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研究粒重与籽粒灌浆特性的关系对提高小麦产量潜力和稳定性具有重要意义。采用Logistic方程, 对2012—2015连续3年度种植在河南安阳的14份黄淮麦区主栽品种和苗头品系的粒重及其籽粒灌浆特性研究表明, 粒重和灌浆速率参数主要受基因型控制, 灌浆持续时间主要受环境影响。不同粒重类型品种间平均灌浆速率、最大灌浆速率和各时期灌浆速率均存在显著差异, 表现为高粒重>中等粒重>低粒重, 灌浆持续时间则差异不显著。灌浆速率, 特别是快增期灌浆速率快慢是造成品种间粒重差异的主要原因。粒重与所有灌浆速率参数均呈显著正相关( P<0.001), 与快增期灌浆速率和平均灌浆速率的相关系数分别为0.97和0.90, 与灌浆持续时间相关不显著。建议采用平均灌浆速率对相关性状进行基因定位, 以进一步改良黄淮麦区小麦品种的粒重。
The knowledge on relationship between grain weight and grain-filling parameters is important for yield potential and stability improvement of common wheat. Logistic equation was used for fitting the grain-filling dataset from 14 leading cultivars and advanced lines, sown at Anyang, Henan province in three successive seasons from 2012 to 2015. The results showed that grain weight and all grain-filling rate (GFR) related parameters were mainly influenced by genotype, while grain-filling period related parameters were mainly influenced by environment. There was significant difference on all GFR parameters including the average and the highest GFR, and those in the three periods among cultivar groups based on grain weight, showing a trend of high-grain-weight cultivar > medium-grain-weight cultivar > low-grain-weight cultivar, whereas there was no significant difference for grain-filling period related parameters among the cultivar groups. GFR, especially in the fast increase period, was the major factor that made the significant difference of grain weight among cultivars. Positive correlations between grain weight and all GFR related parameters were observed ( P < 0.001), with the coefficients of 0.97 for GFR in the fast increase period and 0.90 for average GFR, whereas no significant correlations were found between grain weight and grain-filling period related parameters. Therefore, average GFR was proposed to be used in quantitative trait loci mapping to improve grain weight of wheat in the Yellow and Huai Rivers Valley.
黄淮麦区是我国最重要的小麦产区, 播种面积和总产分别约占全国的55%和60%, 对保障粮食安全至关重要[1]。过去60余年, 黄淮麦区小麦产量年遗传增益约为0.48%~1.05%, 其构成因素中千粒重年遗传增益较大, 为0.35%~0.51% [2]。虽然近15年产量遗传增益放缓, 但粒重仍持续提高[3], 表明粒重改良是该麦区产量显著提高的关键因素。粒重主要受基因型控制, 并受环境显著影响, 粒重在产量构成因素中的遗传力最高[4, 5]。已定位了大量粒重相关QTL, 位于2A、4D、5B、6B、7B和7D染色体上的QTL效应较大, 单个位点可解释4.8%~28.0%的表型变异[6, 7, 8]。其中, TaCwi[9]、TaGW2[10]、TaSus2[11]、TaCKX6[12]、TaSAPl[13]、TaGS1a[14]、TaGS-D1[15]、TaGASR7-A1[16]、TaGS5-3A[17]、6-SFT-A2[18]等多个相关基因已被克隆, 可解释4.8%~14.6%的表型变异。
