小麦穗发芽抗性鉴定及机制分析

王志龙，于亚雄，王志伟，程加省，乔祥梅，杨金华*

(1.云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201；2. 云南省农业科学院粮食作物研究所/国家小麦改良中心云南分中心，云南 昆明 650205)



小麦穗发芽抗性鉴定及机制分析

王志龙1,2，于亚雄2，王志伟2，程加省2，乔祥梅2，杨金华2*

(1.云南农业大学农学与生物技术学院，云南 昆明 650201；2. 云南省农业科学院粮食作物研究所/国家小麦改良中心云南分中心，云南 昆明 650205)

采用整穗、颖壳+整粒、整粒和半粒发芽法鉴定了105个引自国内外普通小麦品种(系)的穗发芽抗性。结果表明，不同品种间穗发芽差异性较大，穗发芽率为0.72 %～100 %，平均发芽率为78.09 %。从中鉴定出极抗品种1份(ONSY85)，高抗品种2份(扬麦16和扬麦11)，抗性品种4份(凤麦36、绵阳45、凤麦32、扬麦158)，以上品种均为红粒。临麦15、凤麦34、小偃93166、靖麦12、周麦17、云麦29、X9610穗发芽率大于98 %，穗易发芽。用K-均值聚类法分为5类。半粒发芽率与整粒发芽率，整粒发芽率与颖壳加整粒发芽率，整粒发芽率与整穗发芽率均差异显著且正相关，表明虽然种皮和颖壳水溶性物质对穗发芽有显著影响，但是籽粒的休眠性起主要作用。4种穗型的穗发芽率没有差异，表明穗型对穗发芽没有影响。

小麦；穗发芽；筛选；抗性鉴定

小麦穗发芽(Pre-harvest sprouting，简称PHS)是指收获前遇阴雨天气时籽穗上发芽的现象，是世界性的自然灾害。中国长江中下游、西南冬麦区和东北麦区是穗发芽危害频繁和严重的地区，黄淮和北部冬麦区也偶有发生, 受穗发芽危害的麦区约占全国小麦总面积的83 %[1]，受穗发芽影响，世界小麦产量年损失近1亿吨[2]。研究表明，影响因素包括光照、温度、水分等环境因素；种子休眠性、籽粒和颖壳内发芽抑制物、内源激素、α-淀粉酶活性等基于主成分一灰色关联度的农民生活水内部因素；同时小麦籽粒、穗部性状包括种皮厚度、粒色、穗子密度、穗子蜡质状态、芒长、颖壳、颖壳形状等因素对穗发芽均有不同程度的影响[3-5]。

为了培育高产、优质的抗穗发芽小麦品种，首先需了解现有小麦穗发芽的抗性水平，供亲本选配时提供参考。本研究对云南省农科院粮作所小麦亲本圃的品种(系)中的105份引自国内外的骨干亲本进行穗发芽抗性的鉴定、分析，旨在了解亲本材料的抗穗发芽状况，为筛选筛选抗穗发芽的种质资源，及小麦抗穗发芽育种亲本的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

105份骨干亲本(表1)于2013-2014年种植于云南省农科院嵩明基地，双行区随机排列。

在小麦成熟期，每个品种选取成熟度一致的16个麦穗连同麦秆一起剪下，选取6个完整穗作整穗发芽实验。其余手工脱粒放于-20 ℃冰箱保存，以保持休眠性。

1.2 实验方法

1.2.1 整穗发芽 每个品种选取6个大小穗型一致的完整穗，穗底部保留3 cm麦杆，每两穗用纸巾包裹，竖直均匀随机插入泡沫板中(2 cm×3 cm)，放入发芽盘中，不定时喷水以保持纸巾湿润。第7天参照Hageman的10级标准进行发芽分级统计。

1.2.2 整粒和半粒发芽 选取大小整齐一致的整粒、用手术刀切的半粒，胚面向上整齐均匀摆放于加有1层滤纸9 cmΦ的培养皿中，加4 mL超纯水。以后每天不定时加超纯水以保持滤纸湿润。

