陕西省关中地区饲草型小麦种质资源筛选与评价

刘博浩， 崔桂宾， 王京宏， 孙风丽， 张 超， 刘曙东， 奚亚军*

(1. 西北农林科技大学农学院, 陕西 杨陵 712100； 2. 陕西省杂交油菜研究中心, 陕西 杨陵 712100)

作物粮饲兼用已经在全球多个国家广泛应用，饲草型小麦不仅可以在饲草短缺的冬春季节为家畜提供优质鲜绿饲草，还可通过收获籽粒来实现农户的双重收入，提高农户收益，降低了以单一收获籽粒为目的的生产风险[1-2]。尽管冬小麦已经作为粮饲兼用作物在国外被广泛使用[3-4]，但在我国粮饲兼用型小麦品种和种质研究少有报道。蔡士宾等[5]对来自美国和中国共计12份偏春性小麦材料的粮饲兼用性能进行了评价，筛选出了普通小麦品种扬9798，其在冬季可收获鲜草还略高于牧草冬牧70，每公顷可额外为农户增收1 000元左右。王书文等[6]研究了江苏淮南地区小麦品种用于粮饲兼用的生产表现，表明在合适栽培措施下小麦进行粮饲兼用是可行的。此外，在粮饲兼用型小麦种质筛选时，应选择合适的播种时间和刈割时间，以确保饲草小麦可获得足够的饲草产量和籽粒产量。已有研究表明，作物被用作粮饲兼用时，秋季播种有利于加快作物前期生长，能有效减少刈割导致地上部分损伤带来的不利影响[7-8]，而选择在分蘖期刈割对植株灌层的生长发育和后期的籽粒产量影响较小[9-10]。此外，作物进行粮饲兼用的过程中对其地上部分的器官造成损伤，植株刈割后的再生能力决定了其是否可以发生超补偿生长，促进新器官的发生，进而影响后期的籽粒生产潜力，冬小麦刈割后的饲草产量和刈割后的再生能力可以作为筛选饲草型小麦品种培育及筛选鉴定的指标[11-12]。粮饲兼用型小麦在冬前刈割对小麦是一种机械损伤，刈割后的小麦需要克服低温冻害胁迫进行补偿性生长，在进行饲草型小麦品种培育时，筛选对低温具有相对较强抵抗能力的小麦对刈割后的小麦维持后期的籽粒生产有利。可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性等对小麦抗冻能力具有重要影响，是指示小麦抗冻性的重要指标，可以为冬小麦的安全越冬和早春的恢复生长提供生理基础[13-15]。本研究通过对200份不同小麦种质材料在分蘖期进行刈割处理，基于对刈割后的生物量、再生能力、抗逆性和田间农艺性状的研究，综合评价和比较不同种质间的差异，选出综合表现较好的小麦种质材料，以期为陕西省关中地区粮饲型用型小麦品种的选择和育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料和实验设计

参与饲草小麦筛选的200份种质资源材料名录见表1，实验于陕西杨凌西北农林科技大学北校区试验田进行(34°17'24.5" N，108°04'05.2" E)。采用盆栽种植方法，将200份小麦材料于2017年9月30日播种于24×24×26 cm的塑料盆中，采用种植基质(有机质含量≥20%，N-P2O5-K2O≥1.5%，通气孔隙度≥20%，pH值5.0～8.0)。每个材料种植3盆，每盆均匀种植9株小麦，6株苗刈割，3株苗不刈割作为对照。

1.2 取样与测定

第一次刈割于2017年12月24日进行，刈割留茬4 cm。第二次刈割于2018年3月22日进行，刈割留茬4 cm。每次刈割完成后迅速将刈割下饲草装入不透明棕色信封袋中测量鲜重，105℃杀青15 min，62℃烘干至恒重，记录2次刈割的饲草的鲜重和干重。每次刈割前调查每个小麦材料每株小麦的分蘖数。小麦生理指标调查于第一次刈割后20天进行。叶绿素含量测定使用SPAD 502 Plus手持式叶绿素计(柯尼卡美能达公司，日本)进行，测量长出新叶的叶绿素含量。取刈割后再生的小麦叶片用液氮冷冻后-70℃保存进行抗氧化酶和可溶性蛋白含量测定。测定时，取0.2 g样品放入预冷的研钵中，加入液氮进行充分研磨，再加入5 mL pH 7.8的磷酸缓冲液浸提10 min震荡混匀后4℃离心(10 000 r·min-1，20 min)，上清液即为待测液。测定方法参考高俊凤等[16]编写的植物生理学实验指导，超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑光化还原法[17]，以抑制NBT光化还原的50%为1个酶活力单位计算SOD酶活性。POD和CAT活性参考Chance和Maehly的方法[18]，POD活性以每钟内A470变化0.01的酶量为1个POD活性单位，CAT活性以每分钟A240减少0.1为1个酶活性单位。可溶性蛋白含量测定采用紫外吸收法[19]。

