小麦穗发芽抗性鉴定标准的改进与优化

高 威，徐康乐,刘 雪，徐冬梅，高 畅，严胜男，姚 辉，尚姚姚，潘 旭，曹佳佳，程欣然，刘明利，卢 杰，常 成 ，张海萍，马传喜

(安徽农业大学农学院，农业农村部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室，合肥 230036)

小麦是重要的粮食作物，我国是全球最大的小麦生产国和消费国，常年产量约占全球总产17%，小麦生产对保障国家粮食安全具有重大战略意义[1-2]。然而，小麦收获期阴雨天气易导致穗发芽的发生（尤其白皮品种），如果阴雨天气持续时间较长，则加剧穗发芽，严重影响小麦的产量和品质。据统计，全球每年因穗发芽造成的损失已超过数十亿美元，其中，美国、加拿大、澳大利亚、日本等较为严重[3]。我国主要麦区均有不同程度穗发芽发生，长江中下游冬麦区、东北春麦区和西南冬麦区等尤为严重[4]；值得关注的是，近些年（如2008、2010、2013、2015和2018），由于异常气候，收获期降雨量及发生频率显著增加，导致黄淮麦区南部也频繁遭受穗发芽危害，芽粒比例严重超标，造成商品小麦价格下降及收储困难。

天气因素不可控制，且随着机械化收获的大规模跨区作业，雨后大型收割机难以下地，因此，培育穗发芽抗性持续期长的小麦品种（尤其白皮品种）十分必要，这是减轻其危害的根本途径。国内外研究表明，小麦穗发芽抗性的主要遗传因素是种子本身的休眠性，遗传分析显示，穗发芽抗性由主效-微效多基因控制，已报道的主效QTL主要位于2A[5]、2B[6]、3A[7]、4A[8]、6B[9]等染色体；已克隆的小麦抗穗发芽基因仅有6 个，如TaVp-1[10]、TaDOG1L1[11]、TaMFT/TaPHS1[12-13]、TaSdr[14-15]、TaMKK3[16]和TaQsd1[17]。本实验室前期研究表明，聚合优异等位基因可有效提高穗发芽抗性，从而培育抗穗发芽小麦新品种。

在研究抗穗发芽遗传机制及新品种选育时，准确测定穗发芽抗性表型是基本前提。因为穗发芽抗性主要遗传成分是种子休眠，所以前人常通过脱粒后测定籽粒发芽率来鉴定穗发芽抗性[7]。然而，穗发芽除了受种子休眠特性影响外，穗部性状、颖壳闭合情况及内源抑制物等也影响穗发芽[4]，因此，直接用整穗进行测定更能准确评估穗发芽抗性。2009 年，农业农村部颁布实施了小麦穗发芽抗性测定行业标准（NY/T 1739-2009），即采用整穗发芽方法[18]。本实验室在采用该标准进行小麦穗发芽抗性测定时，发现该标准中发芽时间（4 d，即96 h）较长，发芽压力大，无法有效区分品种间穗发芽抗性水平，特别是抗性一般的白皮半冬性品种，在品种筛选及选育中的使用受到限制。因此，研究整穗发芽2、3 和4 d（作为对照）时的相对发芽指数，比较不同发芽天数处理条件下穗发芽抗性鉴定的差异，优化发芽时间，旨在为穗发芽抗性表型准确鉴定及标准修订提供技术支撑和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

2018—2019 年度国家小麦良种联合攻关参试品系40 份，包括黄淮南片广适组（GS）17 份，黄淮南片抗赤霉病组（KC）12 份，长江上游区试组（CJS）5 份，长江中下游区试组（CJZX）6 份。2019—2020年度128 份，包括抗赤霉病组（KC）18 份，黄淮东部品比（HHD）25 份，广适组（GS）20 份，优质品种组（YZ）5 份，养分高效品种组（YF）7 份，黄淮西部品比组（HHX）35 份，长江上游组（CJS）7 份，长江中下游组（CJZX）11 份。以高感穗发芽品种中优9507 作为对照品种，用于相对穗发芽指数（Index of relative sprouting，简称 I）的计算（表1）。

表1 中优9507 穗发芽抗性评价Table 1 The evaluation of PHS resistance of Zhongyou 9507

表2 小麦抗穗发芽性评价标准Table 2 The evaluation standard of resistance to PHS of wheat

1.2 田间试验设计

每份试验材料种植2 行，行长2 m，行距0.25 m，随机区组排列。正季播种，常规栽培管理与病虫害防治。 在开花当天选择有代表性的25～30 个植株主茎穗，挂牌并注明开花日期。于开花后第35 天或小麦生理成熟期（即黄熟期）选择挂牌的正常穗20个，从穗下颈15～20 cm 处剪取，立即进行穗发芽处理或-20 ℃保存备用（不超过1 周）。

