不同基因型小麦品种倒春寒抗性分析及其评价

王维领，刘 畅，张雨婷，段瑞华，赵 灿，李国辉，许 轲，霍中洋

(1.江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，扬州大学，江苏扬州 225009；2. 连云港市植物保护植物检疫站，江苏连云港 222599)

小麦是我国最重要的粮食作物之一，其高产稳产对保障我国经济安全和民生稳定具有重要作用。倒春寒是威胁我国黄淮和长江中下游冬麦区高产稳产的重要气象因子之一。小麦遭受倒春寒危害后一般减产10%～30%，严重时减产幅度可达50%以上。近年来，由于全球气候变暖，小麦品种的选择逐渐偏春性化，其冬春生长快，起身拔节早；加之在气候变暖背景下，春季气温发生大幅波动的可能性增加，小麦遭遇倒春寒危害的风险不断提高。我国冬小麦85%的种植区域属于倒春寒发生的风险区域。因此，加强小麦倒春寒抗性方面的研究对保障全球气候变化下我国小麦高产稳产具有十分重要的现实意义。

种植抗倒春寒品种是预防倒春寒危害的首选栽培措施，而鉴选抗倒春寒品种可为种植品种的选择提供参考。在生产上，人们常以冬春性来推断品种的倒春寒抗性。钟秀丽等研究指出，小麦倒春寒抗性与品种冬春性并无明显关联。但席吉龙等研究发现，小麦倒春寒抗性与品种冬春性紧密相关。王树刚等分别以拔节期冷冻胁迫下小麦叶片生理生化指标和籽粒产量变化对不同冬小麦品种的倒春寒抗性进行分析，发现以不同的评价方法可以将相同品种划分在不同的倒春寒抗性级别中。因此，如何准确鉴选抗倒春寒的小麦品种仍需要进一步研究。

本研究以黄淮和长江中下游冬麦区24个主栽或近年来审定的小麦品种为研究材料，利用人工智能温室在拔节期设置不同强度的冷冻胁迫处理，通过调查叶片受冻指数、幼穗冻伤率、产量降幅等指标，明确各品种倒春寒抗性的强弱，同时结合各品种越冬期抗寒性和冬春性，探明小麦品种倒春寒抗性与越冬期抗冻性及其冬春性的关系，以期为小麦倒春寒品种鉴选提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为24个在黄淮和长江中下游冬麦区推广种植的小麦品种，品种名称、冬春性、熟性及审定年份等具体信息见表1。

1.2 材料种植

本试验于2020-2021年在扬州大学盆栽试验场进行，小麦采用盆栽方式在自然环境下生长。盆钵直径为25 cm，高22 cm，每盆装土9.5 kg；盆底均匀钻6个小孔，以防渍水。为缩短小麦品种间幼穗分化差异，将不同冬春性小麦品种进行分期播种。其中，半冬性小麦品种播期为11月8日，弱春性小麦品种为11月12日，春性小麦品种为11月16日。播种时挑取饱满的种子每盆均匀摆放20粒，于两叶期间苗，每盆留10株。每盆基施1.0 g尿素和1.5 g磷酸二氢钾(与土壤混合拌匀后装盆)，并于返青期和孕穗期各追施0.5 g尿素。每盆浇水量保持一致，其他管理措施与大田基本一致。

1.3 试验处理

(1)拔节期冻害。当各品种主茎处于倒二叶出生期(幼穗发育至药隔形成期)时，将各品种平均分为三组，一组继续放置在自然环境(平均温度约为13 ℃/5 ℃，昼/夜)下生长，作为对照(CK)；另外两组利用人工智能温室模拟倒春寒进行冷冻胁迫处理(L)。冷冻胁迫处理1(L1)：首先将温度迅速降至4 ℃，之后以每小时下降2 ℃的速度进行降温，当温度降至-4 ℃时维持(气温波动约为 ±2 ℃)，共处理1 d；冷冻胁迫处理2(L2)：首先将温度迅速降至4 ℃，之后以每小时下降2 ℃的速度进行降温，当温度降至-2 ℃时维持(气温波动约为±2 ℃)，共处理2 d。冷冻胁迫处理结束后将气候室温度升至4 ℃，过夜后将盆搬至自然环境中进行恢复生长，直至成熟收获。整个温度处理过程中，光周期设置为10 h，光合有效辐射约为300 μmol·m·s。

