不同基因型小麥品種倒春寒抗性分析及其評價

王維領，劉 暢，張雨婷，段瑞華，趙 燦，李國輝，許 軻，霍中洋

(1.江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，揚州大學，江蘇揚州 225009；2. 連云港市植物保護植物檢疫站，江蘇連云港 222599)

小麥是我國最重要的糧食作物之一，其高產穩產對保障我國經濟安全和民生穩定具有重要作用。倒春寒是威脅我國黃淮和長江中下游冬麥區高產穩產的重要氣象因子之一。小麥遭受倒春寒危害后一般減產10%～30%，嚴重時減產幅度可達50%以上。近年來，由于全球氣候變暖，小麥品種的選擇逐漸偏春性化，其冬春生長快，起身拔節早；加之在氣候變暖背景下，春季氣溫發生大幅波動的可能性增加，小麥遭遇倒春寒危害的風險不斷提高。我國冬小麥85%的種植區域屬于倒春寒發生的風險區域。因此，加強小麥倒春寒抗性方面的研究對保障全球氣候變化下我國小麥高產穩產具有十分重要的現實意義。

種植抗倒春寒品種是預防倒春寒危害的首選栽培措施，而鑒選抗倒春寒品種可為種植品種的選擇提供參考。在生產上，人們常以冬春性來推斷品種的倒春寒抗性。鐘秀麗等研究指出，小麥倒春寒抗性與品種冬春性并無明顯關聯。但席吉龍等研究發現，小麥倒春寒抗性與品種冬春性緊密相關。王樹剛等分別以拔節期冷凍脅迫下小麥葉片生理生化指標和籽粒產量變化對不同冬小麥品種的倒春寒抗性進行分析，發現以不同的評價方法可以將相同品種劃分在不同的倒春寒抗性級別中。因此，如何準確鑒選抗倒春寒的小麥品種仍需要進一步研究。

本研究以黃淮和長江中下游冬麥區24個主栽或近年來審定的小麥品種為研究材料，利用人工智能溫室在拔節期設置不同強度的冷凍脅迫處理，通過調查葉片受凍指數、幼穗凍傷率、產量降幅等指標，明確各品種倒春寒抗性的強弱，同時結合各品種越冬期抗寒性和冬春性，探明小麥品種倒春寒抗性與越冬期抗凍性及其冬春性的關系，以期為小麥倒春寒品種鑒選提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為24個在黃淮和長江中下游冬麥區推廣種植的小麥品種，品種名稱、冬春性、熟性及審定年份等具體信息見表1。

1.2 材料種植

本試驗于2020-2021年在揚州大學盆栽試驗場進行，小麥采用盆栽方式在自然環境下生長。盆缽直徑為25 cm，高22 cm，每盆裝土9.5 kg；盆底均勻鉆6個小孔，以防漬水。為縮短小麥品種間幼穗分化差異，將不同冬春性小麥品種進行分期播種。其中，半冬性小麥品種播期為11月8日，弱春性小麥品種為11月12日，春性小麥品種為11月16日。播種時挑取飽滿的種子每盆均勻擺放20粒，于兩葉期間苗，每盆留10株。每盆基施1.0 g尿素和1.5 g磷酸二氫鉀(與土壤混合拌勻后裝盆)，并于返青期和孕穗期各追施0.5 g尿素。每盆澆水量保持一致，其他管理措施與大田基本一致。

1.3 試驗處理

(1)拔節期凍害。當各品種主莖處于倒二葉出生期(幼穗發育至藥隔形成期)時，將各品種平均分為三組，一組繼續放置在自然環境(平均溫度約為13 ℃/5 ℃，晝/夜)下生長，作為對照(CK)；另外兩組利用人工智能溫室模擬倒春寒進行冷凍脅迫處理(L)。冷凍脅迫處理1(L1)：首先將溫度迅速降至4 ℃，之后以每小時下降2 ℃的速度進行降溫，當溫度降至-4 ℃時維持(氣溫波動約為 ±2 ℃)，共處理1 d；冷凍脅迫處理2(L2)：首先將溫度迅速降至4 ℃，之后以每小時下降2 ℃的速度進行降溫，當溫度降至-2 ℃時維持(氣溫波動約為±2 ℃)，共處理2 d。冷凍脅迫處理結束后將氣候室溫度升至4 ℃，過夜后將盆搬至自然環境中進行恢復生長，直至成熟收獲。整個溫度處理過程中，光周期設置為10 h，光合有效輻射約為300 μmol·m·s。

