黃淮北片冬麥區(qū)國家區(qū)試冬小麥品種抗寒性鑒定與評價

郭佳暉,白雄輝,王愛東,李瑞杰,石曉鑫,史勇峰,李愛蓮,王西成,王宏富*,郭杰*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西 太谷 030801；2.河北省遵化市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 遵化 064200；3.山西省晉中市太谷區(qū)氣象局，山西 太谷 030800；4.河南省農(nóng)業(yè)科學研究院小麥研究所,河南 鄭州 450002)

小麥(TriticumaestivumL.)是在全球范圍內廣泛種植的禾本科植物，與玉米(ZeamaysL.)、水稻(OryzasativaL.)并稱為世界三大糧食作物[1]。冬小麥需經(jīng)過一段時間的低溫過程才能從營養(yǎng)生長階段過渡到生殖生長階段，這一過程被稱為春化作用[2]。在小麥春化過程中，幼苗在自身遺傳因素和氣候因素共同作用下常會出現(xiàn)不同程度的損傷，直觀表現(xiàn)為葉片枯萎黃化、部分分蘗甚至整體植株死亡[3]，導致麥田群體減少，從而對糧食生產(chǎn)造成嚴重威脅[4]。隨著全球氣候逐漸轉暖，冬小麥種植生態(tài)區(qū)已出現(xiàn)較為明顯的北移[5-7]，品種結構也隨之發(fā)生較大變化，強冬性、冬性品種逐漸被半冬性品種替代。但目前氣候的不穩(wěn)定性也在逐漸增大，尤其是極端氣候的頻繁出現(xiàn)給小麥穩(wěn)產(chǎn)性帶來極大隱患[8]，冬季的極端寒潮[9]和冬春交替的倒春寒天氣[10]已成為冬小麥減產(chǎn)的關鍵因素。因此，品種種植結構的轉變可能會增加凍害發(fā)生風險，對新育成品種抗寒性的鑒定與篩選已成為新品種審定的必需步驟。

鑒定冬小麥抗寒性的方法主要有田間表型鑒定法[11]、室內模擬冷凍鑒定法[12]、間接生理生化指標法[13]和抗寒分子標記鑒定法[14]等。根據(jù)受凍后植株形態(tài)、理化指標、細胞形態(tài)[15]及基因位點[16]等方面的表現(xiàn)對冬小麥品種抗寒性進行鑒定以淘汰越冬受損風險較大的品種是保證小麥生產(chǎn)安全的根本。根據(jù)幼苗生長習性可在一定程度上判別該品種的抗寒能力，冬小麥幼苗根據(jù)越冬期植株形態(tài)可分為強冬性的匍匐品種、半冬性的半匍匐品種和弱冬性的直立品種[17]。劉艷陽等[18]采用室內低溫冷凍法處理雙單倍體群體(doubled haploid,DH)群體的133個株系，測定幼苗葉片中丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和過氧化物酶(peroxidase,POD)的生理活性，發(fā)現(xiàn)SOD活性和MDA含量可作為小麥抗寒性鑒定的理化指標，而POD活性作為鑒定標準的適合性有待進一步討論。付連雙等[19]觀察了兩個抗寒能力不同品種在低溫馴化期和封凍期葉片與分蘗節(jié)的細胞超微結構，發(fā)現(xiàn)在低溫馴化期兩品種分蘗節(jié)細胞均沒有受損，但強抗寒性品種冬農(nóng)麥1號較弱抗寒性品種濟麥22細胞液泡體積占比較??；封凍30 d后弱抗寒性品種濟麥22細胞基質呈空泡化，細胞受損嚴重，而強抗寒性品種雖細胞內質體受損嚴重，但細胞核與葉綠體仍清晰可見，具有一定恢復能力。冬小麥抗寒性主要受第5同源染色體長臂的Fr-1[20]和Fr-A2[21]兩個基因位點控制，兩位點緊密連鎖，且相距約30 cM[22]，F(xiàn)r-A2中還包含CBF基因簇[23]，可調節(jié)其他低溫響應基因的表達[24]。

