小麥穗發(fā)芽抗性鑒定標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)與優(yōu)化

高 威，徐康樂,劉 雪，徐冬梅，高 暢，嚴(yán)勝男，姚 輝，尚姚姚，潘 旭，曹佳佳，程欣然，劉明利，盧 杰，常 成 ，張海萍，馬傳喜

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮南部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036)

小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，我國是全球最大的小麥生產(chǎn)國和消費(fèi)國，常年產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)17%，小麥生產(chǎn)對保障國家糧食安全具有重大戰(zhàn)略意義[1-2]。然而，小麥?zhǔn)斋@期陰雨天氣易導(dǎo)致穗發(fā)芽的發(fā)生（尤其白皮品種），如果陰雨天氣持續(xù)時(shí)間較長，則加劇穗發(fā)芽，嚴(yán)重影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因穗發(fā)芽造成的損失已超過數(shù)十億美元，其中，美國、加拿大、澳大利亞、日本等較為嚴(yán)重[3]。我國主要麥區(qū)均有不同程度穗發(fā)芽發(fā)生，長江中下游冬麥區(qū)、東北春麥區(qū)和西南冬麥區(qū)等尤為嚴(yán)重[4]；值得關(guān)注的是，近些年（如2008、2010、2013、2015和2018），由于異常氣候，收獲期降雨量及發(fā)生頻率顯著增加，導(dǎo)致黃淮麥區(qū)南部也頻繁遭受穗發(fā)芽危害，芽粒比例嚴(yán)重超標(biāo)，造成商品小麥價(jià)格下降及收儲(chǔ)困難。

天氣因素不可控制，且隨著機(jī)械化收獲的大規(guī)?？鐓^(qū)作業(yè)，雨后大型收割機(jī)難以下地，因此，培育穗發(fā)芽抗性持續(xù)期長的小麥品種（尤其白皮品種）十分必要，這是減輕其危害的根本途徑。國內(nèi)外研究表明，小麥穗發(fā)芽抗性的主要遺傳因素是種子本身的休眠性，遺傳分析顯示，穗發(fā)芽抗性由主效-微效多基因控制，已報(bào)道的主效QTL主要位于2A[5]、2B[6]、3A[7]、4A[8]、6B[9]等染色體；已克隆的小麥抗穗發(fā)芽基因僅有6 個(gè)，如TaVp-1[10]、TaDOG1L1[11]、TaMFT/TaPHS1[12-13]、TaSdr[14-15]、TaMKK3[16]和TaQsd1[17]。本實(shí)驗(yàn)室前期研究表明，聚合優(yōu)異等位基因可有效提高穗發(fā)芽抗性，從而培育抗穗發(fā)芽小麥新品種。

在研究抗穗發(fā)芽遺傳機(jī)制及新品種選育時(shí)，準(zhǔn)確測定穗發(fā)芽抗性表型是基本前提。因?yàn)樗氚l(fā)芽抗性主要遺傳成分是種子休眠，所以前人常通過脫粒后測定籽粒發(fā)芽率來鑒定穗發(fā)芽抗性[7]。然而，穗發(fā)芽除了受種子休眠特性影響外，穗部性狀、穎殼閉合情況及內(nèi)源抑制物等也影響穗發(fā)芽[4]，因此，直接用整穗進(jìn)行測定更能準(zhǔn)確評估穗發(fā)芽抗性。2009 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布實(shí)施了小麥穗發(fā)芽抗性測定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1739-2009），即采用整穗發(fā)芽方法[18]。本實(shí)驗(yàn)室在采用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行小麥穗發(fā)芽抗性測定時(shí)，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)芽時(shí)間（4 d，即96 h）較長，發(fā)芽壓力大，無法有效區(qū)分品種間穗發(fā)芽抗性水平，特別是抗性一般的白皮半冬性品種，在品種篩選及選育中的使用受到限制。因此，研究整穗發(fā)芽2、3 和4 d（作為對照）時(shí)的相對發(fā)芽指數(shù)，比較不同發(fā)芽天數(shù)處理?xiàng)l件下穗發(fā)芽抗性鑒定的差異，優(yōu)化發(fā)芽時(shí)間，旨在為穗發(fā)芽抗性表型準(zhǔn)確鑒定及標(biāo)準(zhǔn)修訂提供技術(shù)支撐和參考。

