黃淮麥區小麥品種抗倒春寒鑒定及其評價方法構建

方宇輝,齊學禮,張 煜,李 艷,趙明忠,胡 琳,許為鋼

(河南省作物分子育種研究院/河南省小麥生物學重點實驗室/河南省麥類種質資源創新與改良重點實驗室/神農種業實驗室,河南鄭州 450002)

倒春寒是指每年2月中下旬至4月上中旬降溫幅度高達6～10 ℃的現象。該階段是小麥拔節至孕穗的關鍵時期,如遭遇倒春寒將會對幼穗分化和結實產生十分不利的影響,是小麥生產上危害最嚴重的春季低溫氣象災害之一[1]。近年來黃淮麥區倒春寒現象頻繁發生[2],如2013年3月中下旬至4月上旬,黃淮麥區發生大范圍的倒春寒天氣,導致河南、安徽、山東等省的小麥減產嚴重,受災面積達總播種面積的41.8%,對小麥生產造成極大損失[3]。

倒春寒可使植株產生大量活性氧自由基,導致膜脂過氧化[4],最終造成細胞和組織損傷甚至死亡[5]。在低溫脅迫過程中,小麥會通過誘導新蛋白質的合成[6]、滲透調節物質含量增加[7]以及抗氧化酶活性增強[8]等生理反應,來減輕或消除低溫產生的不利影響。分析低溫脅迫下生理指標的變化是判斷小麥抗寒性的重要依據。隸屬函數法是根據模糊數學原理[9],通過計算多項指標的隸屬函數值,可較為準確地反映出品種間的抗寒性差異,在小麥[10]、茶樹[11]、甘蔗[12]等植物中均有應用。鐘秀麗等[13]研究表明,不同類型小麥品種的抗寒性鑒定,宜在低溫敏感期進行。

黃淮麥區是中國生態條件最適宜小麥生長的地區,以種植半冬半春性小麥為主。不同地理微生態條件下,同一品種的抗寒性差異較大,在不同地區缺乏統一的抗寒性鑒定方法。前人研究認為,小麥在冬季的抗寒性與品種的冬春性相關,而在春季的抗寒性與品種的發育進程[14]以及體內生理指標密切相關[15-16]。本研究以黃淮麥區11個代表性小麥品種為材料,分析小麥遭遇倒春寒后,不同幼穗發育時期小麥的受凍害情況以及體內生理指標的變化狀況,在此基礎上形成小麥抗倒春寒綜合評價方法,以期為小麥品種抗倒春寒鑒定和品種選育提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗選用的黃淮麥區11個代表性品種及其育成單位如表1所示。材料于2015-2016年在河南省農業科學院原陽試驗基地進行盆栽種植,盆直徑30 cm,盆高35 cm,每盆裝土15 kg,土壤取自0～30 cm大田耕層,土壤基礎養分含量為堿解氮78.2 mg·kg-1、速效磷23.8 mg·kg-1、速效鉀115.8 mg·kg-1。于2015年10月15日進行播種,每盆點播20穴,三葉期定苗10株,將盆埋于試驗田中,盆內土壤與盆外大田齊平。常規栽培管理。

1.2 試驗方法

待盆栽小麥麥穗發育至二棱期(Ⅰ)、小花分化期(Ⅱ)、雌雄蕊分化期(Ⅲ)、藥隔期(Ⅳ)和四分體期(Ⅴ)時,分別將試驗材料移至人工氣候室進行低溫處理。氣候室溫度設置為白天0 ℃(8:00-20:00),夜間-3 ℃,溫度變幅為±0.5 ℃,白天采用人工光源補光,光照強度為600 μmol· m-2·s-1。低溫處理6、12和18 h后,取小麥主莖幼穗進行凍害級別調查及第1片展開葉生理指標測定,以未處理植株的幼穗和葉片為對照(CK)。低溫處理結束后,將盆栽小麥埋于田間直至成熟收獲。

1.2.1 幼穗凍害級別調查

經低溫處理后的小麥品種,選取低溫處理后長勢均勻一致的植株,每個品種取3株,用解剖針將小麥主莖和分蘗幼穗剝開后,依據崔金梅等[17]和劉平湘等[18]的方法在Olympus體視顯微鏡下觀察小麥幼穗發育進程,并記錄幼穗在二棱期(Ⅰ)、小花分化期(Ⅱ)、雌雄蕊分化期(Ⅲ)、藥隔期(Ⅳ)和四分體期(Ⅴ)時的受凍害等級。