1.2.3 颖壳加籽粒发芽 称取1 g颖壳置于9 cmΦ培养皿中，加4 mL超纯水，每个培养皿40粒，3次重复，24 h后将种子胚面朝上均匀摆放，期间不定时加超纯水以保证颖壳潮湿。

以上实验材料都先用1 %漂白粉消毒10 min，用超纯水清洗3遍，每天捡出发芽的种子，连续统计7 d，7 d后未发芽的种子用1 % H2O2处理48 h后，再捡出未发芽的种子继续用1 % H2O2处理48 h，以检测种子是否具有活力。试验在Conviron CMP3244型人工气候箱中进行，气候箱设置为08:00-20:00时为(26±1) ℃，10 %光照；20:00-08:00时为(22±1) ℃，黑暗。

1.3 统计方法

均统计7 d发芽率，以胚根突破种皮[6]为发芽标准。发芽率(%)=发芽种子数/试验种子数×100；穗发芽度(%)=[1-(1级粒数×10+2级粒数×9+……+10级粒数×1)/(总粒数×10)]×100；发芽指数(%)=(第1天发芽数×7+第2天发芽数×6+……+第7天发芽数×1)/(总粒数×7)×100；颖壳抑制率(%)=[(整粒发芽率-颖壳加整粒发芽率)/整粒发芽率]×100；种皮抑制率(%)=[(半粒发芽率-整粒发芽率)/半粒发芽率]×100。

穗发芽抗性按照罗家传等[7]采用5级分类法：极抗(发芽率n<5 %)，高抗(发芽率5 %60 %)。

2 结果与分析

2.1 整穗发芽测定结果

对105份材料进行抗穗发芽特性的测定结果(表1)表明，供试材料穗发芽率(0.72 %～100 %)差异很大，平均发芽率为78.09 %。其中ONSY85最低为0.72 %，X9610发芽率最高为100 %。平均发芽度为52.78 %，发芽度为0.52 %～85.65 %。筛选出极抗品种1份ONSY85(0.72 %)，高抗品种2份扬麦16(4.22 %)和扬麦11(8.09 %)。抗性品种4份凤麦36(12.77 %)、绵阳45(22.72 %)、凤麦32(28.72 %)、扬麦158(29.61 %)，占供试材料的6.67 %。7份抗性品种均为红粒品种。其中6份(除ONSY85为外引)均为长江中下游和西南麦区品种，这可能由于该麦区收获期雨水较多，收获前穗发芽发生危害的频率和程度较高，小麦穗发芽抗性成为育种家考虑的重要内容的结果。临麦15、凤麦34、小偃93166、靖麦12、周麦17、云麦29和X9610发芽率达到98 %以上属极易穗发芽品种，除X9610为红粒品种外其余全部为白粒，从侧面说明红粒品种较白粒品种抗穗发芽，但是红粒也有易发芽品种。

根据整穗发芽度和发芽率，通过K-均值聚类法进行聚类，所有参试材料可分为5类，聚类中心如表2所示，方差分析显示，穗发芽率和发芽度在5个聚类间的差异均达极显著水平。第1聚类有32份，穗发芽抗性最弱，占材料的30.48 %，穗发芽率89.36 %～100 %，均值95.65 %，除X9610、20thIWSWSN-22、周麦30和SW8188外均为白粒品种。第2聚类有43份，穗发芽敏感性次之，穗发芽率72.47 %～97.60 %，均值86.65 %；穗发芽度42.15 %～64.91 %，均值56.95 %。第3聚类有16份，穗发芽率50.61 %～82.56 %，均值65.09 %；穗发芽度20.65 %～44.05 %，均值33.55 %。第4聚类有10份，穗发芽率22.72 %～50.05 %，均值35.52 %。第5聚类有4份材料最抗穗发芽，平均穗发芽率为6.45 %，最小为0.72 % ，最大12.77 %，为ONSY85、扬麦16、扬麦11和凤麦36，4个品种，均为红粒品种。

