新疆春小麦品种种子耐老化评价

于 洋, 朱长安, 李召锋, 周广立,崔凤娟, 朱连春, 王皓辰,刘仕志

(1.石河子大学农学院, 新疆石河子 832000; 2. 新疆新农现代投资发展有限公司, 新疆五家渠 831300; 3. 新疆农垦科学院作物研究所, 新疆石河子 832000)

小麦是重要的粮食作物,也是人体所需能量、蛋白质和膳食纤维的主要来源[1]。种子质量的优劣直接影响作物的生长发育、产量形成、种质资源持续利用等诸多方面[2]。种子老化是指种子生存能力下降,使得种子丧失活力及萌发能力的不可逆变化,是在种子成熟后自然发生且不可避免的过程,其与有害物质积累、内源激素紊乱、生物大分子变性、膜系统损伤等有关[3],以种子发芽指标的降低为重要表征[4]。种子刚成熟时,生命活力最旺,随着贮藏时间的延长,种子不可逆地老化死亡,种子活力持续降低,并最终失去种用价值[5]。随着我国种子产业的快速发展,越来越多的企业进入到种子市场,受供求关系及粮食市场的影响,大量的种子需要短期或长期的储藏,从而诱发种子老化[6]。因此,培育耐储性品种,有效应对市场波动是种子企业和育种者共同关注的热点问题。耐老化能力是衡量种子活力和耐储性的重要 指标之一,小麦耐老化能力存在基因型差异[1,7-8 ], 为筛选耐老化种质、培育耐老化品种提供了可能。

对作物品种资源进行耐老化鉴定及评价是培育耐老化品种的前提和基础。目前,高温高湿人工模拟老化结合发芽试验是筛选适宜长期储藏的优良作物材料、鉴定种质资源耐老化能力的最常用方法。如,李穆等[6]采用高温高湿法对60份玉米自交系的耐老化能力进行评价,筛选出FK1239、加早19等8份耐老化材料;王婷等[9]采用此方法鉴定了30份黄瓜品种的耐老化能力,筛选出18份耐老化品种;邓晓娟等[10]将12份棉花品种的耐储性分为耐贮藏型、中间型和不耐贮藏型三种类型。但目前关于新疆小麦品种资源耐老化能力评价的研究鲜见报道。本研究对33份主要新疆春小麦品种资源的耐老化能力进行评价,以期筛选出耐老化种质,为培养耐储性品种提供亲本材料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为33份新疆春小麦品种资源(表1),由石河子大学麦类作物研究所提供。

表1 供试材料Table 1 Name of wheat varieties in this experiment

1.2 试验方法

1.2.1 人工老化

2021年夏,将供试材料收获后脱粒,在自然条件下晾晒60 d,以充分破除种子休眠。利用浙江托普云农科技股份有限公司生产的种子老化箱对供试材料进行高温高湿人工模拟老化处理。使用前用75%乙醇对老化箱进行消毒。挑选大小均匀一致、无黑胚的种子进行试验。种子老化前用0.01%氯化汞溶液浸泡3 min进行消毒,然后用蒸馏水反复冲洗3次,用滤纸吸干种子表面水分,阴干后备用。

参考王玉娇等[7]的老化条件进行处理,将老化箱温度设置为41±0.5 ℃,相对湿度设置为 95%±5%,对供试种子进行老化处理(aging treatment, AT),处理时间为6 d ,以未进行老化处理的种子为对照(CK)。各处理3次重复,每重复100粒种子。老化处理结束后,将种子置于阴凉处充分风干。

1.2.2 测定项目与方法

将老化处理的种子在RXZ型智能人工气候箱(宁波江南仪器制造厂)中进行标准发芽试验。温度20 ℃,光周期为16 h/8 h,光照强度为 15 000 lx,空气相对湿度为50%。每天喷洒蒸馏水,以保持湿润,并记载发芽情况。胚芽长度达到种子长度一半即为发芽。萌发第4天统计发芽势,第8天统计发芽率并测量幼苗高度,计算发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数及其耐老化系数(老化处理/CK)。

1.3 耐老化性评价

参考王 婷[9]和闫慧芳[11]的方法,基于不同发芽指标的耐老化系数,运用加权隶属函数法对不同小麦品种种子的耐老化性进行综合评价。并根据不同品种的耐老化综合评价值(D值)对供试品种的耐老化性进行聚类。加权隶属函数法计算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中,xi为第i个指标的度量值,ximin和ximax分别表示第i个指标的最小值和最大值,μ(xi)表示xi的隶属函数值,CVi表示μ(xi)的变异系数,wj为CVi在总变异中所占权重,n为指标数。由于耐老化系数与种子的耐化老能力呈正相关,用公式(1)计算隶属函数值。采用客观赋值法按公式(2)计算各评价指标的权重,按公式(3)计算不同供试材料耐老化性综合评价值(D值)。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007整理试验数据,在对发芽势和发芽率进行方差分析前,先将数据进行反正弦转化。使用SAS 8.0 进行方差及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种发芽指标方差分析

方差分析结果(表2)表明,老化处理、品种及二者间互作对春小麦种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数影响均达极显著水平,说明春小麦种子活性会随着种子的老化而变化,且不同品种对老化的反应存在差异。

