黄淮麦区小麦品种抗倒春寒鉴定及其评价方法构建

方宇辉,齐学礼,张 煜,李 艳,赵明忠,胡 琳,许为钢

(河南省作物分子育种研究院/河南省小麦生物学重点实验室/河南省麦类种质资源创新与改良重点实验室/神农种业实验室,河南郑州 450002)

倒春寒是指每年2月中下旬至4月上中旬降温幅度高达6～10 ℃的现象。该阶段是小麦拔节至孕穗的关键时期,如遭遇倒春寒将会对幼穗分化和结实产生十分不利的影响,是小麦生产上危害最严重的春季低温气象灾害之一[1]。近年来黄淮麦区倒春寒现象频繁发生[2],如2013年3月中下旬至4月上旬,黄淮麦区发生大范围的倒春寒天气,导致河南、安徽、山东等省的小麦减产严重,受灾面积达总播种面积的41.8%,对小麦生产造成极大损失[3]。

倒春寒可使植株产生大量活性氧自由基,导致膜脂过氧化[4],最终造成细胞和组织损伤甚至死亡[5]。在低温胁迫过程中,小麦会通过诱导新蛋白质的合成[6]、渗透调节物质含量增加[7]以及抗氧化酶活性增强[8]等生理反应,来减轻或消除低温产生的不利影响。分析低温胁迫下生理指标的变化是判断小麦抗寒性的重要依据。隶属函数法是根据模糊数学原理[9],通过计算多项指标的隶属函数值,可较为准确地反映出品种间的抗寒性差异,在小麦[10]、茶树[11]、甘蔗[12]等植物中均有应用。钟秀丽等[13]研究表明,不同类型小麦品种的抗寒性鉴定,宜在低温敏感期进行。

黄淮麦区是中国生态条件最适宜小麦生长的地区,以种植半冬半春性小麦为主。不同地理微生态条件下,同一品种的抗寒性差异较大,在不同地区缺乏统一的抗寒性鉴定方法。前人研究认为,小麦在冬季的抗寒性与品种的冬春性相关,而在春季的抗寒性与品种的发育进程[14]以及体内生理指标密切相关[15-16]。本研究以黄淮麦区11个代表性小麦品种为材料,分析小麦遭遇倒春寒后,不同幼穗发育时期小麦的受冻害情况以及体内生理指标的变化状况,在此基础上形成小麦抗倒春寒综合评价方法,以期为小麦品种抗倒春寒鉴定和品种选育提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

试验选用的黄淮麦区11个代表性品种及其育成单位如表1所示。材料于2015-2016年在河南省农业科学院原阳试验基地进行盆栽种植,盆直径30 cm,盆高35 cm,每盆装土15 kg,土壤取自0～30 cm大田耕层,土壤基础养分含量为碱解氮78.2 mg·kg-1、速效磷23.8 mg·kg-1、速效钾115.8 mg·kg-1。于2015年10月15日进行播种,每盆点播20穴,三叶期定苗10株,将盆埋于试验田中,盆内土壤与盆外大田齐平。常规栽培管理。

1.2 试验方法

待盆栽小麦麦穗发育至二棱期(Ⅰ)、小花分化期(Ⅱ)、雌雄蕊分化期(Ⅲ)、药隔期(Ⅳ)和四分体期(Ⅴ)时,分别将试验材料移至人工气候室进行低温处理。气候室温度设置为白天0 ℃(8:00-20:00),夜间-3 ℃,温度变幅为±0.5 ℃,白天采用人工光源补光,光照强度为600 μmol· m-2·s-1。低温处理6、12和18 h后,取小麦主茎幼穗进行冻害级别调查及第1片展开叶生理指标测定,以未处理植株的幼穗和叶片为对照(CK)。低温处理结束后,将盆栽小麦埋于田间直至成熟收获。

1.2.1 幼穗冻害级别调查

经低温处理后的小麦品种,选取低温处理后长势均匀一致的植株,每个品种取3株,用解剖针将小麦主茎和分蘖幼穗剥开后,依据崔金梅等[17]和刘平湘等[18]的方法在Olympus体视显微镜下观察小麦幼穗发育进程,并记录幼穗在二棱期(Ⅰ)、小花分化期(Ⅱ)、雌雄蕊分化期(Ⅲ)、药隔期(Ⅳ)和四分体期(Ⅴ)时的受冻害等级。

