應對極端天氣頻發的小麥新品種選育方法
——以龍堂一號為例

閆 勇 ，宋 雷 ，宋印明 ，趙佳佳 ，李曉華 ，鄭 軍

（1.中國農業大學 曲周實驗站，河北 曲周 057250；2.曲周縣農業農村局，河北 曲周057250；3.山西農業大學 小麥研究所，山西 臨汾 041000）

小麥是主要糧食作物之一，其高產穩產是糧食生產的重點，也是科研工作的重點。種子是農業生產的起點，也是保障國家糧食安全的基石，更是現代農業發展的生命線。我國是人口大國，如何保證糧食安全、生產安全、供給安全，始終是我們面臨的嚴峻挑戰。近年來，隨著全球氣候變暖的影響，極端天氣增多，高溫干旱、低溫凍害、霜凍害等自然災害頻發，嚴重影響作物生長發育、降低作物品質和產量，給糧食生產安全帶來嚴重威脅[1-3]。有研究表明，極端氣候造成全球小麥和玉米產量分別下降3.8%和5.5%[4]；1980年代起，我國近30 a 的氣候變化使小麥、玉米和大豆產量分別下降1.27%、1.73%和0.41%[5]，極大地抵消了育種和栽培水平的增益效果。近年來，高溫、干旱和強降水等極端天氣事件進一步加劇。2021年，我國北方的秋汛，導致0.073 億hm2冬小麥晚播；2022年的暖春降低了晚播的影響，但在我國南部長江中上游的冬麥區，如湖北、江蘇的一些地方，連續降雨導致大量麥田浸泡在5 cm 深的水中[6]。2023年5月下旬河南等北方麥區出現大范圍降雨，導致灌漿期小麥光照不足、千粒質量下降；西南地區冬春連旱，導致云南和貴州等地夏糧單產下降，全國小麥產量平均5 491.5 kg/hm2，比2022年減少64.5 kg/hm2[7]。黃淮麥區是我國小麥的重要產區，常年種植面積在0.133 億hm2左右，小麥產量占全國小麥總產量的2/3[8]。因此，應對氣候變化、提高與穩定糧食產量，選育抗逆適應性品種成為重要技術措施。針對因氣候變暖造成的小麥越冬凍害、春季霜凍害、倒伏、病蟲害風險加大等問題，傳統的育種目標、資源選擇、組合配置、后代處理方法都需要相應改變。

本研究針對氣候變化對黃淮麥區小麥生產系統的影響，探討氣候變化背景下小麥育種目標與育種方法的選擇，以及龍堂一號抗災小麥新品種選育實踐等方面探索，以期為極端天氣頻發下小麥育種目標與新品種選育提供幫助。

1 材料和方法

1.1 數據來源

氣候變化分析采用國家氣象科學數據中心（http://data.cma.cn/）提供的黃淮麥區1960—2020年相關站點的氣象資料。

1.2 試驗材料

供試材料選擇黃淮北片和黃淮南片麥區審定品種及大面積推廣品種各10 個：濟麥22、中麥175、山農28、舜麥1718、長旱58、農大189、4520、樂亭639、CA0392、良星99、百農207、鄭麥7698、西農979、周麥27、揚麥16、新麥45、眾麥166、輪選6 號、山農116、新麥45。相關品種來源于不同育種單位提供和實驗站保存。

1.3 種植概況

黃淮南北片20 個小麥品種于2012—2020年種植于北京市海淀區中國農業大學上莊實驗站（40°14′N，116°19′E）和河北省邯鄲市曲周縣實驗站（36°51′46.47″N，115°0′59.14″E）。北京1月常年平均最低氣溫-12 ℃，平均最高氣溫-1 ℃，為抗寒品種選育提供了條件。曲周實驗站所在地屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，年平均氣溫13.1 ℃。無霜期年平均201 d，10 ℃以上積溫4 472.0 ℃。年平均降雨量為556.2 mm，降水主要集中在7—9月，占全年降雨量的1/3，雨熱同期，但春季干旱多風，冬季寒冷，雨量稀少，旱災和病蟲害頻發。每年10月上旬播種，翌年6月中旬收獲，試驗采用隨機區組設計，3 次重復，每份材料種4 行，行長2 m，每行40 粒。在越冬、拔節和灌漿階段進行灌溉，拔節期同時追施尿素225～300 kg/hm2。

1.4 農藝性狀鑒定

參照農作物品種區域試驗技術規程小麥標準（NY/T 1301—2007）[9]調查記載參試品種的物候期、形態特征、生育動態、抗逆性（抗凍性、抗旱性、抗病性、倒伏程度等），成熟后選取10 株測定株高、穗長、穗頸長、小穗數和穗粒數等主要農藝性狀，收獲后從樣品中隨機數1 000 粒種子，記錄千粒質量，重復3 次。

