河南省小麥品種春化特性和光周期特性的研究

鄭少萌，許為鋼，方宇輝，李正玲，李春鑫，張 煜，齊學禮

(1.河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，河南鄭州 450002； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所/小麥國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)部黃淮中部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室/河南省小麥生物學重點實驗室，河南鄭州 450002)

春化和光周期是小麥的基本生物學特性，不同地區(qū)的冬小麥品種因其所處的冬季低溫環(huán)境和春季日照長度的差異，經(jīng)長期的演化形成了不同的生態(tài)類型[1]。我國冬小麥品種的春化特性自北向南由冬性逐漸過渡到春性，光周期反應(yīng)自北向南由敏感逐漸過渡到不敏感。春化特性和光周期特性不僅與品種的生態(tài)適應(yīng)性有關(guān)，也與品種發(fā)育節(jié)律、產(chǎn)量器官的建構(gòu)密切關(guān)聯(lián)。因此，人們在進行小麥品種改良的過程中就有意識或無意識地對品種的春化特性和光周期特性進行了選擇。研究小麥的春化特性和光周期特性的遺傳改良狀況，不僅有利于明確特定地區(qū)的小麥基本生態(tài)類型，也影響到育種家對產(chǎn)量器官形態(tài)建成的思考。

早在20世紀50年代，我國學者就對農(nóng)家種及當時已有的改良品種的春化特性和光周期特性進行了分析，并把我國小麥冬春性劃分為冬性、半冬性和春性，將光周期特性劃分為光敏感型、光遲鈍型和中間型[2]。黃季芳等[3]通過將我國秋播小麥品種在自然條件下春播的抽穗期與經(jīng)過充分春化處理后春播的抽穗期進行對比，把小麥劃分為強冬性、冬性、弱冬性和春性四類。20世紀80年代苗果園等[4]又將我國小麥劃分為強春性、春性、冬春性、冬性、強冬性和超強冬性六種類型。春化特性和光周期特性的主要生物學意義是控制品種的發(fā)育節(jié)律，使其適應(yīng)所處地區(qū)的光溫生態(tài)條件，是一定生態(tài)區(qū)小麥品種生態(tài)類型的基本特性。例如，在低緯度地區(qū)，冬季無嚴寒，有利于春性和光周期不敏感型品種冬春季生長；而在高緯度地區(qū)，種植光周期敏感型品種可推遲拔節(jié)，防止小麥過早形成花器官，從而避免早春霜凍的傷害[5]。春化作用不但影響幼穗分化起始，也通過影響小穗分化進程間接影響小穗數(shù)和小花數(shù)。光周期主要是誘導小麥小穗、小花原基的分化，連續(xù)光照加速其分化，短日照則抑制分化[6]。至今為止，人們已在普通小麥中發(fā)現(xiàn)5個春化基因和3個光周期基因，并開發(fā)出了相應(yīng)的分子標記[7-10, 14]。

本研究通過對河南省70年來大面積種植品種的春化特性和光周期反應(yīng)特性的測定與分析，明確河南省小麥品種春化特性和光周期特性的演變狀況，探討河南省小麥品種春化特性和光周期反應(yīng)特性的改良策略，以期為小麥品種的選育提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為30個，20世紀40年代以來河南省歷次品種更換中主要栽培品種(表1)。

1.2 春化特性和光周期特性的離析試驗

參考苗果園等[11-12]的方法進行春化特性和光周期特性離析試驗。

1.2.1 春化特性離析試驗

供試品種各取30粒種子，經(jīng)0.5%的過氧化氫處理8 h后，用清水沖洗3～5次放入20 ℃發(fā)芽箱，待萌動露白后均勻播于裝有草炭土與蛭石比例為3∶1的直徑為20 cm的培養(yǎng)皿中，置于0～4 ℃ 暗處理90 d以完成春化過程。處理期間每隔7 d澆水一次。

將春化處理后的材料移栽于40 cm×60 cm的種植箱內(nèi)，每品種種植25株。以同樣的種植規(guī)格播種各供試品種未經(jīng)春化處理的種子。將經(jīng)過春化處理和沒有經(jīng)過春化處理的材料同時置于人工氣候室內(nèi)，環(huán)境條件設(shè)定為光照強度1 000 mol·m-2·s-1，光照時長20 h·d-1，溫度23±2 ℃。記載所有供試品種經(jīng)過春化處理和未經(jīng)過處理的出苗至抽穗的天數(shù)(苗穗期)。品種春化特性試驗苗穗期=未經(jīng)春化處理的苗穗期-春化處理的苗穗期。

