小麥品種(系)延綠性的遺傳變異及其特征

呂國鋒，范金平，劉業宇，張伯橋，高德榮，王 慧，吳素蘭，程 凱，王秀娥

(1.南京農業大學，江蘇南京 210095；2.江蘇里下河地區農業科學研究所，國家小麥改良中心揚州分中心，江蘇揚州 225007)

小麥籽粒產量的70%都來自于開花后冠層光合器官碳水化合物的生產，葉片生理活性變化對籽粒灌漿有重要影響，并最終影響籽粒產量。小麥延綠型基因型不僅可增加產量[1-5]，還可增加熱脅迫[6]和限制水分[7-8]環境下的穩產性，而穩定表達的延綠種質是利用延綠性進行小麥產量改良的前提條件。

有關小麥延綠基因型的報道多是生理和遺傳研究方面，如雜交小麥品種XN901[1]，川農12、川農17和川農18[9]，YM66[10]，豫麥66和濰麥8號[4,11]，SeriM82[12]，魯原301、濰麥8號和山農62G[13]，汶農6號[5]，Ningmai 9[14]，EMS突變體SG3[15]和tasg1[16]，Reeder[17]，Chirya 3和Chirya 7[18]，Beaver[19]，Venter[20]，Yangmai 6和Ning 8201[6]。這些結果只反映單個品種的延綠性，不能代表小麥品種延綠的整體狀況。目前針對小麥延綠種質的大規模系統鑒定較少。陳朝儒等[21]通過對我國黃淮麥區23個小麥品種(系)的1年鑒定，認為阿勃、鄭農16號、邯6172等9個品種為延綠型。Ahlawat等[22]對36個小麥品種在適播和遲播下進行鑒定，發現只有WH147和MLU2為延綠高度表達的品種。Joshi等[18]對來自印度和CIMMYT的1 407份小麥種質連續3年的鑒定，其中僅有2.2%屬延綠型。Kumari 等[23]連續3年對963份來自CIMMYT和印度種質在遲播條件下進行鑒定，其中約5.5%為延綠品系。

長江中下游麥區小麥生長期間降雨多，加之為稻麥輪作區，易發生濕害，濕害加速葉片衰老，降低小麥產量。本研究通過在田間自然高濕環境下對中國不同麥區近年來育成品種(或品系)延綠性的連續田間鑒定，了解中國小麥當前應用品種在高濕環境下延綠性的遺傳變異狀況，篩選延綠性穩定表達的種質，闡明高濕環境下小麥葉片衰老過程的特點，以期為小麥育種和遺傳研究提供材料和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及方法

2012-2014年對我國長江中下游冬麥區、黃淮冬麥區、北方冬麥區、西南冬麥區近年來育成的47個品種(系)(表1)的延綠性在田間進行鑒定。

試驗在我國高降雨典型地區江蘇里下河地區農業科學研究所萬福試驗基地進行。田間試驗采用隨機區組設計，重復3次，5行區，行長1.33 m，行距0.23 m，小區面積1.84 m2。每公頃基本苗120萬株，播種期為10月25日-10月28日，處于長江下游地區小麥的適播期。施肥、病、蟲、草防除以及田間管理同大田生產。

1.2 返青至成熟期的氣象條件

2012年籽粒灌漿期間平均溫度≥30 ℃的天數遠多于2013年和2014年，抽穗后的高溫是影響2012年試驗品種旗葉衰老的重要氣象因素。2013年抽穗至成熟降雨量遠多于2012年和2014年，降雨量大導致的田間濕害脅迫是影響2013年試驗品種葉片衰老的重要氣象因素。2014年高溫天數集中在5月25日-5月31日生理成熟后的脫水階段，高溫天數少，降水量適宜，是小麥籽粒灌漿的適宜環境。

1.3 延綠性狀測定

以小區50%穗的中部小穗開花記為該小區的開花期。每個小區選擇生長一致、開花期相同的4個單株的主莖穗掛牌標記。從開花后10 d，每隔4 d對每個標記單株采用目測法估計旗葉的相對綠色葉面積百分比(percent of green leaf area，%GLA)，并參考Pask等[24]對小麥葉片衰老分級的標準進行記錄，直至旗葉完全黃化。以開花期旗葉的綠色葉面積為100%，10%為一個等級，完全黃化的綠色葉面積為0。

表1 試驗品種Table 1 Varieties used in the study

表2 2012-2014年小麥返青至成熟期間的積溫、降雨量和≥30 ℃天數Table 2 Accumulated temperature,amount of precipitation and number of days over 30 ℃ from returning green to mature during the 2012-2014 experimental periods