表1 105份材料穗发芽数据

续表1 Continued table 1

续表1 Continued table 1

编号No.品种Variety来源Source粒色Colour穗型Spiketype芒Awn整穗发芽率(%)Spikesgerminationrate整穗发芽度(%)SpikesGI颖壳+籽粒发芽率(%)Glume+graingerminationrate整粒发芽率(%)Wholegraingerminationrate半粒发芽率(%)Halfgraingerminationrate颖壳+整粒发芽指数(%)Glume+grainindex整粒发芽指数(%)Wholegrainindex半粒发芽指数(%)Halfgrainindex颖壳抑制率(%)Huskinhibitionrate种皮抑制率(%)Testainhibitionrate78YZ904兰考W长方Y94.3757.6188.3386.6710034.1744.7676.79-1.9213.3379兰天091甘肃W长方N94.5674.9299.1710010077.3891.3199.640.830.0080SW8188四川R长方Y95.2664.2537.7665.0098.3314.9936.3183.3341.9133.9081花培5号北京W纺锤Y95.4371.1195.0099.1710072.7495.6099.764.200.8382京东17北京W纺锤Y95.5482.6596.6710010066.1990.8995.713.330.0083靖麦14云南W长方Y95.7482.8173.3380.8387.3731.9049.4073.949.287.4884秦农142陕西W长方Y95.7559.3633.3355.8310013.4532.5082.1440.3044.1785云麦47云南W长方Y95.9172.6238.6790.0010014.4855.1488.5757.0410.0086周麦30河南R长方Y96.1972.0930.8390.0015.4861.6787徐31江苏R长方Y96.2159.4548.3358.3310027.3840.3683.2117.1441.6788昆麦2号云南W圆锥Y96.6270.0295.8397.5010052.2672.8697.261.712.5089绵阳37四川W长方Y96.7868.6327.5088.3310011.5560.9592.5068.8711.6790丰优2号贵州W棍棒Y96.8184.0155.5865.0010029.2549.4091.9014.5035.009120thIWSWSN-22外引R纺锤Y96.8682.8884.1710010077.0299.7699.6415.830.0092周96037河南W圆锥Y96.8874.4779.1799.1710049.0585.4897.9820.170.8393宜麦3号云南W长方Y96.9957.449.3810.0089.172.553.8166.906.2088.7994凤麦35云南W棍棒Y97.1876.4043.3310099.1726.7973.3393.3356.67-0.8495川农21四川W纺锤Y97.6069.6269.1791.6710042.0265.0093.8124.558.3396徐7048江苏W纺锤Y97.6062.0677.5093.3310046.4383.9394.1716.966.679706N1-84外引W圆锥Y97.6982.7580.0087.5010046.5565.9593.938.5712.5098天912甘肃W纺锤N97.7881.0772.5080.0010036.5554.4095.839.3820.0099临麦15云南W长方Y98.0872.7775.0090.0010029.4052.0288.2116.6710.00100凤麦34云南W圆锥Y98.5585.6510010010085.1299.4799.890.000.00101小偃93166江苏W纺锤Y98.6480.9952.6795.8310036.2984.8697.1445.044.17102靖麦12云南W长方Y98.9271.1616.011001008.7779.2690.6983.990.00103周麦17河南W长方Y98.9773.8064.1798.3399.1725.2465.8373.8134.750.84104云麦29云南W棍棒Y99.1579.2820.8375.8310011.0751.9089.5272.5324.17105X9610甘肃R长方N10081.0345.6190.0010031.3769.1799.5249.3210.00

注：W表示白粒，R表示红粒，Y表示有芒，N表示无芒

Note:W represents white seed colour,R represents red seed colour,Y represents having awn,N represents no awn.