1.2.2 光周期特性離析試驗

供試品種各取60粒種子，采用前述方法進行春化處理。將經(jīng)春化處理的每品種的種子分成2份，播種于兩個40 cm×60 cm的種植箱內(nèi)，規(guī)格同于春化特性離析試驗，其中一份放置于光照時間為20 h·d-1的人工氣候室內(nèi)，另外一份放置于光照時間為6 h·d-1的另一間人工氣候室內(nèi)，除光照時間外其他時段嚴格避光，室溫均為23±2 ℃。分別記載所有供試品種20 h·d-1光照處理和6 h·d-1光照處理的出苗至抽穗的天數(shù)(苗穗期)。品種光周期特性離析試驗苗穗期=6 h·d-1處理的苗穗期-20 h·d-1處理的苗穗期。

表1 供試品種名稱和年代Table 1 Name and years of variety in the study

1.2.3 人工氣候室的栽培管理

每間隔2 d定量澆水一次，于4～6葉期和拔節(jié)期各追施尿素一次，并噴施多菌靈預(yù)防白粉病，在孕穗中期噴施蚍蟲啉防治蚜蟲。

1.3 田間試驗與穗發(fā)育觀察

2015年10月19日將所有供試品種播種于河南省農(nóng)業(yè)科學院原陽試驗基地(河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)，東經(jīng)113°40，北緯35°00，海拔77 m)，2016年6月10日前后收獲。試驗采取隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積6.67 m2，行長4.25 m，行距0.23 m，田間管理同一般大田管理。

從出苗后第10天開始每隔3 d對全部供試材料取樣觀察穗分化進展，并記載葉齡，冬季取樣間隔時間延長至7 d。穗分化觀察方法與記載標準按崔金梅[13]的方法進行。

1.4 春化基因和光周期基因的檢測

于各品種兩葉一心時期剪取3片葉片，采用改良后的CTAB法提取基因組DNA。

采用VRN-A1、VRN-B1、VRN-D1和VRN-B3共4個春化基因的11對分子標記對供試材料的春化基因進行檢測。引物由上海生工生物技術(shù)服務(wù)有限公司合成，PCR反應(yīng)體系以及反應(yīng)程序參考Yan等[14]和Fu等[15]的方法。春化基因中Vrn-A1位點檢測時，引物VRN1AF/VRN1INT1R的擴增產(chǎn)物用2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，120 V電壓下電泳40～60 min。其他春化基因引物的擴增產(chǎn)物用1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，120 V電泳30～40 min。

采用Ppd-A1、Ppd-B1和Ppd-D1共3個光周期基因的5對分子標記對供試材料的光周期基因進行檢測。光周期基因中Ppd-A1a基因的擴增產(chǎn)物以2.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，120 V電壓下電泳40～60 min。其他光周期基因引物擴增產(chǎn)物以1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，120 V電泳30～40 min。緩沖體系都為1×TBE溶液，DNAGREEN染色，用BIO-RAD凝膠成像系統(tǒng)掃描成像存入計算機，統(tǒng)計結(jié)果。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計用Microsoft Office Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 春化特性和光周期特性的離析試驗結(jié)果

在春化特性離析試驗中，苗穗期大于60 d的品種為5個，分別為20世紀40年代大面積種植的地方品種葫蘆頭和21世紀大面積種植的周麥18、鄭麥366、矮抗58、鄭麥22(圖1)。苗穗期小于30 d的品種為6個，分別為20世紀60年代的阿勃、內(nèi)鄉(xiāng)5號、博愛7023，70年代至80年代的鄭引1號、90年代的豫麥18和21世紀初期的鄭麥9023，其他19個品種的苗穗期均在30 d至60 d之間?？傮w而言，春化特性離析試驗的苗穗期隨著年代的推移表現(xiàn)出“長和較長→較長和短→長和較長”的變化趨勢。這表明，在河南省的小麥品種演變過程中，品種的冬性程度表現(xiàn)出由強減弱再增強的變化趨勢，這與該區(qū)域晚茬小麥的面積變化有關(guān)。

光周期特性離析試驗中，在品種間苗穗期的差異明顯小于春化特性離析試驗中的品種間差異(圖1)。在8個供試的20世紀40年代地方品種和50年代品種中，有4個品種的苗穗期大于50 d，1個品種大于40 d，8個品種的平均值為46 d。而在20世紀60年代至80年代的12個品種中，豐產(chǎn)3號苗穗期較短(為23 d)，其余品種苗穗期均在50～30 d之間。在20世紀90年代至21世紀的10個供試品種中，鄭麥7698的苗穗期為45 d，相對其他同年代品種表現(xiàn)較長，其余9個品種的苗穗期均在40～19 d之中?？傮w而言，光周期離析試驗的苗穗期隨著年代的進替表現(xiàn)出“長→較長→短”的變化趨勢。這表明河南省小麥品種在演變過程中對光周期要求的敏感程度逐漸降低。

