5份新引進的人工合成六倍體小麥農藝及生理性狀的評價

宋全昊，金 艷，宋佳靜，白 冬，陳 杰，趙立尚，朱統泉

(1. 駐馬店市農業科學院 463000，中國河南駐馬店；2. 國際玉米小麥改良中心, 埃爾巴丹 6-641 06600 墨西哥)

小麥是一種適應性強、分布廣泛的世界性糧食作物[1]。黃淮麥區是我國最大的小麥適宜生產區域，小麥常年種植面積約1 530 萬 hm2，其高產、穩產對我國糧食安全具有重要作用[2]。近年來育種家在追求高產目標時，大量使用骨干親本選育新品種，如周麥16、濟麥22及其后代品種被廣泛應用。這種方式和育種路線一定程度上保證了小麥品質及產量性狀的優選，但卻使大量品種在形態上和遺傳上趨于相似，降低了遺傳多樣性，造成了現有品種遺傳基礎狹窄[3]，使小麥產量很難取得大的突破，也使品種對不良環境及病蟲害的抵抗能力降低甚至喪失。因此，提高種質資源的遺傳多樣性對挖掘小麥產量潛力、增強品種的廣適性與綜合抗性具有重要意義[4]。

小麥近緣種屬中蘊藏著豐富的基因資源。粗山羊草是小麥D基因組的供體，在進化過程中積累了豐富的品質、抗病、抗旱、抗熱等優異基因，在莖、葉、穗、種子等農藝性狀上有著豐富的遺傳多樣性和功能適應性。很多國內外學者通過模擬普通小麥起源過程，利用四倍體小麥與粗山羊草雜交、染色體加倍手段獲得了六倍體人工合成小麥(synthetic hexaploid wheat,SHW)[5]。與普通小麥相比,SHW存在大量的優良等位變異，在轉錄組水平具有新的表達特征,其遺傳多樣性更高，抗病性更廣泛[6-7]。節節麥與四倍體小麥合成的六倍體小麥RSP能夠表達出節節麥的抗穗發芽特性，其由位于2D染色體上隱性單基因起作用[8]。節節麥含有豐富HMW-GS的Glu-1Ds類型，由1s+12.1s、1.5ts+12.4s、2s+12.1s、2.1s+11s的亞基構成，說明節節麥在品質方面具有豐富的等位基因變異[9]。我國從CIMMYT引進了大量的SHW及其衍生系，并在抗病性、高分子量谷蛋白亞基組成、加工品質等方面做了一些初步研究[10-11]。四川省農業科學院利用SHW育成了高抗條銹病小麥品種川麥42，其產量達6 130.00 kg·hm-2，說明利用SHW可將供體種的抗病、優質等有利性狀轉育到普通小麥中[12]。雖然SHW擴大了小麥育種的遺傳基礎,在小麥育種中被寄予厚望，但其綜合農藝性狀差，性狀的遺傳特點也研究較少，影響了其在育種中的利用[13]。

光合作用是作物產量形成的基礎。作物葉片的光合速率與產量呈顯著正相關[14]。作物體內90%～95%的干物質來源于光合作用，因而如何提高光合效率已經成為作物研究中的熱點問題[15]。在當前小麥常規育種對產量提高不是很明顯的情況下，創制和篩選高光效材料將是提高作物產量的有效途徑[16-17]。研究表明，小麥旗葉衰老每延遲1 d，可使小麥增產1.3%[18]。盡管國內外對小麥進化材料的光合作用進行了較多的報道，探討了不同近緣種和普通小麥光合差異的機制[19]，但關于SHW農藝、光合特性，尤其是在普通小麥育種應用情況，目前尚未完全探明。因此，評價SHW的農藝和光合生理性狀特點，明確其遺傳規律與利用價值，對促進種質資源創新及其在小麥遺傳育種中的應用具有重要意義。本研究利用從 CIMMYT 引進的5份SHW同自主選育的黃淮麥區國審小麥新品種駐麥762進行雜交、回交，構建5個BC2回交群體，通過對這些材料的農藝性狀和生理特性進行調查和分析，明確不同類型材料的特點，以期能夠創制出更多的橋梁材料，為SHW在黃淮麥區小麥遺傳育種的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

5份SHW(SHW1、SHW2、SHW3、SHW4、SHW5)來源于國際小麥玉米改良中心(CIMMYT)。駐麥762是駐馬店市農業科學院自主選育的國審半冬性品種，抗性好，株高較低，豐產性穩定，具有黃淮麥區品種典型特征。本試驗以駐麥762為母本，以5份SHW為父本，進行雜交和兩次回交，分別構建了5個群體大小為250株左右的回交群體(BC2-SHW1、BC2-SHW2、BC2-SHW3、BC2-SHW4、BC2-SHW5)。

