選育抗寒豐產(chǎn)小麥新品種的“超低溫越冬選擇法”

楊學舉，張樹華，趙 勇，徐 渴

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 生命科學學院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，河北 保定 071000）

1 超低溫越冬選擇法創(chuàng)建背景

我國北方冬麥區(qū)越冬期凍害頻發(fā)，導致小麥生產(chǎn)不同程度減產(chǎn)[1-2]。凍害分為冬季凍害和春季冷害，華北地區(qū)小麥以越冬期凍害為主。低溫可以導致組織細胞損傷、葉片枯死或個體死亡[3]。影響小麥越冬期凍害的主要因素有基因型（與冬春性相關的分蘗節(jié)深度、分蘗力、幼苗習性、葉片形態(tài)、細胞液濃度等）、自然環(huán)境（溫度、光照、土壤、降水等）和農(nóng)藝措施（播期、播量、播深、施肥、灌水等），基因型是最重要的因素[4-5]。近年來全球溫室效應導致氣候變暖，小麥在冬前生長發(fā)育偏旺，抗寒鍛煉不足，品種抗寒能力下降[6]。冬季溫度升高，總體上減輕了小麥的冬季凍害，但有些年份仍出現(xiàn)極端低溫天氣，增加了小麥越冬期凍害發(fā)生的可能性和嚴重度[7]。

河北省冬小麥品種區(qū)域試驗和國家黃淮冬麥區(qū)區(qū)域試驗的抗寒鑒定地點設在河北省遵化，國家北部冬麥區(qū)小麥區(qū)域試驗的抗寒鑒定地點設在北京市延慶，這兩個試驗點是我國冬麥區(qū)的最北邊緣。遵化市2011—2020年，1月最高氣溫3～9℃，最低氣溫-11～-18℃，只有4年低于-15℃（3年-16℃，1年-18℃），60%的年份極端最低氣溫高于-15℃。延慶區(qū)1月常年最低氣溫平均-12℃，最高氣溫平均-1℃。以2020年1月為例，最低氣溫-7～-15℃，最高氣溫-3～6℃。這樣的冬季氣溫使小麥越冬凍害極輕，如連續(xù)2年暖冬，一些抗寒性較差的品種很容易通過鑒定，但為生產(chǎn)埋下極大的安全隱患。因此，小麥育種單位為規(guī)避凍害風險，在品種選育過程中必須設置更嚴格的抗寒性篩選條件。河北農(nóng)業(yè)大學小麥育種團隊2005年以來，連續(xù)15年在冬季更寒冷的河北省蔚縣西合營鎮(zhèn)司家洼村設立為小麥越冬鑒定篩選基地，對小麥品種和品系進行凍害篩選。

2 超低溫越冬選擇法科學依據(jù)

蔚縣位于河北省張家口市南端，東臨北京，南接保定淶源，東經(jīng)114°13′～115°04′，北緯39°34′～40°10′。由于蔚縣海拔較高（試驗點西合營鎮(zhèn)海拔911 m），氣溫明顯低于北京。2011—2020年，蔚縣1月最高氣溫0～8℃，最低氣溫-15～-26℃，90%的年份極端最低溫度低于-18℃（只有2020年為-15℃）。西合營鎮(zhèn)司家洼村位于蔚縣中東部，氣溫與蔚縣的平均氣溫相近。如此的溫度，冷冬年份（2011、2012、2013、2016、2017、2018年，最低氣溫低于-20℃）導致半冬性小麥品種越冬期全部凍死（返青存活率為0），冬性品種依據(jù)冬性強弱和寒冷程度具有一定的存活率（能夠越冬的主莖和分蘗）。暖冬年份（2014、2015、2019、2020年，最低氣溫等于或高于-18℃）半冬性品種有一定的存活率，冬性品種存活率比較高。

因不同年份的最低氣溫不同，同一品種在不同年份的幼苗越冬率不同。為客觀評價品種的抗寒性，設置了3個抗寒性存在一定差異的對照品種京411、京冬8號和中麥175。京411為20 世紀90年代北部冬麥區(qū)主推的小麥品種，1991年首次審定，冬性，抗寒性極強；京冬8號1995年首次審定，后為冀中北小麥區(qū)域試驗和國家北部冬麥區(qū)區(qū)域試驗的對照品種，20 世紀末和21 世紀初的主推品種，冬性，抗寒性強；中麥175 于2007年首次審定，后為冀中北小麥區(qū)域試驗和國家北部冬麥區(qū)區(qū)域試驗的對照品種，21 世紀初的主推品種，冬性，抗寒性較強。根據(jù)供試品系的越冬率，分別與3個對照品種對比，確定待測新品系的抗寒性等級和越冬抗凍能力。新品系越冬測試過關后，再根據(jù)產(chǎn)量性狀、抗病性狀等，參加相應組別的省級和國家級試驗?？购缘陀谥宣?75 的品系，宜參加冀中南和國家黃淮麥區(qū)試驗；抗寒性與中麥175 相當或好于中麥175 的品系，宜參加冀中北或國家北部冬麥區(qū)試驗；抗寒性好于京冬8號的品系，參加冀中北或國家北部冬麥區(qū)試驗。