1.4 数据统计与分析

数据整理与分析采用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 19.0进行。

表1 参试小麦种质材料名称及编号Table 1 The name and number of tested wheat varieties(lines)

2 结果与分析

2.1 参试小麦材料各性状和生理指标的基本分析

刈割前与刈割后各小麦性状和各生理指标见表2。冬前刈割显著降低了小麦的春季分蘖，平均降低3个以上分蘖。参试小麦的各性状包括分蘖数、生物量等指标的变异系数较大，都在19%以上，具有较大的遗传差异。其中变异系数最大的是SOD酶活性，可能与其参与小麦对冻害胁迫的影响有关。其次是是刈割所得的鲜重和干重，表明不同小麦材料的饲草生产能力具有较大差异，选用不同的小麦材料进行粮饲兼用是有意义的。CAT酶和POD酶活性的变异系数也相对较大，其与SOD酶一起可能在刈割后维持小麦的再生过程中发挥重要作用。叶绿素含量的指标差异最小，可能与刈割后再生的小麦皆为新叶有关。

表2 参试小麦材料的各项指标特征Table 2 Characteristics of each index of tested winter wheat varieties(lines)

2.2 刈割生物量和再生生物量与其余指标的相关性分析

参试小麦刈割生物量和再生生物量与其余指标的相关性分析见表3。第一次刈割所得鲜重和干重均与刈割前冬季分蘖数、刈割后春季分蘖数和未刈割小麦的春季分蘖数呈极显著正相关(P<0.01)；初次刈割所得鲜重与刈割后可溶性蛋白含量呈显著负相关(P<0.05)，与刈割后CAT酶活性呈极显著负相关(P<0.01)；初次刈割所得干重与刈割后POD酶活性呈显著正相关(P<0.05)，与刈割后CAT酶活性呈极显著负相关(P<0.01)。与再生饲草鲜重呈极显著相关关系的指标中，相关程度最高的是未刈割春季分蘖数，表明春季分蘖越多的小麦再生能力更强。由此可见，在进行饲草型小麦种质资源筛选时，从饲草产量和刈割后小麦再生程度考虑，应当选择冬季和春节皆分蘖旺盛的小麦种质。

表3 刈割生物量和再生生物量与其余指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of initial mowing biomass and regnerated biomass with other indexes

注：**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关；*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关

Note:** indicate significant correlation (bilateral) at the 0.01 level;* indicate significant correlation (bilateral) at the 0.05 level

2.3 参试小麦材料指标的主成分分析

将200份小麦材料的12项指标进行主成分分析，结果见表4。从表中知，只有F(1)、F(2)、F(3) 和F(4)的特征值大于1，且累积贡献达到了71.898%，因此提取前四个成分作为主因成分。

表4 参试小麦材料指标的主因成分分析Table 4 Main component analysis of tested wheat varieties (lines)

对各项测定指标进行标准化处理，数据标准化处理后每个主因成分对应的指标特征向量和主要成分贡献率见表5。由表5中可得出4个主要成分F(1) - F(4)的线性组合表达式如下，以F (1)为例：

F(1)=0.17170a+0.1763b+0.1720c+0.1924d+0.1902e+0.1906f+0.1784g-0.0139h-0.0069i+0.0288j-0.0745k-0.0626l

表5 数据标准化后的特征向量与主成分贡献率Table 5 Eigenvector and principal components contribution rate after standardized processing

将标准化后的数据带入F(1)、F(2)、F(3)和F(4)的表达式中，可得到每个小麦材料在四个主要成分中的得分，再计算出每个小麦材料的综合得分Y(表6)，计算公式为:

Y=0.4790F(1) + 0.2326F(2) + 0.1672F(3) + 0.1211F(4)

