%，4等和5等最大允許量分別為8.0%和10.0%，超過以上數(shù)值即為黑胚小麥。不少國家都有因黑胚病而被拒收或降價收購小麥的報道[8-9, 17]。

在不考慮品種抗性因素的情況下，影響小麥黑胚病發(fā)生發(fā)展的因素主要有兩個方面：①致病菌，根據(jù)文獻報道，與小麥黑胚癥狀相關的真菌有20余屬，而且不同地區(qū)報道的主要致病菌不一致[1, 7, 12-13, 22-24]；②環(huán)境因素，包括土壤、栽培措施、氣象因素等。小麥黑胚病致病菌有多種，基因型、地點、年份及其互作效應對黑胚病發(fā)病率影響很大，文獻報道的小麥黑胚病的遺傳力為49%～58%[5, 25-26]。這種情況給小麥黑胚病的抗病育種、防治等工作帶來很大的困難，因此，加強環(huán)境因素對黑胚率影響的研究對于小麥黑胚病抗性鑒定技術的建立以及黑胚病的防治等都非常重要。

國外不少學者開展了氣象因素與栽培條件等環(huán)境因素對小麥黑胚病影響的研究工作，一致認為小麥籽粒灌漿期的降雨量、大氣濕度、溫度等氣象因素與小麥黑胚率密切相關，但是研究的結果有時相互矛盾[26-31]。如Waldron[27]觀察到低濕環(huán)境與黑胚形成有關，而Rees等[28]觀察到灌漿期潮濕的環(huán)境會加重黑胚癥狀。Desclaux[30]通過“tunnel”設施噴水的方法，分析了14個硬粒小麥黑胚率在抽穗到乳熟期對不同的溫度與濕度組合的響應，結果表明，高濕度與低溫條件下黑胚率高，與Fernandez 等[26]“硬粒小麥黑胚率顯著高于普通小麥，可能與其籽粒灌漿過程中涼爽、潮濕的氣候條件有關”的結論一致。Moschini等[31]利用阿根廷25個硬粒小麥材料在三年五個生態(tài)點的數(shù)據(jù)，分析了氣象因子與小麥黑胚率的相關性，結果表明，抽穗后零度以上積溫為543～861 ℃·d期間，氣象因子與黑胚率的相關關系最密切，在此階段內(nèi)，降雨量和降雨天數(shù)與發(fā)病率呈正相關，而均溫>17 ℃的暖日則增加黑胚率，這與Desclaux[30]和Fernandez等[26]的研究結果不一致。我國學者對栽培措施如土壤質(zhì)地、灌溉、施肥等因素對黑胚率的影響做了一些研究[9, 31]，但關于氣象因子對黑胚率影響的報道很少。本研究以48個小麥品種(系)為試驗材料，兩年在兩個試驗點種植，結合氣象因子數(shù)據(jù)，分析了小麥黑胚率的遺傳力及氣象因子與小麥黑胚率之間的相關性，以期為該病的抗病鑒定技術的建立及其防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 小麥品系與種植

48個小麥品種(系)由國家小麥工程技術研究中心遺傳育種課題組提供，是從400余份育種材料中篩選出來的抗、感小麥黑胚病材料[5]。

2015-2016與2016-2017兩個小麥生長期(下文寫為2016年與2017年)，在滎陽市豫龍鎮(zhèn)后王村與鄲城縣城關鎮(zhèn)閆莊村設置試驗點。試驗采用隨機區(qū)組設計，每材料種植1行，三次重復。行長1 m，行距20 cm，株距5 cm，人工開溝點播。滎陽點兩年的播種時間分別為10月15日與10月10日，收獲時間為5月30日與6月1日；鄲城點兩年的播種時間分別為10月24日與11月5日，收獲時間為6月4日與6月1日。小麥抽穗后灌溉情況：滎陽點分別在2016年5月2日與2017年 5月11日各澆水一次，澆水量45 mm；鄲城點兩年無灌溉。兩試驗點在整個小麥生育期內(nèi)蟲、草防治同一般大田，不對病害作防治。

1.2 氣象數(shù)據(jù)獲取與黑胚率調(diào)查

日均溫、日最高溫、日最低溫、日均相對濕度、日最低相對濕度、降雨量、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)從省氣象站獲取，以鄲城縣與滎陽市的氣象數(shù)據(jù)代表兩試驗點的數(shù)據(jù)，2016、2017年兩個試驗點小麥抽穗至籽粒發(fā)育期的氣象旬數(shù)據(jù)見表1。

