小麥品種(系)延綠性的遺傳變異及其特征

呂國(guó)鋒，范金平，劉業(yè)宇，張伯橋，高德榮，王 慧，吳素蘭，程 凱，王秀娥

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210095；2.江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，國(guó)家小麥改良中心揚(yáng)州分中心，江蘇揚(yáng)州 225007)

小麥籽粒產(chǎn)量的70%都來(lái)自于開(kāi)花后冠層光合器官碳水化合物的生產(chǎn)，葉片生理活性變化對(duì)籽粒灌漿有重要影響，并最終影響籽粒產(chǎn)量。小麥延綠型基因型不僅可增加產(chǎn)量[1-5]，還可增加熱脅迫[6]和限制水分[7-8]環(huán)境下的穩(wěn)產(chǎn)性，而穩(wěn)定表達(dá)的延綠種質(zhì)是利用延綠性進(jìn)行小麥產(chǎn)量改良的前提條件。

有關(guān)小麥延綠基因型的報(bào)道多是生理和遺傳研究方面，如雜交小麥品種XN901[1]，川農(nóng)12、川農(nóng)17和川農(nóng)18[9]，YM66[10]，豫麥66和濰麥8號(hào)[4,11]，SeriM82[12]，魯原301、濰麥8號(hào)和山農(nóng)62G[13]，汶農(nóng)6號(hào)[5]，Ningmai 9[14]，EMS突變體SG3[15]和tasg1[16]，Reeder[17]，Chirya 3和Chirya 7[18]，Beaver[19]，Venter[20]，Yangmai 6和Ning 8201[6]。這些結(jié)果只反映單個(gè)品種的延綠性，不能代表小麥品種延綠的整體狀況。目前針對(duì)小麥延綠種質(zhì)的大規(guī)模系統(tǒng)鑒定較少。陳朝儒等[21]通過(guò)對(duì)我國(guó)黃淮麥區(qū)23個(gè)小麥品種(系)的1年鑒定，認(rèn)為阿勃、鄭農(nóng)16號(hào)、邯6172等9個(gè)品種為延綠型。Ahlawat等[22]對(duì)36個(gè)小麥品種在適播和遲播下進(jìn)行鑒定，發(fā)現(xiàn)只有WH147和MLU2為延綠高度表達(dá)的品種。Joshi等[18]對(duì)來(lái)自印度和CIMMYT的1 407份小麥種質(zhì)連續(xù)3年的鑒定，其中僅有2.2%屬延綠型。Kumari 等[23]連續(xù)3年對(duì)963份來(lái)自CIMMYT和印度種質(zhì)在遲播條件下進(jìn)行鑒定，其中約5.5%為延綠品系。

長(zhǎng)江中下游麥區(qū)小麥生長(zhǎng)期間降雨多，加之為稻麥輪作區(qū)，易發(fā)生濕害，濕害加速葉片衰老，降低小麥產(chǎn)量。本研究通過(guò)在田間自然高濕環(huán)境下對(duì)中國(guó)不同麥區(qū)近年來(lái)育成品種(或品系)延綠性的連續(xù)田間鑒定，了解中國(guó)小麥當(dāng)前應(yīng)用品種在高濕環(huán)境下延綠性的遺傳變異狀況，篩選延綠性穩(wěn)定表達(dá)的種質(zhì)，闡明高濕環(huán)境下小麥葉片衰老過(guò)程的特點(diǎn)，以期為小麥育種和遺傳研究提供材料和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及方法

2012-2014年對(duì)我國(guó)長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)、黃淮冬麥區(qū)、北方冬麥區(qū)、西南冬麥區(qū)近年來(lái)育成的47個(gè)品種(系)(表1)的延綠性在田間進(jìn)行鑒定。

試驗(yàn)在我國(guó)高降雨典型地區(qū)江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所萬(wàn)福試驗(yàn)基地進(jìn)行。田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，5行區(qū)，行長(zhǎng)1.33 m，行距0.23 m，小區(qū)面積1.84 m2。每公頃基本苗120萬(wàn)株，播種期為10月25日-10月28日，處于長(zhǎng)江下游地區(qū)小麥的適播期。施肥、病、蟲(chóng)、草防除以及田間管理同大田生產(chǎn)。