2 結果與分析

2.1 氣候變化對小麥生產系統的影響

小麥生長發育過程橫跨秋、冬、春3 個季節，常遇低溫、干旱、高溫、干熱風等災害性天氣，嚴重影響小麥的生長發育。黃淮麥區冬天可能出現短時的極寒天氣，對苗期小麥造成嚴重凍害。早春氣溫回升快且變化幅度較大，3月底4月初常出現-2 ℃以下“倒春寒”，影響小麥結實；5月中下旬大風驟雨天氣，極易造成小麥倒伏；5月下旬干熱風，氣溫高，小麥極速脫水成熟，影響籽粒灌漿。

根據國家氣象數據網提供的黃淮北片相關站點氣候資料，黃淮北片小麥生育期平均氣溫總體呈上升趨勢，由1960年代的6.7 ℃上升到2010年以后的8.2 ℃，平均每10 a 增長0.25 ℃（圖1-A）。小麥各生育期氣溫均表現升高趨勢，其中越冬—拔節和抽穗—開花期平均每10 a 分別增長0.35 ℃和0.40 ℃（表1）。小麥生長季降水量則呈現逐年下降趨勢，其中返青—拔節期、抽穗—開花期降水量明顯減少，50%年份出現冬春干旱或春夏干旱（圖1-B）。自1990年起，30 a 間出現13 次輕度或重度干熱風事件，重度干熱風均出現在2000年以后（圖1-C）。2009—2020年期間出現4 次嚴冬，6 次異常春季低溫，且低溫頻發一般出現在返青—起身期、拔節期和抽穗期（表2）。

表1 不同年代小麥不同生育期氣溫和降水量Tab.1 Temperature and precipitation of wheat in different growing stages in different years

表2 不同年份異常低溫事件Tab.2 Abnormal low temperature events in different years

圖1 氣候變化對小麥生產系統的影響Fig.1 Impacts of climate change on wheat production systems

圖2 小麥幼苗習性差異Fig.2 Differences in wheat seedling habits

圖3 龍堂一號的抗寒性表現Fig.3 Cold resistance of Longtang 1

2.2 應對極端天氣頻發的小麥育種目標與方法選擇

2.2.1 育種目標 通過分析氣候變化對小麥生產的系統影響，結合參試品種在極端氣候變化條件下的表現，提出育種目標：在惡劣氣候頻發的條件下，要實現大面積均衡增產，必須保證小麥產量三要素，而分蘗力強的品種在不同地塊、不同區域有較強的群體補償能力，在不同管理條件下都有較強的產量能力。因此，需要培育具有較強的分蘗能力（抗凍）、較高的成穗率（抗倒春寒）、同時植株較矮、莖稈粗壯（抗倒伏）、葉功能好、持綠時間長（抗干熱風）的品種。

對試驗品種小麥表型鑒定后發現，在極端天氣頻發條件下，應培育抗寒性強、對光溫變化反應不敏感類型。不因短期7～15 d 的升溫而旺長，不因短期2～3 d 的同期低溫而受凍害；對于倒春寒，選用黃淮北片品種資源，春季生長穩健，可以通過生育進程避開倒春寒發生時期。

2.2.2 應對極端天氣小麥育種方法

2.2.2.1 南北資源利用 采用跨生態區小麥資源配制組合，由于不同生態區遺傳基礎距離較遠，容易出現豐富的后代類型，目標性狀出現概率較大。一般選擇當地（黃淮麥區）推廣面積較大的小麥品種作為親本之一，再以鑒定后的冬性較強的北部麥區品種或后代中間材料作為親本，跨生態區進行組合配制。

黃淮南片品種資源一般抗病性較好，穗子較大，抗寒性差，春季生長迅速，對光溫敏感，易受冬季凍害和春季倒春寒影響。北部冬麥區的品種抗病性不如南片品種，莖稈高、穗子多而尖，但是抗寒性較好，幼苗習性匍匐或半匍匐，葉片小，葉色較深，春季生長穩健，受倒春寒影響較小（表3）。因此，在南北品種引種鑒定評價的基礎上，積極開展配合力測試和后代選擇，后代可南可北，確定幾個骨干親本，成為資源創新的核心。再選擇當地廣泛種植、有一點缺陷的推廣品種作為親本，針對性進行改良，可以穩步提高產量，提升抗性。通過上述方法，可較容易實現品種資源的更新利用，也易于審定和推廣。

