黃淮北片冬麥區國家區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.山西農業大學農學院，山西 太谷 030801；2.河北省遵化市農業農村局，河北 遵化 064200；3.山西省晉中市太谷區氣象局，山西 太谷 030800；4.河南省農業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]。冬小麥需經過一段時間的低溫過程才能從營養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不同程度的損傷，直觀表現為葉片枯萎黃化、部分分蘗甚至整體植株死亡[3]，導致麥田群體減少，從而對糧食生產造成嚴重威脅[4]。隨著全球氣候逐漸轉暖，冬小麥種植生態區已出現較為明顯的北移[5-7]，品種結構也隨之發生較大變化，強冬性、冬性品種逐漸被半冬性品種替代。但目前氣候的不穩定性也在逐漸增大，尤其是極端氣候的頻繁出現給小麥穩產性帶來極大隱患[8]，冬季的極端寒潮[9]和冬春交替的倒春寒天氣[10]已成為冬小麥減產的關鍵因素。因此，品種種植結構的轉變可能會增加凍害發生風險，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。根據受凍后植株形態、理化指標、細胞形態[15]及基因位點[16]等方面的表現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安全的根本。根據幼苗生長習性可在一定程度上判別該品種的抗寒能力，冬小麥幼苗根據越冬期植株形態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，發現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的細胞超微結構，發現在低溫馴化期兩品種分蘗節細胞均沒有受損，但強抗寒性品種冬農麥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]，Fr-A2中還包含CBF基因簇[23]，可調節其他低溫響應基因的表達[24]。

從生產實踐角度來看，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]，但從實際凍害表現情況來看，死株率只有在凍害較重時才能較好反映凍害發生程度，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(死亡分蘗數占群體總分蘗數的比率)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境下一般可以正常越冬，但隨著氣候變化的不穩定性逐漸升高，越冬期內受凍害風險也增大[29]。在抗寒鑒定試驗中，一般采用跨生態區種植的方式使各品種抗寒能力充分體現，但鑒定環境不能過分嚴苛，要保證大部分品種受損率在較低范圍內[30]，同時淘汰在相同環境條件下越冬表現極差品種，以此把好品種審定關卡，保障糧食安全生產。

黃淮冬麥區是我國冬小麥主產區，該麥區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，因此對本麥區小麥品種進行抗寒性鑒定具有十分重要的生產意義。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據，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。

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業科學研究院小麥研究所提供，參試品種屬黃淮冬麥區北片水地組，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。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山西農業大學申奉實驗基地；遵化鑒定點位于河北省遵化市國家農作物品種區域試驗站。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 試驗設計與數據收集

1.2.1小區設計與樣點確定 試驗采取隨機區組設計，設三次重復。小區長3.0 m，寬2.0 m，行距0.3 m，每小區種植6行，播種密度為3×106株·hm-2。在小麥三葉期，每小區按三點取樣法(圖1)選定3個樣點，即在每個小區內選定除邊行外的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苗情數據調查 參考國家冬小麥品種抗寒性鑒定試驗越冬苗情調查方法：當日平均氣溫穩定低于3 ℃時，小麥越冬前分蘗完成，停止生長時在每個小區1、3樣點內調查冬前分蘗數，取均值；同時，挖取每個小區2樣點內的全部麥苗，調查次生根數，取均值。小麥返青后，尚未出現新分蘗時，將每個小區1、3樣點內的麥苗全部挖出，分別調查總莖數和死莖數，取兩樣點平均值，計算各品種越冬死莖率。

1.3 數據分析

使用Microsoft Excel 2019進行數據整理與描述性統計分析。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 不同環境下品種凍害發生情況

對46個參試品種在定襄、太谷和遵化三個環境下死莖率情況進行描述性統計分析(表2)，發現在定襄環境下死莖率平均值高達49.30%，凍害發生程度最重，死莖率變化范圍從11.65%到100.00%，變異系數為52.78%；太谷和遵化兩環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，但遵化環境下變異系數高達81.63%。方差分析(圖2)表明，不同環境間品種死莖率存在極顯著差異(P<0.001)，即定襄環境下品種死莖率顯著高于太谷和遵化環境，但太谷與遵化環境間無顯著性差異。三個環境凍害發生嚴重程度由輕到重依次為遵化(ZH)>太谷(TG)>定襄(DX)。

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

2.2 不同環境下品種越冬前苗情指標分析

對三個環境下品種冬前苗情指標進行統計分析(表3)，發現定襄環境下冬前單株分蘗數最少，平均僅為3.45個，而太谷環境為5.36個，遵化環境為5.87個。太谷環境下單株分蘗數變異系數較高，可達13.62%，約為其余環境下的兩倍；方差分析(圖3)表明，不同環境間冬前單株分蘗數存在極顯著差異(P<0.001)。對于冬前單株次生根數，定襄環境下平均值最少(2.42個)，但與太谷環境平均值(3.43)只相差1.01個，而遵化環境下單株次生根數均值高達5.69個，三個環境下變異系數無較大差異；三個環境下冬前單株次生根數兩兩比較均存在極顯著差異(P<0.001)。綜合兩者來看，三個環境下冬前幼苗生長發育情況由好到差依次為遵化(ZH)>太谷(TG)>定襄(DX)。