1.2 返青至成熟期的氣象條件

2012年籽粒灌漿期間平均溫度≥30 ℃的天數(shù)遠(yuǎn)多于2013年和2014年，抽穗后的高溫是影響2012年試驗(yàn)品種旗葉衰老的重要?dú)庀笠蛩亍?013年抽穗至成熟降雨量遠(yuǎn)多于2012年和2014年，降雨量大導(dǎo)致的田間濕害脅迫是影響2013年試驗(yàn)品種葉片衰老的重要?dú)庀笠蛩亍?014年高溫天數(shù)集中在5月25日-5月31日生理成熟后的脫水階段，高溫天數(shù)少，降水量適宜，是小麥籽粒灌漿的適宜環(huán)境。

1.3 延綠性狀測(cè)定

以小區(qū)50%穗的中部小穗開(kāi)花記為該小區(qū)的開(kāi)花期。每個(gè)小區(qū)選擇生長(zhǎng)一致、開(kāi)花期相同的4個(gè)單株的主莖穗掛牌標(biāo)記。從開(kāi)花后10 d，每隔4 d對(duì)每個(gè)標(biāo)記單株采用目測(cè)法估計(jì)旗葉的相對(duì)綠色葉面積百分比(percent of green leaf area，%GLA)，并參考Pask等[24]對(duì)小麥葉片衰老分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行記錄，直至旗葉完全黃化。以開(kāi)花期旗葉的綠色葉面積為100%，10%為一個(gè)等級(jí)，完全黃化的綠色葉面積為0。

表1 試驗(yàn)品種Table 1 Varieties used in the study

表2 2012-2014年小麥返青至成熟期間的積溫、降雨量和≥30 ℃天數(shù)Table 2 Accumulated temperature,amount of precipitation and number of days over 30 ℃ from returning green to mature during the 2012-2014 experimental periods

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的錄入和存放采用EXCEL 2007。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用Matlab2010b。選取數(shù)據(jù)完整的3個(gè)標(biāo)記單株的%GLA算術(shù)平均值為小區(qū)此日齡下的%GLA，3個(gè)重復(fù)%GLA的算術(shù)平均值為品種此日齡的%GLA。采用Matlab中的fcm函數(shù)，以品種開(kāi)花后不同日齡旗葉的%GLA為變量對(duì)品種的延綠性進(jìn)行聚類(lèi)分析。采用Matlab中的anova1和mutlcompare函數(shù)，對(duì)試驗(yàn)品種的延綠性分別進(jìn)行方差分析和多重比較。采用Matlab中的cftool工具箱用Gompertz模型的通用方程[25]y=ae-e-b(x-c)對(duì)不同延綠型品種總體和單個(gè)試驗(yàn)品種開(kāi)花后旗葉%GLA的下降過(guò)程進(jìn)行擬合，y為某日齡下旗葉的%GLA(%)，x為開(kāi)花后天數(shù)(d)，a，b和c為方程系數(shù)，其中a與旗葉%GLA的初始值有關(guān)，b與衰老速度有關(guān)，c為達(dá)到最大衰老速度的時(shí)間，為衰老速度變化最大時(shí)的日齡。對(duì)日齡(x)進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

對(duì)Gompertz方程求一階導(dǎo)數(shù)，得旗葉%GLA的衰減速率(R)方程：

R=dy/dt=abeb(c-x)/eeb(c-x)

進(jìn)一步求二階導(dǎo)數(shù)，得旗葉%GLA衰減速率變化率R'方程：

R′=d2y/d2x=ab2e2b(c-x)/eeb(c-x)-ab2e2b(c-x)/eeb(c-x)

