黄淮北片冬麦区国家区试冬小麦品种抗寒性鉴定与评价

郭佳晖,白雄辉,王爱东,李瑞杰,石晓鑫,史勇峰,李爱莲,王西成,王宏富*,郭杰*

(1.山西农业大学农学院，山西 太谷 030801；2.河北省遵化市农业农村局，河北 遵化 064200；3.山西省晋中市太谷区气象局，山西 太谷 030800；4.河南省农业科学研究院小麦研究所,河南 郑州 450002)

小麦(TriticumaestivumL.)是在全球范围内广泛种植的禾本科植物，与玉米(ZeamaysL.)、水稻(OryzasativaL.)并称为世界三大粮食作物[1]。冬小麦需经过一段时间的低温过程才能从营养生长阶段过渡到生殖生长阶段，这一过程被称为春化作用[2]。在小麦春化过程中，幼苗在自身遗传因素和气候因素共同作用下常会出现不同程度的损伤，直观表现为叶片枯萎黄化、部分分蘖甚至整体植株死亡[3]，导致麦田群体减少，从而对粮食生产造成严重威胁[4]。随着全球气候逐渐转暖，冬小麦种植生态区已出现较为明显的北移[5-7]，品种结构也随之发生较大变化，强冬性、冬性品种逐渐被半冬性品种替代。但目前气候的不稳定性也在逐渐增大，尤其是极端气候的频繁出现给小麦稳产性带来极大隐患[8]，冬季的极端寒潮[9]和冬春交替的倒春寒天气[10]已成为冬小麦减产的关键因素。因此，品种种植结构的转变可能会增加冻害发生风险，对新育成品种抗寒性的鉴定与筛选已成为新品种审定的必需步骤。

鉴定冬小麦抗寒性的方法主要有田间表型鉴定法[11]、室内模拟冷冻鉴定法[12]、间接生理生化指标法[13]和抗寒分子标记鉴定法[14]等。根据受冻后植株形态、理化指标、细胞形态[15]及基因位点[16]等方面的表现对冬小麦品种抗寒性进行鉴定以淘汰越冬受损风险较大的品种是保证小麦生产安全的根本。根据幼苗生长习性可在一定程度上判别该品种的抗寒能力，冬小麦幼苗根据越冬期植株形态可分为强冬性的匍匐品种、半冬性的半匍匐品种和弱冬性的直立品种[17]。刘艳阳等[18]采用室内低温冷冻法处理双单倍体群体(doubled haploid,DH)群体的133个株系，测定幼苗叶片中丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)和过氧化物酶(peroxidase,POD)的生理活性，发现SOD活性和MDA含量可作为小麦抗寒性鉴定的理化指标，而POD活性作为鉴定标准的适合性有待进一步讨论。付连双等[19]观察了两个抗寒能力不同品种在低温驯化期和封冻期叶片与分蘖节的细胞超微结构，发现在低温驯化期两品种分蘖节细胞均没有受损，但强抗寒性品种冬农麦1号较弱抗寒性品种济麦22细胞液泡体积占比较小；封冻30 d后弱抗寒性品种济麦22细胞基质呈空泡化，细胞受损严重，而强抗寒性品种虽细胞内质体受损严重，但细胞核与叶绿体仍清晰可见，具有一定恢复能力。冬小麦抗寒性主要受第5同源染色体长臂的Fr-1[20]和Fr-A2[21]两个基因位点控制，两位点紧密连锁，且相距约30 cM[22]，Fr-A2中还包含CBF基因簇[23]，可调节其他低温响应基因的表达[24]。

从生产实践角度来看，田间表型鉴定法更加符合小麦实际受冻害情况，也更加直观明了。前人多通过品种越冬死株率和枯叶率对冻害程度进行分级评价[25]，但从实际冻害表现情况来看，死株率只有在冻害较重时才能较好反映冻害发生程度，冻害较轻时整株不会冻死，往往是部分分蘖死亡，此时以死株率作为冻害程度分级标准会出现评判失真[26]；枯叶率往往受干旱[27]和大风[28]影响较大，不适合作为抗寒鉴定性状。以死茎率(死亡分蘖数占群体总分蘖数的比率)作为冻害程度分级标准可更准确地反映小麦群体越冬受损情况，达到更好的抗寒性鉴定评价效果。但由于小麦分蘖节处于地下，观察较为困难，需将采样点植株整株挖出，导致该指标调查较为繁琐。通常情况下，新育成小麦品种在其选育环境下一般可以正常越冬，但随着气候变化的不稳定性逐渐升高，越冬期内受冻害风险也增大[29]。在抗寒鉴定试验中，一般采用跨生态区种植的方式使各品种抗寒能力充分体现，但鉴定环境不能过分严苛，要保证大部分品种受损率在较低范围内[30]，同时淘汰在相同环境条件下越冬表现极差品种，以此把好品种审定关卡，保障粮食安全生产。

