倒春寒對323份冬小麥種質(zhì)資源影響初探

高振賢 曹巧 單子龍 傅曉藝 韓然 何明琦 史占良 鄭樹松

（1 石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，050041，河北石家莊；2 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，100101，北京）

春季天氣回暖過程中，因冷空氣的侵入，氣溫明顯降低，對作物造成危害，這種“前春暖，后春寒”的天氣稱為倒春寒。倒春寒特殊天氣出現(xiàn)在春季氣溫回升階段，此時小麥進(jìn)入拔節(jié)期或孕穗期，幼穗逐漸遠(yuǎn)離地面，包裹穗的葉鞘變少，處于幼穗分化關(guān)鍵時期，抗低溫能力急劇下降[1]。低溫脅迫影響作物的生產(chǎn)力，尤其是溫帶地區(qū)[2]。植物對寒冷（0℃～15℃）和凍結(jié)（＜0℃）的反應(yīng)不同，植物暴露在低溫而非凍結(jié)環(huán)境中經(jīng)過低溫馴化可以獲得一定的抗凍性[3]。例如，未馴化黑麥在大約-5℃的溫度下被凍死，但經(jīng)過暴露在低溫一段時間后可以在約-30℃低溫環(huán)境中存活[2]。這一提高抗凍性的過程與植物體內(nèi)復(fù)雜的生化反應(yīng)和生理變化有關(guān)[4]。張自陽等[5]研究表明，低溫誘導(dǎo)小麥幼穗可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量上升，幼穗超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性升高。低溫脅迫下蛋白質(zhì)會變性，造成細(xì)胞損傷[6]。小麥耐低溫性是一種多基因控制的數(shù)量性狀，低溫脅迫激活大量冷誘導(dǎo)基因的表達(dá)[7]。不同小麥品種對低溫脅迫的敏感性存在顯著差異[8]，同一品種不同發(fā)育時期受低溫脅迫影響程度也存在差異，如小麥雌雄蕊原基分化期較藥隔分化期和四分體形成期對低溫更敏感[5]。小麥抗倒春寒能力不僅與環(huán)境溫度和低溫持續(xù)時間有關(guān)，還與小麥自身發(fā)育進(jìn)程和遺傳基礎(chǔ)有關(guān)。

前人研究大多是在實驗室中人工模擬低溫凍害，通常是0℃或4℃處理一段時間后開展各種檢測工作，真實的倒春寒發(fā)生時氣候比實驗室條件復(fù)雜多變，溫度和低溫持續(xù)時間都不可控，夜間還伴隨霜凍；另一方面受實驗室空間的影響，處理的小麥品種數(shù)量有限，難以同時對數(shù)以百計的小麥品種進(jìn)行檢測。本研究在倒春寒發(fā)生的特殊年份，及時對種植的323 份國內(nèi)外小麥種質(zhì)資源進(jìn)行凍害和相應(yīng)產(chǎn)量性狀的調(diào)查，依據(jù)缺粒程度進(jìn)行抗凍性分級，利用抗凍性分級對323 份小麥材料進(jìn)行抗凍性評價，篩選出抗倒春寒小麥種質(zhì)，為選育抗倒春寒新品種提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2019-2020 年在河北省石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣試驗站（114°.78'E，37°.76'N）進(jìn)行。土壤為輕壤質(zhì)潮褐土，播前0～20cm 土層含有機(jī)質(zhì)16.48g/kg、全氮1.05g/kg、速效磷30.60mg/kg、速效鉀104.00mg/kg。

1.2 試驗材料與設(shè)計

試驗材料共323 份，其中247 份來自國內(nèi)12個地區(qū)（北京、河北、河南、山東、山西、陜西、江蘇、安徽、四川、云南、浙江、新疆），76 份引自美國（表1）。小麥播種前施尿素（含氮46%）165kg/hm2、磷酸二銨（含氮18%，磷46%）330kg/hm2、硫酸鉀（含鉀50%）120kg/hm2，春季隨灌水追施尿素225kg/hm2。2019 年10 月12 日人工點播種植，行長3m，株距5cm，播種深度3～5cm，分別于冬前、拔節(jié)期和灌漿期灌水，于灌漿期進(jìn)行一噴綜合防治，進(jìn)行常規(guī)田間管理。

表1 323 份小麥品種名稱及倒春寒抗性Table 1 Names of 323 wheat varieties and late spring coldness resistance

1.3 測定項目及方法

1.3.1 穗部抗倒春寒分級 穗部倒春寒抗性分級見圖1，采用圖1 指標(biāo)作為判定倒春寒抗性受害程度標(biāo)準(zhǔn)，0 表示未受凍害，小穗缺粒＜3 個，1 表示穗頂端或底部缺粒4～6 個，2 表示穗兩端缺粒7～10個，3 表示穗部缺粒11～14 個，4 表示穗部缺粒15～20 個，5 表示穗部缺粒20 個以上。