表2 105份材料聚类分类中心

表3 不同类型的小麦抗穗发芽能力比较

从表3可以看出，4种穗型整穗发芽率分别为纺锤形77.33 %、棍棒形76.76 %、圆锥型70.64 %、长方形83.80 %，4种穗型整穗发芽率没有差异。说明穗型对穗发芽没有影响。从粒色看，白粒品种整穗发芽率89.01 %，发芽度63.04 %，红粒品种整穗发芽率61.27 %，发芽度31.79 %。白粒和红粒之间整穗发芽率(t=6.10**)、整穗发芽度(t=6.61**)均极显著差异，说明粒色对穗发芽有极显著影响，且红粒品种较白粒品种抗穗发芽。无芒品种整穗发芽率79.37 %，发芽度52.90 %。有芒品种整穗发芽率78.09 %，发芽度52.95 %。有芒和无芒整穗发芽率(t=0.14)、发芽度(t=0.01)均没有差异，说明芒对穗发芽没有影响。

2.2 整粒发芽结果

7 d整粒发芽测定结果显示，整粒发芽率0.83 %～100 %，差异较大，均值71.25 %。极抗品种4个ONSY85(0.83 %) 、扬麦16(1.67 %)、凤麦32(4.17 %)、凤麦36(5.00 %)，均为红粒品种，说明这4个品种有较强的休眠性。高抗品种1个扬麦11(11.67 %)。有13个品种7d发芽率为100 %，其中新麦19、京东17、兰天091、楚麦10号、川育38611、石7221、ATTILA、靖麦12、凤麦34、凤麦35、云麦62为白粒，20th IWSWSN-22和R131为红粒。说明这13个品种休眠性较弱或没有休眠性。

从粒色看，红粒品种42个，发芽率 0.83 %～100 %，平均53.02 %；发芽指数0.24 %～99.76 %，平均34.92 %。白粒品种63个，发芽率10 %～100 %，平均82.53 %；发芽指数3.81 %～99.47 %，平均63.29 %。白粒和红粒品种的整粒发芽率(t=5.21**)和发芽指数(t=5.81**)均极显著差异。也说明红粒品种较白粒品种休眠性长，更抗穗发芽，但红粒品种中也有不抗品种。

2.3 不同处理间比较

对半粒和整粒7 d发芽率(表1)(r=0.63**，t=7.37**)、发芽指数(r=0.75**，t=16.36**)分别进行配对分析，表明半粒和整粒的发芽率、发芽指数均显著正相关，且极显著性差异，说明种皮对穗发芽有显著影响。整粒和颖壳+整粒发芽率(r=0.71**，t=5.34**)、发芽指数(r=0.81**，t=15.77**)进行配对分析，整粒和颖壳+整粒发芽率、发芽指数有极显著差异，且显著正相关，说明颖壳中的水溶性抑制物对穗发芽有显著影响。整粒和整穗发芽率进行相关性分析，r=0.72**，显著正相关。半粒和整粒发芽率，整粒和颖壳加整粒发芽率，整粒和整穗发芽率均显著正相关，由于整粒发芽率和发芽指数能够反映出种子的休眠性，所以虽然种皮和颖壳水溶性物质对穗发芽有显著影响，但是主要原因还是由于籽粒的休眠性起主要作用。同时说明不同穗型、粒色对穗发芽虽有影响但不起主要作用。

7 d颖壳抑制率的平均值为23.07 %，显示颖壳对穗发芽有一定的影响，其中R131整粒发芽率为100 %，颖壳+整粒发芽率仅为11.33 %，靖麦12整粒发芽率为100 %，颖壳+整粒发芽率为16.01，表明R131和靖麦12没有休眠性但颖壳对穗发芽有很强的抑制作用。ATTILA、楚麦10号、凤麦34整粒和颖壳+整粒的发芽率均为100 %，则这3个品种的休眠性和颖壳抑制都很小。7 d种皮抑制率为26.71 %，表明种皮对穗发芽有一定的抑制作用，其中红粒平均抑制率为44.13 %，白粒抑制率为16.09 %。则红粒品种较白粒品种更加抗穗发芽。ATTILA、楚麦10号、凤麦34、新麦19、兰天091、京东17、川育38611、云麦62半粒和整粒发芽率均为100 %，显示这8个品种的休眠期和种皮抑制都很小。种皮抑制率最高的品种为0NSY85(97.99 %)和扬麦16(97.06 %)，0NSY85整粒发芽率为0.83 %，半粒发芽率为41.05 %，扬麦16整粒发芽率1.67 %，半粒发芽率56.67 %，整粒和半粒发芽率都比较低，也从侧面呈现出休眠性是穗发芽一个重要的因素。

