CN111296201A - 一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，通过对不同小麦品种在返青‑拔节期实施阶段性增温至药隔期，药隔期内利用自然低温霜冻或人工移动装置在田间进行模拟霜冻，以待测品种形态、生理生化、产量指标进行聚类分析评价抗霜性。与现有技术盆栽环境下的用单一指标或极少指标评价小麦抗霜性的方法相比，本发明的方法更加客观准确可靠，为小麦品种的抗霜性鉴定，抗霜性品种选育以及生产提供技术依据。
Description
技术领域
本发明属于小麦选育技术领域，特别涉及一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法。
背景技术
霜冻害是小麦生产上的主要气象灾害之一。霜冻害是植物在生长时期，温度骤降至0℃以下，使植物组织发生结冰，原生质受到破坏，而造成的植株伤害或死亡，是一种突发性的灾害。在我国冬小麦主产区，霜冻发生在初冬称为早(秋)霜冻，发生在春季，称晚(春)霜冻。早霜冻主要伤害小麦叶片，使叶尖或一段叶片冻枯，受害较轻。小麦完成春化后生长发育加快，随着幼穗分化期的后移，对低温的敏感性增加，幼穗的抗霜力总体呈下降的趋势。黄淮麦区的晚霜冻主要发生在春季3月下旬到4月上中旬，此时小麦处于拔节期到挑旗期，幼穗分化由小花原始分化期-雌雄蕊分化期-药隔形成期到四分体形成期，幼穗各部分迅速发育，是影响穗粒数和产量的关键时期。发生晚霜冻致使叶片、穗下茎、幼穗不同程度受害，幼穗部分死亡或全穗枯死，造成不同程度的减产。黄淮麦区小麦霜冻年际发生发生频率为30—40％。自然霜冻中各级冻害穗数、穗粒数和实际籽粒重均显著低于未受冻穗，冻害越重，穗粒数和籽粒重越低。小麦穗分化处于药隔期时，于夜间-4℃低温胁迫3d，产量平均降幅为68.4％，穗数平降幅为46.3％，穗粒数下降27.3％，千粒重下降22.1％。因此，晚霜冻对小麦生产构成严重威胁。小麦晚霜冻害的发生与气候、土壤、植株营养和水分、栽培方式等有关，但品种抗寒性是关键性内在因素。选育抗霜性强的品种是减轻霜冻害的重要途径，因此鉴定品种的抗霜性对小麦生产具有重要意义。
小麦抗霜性是受到0℃及以下的低温胁迫后，通过一系列复杂的生理生化反应及形态结构的变化，对低温环境进行响应。现有技术在模拟低温盆栽环境下，测得生理生化指标(如叶片相对电导率、抗氧化酶活性、丙二醛含量、可溶性蛋白含量等)鉴定品种抗寒性，并采用单一指标或多种指标来评价作物的抗寒性。少有自然低温大田环境下，用生理生化指标结合幼穗形态及产量进行的抗寒性综合评价，更没有在小麦低温敏感期之前，对鉴定品种给以阶段性增温，而后采用形态指标、生理生化指标、产量指标进行抗寒性综合评价。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法。
技术方案如下：
一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，通过对不同小麦品种在返青-拔节期实施阶段性增温至药隔期，药隔期内利用自然低温霜冻或人工移动装置在田间进行模拟霜冻，以待测品种形态、生理生化、产量指标进行聚类分析评价抗霜性，所述药隔期是指小麦幼穗分化发育过程中，雄蕊原基的体积增大并沿其中部自上而下出现微凹纵沟，形成两个小孢子囊，之后分化为四个小孢子囊，雌蕊原基顶端凹陷逐渐分化出两枚柱头原基，并继续生长成羽状柱头，有芒的品种沿外稃中脉伸长的阶段。
进一步的，在小麦适播期对待监测品种进行小区播种，不同品种播量和行距密度一致，返青期内通过搭建温棚或地埋电热线增温分别对待测小麦品种增温，增温处理时间20-28天，日平均最低温度到最高温度的范围在4.4-27.1℃，日平均温度增加0.85℃-0.9℃，极限高温限制在32℃，在待鉴定品种生长发育处于温度敏感期时，去掉大棚或地埋电热线。