1.2.2 生理指標測定

采用考馬斯亮藍G-250染色法[19]測定可溶性蛋白含量;采用蒽酮比色法[19]測定可溶性糖含量;采用氮藍四唑(NBT)光化還原法[19]測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用過氧化氫法[20]測定過氧化氫酶(CAT)活性;采用硫代巴比妥酸(TBA)反應法[20]測定丙二醛(MDA)含量。于小麥成熟后,統計有效穗數、穗粒數,測定單株產量和千粒重。

1.3 抗倒春寒性狀評價指標

1.3.1 性狀相對值

用公式(1)[10]計算性狀相對值Xj,作為評價材料抗寒性的指標。

相對值(Xj) = (低溫處理下某一指標測定值/對照測定值) ×100%

(1)

1.3.2 隸屬函數值

參考模糊數學中的隸屬函數法,用公式(2)和(3)計算各供試材料相對性狀的隸屬函數值[21]。

u(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)(與抗寒性呈正相關的指標)

(2)

u(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)(與抗寒性呈負相關的指標)

(3)

式中,u(Xij)為i樣品j性狀的隸屬函數值,Xij為i樣品j性狀的相對值,Xmax和Xmin分別為該指標的最大相對值和最小相對值。

1.3.3 綜合評價值

用公式(4)[22]計算供試小麥材料的春季抗寒性綜合評價值(Di)。

Di=∑u(Xij)/n

(4)

式中,Di為i材料的平均隸屬函數值,n為測定指標數,Di值越大,表明抗寒性越強。

1.4 數據處理

用Microsoft Excel 2007軟件進行數據統計及作圖,用DPS 7.05軟件進行方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 小麥品種的抗倒春寒鑒定結果

2.1.1 幼穗不同發育時期低溫處理下小麥品種的受凍害情況

從表2可以看出,在二棱期、小花分化期、雌雄蕊分化期、藥隔期和四分體期,11個代表性小麥品種隨著低溫處理時間的延長,幼穗凍害等級均逐步提高。在藥隔期達到最高,隨后在四分體期有所降低,說明藥隔期是小麥對低溫脅迫最敏感的時期。

表2 幼穗不同發育時期低溫處理下小麥的凍害級別Table 2 Cold damage level of young ear under different development stages of low temperature treatments

低溫處理后周麥18、周麥22、山東20和淮麥33的幼穗凍害等級較高,而矮抗58、石麥19、良星99和鄭麥7698的幼穗凍害等級則相對較低。周麥18和矮抗58在幼穗藥隔期經過低溫處理12 h和18 h后的小穗表型見圖1,其中周麥18在低溫處理18 h后均呈現組織失水和組織粘連的現象。

A和C:周麥18和矮抗58經低溫處理12 h后的小穗表型;B和D:周麥18和矮抗58經低溫處理18 h后的小穗表型。白色箭頭指示組織失水,紅色箭頭指示組織粘連。A and C: Spike phenotypes of Zhoumai 18 and Aikang 58 at 12 h after cold treatment; B and D: Spike phenotypes of Zhoumai 18 and Aikang 58 at 18 h after cold treatment. White arrow indicates tissue water loss, and red arrow indicates tissue adhesion.圖1 藥隔期小麥品種幼穗在不同低溫時間的表型Fig.1 Phenotype of young spike of wheat variety after different low temperature duration at anther connective stage

2.1.2 幼穗不同發育時期低溫處理下小麥葉片生理指標的測定結果

從表3可以看出,與對照處理(低溫處理0 h)相比,二棱期低溫處理后小麥葉片的可溶性蛋白和可溶性糖含量、SOD和CAT活性在不同處理時間均有所增加(除低溫處理18 h的可溶性蛋白含量有所降低外),且均在處理12 h后達到峰值;而MDA含量均有所下降,在處理12 h后最低。說明小麥在二棱期積累了大量滲透調節物質,使細胞滲透勢增強,同時有更強的抗氧化能力去清除低溫脅迫時積累的活性氧自由基,維持細胞質膜的穩定性和完整性,也說明二棱期不屬于低溫敏感期。進一步對小花分化期、雌雄蕊分化期、藥隔期和四分體期低溫處理后小麥葉片的生理指標進行分析,發現與對照處理相比,小花分化期低溫處理6 h后小麥葉片的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、CAT活性和SOD活性的平均增幅明顯高于其他三個時期,分別為46.80%、54.05%、35.07%和52.73%,MDA含量的平均降幅也明顯低于其他三個時期,為34.75%。而在藥隔期低溫處理18 h后,小麥葉片的可溶性糖含量、CAT活性、SOD活性的平均降幅明顯高于其他三個時期,分別為32.33%、38.22%和45.20%;可溶性蛋白含量的平均降幅為24.32%,與雌雄蕊分化期的平均降幅(降幅最大,為25.68%)較為接近;而MDA含量的平均增幅明顯高于其他三個時期,為84.73%。說明在藥隔期低溫處理后,滲透調節物質含量和保護酶活性降低,MDA大量積累,導致小麥植株抗寒能力減弱,也說明藥隔期對倒春寒更為敏感。

