高粱苗期耐冷種質(zhì)資源篩選與鑒定

楊 彬，張一中，周福平，張海燕，史紅梅，張桂香

（山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所，高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室，山西晉中030600）

高粱是暖季型作物，具有較強的抗旱性和耐高溫能力[1-2]。由于高粱起源于半干旱熱帶地區(qū)，一般對低溫脅迫較敏感，尤其在萌發(fā)期和苗期，當環(huán)境溫度低于12℃時易遭受冷害，這也成為溫帶地區(qū)高粱生產(chǎn)的主要限制因素之一[3-4]。高粱播種后突遇低溫，會降低高粱種子的萌發(fā)速率和出苗率，延緩幼苗生長的活力[5]，或是種子在土壤中“粉種”、霉爛，造成缺苗斷壟，影響高粱產(chǎn)量[6]。因此，提高高粱品種的耐冷性，不僅可以穩(wěn)定高粱突遇低溫年份的產(chǎn)量，而且還可以擴大高粱的種植區(qū)域，保證高粱在一些冷涼地區(qū)、高海拔地區(qū)也可以取得較高的產(chǎn)量。高粱耐冷育種首先就是篩選出滿足育種目標的耐低溫材料。

有關高粱耐冷材料的篩選與鑒定研究，早在20世紀80年代就有報道。陳香蘭等[7]對黑龍江省1 398份材料進行了芽期和苗期耐冷性篩選鑒定，初步選出芽期耐冷材料217份，苗期耐冷材料96份，芽期和苗期都耐冷的材料9份。張海燕等[8]對保存的167份高粱種質(zhì)資源進行了耐冷性鑒定，篩選出耐冷種質(zhì)12份。張麗霞等[9-10]利用收集的631份高粱種質(zhì)，經(jīng)過逐步低溫處理的方法篩選出7份耐低溫材料。國外學者也進行了大量的耐冷種質(zhì)篩選工作，篩選出的耐冷資源如Shanqui Red，PI 610727，PI 567946，PI 563976，NSL51071，PI 568016，IS1212，M71等[11-14]，大部分來自我國，并利用這些耐冷材料與冷敏感材料（如 BTx623，SRN39，RTx430）構建了群體，進行了耐低溫相關性狀的QTLs挖掘，鑒定到多個與耐冷相關的QTL[7-9]，為耐冷基因精細定位、克隆以及揭示高粱耐冷的分子機制奠定基礎。

低溫脅迫下，幼苗的生長情況是評價耐冷材料較為直觀的表型。為進一步挖掘高粱耐冷種質(zhì)資源，本研究以國內(nèi)外高粱資源為試驗材料，在苗期進行耐冷性篩選評價，以期為高粱耐冷分子機制研究提供耐冷材料，并為耐冷育種提供優(yōu)良親本。

1 材料和方法

1.1 供試材料

參試材料共237份，其中，來自我國的地方品種73份、育成品種48份，來自美國、印度等國家的材料116份。

1.2 試驗方法

參照張桂香等[4]的方法，挑選籽粒飽滿、無病害的高粱種子100粒，播種于裝有干凈河沙的塑料盆中，在室溫下進行培養(yǎng)。待展開3片葉時，統(tǒng)計出苗總數(shù)，放入人工氣候箱，調(diào)試溫度至1～2℃處理3～4 d；然后調(diào)試溫度至12～15℃，處理7 d后統(tǒng)計幼苗成活數(shù)，計算成活率，并根據(jù)成活率來評價材料的耐冷等級。成活率=（低溫處理后幼苗成活數(shù)/幼苗總數(shù)）×100%。耐冷性級別評價標準列于表1。

表1 耐冷性級別評價標準

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱種質(zhì)資源苗期耐冷性鑒定

對237份不同來源的高粱種質(zhì)資源進行苗期耐冷性鑒定。由圖1可知，大多數(shù)品種的耐冷性等級集中在 3，4，5 級，分別有種質(zhì)資源 72，59，75 份，分別占供試材料的30.38%，24.89%，31.65%。而耐冷等級在1級和2級的品種總共才有31份，占供試材料的13.08%，說明保存的資源中耐冷材料還是比較少的，其中，1級材料有12份，2級材料有19份。

2.2 不同國家高粱種質(zhì)資源耐冷性鑒定分析

在121份我國種質(zhì)資源中（圖2），耐冷等級屬1，2，3，4，5 級的材料分別為 9，11，34，32，35 份，分別占我國材料的 7.44%，9.09%，28.1%，26.45%，28.93%，大部分材料的耐冷性也主要集中在3級以上。對于國外品種的耐冷性，也呈現(xiàn)出相同的等級分布，在116份國外材料中，3，4，5級的材料分別為38，27，40份，分別占國外材料的32.76%，23.28%，34.48%；而1，2級材料分別只有3，8份，分別占國外材料的2.59%和6.9%，其中，1級材料是美國的IS15346，IS-16046 和印度的 IS-20867。