1 材料與方法

1.1 材料

2018—2019 年度國家小麥良種聯(lián)合攻關(guān)參試品系40 份，包括黃淮南片廣適組（GS）17 份，黃淮南片抗赤霉病組（KC）12 份，長江上游區(qū)試組（CJS）5 份，長江中下游區(qū)試組（CJZX）6 份。2019—2020年度128 份，包括抗赤霉病組（KC）18 份，黃淮東部品比（HHD）25 份，廣適組（GS）20 份，優(yōu)質(zhì)品種組（YZ）5 份，養(yǎng)分高效品種組（YF）7 份，黃淮西部品比組（HHX）35 份，長江上游組（CJS）7 份，長江中下游組（CJZX）11 份。以高感穗發(fā)芽品種中優(yōu)9507 作為對照品種，用于相對穗發(fā)芽指數(shù)（Index of relative sprouting，簡稱 I）的計(jì)算（表1）。

表1 中優(yōu)9507 穗發(fā)芽抗性評價(jià)Table 1 The evaluation of PHS resistance of Zhongyou 9507

表2 小麥抗穗發(fā)芽性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The evaluation standard of resistance to PHS of wheat

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每份試驗(yàn)材料種植2 行，行長2 m，行距0.25 m，隨機(jī)區(qū)組排列。正季播種，常規(guī)栽培管理與病蟲害防治。 在開花當(dāng)天選擇有代表性的25～30 個(gè)植株主莖穗，掛牌并注明開花日期。于開花后第35 天或小麥生理成熟期（即黃熟期）選擇掛牌的正常穗20個(gè)，從穗下頸15～20 cm 處剪取，立即進(jìn)行穗發(fā)芽處理或-20 ℃保存?zhèn)溆茫ú怀^1 周）。

1.3 穗發(fā)芽抗性測定

2018—2019 年度穗發(fā)芽抗性鑒定方法為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部穗發(fā)芽鑒定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1739-2009）[18]，穗發(fā)芽時(shí)間為4 d。2019—2020 年度穗發(fā)芽抗性鑒定方法參考該標(biāo)準(zhǔn)，并略有修改：將剪取的20 個(gè)整穗隨機(jī)分成2 組，每組10 穗，分別于自來水中浸泡4 h，再用0.1%次氯酸鈉溶液消毒5 min，然后在人工氣候室(22 ℃、100%RH)中培養(yǎng)。為優(yōu)化整穗發(fā)芽處理時(shí)間，作者從2019—2020 年度128 份參試品系中隨機(jī)選取25 份和18 份品系，分別設(shè)置了2、3 d 和2、4 d 的穗發(fā)芽處理時(shí)間。穗發(fā)芽處理完成后，麥穗隨即在60 ℃烘箱中烘干。手工剝粒，以籽粒胚部表皮破裂為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)每組整穗的總籽粒數(shù)和發(fā)芽籽粒數(shù)。以兩組試樣的穗發(fā)芽率平均值作為該品系的穗發(fā)芽率。

穗發(fā)芽率 =（穗發(fā)芽籽粒數(shù)/總籽粒數(shù)）×100%

相對穗發(fā)芽指數(shù)（I）=待測樣品穗發(fā)芽率/對照品種穗發(fā)芽率

高感穗發(fā)芽品種中優(yōu)9507 為本試驗(yàn)對照品種，用于計(jì)算相對穗發(fā)芽指數(shù)。小麥抗穗發(fā)芽評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 2018—2019 年度參試品系穗發(fā)芽抗性分析

本文研究了2018—2019 年度國家良種聯(lián)合攻關(guān)40份小麥參試品系穗發(fā)芽抗性，結(jié)果如表3所示。該年度穗發(fā)芽抗性鑒定與評價(jià)方法是參考農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2009 年頒布的小麥穗發(fā)芽鑒定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1739-2009），穗發(fā)芽時(shí)間為4 d。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同參試組別，其相對穗發(fā)芽指數(shù)、變異系數(shù)、抗性水平頻率分布等均有較大差異。從表4 可看出，黃淮南片廣適組共計(jì)17 個(gè)品系，相對發(fā)芽指數(shù)最高，平均為0.81，而變異系數(shù)最低，為11.23%，該組均為高感穗發(fā)芽。黃淮南片抗赤霉病組共計(jì)12個(gè)品系，相對穗發(fā)芽指數(shù)為0.68，變異系數(shù)次之，為22.06%，均為感和高感穗發(fā)芽。長江中下游區(qū)試組均為抗穗發(fā)芽，相對發(fā)芽指數(shù)為0.11，變異系數(shù)為45.45%；而長江上游區(qū)試組穗發(fā)芽抗性變異系數(shù)最大，為88.09%。上述結(jié)果說明，黃淮南片廣適組、抗赤霉病組等半冬性或偏冬性品系穗發(fā)芽抗性顯著低于長江上游和中下游春性品種。需要指出的是，前兩組半冬性品系穗發(fā)芽抗性水平變異不大，均為感和高感水平，采用該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不利于詳細(xì)區(qū)分這些品系的穗發(fā)芽抗性。

