不同小麥品種對晚霜凍的響應及抗霜性評價

席吉龍，王 珂，楊 娜，席天元，張建誠，姚景珍，席凱鵬，李永山，賈秀領

(1.山西省農業科學院棉花研究所，山西 運城 044000；2.河北省農林科學院糧油作物研究所，河北 石家莊 050035)

霜凍害是小麥生產上的主要氣象災害之一。小麥完成春化后生長發育加快，隨著幼穗分化期的推進，對低溫的敏感性增加，幼穗的抗霜力總體呈下降的趨勢[1-3]。小麥晚霜凍主要發生在春季3月下旬到4月上中旬，此時幼穗迅速發育，是影響穗粒數和產量的關鍵時期。發生晚霜凍致使葉片、穗下莖、幼穗不同程度受害，幼穗部分死亡或全穗枯死 ，造成不同程度的減產[4-5]。小麥霜凍年際發生頻率為30%～40%[6]。在氣候變暖背景下，一方面小麥種植區域向北和向高海拔地區推移擴大，品種選擇偏春性化，小麥拔節抽穗期縮短，抽穗提早，抗寒力降低。另一方面異常低溫氣候趨多趨強[7-8]，致使晚霜凍的成災面積上升、危害程度加重[9]，對小麥生產構成嚴重威脅。小麥晚霜凍害的發生與氣候、土壤、植株營養和水分、栽培方式等有關，但品種抗寒性是關鍵性內在因素[10]。選育抗霜性強的品種是減輕霜凍害的重要途徑，因此鑒定品種的抗霜性對小麥生產具有重要意義。

小麥抗霜性是小麥受到低于0℃及以下的低溫脅迫后，通過一系列復雜的生理生化反應及形態結構的變化，對低溫環境進行響應[11-12]。研究表明，植物的抗寒性與葉綠素含量[13]、光合作用[14-15]、葉綠素熒光[15-16]、細胞膜的通透性[17]、膜脂過氧化程度[15]、抗氧化酶活性[19]、丙二醛含量[20]、可溶性蛋白含量[20]密切相關。前人常用這些生理生化指標鑒定品種抗寒性，并采用多種指標來綜合評價作物的抗寒性。隸屬函數法是綜合評價作物抗逆性的常用方法[20]，能比較準確地反映出多個品種間的抗寒性差異。目前，在模擬低溫盆栽環境下，通過生理生化指標對小麥的抗寒性評價研究較多[21-22]，少有自然低溫大田環境下，用生理生化指標結合幼穗形態及產量進行的抗寒性研究。本研究以黃淮海麥區北片三個不同類型、具有典型特點的16個主栽新品種為材料，在拔節期自然低溫霜凍環境下，分析葉片生理生化變化和植株形態變化。以霜凍前后各性狀的相對值作為抗霜性評價指標，通過隸屬函數法和聚類分析法對參試品種抗霜性進行綜合鑒定與評價，篩選出抗霜性品種及抗霜性鑒定指標，為氣候變暖背景下小麥品種選育與抗霜減災提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西省農業科學院棉花研究所牛家凹農場進行，試驗所在地屬黃河流域西北部小麥區，試驗地前茬為小麥，土壤為壤質土，肥力均勻，播前0～20 cm耕層土壤有機質12.36 g·kg-1，全氮0.74 g·kg-1，有效磷9.5 mg·kg-1，速效鉀174.4 mg·kg-1。播前基施尿素293.5 kg·hm-2，重過磷酸鈣326.0 kg·hm-2，返青期追施尿素195.5 kg·hm-2。

1.2 試驗材料

供試小麥品種及其選育單位如表1所示。

1.3 試驗設計

以16個小麥品種為16個處理，每個品種以霜凍前為對照重復3次，隨機區組排列，小區面積15 m2。2017年10月8日播種，行距25 cm，各處理基本苗控制在255萬株·hm-2，依據千粒重、發芽率及田間出苗率計算播量，水肥等田間管理一致，于返青期和開花期各灌水60 mm。2018年4月7日凌晨試驗地出現自然低溫，溫度為-2.6℃～-1.1℃，持續時間5 h，4月6日20∶00至4月7日10∶00氣溫變化見圖1。

