不同小麦品种耐低温发芽特性的比较和种质筛选

摘 要：晚播冬小麦的发芽易受低温危害，严重影响了小麦生长群体和产量。筛选耐低温发芽的种质资源，通过育种手段培育耐低温发芽品种是减少小麦低温危害的有效途径。本试验选取48份小麦种质资源， 在5℃条件下进行发芽试验以评价低温对小麦幼苗生长的影响。利用相对发芽指数、相对简化活力指数、相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对苗长、相对单株鲜重、相对根苗长度比等指标进行相关分析、主成分分析和聚类分析，以评价不同小麦品种发芽期耐低温特性的差异。 结果显示， 在低温下小麦各幼苗生长指标均显著下降， 相对发芽势在品种间的变幅最大。主成分分析筛选出3个对耐低温萌发能力贡献较大的主成分，累积贡献率达到88.372%，聚类分析将供试材料耐低温特性分为三大类，其中周麦27、皖科421、皖麦52等18个品种不耐低温发芽，安农1589、天民198、济麦22等21个品种中耐低温，天益科6号、谷神28、青农6号等9个品种对萌发期低温具有较强的耐性，可作为耐低温发芽种质资源。

关键词：小麦；发芽；低温敏感性；主成分分析；聚类分析

中图分类号：S512.1"" 文献标识码：A"" 文章编号：1673-1794（2024）05-0001-04

作者简介：陆弢，安徽农业大学农学院学生；张雨，曾令楠，安徽农业大学农学院硕士生；通信作者：郑文寅，安徽农业大学农学院副教授，研究方向：小麦品质改良与种子科学（合肥 230036）。

小麦是我国主要粮食作物，确保其正常种植、生产和丰收，才能保证国家粮食安全。而当前研究报道认为，对国家粮食安全造成重要影响的主要因素是气候变化^[1-3]。由气候变化引起的低温等逆境胁迫已经对作物产量和质量产生了严重的负面影响^[4-5]。尽管小麦是典型冬作物，但在不同生长阶段依然会产生低温冻害。韩林等报道豫北地区小麦在发芽期以及抽穗期间受到倒春寒的影响而严重影响产量^[6]；郭春强等^[7]研究发现，拔节期小麦受低温胁迫，其产量、穗数、结实率等均比室外对照明显减少，其中小麦产量显著降低；陈翔等^[8]认为低温会造成小麦减产的主要原因是小麦在幼穗期遭受突然降温天气，小麦幼穗受伤或死亡。而王娟等^[9]认为生殖发育阶段的小麦，遇到低温或冷冻天气时，茎的发育受到抑制，进而降低株高和减少有效穗数。也有研究报道认为小麦萌发期间常遇低温冷害农业气象灾害，已成为小麦产量提高的限制因素。张泽全等^[10]的研究也发现小麦低温处理后的幼苗苗长、根长、苗鲜重、根鲜重、苗干重以及根干重相较于18℃处理的小麦，都显著降低。近年来，由于“双晚”栽培措施的普遍实施，水稻、玉米等作物成熟期推迟，稻麦、玉米麦茬口矛盾加剧，使得小麦播种后受低温胁迫情况加剧^[11]，影响了小麦播种质量，表现为田间出苗率下降、幼苗生长缓慢，严重情况下种子在土中吸胀后却无法萌动甚至腐烂，即使后期生长条件改善，也依然会因为成苗群体的减少而造成最终产量的下降。而筛选出耐低温发芽的种质资源，通过育种手段培育耐低温发芽小麦品种是有效减少低温危害和提高小麦播种质量的重要途径^[12-13]。

为了准确有效鉴定小麦的耐低温发芽特性和筛选耐低温发芽种质资源，本试验利用来源不同的48个小麦品种（系），在5℃低温条件下进行发芽并测定其发芽势、发芽率、幼苗根长、苗长和鲜重等指标，并利用性状相对值进行主成分分析和聚类分析，以综合评价不同小麦种质资源的耐低温发芽特性，为耐低温发芽小麦育种提供种质资源。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料见表1，包括安科157等48个品种，从安徽省小麦产业体系各试验站征集而来。所有品种均按当地栽培制度进行种植和管理，黄熟末期及时收获、脱粒、晾晒，使水分降至12%～14%，其后密闭贮藏于室温下3个月后用于种子发芽试验。

1.2 试验方法

根据《农作物种子检验规程》（GB/T3543.4-1995） 进行发芽试验。每个品种随机数取50粒净种子，5%次氯酸钠溶液消毒 5 min，双蒸水冲净拭干进行置床发芽。发芽盒中放置2层发芽纸并加入15 mL双蒸水，种子腹沟朝下摆放于纸上，在5℃、光照强度3000 Lx、光/暗周期为12 h/12 h的人工光照气候培养箱中培养14d， 每2d 补充一次双蒸水。对照则使用20℃条件进行发芽，方法同上，所有处理均为3次重复。

