1、1小麦抗穗发芽种质筛选与新品系的抗穗发芽性鉴定 于春泉 1 阮仁武 1 余国东 2 张世平 3 宗学凤 1 张建奎 1*1 西南大学 农学与生物科技学院，重庆 400715 2 重庆市农业科学院，重庆，4000553 重庆市三峡农业科学院，重庆，404001摘要：为评价小麦新品系的抗穗发芽性状况及筛选抗穗发芽种质资源，对 2007-2008 年度国家冬小麦（长江上游组）区域试验和重庆市小麦区域试验的参试品系、部分自育新品系及种质资源，在成熟收 获后测定了其籽粒发芽率、种子多酚氧化酶（PPO）活性和邻苯二酚种皮染色值。结果表明，参 试品种（系）间籽粒发芽率、多酚氧化酶活性、邻 苯二酚种皮染色 值
2、存在极显著差异；籽粒发芽率与 PPO 活性及籽粒 邻苯二酚染色值呈极显著的正相关；聚类分析把参试的 39 份小麦品种（系）分为 3 类并鉴定出黑粒小麦 76、漯珍 1 号等几份材料具有很强的抗穗发芽能力，可在小麦抗穗发芽育种上应用。关键词：小麦；穗发芽；多酚氧化酶小麦收获前遇到阴雨天气易发生穗发芽，导致小麦的产量降低和加工品质、营养品质及利用价值的下降。我国长江中下游冬麦区、西南冬麦区及东北春麦区频繁发生，尤其是重庆地区灾害尤其严重。由于穗发芽导致的经济损失很大，且穗发芽是一种气候灾害，当今科技还不能控制气候的变化，因此生产上只有依靠品种本身的能力抵御穗发芽 1。为了培育出抗穗发芽的高产优质小
3、麦品种，国内外已有不少对小麦穗发芽抗性方面的研究报道 2-4。闫长生等 5用发芽率和面粉降落值法研究了西南冬麦区小麦的穗发芽抗性，结果表明进入 20 世纪 90 年代以后的小麦品种对穗发芽较敏感，抗性水平相对较低。王凤宝等 6利用微喷人工降雨法研究了小麦籽粒中多酚氧化酶（PPO）活性与穗发芽抗性间的关系，结果表明 PPO 活性与穗发芽抗性间呈显著正相关，即 PPO 活性越强，小麦穗发芽抗性越强。王凤宝等 7建立了小麦抗穗发芽酶反应标记选择法，分析了小麦籽粒染色程度与穗发芽抗性间的关系。在小麦穗发芽抗性的分子生物学方面，已经确定淀粉酶抑制剂基因调控 -淀粉酶的合成，进而影响穗发芽的发生。小麦大麦
4、和黑麦中的 -淀粉酶抑制剂对小麦的 -淀粉酶都有抑制作用，其中大麦的 -淀粉酶抑制作用最强 8-10。重庆是小麦穗发芽的重灾区之一，对其主要推广品种、新品系及亲本资源的穗发芽抗性还缺乏相关的研究报道。本文对参加 2007-2008 年度国家冬小麦（长江上游组）区域试验和重庆市小麦区域试验的材料、部分自育新品系及种质资源的穗发芽抗性进行了鉴定、分析，旨在为重庆小麦抗穗发芽育种提供参考。1 材料与方法1.1 试验材料参试材料为参加2007-2008年度国家冬小麦（长江上游组）区域试验和重庆市小麦区域试验的材料以及部分自育新品系和种质资源，具体名称见表1。2007年11月种植于重庆北碚西南大学实验农
5、场，采用小区条播，随机区组设计，统一常规技术进行田间管理。1.2 测定方法基金项目：重庆市科委科技攻关项目和西南大学博士基金项目。作者简介：于春泉，1982-，男， 吉林省公主岭市人，硕士研究生，主要从事种子工程研究。 *通讯作者：张建奎，副教授。21.2.1 种子发芽率测定 在小麦完熟收获后立即进行种子发芽率鉴定,每品种 3 次重复, 每盘 100 粒,用0.1% HgCl2 消毒 35min ,净水冲洗后放在铺有 2 层滤纸的培养皿中,籽粒胚朝上排好,加入适量无菌水,置室温下发芽,7 d 后统计发芽率。1.2.2 种子邻苯二酚种皮染色值的测定 用邻苯二酚作底物, 配成浓度为0.0625%、
