小麥抗旱鑒定和評價方法研究進展

王應黨 林 坤 郭凌云 任自超 王 沖 葛振勇 田順順 李思同 郭鳳芝

（1 菏澤市農業科學院，山東菏澤 274000；2 菏澤市農業科學院試驗開發服務中心，山東菏澤 274000）

小麥（TriticumaestivumL.）是世界三大糧食作物之一，全球小麥總產量約為7.2 億t[1]，養活著世界近1/5 的人口[2]。預計2050 年世界人口將增加到近100 億，按照當前的糧食生產水平，將有5500萬至1.25 億人的口糧得不到保障[3]，因此應繼續提高全球小麥單產水平。然而，干旱嚴重影響小麥產量的提高，小麥全生育期長、需水量大，正常的生長發育和高產均需要充足的水分供給。隨著全球氣候變暖加劇，干旱頻發已成為小麥生產面臨的主要非生物逆境挑戰[4-5]，干旱頻發導致全球約50%的小麥產區出現不同程度的減產，減產幅度為10%～70%[6-7]。

干旱也是限制我國小麥生產的主要非生物逆境因子，特別是在我國北方小麥產區，平均每年因干旱影響直接導致的小麥減產量高達100 億kg 以上[8]；而且，我國已探明的淡水資源很難長時間維系目前農業所需的用水量[9]。因此，選育和推廣抗旱節水小麥品種，對保障我國糧食安全、提高農業水資源利用率具有重要意義，是一種經濟、有效的方法[10-11]。

小麥抗旱性是復雜的數量性狀，由多個基因控制并通過一系列農藝性狀和生理生化指標表現出來。小麥抗旱性評價內容涉及小麥抗旱鑒定方法、鑒定指標和評價方法3 個方面。因此，本研究從以上3 個方面對小麥抗旱研究進展進行了綜述，旨在為小麥抗旱研究提供全面、系統的信息參考。

1 小麥抗旱鑒定方法

國內外學者對小麥抗旱鑒定方法進行了大量研究，概括起來主要有3 個，分別為小麥抗旱實驗室鑒定法、小麥抗旱人工模擬鑒定法和小麥抗旱田間直接鑒定法。

1.1 小麥抗旱實驗室鑒定法小麥抗旱實驗室鑒定法通常采用高滲溶液模擬水分脅迫[12]，高滲溶液種類主要有PEG-6000、高濃度（＞1mmol/L）甘露醇和蔗糖等。PEG-6000 分子量大，用其作為高滲溶液時不會進入小麥細胞造成傷害，試驗結果可靠，可以反映小麥抗旱表型性狀和生理特性，因此，多數研究支持用PEG-6000 作為模擬水分脅迫劑[13-15]。應用甘露醇模擬水分脅迫測定種子萌發[16-17]，在實驗室抗旱性鑒定中具有一定的價值，但是甘露醇分子小，進入作物細胞后會影響水分代謝，導致試驗結果誤差增大。蔗糖溶液作為水分脅迫劑模擬干旱[18]在抗旱性試驗中通常用作一般比較，原因是蔗糖溶液容易誘發霉菌，導致小麥種子胚芽不能正常生長，試驗結果不佳。綜上所述，在實驗室進行小麥抗旱鑒定時，不建議使用甘露醇和蔗糖溶液作為水分脅迫劑。

1.2 小麥抗旱人工模擬鑒定法小麥抗旱人工模擬鑒定法主要是通過旱棚[19]、盆栽[2，20]等條件，人工設置水分脅迫和對照組，其水分脅迫組采用反復干旱法[2]。該方法簡單易行、經濟有效，不受自然降雨的影響，條件與大田環境接近，重復性好，試驗結果比較可靠，適用于小麥任一生育期的抗旱鑒定；但受旱棚面積、盆栽設備等因素的制約，鑒定品種數量有限，不能開展大規模的抗旱試驗。

1.3 小麥抗旱田間直接鑒定法小麥抗旱田間直接鑒定法一般設置旱地和水地2 種處理，其中旱地處理為雨養條件（小麥播種后全生育期依靠自然降水，不再額外澆水），水地處理為小麥指定生育期進行定量澆水[21]，通過比較分析不同處理條件下小麥表型性狀和生理特性的變化，對品種的抗旱性進行鑒定。研究表明，在干旱脅迫下，產量相關性狀均受到了不同程度的抑制，單株產量對干旱脅迫的敏感程度最大[22]。該方法較為客觀地鑒定各小麥品種（系）的抗旱能力，不受區域限制，可開展大規模的田間抗旱試驗，但受自然降水等環境條件影響較大，年際間的試驗結果重復性較差，要求研究者注重試驗地點的選擇和試驗設計的合理性。

