北方冬麥區小麥品種產量相關性狀和幼穗分化特點研究

買春艷，李洪杰，劉宏偉，楊 麗，于立強，周 陽，張宏軍

(1.新鄉矮敗小麥育種技術創新中心，河南新鄉 453731；2.中國農業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；3.石家莊市農林科學研究院趙縣試驗基地，河北趙縣 051530)

小麥作為重要的糧食作物，為全世界人口提供20%的熱量和蛋白質[1]。據2013年聯合國糧農組織(FAO)預計，小麥產量必須以1.6%的年增長率才能滿足人口不斷增長的需求。因此，在維持種植面積不變的條件下，小麥產量需要從目前的每公頃6 000 kg增長到10 000 kg[2]。我國是世界上最大的小麥生產和消費國，年種植面積達2.4×109hm2，平均產量4 672 kg·hm-2[3]。隨著人口的增長、可用耕地的減少，提高單位面積產量是確保我國糧食安全的必然要求[4]。因此，高產是小麥育種的長期目標。

小麥產量主要由有效穗數、穗粒數和千粒重三要素構成[5]，高產育種就是創造和選擇能使產量三要素得到最大乘積的遺傳變異[6]。北方冬麥區包括北部冬麥區和黃淮冬麥區，是我國小麥主產區[7]。由于北方冬麥區分布范圍廣，生態條件差異大，不同生態區間小麥產量的構成因素具有不同特點，如北部冬麥區小麥產量的提高與穗粒數和千粒重提高密切相關[8]；黃淮冬麥區北片的山東省和河北省小麥產量提高主要是因為有效穗數和穗粒數的提高[9-10]，而黃淮冬麥區南片的河南省小麥產量的提高主要通過提高千粒重的途徑實現[11]。目前，對北方冬麥區不同生態區小麥產量相關性狀已有較多研究[7-11]，但在相同環境下對來自不同生態區的代表性品種進行產量相關性狀解析和產量潛力評價則鮮有報道。

小麥幼穗分化進程對穗粒數有重要影響[12]，與品種的適應性關系密切。大面積推廣的品種一般都具有與其所處生態區光溫條件相適應的幼穗分化特點。通過調整品種穗分化時間和節奏可使其能夠更好地利用光溫資源，從而實現高產，如繁6較同時期其他品種穗分化提前，穗分化持續時間延長，穗粒數增加，其產量顯著提高[13]。因此，了解北方冬麥區不同生態區代表性品種幼穗分化的特點，對于合理選配親本，實現幼穗分化不同階段的最佳配置，進一步提高該麥區的小麥產量具有重要意義。

本研究以北方冬麥區10個大面積推廣的代表性品種為材料，對其產量相關性狀和幼穗分化特點進行研究和分析，以明確該麥區不同生態區代表性小麥品種的產量形成特點和幼穗分化進程的差異，為高產育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

10個供試小麥品種均來自北方冬麥區(表1)，包括黃淮冬麥區南片6個品種，其中，矮抗58是該麥區種植面積最大的品種之一；周麥18和偃展4110分別是該麥區國家冬水組和春水組區域試驗的對照品種；周麥16不僅豐產性突出，而且是該麥區最重要的骨干親本之一；小偃22和淮麥20分別是陜西省關中灌區的當家品種和江蘇、安徽淮北麥區的大面積推廣品種，也是這兩個地區小麥品種區域試驗的對照品種。黃淮冬麥區北片品種3個，其中，濟麥22是20世紀80年代以來我國種植面積最大的冬小麥品種；煙農19是審定省份最多、種植地區跨度最大的品種，覆蓋黃淮冬麥區南片、黃淮冬麥區北片和北部冬麥區3個生態區，先后通過安徽、江蘇、山東、山西、河南、北京6個省(市)審(認)定[14]；石4185年最大種植面積達到5.71×105hm2(2003年)，曾是冀中南水地組和國家黃淮冬麥區北片水地組區域試驗的對照品種。輪選987是北部冬麥區的大面積推廣品種。

表1 供試材料基本信息Table 1 General information of wheat cultivars tested

*:數據來自國家農業技術推廣服務中心。

*:The statistic data originated from the National Agricultural Technology Extension and Service Center.SYHWZ:Southern part of the Yellow and Huang River Valley Winter Wheat Zone；NYHWZ:Northern part of the Yellow and Huang River Valley Winter Wheat Zone；NWWZ:Northern Winter Wheat Zone.

