張金波，王小波，嚴(yán)勇亮，肖 菁，彭惠茹，叢 花

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院植物遺傳育種學(xué)系，北京 100193； 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，新疆烏魯木齊 830091)

小麥屬喜涼作物，在生長發(fā)育期內(nèi)的高溫天氣會導(dǎo)致其籽粒產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣[1-4]。小麥在籽粒灌漿期適宜溫度為20～24 ℃，溫度高于25 ℃或低于12 ℃都不利于灌漿。在我國大部分麥區(qū)，小麥灌漿期常出現(xiàn)30 ℃以上的高溫天氣，特別是在黃淮海、新疆等小麥主產(chǎn)區(qū)高溫天氣頻發(fā)，約70%左右的面積受到干熱風(fēng)的影響，導(dǎo)致小麥出現(xiàn)“高溫逼熟”，減產(chǎn)10%～20%[5]。據(jù)預(yù)測，全球平均氣溫每升高1 ℃，小麥產(chǎn)量平均降低約6.0%[6-7]，高溫已成為制約小麥安全生產(chǎn)的一個重要因素。隨著溫室效應(yīng)的加劇，全球氣溫不斷升高[8]，高溫等極端氣象現(xiàn)象將更加頻繁，而且持續(xù)時間更長，因此小麥耐熱方面的研究越來越引起眾多學(xué)者的重視[9-14]。篩選鑒定耐熱小麥種質(zhì)資源、研究其耐熱機(jī)理以及品種耐熱性遺傳改良已成為我國現(xiàn)階段小麥育種的重要方向。

新疆是我國西北重要的小麥優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，小麥種植面積為1.13×106hm2左右，其中春小麥面積約占小麥總面積的1/3[15]。新疆氣候干燥、少雨，春小麥生育期氣溫較高，在這種氣候條件下，育成小麥品種的耐熱性突出。通過前期連續(xù)三年在新疆吐魯番、陜西楊凌、寧夏永寧開展的小麥種質(zhì)資源耐熱性鑒定評價，發(fā)現(xiàn)所選出的20份新疆春小麥品種的耐熱性整體展現(xiàn)出優(yōu)勢。本研究在此基礎(chǔ)上以新疆近30年來審定的43份春小麥育成品種為試驗(yàn)材料，采用塑料大棚人工模擬高溫環(huán)境，對其開展耐熱性評價，篩選出耐熱性高的材料，以期為小麥耐熱性遺傳改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為新疆近30年來審定的春小麥育成品種，其中新春6號、新春9號、新春29號等為生產(chǎn)上大面積栽培與推廣的品種，由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核生物技術(shù)研究所、新疆農(nóng)墾科學(xué)院等單位提供(表1)。所有材料分別于2017、2018和2019年3月底種植于新疆農(nóng)科院安寧渠綜合試驗(yàn)場，前茬為花生。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置對照(大田自然生長)、高溫脅迫兩個處理，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。每個小區(qū)每份材料種3行，行長1.5 m，行距0.2 m，每行點(diǎn)播40粒。常規(guī)田間管理，播種前施尿素75 kg·hm-2、磷酸二銨375 kg·hm-2為底肥，在拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期、成熟后期灌溉4次。

1.2 高溫脅迫處理

采用塑料大棚人工模擬高溫環(huán)境，進(jìn)行小麥高溫脅迫處理。5月中旬開花前覆棚膜，直至7月中旬小麥?zhǔn)斋@結(jié)束。塑料大棚寬10 m，長 30 m，高3 m，用人工氣候站全天自動記錄耐熱棚內(nèi)的溫濕度。2017-2019年連續(xù)三年溫度結(jié)果顯示，抽穗期、開花期、灌漿期對照和高溫脅迫兩個處理三年日平均溫度差分別為1.59～2.43、 1.38～2.22、1.47～3.02 ℃，日最高溫度差分別為3.31～9.38、2.99～6.25和3.24～8.88 ℃，日最低溫度三年兩個處理基本相當(dāng)。其中2017年5月15日至7月15日高溫脅迫與正常環(huán)境條件下溫度變化情況見圖1。