從生產(chǎn)實踐角度來看，田間表型鑒定法更加符合小麥實際受凍害情況，也更加直觀明了。前人多通過品種越冬死株率和枯葉率對凍害程度進行分級評價[25]，但從實際凍害表現(xiàn)情況來看，死株率只有在凍害較重時才能較好反映凍害發(fā)生程度，凍害較輕時整株不會凍死，往往是部分分蘗死亡，此時以死株率作為凍害程度分級標準會出現(xiàn)評判失真[26]；枯葉率往往受干旱[27]和大風[28]影響較大，不適合作為抗寒鑒定性狀。以死莖率(死亡分蘗數(shù)占群體總分蘗數(shù)的比率)作為凍害程度分級標準可更準確地反映小麥群體越冬受損情況，達到更好的抗寒性鑒定評價效果。但由于小麥分蘗節(jié)處于地下，觀察較為困難，需將采樣點植株整株挖出，導致該指標調查較為繁瑣。通常情況下，新育成小麥品種在其選育環(huán)境下一般可以正常越冬，但隨著氣候變化的不穩(wěn)定性逐漸升高，越冬期內受凍害風險也增大[29]。在抗寒鑒定試驗中，一般采用跨生態(tài)區(qū)種植的方式使各品種抗寒能力充分體現(xiàn)，但鑒定環(huán)境不能過分嚴苛，要保證大部分品種受損率在較低范圍內[30]，同時淘汰在相同環(huán)境條件下越冬表現(xiàn)極差品種，以此把好品種審定關卡，保障糧食安全生產(chǎn)。

黃淮冬麥區(qū)是我國冬小麥主產(chǎn)區(qū)，該麥區(qū)品種大多為半冬性品種，品種間抗寒能力存在較大差異，易受到極端嚴寒氣候的影響，因此對本麥區(qū)小麥品種進行抗寒性鑒定具有十分重要的生產(chǎn)意義。本研究以越冬死莖率作為小麥抗寒性評價標準，同時結合冬前幼苗生長發(fā)育情況，分析了2018—2019年度國家冬小麥品種抗性鑒定試驗黃淮冬麥區(qū)北片水地組品種在定襄、太谷和遵化三個試點的抗寒性鑒定數(shù)據(jù)，為合理篩選不同抗寒能力品種和進一步對抗寒鑒定試驗做出改進提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地概況

試驗材料共46份(表1)，其中濟麥22為抗寒鑒定對照品種，所有品種均由河南省農(nóng)業(yè)科學研究院小麥研究所提供，參試品種屬黃淮冬麥區(qū)北片水地組，均為冬性和半冬性品種。試驗于2018—2019年度進行，分設山西定襄(Dingxiang,DX)、山西太谷(Taigu,TG)和河北遵化(Zunhua,ZH)三個鑒定點，三點均處于北部冬麥區(qū)。定襄鑒定點位于山西省定襄縣良種場；太谷鑒定點位于山西省太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學申奉實驗基地；遵化鑒定點位于河北省遵化市國家農(nóng)作物品種區(qū)域試驗站。各試驗點地勢平坦，土質均為壤土，肥力均勻，播種前旋耕犁旋地兩遍，播種機作畦，隨作畦施入600 kg·hm-245%的復混肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。播種后各鑒定點麥田管理方法均按常規(guī)管理方式進行管理。

表1 46份抗寒鑒定參試品種名稱Table 1 Names of 46 varieties for cold resistance identification

1.2 試驗設計與數(shù)據(jù)收集

1.2.1小區(qū)設計與樣點確定 試驗采取隨機區(qū)組設計，設三次重復。小區(qū)長3.0 m，寬2.0 m，行距0.3 m，每小區(qū)種植6行，播種密度為3×106株·hm-2。在小麥三葉期，每小區(qū)按三點取樣法(圖1)選定3個樣點，即在每個小區(qū)內選定除邊行外的3行，按對角線每行用竹簽標定出苗均勻的1 m作為樣點。