2 小麥抗旱鑒定指標

小麥抗旱鑒定指標分為形態指標和生理生化指標2 種，其中，形態指標多為發芽指標、根系形態指標和產量相關指標，生理生化指標多為小麥光合系統、酶類、滲透調節物質和丙二醛等指標。

2.1 小麥抗旱形態鑒定指標

2.1.1 發芽指標小麥抗旱發芽鑒定指標主要包括發芽率、發芽勢和萌發抗旱指數等。干旱脅迫下，這些指標與小麥的抗旱能力呈正相關，表現為指標值越大，小麥抗旱能力越強。Pavia 等[23]利用小麥發芽率、萌發抗旱指數等指標評價了不同小麥材料的抗旱能力。曹勇等[24]通過比較不同PEG-6000 濃度處理下各小麥品系材料的表現，發現發芽率、萌發抗旱指數等指標可以作為小麥抗旱鑒定指標。

2.1.2 根系形態指標根系在小麥生長發育和產量形成過程中起著非常重要的作用。小麥根系越發達，植株獲得的水分越多，可獲得較高產量[25]。小麥抗旱根系形態鑒定指標主要包括根長、根干重和根冠比等。胡雯媚等[26]對小麥苗期和收獲期共16 個單項指標的抗旱系數進行逐步回歸分析，發現有10 個指標對小麥抗旱性影響顯著，其中與根系形態相關的指標有根長、根干重和根冠比，表明根長、根干重和根冠比可以作為小麥抗旱根系形態鑒定指標。霍治軍[27]對不同抗旱類型冬小麥的根系特征及其與產量的關系進行研究，發現不同抗旱品種的根系總量差異顯著，抗旱性強的品種，其根干重往往處于中等偏上水平，但是根干重過大或過小，小麥品種的抗旱性均較差。因此認為，根系發達且下扎較深的小麥品種，抗旱性較強。

2.1.3 產量相關指標小麥抗旱產量相關鑒定指標主要包括產量抗旱系數、產量抗旱指數、有效穗數、穗粒數、千粒重和單株產量等，這些指標在抗旱品種選育工作中被育種家廣泛應用[28]。崔桂賓等[29]對黃淮流域部分小麥品種8 個性狀指標進行抗旱篩選，發現有效穗數、穗粒數和單株產量可以作為小麥抗旱品種選育的鑒定指標。趙巖等[30]選用產量抗旱系數、產量抗旱指數、綜合抗旱系數和綜合抗旱指數4 個指標，對119 份小麥品種（系）進行抗旱性綜合評價，篩選出抗旱品種（系）15 份。可以看出，產量抗旱系數和抗旱指數可以作為小麥抗旱品種選育的產量相關鑒定指標。

2.2 小麥抗旱生理生化鑒定指標

2.2.1 光合系統指標小麥抗旱光合系統鑒定指標主要包括葉綠素含量、凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用率等。研究表明，干旱脅迫會導致葉片光合結構破壞，影響小麥葉片的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率和水分利用率等[31]。這些指標受干旱脅迫影響較小，說明該品種的抗旱性強；反之，則弱。秦娜等[32]研究顯示，干旱脅迫下處理品種與對照品種相比保持了較高的光合速率、蒸騰速率和氣孔導度，說明處理品種具有較強的抗旱能力。時麗冉等[33]研究顯示，干旱脅迫下處理品種的葉綠素含量以及凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度和蒸騰速率下降幅度小于對照品種，表明處理品種的抗旱能力較強。

2.2.2 酶類指標小麥抗旱酶類鑒定指標主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）等[34]。在干旱脅迫條件下，抗旱小麥品種的抗氧化酶活性增幅較大，不抗旱小麥品種的抗氧化酶活性增幅較小[35-36]。Sheoran 等[37]研究發現，在抗旱基因型中，SOD 和POD 活性隨著干旱脅迫程度的增大而提高，SOD 和POD 活性在小麥抗旱性中起著重要作用。謝燕等[38]研究表明，在干旱脅迫條件下，抗旱型品種濟麥262 葉片POD、SOD 和CAT 活性以及根系POD 和SOD 活性的增強幅度顯著高于中間型品種臨麥2 號和敏感型品種煙農19。可以看出，在一定干旱脅迫條件下，適宜時期的小麥SOD、CAT 和POD 等活性可以作為小麥抗旱鑒定的重要酶類指標。

