5份新引進(jìn)的人工合成六倍體小麥農(nóng)藝及生理性狀的評價(jià)

宋全昊，金 艷，宋佳靜，白 冬，陳 杰，趙立尚，朱統(tǒng)泉

(1. 駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 463000，中國河南駐馬店；2. 國際玉米小麥改良中心, 埃爾巴丹 6-641 06600 墨西哥)

小麥?zhǔn)且环N適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣泛的世界性糧食作物[1]。黃淮麥區(qū)是我國最大的小麥適宜生產(chǎn)區(qū)域，小麥常年種植面積約1 530 萬 hm2，其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)對我國糧食安全具有重要作用[2]。近年來育種家在追求高產(chǎn)目標(biāo)時(shí)，大量使用骨干親本選育新品種，如周麥16、濟(jì)麥22及其后代品種被廣泛應(yīng)用。這種方式和育種路線一定程度上保證了小麥品質(zhì)及產(chǎn)量性狀的優(yōu)選，但卻使大量品種在形態(tài)上和遺傳上趨于相似，降低了遺傳多樣性，造成了現(xiàn)有品種遺傳基礎(chǔ)狹窄[3]，使小麥產(chǎn)量很難取得大的突破，也使品種對不良環(huán)境及病蟲害的抵抗能力降低甚至喪失。因此，提高種質(zhì)資源的遺傳多樣性對挖掘小麥產(chǎn)量潛力、增強(qiáng)品種的廣適性與綜合抗性具有重要意義[4]。

小麥近緣種屬中蘊(yùn)藏著豐富的基因資源。粗山羊草是小麥D基因組的供體，在進(jìn)化過程中積累了豐富的品質(zhì)、抗病、抗旱、抗熱等優(yōu)異基因，在莖、葉、穗、種子等農(nóng)藝性狀上有著豐富的遺傳多樣性和功能適應(yīng)性。很多國內(nèi)外學(xué)者通過模擬普通小麥起源過程，利用四倍體小麥與粗山羊草雜交、染色體加倍手段獲得了六倍體人工合成小麥(synthetic hexaploid wheat,SHW)[5]。與普通小麥相比,SHW存在大量的優(yōu)良等位變異，在轉(zhuǎn)錄組水平具有新的表達(dá)特征,其遺傳多樣性更高，抗病性更廣泛[6-7]。節(jié)節(jié)麥與四倍體小麥合成的六倍體小麥RSP能夠表達(dá)出節(jié)節(jié)麥的抗穗發(fā)芽特性，其由位于2D染色體上隱性單基因起作用[8]。節(jié)節(jié)麥含有豐富HMW-GS的Glu-1Ds類型，由1s+12.1s、1.5ts+12.4s、2s+12.1s、2.1s+11s的亞基構(gòu)成，說明節(jié)節(jié)麥在品質(zhì)方面具有豐富的等位基因變異[9]。我國從CIMMYT引進(jìn)了大量的SHW及其衍生系，并在抗病性、高分子量谷蛋白亞基組成、加工品質(zhì)等方面做了一些初步研究[10-11]。四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用SHW育成了高抗條銹病小麥品種川麥42，其產(chǎn)量達(dá)6 130.00 kg·hm-2，說明利用SHW可將供體種的抗病、優(yōu)質(zhì)等有利性狀轉(zhuǎn)育到普通小麥中[12]。雖然SHW擴(kuò)大了小麥育種的遺傳基礎(chǔ),在小麥育種中被寄予厚望，但其綜合農(nóng)藝性狀差，性狀的遺傳特點(diǎn)也研究較少，影響了其在育種中的利用[13]。

光合作用是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。作物葉片的光合速率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[14]。作物體內(nèi)90%～95%的干物質(zhì)來源于光合作用，因而如何提高光合效率已經(jīng)成為作物研究中的熱點(diǎn)問題[15]。在當(dāng)前小麥常規(guī)育種對產(chǎn)量提高不是很明顯的情況下，創(chuàng)制和篩選高光效材料將是提高作物產(chǎn)量的有效途徑[16-17]。研究表明，小麥旗葉衰老每延遲1 d，可使小麥增產(chǎn)1.3%[18]。盡管國內(nèi)外對小麥進(jìn)化材料的光合作用進(jìn)行了較多的報(bào)道，探討了不同近緣種和普通小麥光合差異的機(jī)制[19]，但關(guān)于SHW農(nóng)藝、光合特性，尤其是在普通小麥育種應(yīng)用情況，目前尚未完全探明。因此，評價(jià)SHW的農(nóng)藝和光合生理性狀特點(diǎn)，明確其遺傳規(guī)律與利用價(jià)值，對促進(jìn)種質(zhì)資源創(chuàng)新及其在小麥遺傳育種中的應(yīng)用具有重要意義。本研究利用從 CIMMYT 引進(jìn)的5份SHW同自主選育的黃淮麥區(qū)國審小麥新品種駐麥762進(jìn)行雜交、回交，構(gòu)建5個(gè)BC2回交群體，通過對這些材料的農(nóng)藝性狀和生理特性進(jìn)行調(diào)查和分析，明確不同類型材料的特點(diǎn)，以期能夠創(chuàng)制出更多的橋梁材料，為SHW在黃淮麥區(qū)小麥遺傳育種的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