3 讨 论

小麦收获前穗发芽给小麦生产造成严重的经济损失，选育和应用抗穗发芽品种是减轻和避免穗发芽危害的简便、经济和环保的有效途径，引起了国内外植物育种家和生理学家的广泛关注。但是穗发芽的抗性机制复杂，不同品种可能具有不同的抗性因子， 抗性材料间的抗性因子也会不同[8]，对小麦种质资源进行穗发芽及其有关生理指标的鉴定，可为小麦抗穗发芽育种提供依据。

小麦抗穗发芽育种进展缓慢，其主要原因是抗源缺乏，特别是在白粒品种中，仅有很少的品种表现较抗穗发芽[9]，利用中国小麦遗传资源丰富的特点， 鉴定和筛选各地品种和野生类型，获得多样的有价值的穗发芽抗源，可供今后育种利用[10]。

一般认为红粒品种较抗穗发芽，因此很多育种单位在选育红粒品种的过程中一般不对红粒育种材料进行抗穗发芽性鉴定和筛选[11-12]，本研究，红粒品种较白粒品种抗穗发芽。筛选出的7个抗性材料全是红粒品种，除外引品种ONSY85外，其余均为长江中下游麦区和西南麦区的品种，可能与麦区收获期遇阴雨天气，加大了穗发芽的选择力度有关，这7个品种可作为优良的亲本材料应用于小麦抗穗发芽育种中。但是红粒品种也有易穗发芽品种如x9610，其整穗发芽率为100 %，这提示我们即使针对红粒品种，也应加强抗穗发芽性的选择。

4种穗发芽抗性鉴定方法中，颖壳加整粒发芽率和整粒发芽率之间显著差异，显示颖壳水溶性物质对穗发芽有显著影响。整粒发芽率和半粒发芽率之间显著差异，呈现种皮在穗发芽中有重要作用。但是整穗和整粒、整粒和半粒、整粒和颖壳+整粒发芽率之间均显著正相关，说明虽然种皮和颖壳水溶性抑制物对穗发芽有一定影响，但是种子休眠性起决定性作用。赵远玲等也认为颖壳对穗发芽不起主要作用[13]，刘晓冰等通过颖壳粉末当作保水材料对籽粒发芽证明当颖壳中存在着某种发芽抑制物质，对48h的胚芽影响较大，对胚根影响不大，但品种间存在差异[14]。研究表明颖壳浸出液对种子发芽有明显抑制作用，而且这种抑制作用随时间的推移而减弱。蒋云等[15]利用硬粒小麦与节节麦合成人工小麦进行穗发芽试验，人工合成麦穗发芽抗性的主要成因是颖壳的机械抑制作用，其次是种子的抑制作用，用针刺破种皮，种子发芽率迅速提高至92 %，且切胚发芽率为94 %，呈现种子的抑制可能主要来源于种皮的低透性。颖壳水溶性抑制物和种皮抑制力虽然不是最主要的影响因素，但是有深入研究的价值。

[1]Xiao S H, Zhang X Y, Yan C S, et al. Germplasm improvement for pre-harvest sprouting resistance in Chinese white-grained wheat:An overview of the current strategy [J]. Euphytica, 2002, 126:35-38.

[2]Zanetti S, Winzeler M, Keller M, et al. Genetic analysis of pre-harvest sprouting resistance in a wheat × spelt cross[J]. Crop Science,2000, 40(5):1406-1417.

[3]沈正兴，俞世蓉，吴兆苏．小麦品种穗发芽抗性研究[J]．中国农业科学，1991，24(5)：44-50.

[4]杨金华,于亚雄,程加省，等. 云南铁壳麦穗发芽抗性及成因初步研究[J]. 麦类作物学报,2011(4):747-752.

[5]张海峰,卢荣禾,王建龙. 冬小麦穗发芽抗性及其遗传研究[J]. 西北植物学报,1992(2):95-103.

[6]Hageman M C，Ciha A J. Evaluation of methods used in testing wheat susceptibility to pre-harvest sprouting [J]. Crop Science, 1984, 24:249-254.