1.2 試驗設計

試驗在國家小麥產業技術體系駐馬店試驗站(32.59′N，114.2°E)和陜西楊凌西北農林科技大學旱區農業節水研究院的試驗田(34.7′N, 108.4°E)進行。于2018-2019、2019-2020年兩個小麥生長季節，將5份SHW材料、5個對應回交群體、駐麥762手工單粒點播種植在試驗田中。試驗采用完全隨機區組設計，4行區，行長 2.00 m，行距0.30 m，株距0.10 m，設置3次重復。小麥肥水管理與病蟲害防治同大田生產。

1.3 農藝性狀測定

收獲前每個小區隨機選取20個植株，調查株高、穗下節、穗下莖、穗長、小穗數、穗粒數、單株分蘗、旗葉面積、千粒重、收獲系數、生物量和產量。

1.4 光合參數的測定

分別在拔節期、抽穗期、開花期和灌漿期，選擇晴朗無風的上午9:00-11:30進行旗葉光合參數測定。使用 Li-6400XT(Li-Cor Inc，USA)光合測定系統，選取受光方向基本一致的健康旗葉的中部，測定凈光合速率、蒸騰速率等參數，光強設置為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，葉室溫度為20 ℃，每份材料測定5片旗葉，取平均值。瞬時水分利用效率通過光合速率與蒸騰速率相除計算。用 SPAD-502 測定相對葉綠素含量(Minolta Camera Co. Ltd，Japan)，選取旗葉的上、中、下三個部位測定，求平均值；每個材料隨機測定20片。

1.5 數據分析

數據匯總后，利用數據分析軟件 SAS 9.2(SAS Institute，USA)的DUUCAN模塊對人工合成六倍體小麥材料、駐麥762、回交群體的各性狀進行方差分析和0.05顯著水平的多重比較。

2 結果與分析

2.1 SHW及其回交后代農藝性狀特點

調查結果(表1)表明，5份SHW、駐麥762、BC2間各農藝性狀均有較大差異，且年際間表現不同。其中，SHW的株高較高，顯著高于BC2，而BC2高于駐麥762，但BC2-SHW1和BC2-SHW5的株高與駐麥762無顯著差異；SHW的穗下節長于BC2和駐麥762，除第二年BC2-SHW5外，其余BC2的穗下節顯著長于駐麥762；SHW的穗下莖長于BC2和駐麥762，BC2-SHW2、BC2-SHW3、BC2-SHW5的穗下莖與駐麥762無顯著差異；SHW的穗長兩年間均顯著大于BC2和駐麥762，除2018-2019年的BC2-SHW4穗長小于駐麥762外，其余BC2的穗長均大于駐麥762；SHW的旗葉面積較大，不同BC2和駐麥762之間的差異性不盡相同；與駐麥762相比，SHW具有較高的生物量，BC2的生物量較駐麥762有所提高。

2.2 SHW及其回交后代產量性狀特點

從產量相關性狀(表2)看，SHW的單株分蘗顯著多于駐麥762，BC2的單株分蘗能力較駐麥762有了較大的提升；SHW的小穗數較少，除SHW2外，整體表現為駐麥762> BC2> SHW；SHW的穗粒數明顯少于駐麥762，BC2的穗粒數比SHW有了較大提高；SHW千粒重變化范圍為36.28～50.13 g，其中SHW3和SHW4的千粒重較駐麥762高，BC2除了2019-2020年BC2-SHW3千粒重較雙親都低之外，其余均表現出了雙親的中間值；SHW的收獲系數顯著低于駐麥762，BC2收獲系數較SHW有了顯著提升；SHW的單株產量顯著低于駐麥762，部分BC2較SHW有不同程度增產，其中BC2-SHW1在2019-2020年增產顯著。

2.3 SHW及其回交后代相對葉綠素含量(SPAD值)特點

測定結果(圖1)表明，從拔節至抽穗期，駐麥762的SPAD值高于SHW和BC2(2019-2020年SHW2、SHW5除外)；SHW的SPAD值多數呈現下降趨勢，部分材料在年際間存在差異，如SHW5；80%的BC2群體的 SPAD值介于雙親之間，少數低于雙親，如BC2-SHW2。抽穗至開花期，駐麥762的SPAD值呈下降趨勢；部分SHW的SPAD值呈現上升趨勢，如SHW4及2018-2019年 SHW1、SHW2和SHW3；80%的BC2的SPAD值呈現上升趨勢，且群體BC2-SHW1和BC2-SHW4，2018-2019年的BC2-SHW3和 BC2-SHW5的SPAD值達到4個測定時期的峰值；開花至灌漿期，駐麥762的SPAD值表現為上升趨勢，但整體較SHW和BC2低；SHW的SPAD值較高，BC2的SPAD值整體來說比SHW低，但大于駐麥762。綜上，SHW開花以后的SPAD值較高，這一性狀可以在部分BC2中穩定遺傳；不同SHW的SPAD值變化趨勢不同，在灌漿期都高于駐麥762；BC2的SPAD值受雙親的影響不同，但開花后整體比駐麥762高。