黄淮冬麦区是我国冬小麦主产区，该麦区品种大多为半冬性品种，品种间抗寒能力存在较大差异，易受到极端严寒气候的影响，因此对本麦区小麦品种进行抗寒性鉴定具有十分重要的生产意义。本研究以越冬死茎率作为小麦抗寒性评价标准，同时结合冬前幼苗生长发育情况，分析了2018—2019年度国家冬小麦品种抗性鉴定试验黄淮冬麦区北片水地组品种在定襄、太谷和遵化三个试点的抗寒性鉴定数据，为合理筛选不同抗寒能力品种和进一步对抗寒鉴定试验做出改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

试验材料共46份(表1)，其中济麦22为抗寒鉴定对照品种，所有品种均由河南省农业科学研究院小麦研究所提供，参试品种属黄淮冬麦区北片水地组，均为冬性和半冬性品种。试验于2018—2019年度进行，分设山西定襄(Dingxiang,DX)、山西太谷(Taigu,TG)和河北遵化(Zunhua,ZH)三个鉴定点，三点均处于北部冬麦区。定襄鉴定点位于山西省定襄县良种场；太谷鉴定点位于山西省太谷区山西农业大学申奉实验基地；遵化鉴定点位于河北省遵化市国家农作物品种区域试验站。各试验点地势平坦，土质均为壤土，肥力均匀，播种前旋耕犁旋地两遍，播种机作畦，随作畦施入600 kg·hm-245%的复混肥(N∶P∶K=15∶15∶15)。播种后各鉴定点麦田管理方法均按常规管理方式进行管理。

表1 46份抗寒鉴定参试品种名称Table 1 Names of 46 varieties for cold resistance identification

1.2 试验设计与数据收集

1.2.1小区设计与样点确定 试验采取随机区组设计，设三次重复。小区长3.0 m，宽2.0 m，行距0.3 m，每小区种植6行，播种密度为3×106株·hm-2。在小麦三叶期，每小区按三点取样法(图1)选定3个样点，即在每个小区内选定除边行外的3行，按对角线每行用竹签标定出苗均匀的1 m作为样点。

图1 田间取样位置Fig.1 Sampling location in field

1.2.2苗情数据调查 参考国家冬小麦品种抗寒性鉴定试验越冬苗情调查方法：当日平均气温稳定低于3 ℃时，小麦越冬前分蘖完成，停止生长时在每个小区1、3样点内调查冬前分蘖数，取均值；同时，挖取每个小区2样点内的全部麦苗，调查次生根数，取均值。小麦返青后，尚未出现新分蘖时，将每个小区1、3样点内的麦苗全部挖出，分别调查总茎数和死茎数，取两样点平均值，计算各品种越冬死茎率。

1.3 数据分析

使用Microsoft Excel 2019进行数据整理与描述性统计分析。利用IBM SPSS 26.0软件进行相关性分析、单因素方差分析(One-way ANOVA)和聚类分析(平均聚类法)。采用Origin 2019b 绘制聚类图、半小提琴图和箱线图。

2 结果与分析

2.1 不同环境下品种冻害发生情况

对46个参试品种在定襄、太谷和遵化三个环境下死茎率情况进行描述性统计分析(表2)，发现在定襄环境下死茎率平均值高达49.30%，冻害发生程度最重，死茎率变化范围从11.65%到100.00%，变异系数为52.78%；太谷和遵化两环境下死茎率情况较为相似，最大值、最小值与平均值均相差较小，但遵化环境下变异系数高达81.63%。方差分析(图2)表明，不同环境间品种死茎率存在极显著差异(P<0.001)，即定襄环境下品种死茎率显著高于太谷和遵化环境，但太谷与遵化环境间无显著性差异。三个环境冻害发生严重程度由轻到重依次为遵化(ZH)>太谷(TG)>定襄(DX)。