圖1 倒春寒對小麥穗部危害Fig.1 Harm to wheat spike with late spring coldness

1.3.2 小麥生長參數(shù) 單株粒重（g）：小麥成熟后統(tǒng)計單株數(shù)量，全部收獲后稱重，計算平均單株粒重；株高（cm）：小麥灌漿后期測量從地面到主莖穗頂（芒不計算在內(nèi)）的高度；單株分蘗數(shù)：在小麥起身期后期-拔節(jié)前統(tǒng)計10 株小麥總蘗數(shù)，除以單株數(shù)，作為分蘗數(shù)均值；穗小穗數(shù)：取20個穗，分別數(shù)其小穗數(shù)然后求平均數(shù)，計算每穗小穗數(shù)；穗粒數(shù)：取20 個穗脫粒，記錄總粒數(shù)，計算穗粒數(shù)；穗長（cm）：取20 個穗分別量取每穗長度，然后取20 穗的平均值；葉片長度和寬度（cm）：在小麥開花后，取有代表性植株20 株，分別測定旗葉長和寬（葉最寬處），計算平均數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖，用DPS 17.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 特殊年份氣候

石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院趙縣試驗站地屬我國黃淮冬麥區(qū)，屬大陸季風(fēng)氣候，小麥常年返青期在2 月下旬中末期。當(dāng)春季氣溫上升至10℃以上時，因品種間和氣候差異，通常在3 月下旬-4 月上旬小麥陸續(xù)進(jìn)入拔節(jié)期。冬小麥拔節(jié)之后抗寒能力明顯降低，極端低溫出現(xiàn)就會導(dǎo)致倒春寒的發(fā)生，進(jìn)入孕穗期的小麥穗部發(fā)育受到影響，造成減產(chǎn)。趙縣近10 年4 月份最低溫度（圖2）顯示，4 月份天氣逐漸變暖，氣溫呈現(xiàn)逐漸回升態(tài)勢，最低溫度從月初的5.3℃回升到14.1℃。2020 年4 月出現(xiàn)2次極端低溫，分別是4 月9 日和4 月22 日，溫度跌至2℃，尤其是4 月20-23 日持續(xù)低溫，局部地區(qū)發(fā)出寒潮、霜凍藍(lán)色預(yù)警，溫度跌破0℃。受此次倒春寒影響，冀中南地區(qū)大面積種植的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥藁優(yōu)5218 和藁優(yōu)5766 受災(zāi)減產(chǎn)明顯。

圖2 趙縣4 月份溫度Fig.2 April temperature of Zhao county

2.2 小麥抗寒分級及重要農(nóng)藝性狀差異

2020 年4 月20-23 日發(fā)生倒春寒后，調(diào)查冬小麥穗部抗倒春寒分級，由表1 可知，未受凍害（0級）小麥品種93 份，占調(diào)查品種的28.79%；穗頂端或底部缺粒4～6 個（1 級）小麥品種24 份，占調(diào)查品種的7.43%；穗兩端缺粒7～10 個（2 級）小麥品種37 份，占調(diào)查品種的11.46%；穗缺粒11～14個（3 級）小麥品種66 份，占調(diào)查品種的20.43%；穗部缺粒15～20 個（4 級）小麥品種87 份，占調(diào)查品種的26.93%；穗部缺粒20 個以上（5 級）小麥品種2 份，占調(diào)查品種的0.62%。有少數(shù)種質(zhì)材料倒春寒抗性介于2 個級別之間，例如鄭農(nóng)17、長6359 倒春寒級別記為2.5，代表缺粒在7～14 之間；Fielder、徐州24 號、堯麥16 和陜253 倒春寒級別記為3.5，代表缺粒在11～20 之間；鄭麥005、豫保1 號、川麥7201、西農(nóng)2611、鄭麥336、石新733 和豫麥34 倒春寒級別記為4.5，代表缺粒在15～20 個之間或20 個以上。以上結(jié)果表明缺粒范圍分布在0～20 粒以上，說明不同材料穗部倒春寒抗性差異明顯，可選擇倒春寒抗性好的品種作為育種親本。