(2)越冬期冻害。2020年12月30日和2021年1月6日左右，扬州地区发生两次高强度降温天气，出现单日最高温度低于0 ℃，最低气温降至-10 ℃以下的历史极端低温(图1A)。本研究于2021年1月13日(第二次降温后一周)对各品种叶片受冻情况进行了调查和分析。

表1 供试材料信息表Table 1 Information table of test materials

1.4 测定项目与方法

1.4.1 叶片受冻程度调查

于越冬期和拔节期冷冻胁迫后7 d(冻害症状已经完全显现)，根据全国小麦区域试验冻害5级指标进行叶片冻害程度的调查(略有改动)。具体分级如下：1级，叶片未产生伤害；2级，叶片受冻发黄面积小于1/3；3级，叶片受冻发黄面积介于1/3～1/2；4级，叶片受冻发黄面积介于1/2～2/3；5级，叶片受冻发黄面积大于2/3。调查对象为主茎顶三叶，取平均值作为代表该主茎叶片受冻程度。每品种每处理至少调查15个小麦主茎。冻害指数的计算公式如下：

冻害发生率=达到冻害级别的茎蘖数/总茎蘖数×100%

冻害指数=∑[冻害等级(2级以上)× 冻害发生率]/(冻害五级×100%)

1.4.2 幼穗冻伤率调查

拔节期冷冻胁迫处理后7 d，取各处理小麦主茎，用解剖针和解剖刀将叶鞘剥离后通过显微镜观察主茎幼穗受冻情况。幼穗颜色发白干枯、无弹性者即判定为冻伤幼穗。每品种每处理至少调查30个主茎，计算幼穗冻伤率。

1.4.3 产量性状调查

于拔节期冷冻胁迫处理前，每品种每处理各挑出3盆标出主茎，于成熟期调查每盆主茎数量、主茎穗粒数、主茎粒重、主茎产量以及每盆穗数(主茎穗+分蘖穗)、穗粒数、粒重和每盆总产量，每一盆为一个生物学重复。

1.4.4 农艺性状调查

于拔节期(冷冻胁迫处理前1 d)调查对照组主茎农艺指标。使用SPAD仪(SPECTRUM，美国)测定SPAD值，测定对象为全展顶一叶，在叶片上、中、下处读取数值后取平均值作为最终值；用米尺测量主茎最大长度(即株高)；将叶鞘剥离后用游标卡尺测定主茎基部第二节间粗度，计为茎粗；用米尺测定基部节间到幼穗的长度，计为茎长；将主茎样品放置105 ℃烘箱杀青30 min后，在80 ℃条件下烘干至恒重，称重记录。每5株为一个生物学重复，重复3次。

1.5 数据处理

采用 Microsoft Excel 2016 软件对数据进行处理并绘图，使用SPSS 22.0软件进行方差分析。

图1 2020年12月至2021年1月温度数据(A)和拔节期低温处理温度数据(B)

2 结果与分析

2.1 拔节期冷冻胁迫下小麦叶片受冻程度

小麦品种间拔节期叶片抗寒性存在明显差异，且L1处理整体上对小麦叶片的伤害程度明显高于L2处理(图2)。在L1和L2处理下，半冬性、弱春性和春性品种的叶片平均受冻指数分别为0.338和0.087、0.503和0.139、0.647和 0.283，基本上呈现出半冬性<弱春性<春性的变化规律，说明拔节期小麦叶片抗寒性与其冬春性存在密切的关系。在L1处理下，半冬性品种中叶片受冻指数较低的品种有JM816、HM20、LM8和S1216，弱春性品种中叶片受冻指数较低的品种为HM30，而春性品种中叶片受冻指数较低品种有YM15、ZM12和NMZ126。在L2处理下，半冬性品种AK58、ZM366、HM20、S1216的叶片没有出现冻害症状，弱春性品种间叶片受冻指数无明显差异，春性品种中叶片受冻指数较低的品种有YM15和ZM12。在L1和L2处理下，半冬性、弱春性、春性品种中拔节期叶片抗寒性均表现良好的品种分别为HM20和S1216、 HM30、 YM15和ZM12。