进一步的，在霜冻低温来临前3天，分别检测小麦品种霜冻前生理生化指标，自然霜冻日间最低温度在0℃以下，并能维持2小时以上，若在小麦挑旗期没有低于0度以下的低温出现，则采用人工霜冻装置对待测品种田间种植区的小麦低温处理，在处理前对待测品种霜冻前生理生化指标进行测定，处理温度-5℃-0℃，装置内温度均匀温度变幅为±0.5℃，低温维持时间4-6小时，所述生理生化指标包括相对电导率、叶绿素含量、叶绿素荧光参数(FM/FV)、光合速率，叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量。
进一步的，在自然霜冻低温发生或人工霜冻处理3天内测定各品种的生理生化指标，所述生理生化指标包括相对电导率、叶绿素含量、叶绿素荧光参数(FM/FV)、光合速率，叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量。
进一步的，计算每一品种的平均隶属度值：利用小麦品种的霜冻前和霜冻后测得的生理指标值，进行隶属函数分析，得到每个品种的每项指标相对性状的隶属函数值，以多个性状的隶属度平均值即隶属度平均值作为评价指标，隶属度平均值越高，抗寒性越强，计算方法如下：
以公式(1)计算性状相对值xj作为抗冻系数评价品种抗霜性:
性状相对值xj＝(低温处理下指标测定值/对照测定值)×100％(1)；
以公(2)和公式(3)计算各品种相对性状的隶属度值，其中，与抗寒性呈正相关的指标叶绿素、叶绿素荧光、光合速率、SOD活性、POD活性、CTA活性隶属度值以公式(2)计算，与抗寒性呈负相关的指标MDA含量和相对电导率隶属度值以公式(3)计算，每一品种相对性状隶属度值的平均值即为该品种的平均隶属度值：
U(xij)＝(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (2)；
U(xij)＝1－(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (3)；
式中，U(xij)为i品种j指标的隶属函数值，xij为i品种j指标的相对值，xjmin和xjmax为各品种j指标相对值的最小值和最大值。
进一步的，在自然霜冻低温发生或人工霜冻处理后1-2周，对各待测小麦品种的幼穗冻伤率进行调查，幼穗冻伤率(％)＝(幼穗冻伤和冻死穗数/调查总穗数)*100。
进一步的，对各待测小麦品种成熟后，进行单收单打测得每小区产量。
本发明所取得的技术优势：
(1)在春季小麦药隔期前给小麦进行阶段性增温，使得幼穗发育趋于一致，同时使幼穗分化加快。研究表明对不同小麦品种抗霜冻性鉴定的最佳时期是小麦幼穗发育处于药隔期前后。因为春季温度波动大，不同品种对温度敏感度不同，生长发育不一致，自然田间条件下，各品种的幼穗发育差异较大。在春季给小麦进行阶段性增温，给小麦提供较好的温度条件，有利于各品种小麦健壮生长，幼穗发育趋于一致，同时使幼穗分化加快，为保证品种鉴定结果的可靠性和准确性做好准备。
(2)在大田自然霜冻低温下鉴定，若没有自然低温的条件下，采用移动霜冻装置在田间模拟霜冻进行鉴定。优点是田间进行且结果可靠，目前小麦抗寒性鉴定多采用盆栽方法，在人工气候室进行低温处理，空间小不利于小麦根系发育，小麦根长2米以上，小麦对生育环境的改变必然引起自身一系列的生理生化响应，依据其测的生理生化指标进行分析和评价各品种的抗寒性与大田结果差异较大。
(3)鉴定在小麦低温敏感期进行，即药隔期前后，并采用幼穗冻伤率这个最直观有效的指标。
(4)以待测品种生理生化指标隶属度平均值、幼穗冻伤率、产量三个指标进行聚类分析，能较好地反应鉴定材料在抗寒性方面的遗传关系，也能区分鉴定材料抗寒敏感性的差异，为小麦育种和小麦抗霜减灾生产发挥作用。区别于现有技术采用单一形态指标叶片的受伤程度进行分级，或单一生理生化指标鉴定评价，或几个生理生化指标的隶属度值鉴定评价。
附图说明
图1是小麦抗寒性鉴定与评价的方法的流程图。
图2是实施例1中的聚类分析图。
图3是实施例2中的聚类分析图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明提供的一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