1.3 耐熱性鑒定方法

小麥成熟后，各小區(qū)單獨(dú)收獲、脫粒、自然晾曬和清選去雜，隨機(jī)選取1 000～1 500粒種子用萬深SC-G自動種子考種儀測定千粒重。用Foss近紅外谷物分析儀TM1241測定小麥籽粒蛋白質(zhì)和濕面筋含量。

表1 供試春小麥品種名稱及親本、審定年代Table 1 Name and origin of the Xinjiang spring wheat varieties

圖1 2017年5月15日至7月15日高溫脅迫環(huán)境與正常環(huán)境條件下溫度變化曲線Fig.1 Temperature change in the heat and normal environments from May 15 to July 14 in 2017

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)，用Excel 2007進(jìn)行基本統(tǒng)計分析，用SPSS做方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩環(huán)境中不同小麥基因型籽粒性狀的變化

2017-2019年高溫脅迫強(qiáng)度分別為0.297、0.223、0.276，2018年的脅迫強(qiáng)度相對較低。高溫脅迫對小麥千粒重影響較大，導(dǎo)致小麥品種千粒重普遍降低(表2)。三年的千粒重平均值在正常條件下分別為43.52、44.23和44.32 g，在高溫脅迫條件下分別為30.60、34.35和32.09 g；高溫脅迫后三年千粒重最大降幅分別為49.16%、 41.44%和44.82%。高溫脅迫下千粒重的變異系數(shù)三年均高于對照，不同基因型之間千粒重變化有明顯差異。高溫脅迫不但會影響千粒重，同時影響粒長和粒寬，且對粒寬的影響要大于粒長。2017-2019年正常條件下平均粒長分別為 6.607、6.674和6.698 mm，平均粒寬分別為 3.255、3.310和3.482 mm；高溫脅迫條件下平均粒長分別為6.142、6.361和6.185 mm，平均粒寬分別為2.808、2.983和2.952 mm；粒長平均降幅分別為7.04%、4.69%和7.66%，粒寬平均降幅分別為13.73%、9.88%和15.22%。高溫條件下粒長的變異系數(shù)三年均高于對照，粒寬則在2017年高于對照，其余兩年與對照相當(dāng)。

表2 2017-2019不同基因型小麥千粒重變異情況Table 2 Variation of 1 000 grain weight for different wheat genotypes from 2017 to 2019

2.2 不同小麥基因型耐熱性評價

同一年度不同基因型間及同一基因型在不同年度間千粒重?zé)岣兄笖?shù)(HSI)均存在差異(表3)。三年連續(xù)千粒重?zé)岣兄笖?shù)均HSI<1的材料共有11份，包括新春2號、新春8號、新春10號、新春16號、新春21號、新春37號、新春38號、新春39號、新春40號、新春42號、新春44號；兩年的千粒重?zé)岣兄笖?shù)均HSI<1的材料共有6份，包括新春3號、新春7號、新春14號、新春22號、新春35號、新春45號。三年中千粒重?zé)岣兄笖?shù)均HSI≥1的材料共有13份，包括新春5號、新春11號、新春12號、新春13號、新春18號、新春19號、新春23號、新春25號、新春26號、新春30號、新春32號、新春33號、新春36號。兩年的千粒重?zé)岣兄笖?shù)均HSI≥1的材料共有13份，包括新春6號、新春9號、新春15號、新春17號、新春20號、新春24號、新春27號、新春28號、新春29號、新春31號、新春34號、新春41號、新春43號。綜合來看，參試小麥品種中，耐熱的基因型(HT)有17份，其中新春37號、新春2號、新春38號在多年試驗(yàn)中表現(xiàn)出很好的耐熱性；熱敏感的基因型(MS)有26份材料，其中新春13號、新春18號、新春33號耐熱性相對較弱。