圖1 供試材料春化特性和光周期特性離析苗穗期

2.2 春化特性、光周期特性與穗分化時段長短的相關(guān)性

為了減小田間溫度變化對供試品種穗分化時段長短的影響，以>0 ℃的有效積溫作為供試品種穗分化長短的度量指標。表2列出了30個供試品種穗分化時段>0 ℃的有效積溫。經(jīng)對春化特性離析苗穗期、光周期特性離析苗穗期與品種各個穗分化時段長短進行相關(guān)性分析，品種的春化特性與播種至伸長始期的有效積溫呈極顯著正相關(guān)，與單棱始期至二棱始期的有效積溫呈極顯著負相關(guān)(表3)，相關(guān)系數(shù)分別為0.725和-0.561，說明品種春化特性對發(fā)育進程的影響時段為播種至單棱分化結(jié)束，并以播種至穗分化始期為最主要的影響時期，品種的冬春性是影響品種進入穗分化時間的主要因素。光周期特性與二棱始期至小花始期以及小花始期至雌雄蕊始期的有效積溫均呈極顯著正相關(guān)，與雌雄蕊始期至開花期呈極顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.507、0.836和-0.920，表明品種的光周期特性主要影響二棱期之后的穗分化時期，影響著品種穗分化的結(jié)束時間。

2.3 不同品種春化特性和光周期類型分析

依據(jù)品種的春化特性和光周期特性苗穗期，將供試品種可以劃分為偏春性光不敏感型①、偏春性光敏感中間型②、半冬性光不敏感型③、半冬性光敏感中間型④、半冬性光敏感型⑤、冬性光不敏感型⑥、冬性光敏感中間型⑦、冬性光敏感型⑧和強冬型光敏感型⑨共九種類型(圖2)。

表2 供試材料不同穗分化時段>0 ℃的有效積溫Table 2 Temperature accumulation(>0 ℃) of spike development periodsof wheat varieties

表3 春化特性離析苗穗期、光周期特性離析苗穗期與穗分化主要時段積溫的相關(guān)性Table 3 Correlation between the seedling-heading period from inspection of vernalization and photoperiodism and the temperature accumulation of spike development

**:P<0.01.

2.4 春化基因、光周期基因與品種冬春性、感光性的分析

經(jīng)檢測，供試品種中，偏春性品種春化基因組合為vrn-A1+Vrn-B1+vrn-D1或vrn-A1+vrn-B1+Vrn-D1a；半冬性品種基因型組合為(〗vrn-A1+vrn-B1+Vrn-D1b或vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1；冬性品種基因型組合為vrn-A1+(〗vrn-B1+vrn-D1或vrn-A1+vrn-B1+Vrn-D1b；強冬型品種基因型組合為vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1(表4)。上述結(jié)果表明，顯性Vrn-B1基因和顯性Vrn-D1a基因在偏春性品種中被檢測出，同時含有Vrn-B1位點的品種苗穗期明顯比含有Vrn-D1a位點的品種苗穗期短，說明Vrn-B1位點對小麥冬春性的影響比Vrn-D1a位點大。含有Vrn-D1b基因的13個品種中12個為半冬性品種，1個為冬性品種；檢測位點全為隱性的11個品種中，5個為半冬性品種，6個為冬性品種，其中有1個為強冬性品種。故就本研究結(jié)果而言，Vrn-B1和Vrn-D1a位點可以作為檢測偏春性品種的依據(jù)，而Vrn-D1b和vrn-D1位點則無法區(qū)分品種的冬春性。

圖2 河南省小麥品種春化特性和光周期特性的分類

從供試品種光周期分類與光周期基因檢測結(jié)果(表5)看，光敏感型品種基因組合為Ppd-A1a+Ppd-D1b；中間類型品種基因組合為Ppd-A1a+Ppd-D1a；不敏感型品種基因組合為Ppd-A1a+Ppd-D1a。在本研究材料中，只有Ppd-D1位點存在差異。當Ppd-D1位點為Ppd-D1b時，材料為光敏感品種，而Ppd-D1位點為Ppd-D1a時包含不敏感類型和中間類型的材料。該結(jié)果表明，Ppd-D1b可以用來檢測光性敏感材料，而Ppd-D1a則無法區(qū)分感中間類型和不敏感型材料。