本发明以黄淮海麦区北片三个不同类型，具有典型特点的16个主栽新品种为材料，在拔节期自然低温霜冻和人工模拟霜冻环境下，分析叶片生理生化变化和植株形态变化以及产量表现。以霜冻前后各性状的相对值作为抗霜性评价指标，通过隶属函数法和聚类分析法对参试品种抗霜性进行综合鉴定与评价，筛选出抗霜性品种及抗霜性鉴定指标，为气候变暖背景下小麦品种选育与抗霜减灾提供理论支持。
实施例1
供试小麦品种习性及其供种单位如表1所示。
表1供试小麦品种及其供种单位
于2017年10月8日播种，基本苗255万株/hm2，行距25cm，小区面积15m2。
返青期2018年3月1日在各品种试验小区上搭建温棚，温棚高1.7m，长度和宽度依据小区面积确定，温棚两侧下部20cm留有通风气道，通过调节通风口大小调节棚内温度，温棚内日平均温度在4.4-27.1℃，极限高温限制在32℃，日平均温度增加0.85℃。增温时间维持28天，于3月28日去掉大棚。
去掉大棚后3天测量各品种上部第1片展开叶，测生理生化指标8项，分别是相对电导率、叶绿素含量、叶绿素荧光参数(FM/FV)、光合速率，测定叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量。各生理生化指标测定分析方法：叶绿素含量用SPAD-502仪测定，叶绿素荧光参数用美国OS-30P叶绿素荧光仪测定，光合作用采用英国生产的LCPRO便携式光合测定仪。过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法，过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT比色法，丙二醛(MDA)含量采用TBA比色法，相对电导率采用电导率仪法。
气象预报4月上旬有自然低温出现。
4月6日夜间到4月7日凌晨出现霜冻低温，温度：-2.6℃-0℃，持续时间5小时。
小麦霜冻后观察幼穗及形态变化，3天后测上述生理生化指标，并在霜冻后1-2周持续观察幼穗冻伤情况，统计最终幼穗冻伤率见下表。幼穗冻后部分小穗发育受阻称为伤害,冻伤幼穗占调查总数的百分率为幼穗冻伤率。
表2不同品种得幼穗冻伤率
每行数据标有不同字母表示Duncan检测下差异显著(P<0.05)
依据公式1-3计算各品种的8个生理生化指标的综合隶属度平均值，
性状相对值xj＝(低温处理下指标测定值/对照测定值)×100％(1)；
以公(2)和公式(3)计算各品种相对性状的隶属度值，其中，与抗寒性呈正相关的指标叶绿素、叶绿素荧光、光合速率、SOD活性、POD活性、CTA活性隶属度值以公式(2)计算，与抗寒性呈负相关的指标MDA含量和相对电导率隶属度值以公式(3)计算，每一品种相对性状隶属度值的平均值即为该品种的平均隶属度值：
U(xij)＝(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (2)；
U(xij)＝1－(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (3)。
表3功能叶各单项指标的抗冻系数
表4拔节期低温后各品种综合隶属度值
隶属度平均值(D值)评价：D值越大抗霜性越好，16个品种隶属度平均值(D值)评价其抗低温性能，抗霜冻能力依次排列见表4。
成熟期小区单收单打，测产量及产量构成因素，结果见表5。
表5拔节期低温对小麦产量和产量构成的影响
每列数据标有不同字母表示Duncan检测下差异显著(P<0.05)
把各品种幼穗冻伤率、生理生化指标的隶属度平均值、产量进行聚类分析，其结果见图2。
综合评价：
以各品种性状的隶属度平均值、幼穗冻伤率、产量三个指标进行聚类分析，采用最长距离法，结果分为五类(见图2)：I类(抗霜冻性强的品种)：济麦22、临Y8012、山农28；II类(抗霜冻较强的品种)：舜麦1718、济麦23、中麦36、烟农1212；III类(抗霜冻一般的品种)：山农30、晋麦84号、衡杂102、师栾02-1、科农2009、周麦18；IV类(抗霜冻较差的品种)：冀麦325、西农585；V类(抗霜冻较差的品种)：西农529。
