小麥EMS 誘變材料的抗旱性評價

武銀玉，曹亞萍，范紹強(qiáng)

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西臨汾041000）

小麥（Triticum aestivum）是我國最主要的糧食作物，干旱是限制小麥產(chǎn)量的重要非生物脅迫因子，全球約50%小麥產(chǎn)區(qū)遭受干旱脅迫，直接造成小麥減產(chǎn)10%～50%[1]。山西是北方麥區(qū)典型的干旱省份，旱地面積占小麥種植面積的60%左右，旱地小麥生產(chǎn)對山西小麥生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。小麥品種晉麥47 自1995 年審定以來，一直在旱地小麥生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，目前仍為國家黃淮中部麥區(qū)和山西省南部麥區(qū)旱地小麥區(qū)域試驗對照品種，沒有替代品種，小麥抗旱育種進(jìn)程緩慢[2-3]。同時，由于小麥屬內(nèi)遺傳基礎(chǔ)狹窄，基因變異有限，使小麥抗旱育種難以取得突破性進(jìn)展。

利用化學(xué)物質(zhì)誘發(fā)產(chǎn)生基因突變，對作物的某種性狀進(jìn)行改良，是目前種質(zhì)創(chuàng)新和培育新品種的途徑之一[4]。烷化劑甲基磺酸乙酯（ethyl methane sulfonate，EMS）誘變因為點(diǎn)突變頻率較高、染色體畸變較少、易于突變體選擇、基因純合周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣、效果最好的化學(xué)誘變技術(shù)。相關(guān)學(xué)者利用EMS 誘變在抗旱種質(zhì)創(chuàng)新上取得了一些成果。譚義川等[5]對19 份玉米EMS 誘變系材料進(jìn)行干旱脅迫，運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)法對抗旱相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，篩選出4 份抗旱性較好的玉米變異系。董文科等[6]用EMS 處理多年生黑麥草種子，并對其誘變材料進(jìn)行抗旱性篩選，成功獲得15 株耐旱變異株；王瑾等[7]曾用EMS 處理小麥品種溫麥6 號和周麥17 的花藥愈傷組織和幼胚愈傷組織，后經(jīng)抗旱鑒定篩選出13 株抗旱植株，平均變異率為5.8%。

本研究擬用全生育期鑒定法，以產(chǎn)量三要素有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量以及株高、產(chǎn)量為考核指標(biāo)，對晉麥47 EMS 誘變材料進(jìn)行抗旱性評價，旨在了解其抗旱水平，明確EMS 誘變技術(shù)在抗旱育種方面的應(yīng)用潛力，充分挖掘誘變材料的抗旱、耐旱能力，為拓寬小麥抗旱基因資源、創(chuàng)新抗旱新種質(zhì)、實現(xiàn)旱作良種可持續(xù)發(fā)展提供材料基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

用0.8%EMS 處理晉麥47 小麥種子，于M2選擇具表型變異的突變體，隨后經(jīng)6 代系選得到遺傳穩(wěn)定誘變品系33 份，編號分別為47-1、47-2、47-3、……、47-33，以晉麥47 為對照品種。

1.2 試驗方法

試驗于2018—2019 年度在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所科研用地進(jìn)行。該年度小麥全生育期內(nèi)降水104.5 mm，僅占小麥需水量的20%，屬于中度干旱年份。試驗參照國家標(biāo)準(zhǔn)《小麥抗旱性鑒定評價技術(shù)規(guī)范》（GB/T 21127—2007），設(shè)雨養(yǎng)旱作和補(bǔ)充灌溉2 種處理，其土壤養(yǎng)分含量和質(zhì)地一致，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)，4 行區(qū)，行長2 m，行距0.25 m，株距5 cm，小區(qū)面積2 m2。雨養(yǎng)旱作處理全生育期不灌水；補(bǔ)充灌溉處理分別在越冬前、拔節(jié)期、灌漿期各補(bǔ)水一次。所有材料于2018 年10 月2 日播種，2019 年 6 月 10 日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀測定 以株高、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量為考核指標(biāo)。其中，株高：從地面至穗的頂端，不連芒，以厘米計；穗粒數(shù)：隨機(jī)選取10 穗脫粒計算平均值；有效穗數(shù)：以每穗實粒數(shù)多于5 粒為有效穗，數(shù)其總穗數(shù)，折合成公頃穗數(shù)；千粒質(zhì)量：每千粒種子稱質(zhì)量2 次，以誤差不超過0.15 g 的2 次平均值為準(zhǔn)；產(chǎn)量：稱量小區(qū)總質(zhì)量，計算其平均值。

1.3.2 計算抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)[8-9]抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)計算公式如下。

式中，DRC為抗旱系數(shù)；Ya為該品系雨養(yǎng)旱作處理下性狀值；Ym為補(bǔ)充灌溉處理下性狀值。

式中，DI為抗旱指數(shù)；GYS.T為待測材料雨養(yǎng)旱作處理籽粒產(chǎn)量；GYS.W為待測材料補(bǔ)充灌溉處理籽粒產(chǎn)量；GYCK.W為對照品種補(bǔ)充灌溉處理籽粒產(chǎn)量；GYCK.T為對照品種雨養(yǎng)旱作處理籽粒產(chǎn)量。