5份SHW(SHW1、SHW2、SHW3、SHW4、SHW5)來源于國際小麥玉米改良中心(CIMMYT)。駐麥762是駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主選育的國審半冬性品種，抗性好，株高較低，豐產(chǎn)性穩(wěn)定，具有黃淮麥區(qū)品種典型特征。本試驗(yàn)以駐麥762為母本，以5份SHW為父本，進(jìn)行雜交和兩次回交，分別構(gòu)建了5個(gè)群體大小為250株左右的回交群體(BC2-SHW1、BC2-SHW2、BC2-SHW3、BC2-SHW4、BC2-SHW5)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在國家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系駐馬店試驗(yàn)站(32.59′N，114.2°E)和陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院的試驗(yàn)田(34.7′N, 108.4°E)進(jìn)行。于2018-2019、2019-2020年兩個(gè)小麥生長季節(jié)，將5份SHW材料、5個(gè)對應(yīng)回交群體、駐麥762手工單粒點(diǎn)播種植在試驗(yàn)田中。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4行區(qū)，行長 2.00 m，行距0.30 m，株距0.10 m，設(shè)置3次重復(fù)。小麥肥水管理與病蟲害防治同大田生產(chǎn)。

1.3 農(nóng)藝性狀測定

收獲前每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取20個(gè)植株，調(diào)查株高、穗下節(jié)、穗下莖、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、單株分蘗、旗葉面積、千粒重、收獲系數(shù)、生物量和產(chǎn)量。

1.4 光合參數(shù)的測定

分別在拔節(jié)期、抽穗期、開花期和灌漿期，選擇晴朗無風(fēng)的上午9:00-11:30進(jìn)行旗葉光合參數(shù)測定。使用 Li-6400XT(Li-Cor Inc，USA)光合測定系統(tǒng)，選取受光方向基本一致的健康旗葉的中部，測定凈光合速率、蒸騰速率等參數(shù)，光強(qiáng)設(shè)置為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，葉室溫度為20 ℃，每份材料測定5片旗葉，取平均值。瞬時(shí)水分利用效率通過光合速率與蒸騰速率相除計(jì)算。用 SPAD-502 測定相對葉綠素含量(Minolta Camera Co. Ltd，Japan)，選取旗葉的上、中、下三個(gè)部位測定，求平均值；每個(gè)材料隨機(jī)測定20片。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)匯總后，利用數(shù)據(jù)分析軟件 SAS 9.2(SAS Institute，USA)的DUUCAN模塊對人工合成六倍體小麥材料、駐麥762、回交群體的各性狀進(jìn)行方差分析和0.05顯著水平的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 SHW及其回交后代農(nóng)藝性狀特點(diǎn)

調(diào)查結(jié)果(表1)表明，5份SHW、駐麥762、BC2間各農(nóng)藝性狀均有較大差異，且年際間表現(xiàn)不同。其中，SHW的株高較高，顯著高于BC2，而BC2高于駐麥762，但BC2-SHW1和BC2-SHW5的株高與駐麥762無顯著差異；SHW的穗下節(jié)長于BC2和駐麥762，除第二年BC2-SHW5外，其余BC2的穗下節(jié)顯著長于駐麥762；SHW的穗下莖長于BC2和駐麥762，BC2-SHW2、BC2-SHW3、BC2-SHW5的穗下莖與駐麥762無顯著差異；SHW的穗長兩年間均顯著大于BC2和駐麥762，除2018-2019年的BC2-SHW4穗長小于駐麥762外，其余BC2的穗長均大于駐麥762；SHW的旗葉面積較大，不同BC2和駐麥762之間的差異性不盡相同；與駐麥762相比，SHW具有較高的生物量，BC2的生物量較駐麥762有所提高。