实施例2
供试小麦品种习性及其供种单位如表6所示。
表6供试小麦品种及其供种单位
于2018年10月8日播种，基本苗255万株/hm2，行距25cm,小区面积15m2。
返青期2019年3月8日在各品种试验小区上搭建温棚，温棚高1.7m，长度和宽度依据小区面积确定，温棚两侧下部20cm留有通风气道，通过调节通风口大小调节棚内温度，温棚内日平均温度在4.4-27.1℃，极限高温限制在32℃，日平均温度增加了0.9℃。增温时间维持20天，于3月28日去掉大棚。
去掉大棚后3天测量各品种上部第1片展开叶，测生理生化指标8项，分别是相对电导率、叶绿素含量、叶绿素荧光参数(FM/FV)、光合速率，测定叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量。各生理生化指标测定分析方法：叶绿素含量用SPAD-502仪测定，叶绿素荧光参数用美国OS-30P叶绿素荧光仪测定，光合作用采用英国生产的LCPRO便携式光合测定仪。过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法，过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT比色法，丙二醛(MDA)含量采用TBA比色法，相对电导率采用电导率仪法。
气象预报4月上旬没有自然低温出现，于2019年4月3日夜间利用移动式人工霜箱模拟霜冻，霜冻胁迫温度-5℃至-3℃，持续时间5小时。
小麦霜冻后观察幼穗及形态变化，3天后测上述生理生化指标，并在霜冻后1-2周持续观察幼穗冻伤情况，统计最终幼穗冻伤率见下表。幼穗冻后部分小穗发育受阻称为伤害,冻伤幼穗占调查总数的百分率为幼穗冻伤率。
表7不同品种的幼穗冻伤率
依据公式1-3计算各品种的8个生理生化指标的综合隶属度平均值，
性状相对值xj＝(低温处理下指标测定值/对照测定值)×100％(1)；
以公(2)和公式(3)计算各品种相对性状的隶属度值，其中，与抗寒性呈正相关的指标叶绿素、叶绿素荧光、光合速率、SOD活性、POD活性、CTA活性隶属度值以公式(2)计算，与抗寒性呈负相关的指标MDA含量和相对电导率隶属度值以公式(3)计算，每一品种相对性状隶属度值的平均值即为该品种的平均隶属度值：
U(xij)＝(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (2)；
U(xij)＝1－(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (3)。
表8 2019年拔节期低温胁迫处理各品种综合隶属度值
隶属度平均值(D值)评价：D值越大抗霜性越好，16个品种单用隶属度平均值(D值)评价其抗低温性能，，抗霜冻能力依次排列见表8。
成熟期小区单收单打，测产量及产量构成因素。结果见表9。
表9人工霜箱胁迫处理产量及产量构成(2019年试验)
把各品种幼穗冻伤率、生理生化指标的隶属度平均值、产量进行聚类分析，其结果见图3。
综合评价：
以各品种性状的隶属度平均值、幼穗冻伤率、产量三个指标进行聚类分析，采用最长距离法，结果分为四类(见图3)：I类(抗霜冻强的品种)：济麦22、临Y8012、山农28；II类(抗霜冻较强的品种)：舜麦1718、济麦23、中麦36、烟农1212：山农30；III类(抗霜冻一般的品种)：晋麦84号、衡杂102、师栾02-1、科农2009、周麦18；IV类(抗霜冻较差的品种)：冀麦325、西农585；西农529。