1.4 抗旱性評價

小麥抗旱性評價及分級標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 小麥抗旱性評價及分級標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2007、SPSS 24.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 晉麥47 EMS 誘變材料主要農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

EMS 誘變具有不確定性，可以誘導(dǎo)控制不同性狀的基因發(fā)生突變。由表2 可以看出，EMS 誘變造成不同突變材料農(nóng)藝性狀差異較大，其中，變異系數(shù)最大的是有效穗數(shù)，其次是小區(qū)產(chǎn)量，千粒質(zhì)量變異幅度最小。將雨養(yǎng)旱作處理與補(bǔ)充灌溉處理相比較可以看出，晉麥47 突變材料的農(nóng)藝性狀均因干旱脅迫受到一定程度的影響。

表2 33 份誘變材料主要農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

2.2 干旱脅迫對晉麥47 EMS 誘變材料小區(qū)產(chǎn)量的影響

由表2、3 可知，受干旱脅迫影響，雨養(yǎng)旱作處理小麥小區(qū)產(chǎn)量較補(bǔ)充灌溉處理減產(chǎn)39.7%，說明干旱對小麥產(chǎn)量具有很大影響。以晉麥47 為對照，有3 份突變材料抗旱指數(shù)大于1，其中，47-17 在雨養(yǎng)旱作條件下小區(qū)產(chǎn)量0.96 kg，在所有參試品種中最高，其抗旱指數(shù)為1.14，達(dá)到較強(qiáng)抗旱水平，同時達(dá)到較強(qiáng)抗旱水平的還有47-14；另外，47-11、47-26、47-16、47-9、47-32 抗旱 指 數(shù) 分 別 為 1.07、1.00、0.98、0.96、0.92，具有中等抗旱水平。47-30、47-19 在補(bǔ)充灌溉處理下產(chǎn)量最高，但在雨養(yǎng)旱作處理下產(chǎn)量較對照有較大幅度下降，其抗旱等級為4 級，抗旱性處于較弱水平。另有9 份誘變材料抗旱指數(shù)小于0.699，處于極弱水平。將處于強(qiáng)和中等抗旱水平的7 份材料進(jìn)行多重比較，47-17 抗旱性較對照極顯著增強(qiáng)，47-14 抗旱性較對照顯著增強(qiáng)，47-11、47-26、47-16、47-9、47-32 與對照無明顯差異。

表3 干旱脅迫對晉麥47 誘變材料小區(qū)產(chǎn)量的影響

抗旱系數(shù)是抗旱指數(shù)的補(bǔ)充，能反映不同小麥品種（系）對干旱的敏感程度以及產(chǎn)量的穩(wěn)定性，產(chǎn)量抗旱系數(shù)高，則抗旱性強(qiáng)，穩(wěn)產(chǎn)性好。如抗旱水平較高的47-17、47-14、47-11 雨養(yǎng)旱作較補(bǔ)充灌溉產(chǎn)量下降幅度較小，產(chǎn)量抗旱系數(shù)在所有參試品種中也達(dá)到最高，表明其在干旱脅迫下產(chǎn)量相對比較穩(wěn)定。但是對于水、旱地種植條件下產(chǎn)量都低的品種同樣可以擁有較高的抗旱系數(shù)，如47-3、47-2，不能真實反映該品系的產(chǎn)量水平，這也是抗旱系數(shù)的局限性所在。

2.3 干旱脅迫對晉麥47 EMS 誘變材料產(chǎn)量三要素及株高的影響

表4 干旱脅迫對EMS 誘變材料產(chǎn)量三要素及株高的影響

有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量是構(gòu)成小麥產(chǎn)量的三要素，三者相輔相成、相互制約，對小麥籽粒產(chǎn)量起著決定性作用。根據(jù)小麥結(jié)實器官建成與物候期、生育期的對應(yīng)關(guān)系，可把有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的性狀抗旱系數(shù)分別作為小麥拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期的抗旱性鑒定指標(biāo)[10]。

從表4 可以看出，千粒質(zhì)量的抗旱系數(shù)平均值為0.86，因其抗旱系數(shù)是該性狀旱地與水地的比值，所以，受干旱脅迫影響，雨養(yǎng)旱作處理千粒質(zhì)量較補(bǔ)充灌溉處理下降14%，是受干旱脅迫影響最小的因子。其中，有7 份材料千粒質(zhì)量抗旱系數(shù)在0.9以上，占21.2%，25 份抗旱系數(shù)在0.8～0.9，占75.8%，1 份材料抗旱系數(shù)在0.7～0.8，占3%。

穗粒數(shù)雨養(yǎng)旱作條件下較補(bǔ)充灌溉平均下降22%，受干旱脅迫影響較小。穗粒數(shù)的抗旱系數(shù)變幅在0.65～0.91，不同材料間變幅較大。