表2 三个环境下品种死茎率Table 2 Variety dead stem rate in three environments

2.2 不同环境下品种越冬前苗情指标分析

对三个环境下品种冬前苗情指标进行统计分析(表3)，发现定襄环境下冬前单株分蘖数最少，平均仅为3.45个，而太谷环境为5.36个，遵化环境为5.87个。太谷环境下单株分蘖数变异系数较高，可达13.62%，约为其余环境下的两倍；方差分析(图3)表明，不同环境间冬前单株分蘖数存在极显著差异(P<0.001)。对于冬前单株次生根数，定襄环境下平均值最少(2.42个)，但与太谷环境平均值(3.43)只相差1.01个，而遵化环境下单株次生根数均值高达5.69个，三个环境下变异系数无较大差异；三个环境下冬前单株次生根数两两比较均存在极显著差异(P<0.001)。综合两者来看，三个环境下冬前幼苗生长发育情况由好到差依次为遵化(ZH)>太谷(TG)>定襄(DX)。

表3 三个环境下品种冬前苗情指标Table 3 Seedling conditions of varieties before winter in three environments

注：***表示在P<0.001水平差异显著；ns表示差异不显著性。Note:*** indicates significant difference at P<0.001 level;ns indicates no significant difference.图2 三个环境下品种死茎率Fig.2 Rate of dead stems in the three environments

2.3 各环境下苗情指标相关性分析

为探究不同环境下冬小麦苗情指标间相关关系，利用三个环境下品种越冬前单株幼苗分蘖数、单株幼苗次生根数和冬后死茎率三个指标进行相关性分析(表4)。结果表明，不同环境间冬后品种死茎率间存在显著或者极显著相关性，定襄与太谷间相关系数为0.317(P<0.05)，定襄与遵化间相关系数为0.527(P<0.01)，太谷与遵化间相关系数为0.619(P<0.01)。此外，定襄环境与遵化环境间冬前单株次生根数相关系数为0.316(P<0.05)。冬前单株分蘖数在三个环境间均无显著相关关系。在相同环境下，除定襄环境下冬前单株次生根数与品种死茎率呈极显著(P<0.01)正相关外，其余各环境下冬前单株分蘖数、冬前单株次生根数和品种死茎率均无显著相关关系。

注：***表示在P<0.001水平差异显著。Note:*** indicates significant differences at P<0.001 level.图3 三个环境下品种越冬前苗情数据Fig.3 Seedling data before overwintering in the three environments

2.4 利用聚类分析法分析品种抗寒性

由于三个环境下品种死茎率均呈显著或极显著正相关，因此利用其进行聚类分析，结果(图4)表明，在欧式距离38.36处，46份品种被分为三类：其中Ⅰ类包含28个品种，Ⅱ类包含2个品种，Ⅲ类包含16个品种。对分成的三类品种特征进行分析发现(图5)，第Ⅰ类品种在定襄、太谷和遵化环境下的平均死茎率分别为30.73%、9.69%和7.45%，第Ⅱ类品种在这三个环境下平均死茎率分别为89.90%、35.67%和34.15，第Ⅲ类品种在这三个环境下平均死茎率分别为76.72%、11.30%和11.47%。因此，第Ⅰ类品种为抗寒能力较强品种(如菏麦0517-8、良星716和中金麦33等)，第Ⅱ类品种为抗寒能力差品种(邦麦11和金禾13294)，第Ⅲ类品种为抗寒能力中等品种(如良星517、圣麦127和俊达119等)。

图4 不同品种抗寒表现聚类分析Fig.4 Cluster analysis of cold resistance performance of different varieties

图5 不同类别品种在三个环境下抗寒表现Fig.5 Cold resistance performance of different types of varieties in three environments

2.5 与对照品种抗寒能力比较分析

在聚类分析中，对照品种济麦22被归为第Ⅰ类。对各环境下参试品种死茎率与对照品种进行比较(图6)发现，死茎率低于对照的品种在定襄环境下有19个，太谷环境下有31个，遵化环境下则只有14个；死茎率高于对照的品种在定襄环境下有26个，太谷环境下有14个，遵化环境下有31个。在三个环境下死茎率均低于对照品种的有7个品种，编号分别为G3、G8、G9、G10、G15、G16和G27，三个环境下死茎率均高于对照品种的有10个品种，编号分别为G4、G17、G21、G24、G25、G32、G34、G36、G37和G40。从参试品种与对照品种死茎率对比情况上来看，太谷环境与定襄、遵化环境差异较大，死茎率低于对照的品种较多。从死茎率表现来看，对照品种在各环境下的抗寒性表现较不稳定，这可能是由于济麦22不是针对抗寒性鉴定所选择的对照品种。因此，抗寒性鉴定对照品种亟待更新，以更适合进行抗寒能力对比。