6、0.125% 、0.25%、0.5%和1%的溶液, 浸种时间为10、20 、30、60 和120 min, 根据种子颜色分级要求及对种子发芽率的影响确定其适浓度和处理时间。种子分为4级：1级为不染色。2级为浅黑色,3级为中黑色,4级为深黑色。不同品种用同一比色标准。1.2.3 多酚氧化酶活性的测定 用分光光度法。每品种取20粒种子，在万分之一电子天平上称重,分别加5 mL 蒸馏水浸泡25h，取1mL浸提酶液和2mL邻苯二酚(100mmol/L)于37水浴中保温10min，然后在比色皿中混合, 405nm波长下测定 5min 吸光值的变化。在室温20下,每克籽粒每分钟吸光值上升0.001定义为1
7、个酶活性单位 (单位AU,absorbance unit) ，PPO的活性表示为 A103AU/min/g (A为5min内吸光度的变化)。2 结果与分析2.1 参试小麦品种(系)的种子发芽率参试小麦品种(系)种子发芽率的平均值为50.9%，极差为67%，变异系数为32% ；发芽率较高的品种（系）有031-1（91%）、河东乌麦（88%）、川麦107（87% ）、绵阳26（73.3% ）等；发芽率较低的品种（系）有黑粒小麦76（24% ）、05-083 （26%）、4336（30%）、陕糯1号（31% ）等。大多数品种(系) 处于中间水平 (表1)。表1 不同小麦品种( 系) 种子多酚氧化酶活
8、性、染色色级和种子发芽率测定结果编号 品种( 系) 籽粒颜色 种子发芽 率/% 邻苯二酚种皮染色色 级 PPO活性 /AUmin-1g-11 绵阳26 白粒 73.3 3 72.22 MY05Z-13 白粒 65 4 61.23 MY05Z-19 白粒 60 4 54.84 Y76-4-1 紫黑粒 60 3 49.85 Y76-4-3 紫黑粒 50 3 55.66 Y-2 紫黑粒 61 3 54.67 Y-3 紫黑粒 48 3 58.38 Y24-2 紫黑粒 59 4 40.79 7181-1 白粒 48 3 36.610 HW1 白粒 59 4 41.211 B2183 白粒 56 4 45
9、12 绵2002-5 白粒 49 3 39.213 川农16 红粒 42 3 34.114 J210 白粒 33 3 31.415 SW18390 白粒 41 3 32.616 4336 红粒 30 3 34.217 05-D.H.2062 白粒 38 3 30.418 MY1848 白粒 38 3 47.419 B7094 白粒 48 3 25.820 云选2号 白粒 51 3 65.121 川05观8 红粒 60 4 58.622 CD1437 白粒 54 3 42.923 30482 红粒 36 3 25.324 川育30389 白粒 39 3 28.825 SW05-2962 白粒 4
10、5 3 37.1326 SH519 红粒 35 2 35.327 MY05Z8 白粒 51 3 47.328 05-083 白粒 26 2 31.529 R210 白粒 67 4 57.430 L-28 白粒 50 3 6831 渝03062 白粒 42 3 35.532 漯珍1号 深紫粒 33 2 23.333 黑粒小麦76号 紫黑粒 24 2 18.234 河东乌麦 蓝粒 88 4 78.735 陕糯1号 白粒 31 2 33.336 川麦107 白粒 87 4 85.837 031-1 蓝粒 91 4 98.638 糯麦选 白粒 69 4 64.639 032-1 紫粒 49 3 57.