1.2.2 生理指标测定

采用考马斯亮蓝G-250染色法[19]测定可溶性蛋白含量;采用蒽酮比色法[19]测定可溶性糖含量;采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法[19]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用过氧化氢法[20]测定过氧化氢酶(CAT)活性;采用硫代巴比妥酸(TBA)反应法[20]测定丙二醛(MDA)含量。于小麦成熟后,统计有效穗数、穗粒数,测定单株产量和千粒重。

1.3 抗倒春寒性状评价指标

1.3.1 性状相对值

用公式(1)[10]计算性状相对值Xj,作为评价材料抗寒性的指标。

相对值(Xj) = (低温处理下某一指标测定值/对照测定值) ×100%

(1)

1.3.2 隶属函数值

参考模糊数学中的隶属函数法,用公式(2)和(3)计算各供试材料相对性状的隶属函数值[21]。

u(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)(与抗寒性呈正相关的指标)

(2)

u(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)(与抗寒性呈负相关的指标)

(3)

式中,u(Xij)为i样品j性状的隶属函数值,Xij为i样品j性状的相对值,Xmax和Xmin分别为该指标的最大相对值和最小相对值。

1.3.3 综合评价值

用公式(4)[22]计算供试小麦材料的春季抗寒性综合评价值(Di)。

Di=∑u(Xij)/n

(4)

式中,Di为i材料的平均隶属函数值,n为测定指标数,Di值越大,表明抗寒性越强。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2007软件进行数据统计及作图,用DPS 7.05软件进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 小麦品种的抗倒春寒鉴定结果

2.1.1 幼穗不同发育时期低温处理下小麦品种的受冻害情况

从表2可以看出,在二棱期、小花分化期、雌雄蕊分化期、药隔期和四分体期,11个代表性小麦品种随着低温处理时间的延长,幼穗冻害等级均逐步提高。在药隔期达到最高,随后在四分体期有所降低,说明药隔期是小麦对低温胁迫最敏感的时期。

表2 幼穗不同发育时期低温处理下小麦的冻害级别Table 2 Cold damage level of young ear under different development stages of low temperature treatments

低温处理后周麦18、周麦22、山东20和淮麦33的幼穗冻害等级较高,而矮抗58、石麦19、良星99和郑麦7698的幼穗冻害等级则相对较低。周麦18和矮抗58在幼穗药隔期经过低温处理12 h和18 h后的小穗表型见图1,其中周麦18在低温处理18 h后均呈现组织失水和组织粘连的现象。

A和C:周麦18和矮抗58经低温处理12 h后的小穗表型;B和D:周麦18和矮抗58经低温处理18 h后的小穗表型。白色箭头指示组织失水,红色箭头指示组织粘连。A and C: Spike phenotypes of Zhoumai 18 and Aikang 58 at 12 h after cold treatment; B and D: Spike phenotypes of Zhoumai 18 and Aikang 58 at 18 h after cold treatment. White arrow indicates tissue water loss, and red arrow indicates tissue adhesion.图1 药隔期小麦品种幼穗在不同低温时间的表型Fig.1 Phenotype of young spike of wheat variety after different low temperature duration at anther connective stage

2.1.2 幼穗不同发育时期低温处理下小麦叶片生理指标的测定结果

从表3可以看出,与对照处理(低温处理0 h)相比,二棱期低温处理后小麦叶片的可溶性蛋白和可溶性糖含量、SOD和CAT活性在不同处理时间均有所增加(除低温处理18 h的可溶性蛋白含量有所降低外),且均在处理12 h后达到峰值;而MDA含量均有所下降,在处理12 h后最低。说明小麦在二棱期积累了大量渗透调节物质,使细胞渗透势增强,同时有更强的抗氧化能力去清除低温胁迫时积累的活性氧自由基,维持细胞质膜的稳定性和完整性,也说明二棱期不属于低温敏感期。进一步对小花分化期、雌雄蕊分化期、药隔期和四分体期低温处理后小麦叶片的生理指标进行分析,发现与对照处理相比,小花分化期低温处理6 h后小麦叶片的可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、CAT活性和SOD活性的平均增幅明显高于其他三个时期,分别为46.80%、54.05%、35.07%和52.73%,MDA含量的平均降幅也明显低于其他三个时期,为34.75%。而在药隔期低温处理18 h后,小麦叶片的可溶性糖含量、CAT活性、SOD活性的平均降幅明显高于其他三个时期,分别为32.33%、38.22%和45.20%;可溶性蛋白含量的平均降幅为24.32%,与雌雄蕊分化期的平均降幅(降幅最大,为25.68%)较为接近;而MDA含量的平均增幅明显高于其他三个时期,为84.73%。说明在药隔期低温处理后,渗透调节物质含量和保护酶活性降低,MDA大量积累,导致小麦植株抗寒能力减弱,也说明药隔期对倒春寒更为敏感。