1.4 測定內容與方法

1.4.1 基本調查 在小麥主要生育期調查群體結構及個體發育情況。在春季霜凍后進行植株形態、幼穗凍傷率等調查。成熟期調查產量和產量結構。

表1 供試小麥品種及其選育單位

圖1 晚霜凍期間的氣溫變化Fig.1 Temperature changes during frost

1.4.2 生理生化指標測定 在晚霜凍來臨前3 d和晚霜凍后3 d對各品種分別進行以下測定。葉綠素含量用日本SPAD-502葉綠素儀測定，每小區選5株測定上部第1片完全展開葉，每個葉片測定一次。葉綠素熒光參數用美國OS-30P葉綠素熒光儀測定，每小區選5株測定上部第1片完全展開葉，于晴天上午9∶00—12∶00測量，測量前將葉片預先暗適應30 min，測PSⅡ原初光能轉化效率(Fv/Fm)，取5片葉的平均值作為測定值。光合作用采用英國生產的LCPRO便攜式光合測定儀[23]，每小區隨機選取上部第1片完全展開葉3片，在葉片相同部位測定，每個葉片測定3 min 左右，測得小麥光合速率(Pn)等參數，取3片葉的平均值分析使用。過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚比色法[24]，過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法[21]，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT比色法[24]，丙二醛(MDA)含量采用TBA比色法[21]，相對電導率采用電導率儀法[24]。

1.5 數據分析

1.5.1 性狀相對值 以公式(1)計算性狀抗凍系數相對值(xj),作為評價品種抗霜性的指標:

xj=低溫處理下某指標測定值/對照測定值×100%

(1)

1.5.2 相對性狀的隸屬度值 以公式(2)和公式(3)計算各品種相對性狀的隸屬度值[25]。其中，與抗寒性呈正相關的各指標(葉綠素、葉綠素熒光、光合速率、SOD活性、POD活性、CTA活性)隸屬度值依據公式(2)計算，與抗寒性呈負相關的各指標(MDA含量和相對電導率)隸屬度值依據公式(3)計算。每一品種相對性狀隸屬度值的平均數即為該品種的平均隸屬度值：

U(xij)=(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(2)

U(xij)=1-(xij-xjmin)/(xjmax-xjmin)

(3)

式中，U(xij)為i品種j指標的隸屬函數值，xij為i品種j指標的相對值，xjmin和xjmax為各品種j指標相對值的最小值和最大值。

1.5.3 隸屬度平均值評價法 以多個性狀的隸屬度平均值作為評價指標，平均隸屬度值高，該品種的抗寒性強；反之，該品種的抗寒性弱。

1.6 統計分析

采用Microsoft Excel 2007軟件對數據進行處理，采用DPS 7.05數據分析軟件進行方差分析(用新復極差法進行多重比較)、聚類分析。

2 結果與分析

2.1 晚霜凍對小麥葉片生理指標的影響

2.1.1 相對電導率 在霜凍來臨前的正常生長條件下，參試16個小麥品種葉片相對電導率平均為33.5%(圖2)，以晉麥84號葉片相對電導率表現最高，為40.6%，以冀麥325最低,為25.5%。霜凍發生后，葉片細胞膜受損電解質滲出增加，相對電導率平均高出對照32.8%，品種間差異極顯著(P<0.01)，不同品種小麥葉片相對電導率變動幅度比霜凍前增加。在供試的16個品種中，以霜凍前為對照，周麥18葉片相對電導率增幅最高，為47.7%，而濟麥22增幅最低，僅為16.6%。

2.1.2 葉綠素相對含量(SPAD值) 葉綠素在光合作用中起吸收光能的作用，其含量直接影響到光合作用。霜凍前對照組葉綠素相對含量SPAD值平均為57.56，以西農529的值最高,為60.68，臨Y8012葉綠素含量最低,為52.57(圖3)。霜凍后葉綠素含量平均為54.18，比對照低5.9%，品種間差異極顯著(P<0.01)。與霜凍前相比，西農529葉片葉綠素含量降低幅度最大，降低了15.6 %，而煙農1212僅降低了0.6 %。表明晚霜凍使葉綠素含量下降，葉綠素含量的下降主要是由于葉綠素合成受到抑制。

圖2 拔節期霜凍害后小麥葉片相對電導率Fig.2 Relative electrical conductivity in wheat leaves after spring frost injury

圖3 拔節期霜凍害后小麥葉片葉綠素相對含量Fig.3 Relative chlorophyll content in wheat leaves after spring frost injury