將不同小麥材料按地區(qū)歸類后分別計算抗寒級別、單株粒重、株高、分蘗數(shù)、穗數(shù)、穗長、小穗數(shù)及與產(chǎn)量密切相關(guān)的旗葉長和寬均值，分析倒春寒對小麥生長后期結(jié)實性和產(chǎn)量的影響。結(jié)果（表2）表明，來自河南、陜西、四川、云南、安徽的品種受凍害嚴(yán)重，倒春寒造成凍害級別3 以上；來自山東、北京、江蘇、新疆的品種受凍害輕，凍害級別2.15 以下（表2）；河北品種凍害介于兩者之間，凍害級別2.90，相對較重。與323 份試驗材料均值相比，我國河北、北京、浙江、安徽、山西和美國小麥單株粒重高于均值20.85g；我國河南、河北、陜西、山東、四川、新疆、江蘇和云南株高低于均值83.97cm；美國小麥品種分蘗數(shù)高于均值18.28 個；我國山西、北京和美國品種的單株穗數(shù)高于均值13.27；我國江蘇、山西、新疆、云南、浙江、四川、安徽和美國穗長高于均值9.46cm；美國，中國北京、山東和陜西小麥小穗數(shù)均值低于19.04；山東、河南、河北、北京和新疆旗葉長度低于均值18.35cm；美國、中國的山西和北京的旗葉寬度低于均值1.62cm。以上結(jié)果表明，不同地區(qū)小麥品種倒春寒抗性和重要農(nóng)藝性狀在河北表現(xiàn)差異明顯，說明長期馴化過程中，不同地區(qū)小麥品種具有適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的農(nóng)藝特性，同時提示我們根據(jù)育種目標(biāo)針對性選擇不同地區(qū)育種親本來改良本地品種，有利于促進(jìn)小麥重要農(nóng)藝性狀的改良。

表2 不同地區(qū)小麥倒春寒分級和農(nóng)藝性狀統(tǒng)計Table 2 Statistics of late spring coldness grading and agronomic characters of wheat in different regions

2.3 小麥抗寒性與重要農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

對調(diào)查的323 份小麥倒春寒抗性級別與產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表3）表明，倒春寒抗性級別與單株粒重、株高、分蘗數(shù)、穗數(shù)、穗長和旗葉長呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.3582、-0.5469、-0.5277、-0.4942、-0.1386 和-0.2090；與小穗數(shù)和旗葉寬呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.2290 和0.3506。說明倒春寒影響冬小麥分蘗數(shù)和穗數(shù)的提高，雖然與小穗數(shù)呈正相關(guān)，但是缺?，F(xiàn)象嚴(yán)重，最終導(dǎo)致單株粒重降低；具有較高株高、較長穗長和窄長旗葉類型小麥表現(xiàn)出較好的倒春寒抗性。

表3 小麥抗倒春寒分級和農(nóng)藝性狀相關(guān)性Table 3 Correlation between grading of late spring coldness and agronomic characteristics in wheat

2.4 抽穗期、開花期與倒春寒級別的關(guān)系

調(diào)查了323 份小麥品種的抽穗期和開花期，分別將抽穗期和開花期與倒春寒分級進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表4）表明，倒春寒等級與抽穗期和開花期成負(fù)相關(guān)，R分別為-0.9325 和-0.8947，其中50.15%的材料抽穗期集中在4 月27 日-4 月30 日，較常年推遲5～7d。多數(shù)小麥品種抽穗越早受倒春寒影響越重，即便沒有在凍害期間抽穗，凍害一樣發(fā)生。通常情況下小麥抽穗期和開花期存在極顯著的正相關(guān)[9]，本試驗中也發(fā)現(xiàn)，多數(shù)小麥品種開花越早受倒春寒凍害影響越重，開花期在4 月30 日之前品種占49.85%，倒春寒級別都在3 以上。以上結(jié)果表明，發(fā)育遲緩的小麥材料受此次倒春寒影響較小。

表4 抽穗期、開花期和抗寒分級關(guān)系Table 4 Relationship between heading stage,flowering stage and cold resistant grade

2.5 黃淮麥區(qū)不受倒春寒影響的小麥品種

特殊年份中篩選出黃淮麥區(qū)完全未受倒春寒影響的小麥材料23 份，來源于北京、河北、山東、山西和陜西材料分別為4、3、10、4 和2 份（表5）。這些多數(shù)是非早抽穗的，但是同時也發(fā)現(xiàn)，在凍害期或凍害期前后4 月23-25 日期間抽穗的品種，如農(nóng)大3214、京411、晉麥47 完全沒有受倒春寒影響，說明抗倒春寒的特性受不同的遺傳途徑控制。

表5 未受倒春寒影響的小麥品種Table 5 Wheat varieties that had not affected by late spring coldness