上面结合实施例对本发明的实例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，通过对不同小麦品种在返青-拔节期实施阶段性增温至药隔期，药隔期内利用自然低温霜冻或人工移动装置在田间进行模拟霜冻，以待测品种形态、生理生化、产量指标进行聚类分析评价抗霜性，所述药隔期是指小麦幼穗分化发育过程中，雄蕊原基的体积增大并沿其中部自上而下出现微凹纵沟，形成两个小孢子囊，之后分化为四个小孢子囊，雌蕊原基顶端凹陷逐渐分化出两枚柱头原基，并继续生长成羽状柱头，有芒的品种沿外稃中脉伸长的阶段。
2.根据权利要求1所述的小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，在小麦适播期对待监测品种进行小区播种，不同品种播量和行距密度一致，返青期内通过搭建温棚或地埋电热线增温分别对待测小麦品种增温，增温处理时间20-28天，日平均最低温度到最高温度的范围在4.4-27.1℃，日平均温度增加0.85℃-0.9℃，极限高温限制在32℃，在待鉴定品种生长发育处于温度敏感期时，去掉大棚或地埋电热线。
3.根据权利要求2所述的小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，在霜冻低温来临前3天，分别检测小麦品种霜冻前生理生化指标，自然霜冻日间最低温度在0℃以下，并能维持2小时以上，若在小麦挑旗期没有低于0度以下的低温出现，则采用人工霜冻装置对待测品种田间种植区的小麦低温处理，在处理前对待测品种霜冻前生理生化指标进行测定，处理温度-5℃-0℃，装置内温度均匀温度变幅为±0.5℃，低温维持时间4-6小时，所述生理生化指标包括相对电导率、叶绿素含量、叶绿素荧光参数、光合速率，叶片超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量。
4.根据权利要求3所述的小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，在自然霜冻低温发生或人工霜冻处理3天内测定各品种的生理生化指标，所述生理生化指标包括相对电导率、叶绿素含量、叶绿素荧光参数、光合速率，叶片超氧化物歧化酶活性、过氧化物活性、过氧化氢酶活性、丙二醛含量。
5.根据权利要求4所述的小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，计算每一品种的平均隶属度值：利用小麦品种的霜冻前和霜冻后测得的生理指标值，进行隶属函数分析，得到每个品种的每项指标相对性状的隶属函数值，以多个性状的隶属度平均值即隶属度平均值作为评价指标，隶属度平均值越高，抗寒性越强，计算方法如下：
以公式(1)计算性状相对值xj作为抗冻系数评价品种抗霜性:
性状相对值xj＝(低温处理下指标测定值/对照测定值)×100％ (1)；
以公(2)和公式(3)计算各品种相对性状的隶属度值，其中，与抗寒性呈正相关的指标叶绿素、叶绿素荧光、光合速率、SOD活性、POD活性、CTA活性隶属度值以公式(2)计算，与抗寒性呈负相关的指标MDA含量和相对电导率隶属度值以公式(3)计算，每一品种相对性状隶属度值的平均值即为该品种的平均隶属度值：
U(xij)＝(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (2)；
U(xij)＝1－(xij－xjmin)/(xjmax－xjmin) (3)；
式中，U(xij)为i品种j指标的隶属函数值，xij为i品种j指标的相对值，xjmin和xjmax为各品种j指标相对值的最小值和最大值。
6.根据权利要求5所述的小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，在自然霜冻低温发生或人工霜冻处理后1-2周，对各待测小麦品种的幼穗冻伤率进行调查，幼穗冻伤率(％)＝(幼穗冻伤和冻死穗数/调查总穗数)*100。
7.根据权利要求6所述的小麦抗晚霜冻能力的田间鉴定与评价方法，其特征在于，对各待测小麦品种成熟后，进行单收单打测得每小区产量。
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