图6 三个环境下参试品种死茎率与对照品种差异Fig.6 Difference of the rate of dead stems between the tested varieties and the CK in three environments

根据国家冬小麦抗寒性鉴定标准，对死茎率达20.00%以上的品种不予通过抗寒性鉴定。在三个鉴定环境下，太谷环境和定襄环境下各有4个品种死茎率高于20.00%，通过率达91.11%，其中G4(邦麦11)和G21(金禾13294)两个品种在两个环境下均未通过抗寒性鉴定标准；而定襄环境下仅有5个品种死茎率低于20.00%，通过率仅为8.89%。

3 讨论

3.1 小麦冬前苗情对抗寒表现的影响

小麦冬前生长发育情况对越冬期抗寒性表现至关重要[31]，播期适宜、栽培方法得当有助于冬前形成壮苗，有利于冬小麦顺利越冬[32]。一般情况下，越冬前分蘖达4～7个，主茎生长锥发育至单棱期时小麦抗寒能力较强，不易出现严重冻害[33]。越冬前幼苗次生根生长旺盛可满足小麦在越冬期内对水分的需求，地下分蘖节保持生理活性，保证植株的安全越冬[34]。本研究中，定襄环境下冬前生长发育情况较差(图3)，实际冻害表现也为所有环境中最重(图2)，但相关分析(表4)表明，品种冬前单株次生根数仅在定襄环境下与死茎率呈极显著(P<0.01)正相关关系，推测可能由于定襄冻害表现极为严重而导致数据表现出一定相关性，但其他两环境下冬前单株次生根数与各指标均无显著相关性。综上所述，冬前单株分蘖数和冬前单株次生根数与小麦越冬抗寒表现的关系有待进一步探索与研究。

3.2 从抗寒鉴定环境出发对品种抗寒表现的探讨

抗寒鉴定参试品种都为黄淮北片冬麦区品种，只有跨生态区鉴定才能体现其抗寒能力[35]。在定襄、太谷和遵化三个环境下，各品种死茎率呈现不同的分布趋势(图2)，定襄环境下品种冻害最为严重，死茎率最高可达100.00%，而其余两环境死茎率范围均大致处于0.00%～40.00%范围区间，表现较为相近。北部冬麦区内部生态环境相差较大，全区可分为燕太山麓平原副区、晋冀山地盆地副区与黄土高原沟壑副区三个副区，分别对应我国大陆地势的三个阶梯[36]。从地理位置来看，定襄、太谷、遵化三点都属于北部冬麦区区划范围，但定襄地区地处北部冬麦区和北部春麦区的交界处，属于晋冀山地盆地副区北缘，冬季气候条件更为恶劣，不利于冬小麦越冬，冬季实际环境与黄淮冬麦区北片相差甚大。太谷地区地处晋冀山地盆地副区南部，遵化地区地处燕太山麓平原副区北部，两个试点气候条件较为相似，各品种间冻害表现较定襄环境下轻，整体苗情表现较为相近。综合来看，太谷和遵化两点环境可为黄淮冬麦区半冬性品种提供一个较为合适的鉴定环境，且两个环境下各品种表现可相互印证。总之，小麦抗寒鉴定结果的准确性需要在适当气候环境条件下多点多年数据的支持，单一环境下的数据可能存在诸多影响因素，导致结果出现偏差。

3.3 对照品种的选择

在进行抗性鉴定实验时，对照品种的选择至关重要[37]。一般，对抗性鉴定对照品种的要求是：①在所鉴定性状上具有较高的相对稳定性；②品种具有一定的代表性；③在多环境下表现的一致性。在抗性鉴定中选择合适的对照品种可获得参试品种的抗性评价指标对比基准参数，克服或校正不同时空与环境带来的偏差[38]。本研究中，抗寒性鉴定对照品种济麦22在太谷环境下46个鉴定品种中抗寒性表现较差，因此导致太谷环境下参试品种和对照品种对比情况与定襄、遵化环境下偏差较大(图6)，这说明济麦22作为抗寒性鉴定对照品种在不同环境下表现不稳定。多年来冬小麦抗寒性鉴定对照品种的选择均以当时的产量试验对照品种作为标准，所以亟需选择出在多年多点试验中表现稳定的品种作为抗寒性鉴定试验专属对照品种。