1.4 數據分析

試驗數據的錄入和存放采用EXCEL 2007。數據的統計分析采用Matlab2010b。選取數據完整的3個標記單株的%GLA算術平均值為小區此日齡下的%GLA，3個重復%GLA的算術平均值為品種此日齡的%GLA。采用Matlab中的fcm函數，以品種開花后不同日齡旗葉的%GLA為變量對品種的延綠性進行聚類分析。采用Matlab中的anova1和mutlcompare函數，對試驗品種的延綠性分別進行方差分析和多重比較。采用Matlab中的cftool工具箱用Gompertz模型的通用方程[25]y=ae-e-b(x-c)對不同延綠型品種總體和單個試驗品種開花后旗葉%GLA的下降過程進行擬合，y為某日齡下旗葉的%GLA(%)，x為開花后天數(d)，a，b和c為方程系數，其中a與旗葉%GLA的初始值有關，b與衰老速度有關，c為達到最大衰老速度的時間，為衰老速度變化最大時的日齡。對日齡(x)進行正態標準化處理。

對Gompertz方程求一階導數，得旗葉%GLA的衰減速率(R)方程：

R=dy/dt=abeb(c-x)/eeb(c-x)

進一步求二階導數，得旗葉%GLA衰減速率變化率R'方程：

R′=d2y/d2x=ab2e2b(c-x)/eeb(c-x)-ab2e2b(c-x)/eeb(c-x)

令R′=0時，求得的x值即為旗葉衰老速率達到最大值的時間(TMRS)，TMRS=c。 將TMRS帶入衰減速率(R)方程即可得到旗葉衰老的最大速率(MRS)，MRS =ab/e。假定旗葉%GLA為理論最大值的1%時為葉片完全衰老，此時日齡為葉片衰老的終止期(x3)，x3=c-[log(-log0.01) ]/b。設定旗葉開花期葉齡x0=0，則x3與x0的差值為旗葉綠色葉面積的持續期(GLAD)，GLAD=c-[log(-log0.01) ]/b。設定開花期旗葉的%GLA為理論最大值，則旗葉衰老平均速度(ARS)=-99a/GLAD。

2 結果與分析

2.1 小麥品種延綠性的分類

以小麥開花后不同日齡下旗葉的%GLA為變量對試驗品種(系)進行聚類分析，3年中品種(系)根據延綠程度不同均可分成4類，分別為延綠型、中等延綠型、中等早衰型和早衰型。不同年份品種(系)的延綠性表達程度不同，因而同一延綠型所包含的品種(系)數量不同(表3)。2012年和2013年延綠型品種(系)所占比例低于2014年，主要是2012年抽穗后的高溫脅迫和2013年濕害脅迫強度大于2014年，降低了品種(系)的延綠性表達程度。

表3 2012 -2014年47個品種(系)延綠性分類Table 3 Clustering results based on stay green performance of 47 tested cultivars(lines) in 2012 -2014 growing seasons

CP02-8-5-6-2-1、天民668、川農16和川麥60三年都表現為延綠型；川麥107和泰山046219表現為2年延綠型，1年中等延綠型。上述6個品種(系)多數年份延綠性穩定表達，為延綠型品種(系)，占全部品種(系)的12.77%。

玉麥1號、川農18、川麥42表現為1年延綠型，2年中等延綠型；內江966195、西農509、石家莊8號和石4185表現為3年中等延綠型；川育21526、揚麥20、平安7號、蕘麥16、揚麥18、寧麥18表現為2年中等延綠型，1年中等早衰型；新麥19、矮抗58、綿麥367、揚麥15、西農558 表現為2年中等延綠或延綠型，1年表現為中等早衰或早衰型。上述18個品種(系)多數年份表現為中等延綠型，屬于中等延綠型材料，占試驗品種(系)的38.30%。

山農19和淮麥25表現為2年中等早衰型，1年中等延綠型；洛麥23和鎮麥9號連續3年表現為中等早衰型；泛麥06050、洛麥21、安農0305、濟麥22表現為2年中等早衰型，1年早衰型；云麥53、揚輻麥4號、皖科06290和陜農33表現為1年中等延綠型，1年中等早衰型，1年早衰型。這12個品種(系)多數年份表現為中等早衰型，屬于中等早衰型材料，占試驗品種(系)的25.53%。

石麥12、淮麥33、揚麥16、邯6172、偃展4110、新麥26和淮麥28表現為1年中等早衰型，2年早衰型；百農898表現為1年中等延綠型，2年早衰型；揚麥9號、阜麥8號、泰山455連續3年表現為早衰型。此11個品種(系)多數年份表現為早衰型，屬于早衰型材料，所占比例為23.40%。