图2 拔节期冷冻胁迫下小麦叶片受冻指数

2.2 拔节期冷冻胁迫下小麦幼穗受冻程度

拔节期冷冻胁迫下品种间幼穗冻伤率也存在明显差异(图3)。L1处理下品种幼穗平均冻伤率(48.6%)明显高于L2处理(24.5%)。在L1处理下，半冬性、弱春性和春性品种的幼穗平均冻伤率分别为41.4%、56.4%和57.2%，呈现出半冬性<弱春性<春性的规律；而在L2处理下，半冬性、弱春性和春性品种的幼穗平均冻伤率分别为23.6%、10.9%和31.1%，呈现出半冬性<春性<弱春性的规律。相关性分析表明，L1处理下品种幼穗冻伤率与其冬春性显著相关(相关系数为0.415)，L2处理下品种幼穗冻伤率与其冬春性相关性较低(相关系数仅为0.221)。在L1处理下，半冬性品种中JM816、JM22、HM20、LM8和S1216幼穗抗寒性较强，弱春性和春性品种中HM30、YM15、ZM12和NMZ126的幼穗抗寒性较强。在L2处理下，半冬性品种JM816、JM22、HM20和WM203的幼穗抗寒性较强，弱春性品种中ZM9023的幼穗抗寒性较强，春性品种中ZM168幼穗抗寒性较强。

2.3 拔节期冷冻胁迫对产量性状的影响

品种、冷冻胁迫及二者互作对小麦主茎产量、总产量均有极显著影响(表2)。拔节期冷冻胁迫(L1和L2)显著降低各品种主茎产量，其中半冬性、弱春性和春性品种的主茎产量平均降幅分别为36.30%、38.77%和51.99%。L1处理引起的主茎产量降幅(50.02%)整体上明显高于L2处理(33.66%)。L1处理下，半冬性品种JM816、JM22和HM20的主茎产量降幅较小；弱春性和春性品种中主茎产量降幅较小的品种分别为ZM9023和ZM168。L2处理下，半冬性品种HM20、AK58和ZM366的主茎产量下降幅度较低；3个弱春性品种的主茎产量降幅无明显差异；春性品种中ZM12的主茎产量降幅最低。

拔节期冷冻胁迫整体上明显引起品种总产量降低，其中半冬性、弱春性和春性品种的总产量平均分别下降17.48%、21.58%和21.46%。L1和L2处理平均分别减产23.04%和15.61%。L1处理下，半冬性品种HM20和LM8的总产量降幅较低；弱春性和春性品种中HM30和ZM12的总产量降幅最低。L2处理下，半冬性品种HM20和LM618以及春性品种ZM12的总产量不降反增，弱春性品种中LM24的降幅较低。

相关性分析(表3)表明，拔节期冷冻胁迫下(L1和L2)，主茎产量和总产量降幅均与相应的穗数和穗粒数降幅呈显著或极显著正相关，而与粒重变化幅度无显著相关性。在L1和L2处理下，主茎产量降幅与主茎幼穗冻伤率和叶片受冻指数均呈极显著正相关；在L1处理下，总产量降幅与主茎幼穗冻伤率和叶片受冻指数相关均不显著；在L2处理下，总产量降幅与主茎幼穗冻伤率呈显著正相关，而与叶片受冻指数无显著相关性(图4)。另外，L1处理下，主茎产量降幅与总产量降幅的相关性不显著(相关系数为0.378)，而在L2处理下，主茎产量降幅与总产量降幅呈显著正相关(相关系数为0.461)。

图3 拔节期冷冻胁迫下小麦幼穗受冻程度

表2 各小麦品种不同处理的产量及降幅Table 2 Yield and its decreasing rate of various wheat varieties under different treatments

表3 小麦产量降幅与产量要素降幅的相关性Table 3 Correlation analysis between the decline of wheat yield and its components

图4 小麦产量降幅与拔节期叶片受冻指数和幼穗冻伤率的相关性

2.4 小麦拔节期抗寒性与农艺指标间的关系

为探求能够鉴定小麦品种拔节期抗寒性的农艺指标，将拔节期叶片受冻指数、幼穗冻伤率与正常生长条件下拔节期主茎的农艺指标进行相关性分析。结果(表4)表明，拔节期冷冻胁迫(L1和L2)下主茎叶片受冻指数、幼穗冻伤率与主茎长度分别呈负相关和正相关，但均不显著；除L1幼穗冻伤率外，叶片受冻指数和幼穗冻伤率与主茎茎秆粗度呈现负相关，相关性不显著；除L2叶片受冻指数外，叶片受冻指数和幼穗冻伤率与主茎叶片SPAD值呈现负相关，相关性均不显著；叶片受冻指数和幼穗冻伤率与株高、干重呈负相关，其中L1叶片受冻指数与主茎株高相关显著，L1和L2叶片受冻指数与主茎干重相关显著。