2.2.3 滲透調節物質指標小麥抗旱滲透調節物質鑒定指標主要包括可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等。一般認為，小麥的滲透調節物質含量與其抗旱性呈正相關，即小麥滲透調節物質含量越高，抗旱性越強。王川等[39]對小麥品種可溶性糖含量與抗旱性的關系進行研究，根據回歸方程發現，可溶性糖含量與抗旱指數呈極顯著正相關，表明小麥可溶性糖含量越高，抗旱指數越高，小麥抗旱性越強。進一步說明，可溶性糖含量可以作為小麥抗旱鑒定的滲透調節物質指標。姜淑欣等[40]研究顯示，在干旱脅迫條件下，抗旱性強的小麥品種，其脯氨酸含量較對照提高了75.0%，而不抗旱品種的脯氨酸含量較對照增加了37.7%，表明抗旱性強的小麥品種，其脯氨酸含量增加幅度較大；彭曉邦等[41]研究表明，在干旱脅迫條件下，抗旱性較強的品種，其脯氨酸含量增加幅度最大。因此，小麥脯氨酸含量的高低與其抗旱性強弱有直接關系。

2.2.4 丙二醛（MDA）指標MDA 是細胞質膜過氧化的產物。在干旱脅迫條件下，小麥細胞內產生大量的自由基，導致細胞質膜過氧化生成MDA，因此，MDA 含量可以反映小麥的抗旱能力，即MDA含量越少，小麥細胞質膜損傷程度越小，抗旱能力越強。楊貝貝等[42]研究顯示，在干旱脅迫條件下，小麥MDA 含量增加，其增幅與抗旱系數和抗旱指數呈極顯著負相關，表明MDA 含量越少，小麥的抗旱性越強。張永杰等[43]研究顯示，在干旱脅迫條件下，新春35 號的MDA 積累量較高，新春6 號的MDA積累量較小，說明不同小麥品種細胞膜受損程度不同，進一步表明不同小麥品種的抗旱能力不同。高寶云等[44]研究表明，干旱脅迫下9 個小麥品種的MDA 含量不同，并以MDA 含量作為鑒定指標之一對9 個小麥品種的抗旱性進行評價，篩選出小麥強抗旱品種2 份、中等抗旱品種5 份。綜上分析認為，MDA 含量可以作為可靠的小麥抗旱鑒定指標。

3 小麥抗旱評價方法

小麥抗旱性為數量性狀，其評價方法一般分為直接評價和綜合性評價2 種。

3.1 直接評價法直接評價法通常是以反復干旱存活率（DS，Drought survival rate）[45]和單項指標抗旱系數[2]（DC，Drought resistance coefficient）為依據進行評價。

3.1.1 反復干旱存活率計算公式為：DS=（DS1+DS2+…+DSn）/n。式中，DS1為幼苗第1 次干旱存活率的實測值；DS2為幼苗第2 次干旱存活率的實測值；DSn為幼苗第n次干旱存活率的實測值。

利用反復干旱存活率對小麥品種進行抗旱評價，操作簡單易行，適用于大批種質資源的抗旱評價，但適用的小麥時期有限，僅適用于萌發期的小麥抗旱評價，難以全面評價整個生育期的抗旱性。楊子光等[45]運用反復干旱法對其苗期進行抗旱性鑒定，結果表明，苗期反復干旱法鑒定結果客觀、科學、測定方法簡便，幼苗存活率與品種的抗旱性趨勢一致，抗旱性強的品種存活率高，其可作為苗期抗旱性鑒定指標。

3.1.2 單項指標抗旱系數法計算公式為：DCi=×100%。式 中分別為干旱脅迫（WS，Water-stressed）和正常供水（WW，Well-watered）條件下基因型i（i=1，2，…，i）在單項指標（發芽率、產量等性狀）上觀測值的平均數。

單項指標抗旱系數可在一定程度上評價小麥品種的抗旱性，但是小麥抗旱性是復雜的數量性狀，由多個基因控制并通過一系列農藝性狀和生理生化指標表現出來，因此，需要結合多個指標進行小麥抗旱的綜合評價。李龍等[2]基于單株產量抗旱系數對小麥種質資源抗旱性進行鑒定評價，得到25 份成株期強抗旱種質。

3.2 綜合評價法綜合評價法是指綜合幾個不同的指標進行評價，可以彌補單項指標評價的局限性。常見的綜合評價法包括綜合抗旱系數法[22]、聚類分析[46]、綜合抗旱性評價D值法[47-48]和灰色關聯分析法[49-50]。