2.1.3 葉綠素熒光參數(Fv/Fm) 由圖4看，霜凍前對照組葉綠素熒光參數(Fv/Fm)平均為0.821，以周麥18的值最高，為0.836，以冀麥325的最低，為0.812。霜凍后小麥葉片葉綠素素熒光參數(Fv/Fm)平均值為0.813，平均降低1.0%，品種間差異顯著(P<0.05)，降幅最大的西農529，葉片葉綠素含量降低了2.9%，而煙農1212僅降低了0.3%。

2.1.4 光合速率 光合速率是反映植物光合作用強弱的重要指標。由圖5看，在霜凍來臨前的正常生長條件下，參試的16個小麥品種葉片光合速率平均為14.63 μmol·m-2·s-1(圖5)，以山農30葉片光合速率最高，為16.09 μmol·m-2·s-1，以冀麥325最低,為11.94 μmol·m-2·s-1。霜凍后葉片光合速率平均降低34.4%，不同品種光合速率變動幅度比霜凍前增加，品種間差異顯著(P<0.05)。在供試的16個品種中，各品種霜凍后與霜凍前(對照)相比，科農2009葉片光合速率降幅最高，為44.0%，而山農28降幅最低，僅為26.4%。

2.2 晚霜凍對小麥保護酶及丙二醛的影響

2.2.1 POD活性 正常生長條件下，參試的16個小麥品種POD活性平均為50.5 U·g-1(圖6)，以西農585葉片POD活性最高，為61.12 U·g-1，以衡雜102最低，為44.4 U·g-1。霜凍后葉片POD活性平均為67.5 U·g-1，POD活性高出對照33.7%，品種間差異極顯著(P<0.01)。與對照相比，在供試的16個品種中，濟麥23葉片POD活性增幅最高，為61.9%，而西農585增幅最低，僅為15.7%。

圖4 拔節期霜凍害后小麥葉片熒光參數Fig.4 Fluorescence parameters (Fv/Fm) of wheat leaves after spring frost injury

圖5 拔節期霜凍害后小麥葉片光合速率Fig.5 Photosynthetic rate of wheat leaves after spring frost injury

2.2.2 CAT活性 正常生長條件下16個小麥品種CAT活性平均為2 735.4 U·g-1(圖7)，以山農30葉片CAT活性最高，為3 132.4 U·g-1，以晉麥84號最低,為2 486.6 U·g-1。霜凍后葉片CAT活性平均為2 966.1 U·g-1，CAT活性高于對照8.4%，品種間差異顯著(P<0.05)。與對照相比，在供試的16個品種中，濟麥23號葉片CAT活性增幅最高,為21.6%，而山農30卻降低4.5%。

2.2.3 SOD活性 正常生長條件下16個小麥品種SOD活性平均為277.4 U·g-1(圖8)，以西農529葉片SOD活性最高,為354.8 U·g-1，以師欒02-1最低,為234.4U·g-1。霜凍后葉片SOD活性平均為406.9 U·g-1，SOD活性高于對照46.7%，品種處理間差異極顯著(P<0.01)。與對照相比，在供試的16個品種中，濟麥23葉片SOD活性增幅最高為83.8%，而科農2009僅提高了8.8%。參試小麥品種葉片SOD活性均有提高，說明小麥增強了對低溫逆境的適應能力，且不同小麥品種對逆境的適應能力不同。

2.2.4 MDA含量 正常生長條件下16個小麥品種的MDA含量平均為20.52 nmol·g-1(圖9)，以晉麥84MDA含量最高，為33.25 nmol·g-1，以臨Y8012最低，為16.76 nmol·g-1。霜凍處理后，MDA含量平均為24.79 nmol·g-1,比對照提高20.8%，品種間差異極顯著(P<0.01)。與對照相比，在供試的16個品種中，小麥功能葉MDA含量變化不同，科農2009MDA含量增幅最高,為39.2%，而山農28提高了7.2%。抗霜性較強的小麥品種MDA積累少、膜質過氧化程度低，抗霜性較弱的小麥品種MDA積累多、膜質過氧化程度高。MDA含量的增加顯示霜凍對小麥傷害程度較重。