3 討 論

3.1 小麥品種春化特性與光周期特性主要敏感時期的分析

自20世紀30年代植物階段發(fā)育理論被提出以來，各國學者對小麥春化反應(yīng)、光周期反應(yīng)及其對品種形態(tài)建成影響等方面做了大量研究。早期研究指出，小麥生長錐的伸長是冬小麥通過春化的標志[15]。在寧夏銀川等地的3年田間試驗結(jié)果顯示，未通過春化的小麥品種全部順利通過伸長期，多數(shù)停留在單棱期，因此認為二棱期是小麥通過春化的標志[16]。許多研究發(fā)現(xiàn),品種對低溫最敏感的時期是單棱期。本研究表明，品種冬春性主要表現(xiàn)在播種至伸長始期以及單棱期(單棱始期至二棱始期)的長短不同，即品種冬性越強，播種至單棱結(jié)束分化的時段越長，低溫春化主要影響的是二棱期之前的時間長短。

表4 供試材料冬春性及春化基因型組合Table 4 Combinations of vernalization gene and growth habit of the tested

表5 供試材料感光性與光周期基因型組合Table 5 Combinations of photoperiod gene and growth habit of the tested

在小麥階段發(fā)育中，單棱期是光照階段的始期，也有人認為光照階段結(jié)束于雌雄蕊原基分化形成期[6]。還有研究指出,小麥的光照階段開始和結(jié)束時間分別是二棱期和小花分化或雌雄蕊分化期[17]。本研究中，品種光周期特性的差異主要表現(xiàn)在二棱期之后的穗分化發(fā)育時期。由于本研究沒有對雌雄蕊原基分化期及其以后的穗分化進程進行觀察，因此無法確定光周期的結(jié)束時間與小麥幼穗分化的關(guān)系，這有待于進一步的研究。

3.2 河南小麥品種春化特性和光周期特性育種策略的思考

小麥品種的春化特性、光周期特性與品種的耐寒性、抗倒春寒能力密切相關(guān)，同時又與分蘗特性、穗分化持續(xù)期等形態(tài)建成有關(guān)。其改良的原則是盡可能地通過適宜的春化特性和光周期特性來調(diào)控發(fā)育節(jié)律，在避免冬季凍害和倒春寒的基線上，獲得利于高產(chǎn)的形態(tài)建成。結(jié)合生產(chǎn)上凍害及倒春寒發(fā)生時的實際情況來分析，本研究春化特性離析試驗中苗穗期少于30 d的品種(阿勃、內(nèi)鄉(xiāng)5號、博愛7023、鄭引1號、豫麥18和鄭麥9023)均為春性品種，在河南省早播時冬季易出現(xiàn)凍害。目前，河南省已基本不存在耕作制度上要求的晚播小麥。同時，冬性品種進入穗分化較遲，也不利于獲得較長的穗分化持續(xù)期。所以，育種中以本研究春化離析苗穗期30～60 d的半冬性偏春類型為宜(如豫麥21、豫麥49、鄭麥7698等)。

雖然河南省70年來小麥品種的光周期敏感性逐步趨弱，但從防止過早拔節(jié)、避免倒春寒和延長穗分化持續(xù)期、增加穗粒數(shù)的角度來看，河南省小麥品種不宜繼續(xù)弱化光周期反應(yīng)特性，而應(yīng)在不晚熟、增強后期耐高溫的基礎(chǔ)上，適當增強品種光周期反應(yīng)的敏感性，育種中以本研究光周期離析苗穗期不低于30 d為宜，以通過增強光周期反應(yīng)的敏感性，推遲拔節(jié)，減小倒春寒危害風險，并延長穗分化持續(xù)期，利于增加穗粒數(shù)(如鄭麥7698)。

3.3 小麥春化和光周期基因利用價值的探討

本研究與已有的研究均表明，含有Vrn-B1、Vrn-D1a基因的小麥品種為春性。但已有的春化基因位點全部為隱性或僅Vrn-D1位點為顯性Vrn-D1b時，品種則可以表現(xiàn)為半冬性和冬性類型，所以利用這些春化基因鑒定品種冬春性時，尚不能夠細化區(qū)分屬于半冬性或者冬性類品種。在本研究中，當Ppd-D1位點為Ppd-D1b時，品種的光周期特性為光敏感類型。而Ppd-A1a和Ppd-D1a均不能夠細化區(qū)分品種的光周期反應(yīng)類型。從本研究結(jié)果來看，小麥品種冬春性、光周期特性與已開發(fā)出的春化和光周期基因的對應(yīng)關(guān)系尚無法全面揭示相關(guān)基因的調(diào)控效應(yīng)，這可能是還有一些與春化特性和光周期特性密切相關(guān)的基因并未被人們發(fā)現(xiàn)，目前在育種工作中仍然要以表型選擇為主要手段，對于親本材料和高代品系可以采用本研究所利用的春化和光周期離析測定的方法進行數(shù)量化鑒定。