选育抗寒丰产小麦新品种的“超低温越冬选择法”

杨学举，张树华，赵 勇，徐 渴

（1.河北农业大学 生命科学学院，河北 保定 071000；2.河北农业大学 农学院，河北 保定 071000）

1 超低温越冬选择法创建背景

我国北方冬麦区越冬期冻害频发，导致小麦生产不同程度减产[1-2]。冻害分为冬季冻害和春季冷害，华北地区小麦以越冬期冻害为主。低温可以导致组织细胞损伤、叶片枯死或个体死亡[3]。影响小麦越冬期冻害的主要因素有基因型（与冬春性相关的分蘖节深度、分蘖力、幼苗习性、叶片形态、细胞液浓度等）、自然环境（温度、光照、土壤、降水等）和农艺措施（播期、播量、播深、施肥、灌水等），基因型是最重要的因素[4-5]。近年来全球温室效应导致气候变暖，小麦在冬前生长发育偏旺，抗寒锻炼不足，品种抗寒能力下降[6]。冬季温度升高，总体上减轻了小麦的冬季冻害，但有些年份仍出现极端低温天气，增加了小麦越冬期冻害发生的可能性和严重度[7]。

河北省冬小麦品种区域试验和国家黄淮冬麦区区域试验的抗寒鉴定地点设在河北省遵化，国家北部冬麦区小麦区域试验的抗寒鉴定地点设在北京市延庆，这两个试验点是我国冬麦区的最北边缘。遵化市2011—2020年，1月最高气温3～9℃，最低气温-11～-18℃，只有4年低于-15℃（3年-16℃，1年-18℃），60%的年份极端最低气温高于-15℃。延庆区1月常年最低气温平均-12℃，最高气温平均-1℃。以2020年1月为例，最低气温-7～-15℃，最高气温-3～6℃。这样的冬季气温使小麦越冬冻害极轻，如连续2年暖冬，一些抗寒性较差的品种很容易通过鉴定，但为生产埋下极大的安全隐患。因此，小麦育种单位为规避冻害风险，在品种选育过程中必须设置更严格的抗寒性筛选条件。河北农业大学小麦育种团队2005年以来，连续15年在冬季更寒冷的河北省蔚县西合营镇司家洼村设立为小麦越冬鉴定筛选基地，对小麦品种和品系进行冻害筛选。

2 超低温越冬选择法科学依据

蔚县位于河北省张家口市南端，东临北京，南接保定涞源，东经114°13′～115°04′，北纬39°34′～40°10′。由于蔚县海拔较高（试验点西合营镇海拔911 m），气温明显低于北京。2011—2020年，蔚县1月最高气温0～8℃，最低气温-15～-26℃，90%的年份极端最低温度低于-18℃（只有2020年为-15℃）。西合营镇司家洼村位于蔚县中东部，气温与蔚县的平均气温相近。如此的温度，冷冬年份（2011、2012、2013、2016、2017、2018年，最低气温低于-20℃）导致半冬性小麦品种越冬期全部冻死（返青存活率为0），冬性品种依据冬性强弱和寒冷程度具有一定的存活率（能够越冬的主茎和分蘖）。暖冬年份（2014、2015、2019、2020年，最低气温等于或高于-18℃）半冬性品种有一定的存活率，冬性品种存活率比较高。

因不同年份的最低气温不同，同一品种在不同年份的幼苗越冬率不同。为客观评价品种的抗寒性，设置了3个抗寒性存在一定差异的对照品种京411、京冬8号和中麦175。京411为20 世纪90年代北部冬麦区主推的小麦品种，1991年首次审定，冬性，抗寒性极强；京冬8号1995年首次审定，后为冀中北小麦区域试验和国家北部冬麦区区域试验的对照品种，20 世纪末和21 世纪初的主推品种，冬性，抗寒性强；中麦175 于2007年首次审定，后为冀中北小麦区域试验和国家北部冬麦区区域试验的对照品种，21 世纪初的主推品种，冬性，抗寒性较强。根据供试品系的越冬率，分别与3个对照品种对比，确定待测新品系的抗寒性等级和越冬抗冻能力。新品系越冬测试过关后，再根据产量性状、抗病性状等，参加相应组别的省级和国家级试验。抗寒性低于中麦175 的品系，宜参加冀中南和国家黄淮麦区试验；抗寒性与中麦175 相当或好于中麦175 的品系，宜参加冀中北或国家北部冬麦区试验；抗寒性好于京冬8号的品系，参加冀中北或国家北部冬麦区试验。

