李 龍 毛新國 王景一 昌小平 柳玉平 景蕊蓮
中國農業(yè)科學院作物科學研究所 / 農作物基因資源與基因改良國家重大科學工程, 北京 100081
小麥是世界三大糧食作物之一, 全球總產量約為7.16億噸, 養(yǎng)活了近五分之一的人口[1]。然而, 為了滿足快速增長人口的需求, 預計到 2050年, 全球小麥產量仍需加倍[2]。隨著耕地面積縮減以及氣候變化等問題日益嚴峻, 這一目標的實現(xiàn)將主要依賴于單產的提高[3]。干旱是影響作物產量的主要因素,全球大約 50%的小麥產區(qū)遭受干旱脅迫[4], 減產幅度可達10%~70%[5]。干旱也是影響我國小麥生產的主要逆境, 2011年河北、河南、山東等8省小麥受旱面積約為773萬公頃, 其中重災面積169萬公頃, 占這8個省冬小麥種植面積的42.4% (http://www.moa.gov.cn/xw/)。不僅如此, 過去 20年, 我國農業(yè)干旱成災面積占總成災面積(旱災、水災、風雹及冷凍)的比例由9.0%上升至47.3% (http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01)。同時, 我國水資源嚴重短缺,因此, 選育抗旱節(jié)水小麥品種是保障我國糧食安全的重要途徑之一。
高效鑒定方法及優(yōu)異親本的選用是育種工作順利開展的前提。對于作物種質資源的抗旱性鑒定,苗期主要采用反復干旱法, 測定指標為反復干旱存活率, 即反復干旱處理后幼苗的存活率, 目前已經廣泛應用于多種糧食及經濟作物, 例如水稻、小麥、糜子、菜豆等[6-9]。成株期主要采用田間直接鑒定法,重點考察逆境條件下不同品種最終的生產能力, 可用抗旱系數(shù)進行單指標評價[10], 或者基于灰色關聯(lián)度分析的綜合評價[11-13]。然而, 不同抗旱性鑒定方法的結果存在一定差異[12,14], 這可能是試驗過程中干旱脅迫程度不同, 品種對旱脅迫反應不同, 或者不同評價策略所考量的品種特性不同導致的。因此,進一步明確不同抗旱性鑒定方法的應用要點及適用對象有利于提高育種選擇的客觀性和可靠性, 具有重要指導意義。我國保存有4萬多份小麥種質資源,其中蘊含豐富的抗旱基因資源, 迄今為止, 僅對其中 2萬多份材料進行了抗旱性鑒定, 能夠被有效利用的優(yōu)異種質仍然不能滿足育種需求。我國不同小麥產區(qū)的干旱發(fā)生時期及程度不盡相同[15], 而目前小麥抗旱種質資源篩選多針對特定生育時期開展,忽視了對同一品種不同生育期抗旱性的比較, 對重要品種的抗旱性缺乏整體認知, 限制了品種抗旱性提升的潛力。因此, 進一步篩選小麥抗旱種質, 尤其是不同生育時期抗旱性穩(wěn)定的廣適性種質仍是當前小麥研究的重要任務之一。
本研究以 323份不同來源的小麥種質為試材,分別采用反復干旱法和田間直接鑒定法評價苗期和成株期的抗旱性。通過跟蹤反復干旱過程中土壤水分及幼苗存活情況, 進一步明確反復干旱法適宜的旱脅迫時間及程度; 通過比較抗旱系數(shù)與綜合抗旱性度量值 D的評價結果, 深入探討兩者的差別及適用對象; 篩選小麥抗旱種質資源, 為抗旱性研究及
品種選育提供基礎材料。
323份小麥種質(由中國農業(yè)科學院作物科學研究所提供)主要來自我國北部晚熟冬麥區(qū)和黃淮冬麥區(qū), 包括不同年代育成的推廣面積較大的水地和旱地小麥品種275份, 改良品系36份, 以及地方品種12份。其中北京市70份、甘肅省11份、河北省49份、河南省42份、江蘇省6份、山東省29份, 山西省72份、陜西省37份、新疆維吾爾自治區(qū)2份以及國外品種5份(附表1)。
2015年春季在作物科學研究所旱棚內, 采用盆栽法進行苗期抗旱性鑒定。盆長80 cm, 寬40 cm, 高20 cm, 每盆裝土20 kg, 盆土由農田表層壤土、復合有機肥混合而成, 質量比為 50∶1。每盆播種 21份材料, 每份材料播40粒, 播種后覆土1 kg, 3次重復,隨機區(qū)組設計。出苗后每份材料留30株。