以穗子伸出葉鞘1/2、每材料有50%以上的植株抽穗的日期記為抽穗期。以抽穗期為起點每5 d一段，計算氣象因子變量數(shù)據(jù)。日均溫、日最高溫、日最低溫、日相對濕度、日最低相對濕度、日照時數(shù)為5 d的平均值；降雨量、積溫、高溫天數(shù)、低溫天數(shù)、降雨天數(shù)、高濕天數(shù)、低濕天數(shù)、多日照天數(shù)、寡日照天數(shù)為5 d的和。其中，高濕與低濕天數(shù)分別指日平均相對濕度大于70%與日最低濕度低于20%的天數(shù)，高溫天數(shù)與低溫天數(shù)分別指日最高溫度大于30 ℃與日最低溫度小于15 ℃的天數(shù)，多日照天數(shù)與寡日照天數(shù)分別指日照時數(shù)高于11 h與低于1 h的天數(shù)。

小麥收獲后分別從每品種(系)的每個重復中隨機抽取三份樣品，每份300粒，仔細觀察并揀出每份樣品中的黑胚籽粒(病粒)，黑/褐色斑點直徑大于1 mm的記為病粒，黑胚率=病粒數(shù)/300×100%。為進一步了解抽穗后不同時間段氣象因子變量與黑胚率的相關性，以及不同生育時期起主要作用的氣象因子，根據(jù)黑胚率將兩年兩個試驗點所有品種(系)分為18組，進行相關性分析。1～18組的黑胚率劃分范圍依次為0.0%～0.9%、 1.0%～1.9%、 2.0%～2.9%、3.0%～3.9%、4.0%～4.9%、5.0%～5.9%、6.0%～6.9%、7.0%～7.9%、8.0%～8.9%、9.0%～9.9%、10.0%～11.9%、12.0%～13.9%、14.0%～16.9%、17.0%～19.9%、20.0%～22.9%、23.0%～25.9%、26.0%～30%和>30.0%。取18個組的平均黑胚率與抽穗期后不同時間段內(nèi)氣象因子變量進行相關性分析。

1.3 遺傳力計算與相關性分析

2 結果與分析

2.1 氣象因素的變化

從表1可以看出，兩年間兩個地點的氣象數(shù)據(jù)變化較大，從4月11日至5月30日(相當于從抽穗開始至籽粒發(fā)育結束的時間)，滎陽試驗點2017年的日均溫比2016年高11.0%(2.3 ℃)，平均日照時數(shù)比2016年高23.4%，而平均相對濕度比2016年低18.3%；鄲城試驗點表現(xiàn)出同樣高的規(guī)律；降雨量在兩個試驗點間兩年的變化規(guī)律不一樣?？偟膩碚f，兩個試驗點從抽穗至籽粒發(fā)育期，相比2017年，2016年的溫度低，濕度大，日照時數(shù)短，降雨天數(shù)多。

2.2 小麥黑胚病的遺傳力

不同年度、地點、小麥材料間小麥黑胚率變化較大(表2、表3)。方差分析結果顯示，年度間、地點間、品種(系)間黑胚率均存在顯著差異，品種(系) ×年份、品種(系) ×地點、品種(系) ×年份×地點互作效應也均顯著(表2)。

黑胚率的最高值出現(xiàn)在2016年鄭州點(10M23，48.7%)，最低值出現(xiàn)在2017年鄭州點(SP1777-6-8，0.4%)。2016年滎陽與鄲城試驗點的平均黑胚率分別為12.9%與9.9%，而2017年分別為4.7%與2.9%(表3)。兩試驗點2016年的黑胚率分別是2017年的2.7與3.4倍。2017年較低的黑胚率可能與抽穗至籽粒發(fā)育期間的高溫、低濕、長日照氣候條件有關。兩年兩個試驗點黑胚率的廣義遺傳力范圍為54.57%～44.98%，平均為49.9%，表明環(huán)境對該病的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生較大的影響，在大田自然環(huán)境下，50%左右黑胚率的表型變異是由于環(huán)境因素造成的。

2.3 小麥黑胚率與氣象因子的相關性

黑胚率與抽穗后不同時間段氣象因子變量間的相關分析(表4)表明，大部分與溫度相關的變量在抽穗后11～15 d、26～40 d的相關系數(shù)較高，其中，日均溫、積溫、日最高溫、日最低溫、高溫天數(shù)與黑胚率均呈顯著的負相關，而低溫天數(shù)在多數(shù)時間段與黑胚率呈顯著的正相關，表明抽穗后高溫，尤其是抽穗后11～15 d與26～40 d的較高溫度有助于降低黑胚率，而較低的溫度(涼爽天氣)有利于黑胚病的流行。

表1 試驗點2016與2017年小麥抽穗與籽粒發(fā)育期旬氣象數(shù)據(jù)Table 1 Meteorological data in a period of ten days during heading and grain developmental period in 2016 and 2017 in the experimental field

降雨量與降雨天數(shù)是旬數(shù)據(jù)的累加結果，其余指標為旬均值。

Precipitation and rainfall days are the cumulative results of ten-day data. The values of other indices are the average per ten days.