1.3 穗发芽抗性测定

2018—2019 年度穗发芽抗性鉴定方法为农业农村部穗发芽鉴定行业标准（NY/T 1739-2009）[18]，穗发芽时间为4 d。2019—2020 年度穗发芽抗性鉴定方法参考该标准，并略有修改：将剪取的20 个整穗随机分成2 组，每组10 穗，分别于自来水中浸泡4 h，再用0.1%次氯酸钠溶液消毒5 min，然后在人工气候室(22 ℃、100%RH)中培养。为优化整穗发芽处理时间，作者从2019—2020 年度128 份参试品系中随机选取25 份和18 份品系，分别设置了2、3 d 和2、4 d 的穗发芽处理时间。穗发芽处理完成后，麦穗随即在60 ℃烘箱中烘干。手工剥粒，以籽粒胚部表皮破裂为发芽标准，分别统计每组整穗的总籽粒数和发芽籽粒数。以两组试样的穗发芽率平均值作为该品系的穗发芽率。

穗发芽率 =（穗发芽籽粒数/总籽粒数）×100%

相对穗发芽指数（I）=待测样品穗发芽率/对照品种穗发芽率

高感穗发芽品种中优9507 为本试验对照品种，用于计算相对穗发芽指数。小麦抗穗发芽评价标准如表2 所示。

2 结果与分析

2.1 2018—2019 年度参试品系穗发芽抗性分析

本文研究了2018—2019 年度国家良种联合攻关40份小麦参试品系穗发芽抗性，结果如表3所示。该年度穗发芽抗性鉴定与评价方法是参考农业农村部2009 年颁布的小麦穗发芽鉴定行业标准（NY/T 1739-2009），穗发芽时间为4 d。研究结果发现，不同参试组别，其相对穗发芽指数、变异系数、抗性水平频率分布等均有较大差异。从表4 可看出，黄淮南片广适组共计17 个品系，相对发芽指数最高，平均为0.81，而变异系数最低，为11.23%，该组均为高感穗发芽。黄淮南片抗赤霉病组共计12个品系，相对穗发芽指数为0.68，变异系数次之，为22.06%，均为感和高感穗发芽。长江中下游区试组均为抗穗发芽，相对发芽指数为0.11，变异系数为45.45%；而长江上游区试组穗发芽抗性变异系数最大，为88.09%。上述结果说明，黄淮南片广适组、抗赤霉病组等半冬性或偏冬性品系穗发芽抗性显著低于长江上游和中下游春性品种。需要指出的是，前两组半冬性品系穗发芽抗性水平变异不大，均为感和高感水平，采用该行业标准不利于详细区分这些品系的穗发芽抗性。

本研究从2019—2020 年度国家良种联合攻关试验随机选取25 份和18 份品系，分别用于鉴定不同发芽处理时间的相对穗发芽指数和抗性水平的变化。结果（表5）表明，和发芽2 d 相比，3 d 发芽时间处理的相对发芽指数明显高于前者，而品系间变异系数明显低于前者。

表3 2018—2019 年度参试品系相对穗发芽指数及抗性评价Table 3 The resistance evaluation and index of relative PHS sprouting of wheat during 2018-2019

表4 2018—2019 年度各参试组小麦品系相对穗发芽指数分析Table 4 The analysis of relative index of PHS of wheat varieties during 2018-2019

图1 2019—2020 年度不同发芽时间条件下穗发芽抗性水平的频率分布Figure 1 The distribution frequency of PHS resistance of wheat varieties treated by different sprouting time in 2019-2020

通过分析不同发芽处理时间的穗发芽抗性分布（图1）可知，在发芽2 d 的处理条件下，25 份品系穗发芽抗性水平分布较广泛，从高感到高抗均有分布。而在发芽3 d 的处理条件下，绝大多数品系表现为感和高感穗发芽，抗穗发芽品系比例很少，仅为2 份。

同时研究了随机选取的18份品系在发芽2 和4 d 处理条件下，相对发芽指数、变异系数及抗性水平的分布。结果（表6）表明，在发芽4 d 时，样品相对发芽指数明显高于发芽2 d 的，但其变异系数则明显低于后者。在穗发芽抗性水平分布上，发芽4 d 处理的品系全为高感，已无法有效区分品系间穗发芽抗性，与发芽处理3 d 的结果相同，具体如图1和图2 所示。