1.2 試驗設計與田間管理

2013-2014年，試驗在河南省新鄉市新鄉縣七里營鎮的中國農業科學院作物科學研究所新鄉試驗站(北緯35°09′，東經113°48′)進行。采取隨機區組設計，4次重復，前3次重復用于產量及其相關性狀表型評價，重復4用于幼穗觀察。6行區，行長9.0 m，行距20.0 cm，小區間距40.0 cm，小區面積13.5 m2。使用防倒伏網，網眼20 cm2，出苗后將網覆蓋在地面上，以后隨著植株的生長逐漸抬高網子，使網眼始終處于植株中上部，防止發生倒伏。試驗地周圍設1.0 m寬的保護行。2013年10月11日播種，按基本苗2.4 × 106株·hm-2計算播種量。播種前施復合肥，折合N 200 kg·hm-2，P2O5191 kg·hm-2，K2O 41 kg·hm-2。拔節期追施尿素，折合純N 104 kg·hm-2。澆越冬水、拔節水和灌漿水。及時采取藥劑防治，避免病蟲草害發生。

1.3 測定項目與方法

成熟期每小區隨機取10株小麥測量株高；每小區選取整齊均勻的1.0 m雙行計數有效穗數；每小區隨機選取20個穗測穗粒數；各小區單獨機收、脫粒，自然晾干測產量、千粒重。有效分蘗率(成穗率)=有效穗數/最高總莖數 × 100%。

1.4 幼穗分化觀察

幼穗分化觀察參考文獻[15]。幼穗分化形成8個時期(伸長期、單棱期、二棱期、護穎分化期、小花分化期、雌雄蕊分化期、藥隔形成期和四分體形成期)的具體劃分方法參考文獻[16]。幼苗越冬期開始利用體視顯微鏡(Olympus SZH-ILLD，日本東京)進行幼穗分化觀察，返青期后每3 d觀察一次，直至旗葉完全展開，整個過程共取樣13次，持續時間從2014年1月11日- 4月9日。每個品種每次觀察5個主莖，以至少4個主莖穗中部的小穗或者小穗基部兩側的小花到達某一時期來確定具體幼穗分化時期。記載葉齡。

1.5 春化基因和光周期基因分子標記檢測

利用DNA快速提取試劑盒(北京天根生化)提取小麥葉片基因組DNA。春化基因主要檢測基因座包括 Vrn-A1[17]、 Vrn-B1[17]、 Vrn-D1[15,18]和 Vrn-B3[19]，光周期基因檢測主要基因座為 Ppd-D1[20]。PCR反應在Biometra Thermocycler(Germany)上進行，總反應體系為20 μL，包括2×TaqPCR Master Mix 10 μL，正反引物(10 μ mol·L-1)各1 μL，DNA模板(50～100 ng·μL-1)2 μL。PCR反應程序同所用引物相應的文獻。PCR擴增產物用2%瓊脂糖凝膠電泳分離，EB染色后用凝膠成像系統觀察電泳結果，讀取基因型。

1.6 數據分析

利用SAS 9.2對產量及其相關性狀進行方差分析和相關分析。多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 產量及其相關性狀分析