本研究從2019—2020 年度國家良種聯(lián)合攻關(guān)試驗(yàn)隨機(jī)選取25 份和18 份品系，分別用于鑒定不同發(fā)芽處理時(shí)間的相對穗發(fā)芽指數(shù)和抗性水平的變化。結(jié)果（表5）表明，和發(fā)芽2 d 相比，3 d 發(fā)芽時(shí)間處理的相對發(fā)芽指數(shù)明顯高于前者，而品系間變異系數(shù)明顯低于前者。

表3 2018—2019 年度參試品系相對穗發(fā)芽指數(shù)及抗性評價(jià)Table 3 The resistance evaluation and index of relative PHS sprouting of wheat during 2018-2019

表4 2018—2019 年度各參試組小麥品系相對穗發(fā)芽指數(shù)分析Table 4 The analysis of relative index of PHS of wheat varieties during 2018-2019

圖1 2019—2020 年度不同發(fā)芽時(shí)間條件下穗發(fā)芽抗性水平的頻率分布Figure 1 The distribution frequency of PHS resistance of wheat varieties treated by different sprouting time in 2019-2020

通過分析不同發(fā)芽處理時(shí)間的穗發(fā)芽抗性分布（圖1）可知，在發(fā)芽2 d 的處理?xiàng)l件下，25 份品系穗發(fā)芽抗性水平分布較廣泛，從高感到高抗均有分布。而在發(fā)芽3 d 的處理?xiàng)l件下，絕大多數(shù)品系表現(xiàn)為感和高感穗發(fā)芽，抗穗發(fā)芽品系比例很少，僅為2 份。

同時(shí)研究了隨機(jī)選取的18份品系在發(fā)芽2 和4 d 處理?xiàng)l件下，相對發(fā)芽指數(shù)、變異系數(shù)及抗性水平的分布。結(jié)果（表6）表明，在發(fā)芽4 d 時(shí)，樣品相對發(fā)芽指數(shù)明顯高于發(fā)芽2 d 的，但其變異系數(shù)則明顯低于后者。在穗發(fā)芽抗性水平分布上，發(fā)芽4 d 處理的品系全為高感，已無法有效區(qū)分品系間穗發(fā)芽抗性，與發(fā)芽處理3 d 的結(jié)果相同，具體如圖1和圖2 所示。

表5 2019—2020 年度25 小麥個(gè)品系不同發(fā)芽時(shí)間穗發(fā)芽抗性分析Table 5 The analysis of PHS resistance of 25 wheat varieties treated by different sprouting time during 2019-2020

圖2 2019—2020 年度不同發(fā)芽時(shí)間條件下穗發(fā)芽抗性水平的頻率分布Figure 2 The distribution frequency of PHS resistance of wheat varieties treated by different sprouting time in 2019-2020

以上結(jié)果說明，發(fā)芽處理2 d 處理時(shí)，品系間變異系數(shù)較大，抗性水平分布較廣泛；發(fā)芽處理3 d 或4 d 時(shí)，品種間變異系數(shù)降低，抗性水平多分布于感或高感穗發(fā)芽區(qū)域，無法有效區(qū)分品系間的實(shí)際抗性差異。因此，采用發(fā)芽2 d 處理，對2019—2020 年度國家良種聯(lián)合攻關(guān)8 組128 份品系進(jìn)行穗發(fā)芽抗性鑒定。結(jié)果表明，各組均鑒定出中抗及以上抗性水平的品系，抗性分布較為廣泛，其變異系數(shù)均明顯提高（36.13% ～ 83.39%）。特別是除了長江上、中下游區(qū)試組的春性品系外，其他各組半冬性品系穗發(fā)芽抗性均出現(xiàn)明顯差異，這對于準(zhǔn)確鑒定半冬性品種穗發(fā)芽抗性具有重要應(yīng)用價(jià)值，具體如表7 所示。

