倒春寒对323份冬小麦种质资源影响初探

高振贤 曹巧 单子龙 傅晓艺 韩然 何明琦 史占良 郑树松

（1 石家庄市农林科学研究院，050041，河北石家庄；2 中国科学院遗传与发育生物学研究所，100101，北京）

春季天气回暖过程中，因冷空气的侵入，气温明显降低，对作物造成危害，这种“前春暖，后春寒”的天气称为倒春寒。倒春寒特殊天气出现在春季气温回升阶段，此时小麦进入拔节期或孕穗期，幼穗逐渐远离地面，包裹穗的叶鞘变少，处于幼穗分化关键时期，抗低温能力急剧下降[1]。低温胁迫影响作物的生产力，尤其是温带地区[2]。植物对寒冷（0℃～15℃）和冻结（＜0℃）的反应不同，植物暴露在低温而非冻结环境中经过低温驯化可以获得一定的抗冻性[3]。例如，未驯化黑麦在大约-5℃的温度下被冻死，但经过暴露在低温一段时间后可以在约-30℃低温环境中存活[2]。这一提高抗冻性的过程与植物体内复杂的生化反应和生理变化有关[4]。张自阳等[5]研究表明，低温诱导小麦幼穗可溶性糖和可溶性蛋白质含量上升，幼穗超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性升高。低温胁迫下蛋白质会变性，造成细胞损伤[6]。小麦耐低温性是一种多基因控制的数量性状，低温胁迫激活大量冷诱导基因的表达[7]。不同小麦品种对低温胁迫的敏感性存在显著差异[8]，同一品种不同发育时期受低温胁迫影响程度也存在差异，如小麦雌雄蕊原基分化期较药隔分化期和四分体形成期对低温更敏感[5]。小麦抗倒春寒能力不仅与环境温度和低温持续时间有关，还与小麦自身发育进程和遗传基础有关。

前人研究大多是在实验室中人工模拟低温冻害，通常是0℃或4℃处理一段时间后开展各种检测工作，真实的倒春寒发生时气候比实验室条件复杂多变，温度和低温持续时间都不可控，夜间还伴随霜冻；另一方面受实验室空间的影响，处理的小麦品种数量有限，难以同时对数以百计的小麦品种进行检测。本研究在倒春寒发生的特殊年份，及时对种植的323 份国内外小麦种质资源进行冻害和相应产量性状的调查，依据缺粒程度进行抗冻性分级，利用抗冻性分级对323 份小麦材料进行抗冻性评价，筛选出抗倒春寒小麦种质，为选育抗倒春寒新品种提供重要理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2019-2020 年在河北省石家庄市农林科学研究院赵县试验站（114°.78'E，37°.76'N）进行。土壤为轻壤质潮褐土，播前0～20cm 土层含有机质16.48g/kg、全氮1.05g/kg、速效磷30.60mg/kg、速效钾104.00mg/kg。

1.2 试验材料与设计

试验材料共323 份，其中247 份来自国内12个地区（北京、河北、河南、山东、山西、陕西、江苏、安徽、四川、云南、浙江、新疆），76 份引自美国（表1）。小麦播种前施尿素（含氮46%）165kg/hm2、磷酸二铵（含氮18%，磷46%）330kg/hm2、硫酸钾（含钾50%）120kg/hm2，春季随灌水追施尿素225kg/hm2。2019 年10 月12 日人工点播种植，行长3m，株距5cm，播种深度3～5cm，分别于冬前、拔节期和灌浆期灌水，于灌浆期进行一喷综合防治，进行常规田间管理。

表1 323 份小麦品种名称及倒春寒抗性Table 1 Names of 323 wheat varieties and late spring coldness resistance