11、92.2 参试小麦品种(系)的籽粒多酚氧化酶活性参试小麦品种(系)的多酚氧化酶活性的平均值为47.1AUmin -1g-1；最高值为031-1的98.6 AUmin -1g-1，最低值为黑粒小麦76的18.2 AUmin -1g-1；其余较高的品种有川麦107的85.8 AUmin -1g-1，较低的材料有30482的25.3 AUmin -1g-1 、B7094 的25.8 AUmin -1g-1和川育30389的28.8 AUmin -1g-1 (表1)，参试小麦品种( 系) 的多酚氧化酶活性的极差为80.4AUmin -1g-1，变异系数为39%。2.3 参试小麦品种(系)的邻苯二酚染色
12、值染色色级参试小麦品种(系)的邻苯二酚染色色级的平均值为3.2；最高值为 4级的品种(系)为MY05Z-13、MY05Z-19 、Y24-2 、HW1、B2183、川05观8、 R210、河东乌麦、031-1 、糯麦选及川麦107。最低值为2级的SH519 、05-083、陕糯 1号、漯珍1号和黑粒小麦76号 (表1)，参试小麦品种(系)的邻苯二酚染色色级的极差为2，变异系数为20%。2.4 小麦的种子多酚氧化酶活性、染色色级和穗发芽率之间的关系从39个小麦品种（系）种子的邻苯二酚染色色级、PPO活性及发芽率结果（表1）可以看出,染色越浅即染色色级越小的品种(系 )种子发芽率越低；相反,染色越
13、深或染色色级越大的品种 (系)种子发芽率越高。相关分析表明, 种子发芽率与染色色级、多酚氧化酶活性间的相关系数分别为0.78 (p0.01) 、0.87 (p0.01)。2.5 参试小麦品种(系)的聚类分析用参试材料的籽粒发芽率、PPO 活性及邻苯二酚染色值结果，采取数据标准化处理，用欧氏距离最短距离法对 39 个小麦品种( 系) 进行聚类分析(图 1)，当类间距离为 1.41 时，39 个供试材料可分为 3 大类，从上至下依次标注为、。第类品种(系) 包括：绵阳 26、Y76-4-1 、Y-2、Y-76-4-3、Y-3 、032-1、云选 2 号、L-28、7181-1 、绵 2002-5、
14、SW05-2962、川农 16、渝 03062、SW18390、05-D.H.2062、川育30389、30482、J210、4336、CD1437、MY05Z8、B7094、MY1848；第类品种 (系)包括：MY05Z-13、R210 、糯麦选、MY05Z-19、川 05 观 8、Y24-2、HW1、B2183、河东乌麦、川麦 107、031-1；第类品种( 系) 包括：SH519、陕糯 1 号、05-083、漯4珍 1 号、黑粒小麦 76 号。第类群的籽粒发芽率、PPO 活性及邻苯二酚染色值较低，抗穗发芽性较强；第类群的籽粒发芽率、PPO 活性及邻苯二酚染色值较高，抗穗发芽性较弱；第类群
15、居于第类和第类之间。图 1 39 个小麦品种( 系)的籽粒发芽率、PPO 活性及邻苯二酚染色值的聚类分析3 结论与讨论小麦收获前穗发芽每年给小麦生产造成严重的经济损失，选育抗穗发芽品种是减轻和避免穗发芽危害的简便、有效途径，引起了国内外植物育种家和生理学家的广泛关注。小麦穗发芽受多种因素影响，除成熟期遇雨或潮湿环境等外部原因外，穗发芽发生与小麦的穗部形态和种子的休眠特性、吸水特性、内源激素、-淀粉酶活性、多酚氧化酶活性等生理遗传特性有密切关系。不同品种可能具有不同的抗性因子, 抗性材料间的抗性因子也会不同 11-13。对小麦推广品种、新品系和亲本资源的穗发芽及其有关生理指标进行鉴定，可为小麦抗
16、穗发芽育种提供依据。王凤宝等研究表明，多酚氧化酶( PPO)活性与小麦抗穗发芽有密切关系,可以用作预测小麦抗穗发芽能力的指标,并且利用该指标选育出了高抗穗发芽的小麦新品种秦麦 3 号 6。关于小麦种子 PPO 活性与穗发芽之间关系的机理研究较少。Weidner 等 16研究结果表明，酚类物质对小麦种子的休眠有显著的抑制作用,特别是其中的咖啡酸、P- 香豆酸、阿魏酸、芥子酸。魏海蓉等 17通过分析甜樱桃芽自然休眠期间酚类物质含量及相关酶活性的变化动态表明,酚类物质的增加促使进入自然休眠, 酚类物质的降低,诱导自然休眠的结束,因此认为酚类物质是休眠的抑制物质。杨晓玲等 18研究结果表明酚类物质含量
17、与山楂种子休眠有关系,其含量高不利于种子萌发,而含量低则有利于萌发,酚类物质是山楂种子发芽的抑制物质。种子中多酚氧化酶活性有可能通过影响种子中酚类物质含量而影响穗发芽。关于 PPO 活性与穗发芽之间关系的机理还有待于进一步研究。王凤宝等研究了用邻苯二酚作底物进行多酚氧化酶生化染色标记与穗发芽之间的关系，结果表明,小麦穗发芽率与酶反应生化标记后的种子色级存在极显著的正相关,生化标记后颜色越深的材料越不抗穗发芽,不染色或染色浅的低酚酶活性种子具有较强的抗穗发芽性 7。邻苯二酚染色法原理是邻苯二酚在小麦籽粒皮层酚酶作用下氧化成为黑色,由于不同品种酚酶活性不同,在邻苯二酚作用下呈现深浅不同的颜色。利用