圖1 田間取樣位置Fig.1 Sampling location in field

1.2.2苗情數(shù)據(jù)調查 參考國家冬小麥品種抗寒性鑒定試驗越冬苗情調查方法：當日平均氣溫穩(wěn)定低于3 ℃時，小麥越冬前分蘗完成，停止生長時在每個小區(qū)1、3樣點內調查冬前分蘗數(shù)，取均值；同時，挖取每個小區(qū)2樣點內的全部麥苗，調查次生根數(shù)，取均值。小麥返青后，尚未出現(xiàn)新分蘗時，將每個小區(qū)1、3樣點內的麥苗全部挖出，分別調查總莖數(shù)和死莖數(shù)，取兩樣點平均值，計算各品種越冬死莖率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理與描述性統(tǒng)計分析。利用IBM SPSS 26.0軟件進行相關性分析、單因素方差分析(One-way ANOVA)和聚類分析(平均聚類法)。采用Origin 2019b 繪制聚類圖、半小提琴圖和箱線圖。

2 結果與分析

2.1 不同環(huán)境下品種凍害發(fā)生情況

對46個參試品種在定襄、太谷和遵化三個環(huán)境下死莖率情況進行描述性統(tǒng)計分析(表2)，發(fā)現(xiàn)在定襄環(huán)境下死莖率平均值高達49.30%，凍害發(fā)生程度最重，死莖率變化范圍從11.65%到100.00%，變異系數(shù)為52.78%；太谷和遵化兩環(huán)境下死莖率情況較為相似，最大值、最小值與平均值均相差較小，但遵化環(huán)境下變異系數(shù)高達81.63%。方差分析(圖2)表明，不同環(huán)境間品種死莖率存在極顯著差異(P<0.001)，即定襄環(huán)境下品種死莖率顯著高于太谷和遵化環(huán)境，但太谷與遵化環(huán)境間無顯著性差異。三個環(huán)境凍害發(fā)生嚴重程度由輕到重依次為遵化(ZH)>太谷(TG)>定襄(DX)。

表2 三個環(huán)境下品種死莖率Table 2 Variety dead stem rate in three environments

2.2 不同環(huán)境下品種越冬前苗情指標分析

對三個環(huán)境下品種冬前苗情指標進行統(tǒng)計分析(表3)，發(fā)現(xiàn)定襄環(huán)境下冬前單株分蘗數(shù)最少，平均僅為3.45個，而太谷環(huán)境為5.36個，遵化環(huán)境為5.87個。太谷環(huán)境下單株分蘗數(shù)變異系數(shù)較高，可達13.62%，約為其余環(huán)境下的兩倍；方差分析(圖3)表明，不同環(huán)境間冬前單株分蘗數(shù)存在極顯著差異(P<0.001)。對于冬前單株次生根數(shù)，定襄環(huán)境下平均值最少(2.42個)，但與太谷環(huán)境平均值(3.43)只相差1.01個，而遵化環(huán)境下單株次生根數(shù)均值高達5.69個，三個環(huán)境下變異系數(shù)無較大差異；三個環(huán)境下冬前單株次生根數(shù)兩兩比較均存在極顯著差異(P<0.001)。綜合兩者來看，三個環(huán)境下冬前幼苗生長發(fā)育情況由好到差依次為遵化(ZH)>太谷(TG)>定襄(DX)。

表3 三個環(huán)境下品種冬前苗情指標Table 3 Seedling conditions of varieties before winter in three environments

注：***表示在P<0.001水平差異顯著；ns表示差異不顯著性。Note:*** indicates significant difference at P<0.001 level;ns indicates no significant difference.圖2 三個環(huán)境下品種死莖率Fig.2 Rate of dead stems in the three environments

2.3 各環(huán)境下苗情指標相關性分析

為探究不同環(huán)境下冬小麥苗情指標間相關關系，利用三個環(huán)境下品種越冬前單株幼苗分蘗數(shù)、單株幼苗次生根數(shù)和冬后死莖率三個指標進行相關性分析(表4)。結果表明，不同環(huán)境間冬后品種死莖率間存在顯著或者極顯著相關性，定襄與太谷間相關系數(shù)為0.317(P<0.05)，定襄與遵化間相關系數(shù)為0.527(P<0.01)，太谷與遵化間相關系數(shù)為0.619(P<0.01)。此外，定襄環(huán)境與遵化環(huán)境間冬前單株次生根數(shù)相關系數(shù)為0.316(P<0.05)。冬前單株分蘗數(shù)在三個環(huán)境間均無顯著相關關系。在相同環(huán)境下，除定襄環(huán)境下冬前單株次生根數(shù)與品種死莖率呈極顯著(P<0.01)正相關外，其余各環(huán)境下冬前單株分蘗數(shù)、冬前單株次生根數(shù)和品種死莖率均無顯著相關關系。