采用反復干旱法, 三葉期開始第 1次干旱處理,此時土壤含水量約為22.0%, 處理10 d后土壤絕對含水量下降至4.3%, 等量復水2.0 L, 復水后第5天調查各品種幼苗存活數(shù); 開始第2次干旱處理, 15 d后土壤含水量降至3.9%, 每盆等量復水2.0 L, 第5天再次調查各品種幼苗存活數(shù); 開始第 3次干旱處理, 處理時間為 15 d, 土壤含水量下降至 2.3%, 復水2.0 L, 第5天調查最后一次幼苗存活數(shù)(圖1)。
于 2014—2016年在中國農業(yè)科學院作物科學研究所昌平及順義試驗基地, 設置旱地及水地 2種處理。旱地為雨養(yǎng)條件, 2014—2015、2015—2016兩個小麥生長季內的降水量分別為 161 mm和 173 mm; 水地于越冬前、孕穗期及開花期灌溉(750 m3hm-2)。播種每品種4行, 行長2 m、行距30 cm、每行40粒, 常規(guī)田間管理。測定性狀包括單株產量、單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、每穗小穗數(shù)及千粒重。
參照國家標準GB/T 21127-2007《小麥抗旱性鑒定評價技術規(guī)范》及文獻[7,14,16]所述, 計算反復干旱存活率(DS)、抗旱系數(shù)(DTC)、隸屬函數(shù)[μ(x)]、關聯(lián)系數(shù)[ξi(k)]、綜合抗旱性度量值D(DV)等指標。
式中, DS1、DS2和DS3分別為第1次、第2次和第3次復水后, 供試材料幼苗存活率的平均值,Xi(k)和CXi(k)分別表示處理和對照條件下的性狀測定值, DTCi,max和DTCi,min分別為抗旱系數(shù)的最大值及最小值,Xi′ (k)為數(shù)據(jù)歸一化處理結果,和Si分別為干旱脅迫下各指標的平均值及標準差。X0(k)為母序列值, 本文指單株產量的抗旱系數(shù)。ρ表示分辨系數(shù), 取值0.5[17],ri為各性狀與單株產量抗旱系數(shù)的關聯(lián)度。
采用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行常規(guī)統(tǒng)計分析, SPSS 19.0軟件進行灰色關聯(lián)度及相關性分析。
第 1次干旱處理后, 絕大部分材料能夠存活,平均存活率高達95.9%, 第2次干旱處理后, 平均存活率下降至58.1%, 第3次干旱處理后, 平均存活率僅為 15.0%, 說明反復干旱是一個脅迫程度增加的過程, 而存活率變異系數(shù)由 4.0%增加至 83.5%, 說明材料間存活率的差異隨著干旱脅迫程度的增加逐漸凸顯(表1)。第1次干旱處理后, 幼苗存活率的廣義遺傳力較低, 僅為34.9%, 說明環(huán)境噪音較大, 而第 2次和第 3次干旱處理后的廣義遺傳力較高, 分別為78.4%和68.0% (圖1), 說明后兩個階段材料間抗旱性差異主要是由遺傳基礎決定的。
表1 反復干旱處理下供試材料的幼苗存活率Table 1 Seedling survival rate of tested accessions under repeated drought treatments (%)
圖1 反復干旱過程土壤含水量及幼苗存活率變化Fig. 1 Variation of soil water content and seedling survival rate during repeated drought process H2: 廣義遺傳力。H2: broad-sense heritability.