2.2 SHW及其回交后代產(chǎn)量性狀特點(diǎn)

從產(chǎn)量相關(guān)性狀(表2)看，SHW的單株分蘗顯著多于駐麥762，BC2的單株分蘗能力較駐麥762有了較大的提升；SHW的小穗數(shù)較少，除SHW2外，整體表現(xiàn)為駐麥762> BC2> SHW；SHW的穗粒數(shù)明顯少于駐麥762，BC2的穗粒數(shù)比SHW有了較大提高；SHW千粒重變化范圍為36.28～50.13 g，其中SHW3和SHW4的千粒重較駐麥762高，BC2除了2019-2020年BC2-SHW3千粒重較雙親都低之外，其余均表現(xiàn)出了雙親的中間值；SHW的收獲系數(shù)顯著低于駐麥762，BC2收獲系數(shù)較SHW有了顯著提升；SHW的單株產(chǎn)量顯著低于駐麥762，部分BC2較SHW有不同程度增產(chǎn)，其中BC2-SHW1在2019-2020年增產(chǎn)顯著。

2.3 SHW及其回交后代相對葉綠素含量(SPAD值)特點(diǎn)

測定結(jié)果(圖1)表明，從拔節(jié)至抽穗期，駐麥762的SPAD值高于SHW和BC2(2019-2020年SHW2、SHW5除外)；SHW的SPAD值多數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，部分材料在年際間存在差異，如SHW5；80%的BC2群體的 SPAD值介于雙親之間，少數(shù)低于雙親，如BC2-SHW2。抽穗至開花期，駐麥762的SPAD值呈下降趨勢；部分SHW的SPAD值呈現(xiàn)上升趨勢，如SHW4及2018-2019年 SHW1、SHW2和SHW3；80%的BC2的SPAD值呈現(xiàn)上升趨勢，且群體BC2-SHW1和BC2-SHW4，2018-2019年的BC2-SHW3和 BC2-SHW5的SPAD值達(dá)到4個(gè)測定時(shí)期的峰值；開花至灌漿期，駐麥762的SPAD值表現(xiàn)為上升趨勢，但整體較SHW和BC2低；SHW的SPAD值較高，BC2的SPAD值整體來說比SHW低，但大于駐麥762。綜上，SHW開花以后的SPAD值較高，這一性狀可以在部分BC2中穩(wěn)定遺傳；不同SHW的SPAD值變化趨勢不同，在灌漿期都高于駐麥762；BC2的SPAD值受雙親的影響不同，但開花后整體比駐麥762高。

表1 SHW材料、駐麥762、回交群體的農(nóng)藝性狀比較Table 1 Comparison of morphological relative agronomic traits of SHW lines, Zhumai 762 and backcross populations

表2 SHW材料、駐麥762、回交群體的產(chǎn)量性狀比較Table 2 Comparison of field relative agronomic traits of SHW lines, Zhumai 762, and backcross populations

圖中的BC2分別指BC2-SHW1(A和F)、BC2-SHW2(B和G)、BC2-SHW3(C和H)、BC2-SHW4(D和I)和BC2-SHW5(E和J)。

2.4 SHW及其回交后代光合速率特點(diǎn)

在拔節(jié)期，SHW的凈光合速率高于駐麥762，除SHW3外差異均達(dá)到顯著水平；2019-2020年BC2-SHW2和2018-2019年BC2-SHW3的凈光合速率較雙親均低，其余BC2表現(xiàn)為雙親的中間值。在抽穗期，駐麥762較SHW表現(xiàn)出相對較高的凈光合速率，BC2較雙親都低。在開花期，除SHW5外，其余SHW的凈光合速率顯著高于駐麥762和BC2，BC2最低。在灌漿期，凈光合速率表現(xiàn)為SHW≥駐麥762≥BC2(表3)。綜合來看，SHW在拔節(jié)期、開花期、灌漿期有明顯的光合優(yōu)勢，但是BC2的光合速率從抽穗期開始就明顯低于雙親，說明人工合成麥的光合速率優(yōu)勢沒有穩(wěn)定遺傳到后代群體中。

表3 SHW材料、駐麥762、回交群體的凈光合速率比較Table 3 Comparison of photosynthetic rate among SHW lines,Zhumai 762,and backcross populations μmol CO2·m-2·s-1

