高粱苗期耐冷种质资源筛选与鉴定

杨 彬，张一中，周福平，张海燕，史红梅，张桂香

（山西省农业科学院高粱研究所，高粱遗传与种质创新山西省重点实验室，山西晋中030600）

高粱是暖季型作物，具有较强的抗旱性和耐高温能力[1-2]。由于高粱起源于半干旱热带地区，一般对低温胁迫较敏感，尤其在萌发期和苗期，当环境温度低于12℃时易遭受冷害，这也成为温带地区高粱生产的主要限制因素之一[3-4]。高粱播种后突遇低温，会降低高粱种子的萌发速率和出苗率，延缓幼苗生长的活力[5]，或是种子在土壤中“粉种”、霉烂，造成缺苗断垄，影响高粱产量[6]。因此，提高高粱品种的耐冷性，不仅可以稳定高粱突遇低温年份的产量，而且还可以扩大高粱的种植区域，保证高粱在一些冷凉地区、高海拔地区也可以取得较高的产量。高粱耐冷育种首先就是筛选出满足育种目标的耐低温材料。

有关高粱耐冷材料的筛选与鉴定研究，早在20世纪80年代就有报道。陈香兰等[7]对黑龙江省1 398份材料进行了芽期和苗期耐冷性筛选鉴定，初步选出芽期耐冷材料217份，苗期耐冷材料96份，芽期和苗期都耐冷的材料9份。张海燕等[8]对保存的167份高粱种质资源进行了耐冷性鉴定，筛选出耐冷种质12份。张丽霞等[9-10]利用收集的631份高粱种质，经过逐步低温处理的方法筛选出7份耐低温材料。国外学者也进行了大量的耐冷种质筛选工作，筛选出的耐冷资源如Shanqui Red，PI 610727，PI 567946，PI 563976，NSL51071，PI 568016，IS1212，M71等[11-14]，大部分来自我国，并利用这些耐冷材料与冷敏感材料（如 BTx623，SRN39，RTx430）构建了群体，进行了耐低温相关性状的QTLs挖掘，鉴定到多个与耐冷相关的QTL[7-9]，为耐冷基因精细定位、克隆以及揭示高粱耐冷的分子机制奠定基础。

低温胁迫下，幼苗的生长情况是评价耐冷材料较为直观的表型。为进一步挖掘高粱耐冷种质资源，本研究以国内外高粱资源为试验材料，在苗期进行耐冷性筛选评价，以期为高粱耐冷分子机制研究提供耐冷材料，并为耐冷育种提供优良亲本。

1 材料和方法

1.1 供试材料

参试材料共237份，其中，来自我国的地方品种73份、育成品种48份，来自美国、印度等国家的材料116份。

1.2 试验方法

参照张桂香等[4]的方法，挑选籽粒饱满、无病害的高粱种子100粒，播种于装有干净河沙的塑料盆中，在室温下进行培养。待展开3片叶时，统计出苗总数，放入人工气候箱，调试温度至1～2℃处理3～4 d；然后调试温度至12～15℃，处理7 d后统计幼苗成活数，计算成活率，并根据成活率来评价材料的耐冷等级。成活率=（低温处理后幼苗成活数/幼苗总数）×100%。耐冷性级别评价标准列于表1。

表1 耐冷性级别评价标准

1.3 数据处理

数据采用Excel软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 高粱种质资源苗期耐冷性鉴定

对237份不同来源的高粱种质资源进行苗期耐冷性鉴定。由图1可知，大多数品种的耐冷性等级集中在 3，4，5 级，分别有种质资源 72，59，75 份，分别占供试材料的30.38%，24.89%，31.65%。而耐冷等级在1级和2级的品种总共才有31份，占供试材料的13.08%，说明保存的资源中耐冷材料还是比较少的，其中，1级材料有12份，2级材料有19份。

2.2 不同国家高粱种质资源耐冷性鉴定分析

在121份我国种质资源中（图2），耐冷等级属1，2，3，4，5 级的材料分别为 9，11，34，32，35 份，分别占我国材料的 7.44%，9.09%，28.1%，26.45%，28.93%，大部分材料的耐冷性也主要集中在3级以上。对于国外品种的耐冷性，也呈现出相同的等级分布，在116份国外材料中，3，4，5级的材料分别为38，27，40份，分别占国外材料的32.76%，23.28%，34.48%；而1，2级材料分别只有3，8份，分别占国外材料的2.59%和6.9%，其中，1级材料是美国的IS15346，IS-16046 和印度的 IS-20867。