18、酶反应标记选择法辅助小麦抗穗发芽育种具有简便、快速、不破坏籽粒和低成本的特点,本研究中用邻苯二酚测定小麦穗发芽抗性，测定值与发芽率测定值呈极显著正相关，表明用邻苯二酚染色能表示种子发芽抗性的强弱，测定结果与前面两种的测定结果大致相似。小麦抗穗发芽育种进展缓慢，其主要原因是抗源缺乏，特别是在白粒品种中，仅有很少的品种表现较抗穗发芽，主要分布在西南和黄淮冬麦区 19-22。目前推广品种抗穗发芽性较弱的主要原因：一是现代栽培制度需要较短的休眠期，导致新品种抗穗发芽能力的下降，二是进入 20 世纪 80 年代以后，面粉加工业和农户更偏爱出粉率高的白粒小麦品种，使小麦生产中的穗发芽问题日趋严重。本研究中
19、也体现这一规律，大多数品种抗穗发芽能力较弱，只有少数几个品种有较强抗性。对现有小麦推广品种、新品系和亲本资源进行广泛鉴定和筛选，寻找抗穗发芽资源具有重要意义，本试验供试材料数量有限，还需进一步扩大鉴定、筛选范围。参考文献1 张建奎，张海峰，巩桂芳小麦种子穗发芽化学防治研究J种子，1998， （1）：32-352 原亚萍，陈 孝，肖世和.小麦穗发芽的研究进展J.麦类作物学报, 2003，23(3)：136-1393 肖世和, 张秀英.白粒小麦抗穗发芽遗传育种的研究J.作物杂志, 1999，(2)：5-64 兰秀锦, 王志容.小麦抗穗发芽的鉴定及其灌浆过程中胚、种皮和颖壳三因素与籽粒发芽率的关系
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26、Sprouting Resistance in WheatYU Chun-quan1, RUAN Ren-wu1, YU Guo-dong2, ZHANG Shi-ping3, ZONG Xue-feng1, ZHANG Jian-kui 1* 1School of Agronomy and Biotechnology, Southwest University; Chongqing 400716; 2Chongqing Academy of Agricultural Sciences, Chongqing 400055;3 Academy of Agricultural Sciences,
27、Chongqing Three-gorges; Chongqing 404001Abstract: In order to evaluate the resistance ability of new wheat strains and screen germplasm resources with resistance ability on pre-harvest sprouting, we identified the pre-harvest sprouting resistance of wheat materials, including the new strains in the
28、national wheat regional test in upper Yangtze River region in 2007-2008, the new strains in the Chongqing wheat regional test in 2007-2008, some new strains breeding by us and some germplasm resources stored by us, using the indices as the seed germination rate, the activities of polyphenol oxidase
29、of seed and the stained value of seed coats by catechol. The results showed that the tested wheat cultivars or lines had significant difference in the aspects of seed germination rate, activity of polyphenol oxidase of seed and stained value of seed coats by catechol. The activity of polyphenol oxid
30、ase of seed and 6stained value of seed coats by catechol showed significant positive correlations to the seed germination rate at p0.01. All the materials were classified into three categories by cluster analysis. The wheat materials HLXM-76, Luozhen-1, etc. had strong resistance ability on pre-harvest sprouting, and they could be applied in the breeding program for pre-harvest sprouting resistance in wheat.Key words: wheat (Triticum aestivum L.); sprouting; polyphenol oxidase