粒重由籽粒灌浆速率和持续时间决定[19, 20, 21, 22, 23]。灌浆速率主要受基因型控制, 灌浆持续时间主要由特定地区的气候和耕作栽培制度决定[23, 24, 25, 26]。有关灌浆速率和持续时间对粒重的贡献尚无定论, 多数研究认为, 在灌浆期偏短的地区, 灌浆速率对粒重的贡献大于持续时间[26, 27, 28, 29, 30]。因此, 育种工作的重点是提高灌浆速率。
灌浆速率是决定我国北部冬麦区小麦品种粒重最重要的参数[29]; 黄淮麦区水地和旱地品种籽粒灌浆特性存在显著差异, 旱地品种的灌浆速率高于水地品种, 但其籽粒灌浆时间较短[30]。这些研究多集中于描述具体品种的灌浆特性, 对不同粒重类型品种间的籽粒灌浆特性可能因为工作量大而缺乏系统研究, 且很少涉及黄淮麦区水地主栽品种的粒重与籽粒灌浆特性之间的关系。本研究通过分析品种间籽粒灌浆特性的差异, 明确粒重与籽粒灌浆特征参数的关系, 揭示灌浆速率和持续时间对粒重的相对重要性, 旨在为黄淮麦区小麦品种的粒重改良提供理论依据。
选用黄淮麦区14份水地主栽品种和苗头品系(表1), 于2012— 2015年度种植在河南安阳。良星99和周麦18分别是黄淮北片和南片冬麦区国家水地组区域试验的对照品种。济麦22和矮抗58是黄淮麦区近10年累计推广面积最大的两个主栽品种。郑麦366、周麦16、良星66、周麦27、存麦1号、中麦895和中麦875均为当前生产上的主推品种, 中麦871和中麦140是本课题组新育成的苗头品系。荔垦4号是中麦895、中麦875和中麦871的父本。
采用随机区组设计, 2次重复。小区面积6 m2, 6行区, 4 m行长, 行距20 cm。试验地前茬玉米, 收获后秸秆还田, 播种前底施复合肥(N、P2O5、K2O比例17∶ 1∶ 17) 750 kg hm-1和尿素75 kg hm-1, 深翻。10月10日前后播种, 每公顷基本苗210万株。分别于越冬期、返青期、孕穗期和灌浆期灌溉4次, 并结合越冬水和孕穗水分别追施尿素112.5 kg hm-1和150 kg hm-1。返青期化学除草一次, 抽穗扬花期“ 一喷三防” , 其他管理措施同当地大田生产。
开花至成熟期间的天数即为灌浆持续时间。于开花初期从每个小区选取同一天开花, 穗型、长势和大小基本一致, 无病虫害的单茎200个挂牌标记。从花后第6天开始, 每隔6 d取样一次, 直至成熟收获。每次各小区取15穗, 105° C杀青15 min, 65° C烘干24 h, 调查粒数, 并用千分之一天平称重, 计算千粒重。
以花后相对灌浆时间(x)为自变量, 粒重(y)为因变量, 采用Logistic方程y = k/(1+ae-bx)对不同品种的籽粒灌浆进程进行拟合, 绘制籽粒灌浆速率曲线, 其中a和b为品种参数, k为理论粒重。
采用一阶和二阶求导, 计算最大灌浆速率(Rmax, mg grain-1d-1)及其到达时间(Tmax, d)、渐增期持续时间(T1, d)和灌浆速率(R1, mg grain-1d-1)及其增重(W1, g)、快增期持续时间(T2, d)和灌浆速率(R2, mg grain-1d-1)及其增重(W2, g)、缓增期持续时间(T3, d)和灌浆速率(R3, mg grain-1d-1)及其增重(W3, g)、平均灌浆持续时间(T, d)和灌浆速率(Ra, mg grain-1d-1)等参数。气压、温度、湿度、降水量、风速和日照等主要气象资料来自中国气象数据网(http://cdc.cma.gov.cn/)河南安阳站“ 中国地面气候资料日值数据集” 。
采用Statistical Analysis System (SAS9.2)软件, 调用PROC NLIN程序进行灌浆数据的Logistic方程拟合。调用PROC CLUSTER程序, 按Ward最小平方和法, 依据品种粒重进行聚类分析。调用PROC GLM模型, 粒重类型为固定效应, 类内品种、年份内重复及其相关互作为随机效应, 进行方差分析。调用PROC CORR程序进行相关分析。
千粒重及所有灌浆特征参数的变异范围均较大(表2)。参试品种的千粒重介于41.8~53.8 g之间, 平均和最大灌浆速率分别为1.15~1.50 mg grain-1 d-1和1.94~2.63 mg grain-1 d-1, 渐增期、快增期和缓增期灌浆速率分别为0.78~1.02、1.70~2.31和0.69~1.10 mg grain-1 d-1, 相应时期的籽粒增重量分别为9.2~12.1、25.2~33.3和9.2~12.1 mg grain-1, 上述参数的品种间变异范围均大于年份。品种间灌浆持续时间、最大灌浆速率到达时间和渐增期持续时间的变异范围分别为36.3~40.3、18.0~19.8和11.3~12.4 d, 品种间变异范围均小于年份。品种间快增期和缓增期持续时间的变异范围分别为12.7~15.5 d和11.1~13.9 d, 品种间变异范围与年份相当。