3 超低溫越冬選擇法實施效果

經(jīng)試驗摸索，在蔚縣西合營鎮(zhèn)司家洼村種植小麥的適宜時間為9月15—20日。自2005年起，每年安排120個左右的小麥育種早代（如F4）新品系和部分生產(chǎn)上使用的品種，每個品系（種）種植5 行區(qū)，行長2 m，行距25 cm，株距5 cm，每隔6個品系分別設置對照品種京411、京冬8號和中麥175，重復3次。11月1—5日（最低氣溫接近0℃）視天氣情況澆封凍水。翌年4月15—20日澆返青水（最低氣溫5℃以上），5月1—10日挖出小區(qū)中間2 行幼苗，調(diào)查統(tǒng)計分蘗存活率，與對照品種比較，判定品系（種）的抗寒等級。每個品系（種）連續(xù)2年鑒定，以提高鑒定結果的可靠性。

對挖苗調(diào)查剩余的幼苗加強田間管理，將抗寒性好的品系收獲籽粒，帶回保定市河北農(nóng)業(yè)大學小麥育種試驗地擴繁觀察，進一步選育抗寒性更好的變異類型。經(jīng)過超低溫越冬處理后存活的植株個體（品種的純度是相對的，個體間仍存在細微差異），抗寒性得到進一步提高。在蔚縣篩選到的抗寒性較好的品系，種植在保定市繼續(xù)鑒定其豐產(chǎn)性、節(jié)水性、抗病性、品質(zhì)，擇優(yōu)培育新品種。

經(jīng)過15年的鑒定，評價了1 896個小麥新品系和品種的抗寒能力，篩選出河農(nóng)6425、河農(nóng)5059、河農(nóng)6049、河農(nóng)5480、河農(nóng)5102、河農(nóng)6426、河農(nóng)8184、河農(nóng)6314、河農(nóng)7004、河農(nóng)7008、河農(nóng)8060、河農(nóng)8179 等抗寒性強或較強、綜合性狀良好的自育新品系，參加河北省冀中北冬麥區(qū)和國家北部冬麥區(qū)小麥品種試驗，其中5個品種獲得國家或河北省審定，6個品種正在參加試驗。同時，鑒定出冀麥38號、樂亭639、輪選987、中麥9號等一批抗寒性較好的親本資源（生產(chǎn)品種）。

4 其他小麥抗寒鑒定技術

最傳統(tǒng)的小麥越冬抗寒鑒定技術是自然條件下的形態(tài)鑒定，即返青后觀察地上部葉片枯死的程度或統(tǒng)計活蘗百分率。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2011年發(fā)布的《國家小麥品種試驗記載標準》將凍害分為5級：1級無凍害；2級葉尖受凍發(fā)黃；3級葉片凍死1/2；4級葉片全枯；5級植株或大部分蘗凍死。國家小麥品種試驗抗寒性指定鑒定單位的做法是返青后挖苗統(tǒng)計活蘗百分率，本研究介紹的超低溫越冬選擇法就屬于該項技術方法，但在越冬條件選擇方面進行了改進，冬季溫度更低一些，彌補了暖冬年無法區(qū)分品種抗寒性的缺陷。

生理指標鑒定小麥抗寒性，可以使品種的抗寒能力得到比較準確的量化。巨偉等[8]采用電導法測定低溫后冬小麥葉片細胞膜透性，分析其與田間自然凍害程度的相關性，表明葉片細胞膜透性與葉片凍害級別的正相關系數(shù)達到顯著水平，低溫脅迫后的葉片細胞膜透性可以作為鑒定小麥抗寒性指標。楊學芳等[9]研究發(fā)現(xiàn)，小麥低溫脅迫后葉片自由水/束縛水比值與葉片細胞膜透性、田間自然凍害級別的相關系數(shù)均呈顯著正相關，自由水/束縛水比值較高的品系，抗寒性較差。研究表明，低溫脅迫后，小麥葉片MDA 含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性、相對電導率均高于對照，可溶性蛋白質(zhì)含量低于對照[10-12]。

室內(nèi)實驗室技術鑒定小麥抗寒性，可以排除越冬溫度年度間變化的干擾。趙瑞玲等[13]在實驗室利用光照冷凍培養(yǎng)室，對小麥幼苗進行冷凍處理，測定不同零下溫度處理下的幼苗葉片電導率及莖生長點冷凍成活率，通過溫度篩選及分析與田間自然凍害等級的相關性，確定-14℃處理三葉期幼苗3 h 后的莖尖冷凍成活率可以作為鑒定小麥品種抗寒性的指標。

分子技術鑒定小麥抗寒性，不受時間、地點和溫度條件限制，具有極大的靈活性和準確性。分子標記技術應用前景廣闊，前提是找到貢獻率大的遺傳位點和功能基因。巨偉等[14]利用DH 群體，檢測到-18℃處理下控制葉片細胞膜透性的QTL 位點21個，其中4個位點的遺傳貢獻率大于10%。楊學芳[15]利用DH 群體，檢測到低溫處理下控制葉片自由水/束縛水比值的QTL 位點9個，其中4個位點的遺傳貢獻率大于10%。趙瑞玲[16]利用小麥自然群體，檢測到與抗寒性性狀相關的SNP 位點75個，貢獻率最大的SNP 標記位于7A 染色體上，能解釋18.70%的表型變異。趙勇等[17]利用轉(zhuǎn)錄組學和代謝組學聯(lián)合分析，在小麥品種受到低溫脅迫后，部分基因表達和下游代謝產(chǎn)物呈現(xiàn)明顯有規(guī)律的變化。植物冷脅迫反應的信號網(wǎng)絡和通路也有部分報道[18-19]。