3.2.1 綜合抗旱系數法主要步驟包括：（1）計算各個基因型在每個性狀上的抗旱系數（DC）。計算公式為：DCiq（%）=yiq（ws）/yiq（ww）×100。式中，yiq（ws）和yiq（ww）分別是干旱脅迫（WS）和正常供水（WW）條件下基因型i（i=1，2，…，i）在q（q=1，2，…，q）性狀上觀測值的平均數。

（2）對不同性狀的抗旱系數進行綜合抗旱系數分析。計算公式為：綜合抗旱系數

式中，i表示第i個基因型；q表示第q個性狀指標。

（3）根據綜合抗旱系數的大小進行排序。綜合抗旱系數大的作物，抗旱性強；反之，則抗旱性弱。

綜合抗旱系數法結合了多項指標進行抗旱評價，其評價結果彌補了單項指標評價的局限性，但是，由于各項指標之間存在不同程度的相關性造成信息交叉與重疊，因此綜合抗旱系數評價結果也不夠全面、準確。陳衛國等[22]采用綜合抗旱系數法共鑒定出8 份強抗旱種質。

3.2.2 聚類分析聚類分析是一種常用的多元數據分析方法，其分析方法很多，一般分為系統聚類和動態聚類，在農業領域常用的是系統聚類分析法。其原理是先建立測度個體歸組和聚類關系的指標，然后用相似系數或者距離（通常選用歐氏距離）測度個體間的相互關系，最后選擇聚合法（本文應用最短距離法）進行聚類。

主要步驟包括：（1）為消除各指標性狀間的相關性和重疊性，對各個指標性狀先進行主成分分析，根據累積貢獻率＞80%的準則提取前P個主成分。前P個主成分相互獨立，用以替代原有各個指標性狀。主成分分析可利用SAS 9.2 軟件中的PRINCOMP[51]來完成。

（2）基于主成分分析得到的前P個主成分數據，建立測度個體歸組和聚類關系的指標。假設有n個小麥品種，每一品種的P個主成分數據可用向量表示，2 個小麥品種向量可表示為：Xi=（x1i，x2i，…xki，…xpi）和Xj=（x1j，x2j，…xkj，…xpj）。式中，k=1，2，…P，P≥1，代表k個指標（變數）；i和j=1，2，…n，分別代表第i個和第j個小麥品種。

（3）采用歐氏距離測度小麥品種之間的相互關系，計算公式如下。

式中，dij為xi與xj間的距離。

（4）通過最短距離法完成聚類。若Gp和Gq代表組（類），定義Gp與Gq的組間距離（2 組內個體之間最短距離代表組間距離）為Dpq，計算公式如下。

式中，dij為組間距離。聚類分析可利用SAS 9.2軟件中的CLUSTER[51]來完成。張雪婷等[46]對甘肅省近年來育成冬小麥品種8 個主要農藝性狀進行聚類分析，結果顯示70 個冬小麥品種在歐式遺傳距離D=17 處劃分為3 大類群，第Ⅰ類群可作為增產材料供育種選擇，第Ⅱ類群可作為抗倒材料供育種選擇。

3.2.3 綜合抗旱性評價D 值法通過各指標的抗旱系數獲得隸屬函數值，再由其權重，利用加權函數法求出綜合評價D值，從而確定小麥品種（系）的抗旱性。綜合抗旱性評價D值被廣泛應用于玉米[52]、綠豆[53]、大豆[54]和小麥[47-48]的抗旱性評價研究，且效果較好，可較為準確地評價品種（系）間的抗旱性差異。

主要步驟包括：（1）計算各個基因型在每個性狀上的抗旱系數（DC），計算公式如下。

（2）對不同性狀的抗旱系數進行主成分分析，以消除因不同抗旱性狀間可能存在的相關性而造成的信息交叉和重疊，同時還能對變量進行降維。根據累積貢獻率＞80%的準則提取前P個主成分，用以替代原有的抗旱系數用于抗旱性評價。計算各基因型在這些主成分上的得分xip（p=1，2，…，p）。