1.3 测定项目及方法

1.3.1 穗部抗倒春寒分级 穗部倒春寒抗性分级见图1，采用图1 指标作为判定倒春寒抗性受害程度标准，0 表示未受冻害，小穗缺粒＜3 个，1 表示穗顶端或底部缺粒4～6 个，2 表示穗两端缺粒7～10个，3 表示穗部缺粒11～14 个，4 表示穗部缺粒15～20 个，5 表示穗部缺粒20 个以上。

图1 倒春寒对小麦穗部危害Fig.1 Harm to wheat spike with late spring coldness

1.3.2 小麦生长参数 单株粒重（g）：小麦成熟后统计单株数量，全部收获后称重，计算平均单株粒重；株高（cm）：小麦灌浆后期测量从地面到主茎穗顶（芒不计算在内）的高度；单株分蘖数：在小麦起身期后期-拔节前统计10 株小麦总蘖数，除以单株数，作为分蘖数均值；穗小穗数：取20个穗，分别数其小穗数然后求平均数，计算每穗小穗数；穗粒数：取20 个穗脱粒，记录总粒数，计算穗粒数；穗长（cm）：取20 个穗分别量取每穗长度，然后取20 穗的平均值；叶片长度和宽度（cm）：在小麦开花后，取有代表性植株20 株，分别测定旗叶长和宽（叶最宽处），计算平均数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 软件进行数据分析和绘图，用DPS 17.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 特殊年份气候

石家庄市农林科学研究院赵县试验站地属我国黄淮冬麦区，属大陆季风气候，小麦常年返青期在2 月下旬中末期。当春季气温上升至10℃以上时，因品种间和气候差异，通常在3 月下旬-4 月上旬小麦陆续进入拔节期。冬小麦拔节之后抗寒能力明显降低，极端低温出现就会导致倒春寒的发生，进入孕穗期的小麦穗部发育受到影响，造成减产。赵县近10 年4 月份最低温度（图2）显示，4 月份天气逐渐变暖，气温呈现逐渐回升态势，最低温度从月初的5.3℃回升到14.1℃。2020 年4 月出现2次极端低温，分别是4 月9 日和4 月22 日，温度跌至2℃，尤其是4 月20-23 日持续低温，局部地区发出寒潮、霜冻蓝色预警，温度跌破0℃。受此次倒春寒影响，冀中南地区大面积种植的优质强筋小麦藁优5218 和藁优5766 受灾减产明显。

图2 赵县4 月份温度Fig.2 April temperature of Zhao county

2.2 小麦抗寒分级及重要农艺性状差异

2020 年4 月20-23 日发生倒春寒后，调查冬小麦穗部抗倒春寒分级，由表1 可知，未受冻害（0级）小麦品种93 份，占调查品种的28.79%；穗顶端或底部缺粒4～6 个（1 级）小麦品种24 份，占调查品种的7.43%；穗两端缺粒7～10 个（2 级）小麦品种37 份，占调查品种的11.46%；穗缺粒11～14个（3 级）小麦品种66 份，占调查品种的20.43%；穗部缺粒15～20 个（4 级）小麦品种87 份，占调查品种的26.93%；穗部缺粒20 个以上（5 级）小麦品种2 份，占调查品种的0.62%。有少数种质材料倒春寒抗性介于2 个级别之间，例如郑农17、长6359 倒春寒级别记为2.5，代表缺粒在7～14 之间；Fielder、徐州24 号、尧麦16 和陕253 倒春寒级别记为3.5，代表缺粒在11～20 之间；郑麦005、豫保1 号、川麦7201、西农2611、郑麦336、石新733 和豫麦34 倒春寒级别记为4.5，代表缺粒在15～20 个之间或20 个以上。以上结果表明缺粒范围分布在0～20 粒以上，说明不同材料穗部倒春寒抗性差异明显，可选择倒春寒抗性好的品种作为育种亲本。