表3 黃淮南北片麥區小麥品種農藝性狀Tab.3 Agronomic traits of wheat varieties in Huanghuai north and south wheat region

2.2.2.2 中間材料的培育和利用 依據小麥生產、氣候條件等方面因素，綜合考慮近期、中期、長期目標，利用自有材料選配組合，近期參試，中期改良后代材料創制優異的中間材料，長期進行漸進式修飾改良，通過循序漸進，逐步實現接近設計完美的品系。配制組合時，在充分研究資源材料基礎上合理設計，田間決選時，往往可中選的材料不多，因此，結合育種目標接受中間材料的缺點，培育中間材料，作為可利用的親本，再進行組配和選育。

2.2.2.3 后代處理 育種方法的創新關鍵在于世代的反復選擇。采用系譜法，在雜種F1/F2，較多地選擇具有目標性狀的單株或單穗，抗病性、株高等性狀早期選留，特別關注在越冬期小麥經連續7 d低溫天氣條件下（低于15 ℃）主莖和大分蘗未凍死，在春季小麥進入拔節期遭遇連續3～5 d 低溫天氣（低于0 ℃）未影響穗分化，在孕穗期遭遇2～3 d低溫天氣（0～5 ℃）未影響正常抽穗和結實的單株或單穗，一般冬前目標材料分蘗多、生長繁茂健壯，選育材料一般單株穗數7 個以上，干旱條件下至少5 個。在F3株行鑒定的關鍵世代，重點進行株行豐產性和整齊度的考察，全面考察在灌漿期、成熟期連續2～3 d 高溫達30 ℃以上，空氣濕度達30%以下，風速大于2～3 m/s 條件下小麥結實性、籽粒性狀及后期落黃，保證選育后代豐產且耐干熱風，同時在小區內選擇10 個左右單穗，第2年種植穗行。F3中選穗行（F3-0 世代）收獲，種植小區加大群體（增加選擇機會），第2年單穗中選穗行再種植成小區，經過幾次反復選擇，出現了具有目標性狀的姊妹系，可以根據需要分別進行參試，可南可北，參加區域比較廣泛。

2.3 應對極端天氣小麥新品種龍堂一號的選育實踐

龍堂一號親本組合為濟麥22×4520。其中，濟麥22 多年來是黃淮北片推廣面積較大品種，具有高產穩產、適應性強的特點[10]；4520 是2000年初的適應北部冬麥區的一個4 代品系，其組合來源為（樂亭639×CA0392）F1×農大189，樂亭639 適應性好、豐產性好，但不抗白粉病，籽粒較小；CA0392株高較低，高抗白粉病，籽粒偏小；農大189 具有極好的抗寒性，高產、早熟、抗穗發芽，籽粒商品性極好。后代在北部冬麥區的北京和黃淮冬麥區的曲周種植，為抗寒性選擇創造了條件，宜選育出抗寒性好的適宜黃淮北片冀中南種植的新品種。

2.3.1 親本4520 的育成和表現 樂亭639 在河北涿州、唐山等的地區越冬性較好，成穗多、產量高；但是不抗白粉病、籽粒小。CA0392 是中國農業科學院選育的一個抗白粉病、強筋、莖稈偏矮，但豐產性一般的高代材料。農大189 具有成穗多、產量高、抽穗早、越冬抗寒性強、籽粒較大、籽粒商品性極好等特點。根據育種目標和材料的特性，3 個材料實現性狀互補，農大189 的籽粒大和抽穗較早，對應了樂亭639、CA0392 的共同缺點（籽粒小和晚熟）。

2001年，配制單交組合，即樂亭639×CA0392。該組合F1籽粒都偏小，且偏晚熟。第2年則用農大189 做三交組合親本來“修飾”。即（樂亭639×CA0392）F1×農大189。經過3～5 代連年的大區—單穗反復選擇，至2009年，育成（樂亭639/CA0392）F1//農大189 組合品系4520。其特點是株型與農大189 相似，穗子較多而尖、抽穗早，籽粒較大，株高比農大189 矮。品系4520 經過繼續選擇、純化，參加北京地區預試，但由于在北京市預試中產量不高被淘汰，但4520 作為重要的中間材料，選育了更多的資源品系。