令R′=0時(shí)，求得的x值即為旗葉衰老速率達(dá)到最大值的時(shí)間(TMRS)，TMRS=c。 將TMRS帶入衰減速率(R)方程即可得到旗葉衰老的最大速率(MRS)，MRS =ab/e。假定旗葉%GLA為理論最大值的1%時(shí)為葉片完全衰老，此時(shí)日齡為葉片衰老的終止期(x3)，x3=c-[log(-log0.01) ]/b。設(shè)定旗葉開(kāi)花期葉齡x0=0，則x3與x0的差值為旗葉綠色葉面積的持續(xù)期(GLAD)，GLAD=c-[log(-log0.01) ]/b。設(shè)定開(kāi)花期旗葉的%GLA為理論最大值，則旗葉衰老平均速度(ARS)=-99a/GLAD。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥品種延綠性的分類(lèi)

以小麥開(kāi)花后不同日齡下旗葉的%GLA為變量對(duì)試驗(yàn)品種(系)進(jìn)行聚類(lèi)分析，3年中品種(系)根據(jù)延綠程度不同均可分成4類(lèi)，分別為延綠型、中等延綠型、中等早衰型和早衰型。不同年份品種(系)的延綠性表達(dá)程度不同，因而同一延綠型所包含的品種(系)數(shù)量不同(表3)。2012年和2013年延綠型品種(系)所占比例低于2014年，主要是2012年抽穗后的高溫脅迫和2013年濕害脅迫強(qiáng)度大于2014年，降低了品種(系)的延綠性表達(dá)程度。

表3 2012 -2014年47個(gè)品種(系)延綠性分類(lèi)Table 3 Clustering results based on stay green performance of 47 tested cultivars(lines) in 2012 -2014 growing seasons

CP02-8-5-6-2-1、天民668、川農(nóng)16和川麥60三年都表現(xiàn)為延綠型；川麥107和泰山046219表現(xiàn)為2年延綠型，1年中等延綠型。上述6個(gè)品種(系)多數(shù)年份延綠性穩(wěn)定表達(dá)，為延綠型品種(系)，占全部品種(系)的12.77%。

玉麥1號(hào)、川農(nóng)18、川麥42表現(xiàn)為1年延綠型，2年中等延綠型；內(nèi)江966195、西農(nóng)509、石家莊8號(hào)和石4185表現(xiàn)為3年中等延綠型；川育21526、揚(yáng)麥20、平安7號(hào)、蕘麥16、揚(yáng)麥18、寧麥18表現(xiàn)為2年中等延綠型，1年中等早衰型；新麥19、矮抗58、綿麥367、揚(yáng)麥15、西農(nóng)558 表現(xiàn)為2年中等延綠或延綠型，1年表現(xiàn)為中等早衰或早衰型。上述18個(gè)品種(系)多數(shù)年份表現(xiàn)為中等延綠型，屬于中等延綠型材料，占試驗(yàn)品種(系)的38.30%。

山農(nóng)19和淮麥25表現(xiàn)為2年中等早衰型，1年中等延綠型；洛麥23和鎮(zhèn)麥9號(hào)連續(xù)3年表現(xiàn)為中等早衰型；泛麥06050、洛麥21、安農(nóng)0305、濟(jì)麥22表現(xiàn)為2年中等早衰型，1年早衰型；云麥53、揚(yáng)輻麥4號(hào)、皖科06290和陜農(nóng)33表現(xiàn)為1年中等延綠型，1年中等早衰型，1年早衰型。這12個(gè)品種(系)多數(shù)年份表現(xiàn)為中等早衰型，屬于中等早衰型材料，占試驗(yàn)品種(系)的25.53%。

石麥12、淮麥33、揚(yáng)麥16、邯6172、偃展4110、新麥26和淮麥28表現(xiàn)為1年中等早衰型，2年早衰型；百農(nóng)898表現(xiàn)為1年中等延綠型，2年早衰型；揚(yáng)麥9號(hào)、阜麥8號(hào)、泰山455連續(xù)3年表現(xiàn)為早衰型。此11個(gè)品種(系)多數(shù)年份表現(xiàn)為早衰型，屬于早衰型材料，所占比例為23.40%。

