宁夏南部山区冬小麦抗旱指标鉴定研究

邵千顺，王 斐，王克雄，任小龙，杨 琳

(1.宁夏农林科学院固原分院，宁夏 固原 756000; 2.西北农林科技大学农学院,陕西 杨凌 712100)

干旱已成为全球农业生产面临的严重问题，尤其是进入本世纪以来，全球性气候变暖导致的干旱程度越来越严重，对粮食生产构成直接威胁[1]。全世界发展中国家至少有6000万hm2小麦栽培在雨养耕地，产量水平只有灌溉条件下的10%～50%。我国小麦单产不足3000 kg·hm-2的低产田约1140万公顷，占小麦播种面积的41%。以宁夏为例，年降水分配很不均衡，全区降水量在180～650mm之间，由南向北递减，南部六盘山区为400～650mm，中部地区为250～500mm，北部地区为180～200mm。降雨量多集中在秋季，6-9月的降水量占全年的50%～73%，冬春干旱对小麦生产负面影响很大，是限制产量的主要因素。改进耕作栽培技术，如采用少耕、免耕、地面覆盖等抗旱耕作方式也不能从根本上解决问题[2-7]。

实践证明，提高作物抗旱性，选育抗旱品种，是最直接有效地解决干旱对作物产量影响的途径[8-9]，为此，国内外科学家都做着各种探索与努力。许多学者从抗旱节水的生理生化机制[10-11]、抗旱分子机制[12]和抗旱的分子生物学基础[13]等方面进行了大量而深入的研究, 提出了一系列抗旱性鉴定的形态、生理生化指标[14]和基因调控机制[15]等方面的理论。在小麦抗旱性研究方面，国内外学者相继提出了抗旱系数、干旱敏感指数、抗旱指数等抗旱鉴定产量指标[16-17]，目前认为产量抗旱系数是品种抗旱性鉴定的直接、准确的评价指标，得到国内外学者的一致认可[18]。前人这些研究为抗旱育种、旱作节水农业的发展奠定了理论基础。

但是在旱地冬小麦研究方面进展缓慢，取得的成果有限[19]。再者作物品种抗旱性是一个复杂而系统的生理生化反应、多基因调控的过程，以及生长发育的节奏与农业气候因素变化相适应的程度，通过单一性状或指标研究抗旱性存在一定的局限性，本研究通过对8个品种的产量、抗旱系数及11个农艺性状的研究，筛选旱地冬小麦抗旱性鉴定指标及抗旱品种，以期为宁南旱地冬小麦抗旱育种及抗旱品种的筛选提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以宁夏南部山区8个耐旱性品种Z0349-4、08AWS089、晋太0509、Z0231-3、中引6号(CK)、Z0217-3、98-5808-1和Z0228-2-1为供试材料，材料由宁夏农林科学院固原分院提供。试验材料种植在宁夏农林科学院固原分院彭阳试验基地, 2015年9月中旬播种,次年6月中旬收获。田间水分管理分雨养和灌溉两种，每小区播种8行，行距0.3m, 行长5m,小区面积12.9m2。

表1 供试材料基本情况

1.2 性状测定

小麦成熟期每份材料随机选取5株，分别用钢卷尺测定其株高、穗长、穗下节长、单株穗数，用电子秤称量千粒重、单株粒重，逐株数取结实小穗数、穗粒数、有效分蘖数、颖花结实率、不实小穗数。然后按小区收获，测产。

1.3 抗旱系数计算方法及等级划分[20]

将鉴定品种种植于有灌溉条件的旱地，设置水、旱两种处理，处理间起垄并用塑料膜隔离处理。旱处理全生育期靠自然降雨，水处理在自然降雨的基础上再灌水2次。宁夏彭阳县在9月到次年7月降雨一般在300～400mm，其中主要降雨集中在8-9月，而在冬小麦生长的关键期(次年3-6月)降雨量非常少，大概150mm左右。田间两次灌水主要是苗期和抽穗期，每小区灌水总量4.5 m3。比较不同水分状况下同一品种的产量，用每份材料雨养区平均产量除以灌水区平均产量，计算每份参试材料的抗旱系数。它反映不同小麦品种对干旱的敏感程度，一个品种的抗旱指数高，则品种的抗旱性强，稳定性好[21]。根据抗旱系数将参试材料划分为抗旱性强、中、弱三个等级，评价旱处理苗期抗旱性、株高、穗长、穗下节长、颖花结实率、穗粒数等指标与品种的抗旱性的关系。