表4 小麦品种拔节期抗寒性与农艺指标的相关性Table 4 Correlation between freezing resistance of wheat varieties at jointing stage and agronomic traits

2.5 小麦越冬期冷冻胁迫下叶片受冻程度

2020年底和2021年初两次极端低温天气对越冬期小麦植株造成了一定程度的伤害，但从受冻等级来看，多数品种以2、3级冻害为主，少数品种出现4级冻害，表明越冬期小麦具有较强的抗寒能力(表5)。方差分析表明，越冬期品种间叶片受冻指数差异极显著。半冬性、弱春性和春性品种的叶片平均受冻指数分别为0.154、0.209和0.323，表明小麦品种越冬期抗寒性整体上表现为半冬性>弱春性>春性。但弱春性品种LM24(0.120)和春性品种NM13(0.147)的叶片受冻指数显著低于大部分半冬性品种如XM33(0.307)、LM618(0.253)等。可见，小麦越冬期抗寒性虽与其冬春性紧密相关，但无必然联系。从叶片受冻指数来看，半冬性品种中抗寒性较强的品种有HM20、ZM366、BN207和S1216等，弱春性品种中较抗寒的品种为LM24，而春性品种中较抗寒的品种为NM13。

表5 越冬期冷冻胁迫下小麦叶片冻害等级及百分比Table 5 Frost damage grade of wheat leaves at the overwintering stage under freezing stress

2.6 小麦品种越冬期和拔节期抗寒性的关系

为探究小麦品种越冬期和拔节期抗寒性的关系，将供试品种越冬期叶片受冻指数、拔节期叶片受冻指数及幼穗冻伤率进行相关性分析(图5)。结果表明，小麦越冬期叶片受冻指数与拔节期L1处理下叶片受冻指数呈极显著正相关(相关系数为0.678)；越冬期叶片受冻指数与拔节期L2处理下叶片受冻指数呈显著正相关(相关系数为0.423)。拔节期L1处理下，小麦叶片受冻指数与幼穗冻伤率呈极显著正相关(相关系数为 0.706)；拔节期L2处理下，叶片受冻指数与幼穗冻伤率同样呈正相关，但相关性不显著(相关系数为 0.338)。小麦越冬期叶片受冻指数与拔节期L1和L2处理下幼穗冻伤率均呈正相关，但相关性均不显著(相关系数分别为0.385和 0.299)。

FIL0：越冬期叶片受冻指数；FILJ：拔节期叶片受冻指数；FRYE：拔节期幼穗冻伤率。

3 讨 论

3.1 小麦越冬期、拔节期抗寒性与冬春性间的相互关系

研究表明，小麦春化与抗寒反应虽受不同基因控制，但控制两者的基因紧密连锁。因此，小麦植株在完成春化反应前(存在抗寒锻炼过程)的抗寒能力强弱与冬春性密切相关。本研究表明，不同冬春性小麦品种越冬期抗寒能力整体上表现为半冬性>弱春性>春性。这与曹文昕等、赵鹏等的研究结果一致。但本研究同时发现，少部分弱春性(LM24)或春性品种(如NM13)的越冬期抗寒性强于半冬性品种。该结果再次证明，小麦抗寒性与冬春性是品种的两种特性，两者之间没有必然的关联。

钟秀丽等研究指出，拔节期小麦幼穗抗寒性与越冬期抗寒性以及品种冬春性间不存在显著的相关关系。但席吉龙等研究发现，小麦拔节期抗寒性与其冬春性存在紧密的相关性。本研究在拔节期不同强度冷冻胁迫(L1和L2)处理下同时考察了小麦叶片和幼穗的受冻程度。结果发现，无论是在L1还是L2处理下，拔节期叶片抗寒性与其越冬期叶片抗寒性及其冬春性均存在显著的正相关；然而，除L1处理下幼穗抗寒性与其冬春性密切相关外，L1和L2处理幼穗抗寒性与其越冬期叶片抗寒性及其冬春性相关性均不显著。以上结果表明，考察对象(幼穗或叶片)和低温强度的不同可能是前人研究结果存在差异的重要原因。