2.2 小麥旗葉衰老過程的特征

試驗結果(表4)表明，試驗品種(系)旗葉的TMRS3年均表現為延綠型>中等延綠型>中等早衰型>早衰型，不同延綠型品種(系)間存在顯著差異；最大衰老速度(MRS)表現為早衰型>中等早衰型>延綠型>中等延綠型，不同延綠型品種(系)間無顯著差異；綠色葉面積持續期(GLAD)表現為延綠型>中等延綠型>中等早衰型>早衰型，2012年延綠和中等延綠型品種(系)間無顯著差異，但顯著大于中等早衰和早衰型品種(系)，2013和2014年不同延綠型間存在顯著差異；平均衰老速度(ARS)表現為早衰型>中等早衰型>中等延綠型>延綠型，2012年延綠和中等延綠型品種(系)間無顯著差異，其他年份不同延綠型品種(系)間存在顯著差異。

不同年度品種(系)旗葉的衰老特征不同，延綠、中等延綠、中等早衰和早衰型品種(系)的TMRS均表現為2014年>2013年>2012年，MRS表現為2013年>2014年>2012年，GLAD表現為2014年>2013年>2012年，ARS表現為2012年>2013年>2014年。2014年返青至抽穗積溫高，試驗品種(系)的開花期早于2012和2013年，抽穗后的高溫和濕害脅迫小于2012和2013年，因此試驗品種(系)在2014年的TMRS和GLAD大于2012和2013年，而ARS小于其他年份相應延綠型品種(系)。

表4 2012-2014年不同延綠型品種(系)旗葉衰老過程特征參數的比較Table 4 Comparison of flag leaf senescence parameters of the tested varieties(lines) with different type of stay green performance during 2012 -2014 growing seasons

從表5可以看出，除MRS外，2012-2014年試驗品種(系)生育后期旗葉的%GLA與TMRS、GLAD和ARS均呈極顯著正相關，表明旗葉衰老特征參數可以反映品種(系)旗葉生育后期的持綠程度。2012年%GLA25與旗葉衰老特征參數的相關系數大于%GLA20和%GLA30與旗葉衰老特征參數的相關系數，2013年%GLA30與旗葉衰老特征參數的相關系數大于%GLA25和%GLA35與衰老特征參數的相關系數，2014年%GLA35與TMRS、MRS、GLAD和ARS的相關系數大于%GLA30和%GLA40與旗葉衰老特征參數的相關系數，表明開花后25 d、30 d和35 d分別是2012、2013和2014年試驗品種(系)旗葉衰老的關鍵時期。

品種(系)GLAD取決于衰老起始時間和速度，TMRS和MRS是反映快速衰老到達時間和速度的參數。從表6可以看出，3年度TMRS、MRS與GLAD均呈極顯著相關，但TMRS與GLAD的相關系數遠大于MRS與GLAD的相關系數，表明TMRS對品種(系)GLAD的影響大于MRS。2012和2013年試驗品種(系)的TMRS和MRS存在弱的相關性，2014年兩者間無顯著相關性，表明TMRS和MRS是2個相對獨立的因素共同影響小麥葉片的衰老過程。

表5 2012-2014年品種(系)生育后期%GLA和旗葉衰老參數間相關系數Table 5 Correlation coefficients among the last three %GLA at late grain-filling stage and flag leaf senescence parameters for tested varieties(lines) in 2012-2014 growing seasons

不同年度旗葉衰老過程參數的方差分析表明，TMRS、GLAD和ARS在品種(系)和年度間均存在極顯著的差異，說明品種(系)TMRS、GLAD和ARS的變異同時受基因型和環境影響；MRS在品種(系)間差異不顯著，但年度間達到極顯著差異，表明MRS變異主要受環境影響。

表6 2012-2014年品種(系)旗葉衰老參數間相關系數Table 6 Correlation coefficients between flag leaf senescence parameters of the tested varieties(lines) in 2012-2014 growing seasons

表7 試驗品種(系)旗葉衰老參數的方差分析Table 7 ANOVA analysis for flag leaf senescence parameters of the tested varieties(lines) in 2012-2014 growing seasons

3 討 論

3.1 環境對小麥延綠性表達的影響

小麥葉片的衰老主要受日齡控制[26]，干旱、高溫、營養缺乏等環境脅迫會誘導葉片提前衰老或加速葉片衰老[27]。我國長江中下游麥區籽粒灌漿期間的濕害和高溫是影響小麥葉片衰老的主要環境脅迫。本研究中2012年小麥抽穗后≥30 ℃的高溫天數明顯多于2014年，其延綠型品種(系)比例低于2014年。2013年抽穗后高溫和濕害脅迫降低試驗品種(系)旗葉延綠的表達程度，其延綠型品種(系)比例不僅低于2014，還低于2012年，高濕高溫脅迫對小麥葉片延綠性的抑制程度大于高溫脅迫。環境脅迫強度不同是品種(系)延綠性年度間變化的重要原因。本研究中多數品種(系)的延綠性在年度間存在差異，如中等延綠型品種(系)新麥19、矮抗58、綿麥367、揚麥15等3年分屬不同的延綠型。2012年小麥白粉病發生重，綿麥367和揚麥15由于白粉病抗性較弱，葉片提前死亡，表現為早衰型，而其他2年表現則為中等延綠和延綠型。2013年田間濕害脅迫強度大，造成黃淮麥區品種(系)新麥19和矮抗58延綠性表達程度下降，表現為中等早衰型，而其他2年表現為中等延綠和延綠型。品種(系)對病害脅迫和環境脅迫的敏感性差異造成品種(系)延綠性表達的差異，因此多年或多環境鑒定，才能準確鑒定品種(系)的延綠性。