1.4 分析方法

将供试品种农艺性状数据经整理综合并正态标准化后, 采用SAS 8.2数据分析软件对其进行相关分析、主成分分析及系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 品种间产量及抗旱系数

根据材料的抗旱系数将抗旱性分为不同等级(详见表2)，0.2～0.4为弱，0.4～0.6为中，大于0.6为强，据此将8个品种分为3类，抗旱性强的为Z0349-4、08AWS089、晋太0509，中间型的为Z0231-3和中引6号(CK)，抗旱性弱的为Z0217-3、98-5808-1、Z0228-2-1。

表2 参试品种产量及抗旱系数

2.2 不同处理下各品种抗旱性等级划分

由表3可知，各品种苗期抗旱性能力与全生育期抗旱性强弱不一致。Z0217-3、98-5808-1、Z0349-4和对照中引6号苗期抗旱性强，但品种全生育期抗旱性较弱或中间性；Z0231-3、08AWS089和晋太0509苗期抗旱性弱或中，但全生育期抗旱性强。

表3 不同处理下各品种抗旱性等级划分

注：S、M、W分别代表抗旱性强、中、弱。

Note:S, M and W represent the degree of drought resistance of different varieties as strong, medium and weak, respectively.

2.3 旱处理条件下品种间各性状差异及与抗旱性的关系分析

经方差分析，参试8个品种间除结实小穗数差异不显著外，其它旱地产量、抗旱系数、穗长、穗粒数、千粒重、单株粒重、株高和有效蘖率等性状差异均到达显著水平。且由表4可初步判定：各品种的株高、穗长、穗下节长、穗粒数、有效蘖率等性状指标变化趋势与品种抗旱系数变化趋势基本一致，因此，这些性状可初步作为品种抗旱性强弱判定的指标。

2.4 主要农艺性状的主成分分析

2.4.1 主成分特征值 利用SAS软件计算出12个主要农艺性状的特征向量及贡献率见表5。根据各向量的绝对值将不同性状指标划分到不同的主成分之中，同一指标在各因子中的最大绝对值所在位置即为其所属主成分。从表4可以看出，在所有主成分构成中，主要信息集中在前4个主成分，其累计贡献率达93.40%。第1主成分特征值为4.33，贡献率为36.07%。第2主成分特征值为4.26，贡献率为35.46%。第3主成分特征值为1.51，贡献率为12.58%。第4主成分特征值为1.11，贡献率为9.29%。

表4 参试品种各性状平均数及方差分析

注：字母a、b、c、d、e表示各品种在0.05水平下的显著水平。Note: a、b、c、d and e represent significant difference atP<0.05.

2.4.2 主成分分析 4个主要成分因子汇集了12个农艺性状的93.40%的信息，每个主成分所代表的性状见表6。第1主成分主要影响产量、抗旱系数及株高，向量值分别为0.44、0.43和0.41。第2主成分主要影响单株产量，穗长、穗粒数和单株粒重是主要指标，向量值分别为0.41、0.42和0.41。第3主成分影响单穗结实率，不实小穗数和颖花结实率是主要指标，向量值分别为-0.55和0.48。第4主成分主要影响千粒重，向量值为0.79。由此可知，与冬小麦抗旱因素相关的12个性状主要信息集中在产量、抗旱系数、穗粒数、千粒重、单株粒重、株高、不实小穗数和颖花结实率8个性状中，这8个性状可作为冬小麦抗旱性鉴定的主要参考性状。