(2)越冬期凍害。2020年12月30日和2021年1月6日左右，揚州地區發生兩次高強度降溫天氣，出現單日最高溫度低于0 ℃，最低氣溫降至-10 ℃以下的歷史極端低溫(圖1A)。本研究于2021年1月13日(第二次降溫后一周)對各品種葉片受凍情況進行了調查和分析。

表1 供試材料信息表Table 1 Information table of test materials

1.4 測定項目與方法

1.4.1 葉片受凍程度調查

于越冬期和拔節期冷凍脅迫后7 d(凍害癥狀已經完全顯現)，根據全國小麥區域試驗凍害5級指標進行葉片凍害程度的調查(略有改動)。具體分級如下：1級，葉片未產生傷害；2級，葉片受凍發黃面積小于1/3；3級，葉片受凍發黃面積介于1/3～1/2；4級，葉片受凍發黃面積介于1/2～2/3；5級，葉片受凍發黃面積大于2/3。調查對象為主莖頂三葉，取平均值作為代表該主莖葉片受凍程度。每品種每處理至少調查15個小麥主莖。凍害指數的計算公式如下：

凍害發生率=達到凍害級別的莖蘗數/總莖蘗數×100%

凍害指數=∑[凍害等級(2級以上)× 凍害發生率]/(凍害五級×100%)

1.4.2 幼穗凍傷率調查

拔節期冷凍脅迫處理后7 d，取各處理小麥主莖，用解剖針和解剖刀將葉鞘剝離后通過顯微鏡觀察主莖幼穗受凍情況。幼穗顏色發白干枯、無彈性者即判定為凍傷幼穗。每品種每處理至少調查30個主莖，計算幼穗凍傷率。

1.4.3 產量性狀調查

于拔節期冷凍脅迫處理前，每品種每處理各挑出3盆標出主莖，于成熟期調查每盆主莖數量、主莖穗粒數、主莖粒重、主莖產量以及每盆穗數(主莖穗+分蘗穗)、穗粒數、粒重和每盆總產量，每一盆為一個生物學重復。

1.4.4 農藝性狀調查

于拔節期(冷凍脅迫處理前1 d)調查對照組主莖農藝指標。使用SPAD儀(SPECTRUM，美國)測定SPAD值，測定對象為全展頂一葉，在葉片上、中、下處讀取數值后取平均值作為最終值；用米尺測量主莖最大長度(即株高)；將葉鞘剝離后用游標卡尺測定主莖基部第二節間粗度，計為莖粗；用米尺測定基部節間到幼穗的長度，計為莖長；將主莖樣品放置105 ℃烘箱殺青30 min后，在80 ℃條件下烘干至恒重，稱重記錄。每5株為一個生物學重復，重復3次。

1.5 數據處理

采用 Microsoft Excel 2016 軟件對數據進行處理并繪圖，使用SPSS 22.0軟件進行方差分析。

圖1 2020年12月至2021年1月溫度數據(A)和拔節期低溫處理溫度數據(B)

2 結果與分析

2.1 拔節期冷凍脅迫下小麥葉片受凍程度

小麥品種間拔節期葉片抗寒性存在明顯差異，且L1處理整體上對小麥葉片的傷害程度明顯高于L2處理(圖2)。在L1和L2處理下，半冬性、弱春性和春性品種的葉片平均受凍指數分別為0.338和0.087、0.503和0.139、0.647和 0.283，基本上呈現出半冬性<弱春性<春性的變化規律，說明拔節期小麥葉片抗寒性與其冬春性存在密切的關系。在L1處理下，半冬性品種中葉片受凍指數較低的品種有JM816、HM20、LM8和S1216，弱春性品種中葉片受凍指數較低的品種為HM30，而春性品種中葉片受凍指數較低品種有YM15、ZM12和NMZ126。在L2處理下，半冬性品種AK58、ZM366、HM20、S1216的葉片沒有出現凍害癥狀，弱春性品種間葉片受凍指數無明顯差異，春性品種中葉片受凍指數較低的品種有YM15和ZM12。在L1和L2處理下，半冬性、弱春性、春性品種中拔節期葉片抗寒性均表現良好的品種分別為HM20和S1216、 HM30、 YM15和ZM12。