1.3 测定指标和方法

以种子根突破种皮达到种子长度、芽达到种子长度一半为发芽标准，在第1 d到第7 d每天同一时间段进行发芽统计，第7 d统计发芽势，第14 d统计发芽率。并将小麦幼苗拭干后称量总鲜重，测定每株幼苗根长、苗长和鲜重。计算发芽指数、活力指数、相对发芽指数、相对活力指数、相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对苗长、相对单株鲜重以及相对根苗长度比。计算公式如下：

发芽势（%）= 7 d内全部正常发芽种子数供试种子数×100

发芽率（%）= 14 d内全部正常发芽种子数供试种子数×100

发芽指数（GI）= ∑GtDt

式中：Gt为7 d内每天发芽数，Dt为发芽相对应的天数。

简化活力指数（VI）= 发芽率×根长

相对发芽势 =（低温下发芽势/对照发芽势）×100％

相对发芽率＝（低温下发芽率／对照发芽率）×100％

相对发芽指数=（低温下发芽指数/对照发芽指数）×100％

相对简化活力指数=（低温下简化活力指数/对照简化活力指数）×100％

相对根长＝（低温下根长／对照根长）×100％

相对苗长＝（低温下苗长／对照苗长）×100％

相对鲜重＝（低温下鲜重／对照鲜重）×100％

相对根苗比=（低温下根苗长度比/对照根苗长度比）×100％

1.4 数据统计分析

用Microsoft Excel 、origin2021、SPSS 19.0 等软件进行相关统计分析。其中，使用T检验分析两两指标间的显著性差异。主成分分析参照郑文寅等^[14]的方法，通过载荷值筛选鉴定指标，根据各主成分的贡献值在累计贡献率中所占的比值进行加权， 量化各品种耐低温能力值Z值，Z值越大， 其耐低温发芽能力就越强。

2 结果与分析

2.1 低温对小麦发芽单项指标的影响

从表2可以看出，与CK相比5℃低温下供试材料的发芽特性均值均有不同程度的下降，发芽指数平均值从22.19下降到10.51，简化活力指数从27.68下降到12.15。除根苗长度比外，低温对小麦各发芽指标均有不同程度的负向影响。简化活力指数和发芽指数是衡量种子发芽质量和速度的综合指标，低温胁迫下的平均简化活力指数和发芽指数下降幅度最大，分别达到56.1%和52.6%，说明低温严重抑制了小麦种子的发芽质量和速度。低温胁迫下平均发芽势、根长、苗长和鲜重与对照相比均降幅明显，分别为30.2%、45.5%、48.7%%和38.9%，而低温对发芽率的影响相对较小，降幅仅为17.2%。从表2中可知，尽管低温阻碍了根和苗的生长，但根苗长度比反而上升了7.3%，说明低温对苗长的影响更大，而低温环境下根部生长稍快。

为继续分析小麦在低温下与正常发芽温度下的生长差异，同时也为了消除不同材料遗传背景的差异，本研究采用性状相对值进一步评价小麦耐低温发芽性^[10]，相对值越小，差异越大。如表3所示，从不同品种相对值的均值看， 相对简化活力、相对发芽指数、相对苗长均值较小， 比较可以得知这 3 个指标受温度的影响较大；从各指标的相对值在不同品种之间的变异来看， 相对发芽势、相对发芽指数、相对简化活力指数和相对根单株鲜重变异系数较大， 说明这 4 个指标对温度的响应在不同品种之间差异较大。

2.2 相对指标之间的相关性分析

相关分析热图（图1）表明，相对发芽指数与相对简化活力、相对发芽势、相对发芽率均呈现极显著正相关，相对简化活力指数与相对发芽势、相对发芽率、相对根长、相对苗长、相对单株鲜重间的相关性为极显著正相关，相对发芽势与相对发芽率间有着极显著正相关性， 相对根长与相对苗长、相对单株鲜重以及相对根苗长度比均呈极显著正相关，相对苗长仅与相对单株鲜重呈极显著正相关性且与相对根苗比呈显著负相关。以上结果说明8个指标提供的耐低温性信息之间存在着不同的信息重叠现象，因此用某一指标来作为鉴定不同小麦品种对低温敏感性难以得到客观的结果。为弥补单一指标评价耐低温性的不足，在此基础上利用主成分分析法进行下一步分析以准确评价小麦耐低温性。