由表2可知，8個被測指標在10個品種間存在不同程度差異。就抽穗期和成熟期而言，輪選987最晚，與其他品種差異顯著；其次是煙農19和濟麥22，石4185和黃淮南片大部分品種相對較早。輪選987、煙農19、淮麥20和小偃22的株高均大于90 cm，其中，輪選987最高，達到97.8 cm，顯著高于其他9個品種；偃展4110、濟麥22、周麥18和石4185株高85 cm左右；矮抗58和周麥16的株高(75 cm左右)顯著低于其他品種。在產量構成三要素上，有效穗數最高的是石4185，達到810.0·m-2，其次為濟麥22(797.6·m-2)和輪選987(772.6·m-2)，最少的為周麥16(585.3·m-2)；穗粒數以濟麥22、煙農19最多(35.4)，偃展4110最少，與前二者差異顯著；周麥16(51.7 g)和周麥18(50.0 g)的千粒重顯著高于其他品種。不同生態區間品種的產量沒有明顯差異。產量達到9 000 kg·hm-2以上的品種有5個，包括小偃22、矮抗58、周麥18、濟麥22、輪選987，其中，濟麥22和小偃22顯著高于其他品種，其余5個品種產量也均達到8 000 kg·hm-2以上，偃展4110的產量顯著低于其他品種。

表2 供試小麥品種的產量及其相關性狀Table 2 Yield and yield related traits of the tested wheat cultivars

同列數據后不同字母表示品種間差異顯著(P<0.05)。圖1同。

Different letters following values mean significant difference among cultivars at 0.05 level.HD:Heading period；MD:Maturity period；PH:Plant height；SN:Spikes number per square meter；SR:Spike rate of tiller；KN:Kernel number per spike；TKW:Thousand kernel weight；GY:Grain yield per hectare.The same in Fig.1.

2.2 產量及其相關性狀的相關分析

由圖1可知，除株高外，其他6個性狀均與產量呈正相關，相關系數為0.08(千粒重)～0.45(穗粒數)。有效穗數、穗粒數和千粒重與產量的相關系數分別為0.28、0.45和0.08。抽穗期與成熟期呈極顯著正相關，相關系數達到0.98(P<0.01)；抽穗期和成熟期與株高呈正相關，相關系數分別為0.61和0.55。有效穗數和成穗率呈顯著正相關(r= 0.76,P<0.05)。千粒重與有效穗數和成穗率呈負相關，其中，與成穗率呈顯著負相關(r= -0.73,P<0.05)。

圖1 產量相關性狀的相關分析

2.3 不同小麥品種幼穗分化特點

不同生態區間小麥品種幼穗分化進程存在明顯差異。黃淮冬麥區南片品種前期發育較快，后期發育較慢；而輪選987和黃淮冬麥區北片特別是山東省的品種前期持續時間長而后期發育較快。觀察幼穗分化進程發現，矮抗58、周麥18、偃展4110、小偃22、淮麥20和石4185穗分化較快，這些品種進入二棱期后，其他4個品種輪選987、濟麥22、煙農19和周麥16仍處于單棱期，其中，輪選987穗分化最慢(圖2A)。偃展4110、小偃22和石4185較早進入護穎分化期，當這些品種接近小花分化期時，其他大部分品種仍處于護穎分化期，輪選987仍處于二棱期(圖2B)。相比周麥16、濟麥22、煙農19和輪選987，其他品種較早進入雌雄蕊分化期(圖2C)和藥隔形成期(圖2D)。偃展4110和石4185較早到達四分體形成期，輪選987最晚(圖2E)。由表3可知，供試10小麥品種間二棱期結束時間最長相差11 d，葉齡相差1.9。在護穎原基分化期，幼穗分化持續時間為3～8 d，葉齡差為0.2～1.6。其中，煙農19在此時期持續時間最短，為3 d；偃展4110和石4185持續時間最長，為8 d。在小花原基分化期，幼穗分化持續時間為4(矮抗58)～8 d(濟麥22)；葉齡差為0.5(周麥18)～1.3(矮抗58、周麥18、偃展4110、小偃22和煙農19)。在雌雄蕊原基分化期，幼穗分化持續時間為5(輪選987)～8 d(煙農19)；葉齡差為0.8(周麥16)～1.8 (小偃22)。在藥隔形成期，幼穗分化持續時間為9～12 d；葉齡差為1.3～3.0。