圖2 拔節期冷凍脅迫下小麥葉片受凍指數

2.2 拔節期冷凍脅迫下小麥幼穗受凍程度

拔節期冷凍脅迫下品種間幼穗凍傷率也存在明顯差異(圖3)。L1處理下品種幼穗平均凍傷率(48.6%)明顯高于L2處理(24.5%)。在L1處理下，半冬性、弱春性和春性品種的幼穗平均凍傷率分別為41.4%、56.4%和57.2%，呈現出半冬性<弱春性<春性的規律；而在L2處理下，半冬性、弱春性和春性品種的幼穗平均凍傷率分別為23.6%、10.9%和31.1%，呈現出半冬性<春性<弱春性的規律。相關性分析表明，L1處理下品種幼穗凍傷率與其冬春性顯著相關(相關系數為0.415)，L2處理下品種幼穗凍傷率與其冬春性相關性較低(相關系數僅為0.221)。在L1處理下，半冬性品種中JM816、JM22、HM20、LM8和S1216幼穗抗寒性較強，弱春性和春性品種中HM30、YM15、ZM12和NMZ126的幼穗抗寒性較強。在L2處理下，半冬性品種JM816、JM22、HM20和WM203的幼穗抗寒性較強，弱春性品種中ZM9023的幼穗抗寒性較強，春性品種中ZM168幼穗抗寒性較強。

2.3 拔節期冷凍脅迫對產量性狀的影響

品種、冷凍脅迫及二者互作對小麥主莖產量、總產量均有極顯著影響(表2)。拔節期冷凍脅迫(L1和L2)顯著降低各品種主莖產量，其中半冬性、弱春性和春性品種的主莖產量平均降幅分別為36.30%、38.77%和51.99%。L1處理引起的主莖產量降幅(50.02%)整體上明顯高于L2處理(33.66%)。L1處理下，半冬性品種JM816、JM22和HM20的主莖產量降幅較小；弱春性和春性品種中主莖產量降幅較小的品種分別為ZM9023和ZM168。L2處理下，半冬性品種HM20、AK58和ZM366的主莖產量下降幅度較低；3個弱春性品種的主莖產量降幅無明顯差異；春性品種中ZM12的主莖產量降幅最低。

拔節期冷凍脅迫整體上明顯引起品種總產量降低，其中半冬性、弱春性和春性品種的總產量平均分別下降17.48%、21.58%和21.46%。L1和L2處理平均分別減產23.04%和15.61%。L1處理下，半冬性品種HM20和LM8的總產量降幅較低；弱春性和春性品種中HM30和ZM12的總產量降幅最低。L2處理下，半冬性品種HM20和LM618以及春性品種ZM12的總產量不降反增，弱春性品種中LM24的降幅較低。

相關性分析(表3)表明，拔節期冷凍脅迫下(L1和L2)，主莖產量和總產量降幅均與相應的穗數和穗粒數降幅呈顯著或極顯著正相關，而與粒重變化幅度無顯著相關性。在L1和L2處理下，主莖產量降幅與主莖幼穗凍傷率和葉片受凍指數均呈極顯著正相關；在L1處理下，總產量降幅與主莖幼穗凍傷率和葉片受凍指數相關均不顯著；在L2處理下，總產量降幅與主莖幼穗凍傷率呈顯著正相關，而與葉片受凍指數無顯著相關性(圖4)。另外，L1處理下，主莖產量降幅與總產量降幅的相關性不顯著(相關系數為0.378)，而在L2處理下，主莖產量降幅與總產量降幅呈顯著正相關(相關系數為0.461)。

圖3 拔節期冷凍脅迫下小麥幼穗受凍程度

表2 各小麥品種不同處理的產量及降幅Table 2 Yield and its decreasing rate of various wheat varieties under different treatments

表3 小麥產量降幅與產量要素降幅的相關性Table 3 Correlation analysis between the decline of wheat yield and its components

圖4 小麥產量降幅與拔節期葉片受凍指數和幼穗凍傷率的相關性

2.4 小麥拔節期抗寒性與農藝指標間的關系

為探求能夠鑒定小麥品種拔節期抗寒性的農藝指標，將拔節期葉片受凍指數、幼穗凍傷率與正常生長條件下拔節期主莖的農藝指標進行相關性分析。結果(表4)表明，拔節期冷凍脅迫(L1和L2)下主莖葉片受凍指數、幼穗凍傷率與主莖長度分別呈負相關和正相關，但均不顯著；除L1幼穗凍傷率外，葉片受凍指數和幼穗凍傷率與主莖莖稈粗度呈現負相關，相關性不顯著；除L2葉片受凍指數外，葉片受凍指數和幼穗凍傷率與主莖葉片SPAD值呈現負相關，相關性均不顯著；葉片受凍指數和幼穗凍傷率與株高、干重呈負相關，其中L1葉片受凍指數與主莖株高相關顯著，L1和L2葉片受凍指數與主莖干重相關顯著。