千粒重、所有籽粒灌浆速率及各时期籽粒增重量参数均受基因型和年份效应的显著影响, 灌浆持续时间和缓增期持续时间的年份和基因型× 年份效应、渐增期和快增期持续时间的基因型和年份效应显著(表3)。千粒重、所有籽粒灌浆速率及各时期增重量的基因型效应较大, 其次为年份效应, 且基因型效应远大于基因型× 年份效应, 表明粒重、灌浆速率和增重量各参数主要受基因型控制。所有灌浆持续时间的年份效应较大, 其次为基因型效应, 且基因型效应均大于基因型× 年份效应, 表明灌浆持续时间主要受环境影响。
按千粒重将14个品种聚为3类, 高粒重品种包括周麦18、中麦895和中麦875, 中等粒重品种包括周麦16、良星99、济麦22、存麦1号和中麦140, 低粒重品种包括矮抗58、良星66、郑麦366、周麦27、中麦871和荔垦4号。千粒重、最大灌浆速率到达时间、所有籽粒灌浆速率及其增重量参数均受粒重类型及类内基因型效应的显著影响, 渐增期和快增期持续时间的类内基因型效应显著, 灌浆持续时间、缓增期持续时间及其灌浆速率的类内基因型× 年份效应显著。粒重的类型效应远大于类内基因型效应, 类型× 年份及类内基因型× 年份效应不显著。所有灌浆速率参数及各时期籽粒增重量的类型效应均大于类内基因型效应, 灌浆持续时间相关参数的类型效应不显著, 表明不同粒重类型品种间的灌浆速率及各时期籽粒增重量均存在显著差异, 灌浆持续时间则差异不显著。
所有品种的籽粒饱满度均较好, 表明灌浆正常。Logistic方程决定系数(R2)均在0.99以上, 说明拟合方程可以有效描述籽粒灌浆进程。不同粒重类型品种灌浆进程均呈“ S” 型变化曲线, 灌浆速率变化趋势呈单峰曲线, 表现为慢— 快— 慢的特征(图1), 不同粒重类型品种间平均和最大灌浆速率及渐增期、快增期和缓增期灌浆速率及其籽粒增重量均存在显著差异, 表现为高粒重> 中等粒重> 低粒重, 灌浆持续时间则差异不显著(表4)。渐增期、快增期和缓增期持续时间分别约占整个灌浆期的31.2%、36.9%和31.9%, 其籽粒增重量则分别约占粒重的21.1%、57.8%和21.1%。与渐增期和缓增期相比, 快增期高、中、低粒重类型品种间灌浆速率和籽粒增重量差异较大。高粒重和中等粒重类型品种的最大灌浆速率到达时间显著晚于低粒重类型品种, 其他灌浆持续时间相关参数类型间差异均不显著。
黄淮冬麦区小麦灌浆期经常遇到高温、干旱和干热风的影响, 使籽粒不饱满, 粒重下降, 造成产量损失。大量研究表明, 粒重主要取决于灌浆速率, 而灌浆持续时间对粒重的贡献相对较小[6, 8, 12, 20, 21, 27]。本试验结果与此一致, 黄淮麦区小麦品种的千粒重与各时期籽粒灌浆速率均呈显著正相关, 其中与快增期灌浆速率相关最密切, 且千粒重与各时期增重量均呈显著正相关, 与灌浆持续时间各参数相关不显著。渐增期、快增期和缓增期的持续时间分别约占灌浆期31.2%、36.9%和31.9%, 籽粒增重量则分别约占粒重的21.1%、57.8%和21.1%, 进一步表明快增期籽粒增重量对粒重影响较大。由此可见, 灌浆速率, 特别是快增期灌浆速率, 对粒重的形成具有重要贡献。
粒重与平均灌浆速率呈显著正相关(r = 0.90, P < 0.001)。由于灌浆速率测定繁琐, 利用分离群体对该性状进行基因定位难度很大。鉴于灌浆速率对粒重的重要性, 可以根据粒重与灌浆持续时间计算平均灌浆速率, 仅需记录开花期、成熟期和粒重, 对相关性状进行基因定位, 以进一步解析粒重的遗传机制。王瑞霞等[31]利用平均灌浆速率将粒重相关QTL定位于1B、2A和3B染色体, 可分别解释5.8%~ 20.8%的表型变异。因此, 进一步明确TaCwi[9]、TaGW2[10]等已克隆的粒重基因与籽粒灌浆速率的关系, 将有助于这些基因在育种中的有效利用, 进一步改良黄淮麦区小麦品种的籽粒灌浆特性。
本研究还表明, 来自同一组合的3个品种中麦895、中麦875和中麦871在粒重和籽粒灌浆速率方面存在显著差异, 中麦895和中麦875的粒重和各时期灌浆速率均显著高于其姊妹系中麦871及其双亲周麦16和荔垦4号。周麦16籽粒较大, 但灌浆速率偏慢, 常年饱满度一般, 粒重并不高, 约46 g; 荔垦4号成熟落黄好, 籽粒饱满。我们当时组配周麦16和荔垦4号组合是期望通过提高周麦16的灌浆速率来改良其粒重, 以进一步提高产量。根据我们多年多点观察结果, 中麦895和中麦875的籽粒饱满度好, 灌浆速率快, 粒重高且稳定, 这说明在进行粒重改良时, 杂交组合亲本选配和后代选择至关重要, 后代选择应主要考察品种的田间落黄特性及其收获后籽粒的大小和饱满度。我们正在对中麦895的快速灌浆和高粒重特性进行研究, 期望发掘相关基因和分子标记, 以辅助改良粒重。
黄淮麦区小麦粒重和灌浆速率各参数主要受基因型控制, 灌浆持续时间主要受环境影响。不同粒重类型品种间灌浆速率存在显著差异, 表现为高粒重> 中等粒重> 低粒重。灌浆速率, 特别是快增期灌浆速率的差异是导致品种间粒重高低的主要因素。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。