表5 2019—2020 年度25 小麦个品系不同发芽时间穗发芽抗性分析Table 5 The analysis of PHS resistance of 25 wheat varieties treated by different sprouting time during 2019-2020

图2 2019—2020 年度不同发芽时间条件下穗发芽抗性水平的频率分布Figure 2 The distribution frequency of PHS resistance of wheat varieties treated by different sprouting time in 2019-2020

以上结果说明，发芽处理2 d 处理时，品系间变异系数较大，抗性水平分布较广泛；发芽处理3 d 或4 d 时，品种间变异系数降低，抗性水平多分布于感或高感穗发芽区域，无法有效区分品系间的实际抗性差异。因此，采用发芽2 d 处理，对2019—2020 年度国家良种联合攻关8 组128 份品系进行穗发芽抗性鉴定。结果表明，各组均鉴定出中抗及以上抗性水平的品系，抗性分布较为广泛，其变异系数均明显提高（36.13% ～ 83.39%）。特别是除了长江上、中下游区试组的春性品系外，其他各组半冬性品系穗发芽抗性均出现明显差异，这对于准确鉴定半冬性品种穗发芽抗性具有重要应用价值，具体如表7 所示。

表6 2019—2020 年度18 个小麦品系不同发芽时间穗发芽抗性分析Table 6 The analysis of PHS resistance of 18 wheat varieties treated by different sprouting time during 2019-2020

表7 2019—2020 年度各参试组小麦品系穗发芽抗性分析Table 7 The analysis of PHS resistance of all wheat groups in 2019-2020

3 讨论与结论

收获期穗发芽是影响小麦安全生产的主要非生物逆境之一，选育抗穗发芽小麦品种是降低穗发芽危害的主要途径。在小麦穗发芽抗性遗传机制研究、种质资源创制以及新品种选育等过程中，穗发芽抗性表型准确鉴定显得尤为重要。国内外常用收获后籽粒发芽和整穗发芽两类测定方法来鉴定小麦穗发芽抗性，但前者主要反映的是种子休眠特性，而穗发芽除了与休眠紧密关联外，还与穗部和颖壳特性相关，因此整穗发芽更能准确地评价穗发芽抗性。2009 年，农业农村部颁布了小麦穗发芽抗性鉴定的行业标准（NY/T 1739-2009）[18]，为我国小麦抗穗发芽鉴定提供标准化检测方法，具有重要应用价值。

本实验室长期从事小麦种子休眠、穗发芽抗性的遗传机制研究及新品种选育。我们发现按照该标准进行发芽指数测定时，由于发芽条件，如温湿度、样品储放时间、发芽时间等显著影响结果的测定，特别是发芽处理时间（4 d，即96 h）影响更为显著。由于发芽时间过长，测定的相对发芽指数普遍偏高，品种间穗发芽抗性难以有效区分，尤其对于大多数半冬性品种。目前，小麦穗发芽抗性提高与改良得到广泛关注，生产上也开始出现穗发芽抗性表现较好的半冬性品种，如安农0711、未来0818、郑麦7698 等，但用该标准难以准确鉴定出其穗发芽抗性差异（数据未列出）。因此，本文研究了不同发芽处理时间对品系穗发芽抗性的影响，认为将发芽处理时间缩短了一半，即从4 d 缩减为2 d 较为合适。研究结果也表明，发芽2 d 处理条件下，能够有效区分品种间抗性差异，特别是半冬性品系。本文鉴定出一些穗发芽抗性中抗及以上的品系，如安农196、安科1801、皖宿1316、天麦189、皖垦麦1720、安农188、洛麦47、兆丰35、蓝天43 及中麦7068 等。同时，由于发芽时间缩短一半，也大大降低穗发芽鉴定时间，提高检测效率。缩短发芽时间使得抗性水平总体较往年偏高，但抗性较差的品种在此条件下仍表现不佳，如对照品种中优9507（I：1.00，HS）及周麦18 等（I：0.81，HS）。说明本文对穗发芽时间的改进和优化适合大规模测定的要求。由于影响整穗发芽鉴定的因素较多，除品种本身外，环境因素影响也较大，完善抗穗发芽测定方法对于准确评估其抗性水平显得尤为重要。本研究为国家小麦穗发芽抗性评价行业标准进一步优化和完善提供重要参考依据。