3 討論

3.1 抗倒春寒分級

本研究中倒春寒發(fā)生時（4 月20-23 日）不同小麥種質(zhì)穗部發(fā)育處于不同階段，323 份小麥種質(zhì)抽穗期分布在4 月18 日-5 月6 日，灌漿中期發(fā)現(xiàn)此次倒春寒導(dǎo)致不同小麥種質(zhì)穗部缺?，F(xiàn)象差異明顯，為了便于比較，根據(jù)穗部缺粒情況制定抗倒春寒的等級標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)方便有效地將323 份材料分為5 個等級。薛輝等[10]用低溫處理與正常處理結(jié)實率比值作為抗寒性表型鑒定依據(jù)，謝鳳仙等[8]直接用結(jié)實率比較小麥品種抗倒春寒能力大小。利用結(jié)實率和缺粒多少作為抗倒春寒表型鑒定依據(jù)各有其優(yōu)缺點，結(jié)實率數(shù)據(jù)直觀反映穗部結(jié)實情況，對于調(diào)查品種較多時，根據(jù)缺粒多少進(jìn)行分級具有直觀和方便、快捷的優(yōu)點?？梢愿鶕?jù)具體試驗情況，選用合適的方法鑒定小麥抗倒春寒能力。

3.2 倒春寒對農(nóng)藝性狀的影響

靖金蓮等[11]研究發(fā)現(xiàn)，倒春寒嚴(yán)重時導(dǎo)致小麥千粒重和株高顯著降低，孫方等[12]調(diào)查結(jié)果顯示，小麥在拔節(jié)初期遇到倒春寒（氣溫低于0℃）主莖分蘗會凍死，拔節(jié)和孕穗期單株穗數(shù)和穗粒數(shù)較千粒重對低溫更為敏感[13]，孕穗期低溫脅迫導(dǎo)致小麥穗部變短，基部和頂部小穗發(fā)育受阻[14]。本次試驗結(jié)果和前人的研究結(jié)果相似，倒春寒凍害級別與單株粒重、株高、分蘗數(shù)、穗長和穗數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與小穗數(shù)呈正相關(guān)（表3）。除此之外，本試驗中首次檢測到倒春寒凍害級別與旗葉長呈顯著負(fù)相關(guān)，與旗葉寬呈極顯著正相關(guān)，推測細(xì)長的旗葉有助于包裹幼穗，提高小麥抗倒春寒的能力。目前，河北審定小麥品種旗葉趨同化明顯，旗葉寬短、上沖，與河北氣候條件類似的山東品種旗葉整體較河北細(xì)長，小麥抗春寒的能力優(yōu)于河北的品種數(shù)量也較多（表5），該研究結(jié)果需要進(jìn)一步驗證。

3.3 品種間差異

試驗中發(fā)現(xiàn)不同小麥品種的抗倒春寒能力差異明顯，一方面與小麥所處的發(fā)育時期有關(guān)，另一方面與小麥自身遺傳特性有關(guān)。323 份小麥種質(zhì)資源抽穗期分布在4 月18 日-5 月6 日之間，跨度達(dá)26d，倒春寒發(fā)生時小麥穗部處于不同的發(fā)育階段，本試驗中發(fā)現(xiàn)多數(shù)小麥品種抽穗越早受倒春寒凍害影響越重，抽穗后沒有葉鞘的保護(hù)，低溫加速花粉和胚珠發(fā)育異常，花藥大小和可育花粉粒減少，從而降低了結(jié)實率[15]。同時發(fā)現(xiàn)，農(nóng)大3214、京411、晉麥47 在凍害期或凍害期前后4 月23-25 日期間抽穗的品種也沒有受凍。已知在花粉發(fā)育的早期階段，花藥是最強(qiáng)的代謝場所，大量的糖被運輸?shù)交ㄋ幰灾С职l(fā)育[16]，推測這幾個品種在該發(fā)育階段同化物向花藥的供應(yīng)能力較強(qiáng)，增加了可育小花的數(shù)量，Serrago 等[17]研究也揭示了基部小穗妊娠小花與千粒重以及開花時碳水化合物含量之間存在正相關(guān)。

4 結(jié)論

根據(jù)缺粒數(shù)量對323 份不同小麥種質(zhì)資源的抗倒春寒能力進(jìn)行有效區(qū)分，抗寒級別在0～4.5 級之間，該方法對于調(diào)查品種較多時，具有直觀和方便快捷的優(yōu)點。倒春寒凍害級別與單株粒重、株高、分蘗數(shù)、穗長和穗數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與小穗數(shù)呈正相關(guān)。不同小麥品種的抗倒春寒能力差異明顯，有的種質(zhì)與其所處的發(fā)育時期有關(guān)，有的小麥種質(zhì)與自身遺傳特性有關(guān)，即便處于穗發(fā)育的關(guān)鍵時期，仍完全不受倒春寒影響。