表4 小麥品種拔節期抗寒性與農藝指標的相關性Table 4 Correlation between freezing resistance of wheat varieties at jointing stage and agronomic traits

2.5 小麥越冬期冷凍脅迫下葉片受凍程度

2020年底和2021年初兩次極端低溫天氣對越冬期小麥植株造成了一定程度的傷害，但從受凍等級來看，多數品種以2、3級凍害為主，少數品種出現4級凍害，表明越冬期小麥具有較強的抗寒能力(表5)。方差分析表明，越冬期品種間葉片受凍指數差異極顯著。半冬性、弱春性和春性品種的葉片平均受凍指數分別為0.154、0.209和0.323，表明小麥品種越冬期抗寒性整體上表現為半冬性>弱春性>春性。但弱春性品種LM24(0.120)和春性品種NM13(0.147)的葉片受凍指數顯著低于大部分半冬性品種如XM33(0.307)、LM618(0.253)等。可見，小麥越冬期抗寒性雖與其冬春性緊密相關，但無必然聯系。從葉片受凍指數來看，半冬性品種中抗寒性較強的品種有HM20、ZM366、BN207和S1216等，弱春性品種中較抗寒的品種為LM24，而春性品種中較抗寒的品種為NM13。

表5 越冬期冷凍脅迫下小麥葉片凍害等級及百分比Table 5 Frost damage grade of wheat leaves at the overwintering stage under freezing stress

2.6 小麥品種越冬期和拔節期抗寒性的關系

為探究小麥品種越冬期和拔節期抗寒性的關系，將供試品種越冬期葉片受凍指數、拔節期葉片受凍指數及幼穗凍傷率進行相關性分析(圖5)。結果表明，小麥越冬期葉片受凍指數與拔節期L1處理下葉片受凍指數呈極顯著正相關(相關系數為0.678)；越冬期葉片受凍指數與拔節期L2處理下葉片受凍指數呈顯著正相關(相關系數為0.423)。拔節期L1處理下，小麥葉片受凍指數與幼穗凍傷率呈極顯著正相關(相關系數為 0.706)；拔節期L2處理下，葉片受凍指數與幼穗凍傷率同樣呈正相關，但相關性不顯著(相關系數為 0.338)。小麥越冬期葉片受凍指數與拔節期L1和L2處理下幼穗凍傷率均呈正相關，但相關性均不顯著(相關系數分別為0.385和 0.299)。

FIL0：越冬期葉片受凍指數；FILJ：拔節期葉片受凍指數；FRYE：拔節期幼穗凍傷率。

3 討 論

3.1 小麥越冬期、拔節期抗寒性與冬春性間的相互關系

研究表明，小麥春化與抗寒反應雖受不同基因控制，但控制兩者的基因緊密連鎖。因此，小麥植株在完成春化反應前(存在抗寒鍛煉過程)的抗寒能力強弱與冬春性密切相關。本研究表明，不同冬春性小麥品種越冬期抗寒能力整體上表現為半冬性>弱春性>春性。這與曹文昕等、趙鵬等的研究結果一致。但本研究同時發現，少部分弱春性(LM24)或春性品種(如NM13)的越冬期抗寒性強于半冬性品種。該結果再次證明，小麥抗寒性與冬春性是品種的兩種特性，兩者之間沒有必然的關聯。

鐘秀麗等研究指出，拔節期小麥幼穗抗寒性與越冬期抗寒性以及品種冬春性間不存在顯著的相關關系。但席吉龍等研究發現，小麥拔節期抗寒性與其冬春性存在緊密的相關性。本研究在拔節期不同強度冷凍脅迫(L1和L2)處理下同時考察了小麥葉片和幼穗的受凍程度。結果發現，無論是在L1還是L2處理下，拔節期葉片抗寒性與其越冬期葉片抗寒性及其冬春性均存在顯著的正相關；然而，除L1處理下幼穗抗寒性與其冬春性密切相關外，L1和L2處理幼穗抗寒性與其越冬期葉片抗寒性及其冬春性相關性均不顯著。以上結果表明，考察對象(幼穗或葉片)和低溫強度的不同可能是前人研究結果存在差異的重要原因。