2.3 我国地方品种与育成品种耐冷性鉴定分析

在我国73份地方品种中（图3），耐冷等级属1，2，3，4，5 级的材料分别为 5，7，20，23，18 份，分别占我国地方品种的6.85%，9.59%，27.40%，31.51%和24.66%。而在我国48份育成品种中，耐冷等级属 1，2，3，4，5 级的材料分别为 4，4，14，9，17 份，分别占我国育成品种的8.33%，8.33%，29.17%，18.75%，35.42%。不论是我国地方品种还是育成品种，其苗期耐冷性的等级分布与总的供试材料分布是一致的。地方品种耐冷等级属于1级的材料是冻高粱（河南）、黑柳子（安徽）、棒洛三（山西）、红马尾巴（北京）、粘高粱（北京）。育成品种耐冷等级属于1级的材料是三代高粱-大粒（山西）、TC1383-2（山西）、E671（山西）、红壳4号（辽宁）。

3 结论与讨论

高粱苗期的耐冷性是一个复杂的性状，主要受遗传基因控制，但在不同生态环境下对冷害的响应也会有所差别[15]。研究表明，相同材料在低温胁迫条件略有改变的情况下，其耐冷等级可能会出现不同程度的改变[16-17]。因此，对于鉴定出的耐冷等级高的材料要进行重复鉴定，以保证鉴定结果真实可靠。张桂香等[15]选择芽期和苗期2个时期对不同来源的238份高粱种质资源进行了耐冷性鉴定与评价，结果筛选出芽期耐冷材料15份，苗期耐冷材料11份。本试验在张桂香等研究人员的基础上，扩大试验材料的范围，并把前人鉴定出的耐冷等级1，2级的材料，进行重复鉴定，结果表明，鉴定出的12份1级耐冷材料中，有11份是已有报道的，有1份是新鉴定出来的，说明本试验的试验方法可行，鉴定结果可靠。

随着《农业部关于“镰刀弯”地区玉米结构调整的指导意见》的发布，非玉米种植优势区内，种植高粱的热情逐年高涨，高粱主产区的播种面积也在持续增加，对于耐冷品种的需求也是越来越强烈。种植耐冷品种不仅可以扩大高粱栽培的地理范围，还可以减少高粱春播早熟区低温冷害风险。此外，提早播种可以为高粱提供更高水平的土壤水分和较低的蒸发量，可能会成为一种避开干旱的策略。高粱苗期耐冷品种的选育首要任务就是耐冷材料的筛选。STICKLER等[18]比较了我国和美国的小部分种质资源后发现，在低温条件下，我国高粱表现出更快的出苗率和幼苗生长速率。LU等[19]总结了我国高粱耐冷性鉴定情况，结果发现有多个种质资源在芽期和苗期均表现出很强的耐冷性。FRANKS等[20]系统比较了我国高粱资源、美国骨干亲本和美国杂交种的耐冷性，结果表明，不管在实验室还是在田间，我国高粱都表现出更高的出苗率和幼苗生长势，建议可以将试验中的我国种质作为耐冷育种的有利基因来源，用于提高高粱品系在萌发和出苗阶段对低温的耐受性。本试验也表现出相同的结果，不同来源的高粱种质资源其苗期耐冷性是存在差异的，在1级耐冷材料中，我国高粱所占的比例是最高的，说明在我国地方品种和育成品种中筛选耐冷种质的潜力较大，我国高粱材料可以作为高粱耐冷育种的抗性基因来源。同时，我国高粱中的1级耐冷材料全部来自北方地区，表明高粱的耐冷性，是对冷凉环境长期适应和驯化的结果[21]。

本试验的苗期耐冷种质筛选仅限于实验室条件，与大田的情况有所不同。因此，还需要在大田低温环境下进一步验证试验结果。另外，大多数的地方品种农艺性状并不是太理想，利用起来比较困难，今后一方面应扩大试验材料范围，加快农艺性状和耐冷性状的精准鉴定，筛选出农艺性状优良、耐冷性好的材料用于育种实践中；另一方面解析耐冷性状的遗传机制，利用分子技术设计出一种有效、高效的方法，将其耐冷性状传递到高粱优良亲本系中，以加快育种进程。