表3 不同時期低溫處理下小麥品種的生理指標平均值Table 3 Average values of physiological indices of wheat varieties with low temperature treatments at different stages

在藥隔期低溫處理6 h和12 h后,小麥葉片的可溶性糖含量平均增幅均明顯大于可溶性蛋白含量的平均增幅,低溫處理18 h后,小麥葉片的可溶性糖含量平均降幅也明顯大于可溶性蛋白含量的平均降幅;抗氧化酶類SOD和CAT的活性在低溫處理6 h后均呈上升趨勢,且SOD活性平均增幅明顯大于CAT活性的平均增幅,而在低溫處理12 h和18 h后,SOD活性的平均降幅明顯大于CAT活性的平均降幅;MDA含量的變化與滲透調節物質含量和抗氧化酶活性的變化成反比,且隨著低溫處理時間的延長,其含量也在不斷增加。綜上,可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量可作為小麥春季抗寒性鑒定的生理指標。

2.1.3 藥隔期低溫處理后幼穗凍害等級和葉片生理指標的相關性

對藥隔期低溫處理不同時間后的小麥幼穗凍害等級和葉片生理指標進行相關性分析,發現幼穗凍害等級和低溫處理12 h后的可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量之間相關性均達到極顯著水平,相關系數分別為-0.824、0.822和-0.847。因此,低溫處理12 h后葉片中可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量可用于評價小麥的抗寒性。

2.2 藥隔期抗倒春寒性狀生理指標綜合評價

根據藥隔期低溫處理12 h后測得的可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量的生理指標,計算其隸屬函數值,將各處理水平下的隸屬函數值平均后得到綜合評價值(D值)。從表4可以看出,11個代表性小麥品種的生理指標隸屬值在同一低溫條件下差異較大,低溫脅迫后供試品種的D值在0.10～0.92之間,其中矮抗58最高,周麥18最低。根據D值,可將供試品種分為三類,第一類為抗寒性強的品種(0.65

表4 藥隔期低溫處理12 h后不同小麥品種生理指標的隸屬函數值和綜合評價值Table 4 Subordinative function values of different indexes and comprehensive evaluation values of different wheat varieties after low temperature treatment for 12 h at anther connective stage

2.3 藥隔期低溫處理后抗倒春寒小麥品種的產量及其構成驗證

從表5可以看出,藥隔期經過低溫處理不同時間后,11個小麥品種的產量及其三要素均有所降低。在低溫處理6、12和18 h后,產量降幅最大的品種分別是周麥18、周麥22和淮麥33,分別為28.67%、48.89%和62.95%,與CK間均達顯著水平;降幅最小的品種分別是良星99、鄭麥7698和矮抗58,分別為7.22%、21.53%和26.01%,其中低溫處理6 h后良星99的產量與CK間差異不顯著。

表5 藥隔期低溫處理后不同小麥品種的產量及其構成要素Table 5 Yield and its components of different wheat varieties after low temperature treatment at anther connective stage

單株穗數在低溫處理6 h后,降幅最大的品種為石麥22,降幅為17.24%;在低溫處理12和18 h后,降幅最大的品種均為周麥18,降幅分別為29.62%和40.74%。穗粒數在低溫處理6、12和18 h后,降幅最大的品種分別是山農20、安農0711和山農20,降幅分別為16.53%、21.49%和32.08%。千粒重在低溫處理6 h和12 h后,降幅最大的品種均為周麥22,降幅為17.93%和29.40%;在低溫處理18 h后,降幅最大的品種為淮麥33,降幅為40.28%。

低溫處理6、12和18 h后,所有供試小麥品種單株穗數的平均降幅分別為6.51%、12.90%和18.78%;穗粒數的平均降幅分別為6.11%、11.15%和15.99%;千粒重的平均降幅分別為7.65%、16.11%和21.85%;產量的平均降幅分別為18.74%、35.06%和46.81%。由此可見,隨著低溫處理時間的延長,所有小麥品種的產量及其構成要素均逐步降低,而且低溫對千粒重的影響更大。

3 討論

倒春寒是春季低溫回暖后的突然降溫[23],常發生在小麥拔節期,該時期是小麥生長發育的關鍵時期[17],對溫度變化十分敏感[24-25]。鐘秀麗等[13]和吳青霞等[26]利用人工氣候室研究發現,藥隔期可作為小麥春季抗寒性鑒定的敏感時期。本研究也發現,藥隔期低溫處理后小麥幼穗受損程度最高,各項生理指標大幅下降,也說明藥隔期可作為春季抗寒性鑒定的生育期指標。