表1 SHW材料、駐麥762、回交群體的農藝性狀比較Table 1 Comparison of morphological relative agronomic traits of SHW lines, Zhumai 762 and backcross populations

表2 SHW材料、駐麥762、回交群體的產量性狀比較Table 2 Comparison of field relative agronomic traits of SHW lines, Zhumai 762, and backcross populations

圖中的BC2分別指BC2-SHW1(A和F)、BC2-SHW2(B和G)、BC2-SHW3(C和H)、BC2-SHW4(D和I)和BC2-SHW5(E和J)。

2.4 SHW及其回交后代光合速率特點

在拔節期，SHW的凈光合速率高于駐麥762，除SHW3外差異均達到顯著水平；2019-2020年BC2-SHW2和2018-2019年BC2-SHW3的凈光合速率較雙親均低，其余BC2表現為雙親的中間值。在抽穗期，駐麥762較SHW表現出相對較高的凈光合速率，BC2較雙親都低。在開花期，除SHW5外，其余SHW的凈光合速率顯著高于駐麥762和BC2，BC2最低。在灌漿期，凈光合速率表現為SHW≥駐麥762≥BC2(表3)。綜合來看，SHW在拔節期、開花期、灌漿期有明顯的光合優勢，但是BC2的光合速率從抽穗期開始就明顯低于雙親，說明人工合成麥的光合速率優勢沒有穩定遺傳到后代群體中。

表3 SHW材料、駐麥762、回交群體的凈光合速率比較Table 3 Comparison of photosynthetic rate among SHW lines,Zhumai 762,and backcross populations μmol CO2·m-2·s-1

2.5 SHW及其回交后代瞬時水分利用效率特點

駐麥762在拔節期和開花期具有最高的瞬時水分利用效率，而SHW則在拔節期較高，開花期到灌漿期呈持續上升的趨勢(表4)。BC2中，BC2-SHW1、BC2-SHW4、BC2-SHW5表現出與駐麥762相同的趨勢，而BC2-SHW2、BC2-SHW3則表現出來與SHW親本相同的趨勢，即開花后瞬時水分利用效率持續升高。在拔節期，除2018-2019年BC2-SHW1和BC2-SHW3之外，表現為SHW> BC2>駐麥762。抽穗期的瞬時水分利用效率較拔節期大幅下降，相比于駐麥762，SHW與BC2的瞬時水分利用效率降幅更大，駐麥762的瞬時水分利用效率最高。開花期，除了2019-2020年SHW3及其BC2的瞬時水分利用效率較駐麥762低之外，其余材料間均無顯著性差異，整體上駐麥762的瞬時水分利用效率較高。灌漿期， SHW的瞬時水分利用效率顯著高于駐麥762與BC2，除2019-2020年BC2-SHW1，其余BC2處于雙親之間。這表明SHW在拔節期和灌漿期有較高的瞬時水分利用效率，人工合成材料在拔節期和生育后期可能有較好的抗旱能力，且這一性狀可以遺傳給后代回交群體。

表4 SHW材料、駐麥762、回交群體的瞬時水分利用效率比較Table 4 Comparison of water use efficiency between SHW lines, Zhumai 762, and backcross populations μmol·mmol-1

3 討 論

黃淮麥區現有小麥育成品種的多樣性低，品種間的相似度高。 對黃淮麥區的 263 個小麥品種(系)進行統計分析表明，株高、穗長、小穗數、穗粒數、千粒重的變異系數范圍為4.21%～15.09%，整體變異幅度不大，遺傳多樣性不高[4]。在利用SSR引物分別對67份美國冬小麥品種和17份黃淮麥區的小麥品種分析的結果中，美國小麥品種共檢測到443個等位變異，單個引物位點的等位變異為2～24個，平均每個位點8.10個，而黃淮麥區小麥品種僅檢測到266個等位變異，單個引物位點的等位變異為2～9個，平均每個位點 4.82個[20]。采用分子標記對引自美國的44份冬小麥品種和我國黃淮麥區的44份冬小麥品種的分析結果也顯示，美國冬小麥品種的遺傳多樣性大于我國黃淮地區冬小麥品種[21]。品種遺傳相似性的增加會引起病害加重，制約今后突破性品種的育成[1]，因此創新種質資源、提高遺傳多樣性，迫在眉睫。