2.5 SHW及其回交后代瞬時(shí)水分利用效率特點(diǎn)

駐麥762在拔節(jié)期和開花期具有最高的瞬時(shí)水分利用效率，而SHW則在拔節(jié)期較高，開花期到灌漿期呈持續(xù)上升的趨勢(表4)。BC2中，BC2-SHW1、BC2-SHW4、BC2-SHW5表現(xiàn)出與駐麥762相同的趨勢，而BC2-SHW2、BC2-SHW3則表現(xiàn)出來與SHW親本相同的趨勢，即開花后瞬時(shí)水分利用效率持續(xù)升高。在拔節(jié)期，除2018-2019年BC2-SHW1和BC2-SHW3之外，表現(xiàn)為SHW> BC2>駐麥762。抽穗期的瞬時(shí)水分利用效率較拔節(jié)期大幅下降，相比于駐麥762，SHW與BC2的瞬時(shí)水分利用效率降幅更大，駐麥762的瞬時(shí)水分利用效率最高。開花期，除了2019-2020年SHW3及其BC2的瞬時(shí)水分利用效率較駐麥762低之外，其余材料間均無顯著性差異，整體上駐麥762的瞬時(shí)水分利用效率較高。灌漿期， SHW的瞬時(shí)水分利用效率顯著高于駐麥762與BC2，除2019-2020年BC2-SHW1，其余BC2處于雙親之間。這表明SHW在拔節(jié)期和灌漿期有較高的瞬時(shí)水分利用效率，人工合成材料在拔節(jié)期和生育后期可能有較好的抗旱能力，且這一性狀可以遺傳給后代回交群體。

表4 SHW材料、駐麥762、回交群體的瞬時(shí)水分利用效率比較Table 4 Comparison of water use efficiency between SHW lines, Zhumai 762, and backcross populations μmol·mmol-1

3 討 論

黃淮麥區(qū)現(xiàn)有小麥育成品種的多樣性低，品種間的相似度高。 對黃淮麥區(qū)的 263 個(gè)小麥品種(系)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，株高、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重的變異系數(shù)范圍為4.21%～15.09%，整體變異幅度不大，遺傳多樣性不高[4]。在利用SSR引物分別對67份美國冬小麥品種和17份黃淮麥區(qū)的小麥品種分析的結(jié)果中，美國小麥品種共檢測到443個(gè)等位變異，單個(gè)引物位點(diǎn)的等位變異為2～24個(gè)，平均每個(gè)位點(diǎn)8.10個(gè)，而黃淮麥區(qū)小麥品種僅檢測到266個(gè)等位變異，單個(gè)引物位點(diǎn)的等位變異為2～9個(gè)，平均每個(gè)位點(diǎn) 4.82個(gè)[20]。采用分子標(biāo)記對引自美國的44份冬小麥品種和我國黃淮麥區(qū)的44份冬小麥品種的分析結(jié)果也顯示，美國冬小麥品種的遺傳多樣性大于我國黃淮地區(qū)冬小麥品種[21]。品種遺傳相似性的增加會(huì)引起病害加重，制約今后突破性品種的育成[1]，因此創(chuàng)新種質(zhì)資源、提高遺傳多樣性，迫在眉睫。

3.1 人工合成小麥種質(zhì)的利用

利用SHW通過雜交、回交的手段育成的川麥38、川麥42等具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗條銹等特點(diǎn)的品種，現(xiàn)已成為四川省及我國小麥高產(chǎn)、抗條銹育種的重要優(yōu)異基因資源，展示了SHW在現(xiàn)代小麥育種改良中的重要意義[22-23]。 通過分子生物學(xué)技術(shù)分析，川麥42中提高籽粒產(chǎn)量相關(guān)的基因位點(diǎn)Xbarc1183-4DL來源于SHW的D基因組，說明SHW作為橋梁資源對拓寬普通小麥 D 基因組遺傳多樣性具有巨大價(jià)值[5]。本研究表明，SHW及其衍生的回交群體產(chǎn)量沒有優(yōu)勢，株高、株高相關(guān)性狀以及收獲系數(shù)低等是其不利因素，但是SHW的穗長、分蘗等優(yōu)勢可以促進(jìn)普通小麥的改良，一些材料的高千粒重可以遺傳到回交群體中。