根據(jù)反復干旱存活率, 利用樣本均值-標準差分類法[21]將323份材料的抗旱性分為5級, 即強抗(DS≥70.4%)、抗(70.4%>DS≥63.0%)、中抗(63.0%>DS≥49.9%)、較敏感(49.9%>DS≥37.5%)和敏感(DS<37.5%)。強抗、抗、中抗、較敏感和敏感材料數(shù)目分別為28、68、139、69和19, 占總數(shù)的8.7%、21.1%、43.0%、21.4%和 5.8% (圖 2)。強抗旱材料包括: 泛麥8號、邯鄲6050、紅和尚、花培6號、濟南13、晉麥63、京冬 8號、京農80鑒107、京品30、京品3號、臨汾8050、臨旱5367、魯麥19、漯麥9號、農大146、農大81146、清山843、石家莊 407、石優(yōu) 17、西峰 16、西農 189、西農 318、小山8號、原冬847、運旱2028、長6154、長6878和周麥 22。其中, 5份材料的反復干旱存活率大于80%, 分別為邯鄲 6050 (82.5%)、石家莊 407(81.5%)、京冬 8號(80.7%)、漯麥 9號(80.6%)和京農 80鑒 107 (80.4%)。
2.2.1 干旱脅迫對小麥產量及其構成因素的影響
圖2 苗期抗旱性鑒定結果Fig. 2 Drought-tolerance evaluation result at seedling stage HT: 強抗; T: 抗; MT: 中抗; S: 較敏感; HS: 敏感。HT: highly tolerant; T: tolerant; MT: medium tolerant; S: sensitive;HS: highly sensitive.
干旱脅迫使單株穗數(shù)減少10.6%, 每穗小穗數(shù)減少 7.9%, 穗粒數(shù)減少 14.5%, 千粒重降低 12.2%,單株產量下降13.0%, 其中穗粒數(shù)受干旱影響最大。處理組和對照組間各性狀差異顯著(表2), 說明本試驗旱脅迫效果明顯。旱地性狀變異系數(shù)為 6.9%~20.3%, 水地的性狀變異系數(shù)為 6.3%~22.7%, 旱地每穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的變異系數(shù)大于水地,而單株穗數(shù)和單株產量的變異系數(shù)小于水地, 此外,每穗小穗數(shù)在 2種水分環(huán)境下的變異系數(shù)均最小,說明該性狀在品種間的離散程度較小。
2.2.2 單指標抗旱性評價 根據(jù)單株產量抗旱系數(shù)(DTCGY), 同樣利用樣本均值-標準差分類法將323份小麥材料的抗旱性分為強抗(DTCGY≥1.19)、抗(1.19>DTCGY≥0.99)、中抗(0.99>DTCGY≥0.74)、較敏感(0.74>DTCGY≥0.65)和敏感(DTCGY<0.65) 5級。各級抗旱性材料的數(shù)目依次為 25、61、154、45和38個, 分別占總數(shù)的7.7%、18.9%、47.6%、13.9%和 11.8% (圖 3-A), 其中, 強抗旱材料包括:百農160、滄州小麥、復壯30、衡水6404、花培6號、冀 92-5203、冀麥 26、京東 82東 307、京花 1號、京品3號、農大183、農大36、秦麥3號、青春2號、勝利麥、石4185、舜麥1718、西農318、小白麥、運旱23-35、早洋麥、鄭州24、中蘇68、中引6號和紫稈白芒先。
2.2.3 抗旱性綜合評價 單株穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重是小麥產量的構成因素。分別計算單株穗數(shù)、每穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的抗旱系數(shù), 進而計算關聯(lián)度, 利用關聯(lián)度得到各性狀的權重, 將該權重與各性狀的隸屬函數(shù)值相乘得到綜合抗旱性度量值D。根據(jù)綜合抗旱性度量值D的大小將323份材料分為強抗(DV≥0.59)、抗(0.59>DV≥0.51)、中抗(0.51>DV≥0.41)、較敏感(0.41>DV≥0.35)和敏感(DV<0.35) 5級。