表3 不同时期低温处理下小麦品种的生理指标平均值Table 3 Average values of physiological indices of wheat varieties with low temperature treatments at different stages

在药隔期低温处理6 h和12 h后,小麦叶片的可溶性糖含量平均增幅均明显大于可溶性蛋白含量的平均增幅,低温处理18 h后,小麦叶片的可溶性糖含量平均降幅也明显大于可溶性蛋白含量的平均降幅;抗氧化酶类SOD和CAT的活性在低温处理6 h后均呈上升趋势,且SOD活性平均增幅明显大于CAT活性的平均增幅,而在低温处理12 h和18 h后,SOD活性的平均降幅明显大于CAT活性的平均降幅;MDA含量的变化与渗透调节物质含量和抗氧化酶活性的变化成反比,且随着低温处理时间的延长,其含量也在不断增加。综上,可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量可作为小麦春季抗寒性鉴定的生理指标。

2.1.3 药隔期低温处理后幼穗冻害等级和叶片生理指标的相关性

对药隔期低温处理不同时间后的小麦幼穗冻害等级和叶片生理指标进行相关性分析,发现幼穗冻害等级和低温处理12 h后的可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量之间相关性均达到极显著水平,相关系数分别为-0.824、0.822和-0.847。因此,低温处理12 h后叶片中可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量可用于评价小麦的抗寒性。

2.2 药隔期抗倒春寒性状生理指标综合评价

根据药隔期低温处理12 h后测得的可溶性糖含量、SOD活性和MDA含量的生理指标,计算其隶属函数值,将各处理水平下的隶属函数值平均后得到综合评价值(D值)。从表4可以看出,11个代表性小麦品种的生理指标隶属值在同一低温条件下差异较大,低温胁迫后供试品种的D值在0.10～0.92之间,其中矮抗58最高,周麦18最低。根据D值,可将供试品种分为三类,第一类为抗寒性强的品种(0.65

表4 药隔期低温处理12 h后不同小麦品种生理指标的隶属函数值和综合评价值Table 4 Subordinative function values of different indexes and comprehensive evaluation values of different wheat varieties after low temperature treatment for 12 h at anther connective stage

2.3 药隔期低温处理后抗倒春寒小麦品种的产量及其构成验证

从表5可以看出,药隔期经过低温处理不同时间后,11个小麦品种的产量及其三要素均有所降低。在低温处理6、12和18 h后,产量降幅最大的品种分别是周麦18、周麦22和淮麦33,分别为28.67%、48.89%和62.95%,与CK间均达显著水平;降幅最小的品种分别是良星99、郑麦7698和矮抗58,分别为7.22%、21.53%和26.01%,其中低温处理6 h后良星99的产量与CK间差异不显著。

表5 药隔期低温处理后不同小麦品种的产量及其构成要素Table 5 Yield and its components of different wheat varieties after low temperature treatment at anther connective stage

单株穗数在低温处理6 h后,降幅最大的品种为石麦22,降幅为17.24%;在低温处理12和18 h后,降幅最大的品种均为周麦18,降幅分别为29.62%和40.74%。穗粒数在低温处理6、12和18 h后,降幅最大的品种分别是山农20、安农0711和山农20,降幅分别为16.53%、21.49%和32.08%。千粒重在低温处理6 h和12 h后,降幅最大的品种均为周麦22,降幅为17.93%和29.40%;在低温处理18 h后,降幅最大的品种为淮麦33,降幅为40.28%。

低温处理6、12和18 h后,所有供试小麦品种单株穗数的平均降幅分别为6.51%、12.90%和18.78%;穗粒数的平均降幅分别为6.11%、11.15%和15.99%;千粒重的平均降幅分别为7.65%、16.11%和21.85%;产量的平均降幅分别为18.74%、35.06%和46.81%。由此可见,随着低温处理时间的延长,所有小麦品种的产量及其构成要素均逐步降低,而且低温对千粒重的影响更大。

3 讨论

倒春寒是春季低温回暖后的突然降温[23],常发生在小麦拔节期,该时期是小麦生长发育的关键时期[17],对温度变化十分敏感[24-25]。钟秀丽等[13]和吴青霞等[26]利用人工气候室研究发现,药隔期可作为小麦春季抗寒性鉴定的敏感时期。本研究也发现,药隔期低温处理后小麦幼穗受损程度最高,各项生理指标大幅下降,也说明药隔期可作为春季抗寒性鉴定的生育期指标。