研究指出，拔節期小麥植株地上部各器官抗寒能力通常表現為幼穗<莖稈<葉片。可見，幼穗抗寒性是影響小麥植株抗寒性的短板。本研究發現，L1處理下拔節期小麥葉片抗寒性與幼穗抗寒性存在極顯著的正相關性，而在L2處理下拔節期小麥葉片和幼穗抗寒性不存在顯著的相關性。出現該結果的主要原因是在L2(-2 ℃)處理下幼穗受凍明顯，而葉片受凍較輕或尚未受凍；而在L1(-4 ℃)處理條件下，幼穗和葉片均發生明顯凍害。這與前人發現春季小麥低溫致死溫度在-5 ℃左右的報道相符。可見，在不同低溫強度下拔節期小麥葉片和幼穗受凍程度不一定表現出顯著的相關性。因此，當評價分析拔節期小麥植株抗寒性時應以幼穗受凍指標為主，葉片受凍指標為輔，這與劉方方等提出的觀點相一致。

3.2 倒春寒對小麥產量性狀的影響及倒春寒抗性類型劃分

籽粒產量的變化是評價小麥抗寒能力的一個重要指標。但在利用產量指標評價小麥倒春寒抗性時應區分原生穗(正常生長條件下能夠成穗的主莖和大分蘗)和晚生穗(由于凍害引起主莖或大分蘗死亡導致原本不能成穗的無效分蘗或新生分蘗發育成穗)，否則會影響對小麥品種倒春寒抗性的判斷。比如，在本研究中，拔節期冷凍脅迫下LM618的主莖產量降幅明顯高于其他大部分品種，但其總產量降幅卻明顯低于其他品種。可見，依照不同的產量指標可將同一個品種劃分為抗倒春寒或感倒春寒。這主要是因為晚生穗對產量有明顯的補償效應，而不同品種的補償能力有所不同。

總結前人和本研究的結果，可將小麥倒春寒抗性劃分為3種類型：①耐凍型，該類型品種在遭受倒春寒時植株受到的傷害較小，主要體現在莖蘗死亡率和葉片枯死程度較低、結實率較高等，代表性品種有JM816、HM20、JM22等；②補償型，該類型品種即使在遭受凍害時莖蘗死亡率和葉片枯死程度高，但在倒春寒過后其產生新分蘗的能力很強，最終產量降幅降低，比如ZM12、臨汾7203、豫麥18等；③避凍型，該類型品種起身拔節期晚、穗分化遲，其將低溫敏感期與倒春寒頻發期錯開，進而避免倒春寒的危害，代表性品種有周麥23、豫麥13等。雖然補償型小麥品種在遭遇倒春寒后可以獲得較高的產量，但其再生穗比正常穗成熟期明顯推遲，且再生穗籽粒品質劣化，若混收則會整體上大幅降低小麥品質。

張玉雪和吳青霞等研究發現，穗數和穗粒數減少是拔節期(倒二葉出生期)冷凍脅迫引起小麥減產的主要原因。本研究中，無論是在L1還是在L2處理下，主莖產量和總產量變化主要受穗數和穗粒數的影響，與粒重相關性不大，這與前人的研究結果基本一致。另外，本研究發現，幼穗凍傷率與葉片受凍指數與主莖產量降幅呈極顯著正相關，而與總產降幅的相關性明顯下降，且不同低溫強度處理下主莖產量降幅與總產量降幅的相關性強弱明顯不一致，該結果再次證明將小麥倒春寒抗性進行分類研究的必要性。

3.3 小麥拔節期抗寒性與其農藝性狀的關系

研究表明，根系活力、葉片過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性以及可溶性糖和游離脯氨酸含量等生理生化指標可作為拔節期小麥抗寒性的鑒定評價指標。然而，生理生化指標測定需要專門儀器，難度較大且成本較高。本研究考察了拔節期小麥葉片和幼穗抗寒能力與5個農藝指標的相關性。在L1和L2處理下，小麥葉片和幼穗的抗寒性均與拔節期株高和干物重呈負相關性，其中L1處理葉片抗寒性與拔節期株高和干物重的相關性達到顯著水平。另外，拔節期幼穗抗寒性與葉片SPAD、莖長分別呈負相關和正相關性。以上結果指示，提高光合同化量，促進干物質積累同時適當降低節間長度，即培育壯苗，有利于提高拔節期小麥植株的抗寒性。但本研究所考察的5個農藝指標均與幼穗的抗寒性無顯著相關性，說明利用農藝指標鑒定拔節期小麥植株的抗寒性存在一定難度。

綜上，在鑒選抗倒春寒的小麥品種時，應在考慮品種冬春性的基礎上，重點考察低溫敏感期幼穗的抗寒能力，同時兼顧(主莖和大分蘗受凍死亡后)再生穗的補償能力。本研究表明，淮麥20(HM20)在拔節期冷凍脅迫下幼穗凍傷率較低且再生穗的補償能力較強，可作為倒春寒研究的重要材料。