穗數(shù)代表小麥群體大小，一般認(rèn)為，小麥冬前分蘗早、分蘗生長快而集中，成穗率高而整齊的的品種抗旱能力強(qiáng)。由表4 可知，有效穗數(shù)是受干旱影響最大的因子，平均降幅達(dá)30%，對干旱最為敏感?？购敌员憩F(xiàn)較強(qiáng)的材料有效穗數(shù)下降幅度都較小，如，47-17 的有效穗數(shù)抗旱系數(shù)為0.84，47-14為 0.79，47-11 為 0.77，47-26 為 0.82，這也是其在干旱條件下產(chǎn)量仍表現(xiàn)較高的主要原因之一。

受干旱脅迫影響，株高平均下降17%，其抗旱系數(shù)變異幅度0.74～0.89。一般認(rèn)為，抗旱性較強(qiáng)的品種株高相對較高[11]。在干旱條件下，適當(dāng)選擇較高的品種會提高小麥產(chǎn)量。

3 結(jié)論與討論

EMS 是一種高效穩(wěn)定的烷化類誘變劑，能誘發(fā)產(chǎn)生高密度等位基因點(diǎn)突變，將其應(yīng)用于小麥育種，可以在較短時間內(nèi)獲得新性狀和新基因，具有種質(zhì)創(chuàng)新頻率高、遺傳變異譜寬、育種周期短[12]等特點(diǎn)。本研究用EMS 處理晉麥47 小麥種子，對其穩(wěn)定突變體進(jìn)行抗旱性鑒定，成功篩選出3 份材料（47-17、47-14、47-11）抗旱性優(yōu)于基礎(chǔ)材料晉麥47，占參試材料的9%?？梢?，EMS 誘變技術(shù)可作為一種有效手段應(yīng)用于種質(zhì)創(chuàng)新，加快小麥抗旱育種的進(jìn)程。

抗旱系數(shù)是小麥抗旱鑒定中比較常用的指標(biāo)，是干旱脅迫與非脅迫條件下某一性狀值的比值，代表該品種某一時期對干旱的敏感程度，卻不能全面反映其整體抗旱水平和產(chǎn)量水平[10]。如，47-18 穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量抗旱系數(shù)分別為0.83、0.91，在所有參試品種中均表現(xiàn)較高，表示其抽穗、灌漿期比較耐旱，但其有效穗數(shù)抗旱系數(shù)僅為0.69，說明該材料苗期對水分較為敏感，其分蘗成穗能力受損嚴(yán)重，影響了產(chǎn)量水平，最終抗旱水平僅為較弱（0.88）；47-16 千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、有效穗數(shù)抗旱系數(shù)分別為0.81、0.88、0.73，千粒質(zhì)量影響較大，低于平均值，表示其灌漿期受干旱脅迫影響較大，但其穗粒數(shù)和有效穗數(shù)下降較小，最終產(chǎn)量受影響較小，抗旱水平為中等（0.98）。根據(jù)各性狀抗旱系數(shù)可以看出，在株高和產(chǎn)量三要素4 個性狀中，千粒質(zhì)量受干旱脅迫影響最小，其次是株高、穗粒數(shù)，影響最大的是有效穗數(shù)?？梢?，有效穗數(shù)是影響旱地小麥品種產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。張俊玲等[13]在分析北部冬麥區(qū)旱地小麥的演變規(guī)律時曾指出，有效穗數(shù)是決定旱地小麥產(chǎn)量的第一大要素。張東旭等[14]對96 個不同基因型小麥品種進(jìn)行抗旱性鑒定，結(jié)果顯示，穗數(shù)和穗粒數(shù)受干旱影響較大，千粒質(zhì)量變幅較?。辉瑒P等[15]相關(guān)遺傳分析也表明，千粒質(zhì)量受遺傳力影響最大，受環(huán)境影響最小，與本研究結(jié)果一致。

蘭巨生[8]提出的抗旱指數(shù)，是在兼顧抗旱系數(shù)和產(chǎn)量性狀的基礎(chǔ)上得到的一個綜合指標(biāo)，同時具有旱地產(chǎn)量高和抗旱系數(shù)大的雙重特點(diǎn)，是目前最貼近生產(chǎn)實際、應(yīng)用最廣的綜合性指標(biāo)，常用于新品系的篩選和區(qū)域試驗中。參照小麥抗旱性評價標(biāo)準(zhǔn)，本研究通過對33 份晉麥47 EMS 誘變材料進(jìn)行抗旱性鑒定，篩選出2 份材料抗旱指數(shù)大于1.1，抗旱等級為2 級，抗旱性較強(qiáng)；5 份材料抗旱等級為3 級，抗旱性中等；17 份材料抗旱性弱，抗旱等級為4 級；9 份材料抗旱性極弱。抗旱性較強(qiáng)的2 個品系在補(bǔ)充灌溉條件下產(chǎn)量也較高，充分滿足了旱地育種既要求品種在干旱年份具有較好的穩(wěn)產(chǎn)性，同時達(dá)到豐水年份高產(chǎn)的目標(biāo)，可以將其作為抗旱優(yōu)異種質(zhì)資源應(yīng)用于小麥育種。