各級材料數(shù)依次為30、72、138、56和27個, 分別占總數(shù)的9.3%、22.3%、42.7%、17.3%和8.4% (圖3-B), 其中, 強抗材料包括: 白禿頭、豐產1號、邯鄲6050、衡95觀26、衡水6404、淮沭10號、冀92-5203、冀麥9號、金光、晉麥63、臨旱6號、魯麥8號、洛農10號、漯麥9號、漯優(yōu)7號、銘賢169、農大183、農大311、秦麥3號、青春1號、青麥7號、石4185、石麥13、舜麥1718、溫麥6號、西安8號、早洋麥、中86I-50455、中蘇68和周麥23。進一步分析單株產量抗旱系數(shù)與綜合抗旱性度量值 D的相關性, 發(fā)現(xiàn)兩者的相關系數(shù)為0.609, 呈顯著正相關(圖4), 說明2種評價方法的結果具有較高的一致性。其中, 9份種質(早洋麥、秦麥3號、衡水 6404、舜麥 1718、石 4185、中蘇 68、冀92-5203、農大183和金光)在2種方法的評價結果中均為強抗旱。
表2 不同水分條件下供試材料的產量及其構成因素Table 2 Yield and yield components of tested accessions under different water regimes
圖3 成株期抗旱性鑒定結果Fig. 3 Drought-tolerance evaluation results at adult stage
圖4 單株產量抗旱系數(shù)與綜合抗旱性度量值D的相關性Fig. 4 Correlationship between yield-based drought tolerance coefficient (DTCGY) and drought resistance comprehensive evaluation value (DV)
從苗期不同干旱處理后的存活率與單株產量抗旱系數(shù)及綜合抗旱性度量值D的相關系數(shù)可以看出,苗期與成株期的抗旱性無顯著相關, 相關系數(shù)絕對值僅為0.020~0.083 (表3)。多數(shù)材料在不同生育期的抗旱性存在較大差異, 例如, 小白麥在苗期表現(xiàn)敏感, 在成株期卻表現(xiàn)抗旱, 而京農80鑒107在苗期表現(xiàn)抗旱, 在成株期則表現(xiàn)敏感。然而, 21份材料在苗期和成株期均表現(xiàn)抗旱或強抗旱, 分別為西農318、花培6號、京品3號、晉麥63、京品30、衡水 6404、早洋麥、農大 36、勝利麥、鄭州 24、中引6號、洛農10號、青麥7號、冀麥9號、中86I-50455、洛旱8號、濟麥6號、長8744、京雙16、農大155和農大20074。
表3 苗期與成株期抗旱性相關系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between drought tolerance at seedling and adult growth stage
對于小麥種質資源的抗旱性評價, 由于在不同生育期考量的重點性狀不同, 因此宜選用不同的方法。針對苗期和成株期, 反復干旱法及田間直接鑒定法[6,18-20]是常用的方法。數(shù)據(jù)分析策略又包括單指標分析和多性狀綜合分析兩大類[21-22]。本研究采用反復干旱法比較分析不同小麥種質材料的苗期抗旱性, 為進一步明確適宜的試驗條件和處理水平, 將干旱脅迫過程細分為三步, 第 1次旱脅迫土壤絕對含水量由 22.0%下降至 4.3%, 已經達到重度脅迫的程度, 但是復水后種質材料平均存活率高達 95.9%,說明小麥幼苗對于短期的高強度干旱脅迫具有較強的抗御能力, 及時恢復適宜的水分條件不會嚴重影響幼苗的存活。第1次干旱處理后不同種質材料存活率變異系數(shù)也較小(4.0%), 廣義遺傳力較低(34.9%), 說明材料之間離散程度較小, 且環(huán)境噪音過大, 不宜進行抗旱種質篩選。通過第2次和第3次干旱脅迫, 土壤絕對含水量分別降到 3.9%和2.3%, 幼苗存活率也最終下降至 15.0%, 說明反復的嚴重水分虧缺能夠加劇對小麥機體的不良影響,并產生積累效應。因此, 在干旱脅迫條件下植株保水能力強, 供水后能夠迅速恢復活力的材料才能保持較高的反復干旱存活率, 這也是選擇幼苗對持續(xù)干旱脅迫耐受能力的重要依據(jù)。此外, 在反復干旱處理后, 幼苗存活率的變異系數(shù)和廣義遺傳力大幅度增加, 說明品種之間的抗旱性差異逐漸拉大, 且環(huán)境噪音減小, 此時開展抗旱性鑒定具有較高的可信度。