[7]蔡士宾,曹 阳,朱 伟. 小麦品种抗穗发芽性及其主要农艺性状的配合力分析[J]. 江苏农业科学,1997(1):23-26.

[8]闫长生, 张海萍, 海 林，等. 中国小麦品种穗发芽抗性差异的研究[J]. 作物学报, 2006(4):580-587.

[9]张海峰, 卢荣禾. 小麦穗发芽抗性机理与遗传研究[J]. 作物学报, 1993(6):523-530.

[10]罗家传，朱高纪，吴秋艳.河南主栽小麦品种抗穗发芽研究[J].农业科技通讯，2008(12):37-38

[11]刘 爽, 李 俊, 王 琴,等. 西南麦区小麦抗穗发芽品种资源筛选[J]. 西南农业学报, 2014, 27(3):931-937.

[12]刘 莉, 沈迎芳, 马 超,等. 穗发芽相关基因Vp-1等位变异在西部春小麦品种中的分布研究初探[J]. 西南农业学报, 2014, 27(6):2278-2281.

[13]赵远玲,孙连发,陈立君. 人工合成小麦的颖壳硬度和穗发芽抗性关系研究[J]. 黑龙江农业科学,2008(4):22-25.

[14]刘晓冰, 张秋英. 春小麦颖壳中水溶性物质对成熟籽粒发芽的影响[J]. 麦类作物学报, 1999(1):47-48.

[15]蒋 云，康厚扬，原红军，等. 硬粒小麦-节节麦人工合成小麦的穗发芽抗性研究[J]. 麦类作物学报，2008，28(3)：397-401.

(责任编辑 王家银)

Resistance and Mechanism of Pre-harvest Sprouting in Wheat

WANG Zhi-long1,2，YU Ya-xiong2，WANG Zhi-wei2,CHENG Jia-sheng2, QIAO Xiang-mei2,YANG Jin-hua2*

(1.College of Agronomy and Biotechnology,Yunnan Agricultural University, Yunnan Kunming 650201,China; 2. Institute of Food Crops,Yunnan Academy of Agricultural Sciences/ Yunnan Branch of National Wheat Improvement Center, Yunnan Kunming 650205,China)

Taking the different sprouting methods of intact spikes, glume + grain, whole grain and half grain,we identified the sprouting resistance of 105 wheat varieties derived from domestic and overseas in the experiment.The result showed that Pre-harvest sprouting(PHS) had the great difference in different varieties, Pre-harvest sprouting percentage was 0.72 %-100 % and the average was 78.09 %. It was found that most resistant variety had 1(ONSY85) and the higher resistant varieties had 2 that were yangmai 16 and yangmai 11, resistant varieties had 4 red grains varieties, including the fengmai 36, mianyang 45, fengmai 32, yangmai 158. Pre-harvest sprouting of the seven varieties(linmai 15, fengmai 34, xiaoyan 93166, jingmai 12, zhoumai 17, yunmai 29 and x9610,respectively) was more than 98 % and easily germinaed. These accessions could be divided into 5 clusters by the K-means cluster analysis．There were significant differences and positive correlation among the germination of half grain and whole grain, germination percentage of whole grain and glume + grain, the whole grain and total head, it was indicated that the seed coat and water-soluble compounds of glumes had the remarkable effect, however the key function was the dormancy of seeds.Four spike types indicated that the panicle type had no effect on PHS.

Wheat; Pre-harvest sprouting; Germplasm screening; Resistance identification

1001-4829(2016)11-2513-07

10.16213/j.cnki.scjas.2016.11.002

2014-12-26

国家地区基金(31260325);云南省基金(2012FD068，2013FB090);云南省科技厅科技惠民专项——农业(2014RA056);云南省农业科学院麦类育种创新团队(2012HC008);国家小麦现代产业技术体系云南综合试验站(CARS-3-2-44)

王志龙(1988-)，男，在读硕士，研究方向：作物遗传与品种改良，E-mail:zhilong0316@126.com，*为通讯作者，E-mail:yyjjhh2001@163.com。

S512.1

A