表2 发芽指标方差分析Table 2 Analysis of germination index variance

2.2 老化对小麦发芽指标的影响

由表3可以看出,老化种子的发芽势和发芽率的平均值分别为51.21%和67.26%,较CK分别下降41.16和30.96个百分点;老化种子的发芽指数和活力指数平均值为19.63和159.95,较CK分别降低50.29%和64.77%。种子老化后发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数的变异系数分别为27.63%、22.05%、25.63%和29.32%,均大于CK,表明老化处理后不同品种间种子发芽指标的变异范围扩大,有利于耐老化品种的挖掘。

表3 人工老化对小麦发芽指标的影响Table 3 Effect of artificial aging on the germination indices of spring wheat

2.3 耐老化性综合评价

以发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数等四个指标的耐老化系数为基础,计算其隶属函数值(表4)。从结果看,不同指标隶属函数值的平均值和变异系数不同,如平均值以发芽率最大,活力指数最小,而变异系数则以活力指数最大,发芽率最小。因此,需要综合来分析品种的耐老化特性。加权计算结果表明,供试材料耐老化性综合评价值(D值)为0.002～0.931,平均值为 0.493,变异系数为48.266%。供试材料按其D值从高到低排序:新春40号>新春43号>新春30号>新春47号>新春41号>新春6号>新春19号>新春22号>新春29号>新春11号>新春37号>新春17号>新春36号>新春24号>新春48号>新春46号>新春32号>新春21号>新春38号>新春51号>新春49号>新春26号>新春50号>新春8号>新春20号>新春44号>新春35号>新春45号>新春33号>新春30号>新春31号>新春12号>新春9号。

表4 不同品种各耐老化系数的隶属函数值、权重及D值Table 4 Subordinate function value, index weight, and D value of each variety's aging resistance coefficient

进一步采用离差平方和法对D值进行聚类,可将供试品种划分为4类(图1)。新春6号、新春30号、新春40号、新春41号、新春43号、新春47号等6份材料为第Ⅰ类,属高耐老化型,占供试材料的18.18%;新春11号、新春17号、新春19号、新春22号、新春24号、新春29号、新春36号、新春37号、新春48号等9份材料为第Ⅱ类,属普通耐老化型,占供试材料的27.27%;新春8号、新春20号、新春21号、新春26号、新春32号、新春38号、新春46号、新春49号、新春50号、新春51号等10份材料为第Ⅲ类,属弱耐老化型,占供试材料的30.30%;新春9号、新春12号、新春31号、新春33号、新春35号、新春39号、新春45号、新春46号等8份材料为第Ⅳ类,属老化敏感型,占供试材料的24.24%。第Ⅰ类～第Ⅳ类材料D值的平均数分别为0.83、0.61、0.43和0.18,其中前两种类型的均值大于所有参试材料的平均值,后两种类型的均值小于所有参试材料的平均值。

图1 聚类分析Fig.1 Cluster analysis

3 讨 论

种子活力受遗传和环境因素的共同影响,即使在最佳贮藏条件下,种子活力的逐渐丧失也不可避免。在农业生产中,老化的种子会对作物的生长发芽和大田生产造成不利影响[12]。种子供求关系的不稳定性客观要求品种具备优良的耐储性。自然老化是评价种子耐储性的理想方法,但所需时间漫长,采用人工加速老化的方法模拟自然老化过程,在种子耐老化研究中广泛应用。本研究结果表明,高温高湿老化导致小麦种子活力显著降低,这与前人研究结果[7,13]一致。与CK相比,老化小麦种子发芽势的降低幅度明显大于发芽率,这可能是由于种子在萌发过程中通过自我修复,缓解了老化对种子萌发的伤害影响引起的[14]。选育耐老化品种是延缓种子老化最为经济、有效的措施[15],应广泛收集、鉴定农作物种质资源,挖掘并丰富耐老化种质,为耐老化育种提供优异的亲本材料。本研究筛选出新春6号、新春30号、新春40号、新春41号、新春43号、新春47号等6份耐老化能力突出的品种资源,可以作为耐老化育种的亲本。王玉娇[7]等研究表明,新春30号的耐老化能力优于新春26号,与本研究结果一致。

高温高湿老化条件下,种子耐老化能力与种子类型密切相关。硬质型玉米种子的角质胚乳能够抵御高温高湿对种胚的不良影响,缓解老化对胚的伤害,具有较高的耐老化能力[6];糯小麦种子的抗老化能力弱于非糯小麦种子[8];彩色种子含有决定籽粒颜色的花青素成分[16],抗氧化能力优于白粒种子[17],在种子受到伤害后具有更强的修复能力,可能具备较强的耐老化能力。本研究中新春36号种皮颜色为黑色,在33份供试材料中居第13位,耐老化能力较强。需要指出的是,尽管人工老化在一定程度上可以模拟自然老化,但不能完全代替[7]。环境温湿度是自然条件下影响种子老化的关键外部因素,我国不同麦区环境温湿度差异巨大。因此,各麦区有必要制定中长期研究计划,对自然老化条件下小麦种质资源的耐老化性进行深入的研究。