注：***表示在P<0.001水平差異顯著。Note:*** indicates significant differences at P<0.001 level.圖3 三個環(huán)境下品種越冬前苗情數(shù)據(jù)Fig.3 Seedling data before overwintering in the three environments

2.4 利用聚類分析法分析品種抗寒性

由于三個環(huán)境下品種死莖率均呈顯著或極顯著正相關，因此利用其進行聚類分析，結果(圖4)表明，在歐式距離38.36處，46份品種被分為三類：其中Ⅰ類包含28個品種，Ⅱ類包含2個品種，Ⅲ類包含16個品種。對分成的三類品種特征進行分析發(fā)現(xiàn)(圖5)，第Ⅰ類品種在定襄、太谷和遵化環(huán)境下的平均死莖率分別為30.73%、9.69%和7.45%，第Ⅱ類品種在這三個環(huán)境下平均死莖率分別為89.90%、35.67%和34.15，第Ⅲ類品種在這三個環(huán)境下平均死莖率分別為76.72%、11.30%和11.47%。因此，第Ⅰ類品種為抗寒能力較強品種(如菏麥0517-8、良星716和中金麥33等)，第Ⅱ類品種為抗寒能力差品種(邦麥11和金禾13294)，第Ⅲ類品種為抗寒能力中等品種(如良星517、圣麥127和俊達119等)。

圖4 不同品種抗寒表現(xiàn)聚類分析Fig.4 Cluster analysis of cold resistance performance of different varieties

圖5 不同類別品種在三個環(huán)境下抗寒表現(xiàn)Fig.5 Cold resistance performance of different types of varieties in three environments

2.5 與對照品種抗寒能力比較分析

在聚類分析中，對照品種濟麥22被歸為第Ⅰ類。對各環(huán)境下參試品種死莖率與對照品種進行比較(圖6)發(fā)現(xiàn)，死莖率低于對照的品種在定襄環(huán)境下有19個，太谷環(huán)境下有31個，遵化環(huán)境下則只有14個；死莖率高于對照的品種在定襄環(huán)境下有26個，太谷環(huán)境下有14個，遵化環(huán)境下有31個。在三個環(huán)境下死莖率均低于對照品種的有7個品種，編號分別為G3、G8、G9、G10、G15、G16和G27，三個環(huán)境下死莖率均高于對照品種的有10個品種，編號分別為G4、G17、G21、G24、G25、G32、G34、G36、G37和G40。從參試品種與對照品種死莖率對比情況上來看，太谷環(huán)境與定襄、遵化環(huán)境差異較大，死莖率低于對照的品種較多。從死莖率表現(xiàn)來看，對照品種在各環(huán)境下的抗寒性表現(xiàn)較不穩(wěn)定，這可能是由于濟麥22不是針對抗寒性鑒定所選擇的對照品種。因此，抗寒性鑒定對照品種亟待更新，以更適合進行抗寒能力對比。

圖6 三個環(huán)境下參試品種死莖率與對照品種差異Fig.6 Difference of the rate of dead stems between the tested varieties and the CK in three environments

根據(jù)國家冬小麥抗寒性鑒定標準，對死莖率達20.00%以上的品種不予通過抗寒性鑒定。在三個鑒定環(huán)境下，太谷環(huán)境和定襄環(huán)境下各有4個品種死莖率高于20.00%，通過率達91.11%，其中G4(邦麥11)和G21(金禾13294)兩個品種在兩個環(huán)境下均未通過抗寒性鑒定標準；而定襄環(huán)境下僅有5個品種死莖率低于20.00%，通過率僅為8.89%。