表2 基因型、年份、地點間黑胚率的方差分析Table 2 Variance of the effect of genotype, year and site on the incidence of black-point

與大氣濕度有關的變量(日均相對濕度、日最低濕度等)在抽穗后11～15 d與黑胚率相關系數(shù)最高，均呈顯著的正相關。降雨天數(shù)與黑胚率的相關系數(shù)比降雨量與黑胚率的相關系數(shù)高，在抽穗后1～15 d、26～30 d呈顯著的正相關。相對濕度大于70%的高濕天數(shù)與黑胚率呈正相關，而相對濕度小于20%的低濕天數(shù)與黑胚率呈負相關。總的來看，抽穗后1～15 d，潮濕的天氣有利于黑胚病的流行，降雨天數(shù)比降雨量對黑胚病的流行更重要。

日照時數(shù)在研究的所有時間段都與黑胚率呈負相關，日照時間大于11 h的多日照天數(shù)與黑胚率的相關性呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，日照時間小于1 h的寡日照天數(shù)與黑胚率呈正相關。這表明籽粒形成期間晴朗的天氣有助于降低黑胚率，而陰天則促進黑胚病的流行。

表3 黑胚率在2016與2017年兩試驗點的廣義遺傳力Table 3 Broad-sense heritability of black-point incidence in the wheat genotypes at different sites in 2016 and 2017

表4 抽穗后不同時間段氣象因子和小麥黑胚率的相關系數(shù)Table 4 Pearson correlation coefficients between meteorological factor and black-point incidence in wheat after heading date

*：P<0.05; **:P<0.01.

3 討 論

相對于其他病害，黑胚病的癥狀出現(xiàn)較晚，即使在灌漿期套袋保濕情況下，感病品種接菌7 d后才能觀察到癥狀(數(shù)據(jù)未發(fā)表)，而且由于穎殼的包被，不能直接觀察，故該病的危害在成熟收獲后才表現(xiàn)出來，所以明確影響黑胚病發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件尤為重要。只有明確了影響黑胚率的關鍵期的關鍵氣象因子，才能根據(jù)天氣預測采取相應的防治措施，取得較好的防治效果。本研究用兩年、兩個試驗點48個小麥品(系)材料的自然發(fā)病率和氣象因子數(shù)據(jù)，分析了黑胚率的廣義遺傳力及其與氣象因子間的相關性，旨在為深入研究小麥黑胚病災變及其防治規(guī)律提供依據(jù)。

兩個試驗點兩年的黑胚率的平均廣義遺傳力為49.9%，這與Kili等[25]用硬粒小麥分析黑胚病遺傳力的結果基本一致，表明環(huán)境因素對黑胚病的發(fā)生發(fā)展有重要影響。通過抽穗后不同時間段氣象因子變量與黑胚率的相關性分析可知，抽穗后11～15 d 、26～40 d的較低的溫度(日均溫、高溫天數(shù)等變量)與抽穗后11～15 d較高的濕度(日均相對濕度、降雨天數(shù)等變量)增加黑胚率，也就是此期內(nèi)涼爽天氣和高濕環(huán)境有利于黑胚病的流行。在黃淮麥區(qū)，抽穗后11～15 d 、26～40 d基本上相當于花后9 d前后與花后20～35 d左右，籽粒發(fā)育處于乳熟至面團期。這與多數(shù)文獻報道的“籽粒發(fā)育期降雨多、濕度大有利于黑胚病的發(fā)生發(fā)展”[12, 26, 31]和Desclaux[30]分析不同的溫度與濕度組合對硬粒小麥黑胚率影響得出的“在抽穗到乳熟期高濕度與低溫條件下，黑胚率高”的結論一致，而與Waldron[27]觀察到高溫低濕環(huán)境與黑胚形成有關和Moschini等[31]“均溫>17 ℃的暖日促進黑胚率”的研究結果不一致。本研究結果還表明，降雨天數(shù)與黑胚率的相關性更高，說明濕潤天氣的持續(xù)比降雨總量對黑胚病的發(fā)生更重要。高濕低溫的環(huán)境能加重黑胚的發(fā)生，可能是因為低溫高濕延遲小麥成熟，從而延長了病原菌侵染期，而高溫干旱天氣則縮短了病原菌侵染期并限制了其孢子的傳播，使黑胚率降低。如在Fernandez 等[26]的研究中，硬粒小麥黑胚率比普通小麥高，可能是與其籽粒灌漿期的涼濕氣候推遲了成熟期有關。日照長度與黑胚率呈負相關，這與王會偉[32]利用氣象因子變量構建的豫北地區(qū)黑胚率預測模型中“日照時數(shù)與小麥黑胚率成反比”的結論一致。對赤霉病與氣象因子分析的研究也表明，日照時數(shù)與赤霉病流行強度變化呈極顯著負相關[33]，主要原因是較多的日照會對病菌的孢子有殺滅或抑制作用，對此有待進一步研究。