2.2 小麥旗葉衰老過(guò)程的特征

試驗(yàn)結(jié)果(表4)表明，試驗(yàn)品種(系)旗葉的TMRS3年均表現(xiàn)為延綠型>中等延綠型>中等早衰型>早衰型，不同延綠型品種(系)間存在顯著差異；最大衰老速度(MRS)表現(xiàn)為早衰型>中等早衰型>延綠型>中等延綠型，不同延綠型品種(系)間無(wú)顯著差異；綠色葉面積持續(xù)期(GLAD)表現(xiàn)為延綠型>中等延綠型>中等早衰型>早衰型，2012年延綠和中等延綠型品種(系)間無(wú)顯著差異，但顯著大于中等早衰和早衰型品種(系)，2013和2014年不同延綠型間存在顯著差異；平均衰老速度(ARS)表現(xiàn)為早衰型>中等早衰型>中等延綠型>延綠型，2012年延綠和中等延綠型品種(系)間無(wú)顯著差異，其他年份不同延綠型品種(系)間存在顯著差異。

不同年度品種(系)旗葉的衰老特征不同，延綠、中等延綠、中等早衰和早衰型品種(系)的TMRS均表現(xiàn)為2014年>2013年>2012年，MRS表現(xiàn)為2013年>2014年>2012年，GLAD表現(xiàn)為2014年>2013年>2012年，ARS表現(xiàn)為2012年>2013年>2014年。2014年返青至抽穗積溫高，試驗(yàn)品種(系)的開(kāi)花期早于2012和2013年，抽穗后的高溫和濕害脅迫小于2012和2013年，因此試驗(yàn)品種(系)在2014年的TMRS和GLAD大于2012和2013年，而ARS小于其他年份相應(yīng)延綠型品種(系)。

表4 2012-2014年不同延綠型品種(系)旗葉衰老過(guò)程特征參數(shù)的比較Table 4 Comparison of flag leaf senescence parameters of the tested varieties(lines) with different type of stay green performance during 2012 -2014 growing seasons

從表5可以看出，除MRS外，2012-2014年試驗(yàn)品種(系)生育后期旗葉的%GLA與TMRS、GLAD和ARS均呈極顯著正相關(guān)，表明旗葉衰老特征參數(shù)可以反映品種(系)旗葉生育后期的持綠程度。2012年%GLA25與旗葉衰老特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)大于%GLA20和%GLA30與旗葉衰老特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，2013年%GLA30與旗葉衰老特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)大于%GLA25和%GLA35與衰老特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，2014年%GLA35與TMRS、MRS、GLAD和ARS的相關(guān)系數(shù)大于%GLA30和%GLA40與旗葉衰老特征參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，表明開(kāi)花后25 d、30 d和35 d分別是2012、2013和2014年試驗(yàn)品種(系)旗葉衰老的關(guān)鍵時(shí)期。

品種(系)GLAD取決于衰老起始時(shí)間和速度，TMRS和MRS是反映快速衰老到達(dá)時(shí)間和速度的參數(shù)。從表6可以看出，3年度TMRS、MRS與GLAD均呈極顯著相關(guān)，但TMRS與GLAD的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于MRS與GLAD的相關(guān)系數(shù)，表明TMRS對(duì)品種(系)GLAD的影響大于MRS。2012和2013年試驗(yàn)品種(系)的TMRS和MRS存在弱的相關(guān)性，2014年兩者間無(wú)顯著相關(guān)性，表明TMRS和MRS是2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的因素共同影響小麥葉片的衰老過(guò)程。

表5 2012-2014年品種(系)生育后期%GLA和旗葉衰老參數(shù)間相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients among the last three %GLA at late grain-filling stage and flag leaf senescence parameters for tested varieties(lines) in 2012-2014 growing seasons

不同年度旗葉衰老過(guò)程參數(shù)的方差分析表明，TMRS、GLAD和ARS在品種(系)和年度間均存在極顯著的差異，說(shuō)明品種(系)TMRS、GLAD和ARS的變異同時(shí)受基因型和環(huán)境影響；MRS在品種(系)間差異不顯著，但年度間達(dá)到極顯著差異，表明MRS變異主要受環(huán)境影響。