表3 三個環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 三個環境下品種死莖率Fig.2 Rate of dead stems in the three environments

2.3 各環境下苗情指標相關性分析

為探究不同環境下冬小麥苗情指標間相關關系，利用三個環境下品種越冬前單株幼苗分蘗數、單株幼苗次生根數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為0.317(P<0.05)，定襄與遵化間相關系數為0.527(P<0.01)，太谷與遵化間相關系數為0.619(P<0.01)。此外，定襄環境與遵化環境間冬前單株次生根數相關系數為0.316(P<0.05)。冬前單株分蘗數在三個環境間均無顯著相關關系。在相同環境下，除定襄環境下冬前單株次生根數與品種死莖率呈極顯著(P<0.01)正相關外，其余各環境下冬前單株分蘗數、冬前單株次生根數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 三個環境下品種越冬前苗情數據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現(圖5)，第Ⅰ類品種在定襄、太谷和遵化環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境下抗寒表現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。對各環境下參試品種死莖率與對照品種進行比較(圖6)發現，死莖率低于對照的品種在定襄環境下有19個，太谷環境下有31個，遵化環境下則只有14個；死莖率高于對照的品種在定襄環境下有26個，太谷環境下有14個，遵化環境下有31個。在三個環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，太谷環境與定襄、遵化環境差異較大，死莖率低于對照的品種較多。從死莖率表現來看，對照品種在各環境下的抗寒性表現較不穩定，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。在三個鑒定環境下，太谷環境和定襄環境下各有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)兩個品種在兩個環境下均未通過抗寒性鑒定標準；而定襄環境下僅有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的影響

小麥冬前生長發育情況對越冬期抗寒性表現至關重要[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，主莖生長錐發育至單棱期時小麥抗寒能力較強，不易出現嚴重凍害[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，地下分蘗節保持生理活性，保證植株的安全越冬[34]。本研究中，定襄環境下冬前生長發育情況較差(圖3)，實際凍害表現也為所有環境中最重(圖2)，但相關分析(表4)表明，品種冬前單株次生根數僅在定襄環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極為嚴重而導致數據表現出一定相關性，但其他兩環境下冬前單株次生根數與各指標均無顯著相關性。綜上所述，冬前單株分蘗數和冬前單株次生根數與小麥越冬抗寒表現的關系有待進一步探索與研究。

3.2 從抗寒鑒定環境出發對品種抗寒表現的探討

抗寒鑒定參試品種都為黃淮北片冬麥區品種，只有跨生態區鑒定才能體現其抗寒能力[35]。在定襄、太谷和遵化三個環境下，各品種死莖率呈現不同的分布趨勢(圖2)，定襄環境下品種凍害最為嚴重，死莖率最高可達100.00%，而其余兩環境死莖率范圍均大致處于0.00%～40.00%范圍區間，表現較為相近。北部冬麥區內部生態環境相差較大，全區可分為燕太山麓平原副區、晉冀山地盆地副區與黃土高原溝壑副區三個副區，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區劃范圍，但定襄地區地處北部冬麥區和北部春麥區的交界處，屬于晉冀山地盆地副區北緣，冬季氣候條件更為惡劣，不利于冬小麥越冬，冬季實際環境與黃淮冬麥區北片相差甚大。太谷地區地處晉冀山地盆地副區南部，遵化地區地處燕太山麓平原副區北部，兩個試點氣候條件較為相似，各品種間凍害表現較定襄環境下輕，整體苗情表現較為相近。綜合來看，太谷和遵化兩點環境可為黃淮冬麥區半冬性品種提供一個較為合適的鑒定環境，且兩個環境下各品種表現可相互印證。總之，小麥抗寒鑒定結果的準確性需要在適當氣候環境條件下多點多年數據的支持，單一環境下的數據可能存在諸多影響因素，導致結果出現偏差。

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定性；②品種具有一定的代表性；③在多環境下表現的一致性。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，克服或校正不同時空與環境帶來的偏差[38]。本研究中，抗寒性鑒定對照品種濟麥22在太谷環境下46個鑒定品種中抗寒性表現較差，因此導致太谷環境下參試品種和對照品種對比情況與定襄、遵化環境下偏差較大(圖6)，這說明濟麥22作為抗寒性鑒定對照品種在不同環境下表現不穩定。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穩定的品種作為抗寒性鑒定試驗專屬對照品種。