3.2 人工合成小麥的相對葉綠素含量

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，在光吸收中起核心作用。研究表明，二倍體小麥葉片葉綠素含量顯著高于四倍體和六倍體小麥[24]。本研究中，駐麥762、SHW、回交群體葉片SPAD值相差很大，而駐麥762的SPAD值兩年間變化趨勢相對一致，抽穗到開花期出現(xiàn)快速下降，開花期之后又出現(xiàn)上升趨勢；不同的SHW葉綠素含量變化趨勢不同，在灌漿期都高于駐麥762。這表明SHW在開花以后有較高的葉綠素含量，與其較好的光合能力、衰老較慢的特點(diǎn)相對應(yīng)，這一性狀可以在部分回交群體中遺傳。

3.3 人工合成小麥的光合特點(diǎn)

光合作用是植物進(jìn)行物質(zhì)積累與生理代謝的基礎(chǔ)，光合效率的高低與作物光合產(chǎn)物積累、產(chǎn)量潛力發(fā)揮以及品質(zhì)優(yōu)劣密切相關(guān)[25]。光合遺傳研究是作物雜種優(yōu)勢評價(jià)、光合特性改善、種質(zhì)資源開發(fā)和利用的重要基礎(chǔ)，也是作物遺傳育種研究中的一個(gè)新領(lǐng)域[11,15]。如，二倍體黑麥的光合能力下降較慢，光合功能期最長，可以用來改善普通小麥的光合特性，達(dá)到提高產(chǎn)量的目的[26]。本研究表明，不同SHW的光合速率變化規(guī)律存在差異。SHW兩年的光合速率變化趨勢不同，說明SHW的光合速率受年際間環(huán)境變化的影響。駐麥762的光合性狀穩(wěn)定性比SHW高，SHW在灌漿期有較高的光合速率，SHW灌漿期的高葉綠素含量和光合效率有利于積累更多的干物質(zhì)，從而獲得較高生物量，這與湯永祿等[11]得到的 SHW 和其衍生品種花后冠層葉片持綠期較長、群體光合效率較高的結(jié)果一致，也與尚莉等[27]提出葉綠素能夠增加光合產(chǎn)物、又能夠延長葉片的功能期、從而積累較多的有機(jī)物質(zhì)的觀點(diǎn)類同。本試驗(yàn)還表明，回交群體在灌漿期整體表現(xiàn)出高于駐麥762的光合速率，這與葉綠素含量相呼應(yīng)，進(jìn)一步說明SHW高的旗葉光合特性可以遺傳到回交群體中。

3.4 人工合成小麥的瞬時(shí)水分利用效率

較高的瞬時(shí)水分利用效率是作物抗旱性的一個(gè)重要指標(biāo)，其遺傳改良可以實(shí)現(xiàn)將抗旱性和豐產(chǎn)性統(tǒng)一于一體。Huang 等[28]報(bào)道，粗山羊草具有高的水分利用效率。本研究結(jié)果顯示，多數(shù)SHW的瞬時(shí)水分利用效率從抽穗期開始隨著生長發(fā)育而呈逐漸上升的趨勢，并在灌漿期保持了較高的值，且這一特點(diǎn)可以在回交群體中得到遺傳，說明SHW材料整體具有一定的抗旱性優(yōu)勢，并可以用于普通小麥的抗旱性改良。本研究中，雖然SHW在灌漿期依然保持了較高瞬時(shí)水分利用效率與光合速率，但是其產(chǎn)量水平卻比駐麥762低，這或許與其生育期長、成熟期晚、脫粒困難、穗粒數(shù)少、收獲系數(shù)低有關(guān)，因此要想對SHW的高光效和高水分利用率進(jìn)行利用，還需要進(jìn)行大量的篩選和馴化。

4 結(jié) 論

對5份新引進(jìn)的SHW、駐麥762及其相應(yīng)的BC2群體的綜合性狀進(jìn)行調(diào)查分析，BC2群體可以實(shí)現(xiàn)SHW的高分蘗力、高生物產(chǎn)量和駐麥762的多花多實(shí)特性、矮稈特性、高收獲系數(shù)等性狀的聚合，明確了SHW株高較高，小穗數(shù)、穗粒數(shù)、收獲系數(shù)及產(chǎn)量較低等較差的綜合農(nóng)藝性狀不利于普通小麥的性狀的改良，但其分蘗能力較強(qiáng)的整體特征，部分材料具有較高的千粒重等優(yōu)點(diǎn)(如SHW3、SHW4)，可以作為中間材料來拓寬普通小麥種質(zhì)資源。因此，SHW在灌漿期葉片有較豐富的葉綠素含量，較高的光合速率和瞬時(shí)水分利用效率，可以用于普通小麥育種中光合能力提升及抗旱性改良。