将不同小麦材料按地区归类后分别计算抗寒级别、单株粒重、株高、分蘖数、穗数、穗长、小穗数及与产量密切相关的旗叶长和宽均值，分析倒春寒对小麦生长后期结实性和产量的影响。结果（表2）表明，来自河南、陕西、四川、云南、安徽的品种受冻害严重，倒春寒造成冻害级别3 以上；来自山东、北京、江苏、新疆的品种受冻害轻，冻害级别2.15 以下（表2）；河北品种冻害介于两者之间，冻害级别2.90，相对较重。与323 份试验材料均值相比，我国河北、北京、浙江、安徽、山西和美国小麦单株粒重高于均值20.85g；我国河南、河北、陕西、山东、四川、新疆、江苏和云南株高低于均值83.97cm；美国小麦品种分蘖数高于均值18.28 个；我国山西、北京和美国品种的单株穗数高于均值13.27；我国江苏、山西、新疆、云南、浙江、四川、安徽和美国穗长高于均值9.46cm；美国，中国北京、山东和陕西小麦小穗数均值低于19.04；山东、河南、河北、北京和新疆旗叶长度低于均值18.35cm；美国、中国的山西和北京的旗叶宽度低于均值1.62cm。以上结果表明，不同地区小麦品种倒春寒抗性和重要农艺性状在河北表现差异明显，说明长期驯化过程中，不同地区小麦品种具有适应当地生态环境的农艺特性，同时提示我们根据育种目标针对性选择不同地区育种亲本来改良本地品种，有利于促进小麦重要农艺性状的改良。

表2 不同地区小麦倒春寒分级和农艺性状统计Table 2 Statistics of late spring coldness grading and agronomic characters of wheat in different regions

2.3 小麦抗寒性与重要农艺性状相关性分析

对调查的323 份小麦倒春寒抗性级别与产量相关性状进行相关分析，结果（表3）表明，倒春寒抗性级别与单株粒重、株高、分蘖数、穗数、穗长和旗叶长呈显著或极显著负相关，相关系数分别为-0.3582、-0.5469、-0.5277、-0.4942、-0.1386 和-0.2090；与小穗数和旗叶宽呈极显著正相关，相关系数分别为0.2290 和0.3506。说明倒春寒影响冬小麦分蘖数和穗数的提高，虽然与小穗数呈正相关，但是缺粒现象严重，最终导致单株粒重降低；具有较高株高、较长穗长和窄长旗叶类型小麦表现出较好的倒春寒抗性。

表3 小麦抗倒春寒分级和农艺性状相关性Table 3 Correlation between grading of late spring coldness and agronomic characteristics in wheat

2.4 抽穗期、开花期与倒春寒级别的关系

调查了323 份小麦品种的抽穗期和开花期，分别将抽穗期和开花期与倒春寒分级进行相关分析，结果（表4）表明，倒春寒等级与抽穗期和开花期成负相关，R分别为-0.9325 和-0.8947，其中50.15%的材料抽穗期集中在4 月27 日-4 月30 日，较常年推迟5～7d。多数小麦品种抽穗越早受倒春寒影响越重，即便没有在冻害期间抽穗，冻害一样发生。通常情况下小麦抽穗期和开花期存在极显著的正相关[9]，本试验中也发现，多数小麦品种开花越早受倒春寒冻害影响越重，开花期在4 月30 日之前品种占49.85%，倒春寒级别都在3 以上。以上结果表明，发育迟缓的小麦材料受此次倒春寒影响较小。

表4 抽穗期、开花期和抗寒分级关系Table 4 Relationship between heading stage,flowering stage and cold resistant grade

2.5 黄淮麦区不受倒春寒影响的小麦品种

特殊年份中筛选出黄淮麦区完全未受倒春寒影响的小麦材料23 份，来源于北京、河北、山东、山西和陕西材料分别为4、3、10、4 和2 份（表5）。这些多数是非早抽穗的，但是同时也发现，在冻害期或冻害期前后4 月23-25 日期间抽穗的品种，如农大3214、京411、晋麦47 完全没有受倒春寒影响，说明抗倒春寒的特性受不同的遗传途径控制。