式中：F(1)、F(2)、F(3)和F(4)的系数分别为各主要成分的相对贡献率(各成分贡献率与4个成分累计贡献率的比值)。

由表6和表1可知，综合排名前15位的小麦材料分别为ZM32、ZM132、ZM27、ZM33、XY58、ZH895、ZH175、XN928、陕垦11号、小偃6、周麦16、小偃22、13ZC3、ZK4、SQ19，可以作为饲草型种质的候选材料。

表6 200份参试小麦材料的综合得分Table 6 Comprehensive score of 200 tested wheat germplasms

2.4 参试小麦材料综合得分的系统聚类分析

根据欧式距离法对200份小麦材料的综合得分进行系统聚类分析，结果见图1。按照距离系数4进行截取可将200份小麦种质分为四大类，分别为I、II、III和IV类，综合得分IV最高，Ⅰ类和Ⅱ类综合得分居中，Ⅲ类综合得分普遍靠后。Ⅳ类包含ZM32、ZM132、ZM27、ZH895、ZH175、ZM33、XY58、XN928 共8个小麦种质，均为综合得分前8位，总体表现较好，适宜作为饲草型小麦种质来开发利用。每个分类的各项指标平均值见表7。4大类各项指标中，除刈割后CAT酶活性和叶绿素含量2项指标外，其余指标均表现为Ⅳ类>Ⅱ类>Ⅲ类>Ⅰ类，基本符合聚类分析结果。其中CAT酶活性表现为Ⅱ类>Ⅲ类>Ⅰ类>Ⅳ类，叶绿素含量的数量特征表现为Ⅳ类>Ⅲ类>Ⅱ类>Ⅰ类。综上所述，IV类小麦种质的饲草产量最高、刈割后的再生能力最好，且可溶性蛋白和叶绿素含量最高，POD和SOD酶活性最强，表明其既具有较好的饲草生产和再生能力，同时耐冻害胁迫的能力较强，能够在冬季刈割后保持相对较高的生长速率。

图1 系统聚类分析树状图Fig.1 System cluster analysis tree注：品种名称均以编号代替，编号见表1Note: The name of the cultivars is replaced by the serial number, and the number is shown in Table 1

表7 各项测定指标的综合比较Table 7 Comprehensive comparison of indicators

指标IndexIIIIIIIV刈割前冬季分蘖数 Tiller number in winter before mowing4.492±0.6705.297±0.7153.798±0.4056.431±0.192刈割后春季分蘖数Tiller number in spring with mowing7.310±1.2438.313±1.5916.456±1.2318.764±1.809未刈割春季分蘖数Tiller number in spring without mowing9.848±1.93711.509±2.1878.444±1.67612.583±1.797刈割鲜重Fresh weight of mowing wheat/g10.739±3.01513.522±3.9558.247±2.43518.514±3.423刈割干重Dry weight of mowing wheat/g3.048±0.8703.846±1.2032.324±0.7615.543±1.002再生鲜重Regeneration fresh weight/g47.726±8.77558.002±11.86039.375±9.79878.686±8.819再生干重Regeneration dry weight/g9.227±1.67611.002±2.2727.766±1.90114.355±1.575可溶性蛋白含量Soluble protein content/μg·g-1 FW0.141±0.0480.153±0.0510.107±0.0400.175±0.049SOD酶活性SOD activity/U·g-1 FW195.562±96.457226.400±119.480119.095±74.835233.886±86.764POD酶活性POD activity/U·g-1·min-1186.422±44.412210.117±45.011155.115±38.134243.271±40.018CAT酶活性CAT activity/U·g-1·min-14.760±1.6705.004±1.6064.806±1.7624.136±1.498叶绿素含量Chlorophyll content58.619±2.77357.865±2.89359.920±2.83560.082±2.055