研究指出，拔节期小麦植株地上部各器官抗寒能力通常表现为幼穗<茎秆<叶片。可见，幼穗抗寒性是影响小麦植株抗寒性的短板。本研究发现，L1处理下拔节期小麦叶片抗寒性与幼穗抗寒性存在极显著的正相关性，而在L2处理下拔节期小麦叶片和幼穗抗寒性不存在显著的相关性。出现该结果的主要原因是在L2(-2 ℃)处理下幼穗受冻明显，而叶片受冻较轻或尚未受冻；而在L1(-4 ℃)处理条件下，幼穗和叶片均发生明显冻害。这与前人发现春季小麦低温致死温度在-5 ℃左右的报道相符。可见，在不同低温强度下拔节期小麦叶片和幼穗受冻程度不一定表现出显著的相关性。因此，当评价分析拔节期小麦植株抗寒性时应以幼穗受冻指标为主，叶片受冻指标为辅，这与刘方方等提出的观点相一致。

3.2 倒春寒对小麦产量性状的影响及倒春寒抗性类型划分

籽粒产量的变化是评价小麦抗寒能力的一个重要指标。但在利用产量指标评价小麦倒春寒抗性时应区分原生穗(正常生长条件下能够成穗的主茎和大分蘖)和晚生穗(由于冻害引起主茎或大分蘖死亡导致原本不能成穗的无效分蘖或新生分蘖发育成穗)，否则会影响对小麦品种倒春寒抗性的判断。比如，在本研究中，拔节期冷冻胁迫下LM618的主茎产量降幅明显高于其他大部分品种，但其总产量降幅却明显低于其他品种。可见，依照不同的产量指标可将同一个品种划分为抗倒春寒或感倒春寒。这主要是因为晚生穗对产量有明显的补偿效应，而不同品种的补偿能力有所不同。

总结前人和本研究的结果，可将小麦倒春寒抗性划分为3种类型：①耐冻型，该类型品种在遭受倒春寒时植株受到的伤害较小，主要体现在茎蘖死亡率和叶片枯死程度较低、结实率较高等，代表性品种有JM816、HM20、JM22等；②补偿型，该类型品种即使在遭受冻害时茎蘖死亡率和叶片枯死程度高，但在倒春寒过后其产生新分蘖的能力很强，最终产量降幅降低，比如ZM12、临汾7203、豫麦18等；③避冻型，该类型品种起身拔节期晚、穗分化迟，其将低温敏感期与倒春寒频发期错开，进而避免倒春寒的危害，代表性品种有周麦23、豫麦13等。虽然补偿型小麦品种在遭遇倒春寒后可以获得较高的产量，但其再生穗比正常穗成熟期明显推迟，且再生穗籽粒品质劣化，若混收则会整体上大幅降低小麦品质。

张玉雪和吴青霞等研究发现，穗数和穗粒数减少是拔节期(倒二叶出生期)冷冻胁迫引起小麦减产的主要原因。本研究中，无论是在L1还是在L2处理下，主茎产量和总产量变化主要受穗数和穗粒数的影响，与粒重相关性不大，这与前人的研究结果基本一致。另外，本研究发现，幼穗冻伤率与叶片受冻指数与主茎产量降幅呈极显著正相关，而与总产降幅的相关性明显下降，且不同低温强度处理下主茎产量降幅与总产量降幅的相关性强弱明显不一致，该结果再次证明将小麦倒春寒抗性进行分类研究的必要性。

3.3 小麦拔节期抗寒性与其农艺性状的关系

研究表明，根系活力、叶片过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性以及可溶性糖和游离脯氨酸含量等生理生化指标可作为拔节期小麦抗寒性的鉴定评价指标。然而，生理生化指标测定需要专门仪器，难度较大且成本较高。本研究考察了拔节期小麦叶片和幼穗抗寒能力与5个农艺指标的相关性。在L1和L2处理下，小麦叶片和幼穗的抗寒性均与拔节期株高和干物重呈负相关性，其中L1处理叶片抗寒性与拔节期株高和干物重的相关性达到显著水平。另外，拔节期幼穗抗寒性与叶片SPAD、茎长分别呈负相关和正相关性。以上结果指示，提高光合同化量，促进干物质积累同时适当降低节间长度，即培育壮苗，有利于提高拔节期小麦植株的抗寒性。但本研究所考察的5个农艺指标均与幼穗的抗寒性无显著相关性，说明利用农艺指标鉴定拔节期小麦植株的抗寒性存在一定难度。

综上，在鉴选抗倒春寒的小麦品种时，应在考虑品种冬春性的基础上，重点考察低温敏感期幼穗的抗寒能力，同时兼顾(主茎和大分蘖受冻死亡后)再生穗的补偿能力。本研究表明，淮麦20(HM20)在拔节期冷冻胁迫下幼穗冻伤率较低且再生穗的补偿能力较强，可作为倒春寒研究的重要材料。