表6 2012-2014年品種(系)旗葉衰老參數(shù)間相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between flag leaf senescence parameters of the tested varieties(lines) in 2012-2014 growing seasons

表7 試驗(yàn)品種(系)旗葉衰老參數(shù)的方差分析Table 7 ANOVA analysis for flag leaf senescence parameters of the tested varieties(lines) in 2012-2014 growing seasons

3 討 論

3.1 環(huán)境對(duì)小麥延綠性表達(dá)的影響

小麥葉片的衰老主要受日齡控制[26]，干旱、高溫、營(yíng)養(yǎng)缺乏等環(huán)境脅迫會(huì)誘導(dǎo)葉片提前衰老或加速葉片衰老[27]。我國(guó)長(zhǎng)江中下游麥區(qū)籽粒灌漿期間的濕害和高溫是影響小麥葉片衰老的主要環(huán)境脅迫。本研究中2012年小麥抽穗后≥30 ℃的高溫天數(shù)明顯多于2014年，其延綠型品種(系)比例低于2014年。2013年抽穗后高溫和濕害脅迫降低試驗(yàn)品種(系)旗葉延綠的表達(dá)程度，其延綠型品種(系)比例不僅低于2014，還低于2012年，高濕高溫脅迫對(duì)小麥葉片延綠性的抑制程度大于高溫脅迫。環(huán)境脅迫強(qiáng)度不同是品種(系)延綠性年度間變化的重要原因。本研究中多數(shù)品種(系)的延綠性在年度間存在差異，如中等延綠型品種(系)新麥19、矮抗58、綿麥367、揚(yáng)麥15等3年分屬不同的延綠型。2012年小麥白粉病發(fā)生重，綿麥367和揚(yáng)麥15由于白粉病抗性較弱，葉片提前死亡，表現(xiàn)為早衰型，而其他2年表現(xiàn)則為中等延綠和延綠型。2013年田間濕害脅迫強(qiáng)度大，造成黃淮麥區(qū)品種(系)新麥19和矮抗58延綠性表達(dá)程度下降，表現(xiàn)為中等早衰型，而其他2年表現(xiàn)為中等延綠和延綠型。品種(系)對(duì)病害脅迫和環(huán)境脅迫的敏感性差異造成品種(系)延綠性表達(dá)的差異，因此多年或多環(huán)境鑒定，才能準(zhǔn)確鑒定品種(系)的延綠性。

3.2 小麥品種(系)延綠性的變異

穩(wěn)定表達(dá)的延綠種質(zhì)是延綠性能否通過(guò)育種手段得到利用的前提條件。本研究中47個(gè)試驗(yàn)品種(系)的延綠性存在顯著差異，表明我國(guó)主要麥區(qū)當(dāng)前生產(chǎn)應(yīng)用品種(系)的延綠性存在廣泛變異。其中，我國(guó)西南冬麥區(qū)延綠或中等延綠型品種(系)最多，如川麥107、川農(nóng)18、川農(nóng)16、川麥60、玉麥1號(hào)、川麥42、內(nèi)江966195、川育21526和綿麥367。除川農(nóng)18外[28]，其他品種(系)的延綠性未見(jiàn)報(bào)道，川農(nóng)18的延綠性可能來(lái)自黑麥的1RS易位片段[29]，其在我國(guó)西南冬麥區(qū)和長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)均表現(xiàn)出穩(wěn)定的延綠性，表明其延綠性表達(dá)受環(huán)境影響較小。由于易位系的1RS在雜交分離過(guò)程不與小麥染色體發(fā)生重組，而是作為整體遺傳，這為利用川農(nóng)18延綠基因提供便利。除川育21526和川農(nóng)16外，西南麥區(qū)的延綠或中等延綠型品種(系)均為非T1BL·1RS品種(系)，表明小麥中存在除T1BL·1RS外的其他控制小麥延綠的遺傳因素。