3.2 小麥品種(系)延綠性的變異

穩定表達的延綠種質是延綠性能否通過育種手段得到利用的前提條件。本研究中47個試驗品種(系)的延綠性存在顯著差異，表明我國主要麥區當前生產應用品種(系)的延綠性存在廣泛變異。其中，我國西南冬麥區延綠或中等延綠型品種(系)最多，如川麥107、川農18、川農16、川麥60、玉麥1號、川麥42、內江966195、川育21526和綿麥367。除川農18外[28]，其他品種(系)的延綠性未見報道，川農18的延綠性可能來自黑麥的1RS易位片段[29]，其在我國西南冬麥區和長江中下游冬麥區均表現出穩定的延綠性，表明其延綠性表達受環境影響較小。由于易位系的1RS在雜交分離過程不與小麥染色體發生重組，而是作為整體遺傳，這為利用川農18延綠基因提供便利。除川育21526和川農16外，西南麥區的延綠或中等延綠型品種(系)均為非T1BL·1RS品種(系)，表明小麥中存在除T1BL·1RS外的其他控制小麥延綠的遺傳因素。

黃淮冬麥區或北方冬麥區的品種(系)CP02-8-5-6-2-1、天民668、泰山046219、西農509、石家莊8號、平安7號、石4185、蕘麥16、矮抗58和西農558在本研究中表現為延綠或中等延綠型，這些品種(系)的延綠性未見報道。陳朝儒等[21]研究結果中表現為延綠型的邯6172在本研究中表現為早衰型，但其僅為1年結果，不足以充分確定品種(系)的延綠型。YM66[4,10,11]和濰麥8號[4,11,13]是多個小麥延綠生理研究中的試驗材料，在本試驗未涉及，這2個品種(系)在揚州高降雨環境下的延綠性有待進一步研究。

長江中下游冬麥區的品種(系)中揚麥20、揚麥18、寧麥18、揚麥15為中等延綠型品種(系)，揚輻麥4號和鎮麥9號為中等早衰型品種(系)，揚麥9號和揚麥16為早衰型品種(系)，表明長江中下游冬麥區目前生產上缺少延綠性表達強而穩定的品種(系)。從系譜分析，揚麥18、寧麥18和揚輻麥4號均為寧麥9號衍生品種(系)，鎮麥9號、揚麥9號和揚麥16為揚麥158(或揚麥5號)衍生品種(系)，寧麥9號衍生品種(系)的延綠性高于揚麥158(或揚麥5號)衍生品種(系)。寧麥9號葉片葉綠素含量高，光合作用能力下降慢[14]，根據Thomas等[27]的分類應為延綠型，揚麥18、寧麥18和揚輻麥4號的延綠性可能來自于寧麥9號。姜鵬等[30]對寧麥9號衍生品種(系)(系)的研究表明，揚麥18、寧麥18和揚輻麥4號與寧麥9號的遺傳相似系數分別為0.857、0.825和0.539，揚輻麥4號含有寧麥9號的遺傳成分最低，這可能是揚輻麥4號的延綠性低于寧麥18和揚麥18的原因。

3.3 小麥衰老過程的特征

Thomas等[27]把植物延綠分為功能型和非功能型延綠，其中功能型延綠分為葉片衰老起始時間延遲和衰老速度正常的A型，以及衰老起始時間正常和衰老速度緩慢的B型。Gregersen等[31]把功能型延綠分為衰老起始正常和速度慢的類型、衰老起始延遲和正常速度的類型、衰老起始延遲和速度慢的類型，衰老起始延遲和速度快的類型，衰老起始時間和衰老速度的不同組合均可達到延綠。本研究結果表明，與衰老起始時間相關的TMRS和衰老速度相關的MRS都與GLAD都存在顯著的相關性，但GLAD與TMRS的相關系數遠大于MRS，TMRS對品種(系)旗葉的延綠程度貢獻大于MRS。TMRS的變異同時受基因型和環境影響，MRS變異主要受環境影響，因此育種可通過TMRS的選擇進行小麥延綠性的選擇。