A～E:分別表示2014年1月11日、3月10日、3月19日、3月28日和4月9日取樣10個品種幼穗分化情況。品種順序從左到右依次為矮抗58、周麥18、周麥16、偃展4110、小偃22、淮麥20、濟麥22、煙農19、石4185和輪選987。

A-E:Spike differentiation of ten wheat cultivars on Jan.11,Mar.10,Mar.19,Mar.28 and Apr.9,2014,respectively.The order of the ten cultivars from left to right is as follows:Aikang 58,Zhoumai 18,Zhoumai 16,Yanzan 4110,Xiaoyan 22,Huaimai 20,Jimai 22,Yannong 19,Shi 4185 and Lunxuan 987.

圖210個供試小麥品種的幼穗分化進程

Fig.2Spikedifferentiationoftenwheatcultivarstested

2.4 春化基因和光周期基因分子標記檢測

除了 Vrn-D1，10個供試品種在其他3個春化基因座 Vrn-A1、 Vrn-B1和 Vrn-B3上全部含有隱性等位變異 vrn-A1、 vrn-B1和 vrn-B3(圖3)。在 Vrn-D1基因座，小偃22、石4185和偃展4110含有顯性等位變異 Vrn-D1，而其他7個品種含有隱性等位變異 vrn-D1(圖3)；進一步分析發現，小偃22和石4185含有與半冬性生長習性相關的等位變異 Vrn-D1b，而偃展4110含有與春性生長習性相關的等位變異 Vrn-D1a(數據未列出)。對于光周期基因 Ppd-D1，供試品種均含有不敏感等位變異 Ppd-D1a。

表3 10個供試小麥品種幼穗分化各時期開始時間和葉齡Table 3 Beginning time(BT) of spike differentiation at different stages and leaf ages of ten wheat cultivars

GPDS:護穎原基分化期;FPDS:小花原基分化期;SPDS:雌雄蕊原基分化期;APFS:藥隔形成期:TFS:四分體形成期;BT:開始時間。

AK58:Aikang 58；ZM18:Zhoumai 18；ZM16:Zhoumai 16；YZ4110:Yanzhan 4110；XY22:Xiaoyan 22；HM20:Huaimai 20；JM22:Jimai 22；YN19:Yannong 19；S4185:Shi 4185；LX987:Lunxuan 987.GPDS:Glume primordium differentiation stage；FPDS:Floret primordium differentiation stage；SPDS:Stamen primordium differentiation stage；APFS:Anther and pistil forming stage；TFS:Tetrad forming stage；BT：Beginning time.

M:DNA標記；1:小偃22；2:矮抗58；3:石4185；4:周麥18；5:周麥16；6:偃展4110；7:濟麥22；8:煙農19；9:淮麥20；10:輪選987。

M:DNA marker；1:Xiaoyan 22；2:Aikang 58；3:Shi 4185；4:Zhoumai 18；5:Zhoumai 16；6:Yanzhan 4110；7:Jimai 22；8:Yannong 19；9:Huaimai 20；10:Lunxuan 987.

圖310個小麥品種的春化基因和光周期基因

Fig.3Detectionofvernalizationgenesandphotoperiodgenesoftenwheatcultivars

3 討 論

本研究田間試驗是在水肥充足、采取防倒伏和藥物防病蟲草害條件下進行的，有利于品種產量潛力的充分表現。10個供試品種中，有5個品種產量達到9 000 kg·hm-2，其中，黃淮冬麥區北片的濟麥22產量最高，但與黃淮南片的小偃22產量差異不顯著，北部冬麥區的輪選987與黃淮冬黃淮冬麥區南片的周麥18和矮抗58產量差異不顯著。由此可見，北方冬麥區不同生態區間小麥品種產量潛力差異較小，在適宜的生產條件下均可實現較高的產量。一些品種之所以沒能夠在河南省大面積種植可能與株高有關。例如，本試驗中，小偃22、煙農19、淮麥20和輪選987株高均超過90 cm，如果不采取防倒伏措施，發生倒伏的風險較大。此外，生育期和抗病性也可能限制其跨區種植。