2.3 高溫脅迫對小麥籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量的影響

高溫脅迫不但影響小麥千粒重，也會影響籽粒品質(zhì)。2018年、2019年43份春小麥籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量測定結(jié)果(表4，表5)表明，正常生長條件下兩個年度間小麥籽粒中蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量均無明顯差異，但高溫脅迫環(huán)境下差異均顯著，2019年平均蛋白質(zhì)、濕面筋含量高于2018年。高溫脅迫后蛋白質(zhì)、濕面筋含量均較對照有所提高，濕面筋含量的變化幅度高于蛋白質(zhì)含量的變化幅度；2018年最大增幅分別為 21.26%和25.00%，2019年分別為29.77%和 39.04%；變異系數(shù)也發(fā)生了變化，但兩年表現(xiàn)不同，2018年高溫條件下兩個性狀的變異系數(shù)較對照均下降，2019年均提高。高溫脅迫對不同基因型小麥籽粒品質(zhì)的影響也不同，耐熱品種、熱敏品種籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量的變化也不相同。其中耐熱品種新春37號高溫環(huán)境的千粒重較正常環(huán)境幾乎無變化，但其籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量均呈現(xiàn)增加趨勢，分別提高9.3%、19.3%；耐熱品種新春8號、新春10號、新春38號高溫脅迫環(huán)境的籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量較正常環(huán)境分別提高 4.89%～14.25%、18.23%～23.24%。對于強(qiáng)耐熱品種來說，溫度的升高有利于籽粒中蛋白質(zhì)、濕面筋的積累，而新春44號高溫脅迫環(huán)境的籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量連續(xù)兩年較正常環(huán)境有所降低分別8.30%、3.73%。相對不耐熱的品種在高溫脅迫環(huán)境中籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量較正常環(huán)境也不同程度地提高，但新春32號、新春33號和新春43號的籽粒蛋白質(zhì)含量分別降低2.82%、 2.56%、2.40%。

表3 2017-2019不同基因型千粒重?zé)岣兄笖?shù)Table 3 Heat susceptibility index of different wheat cultivars from 2017 to 2019

表4 2018-2019年不同條件下春小麥籽粒中的蛋白質(zhì)、濕面筋含量Table 4 Protein and wet gluten content of different wheat cultivars in different environments from 2018 to 2019 %

表5 2018-2019不同小麥品種籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量的變化Table 5 Protein and wet gluten content of different wheat cultivars from 2018 to 2019 %

方差分析(表6)發(fā)現(xiàn)，春小麥籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量受品種、溫度、年份、品種×溫度及溫度×年份的共同影響。高溫脅迫強(qiáng)度，對春小麥籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量也有影響。2019年高溫脅迫強(qiáng)度(0.276)高于2018年脅迫強(qiáng)度(0.223)，高溫處理中2019年平均蛋白質(zhì)、濕面筋含量高于2018年，可能較高程度的高溫脅迫有利于籽粒蛋白質(zhì)的形成和積累，其原因有待深入研究。

表6 2018-2019蛋白質(zhì)和濕面筋含量方差分析Table 6 Variance analysis of protein and wet gluten in 2018 to 2019

3 討 論

高溫脅迫是指由于高溫環(huán)境引起植株生理變化而導(dǎo)致產(chǎn)量降低、品質(zhì)變劣，分為熱激或熱休克和慢性脅迫，前者指相對短時間的極端高溫脅迫，后者指較長時間的相對高溫脅迫，本研究中的高溫脅迫時間較長，屬于后者。本研究采用塑料大棚人工模擬高溫環(huán)境，三年脅迫強(qiáng)度分別為 0.297、0.223、0.276，高溫脅迫條件下新疆春小麥育成品種的千粒重、粒寬均變化極顯著，三年千粒重平均降幅分別為29.66%、22.87%、27.59%，粒長平均降幅分別為7.03%、4.69%、7.67%，粒寬平均降幅分別為13.73%、9.87%、15.15%，高溫脅迫對小麥千粒重、粒寬的影響遠(yuǎn)大于粒長。