2.3 晚霜凍對小麥產量構成因素及產量的影響

小麥在拔節中后期遇自然霜凍后，起初穗下節和幼穗出現水漬狀水腫，凍害程度不易分辨，抽穗后穗部凍害癥狀逐漸明顯，4月25日調查結果表明(表2)，不同品種幼穗死傷率差異顯著，幼穗死傷率在1.3%～41.8%。按幼穗死傷率高低分為3類：幼穗死傷率低的有濟麥22、山農28、濟麥23、中麥36、臨Y8012、舜麥1718、煙農1212、山農30；幼穗死傷率高的有西農529、周麥18；其余幼穗死傷率屬中間類。從表2可見，拔節期遇霜凍造成幼穗死傷，從而有效穗數和穗粒數減少，對不同小麥品種的產量和產量結構影響顯著，產量4 328.1～8 222.3 kg·hm-2。說明不同品種的抗霜性存在差異，拔節期霜凍減產的主要原因是有效穗數和穗粒數的減少。

圖8 拔節期霜凍害后小麥葉片SODFig.8 SOD activity in wheat leaves after spring frost injury

圖9 拔節期霜凍害后小麥葉片MDAFig.9 MDA content in wheat leaves after spring frost injury

表2 晚霜凍對小麥產量和產量構成因素的影響

注：同列不同字母表示P<0.05水平下差異顯著(P<0.05)

Note: Values followed by different letters in a column were significantly different treatments atP<0.05 level.

2.4 小麥拔節期霜凍生理生化指標的隸屬度法評價

小麥抗凍性是一個復雜的綜合性狀，用單項指標評價都有片面性，需多指標綜合評價。根據多項生理指標的測定值，用公式(1)求出各單項指標的抗凍系數。利用公式(2)、(3)進一步計算每一品種的平均隸屬度值，根據各品種的隸屬度平均值D(表3)，評價品種抗凍能力的大小。對參試品種抗凍性進行強弱排序，其中山農28的D值最大，表明該品種抗凍性最強，其次為濟麥22、濟麥23、臨Y8012、中麥36、舜麥1718麥等，西農529、周麥18、科農2009、西農585、師欒02-1、冀麥325的D值較小，表明其抗凍性差。

2.5 小麥拔節期抗晚霜性綜合評價

采用最長距離法，以各品種8個性狀的隸屬度平均值、幼穗凍傷率、產量三個指標進行聚類分析，結果分為五類(見圖10)：I類：濟麥22、臨Y8012、山農28；II類：舜麥1718、濟麥23、中麥36、煙農1212；III類：山農30、晉麥84號、衡雜102、師欒02-1、科農2009、周麥18；IV類：冀麥325、西農585；V類：西農529。從第I類品種到第V類品種，冬性越來越弱，春性越來越強，抗晚霜凍能力越來越弱。

表3 晚霜凍后小麥品種綜合隸屬度值

圖10 參試小麥品種抗晚霜凍聚類分析Fig.10 Cluster tree chart of wheat varieties on frost resistance

3 討 論

植物為適應低溫脅迫環境通過細胞一系列生理生化變化而進行自我調節[11]。細胞膜是細胞與環境發生物質交換的主要通道，當質膜受低溫逆境傷害時，膜的通透性發生變化，常以葉片電導率作為鑒定細胞膜傷害程度和所測材料抗逆性的大小[25]。本研究表明，拔節期小麥受到霜凍脅迫后葉片相對電導率較對照顯著增加。因此，霜凍使小麥葉片膜透性增加并且膜受損程度加大。

陳思思[14]、王瑞霞[15]等研究表明，低溫脅迫下葉片綠素含量、葉綠素熒光參數(Fv/Fm)、光合速率發生變化。本研究表明，霜凍脅迫后葉片葉綠素含量下降，直接影響葉綠素熒光參數和光合速率顯著下降。

低溫脅迫打破了細胞內自由基的產生和清除平衡狀態，自由基過多，引發膜脂過氧化作用[26]，產生有害的過氧化產物MDA。隨溫度降低和脅迫時間的延長膜脂過氧化作用加重[27]，然而，植物體中還存在著SOD、POD等抗氧化酶防御系統，以清除活性氧、降低逆境損傷[28]。本研究表明，小麥拔節期霜凍使小麥葉片SOD活性、POD活性、CAT活性和MDA含量均高于對照。SOD活性、CAT活性和POD活性的增加可以清除自由基減輕低溫對生物膜的傷害。但是MDA含量的增加顯示膜脂過氧化作用加重，即霜凍對小麥傷害程度較重。