3.1 人工合成小麥種質的利用

利用SHW通過雜交、回交的手段育成的川麥38、川麥42等具有高產、優質、高抗條銹等特點的品種，現已成為四川省及我國小麥高產、抗條銹育種的重要優異基因資源，展示了SHW在現代小麥育種改良中的重要意義[22-23]。 通過分子生物學技術分析，川麥42中提高籽粒產量相關的基因位點Xbarc1183-4DL來源于SHW的D基因組，說明SHW作為橋梁資源對拓寬普通小麥 D 基因組遺傳多樣性具有巨大價值[5]。本研究表明，SHW及其衍生的回交群體產量沒有優勢，株高、株高相關性狀以及收獲系數低等是其不利因素，但是SHW的穗長、分蘗等優勢可以促進普通小麥的改良，一些材料的高千粒重可以遺傳到回交群體中。

3.2 人工合成小麥的相對葉綠素含量

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，在光吸收中起核心作用。研究表明，二倍體小麥葉片葉綠素含量顯著高于四倍體和六倍體小麥[24]。本研究中，駐麥762、SHW、回交群體葉片SPAD值相差很大，而駐麥762的SPAD值兩年間變化趨勢相對一致，抽穗到開花期出現快速下降，開花期之后又出現上升趨勢；不同的SHW葉綠素含量變化趨勢不同，在灌漿期都高于駐麥762。這表明SHW在開花以后有較高的葉綠素含量，與其較好的光合能力、衰老較慢的特點相對應，這一性狀可以在部分回交群體中遺傳。

3.3 人工合成小麥的光合特點

光合作用是植物進行物質積累與生理代謝的基礎，光合效率的高低與作物光合產物積累、產量潛力發揮以及品質優劣密切相關[25]。光合遺傳研究是作物雜種優勢評價、光合特性改善、種質資源開發和利用的重要基礎，也是作物遺傳育種研究中的一個新領域[11,15]。如，二倍體黑麥的光合能力下降較慢，光合功能期最長，可以用來改善普通小麥的光合特性，達到提高產量的目的[26]。本研究表明，不同SHW的光合速率變化規律存在差異。SHW兩年的光合速率變化趨勢不同，說明SHW的光合速率受年際間環境變化的影響。駐麥762的光合性狀穩定性比SHW高，SHW在灌漿期有較高的光合速率，SHW灌漿期的高葉綠素含量和光合效率有利于積累更多的干物質，從而獲得較高生物量，這與湯永祿等[11]得到的 SHW 和其衍生品種花后冠層葉片持綠期較長、群體光合效率較高的結果一致，也與尚莉等[27]提出葉綠素能夠增加光合產物、又能夠延長葉片的功能期、從而積累較多的有機物質的觀點類同。本試驗還表明，回交群體在灌漿期整體表現出高于駐麥762的光合速率，這與葉綠素含量相呼應，進一步說明SHW高的旗葉光合特性可以遺傳到回交群體中。

3.4 人工合成小麥的瞬時水分利用效率

較高的瞬時水分利用效率是作物抗旱性的一個重要指標，其遺傳改良可以實現將抗旱性和豐產性統一于一體。Huang 等[28]報道，粗山羊草具有高的水分利用效率。本研究結果顯示，多數SHW的瞬時水分利用效率從抽穗期開始隨著生長發育而呈逐漸上升的趨勢，并在灌漿期保持了較高的值，且這一特點可以在回交群體中得到遺傳，說明SHW材料整體具有一定的抗旱性優勢，并可以用于普通小麥的抗旱性改良。本研究中，雖然SHW在灌漿期依然保持了較高瞬時水分利用效率與光合速率，但是其產量水平卻比駐麥762低，這或許與其生育期長、成熟期晚、脫粒困難、穗粒數少、收獲系數低有關，因此要想對SHW的高光效和高水分利用率進行利用，還需要進行大量的篩選和馴化。

4 結 論

對5份新引進的SHW、駐麥762及其相應的BC2群體的綜合性狀進行調查分析，BC2群體可以實現SHW的高分蘗力、高生物產量和駐麥762的多花多實特性、矮稈特性、高收獲系數等性狀的聚合，明確了SHW株高較高，小穗數、穗粒數、收獲系數及產量較低等較差的綜合農藝性狀不利于普通小麥的性狀的改良，但其分蘗能力較強的整體特征，部分材料具有較高的千粒重等優點(如SHW3、SHW4)，可以作為中間材料來拓寬普通小麥種質資源。因此，SHW在灌漿期葉片有較豐富的葉綠素含量，較高的光合速率和瞬時水分利用效率，可以用于普通小麥育種中光合能力提升及抗旱性改良。