2.3 我國地方品種與育成品種耐冷性鑒定分析

在我國73份地方品種中（圖3），耐冷等級屬1，2，3，4，5 級的材料分別為 5，7，20，23，18 份，分別占我國地方品種的6.85%，9.59%，27.40%，31.51%和24.66%。而在我國48份育成品種中，耐冷等級屬 1，2，3，4，5 級的材料分別為 4，4，14，9，17 份，分別占我國育成品種的8.33%，8.33%，29.17%，18.75%，35.42%。不論是我國地方品種還是育成品種，其苗期耐冷性的等級分布與總的供試材料分布是一致的。地方品種耐冷等級屬于1級的材料是凍高粱（河南）、黑柳子（安徽）、棒洛三（山西）、紅馬尾巴（北京）、粘高粱（北京）。育成品種耐冷等級屬于1級的材料是三代高粱-大粒（山西）、TC1383-2（山西）、E671（山西）、紅殼4號（遼寧）。

3 結(jié)論與討論

高粱苗期的耐冷性是一個復雜的性狀，主要受遺傳基因控制，但在不同生態(tài)環(huán)境下對冷害的響應也會有所差別[15]。研究表明，相同材料在低溫脅迫條件略有改變的情況下，其耐冷等級可能會出現(xiàn)不同程度的改變[16-17]。因此，對于鑒定出的耐冷等級高的材料要進行重復鑒定，以保證鑒定結(jié)果真實可靠。張桂香等[15]選擇芽期和苗期2個時期對不同來源的238份高粱種質(zhì)資源進行了耐冷性鑒定與評價，結(jié)果篩選出芽期耐冷材料15份，苗期耐冷材料11份。本試驗在張桂香等研究人員的基礎上，擴大試驗材料的范圍，并把前人鑒定出的耐冷等級1，2級的材料，進行重復鑒定，結(jié)果表明，鑒定出的12份1級耐冷材料中，有11份是已有報道的，有1份是新鑒定出來的，說明本試驗的試驗方法可行，鑒定結(jié)果可靠。

隨著《農(nóng)業(yè)部關于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結(jié)構調(diào)整的指導意見》的發(fā)布，非玉米種植優(yōu)勢區(qū)內(nèi)，種植高粱的熱情逐年高漲，高粱主產(chǎn)區(qū)的播種面積也在持續(xù)增加，對于耐冷品種的需求也是越來越強烈。種植耐冷品種不僅可以擴大高粱栽培的地理范圍，還可以減少高粱春播早熟區(qū)低溫冷害風險。此外，提早播種可以為高粱提供更高水平的土壤水分和較低的蒸發(fā)量，可能會成為一種避開干旱的策略。高粱苗期耐冷品種的選育首要任務就是耐冷材料的篩選。STICKLER等[18]比較了我國和美國的小部分種質(zhì)資源后發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，我國高粱表現(xiàn)出更快的出苗率和幼苗生長速率。LU等[19]總結(jié)了我國高粱耐冷性鑒定情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有多個種質(zhì)資源在芽期和苗期均表現(xiàn)出很強的耐冷性。FRANKS等[20]系統(tǒng)比較了我國高粱資源、美國骨干親本和美國雜交種的耐冷性，結(jié)果表明，不管在實驗室還是在田間，我國高粱都表現(xiàn)出更高的出苗率和幼苗生長勢，建議可以將試驗中的我國種質(zhì)作為耐冷育種的有利基因來源，用于提高高粱品系在萌發(fā)和出苗階段對低溫的耐受性。本試驗也表現(xiàn)出相同的結(jié)果，不同來源的高粱種質(zhì)資源其苗期耐冷性是存在差異的，在1級耐冷材料中，我國高粱所占的比例是最高的，說明在我國地方品種和育成品種中篩選耐冷種質(zhì)的潛力較大，我國高粱材料可以作為高粱耐冷育種的抗性基因來源。同時，我國高粱中的1級耐冷材料全部來自北方地區(qū)，表明高粱的耐冷性，是對冷涼環(huán)境長期適應和馴化的結(jié)果[21]。

本試驗的苗期耐冷種質(zhì)篩選僅限于實驗室條件，與大田的情況有所不同。因此，還需要在大田低溫環(huán)境下進一步驗證試驗結(jié)果。另外，大多數(shù)的地方品種農(nóng)藝性狀并不是太理想，利用起來比較困難，今后一方面應擴大試驗材料范圍，加快農(nóng)藝性狀和耐冷性狀的精準鑒定，篩選出農(nóng)藝性狀優(yōu)良、耐冷性好的材料用于育種實踐中；另一方面解析耐冷性狀的遺傳機制，利用分子技術設計出一種有效、高效的方法，將其耐冷性狀傳遞到高粱優(yōu)良親本系中，以加快育種進程。