在抽穗后不同的時期，不同氣象因子與黑胚率的相關性有一定的變化，如相對濕度、降雨天數(shù)等與濕度有關的氣象因子變量在抽穗后1～15 d與黑胚率關系比較密切，而日均溫、低溫天數(shù)等與溫度有關的氣象因子變量在抽穗20～40 d與黑胚率關系比較密切，這與Desclaux[30]“從抽穗到開花(10 d)，黑胚率與溫度有聯(lián)系，開花后濕度看起來是主因素”的結論不完全一致。在黃淮麥區(qū)，小麥抽穗一般在4月中下旬，開花在4月下旬，此時日均溫一般在15～20 ℃，比較適宜病菌孢子萌發(fā)與侵入[34]，所以溫度在開花早期應該不是黑胚病流行的制約因素，而濕潤的環(huán)境是孢子萌發(fā)與侵入所需要的[30]。當籽粒發(fā)育達到面團期時(花后11～35 d)，黃淮麥區(qū)一般在5月中下旬，此時病菌已經(jīng)侵入籽粒，濕潤不再成為制約黑胚病流行的主要因素，而影響黑胚病癥狀產(chǎn)生的酶促褐變等代謝過程[35]受溫度的影響，故此時溫度應該是影響黑胚病流行的主要因素，尤其是如果頻繁出現(xiàn)超過30 ℃的高溫天氣，不僅影響黑胚癥狀產(chǎn)生的代謝過程，而且也由于高溫縮短灌漿期，從而減輕黑胚的危害，所以黑胚率與抽穗后25 d(約花后20 d)以后的溫度呈顯著的負相關，本研究表明，籽粒發(fā)育前期濕度是影響黑胚率的主要氣象因子，而后期以溫度的影響為主。由于試驗條件的限制，本研究僅為兩年兩個試驗點的研究結果，對其確定性還有待于進一步多年多點的試驗驗證。

與其他以旬為單個氣象因子變化與小麥病害相關性的研究[32, 34]不同，本研究主要以不同小麥品種(系)的抽穗期為起點，以5 d為單位，分析了抽穗后不同時間段氣象因子變量與小麥黑胚率的相關性，結果表明，抽穗后1～15 d(約花后9 d)，相對濕度等與濕度相關的變量與黑胚率關系密切，抽穗26～40 d(約花后20～35 d)，溫度對黑胚率產(chǎn)生較大的影響，高溫不利于黑胚病的產(chǎn)生，日照時數(shù)在籽粒發(fā)育不同時期與黑胚率呈負相關，這為進一步研究氣象因子對黑胚率的關系奠定了一定的基礎。遺憾的是，利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)沒有建立起氣象因子預測黑胚病發(fā)生率的模型，其原因可能在于：① 試驗中所用的品種(系)過多，有些品種(系)的發(fā)病率較低，沒有充分反映出氣象因素對黑胚率的影響；② 除了氣象因素外，黑胚率還受其他環(huán)境因素的影響，如兩個試驗點不同的土壤肥力、土壤質(zhì)地、施肥等因素影響了試驗的結果；③ 由于試驗條件所限，用一個縣的氣象數(shù)據(jù)代替試驗點的數(shù)據(jù)有一定的缺陷。總結本試驗的結果，作者認為建立氣象因子對黑胚率的預測模型，需要利用同樣的小麥品(系)(最好是能夠充分反映環(huán)境因素影響的中感材料)，在同一個試驗點進行多年的研究，用田間小氣候自動氣象觀測儀記錄試驗點的數(shù)據(jù)，有助于將氣象因子對黑胚率的影響定量化，從而可以根據(jù)某種氣象因子對影響黑胚率的關鍵期的預報值，預測黑胚率，確定要不要采用藥物噴灑等防治措施。

4 結 論

小麥黑胚率的平均廣義遺傳力為49.9%，表明約50%的黑胚率表型變異來源于環(huán)境因素。小麥抽穗后溫度和日照時數(shù)與黑胚率呈負相關，相對濕度和降雨天數(shù)與黑胚率呈正相關。抽穗后不同時期，影響黑胚率的主要氣象因子不同，抽穗后1～15 d 相對濕度的影響較大，20～40 d溫度的影響較大。總的來說，抽穗后1～15 d潮濕、26～40 d 低溫、1～40 d寡日照氣象條件對黑胚病的流行很關鍵。