通過對全國各地產量7 500 kg·hm-2小麥產量及其構成因素分析，小麥品種可分為3類：多穗型(750萬～900萬穗·hm-2)，以北部冬麥區品種為主；大穗型(每穗粒重不少于1.3～1.6 g)，以南方麥區為主；中間型，以黃淮麥區品種為主[21]。隨著生產條件和氣候條件的變化，品種類型也發生變化，比如北部冬麥區品種開始由多穗型轉向中間型[21]。本研究中，5個產量達到9 000 kg·hm-2品種的有效穗數均屬于中間偏多型(600萬～750萬穗·hm-2)，這與前人對黃淮麥區小麥品種產量構成因素分析結果一致[22]。小麥高產的實現需要三要素協調發展，一味地改善某一要素而忽略其他兩個要素很難達到高產[23]。例如，石4185在10個品種中有效穗數最多(810.0·m-2)，但其千粒重卻最低(39.6 g)；偃展4110同樣具有較高的有效穗數(723.9·m-2)，但穗粒數(30.4)最低，結果導致這兩個品種產量低于其他品種。

本研究對產量及其構成三要素相關分析結果顯示，三者與產量間相關性均未達顯著水平，其主要原因可能為：一是本研究供試品種相對較少，盡管他們之間相關系數比較大，但不顯著，比如產量與穗粒數間；二是雖然不同品種間產量構成要素相同，但三要素的側重點不同，所有品種放在一起進行相關分析會相互抵消，導致相關性不顯著。

冬性和半冬性小麥品種必須經歷一定時間的低溫春化處理才能夠完成莖生長錐到幼穗分化的轉變[16]。春化基因檢測結果表明，偃展4110為春性，石4185和小偃22為半冬性，而其他7個品種為冬性。幼穗分化觀察發現，相比冬性品種，春性品種偃展4110和半冬性品種石4185、小偃22單棱期持續時間明顯縮短。盡管其他7個品種均為冬性，但這些品種間的幼穗分化進程不盡相同，冬性越強的品種單棱期持續的時間越長[16]。小麥穗分化各個時期均受光照長度的控制[24]。對光周期主要基因 Ppd-D1不同等位變異檢測發現，供試的品種均含有光周期不敏感型等位變異 Ppd-D1a，表明10個品種在 Ppd-D1基因座上沒有差異。品種間在光周期基因座 Ppd-A1和 Ppd-B1上是否存在不同的等位基因有待進一步研究。

本研究中，相比黃淮冬麥區南片的品種，北片的小麥品種普遍前期發育慢，而后期(小花分化期-四分體形成期)發育快，與前人研究結論一致[16]。在對抽穗期和成熟期進行改良時，應注意品種間穗分化不同階段的互補。例如，煙農19在進入小花原基分化期以前，穗分化速度較慢，進入小花原基分化期以后，穗分化速度加快，但進入藥隔形成期和四分體形成期時，穗分化速度變慢，而石4185在進入雌雄蕊原基分化期、藥隔形成期以及四分體形成期時，穗分化速度較快。如果要對煙農19的成熟期進行改良，使其成熟期適當提早，通過與石4185進行雜交，后代比較容易選擇出比煙農19成熟期和抽穗期更早的材料。

不同冬春性類型(春性、冬性和半冬性)小麥品種間抗寒能力不盡相同，而且同一生長習性類型品種間也存在明顯差異[16,25-26]。多年生產實踐表明，黃淮北片育成品種(濟麥22和煙農19)抗春季低溫凍害的能力較強，而黃淮南片育成品種周麥18和周麥16抗春季低溫凍害的能力較弱。一般認為，幼穗分化進入雌雄蕊分化和藥隔形成期，品種對春季低溫最敏感[27]。本研究中，周麥18和周麥16進入這兩個分化時期的時間與濟麥22和煙農19基本一致。由此可見，單純從穗分化進程上很難解釋黃淮北片品種與黃淮南片品種抗春季凍害能力的差異。品種間抗春季凍害能力的差異可能存在其他的遺傳機制。