對于成株期抗旱性鑒定, 本研究采用了單指標分析和綜合分析 2種方法, 前者用單株產量的抗旱系數(shù), 而后者結合了 4種重要的產量構成因素。兩者的鑒定結果具有較高的一致性(R2= 0.609), 這與祁旭升等[14]的研究結果相似。然而, 相同種質在 2種評價結果中的抗旱性排名存在一定差異。例如,單指標評價結果中抗旱性排名第一的材料是紫稈白芒先, 為強抗級, 而在綜合評價中該材料僅排名 95,為抗級; 綜合評價結果中排名第一的種質為早洋麥,在單指標評價中排名21。進一步比較這兩份材料各產量構成因素的抗旱系數(shù)(圖5), 紫稈白芒先的單株穗數(shù)抗旱系數(shù)較大, 而穗粒數(shù)和每穗小穗數(shù)的抗旱系數(shù)均較小, 說明紫稈白芒先在單指標評價中的優(yōu)勢主要來源于單株穗數(shù), 而早洋麥雖然在單株穗數(shù)方面的抗旱系數(shù)略低, 但是具有良好的綜合表現(xiàn)。因此, 在育種工作中, 如果重點考慮單株產量的改良, 可以選擇紫稈白芒先作為親本, 但其結果也可能會導致“偏科”, 提升潛力較小; 如果根據(jù)綜合評價結果選擇早洋麥, 則可能保留較多的優(yōu)異基因,具有更大的發(fā)展空間。因此, 權衡考慮評價的準確性和工作量, 在進行大范圍種質抗旱性評價時, 建議選用單指標評價方法, 而對于優(yōu)異親本材料選擇或科學研究, 應將單指標分析及多性狀綜合分析方法有機結合。
圖5 早洋麥與紫稈白芒先各產量構成因素的抗旱系數(shù)Fig. 5 Drought tolerance coefficient of yield components of Early Premium and Ziganbaimangxian
抗旱性是一個多角度的概念, 對于自然界作物自身和農業(yè)生產來說并不完全一致。營養(yǎng)生長階段主要強調植株的存活能力, 相關機理包括滲透調節(jié)、光合性能維持以及活性氧的清除等[23-26]; 而對于生殖生長階段, 光合作用受到限制, 生物自身抗逆性需要消耗能量, 往往會對產量造成影響, 而農業(yè)生產更加看重的是產量的穩(wěn)定性, 以犧牲產量為代價提高自身存活力的種質是不可取的。因此, 通過人為設定的抗旱性評價方法和指標篩選出的不同生育期抗旱性材料可能存在較大差異[27]。本研究發(fā)現(xiàn), 苗期各處理階段干旱存活率與成株期抗旱系數(shù)和綜合抗旱性度量值D均無顯著相關。因此, 我們應當加強對小麥不同生育期抗旱機制的全面認識,增強品種廣適性; 同時, 充分考慮不同小麥產區(qū)干旱發(fā)生規(guī)律, 因地制宜, 提高育種目標與逆境的吻合性。
優(yōu)良親本的選用是決定育種效率的關鍵。本研究采用反復干旱法篩選獲得苗期強抗旱種質 28份,采用田間直接鑒定法, 基于單指標評價和綜合評價策略分別獲得成株期強抗旱種質25份和30份。此外, 結合苗期反復存活率與成株期 2種抗旱性評價結果, 發(fā)現(xiàn)晉麥63、青麥7號、西農318等21份種質在不同生育期均表現(xiàn)優(yōu)異, 體現(xiàn)了全生育期的整體抗性, 這些種質和數(shù)據(jù)信息為抗旱育種的親本選配提供了材料基礎和理論依據(jù)。然而, 本研究中, 晉麥 47等部分旱地高產穩(wěn)產品種未能達到強抗旱級別, 這可能是由于本研究抗旱性評價主要針對單株水平, 而在實際生產中, 群體表現(xiàn)是決定抗旱性的重要因素。例如, 根系過大的品種, 在單株水平上可能具有較強的抗旱性, 但由于個體間競爭激烈, 其群體的抗旱性較差; 根系相對較小的品種, 個體間競爭較弱, 但群體抗旱性可能表現(xiàn)優(yōu)異[28]。因此, 應進一步在群體水平分析不同種質的抗旱性, 剖析優(yōu)良抗旱品種的特性, 為品種改良提供理論依據(jù)和技術支持。
反復干旱能夠凸顯不同小麥種質材料苗期抗旱性差異, 同時減少環(huán)境噪音。成株期單指標(抗旱系數(shù))及綜合指標(綜合抗旱性度量值 D)評價結果具有較高的一致性, 但采用綜合指標有利于區(qū)分干旱對不同種質產量的影響力。鑒定出28份苗期和9份成株期(基于 2種評價方法)強抗旱種質, 有21份種質在苗期和成株期均表現(xiàn)抗旱或強抗旱。本研究結果為篩選抗旱親本材料提供了參考。
附表1 323份小麥種質的抗旱性評價結果Supplementary table 1 Drought tolerance of 323 wheat accessions identified by three indices
(續(xù)附表1)
(續(xù)附表1)
(續(xù)附表1)
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