3 超低温越冬选择法实施效果

经试验摸索，在蔚县西合营镇司家洼村种植小麦的适宜时间为9月15—20日。自2005年起，每年安排120个左右的小麦育种早代（如F4）新品系和部分生产上使用的品种，每个品系（种）种植5 行区，行长2 m，行距25 cm，株距5 cm，每隔6个品系分别设置对照品种京411、京冬8号和中麦175，重复3次。11月1—5日（最低气温接近0℃）视天气情况浇封冻水。翌年4月15—20日浇返青水（最低气温5℃以上），5月1—10日挖出小区中间2 行幼苗，调查统计分蘖存活率，与对照品种比较，判定品系（种）的抗寒等级。每个品系（种）连续2年鉴定，以提高鉴定结果的可靠性。

对挖苗调查剩余的幼苗加强田间管理，将抗寒性好的品系收获籽粒，带回保定市河北农业大学小麦育种试验地扩繁观察，进一步选育抗寒性更好的变异类型。经过超低温越冬处理后存活的植株个体（品种的纯度是相对的，个体间仍存在细微差异），抗寒性得到进一步提高。在蔚县筛选到的抗寒性较好的品系，种植在保定市继续鉴定其丰产性、节水性、抗病性、品质，择优培育新品种。

经过15年的鉴定，评价了1 896个小麦新品系和品种的抗寒能力，筛选出河农6425、河农5059、河农6049、河农5480、河农5102、河农6426、河农8184、河农6314、河农7004、河农7008、河农8060、河农8179 等抗寒性强或较强、综合性状良好的自育新品系，参加河北省冀中北冬麦区和国家北部冬麦区小麦品种试验，其中5个品种获得国家或河北省审定，6个品种正在参加试验。同时，鉴定出冀麦38号、乐亭639、轮选987、中麦9号等一批抗寒性较好的亲本资源（生产品种）。

4 其他小麦抗寒鉴定技术

最传统的小麦越冬抗寒鉴定技术是自然条件下的形态鉴定，即返青后观察地上部叶片枯死的程度或统计活蘖百分率。农业农村部2011年发布的《国家小麦品种试验记载标准》将冻害分为5级：1级无冻害；2级叶尖受冻发黄；3级叶片冻死1/2；4级叶片全枯；5级植株或大部分蘖冻死。国家小麦品种试验抗寒性指定鉴定单位的做法是返青后挖苗统计活蘖百分率，本研究介绍的超低温越冬选择法就属于该项技术方法，但在越冬条件选择方面进行了改进，冬季温度更低一些，弥补了暖冬年无法区分品种抗寒性的缺陷。

生理指标鉴定小麦抗寒性，可以使品种的抗寒能力得到比较准确的量化。巨伟等[8]采用电导法测定低温后冬小麦叶片细胞膜透性，分析其与田间自然冻害程度的相关性，表明叶片细胞膜透性与叶片冻害级别的正相关系数达到显著水平，低温胁迫后的叶片细胞膜透性可以作为鉴定小麦抗寒性指标。杨学芳等[9]研究发现，小麦低温胁迫后叶片自由水/束缚水比值与叶片细胞膜透性、田间自然冻害级别的相关系数均呈显著正相关，自由水/束缚水比值较高的品系，抗寒性较差。研究表明，低温胁迫后，小麦叶片MDA 含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD 活性、POD 活性、相对电导率均高于对照，可溶性蛋白质含量低于对照[10-12]。

室内实验室技术鉴定小麦抗寒性，可以排除越冬温度年度间变化的干扰。赵瑞玲等[13]在实验室利用光照冷冻培养室，对小麦幼苗进行冷冻处理，测定不同零下温度处理下的幼苗叶片电导率及茎生长点冷冻成活率，通过温度筛选及分析与田间自然冻害等级的相关性，确定-14℃处理三叶期幼苗3 h 后的茎尖冷冻成活率可以作为鉴定小麦品种抗寒性的指标。

分子技术鉴定小麦抗寒性，不受时间、地点和温度条件限制，具有极大的灵活性和准确性。分子标记技术应用前景广阔，前提是找到贡献率大的遗传位点和功能基因。巨伟等[14]利用DH 群体，检测到-18℃处理下控制叶片细胞膜透性的QTL 位点21个，其中4个位点的遗传贡献率大于10%。杨学芳[15]利用DH 群体，检测到低温处理下控制叶片自由水/束缚水比值的QTL 位点9个，其中4个位点的遗传贡献率大于10%。赵瑞玲[16]利用小麦自然群体，检测到与抗寒性性状相关的SNP 位点75个，贡献率最大的SNP 标记位于7A 染色体上，能解释18.70%的表型变异。赵勇等[17]利用转录组学和代谢组学联合分析，在小麦品种受到低温胁迫后，部分基因表达和下游代谢产物呈现明显有规律的变化。植物冷胁迫反应的信号网络和通路也有部分报道[18-19]。