黃淮冬麥區(qū)或北方冬麥區(qū)的品種(系)CP02-8-5-6-2-1、天民668、泰山046219、西農(nóng)509、石家莊8號(hào)、平安7號(hào)、石4185、蕘麥16、矮抗58和西農(nóng)558在本研究中表現(xiàn)為延綠或中等延綠型，這些品種(系)的延綠性未見(jiàn)報(bào)道。陳朝儒等[21]研究結(jié)果中表現(xiàn)為延綠型的邯6172在本研究中表現(xiàn)為早衰型，但其僅為1年結(jié)果，不足以充分確定品種(系)的延綠型。YM66[4,10,11]和濰麥8號(hào)[4,11,13]是多個(gè)小麥延綠生理研究中的試驗(yàn)材料，在本試驗(yàn)未涉及，這2個(gè)品種(系)在揚(yáng)州高降雨環(huán)境下的延綠性有待進(jìn)一步研究。

長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)的品種(系)中揚(yáng)麥20、揚(yáng)麥18、寧麥18、揚(yáng)麥15為中等延綠型品種(系)，揚(yáng)輻麥4號(hào)和鎮(zhèn)麥9號(hào)為中等早衰型品種(系)，揚(yáng)麥9號(hào)和揚(yáng)麥16為早衰型品種(系)，表明長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)目前生產(chǎn)上缺少延綠性表達(dá)強(qiáng)而穩(wěn)定的品種(系)。從系譜分析，揚(yáng)麥18、寧麥18和揚(yáng)輻麥4號(hào)均為寧麥9號(hào)衍生品種(系)，鎮(zhèn)麥9號(hào)、揚(yáng)麥9號(hào)和揚(yáng)麥16為揚(yáng)麥158(或揚(yáng)麥5號(hào))衍生品種(系)，寧麥9號(hào)衍生品種(系)的延綠性高于揚(yáng)麥158(或揚(yáng)麥5號(hào))衍生品種(系)。寧麥9號(hào)葉片葉綠素含量高，光合作用能力下降慢[14]，根據(jù)Thomas等[27]的分類(lèi)應(yīng)為延綠型，揚(yáng)麥18、寧麥18和揚(yáng)輻麥4號(hào)的延綠性可能來(lái)自于寧麥9號(hào)。姜鵬等[30]對(duì)寧麥9號(hào)衍生品種(系)(系)的研究表明，揚(yáng)麥18、寧麥18和揚(yáng)輻麥4號(hào)與寧麥9號(hào)的遺傳相似系數(shù)分別為0.857、0.825和0.539，揚(yáng)輻麥4號(hào)含有寧麥9號(hào)的遺傳成分最低，這可能是揚(yáng)輻麥4號(hào)的延綠性低于寧麥18和揚(yáng)麥18的原因。

3.3 小麥衰老過(guò)程的特征

Thomas等[27]把植物延綠分為功能型和非功能型延綠，其中功能型延綠分為葉片衰老起始時(shí)間延遲和衰老速度正常的A型，以及衰老起始時(shí)間正常和衰老速度緩慢的B型。Gregersen等[31]把功能型延綠分為衰老起始正常和速度慢的類(lèi)型、衰老起始延遲和正常速度的類(lèi)型、衰老起始延遲和速度慢的類(lèi)型，衰老起始延遲和速度快的類(lèi)型，衰老起始時(shí)間和衰老速度的不同組合均可達(dá)到延綠。本研究結(jié)果表明，與衰老起始時(shí)間相關(guān)的TMRS和衰老速度相關(guān)的MRS都與GLAD都存在顯著的相關(guān)性，但GLAD與TMRS的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于MRS，TMRS對(duì)品種(系)旗葉的延綠程度貢獻(xiàn)大于MRS。TMRS的變異同時(shí)受基因型和環(huán)境影響，MRS變異主要受環(huán)境影響，因此育種可通過(guò)TMRS的選擇進(jìn)行小麥延綠性的選擇。