表5 主成分特征值信息表

表6 8个冬小麦品种12个农艺性状的主成分分析

2.5 参试8个冬小麦品种性状相关分析

将8个品种的12个性状两两之间的相关系数值列于表7中。对冬小麦12个性状的相关分析表明，抗旱系数与旱地产量呈极显著正相关，说明抗旱系数越高，品种旱地增产可能性越大。穗下节长与旱地产量和抗旱系数呈显著正相关，表明穗下节长越长，则品种抗旱能力越强，旱地增产可能性越大。穗粒数与穗长呈极显著正相关，单株粒重与穗长呈显著正相关，株高与旱地产量、抗旱系数呈极显著正相关，与穗下节长和结实小穗数呈显著正相关，表明旱地品种适宜提高株高，可增强抗旱能力。颖花结实率与穗长呈显著负相关。

表7 8个品种12个性状间相关分析

注：相关系数临界值,a=0.05时，r=0.7067，“*”表示显著；a=0.01时，r=0.8343，“**”表示极显著。

Note: * and ** denote significantly different between the 12 traits atP<0.05 orP<0.01，respectively.

2.6 参试8个冬小麦品种聚类分析

8个品种根据产量、抗旱系数、穗长、穗下节长、千粒重等12个指标计算8份冬小麦抗旱种质资源间的遗传距离, 并采用非加权配对算术平均聚类法(UPGMA)进行系统聚类分析(如图1)，在欧氏距离0.7697处将8个品种分为3大类，第三类为Z0349-4、08AWS089、晋太0509，这三个品种为平均产量高，抗旱系数高，平均穗长最大，平均穗下节长最长，平均结实小穗数最多，千粒重最大、株高最高。第二类为98-5808-1、Z0228-2-1，这两个品种的穗粒数、单株粒重和不实小穗数三个指标平均值最高，但产量、抗旱系数、穗下节长、千粒重等指标平均值最低。第一类为包括Z0217-3、Z0231-3与对照中引6号，这三个品种的产量、抗旱系数、穗下节长、千粒重及株高等主要指标在第三类和第二类之间，但穗长、穗粒数及单株粒重在三类中平均值最低。

图1 8个参试冬小麦品种的聚类分析图Fig. 1 Clustering analysis of 8 winter wheat varieties

3 讨 论

作物抗旱性鉴定需要将形态、生理生化、产量等指标相结合, 且对各个时期的抗旱性综合评价[22]，因此, 简单、有效的鉴定指标及其评价方法的合理选择是抗旱性鉴定的关键[23]。近年来，国内外学者采用主成分分析法、聚类分析法等方法研究作物抗旱性，并已在小麦[24]、大豆[25]、玉米[26]等作物中广泛应用。主成分分析是考察多个性状之间相关性的一种常用的多元统计方法，目的是从多个参试性状中提炼出几个彼此独立的新因子，这几个新因子能够反映参试性状的主要信息。本研究通过对8个品种12个性状的主成分分析，提炼出4个新的主成分因子，累积贡献率达93.4%，这4个主成分因子主要反映了产量、抗旱系数、穗长、穗粒数、千粒重、单株粒重、株高、不实小穗数、颖花结实率9个性状，因此，这9个性状可作为日后宁南冬小麦抗旱性鉴定的主要指标。

从抗旱等级来看，Z0349-4、08AWS089和晋太0509三个品种的抗旱性最强，通过聚类分析结果来看， Z0349-4、08AWS089和晋太0509这三个品种聚为一类，从表4可知，这三个品种平均产量高，抗旱系数高，平均穗长最大，平均穗下节长最长，平均结实小穗数最多，千粒重最大、株高最高，各性状都优于其它品种。这三个品种除晋太0509为引进材料外，Z0349-4、08AWS089是本单位在本地长期选育的待审品系，均在本地区有良好的适应性，适宜日后在宁南山区推广种植，也可作为日后品种选育及杂交亲本选配的主要材料。

但是抗旱性是一个复杂的数量性状，不仅由作物种类、品种基因型、形态性状、及生理生化反应等有关，而且受干旱发生的时期、强度及持续时间的影响等有关[27]，本身的生理特点和结构特点决定，还与其内部调控系统能否与外界环境相适应密切相关[28]。目前对宁南冬小麦抗旱性指标的研究还不够深入，日后还需从生理生化指标、抗旱基因等方面入手，从更深层次探讨宁南冬小麦抗旱性，更准确地挖掘抗旱材料，为育种工作提供可靠的理论支撑。

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