表6 2019—2020 年度18 個(gè)小麥品系不同發(fā)芽時(shí)間穗發(fā)芽抗性分析Table 6 The analysis of PHS resistance of 18 wheat varieties treated by different sprouting time during 2019-2020

表7 2019—2020 年度各參試組小麥品系穗發(fā)芽抗性分析Table 7 The analysis of PHS resistance of all wheat groups in 2019-2020

3 討論與結(jié)論

收獲期穗發(fā)芽是影響小麥安全生產(chǎn)的主要非生物逆境之一，選育抗穗發(fā)芽小麥品種是降低穗發(fā)芽危害的主要途徑。在小麥穗發(fā)芽抗性遺傳機(jī)制研究、種質(zhì)資源創(chuàng)制以及新品種選育等過程中，穗發(fā)芽抗性表型準(zhǔn)確鑒定顯得尤為重要。國內(nèi)外常用收獲后籽粒發(fā)芽和整穗發(fā)芽兩類測定方法來鑒定小麥穗發(fā)芽抗性，但前者主要反映的是種子休眠特性，而穗發(fā)芽除了與休眠緊密關(guān)聯(lián)外，還與穗部和穎殼特性相關(guān)，因此整穗發(fā)芽更能準(zhǔn)確地評價(jià)穗發(fā)芽抗性。2009 年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布了小麥穗發(fā)芽抗性鑒定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 1739-2009）[18]，為我國小麥抗穗發(fā)芽鑒定提供標(biāo)準(zhǔn)化檢測方法，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)驗(yàn)室長期從事小麥種子休眠、穗發(fā)芽抗性的遺傳機(jī)制研究及新品種選育。我們發(fā)現(xiàn)按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)芽指數(shù)測定時(shí)，由于發(fā)芽條件，如溫濕度、樣品儲(chǔ)放時(shí)間、發(fā)芽時(shí)間等顯著影響結(jié)果的測定，特別是發(fā)芽處理時(shí)間（4 d，即96 h）影響更為顯著。由于發(fā)芽時(shí)間過長，測定的相對發(fā)芽指數(shù)普遍偏高，品種間穗發(fā)芽抗性難以有效區(qū)分，尤其對于大多數(shù)半冬性品種。目前，小麥穗發(fā)芽抗性提高與改良得到廣泛關(guān)注，生產(chǎn)上也開始出現(xiàn)穗發(fā)芽抗性表現(xiàn)較好的半冬性品種，如安農(nóng)0711、未來0818、鄭麥7698 等，但用該標(biāo)準(zhǔn)難以準(zhǔn)確鑒定出其穗發(fā)芽抗性差異（數(shù)據(jù)未列出）。因此，本文研究了不同發(fā)芽處理時(shí)間對品系穗發(fā)芽抗性的影響，認(rèn)為將發(fā)芽處理時(shí)間縮短了一半，即從4 d 縮減為2 d 較為合適。研究結(jié)果也表明，發(fā)芽2 d 處理?xiàng)l件下，能夠有效區(qū)分品種間抗性差異，特別是半冬性品系。本文鑒定出一些穗發(fā)芽抗性中抗及以上的品系，如安農(nóng)196、安科1801、皖宿1316、天麥189、皖墾麥1720、安農(nóng)188、洛麥47、兆豐35、藍(lán)天43 及中麥7068 等。同時(shí)，由于發(fā)芽時(shí)間縮短一半，也大大降低穗發(fā)芽鑒定時(shí)間，提高檢測效率?？s短發(fā)芽時(shí)間使得抗性水平總體較往年偏高，但抗性較差的品種在此條件下仍表現(xiàn)不佳，如對照品種中優(yōu)9507（I：1.00，HS）及周麥18 等（I：0.81，HS）。說明本文對穗發(fā)芽時(shí)間的改進(jìn)和優(yōu)化適合大規(guī)模測定的要求。由于影響整穗發(fā)芽鑒定的因素較多，除品種本身外，環(huán)境因素影響也較大，完善抗穗發(fā)芽測定方法對于準(zhǔn)確評估其抗性水平顯得尤為重要。本研究為國家小麥穗發(fā)芽抗性評價(jià)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步優(yōu)化和完善提供重要參考依據(jù)。