植物在冷胁迫下可积累可溶性糖、可溶性蛋白等大量渗透调节物质,增加细胞液浓度以防止原生质体因结冰造成的伤害,从而保证细胞膜的稳定性和完整性,在小麦抗寒过程中起重要作用[5,27-28]。本研究在人工气候室对黄淮麦区11个代表性品种进行春季抗寒性鉴定,结果表明,药隔期小麦叶片中可溶性糖和可溶性蛋白含量的变幅均明显高于其他幼穗发育时期;并通过比较发现,药隔期低温处理后可溶性糖含量的变幅大于可溶性蛋白含量,说明可溶性糖含量受低温影响更大,因此可溶性糖含量可作为抗寒性鉴定的生理指标之一。

在低温胁迫下,SOD、CAT等抗氧化酶能够清除植物体内多余的活性氧自由基或超氧阴离子,防止膜系统受损,保证植物体的正常生长发育[8, 29]。本研究发现,药隔期低温处理18 h后,小麦叶片CAT和SOD活性的平均降幅最大,分别为38.22%和45.20%,由于保护酶的大幅下降导致小麦抗寒能力减弱,小麦幼穗受损程度也最大;进一步比较发现,药隔期低温处理后,SOD活性的平均变幅明显高于CAT活性,说明SOD活性在抗寒机制中发挥的作用更积极,因此SOD活性也可作为小麦抗寒性鉴定的生理指标之一。

植物体内的MDA含量可反映细胞膜在逆境胁迫下的破坏程度,且抗寒性强的品种MDA含量低于抗寒性弱的品种[30]。本研究发现,与幼穗其他发育时期相比,药隔期低温处理18 h后小麦叶片的MDA含量平均增幅最大,为84.73%,推测原因是,低温处理后随着抗氧化酶的积累,小麦抗氧化能力有所增强,但随着低温处理时间的延长,活性氧的积累与清除的平衡被打破,引发脂膜过氧化产生MDA,表明MDA可作为小麦抗寒性鉴定的生理指标之一。

Ji等[31]研究发现,低温处理下小麦单株产量的降低主要是由于每份材料的穗粒数减少。高 艳等[32]研究发现,孕穗期倒春寒造成的减产主要是因为穗粒数的降低。陈贵菊等[33]在药隔期对不同品种进行低温处理,发现随着处理时间的延长,品种结实率显著下降,造成生育期推迟并缩短灌浆时间,最终导致千粒重下降。本研究在药隔期经过低温处理后,所有小麦品种的产量及其三要素均有所降低,而且低温对千粒重的影响更大。这与陈贵菊等[33]的研究结果相一致。

前人研究表明,低温处理下小麦品种的可溶性糖、可溶性蛋白和MDA含量以及SOD和CAT活性等生理指标存在较大差异,主要与品种自身生理特性、发育时期和处理时间有关[10, 26,31]。本研究表明,二棱期低温处理18 h后小麦叶片的可溶性糖含量降低,其余不同处理时间的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD活性和CAT活性均有不同程度的增加;MDA含量在低温处理12 h后,降幅最大。在小花分化期、雌雄蕊分化期、药隔期和四分体时期低温处理后,小麦叶片的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD活性和CAT活性随低温处理时间的延长呈现出先升高后下降的变化趋势,MDA含量则与之相反。不同品种的生理指标值变化范围较大,计算各指标的相对性状值,则可消除品种自身遗传特性和品种对照值差异的影响[10-12]。

隶属函数法是基于指标相对性状值,在测定多项指标的基础上来综合评价植物的抗逆性[21-22],为小麦抗寒性的综合评价提供了一种有效方法。本研究采用该方法对不同小麦品种进行抗倒春寒生理指标综合评价,发现11个代表性品种在低温处理后产量的降幅与品种抗寒综合评价值基本符合,即抗寒综合评价值高的品种在低温处理后产量降幅较低,具有更高的抗寒性。为验证盆栽试验可靠性,本课题组于2015-2016年度同时在河南、河北、山东和安徽四个地区,进行自然条件下11个品种的田间抗倒春寒鉴定试验,在2月15日和3月10日两次温度骤降8～10 ℃后,调查叶片冻害等级并测定所有品种的生理指标,利用隶属函数法对品种抗寒性进行综合评价,其评价值与叶片冻害等级基本吻合。本研究结果表明,通过隶属函数法综合值去衡量小麦品种的抗寒性是可靠的,在实际抗寒育种工作中可采用此方法进行小麦品种的抗寒性鉴定或评价。