2.3 基于主成分分析的小麦耐低温发芽特性的比较

对本研究中48个小麦品种在低温和常温下萌发的鉴定指标相对值进行主成分分析，结果见表4。前3个成分的贡献率分别为39.160%、32.786%和16.425%，累计贡献率达88.372%，根据累积贡献率大于85%的原则，其余较小贡献率的指标可以忽略不计^［18］，说明前3个主成分已经足以代表该组数据的基本信息， 符合主成分分析的要求。各个萌发相对值指标的载荷矩阵分析（表4）表明， 相对简化活力、相对发芽指数、相对发芽率在第I主成分中的载荷比较大， 说明第Ⅰ主成分主要反映了小麦发芽种子活力情况。在第Ⅱ主成分中相对根长、相对苗长和相对单株鲜重的载荷较大， 说明第二主成分主要反映的是小麦幼苗形态的重要指标。第Ⅲ主成分中相对根苗比载荷最大， 可以概括为第Ⅲ主成分反映的是小麦发芽的整体状况。

为了更直观地显示不同小麦品种萌发期的耐低温能力，根据郑文寅等^[14]的方法计算得出每个品种的综合得分Z值，见表5。Z值越大， 表明该品种的耐低温萌发能力越强。不同小麦品种的耐低温特性为 S48＜S34＜S13＜S23＜S42＜S37＜S6＜S47＜S2＜S20＜S30＜S18＜S22＜S19＜S21＜S29＜S3＜S32＜S24＜S1＜S43＜S28＜S15＜S7＜S40＜S4＜S25＜S26＜S35＜S31＜S44＜S17＜S14＜S46＜S41＜S10＜S9＜S12＜S5＜S45＜S16＜S36＜S8＜S38＜S11＜S27＜S33＜S39。

2.4 小麦耐低温发芽特性的聚类分析

基于各小麦品种的主成分分析得出的综合Z值，利用系统分类的组内联接法进行聚类分析（图2），最终将48个小麦品种分为3大类，S45、S16、S36、S8、S38、S11、S27、S33、S39等9个材料聚类为高耐低温型，占供试材料的18.75%；S24、S1、S43、S28、S15、S7、S40、S4、S25、S26、S35、S31、S44、S17、S14、S46、S41、S10、S9、S12、S5等21个材料为中间型，占供试材料的43.75%；S48、S34、S13、S23、S42、S37、S6、S47、S2、S20、S30、S18、S22、S19、S21、S29、S3、S32等18个材料为不耐低温型，占供试材料的37.50％。可将Z值大于1.04的品种归耐低温发芽种质，包括天益科6号、谷神28、青农6号等9个品种；而将Z 值小于0.82的品种归为不耐低温发芽种质，包括周麦27、皖科421、皖麦52等18个品种。0.84～0.99之间的归为中间型，包括安农1589、天民198、济麦22等21个品种。

3 讨论

低温是秋冬季节播种的小麦易遭遇的自然灾害之一^[15]，其对小麦最终产量和质量的负面影响越来越引起相关学者的关注^[3，4]。当前，对小麦低温下的发芽及幼苗形态变化的研究较少^[16]。本试验中低温对供试的48个小麦品种发芽率等发芽指标均有不同程度的负向影响，并且幼苗对低温反应的表现是根长降低显著，大部分品种苗高降低，这与张泽全等^［10］的研究结果基本一致。此外低温对小麦种子简化活力指数和发芽势影响也显著。与发芽率相比小麦的根长、苗长对低温的耐受性存在一定差异，小麦的根苗长度比的上升表明根的生长比苗的生长对萌发期低温更加敏感，这与Balota 等^[17]研究相一致。

前人研究表明植物种子耐低温特性是由多个因素共同控制^[18-19]，单一指标评价耐低温性结果误差较大，很难真实反映小麦的耐低温性实质^［20-21］。因此本研究从多个指标多方面分析，通过主成分分析，筛选出简化活力指数、根长和根苗长度比等幼苗形态指标可作为不同小麦品种耐低温性鉴定指标，这一研究结果与马文广等^［22］以及张瑞栋等^［23］的报道部分相同。此外，本研究结合主成分分析和聚类分析方法，筛选出天益科6号等9个耐低温发芽种质资源，可用于进一步开展小麦耐低温发芽相关基因挖掘和育种材料的培育。

4 结论

在小麦萌发阶段，低温显著地抑制了小麦种子的根和苗的生长，其中根的生长对低温更为敏感。小麦的相对简化活力、相对根长和相对根苗长度比可以作为评估小麦在萌发期对低温耐受性的指标。根据小麦品种在萌发期间对低温的耐受能力，它们可以被分为三个主要类别：高耐低温种质，包括天益科6号、谷神28、青农6号等9个品种；中度耐低温种质，包括安农1589、天民198、济麦22等21个品种。不耐低温种质，包括周麦27、皖科421、皖麦52等18个品种。

［参 考 文 献］

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责任编辑：陈星宇