3 讨论

3.1 小麦分蘖数对小麦的饲草产量和再生的影响

将冬小麦在冬春季节进行刈割或放牧来获得鲜绿饲草的方式在国外已经广泛应用，但在国内还鲜有冬小麦品种可以满足粮食和饲草生产的双重需求[20-21]。小麦冬前分蘖是小麦生物量的形成基础，同时也是籽粒产量形成的关键因素[22-23]。研究发现，小麦冬前分蘖数与第一次刈割的饲草产量密切相关(表4)，表明冬前分蘖直接影响小麦的饲草产量，选择多分蘖品种更有利于在冬前收获更多的鲜绿饲草。此外，小麦刈割后的再生生物量也与分蘖数密切相关(表4)。小麦刈割后的再生能力在一定程度上反映了小麦自身对刈割伤害承受能力的大小，冬小麦刈割后的生长过程中，分蘖能力较强的小麦材料可以通过增加分蘖来提高小麦刈割后再生生物量，具有较强分蘖能力的小麦材料在刈割后发生补偿生长的能力也强于普通分蘖材料，能够最大程度保证后期的籽粒产量。值得注意的是，营养生长前期对小麦进行刈割会导致小麦的春季分蘖数低于正常种植的小麦分蘖数[24]。因此，选择具有较高分蘖数的小麦种质进行饲草生产能够保证小麦的成穗数，进而确保小麦产量不受影响或受影响较小。但是部分种质材料虽然有着很高的冬季分蘖数但是生物量优势不明显如伟隆169等，也有部分种质材料分蘖数不是很突出但生物量却比较大如开麦270等。小麦刈割所得饲草生物量和再生生物量作为饲草型小麦饲草产量的重要指标，分蘖数对其有重要影响，因此，将分蘖数作为饲草型小麦筛选指标之一，与生物量和再生能力相结合，可更加全面地评价饲草型小麦种质。

3.2 小麦刈割后可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性对饲草型小麦种质筛选的影响

刈割对小麦正常生长进程产生了严重的干扰，对植株本身的损伤也影响了植株体内的正常生理生化反应。植物通过调节自身渗透物质和抗氧化酶的活性来提高自身抗逆性，减轻刈割对其生长进程和生理生化反应的影响，同时为冬小麦的安全越冬和早春的恢复生长提供生理基础[12,25]。通过对刈割后可溶性蛋白含量和SOD、POD、CAT酶活性分析，发现可溶性蛋白含量、SOD、POD酶活性与小麦刈割生物量和再生量之间没有显著相关性，而CAT酶活性却与刈割所得生物量呈极显著负相关，可能与刈割后刈割部位内源H2O2含量升高产生局部坏死，以防止进一步的微生物感染有关[26]。本研究还发现叶绿素含量和小麦的刈割生物量、可溶性蛋白含量以及与SOD、POD、CAT酶活性均没有显著相关，却与再生生物量呈现出极显著负相关，我们猜测其原因可能是植株自身叶绿素产生速度有限，而刈割后小麦再生生长速度过快导致叶绿素无法充足供应，因此叶绿素含量与再生生物量呈现极显著负相关。尽管抗氧化酶和可溶性蛋白含量与刈割的饲草产量和小麦再生均无显著的正向联系，但在进行饲草小麦筛选时应尽可能筛选抗氧化酶活性较强，可溶性蛋白含量较高的小麦种质作为饲草小麦使用。此外，影响小麦耐低温胁迫的生理因素较多，在进行饲草小麦筛选时应尽可能将可溶性糖、游离脯氨酸含量等因素考虑在内[27-28]。

3.3 对主因成分分析和系统聚类分析结果的评价

本研究通过对200份小麦种质材料12个测定指标进行对主成分分析和系统聚类分析，得出ZM32、ZM132、ZM27、ZH895、ZH175、ZM33、XY58、XN928这8个种质材料的综合表现较好，适合作为饲草型小麦种质加以利用。但主因成分分析中，作为饲草型小麦筛选的综合评价指标仅有12个，不能完全代表小麦的饲草能力，还应该进一步考虑饲草的营养品质、家畜对不同小麦种质材料饲草的适口性以及饲草型小麦的籽粒产量和品质等指标，才能够更加完善地评价小麦材料是否可以作为粮饲兼用型小麦种质使用。

4 结论

本研究检测了我国黄淮麦区200份小麦种质材料冬前的饲草产量和再生能力、耐冻害胁迫能力，从中筛选出了8个饲草产量较高、刈割后再生能力较强、耐冻害胁迫能力较好的小麦种质，包括ZM32、ZM132、ZM27、ZH895、ZH175、ZM33、XY58和XN928，可以在饲草型小麦生产和育种中使用。此外，小麦的冬前分蘖、可溶性蛋白含量、CAT酶、SOD酶和POD酶活性，对筛选可靠的小麦饲草种质材料具有重要的参考意义。