2.3.2 濟麥22 特性及表現 濟麥22 是由山東省農科院選育的冬性小麥品種，分別于2006年9月和2007年1月通過山東省和國家農作物品種審定委員會審定，是我國黃淮北片麥區種植面積最大的小麥品種之一[10]。幼苗冬季抗寒性好，分蘗能力強，春季起身拔節早，兩極分化快，抽穗遲，受倒春寒影響小，分蘗成穗率高，株型緊湊，莖稈蠟質層厚，葉片短寬，抗低溫凍害、大風暴雨等自然災害能力強。2008年秋，在中國農業大學上莊實驗站種植濟麥22，當地表現成穗不多、較晚熟。而4520 可以實現性狀互補，成為改良濟麥22 的目標性狀親本。因此，2009年配制濟麥22/4520 組合。

2.3.3 濟麥22/4520 后代在曲周選擇——龍堂一號育成 2014年秋，濟麥22/4520 的第5 代，一些F3-0-N 穗系在曲周實驗站種植。經過在曲周的繼續選擇與鑒定，穗系行號5657 莖稈矮，成穗多，在2015—2016年低溫天氣，抗寒性好，定名為龍堂一號（表4）。2016—2019年度參加河北匯優小麥測試聯合體冀中南水地組區域試驗。2017年是小麥高產倒伏年，龍堂一號在聯合體區域試驗中，是所有試驗地點都沒發生倒伏的唯一品種。2017—2018年度河北省小麥抗寒性鑒定試驗安排在河北遵化進行，龍堂一號死苗和死莖率幾乎都是0。2020年6月通過河北省農作物品種審定委員會審定，審定編號為冀審麥20208018[11]。

表4 龍堂一號的農藝性狀Tab.4 Agronomic traits of Longtang 1

3 結論與討論

3.1 應對極端天氣小麥新品種共性特點

黃淮北片麥區選育小麥品種一般遵循矮稈、中大穗和結實性好等農藝性狀選育標準[12-13]。近年來，高溫、干旱等極端氣候頻發，培育抗逆性強且高產穩產的小麥新品種顯得尤其重要。結合黃淮麥區小麥品種在不同氣候條件下的表現及農藝性狀分析，發現抗災小麥品種具有如下特點：苗期匍匐，長勢健壯，葉色較深，葉片小且窄；冬前生長量不大，生長穩健；拔節期前地上部分生長相對緩慢，分蘗多，成穗率高；基部節間短，莖稈質量好；地下部根系生長量較大，活力強；拔節后群體大，而葉片短而上舉，通透性好。

黃淮北片麥區審定的單產較高且優質的小麥品種具有明顯的株型緊湊、根系粗壯發達、旗葉大小適中等特性[14-15]；抗災小麥品種具有更優的“相”，不僅可以更好應對頻發的氣候變化，還具有高產穩產的特性。龍堂一號綜合抗性強，幼苗半匍匐，苗期葉色濃綠，株型緊湊，矮稈，基部節間短而粗壯，莖稈質量好，抗倒性強；分蘗強而多，穗紡錘形，成穗率高，籽粒較飽滿，熟相較好，適應區域范圍廣，可以很好地應對近年來的災害性氣候，保障小麥穩產增產。

3.2 應對極端天氣小麥新品選育方法

小麥產量因氣候變化而下降，特別是在溫帶和熱帶地區。目前，應對極端氣候變化采取的防控措施主要是補肥澆水[16]和噴施葉面肥[17-18]等，既費時費力，減害效果又不明顯。生產實踐證明，培育抗災新品種是最經濟有效的途徑。有研究表明，黃淮麥區抗倒春寒應該選擇在春季起身、拔節和抽穗較晚，中后期灌漿較快的半冬性中熟和中晚熟品種[19-20]。楊學舉等[21]通過在冬季氣溫更低的區域種植小麥早代新品系，采用超低溫越冬法選育抗寒豐產小麥。小麥抗倒伏能力的提高多數是通過選育株高較低品種或田間減少氮肥用量提高小麥莖稈纖維素含量等方法[22-23]。已有研究皆是選育具有單一抗逆性的小麥品種，如何提高品種綜合抗災（倒春寒、凍害、倒伏）能力，以及如何選育抗災品種報道較少。筆者結合育種實踐發現：培育在小麥春化階段抗凍能力強、苗期生長穩健、需要較長光照時間通過光照階段的半冬性偏冬性的品種，可以在時間和空間上提高抗災能力；南北資源雜交，生態遠緣，后代類型豐富，2 個生態區交叉選擇，容易選出抗災豐產的品種類型。因此，應注重來自不同生態區小麥品種資源的鑒定和利用，在了解小麥生物性狀的基礎上（1 a 以上的種植考察），有目的地與已有骨干親本組配雜交組合；應重視培育骨干親本，骨干親本可以是品種，也可以是品系，或是中間材料，但不能有難以克服的缺點，需要有明顯的優點，比如具有矮稈、抗白粉病等顯著優點。