（3）利用隸屬函數將各基因型在所提取的各個主成分上的得分值進行標準化（標度到區間[0，1]），計算公式如下。

式中，xip為第i個基因型在第P個主成分的得分值；max（xp）和min（xp）分別為所有基因型在第P個主成分上得分的最大值和最小值。

（4）計算綜合指標權重，計算公式如下。

式中，wp為第P個主成分上的權重，λp為主成分分析中第P個主成分的特征值。

（5）計算各基因型的抗旱性綜合評價D值，即該基因型在所提取的各個主成分的標準化得分的加權平均數，計算公式如下。

式中，Di為第i個基因型的綜合抗旱性評價D值；wp為第P個主成分上的權重；xip為第i個基因型在第P個主成分的得分值。

（6）以各基因型的抗旱性綜合評價D值為指標進行系統聚類分析。D值的大小，代表抗旱性的強弱。

張芳等[47]采用綜合抗旱評價D值對新疆冬小麥萌發期抗旱性綜合評級，篩選出抗旱性最強且具有TaNRX-a 變異類型的品種（系）有昌冬 5 號、旱洋麥、卡衣木紅、納瓦提然和高加索。趙吉平等[48]采用綜合抗旱評價D值對50 份小麥新種質抗旱性綜合評價，篩選出1 個抗旱品種、47 個中等抗旱品種和2 個較敏感品種。

3.2.4 灰色關聯分析法灰色關聯分析法（Grey relational analysis）是把系統之間的所有目標指標視為一個灰色系統，并對該系統中目標指標進行量化評估和綜合評價。利用灰色關聯分析[49-50]可以有效地評價小麥的抗旱性。

主要步驟包括：（1）計算各個基因型在每個性狀上的抗旱系數（DC），計算公式如下。

（2）按照灰色關聯理論要求，將所有基因型的各個性狀指標的抗旱系數視為一個灰色系統，每個基因型的抗旱系數看作該系統的一個因素。取每個性狀指標抗旱系數的最大值組成參考品種數列（X0）；所有參試基因型的各個性狀指標的抗旱系數組成比較數列Xi（k），i為品種因素，k為性狀因素。

（3）計算關聯系數，計算公式如下。

式中，ξi（k）為所有參試基因型的抗旱系數與每個性狀指標的抗旱系數最大值在k點（性狀）的關聯系數。為二級最小差；為二級最大差；ρ為分辨系數，取值0～1，一般取0.5。

（4）根據關聯系數計算等權關聯度，計算公式如下。

式中，γi為第i個基因型在所有性狀指標的等權關聯度。

（5）根據參試品種與參考品種的關聯度，判斷參試品種的抗旱性。關聯度大的品種，抗旱性強；反之，則抗旱性弱。

蔡斌等[49]應用灰色關聯度分析法，對6 個不同小麥品種的7 個性狀進行綜合描述和量化評估，篩選出綜合抗旱性較好的品種有濟麥22、煙農19 和魯原502。

4 總結與展望

小麥抗旱性為復雜的數量性狀，利用單項指標不能全面衡量小麥品種的抗旱性。因此，當鑒定的小麥種質批量較小時，應從小麥發芽相關指標、小麥根系形態指標、生理生化指標和產量相關指標等方面，選取多個指標進行抗旱綜合評價；當鑒定的小麥種質批量較大時，應將小麥的生育期與鑒定指標相結合，如小麥萌發期可將發芽相關指標作為主要的鑒定指標，小麥苗期可選取根系形態指標和生理生化指標作為小麥抗旱的主要鑒定指標，小麥成熟期可將產量相關指標作為重點。

一般來說，小麥抗旱直接評價法操作簡單，可以快速地評價品種的抗旱性，但是不能綜合反映一個品種的抗旱性。因此，為了全面、準確地評價小麥品種的抗旱性，多采用綜合抗旱性評價方法。通過對多種綜合抗旱評價方法的評價結果進行比較，發現采用聚類分析法、綜合抗旱性評價D值法和灰色關聯分析評價法，不僅結合了多個指標性狀用于抗旱評價，而且消除了由于各個指標性狀之間相關性造成的信息交叉和重疊，使得最終抗旱評價結果全面、準確、可靠。因此，在小麥抗旱評價中，建議采用聚類分析法、綜合抗旱性評價D值法和灰色關聯分析評價法。

為了不受環境條件干擾，快速、準確地篩選出抗旱性較強的小麥種質，除了應用形態指標和生理生化指標外，還應多結合分子育種技術，即分子標記輔助育種[55-56]和遺傳修飾育種技術[57-58]。分子育種技術的成功依賴于表型性狀和生理數據的質量，因此，未來需要通過高通量表型平臺[59]準確獲取小麥生長階段全面的表型性狀和生理數據，從而提高小麥的抗旱育種效率。