表5 未受倒春寒影响的小麦品种Table 5 Wheat varieties that had not affected by late spring coldness

3 讨论

3.1 抗倒春寒分级

本研究中倒春寒发生时（4 月20-23 日）不同小麦种质穗部发育处于不同阶段，323 份小麦种质抽穗期分布在4 月18 日-5 月6 日，灌浆中期发现此次倒春寒导致不同小麦种质穗部缺粒现象差异明显，为了便于比较，根据穗部缺粒情况制定抗倒春寒的等级标准，此标准方便有效地将323 份材料分为5 个等级。薛辉等[10]用低温处理与正常处理结实率比值作为抗寒性表型鉴定依据，谢凤仙等[8]直接用结实率比较小麦品种抗倒春寒能力大小。利用结实率和缺粒多少作为抗倒春寒表型鉴定依据各有其优缺点，结实率数据直观反映穗部结实情况，对于调查品种较多时，根据缺粒多少进行分级具有直观和方便、快捷的优点。可以根据具体试验情况，选用合适的方法鉴定小麦抗倒春寒能力。

3.2 倒春寒对农艺性状的影响

靖金莲等[11]研究发现，倒春寒严重时导致小麦千粒重和株高显著降低，孙方等[12]调查结果显示，小麦在拔节初期遇到倒春寒（气温低于0℃）主茎分蘖会冻死，拔节和孕穗期单株穗数和穗粒数较千粒重对低温更为敏感[13]，孕穗期低温胁迫导致小麦穗部变短，基部和顶部小穗发育受阻[14]。本次试验结果和前人的研究结果相似，倒春寒冻害级别与单株粒重、株高、分蘖数、穗长和穗数呈显著负相关，与小穗数呈正相关（表3）。除此之外，本试验中首次检测到倒春寒冻害级别与旗叶长呈显著负相关，与旗叶宽呈极显著正相关，推测细长的旗叶有助于包裹幼穗，提高小麦抗倒春寒的能力。目前，河北审定小麦品种旗叶趋同化明显，旗叶宽短、上冲，与河北气候条件类似的山东品种旗叶整体较河北细长，小麦抗春寒的能力优于河北的品种数量也较多（表5），该研究结果需要进一步验证。

3.3 品种间差异

试验中发现不同小麦品种的抗倒春寒能力差异明显，一方面与小麦所处的发育时期有关，另一方面与小麦自身遗传特性有关。323 份小麦种质资源抽穗期分布在4 月18 日-5 月6 日之间，跨度达26d，倒春寒发生时小麦穗部处于不同的发育阶段，本试验中发现多数小麦品种抽穗越早受倒春寒冻害影响越重，抽穗后没有叶鞘的保护，低温加速花粉和胚珠发育异常，花药大小和可育花粉粒减少，从而降低了结实率[15]。同时发现，农大3214、京411、晋麦47 在冻害期或冻害期前后4 月23-25 日期间抽穗的品种也没有受冻。已知在花粉发育的早期阶段，花药是最强的代谢场所，大量的糖被运输到花药以支持发育[16]，推测这几个品种在该发育阶段同化物向花药的供应能力较强，增加了可育小花的数量，Serrago 等[17]研究也揭示了基部小穗妊娠小花与千粒重以及开花时碳水化合物含量之间存在正相关。

4 结论

根据缺粒数量对323 份不同小麦种质资源的抗倒春寒能力进行有效区分，抗寒级别在0～4.5 级之间，该方法对于调查品种较多时，具有直观和方便快捷的优点。倒春寒冻害级别与单株粒重、株高、分蘖数、穗长和穗数呈显著负相关，与小穗数呈正相关。不同小麦品种的抗倒春寒能力差异明显，有的种质与其所处的发育时期有关，有的小麦种质与自身遗传特性有关，即便处于穗发育的关键时期，仍完全不受倒春寒影响。