倒春寒對小麥產量及產量構成的影響已有相關研究[15,29-30]。在高于突變溫度區間的晚霜凍脅迫下，穗粒數的下降是產量損失的主要原因，在低于突變溫度區間的晚霜凍脅迫下，不僅穗粒數下降，而且部分植株死亡，使穗數也顯著降低[29-30]。王瑞霞等[15]認為拔節期和孕穗期低溫脅迫可導致小麥莖、幼穗受凍，穗數和穗粒數顯著減少，小麥產量均顯著下降。胡新等[31]研究認為每百穗中各級凍害穗數、穗粒數和實際籽粒重均顯著低于未受凍穗，因此導致小麥減產。本研究表明，參試小麥各品種的幼穗均受到不同程度的傷害，幼穗凍傷率1.3%～41.8%，說明不同小麥品種抗霜凍特性存在差異。受凍小麥幼穗表現為不抽穗、空心穗、缺粒穗，導致穗數、穗粒數和籽粒產量降低。不同小麥品種間產量和產量構成差異顯著。本研究還發現，主莖和大分蘗的幼穗凍死后，晚生蘗(再生分蘗)快速生長可以成穗和結實，但16個品種的晚生蘗穗粒數平均降低45.1 %，千粒重降低36.1 %，單穗重平均降低了65.1 %。晚生穗理論上可彌補霜凍災害帶來的部分產量損失，實際上晚生穗比正常穗成熟期推遲5～7 d，無法實施機械統一收獲，混收后造成數量多而品質降低的情況。

在對多個抗霜性指標進行更加準確的綜合評價時，目前多用主成分分析法[18]、隸屬函數法[25]、聚類分析[32]等方法，其中隸屬函數法在作物抗寒性評價方面應用較多。本試驗應用多指標相對性狀值，計算出各品種的平均隸屬度值，進行了綜合評價。并通過平均隸屬度值、幼穗凍傷率、產量聚類，將供試材料聚為5個類群，通過隸屬度平均值(D值)、幼穗凍傷率和產量聚類，將16個小麥品種聚為5類，I類：濟麥22、臨Y8012、山農28；II類：舜麥1718、濟麥23、中麥36、煙農1212；III類：山農30、晉麥84號、衡雜102、師欒02-1、科農2009、周麥18；IV類：冀麥325、西農585；V類：西農529。從第I類品種到第V類品種，冬性越來越弱，春性越來越強，抗晚霜凍能力越來越弱。

綜合評價結果客觀反映了品種的抗霜性。D值的排序與聚類分析有較高的吻合度。單一運用D值排序雖可得到鑒定材料的抗寒性綜合評價，卻無法得到鑒定材料之間的遺傳關系，也不容易對抗寒性進行分類或分級；僅用聚類分析雖然能較好地反映鑒定材料在抗寒性方面的遺傳關系，卻易對鑒定材料抗寒敏感性結果造成偏差。只有將兩者有機地結合使用，才能較為全面地對供試材料進行抗寒級別劃分和抗寒性評價。因此，在開展作物抗寒性評價時，建議將隸屬函數法和聚類分析方法結合使用。

培育優良抗低溫品種是應對小麥晚霜凍的一條經濟有效的途徑，田間品種鑒定結果為小麥抗逆減災和育種提供了重要依據。在田間鑒定的基礎上，結合位點基因型的分子標記鑒定, 深入研究小麥抗寒性基因，揭示基因在小麥抗寒性中的作用及機制。開展田間鑒定、常規育種、基因工程、細胞工程育種等多個學科相結合的系統研究，培育出適應未來氣候變化的優良品種。

4 結 論

在小麥拔節期遇自然霜凍(-2.6℃～-1.1℃)突襲5 h，16個不同小麥品種拔節期功能葉葉綠素含量、葉綠素熒光參數(Fv/Fm)、光合速率下降，葉片SOD活性、POD活性和CAT活性、相對電導率均不同程度地上升。通過隸屬度平均值(D值)、幼穗凍傷率和產量聚類，將16個小麥品種聚為5類，I類：濟麥22、臨Y8012、山農28；II類：舜麥1718、濟麥23、中麥36、煙農1212；III類：山農30、晉麥84號、衡雜102、師欒02-1、科農2009、周麥18；IV類：冀麥325、西農585；V類：西農529。從第I類品種到第V類品種，冬性越來越弱，春性越來越強，抗晚霜凍能力越來越弱。隸屬函數法和聚類分析方法結合使用是進行小麥抗霜性綜合評價的有效方法。