植物在冷脅迫下可積累可溶性糖、可溶性蛋白等大量滲透調節物質,增加細胞液濃度以防止原生質體因結冰造成的傷害,從而保證細胞膜的穩定性和完整性,在小麥抗寒過程中起重要作用[5,27-28]。本研究在人工氣候室對黃淮麥區11個代表性品種進行春季抗寒性鑒定,結果表明,藥隔期小麥葉片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的變幅均明顯高于其他幼穗發育時期;并通過比較發現,藥隔期低溫處理后可溶性糖含量的變幅大于可溶性蛋白含量,說明可溶性糖含量受低溫影響更大,因此可溶性糖含量可作為抗寒性鑒定的生理指標之一。

在低溫脅迫下,SOD、CAT等抗氧化酶能夠清除植物體內多余的活性氧自由基或超氧陰離子,防止膜系統受損,保證植物體的正常生長發育[8, 29]。本研究發現,藥隔期低溫處理18 h后,小麥葉片CAT和SOD活性的平均降幅最大,分別為38.22%和45.20%,由于保護酶的大幅下降導致小麥抗寒能力減弱,小麥幼穗受損程度也最大;進一步比較發現,藥隔期低溫處理后,SOD活性的平均變幅明顯高于CAT活性,說明SOD活性在抗寒機制中發揮的作用更積極,因此SOD活性也可作為小麥抗寒性鑒定的生理指標之一。

植物體內的MDA含量可反映細胞膜在逆境脅迫下的破壞程度,且抗寒性強的品種MDA含量低于抗寒性弱的品種[30]。本研究發現,與幼穗其他發育時期相比,藥隔期低溫處理18 h后小麥葉片的MDA含量平均增幅最大,為84.73%,推測原因是,低溫處理后隨著抗氧化酶的積累,小麥抗氧化能力有所增強,但隨著低溫處理時間的延長,活性氧的積累與清除的平衡被打破,引發脂膜過氧化產生MDA,表明MDA可作為小麥抗寒性鑒定的生理指標之一。

Ji等[31]研究發現,低溫處理下小麥單株產量的降低主要是由于每份材料的穗粒數減少。高 艷等[32]研究發現,孕穗期倒春寒造成的減產主要是因為穗粒數的降低。陳貴菊等[33]在藥隔期對不同品種進行低溫處理,發現隨著處理時間的延長,品種結實率顯著下降,造成生育期推遲并縮短灌漿時間,最終導致千粒重下降。本研究在藥隔期經過低溫處理后,所有小麥品種的產量及其三要素均有所降低,而且低溫對千粒重的影響更大。這與陳貴菊等[33]的研究結果相一致。

前人研究表明,低溫處理下小麥品種的可溶性糖、可溶性蛋白和MDA含量以及SOD和CAT活性等生理指標存在較大差異,主要與品種自身生理特性、發育時期和處理時間有關[10, 26,31]。本研究表明,二棱期低溫處理18 h后小麥葉片的可溶性糖含量降低,其余不同處理時間的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD活性和CAT活性均有不同程度的增加;MDA含量在低溫處理12 h后,降幅最大。在小花分化期、雌雄蕊分化期、藥隔期和四分體時期低溫處理后,小麥葉片的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD活性和CAT活性隨低溫處理時間的延長呈現出先升高后下降的變化趨勢,MDA含量則與之相反。不同品種的生理指標值變化范圍較大,計算各指標的相對性狀值,則可消除品種自身遺傳特性和品種對照值差異的影響[10-12]。

隸屬函數法是基于指標相對性狀值,在測定多項指標的基礎上來綜合評價植物的抗逆性[21-22],為小麥抗寒性的綜合評價提供了一種有效方法。本研究采用該方法對不同小麥品種進行抗倒春寒生理指標綜合評價,發現11個代表性品種在低溫處理后產量的降幅與品種抗寒綜合評價值基本符合,即抗寒綜合評價值高的品種在低溫處理后產量降幅較低,具有更高的抗寒性。為驗證盆栽試驗可靠性,本課題組于2015-2016年度同時在河南、河北、山東和安徽四個地區,進行自然條件下11個品種的田間抗倒春寒鑒定試驗,在2月15日和3月10日兩次溫度驟降8～10 ℃后,調查葉片凍害等級并測定所有品種的生理指標,利用隸屬函數法對品種抗寒性進行綜合評價,其評價值與葉片凍害等級基本吻合。本研究結果表明,通過隸屬函數法綜合值去衡量小麥品種的抗寒性是可靠的,在實際抗寒育種工作中可采用此方法進行小麥品種的抗寒性鑒定或評價。