3 討論

3.1 小麥冬前苗情對抗寒表現(xiàn)的影響

小麥冬前生長發(fā)育情況對越冬期抗寒性表現(xiàn)至關重要[31]，播期適宜、栽培方法得當有助于冬前形成壯苗，有利于冬小麥順利越冬[32]。一般情況下，越冬前分蘗達4～7個，主莖生長錐發(fā)育至單棱期時小麥抗寒能力較強，不易出現(xiàn)嚴重凍害[33]。越冬前幼苗次生根生長旺盛可滿足小麥在越冬期內對水分的需求，地下分蘗節(jié)保持生理活性，保證植株的安全越冬[34]。本研究中，定襄環(huán)境下冬前生長發(fā)育情況較差(圖3)，實際凍害表現(xiàn)也為所有環(huán)境中最重(圖2)，但相關分析(表4)表明，品種冬前單株次生根數(shù)僅在定襄環(huán)境下與死莖率呈極顯著(P<0.01)正相關關系，推測可能由于定襄凍害表現(xiàn)極為嚴重而導致數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一定相關性，但其他兩環(huán)境下冬前單株次生根數(shù)與各指標均無顯著相關性。綜上所述，冬前單株分蘗數(shù)和冬前單株次生根數(shù)與小麥越冬抗寒表現(xiàn)的關系有待進一步探索與研究。

3.2 從抗寒鑒定環(huán)境出發(fā)對品種抗寒表現(xiàn)的探討

抗寒鑒定參試品種都為黃淮北片冬麥區(qū)品種，只有跨生態(tài)區(qū)鑒定才能體現(xiàn)其抗寒能力[35]。在定襄、太谷和遵化三個環(huán)境下，各品種死莖率呈現(xiàn)不同的分布趨勢(圖2)，定襄環(huán)境下品種凍害最為嚴重，死莖率最高可達100.00%，而其余兩環(huán)境死莖率范圍均大致處于0.00%～40.00%范圍區(qū)間，表現(xiàn)較為相近。北部冬麥區(qū)內部生態(tài)環(huán)境相差較大，全區(qū)可分為燕太山麓平原副區(qū)、晉冀山地盆地副區(qū)與黃土高原溝壑副區(qū)三個副區(qū)，分別對應我國大陸地勢的三個階梯[36]。從地理位置來看，定襄、太谷、遵化三點都屬于北部冬麥區(qū)區(qū)劃范圍，但定襄地區(qū)地處北部冬麥區(qū)和北部春麥區(qū)的交界處，屬于晉冀山地盆地副區(qū)北緣，冬季氣候條件更為惡劣，不利于冬小麥越冬，冬季實際環(huán)境與黃淮冬麥區(qū)北片相差甚大。太谷地區(qū)地處晉冀山地盆地副區(qū)南部，遵化地區(qū)地處燕太山麓平原副區(qū)北部，兩個試點氣候條件較為相似，各品種間凍害表現(xiàn)較定襄環(huán)境下輕，整體苗情表現(xiàn)較為相近。綜合來看，太谷和遵化兩點環(huán)境可為黃淮冬麥區(qū)半冬性品種提供一個較為合適的鑒定環(huán)境，且兩個環(huán)境下各品種表現(xiàn)可相互印證。總之，小麥抗寒鑒定結果的準確性需要在適當氣候環(huán)境條件下多點多年數(shù)據(jù)的支持，單一環(huán)境下的數(shù)據(jù)可能存在諸多影響因素，導致結果出現(xiàn)偏差。

3.3 對照品種的選擇

在進行抗性鑒定實驗時，對照品種的選擇至關重要[37]。一般，對抗性鑒定對照品種的要求是：①在所鑒定性狀上具有較高的相對穩(wěn)定性；②品種具有一定的代表性；③在多環(huán)境下表現(xiàn)的一致性。在抗性鑒定中選擇合適的對照品種可獲得參試品種的抗性評價指標對比基準參數(shù)，克服或校正不同時空與環(huán)境帶來的偏差[38]。本研究中，抗寒性鑒定對照品種濟麥22在太谷環(huán)境下46個鑒定品種中抗寒性表現(xiàn)較差，因此導致太谷環(huán)境下參試品種和對照品種對比情況與定襄、遵化環(huán)境下偏差較大(圖6)，這說明濟麥22作為抗寒性鑒定對照品種在不同環(huán)境下表現(xiàn)不穩(wěn)定。多年來冬小麥抗寒性鑒定對照品種的選擇均以當時的產(chǎn)量試驗對照品種作為標準，所以亟需選擇出在多年多點試驗中表現(xiàn)穩(wěn)定的品種作為抗寒性鑒定試驗專屬對照品種。