不同品種千粒重和產(chǎn)量對高溫的耐受性存在遺傳差異。千粒重?zé)岣兄笖?shù)HSI是最直接、最有效的耐熱性評價指標(biāo)之一。陳冬梅等[16]、耿曉麗等[17]在小麥耐熱性評價中都選用HSI作為評價指標(biāo)。一般定義千粒重?zé)岣兄笖?shù)HSI<1的基因型為耐熱型(HS)，千粒重?zé)岣兄笖?shù)HSI≥1的基因型為熱敏感型(MS)。本研究43份參試的新疆春小麥育成品種中，耐熱性相對較好的品種有17個，其中連續(xù)三年千粒重?zé)岣兄笖?shù)HSI<1的材料共計有11份，新春37號、新春2號、新春38號在多年試驗(yàn)表現(xiàn)出很好的耐熱性，品種穩(wěn)定性好，此類品種都含有CIMMYT血緣；相對熱敏型的品種有26份，其中連續(xù)三年中千粒重?zé)岣兄笖?shù)HSI≥1的材料共計有13份，新春13號、新春18號、新春33號在該群體中耐熱性相對較弱。新疆的春小麥品種相比其他地區(qū)的材料大多數(shù)均為耐熱型，但在本自然群體內(nèi)進(jìn)行品種間的耐熱性比較時，有些品種表現(xiàn)為熱敏型。在自然群體內(nèi)，不同品種的耐熱性是相對的，不是絕對的。李召鋒等[18]對新疆春小麥開展耐熱性評價，其中新春6號為耐熱性良好的品種，與本研究結(jié)果不一致，可能是由于評價群體材料不一樣。本研究中新春6號被定義為熱敏型品種，嚴(yán)格意義上說是介于耐熱型和熱敏型之間的品種，其衍生的后代新春17號、新春25號、新春26號、新春30號、新春33號、新春43號在本研究所使用評價群體中均屬于熱敏型品種，可能新春6號中帶有耐熱或熱敏基因。新春37號是本研究群體中最耐熱的品種，也是唯一一個在連續(xù)三年高溫脅迫條件下，千粒重不降反略有所增的品種，初步分析其原因可能新春37號是小粒品種，灌漿速度較快，后期高溫脅迫對其影響不大，或可能其含有熱不敏感基因，或來源于其育種親本新品系49-5/野貓，該品種的耐熱性和耐熱機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

高溫脅迫不但影響千粒重，同時也影響小麥籽粒的品質(zhì)。有研究顯示，當(dāng)小麥灌漿期溫度升高到 32 ℃時，有些品種的籽粒蛋白含量下降，而有些品種的蛋白質(zhì)含量升高。灌漿期高溫出現(xiàn)的時間不同，對小麥品質(zhì)的影響也存在差異，灌漿前期高溫脅迫使小麥籽粒蛋白質(zhì)含量下降，中后期高溫脅迫后小麥籽粒中蛋白質(zhì)含量變化較小[19]。本研究于2018-2019年從開花期至成熟期進(jìn)行高溫脅迫，其中13.95%的品種籽粒中蛋白質(zhì)含量降低，6.98%的品種籽粒濕面筋含量降低，其他品種高溫脅迫后籽粒蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量均較正常生長條件下有所提高，熱脅迫組2019年平均蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量提高的比例比2018年大，可能較高程度的高溫有利于籽粒中蛋白質(zhì)的形成和積累。蘆 靜等[20]在研究中提高小麥開花至成熟期間的日平均氣溫，結(jié)果顯示日均氣溫上升可以提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，且灌漿期間的日平均氣溫與籽粒蛋白質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)。當(dāng)小麥籽粒灌漿期間日平均氣溫在30 ℃以下，隨溫度的升高，面筋強(qiáng)度增強(qiáng)，面包烘烤品質(zhì)得到改良。Spiertz等[21]研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫后小麥籽粒蛋白質(zhì)含量增加，濕面筋含量和面粉沉降值降低，導(dǎo)致面包體積變小、面團(tuán)強(qiáng)度變?nèi)鹾兔鎴F(tuán)形成時間變短。耐熱性不同的品種高溫脅迫后，蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量變化趨勢也不同，其原因還需進(jìn)一步探討。