劉博浩， 崔桂賓， 王京宏， 孫風麗， 張 超， 劉曙東， 奚亞軍*

(1. 西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院, 陜西 楊陵 712100； 2. 陜西省雜交油菜研究中心, 陜西 楊陵 712100)

作物糧飼兼用已經(jīng)在全球多個國家廣泛應用，飼草型小麥不僅可以在飼草短缺的冬春季節(jié)為家畜提供優(yōu)質(zhì)鮮綠飼草，還可通過收獲籽粒來實現(xiàn)農(nóng)戶的雙重收入，提高農(nóng)戶收益，降低了以單一收獲籽粒為目的的生產(chǎn)風險[1-2]。盡管冬小麥已經(jīng)作為糧飼兼用作物在國外被廣泛使用[3-4]，但在我國糧飼兼用型小麥品種和種質(zhì)研究少有報道。蔡士賓等[5]對來自美國和中國共計12份偏春性小麥材料的糧飼兼用性能進行了評價，篩選出了普通小麥品種揚9798，其在冬季可收獲鮮草還略高于牧草冬牧70，每公頃可額外為農(nóng)戶增收1 000元左右。王書文等[6]研究了江蘇淮南地區(qū)小麥品種用于糧飼兼用的生產(chǎn)表現(xiàn)，表明在合適栽培措施下小麥進行糧飼兼用是可行的。此外，在糧飼兼用型小麥種質(zhì)篩選時，應選擇合適的播種時間和刈割時間，以確保飼草小麥可獲得足夠的飼草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。已有研究表明，作物被用作糧飼兼用時，秋季播種有利于加快作物前期生長，能有效減少刈割導致地上部分損傷帶來的不利影響[7-8]，而選擇在分蘗期刈割對植株灌層的生長發(fā)育和后期的籽粒產(chǎn)量影響較小[9-10]。此外，作物進行糧飼兼用的過程中對其地上部分的器官造成損傷，植株刈割后的再生能力決定了其是否可以發(fā)生超補償生長，促進新器官的發(fā)生，進而影響后期的籽粒生產(chǎn)潛力，冬小麥刈割后的飼草產(chǎn)量和刈割后的再生能力可以作為篩選飼草型小麥品種培育及篩選鑒定的指標[11-12]。糧飼兼用型小麥在冬前刈割對小麥是一種機械損傷，刈割后的小麥需要克服低溫凍害脅迫進行補償性生長，在進行飼草型小麥品種培育時，篩選對低溫具有相對較強抵抗能力的小麥對刈割后的小麥維持后期的籽粒生產(chǎn)有利。可溶性蛋白含量、抗氧化酶活性等對小麥抗凍能力具有重要影響，是指示小麥抗凍性的重要指標，可以為冬小麥的安全越冬和早春的恢復生長提供生理基礎(chǔ)[13-15]。本研究通過對200份不同小麥種質(zhì)材料在分蘗期進行刈割處理，基于對刈割后的生物量、再生能力、抗逆性和田間農(nóng)藝性狀的研究，綜合評價和比較不同種質(zhì)間的差異，選出綜合表現(xiàn)較好的小麥種質(zhì)材料，以期為陜西省關(guān)中地區(qū)糧飼型用型小麥品種的選擇和育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和實驗設(shè)計

參與飼草小麥篩選的200份種質(zhì)資源材料名錄見表1，實驗于陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學北校區(qū)試驗田進行(34°17'24.5" N，108°04'05.2" E)。采用盆栽種植方法，將200份小麥材料于2017年9月30日播種于24×24×26 cm的塑料盆中，采用種植基質(zhì)(有機質(zhì)含量≥20%，N-P2O5-K2O≥1.5%，通氣孔隙度≥20%，pH值5.0～8.0)。每個材料種植3盆，每盆均勻種植9株小麥，6株苗刈割，3株苗不刈割作為對照。

1.2 取樣與測定

第一次刈割于2017年12月24日進行，刈割留茬4 cm。第二次刈割于2018年3月22日進行，刈割留茬4 cm。每次刈割完成后迅速將刈割下飼草裝入不透明棕色信封袋中測量鮮重，105℃殺青15 min，62℃烘干至恒重，記錄2次刈割的飼草的鮮重和干重。每次刈割前調(diào)查每個小麥材料每株小麥的分蘗數(shù)。小麥生理指標調(diào)查于第一次刈割后20天進行。葉綠素含量測定使用SPAD 502 Plus手持式葉綠素計(柯尼卡美能達公司，日本)進行，測量長出新葉的葉綠素含量。取刈割后再生的小麥葉片用液氮冷凍后-70℃保存進行抗氧化酶和可溶性蛋白含量測定。測定時，取0.2 g樣品放入預冷的研缽中，加入液氮進行充分研磨，再加入5 mL pH 7.8的磷酸緩沖液浸提10 min震蕩混勻后4℃離心(10 000 r·min-1，20 min)，上清液即為待測液。測定方法參考高俊鳳等[16]編寫的植物生理學實驗指導，超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑光化還原法[17]，以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活力單位計算SOD酶活性。POD和CAT活性參考Chance和Maehly的方法[18]，POD活性以每鐘內(nèi)A470變化0.01的酶量為1個POD活性單位，CAT活性以每分鐘A240減少0.1為1個酶活性單位。可溶性蛋白含量測定采用紫外吸收法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)整理與分析采用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS Statistics 19.0進行。

表1 參試小麥種質(zhì)材料名稱及編號Table 1 The name and number of tested wheat varieties(lines)

2 結(jié)果與分析

2.1 參試小麥材料各性狀和生理指標的基本分析

刈割前與刈割后各小麥性狀和各生理指標見表2。冬前刈割顯著降低了小麥的春季分蘗，平均降低3個以上分蘗。參試小麥的各性狀包括分蘗數(shù)、生物量等指標的變異系數(shù)較大，都在19%以上，具有較大的遺傳差異。其中變異系數(shù)最大的是SOD酶活性，可能與其參與小麥對凍害脅迫的影響有關(guān)。其次是是刈割所得的鮮重和干重，表明不同小麥材料的飼草生產(chǎn)能力具有較大差異，選用不同的小麥材料進行糧飼兼用是有意義的。CAT酶和POD酶活性的變異系數(shù)也相對較大，其與SOD酶一起可能在刈割后維持小麥的再生過程中發(fā)揮重要作用。葉綠素含量的指標差異最小，可能與刈割后再生的小麥皆為新葉有關(guān)。

表2 參試小麥材料的各項指標特征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與其余指標的相關(guān)性分析

參試小麥刈割生物量和再生生物量與其余指標的相關(guān)性分析見表3。第一次刈割所得鮮重和干重均與刈割前冬季分蘗數(shù)、刈割后春季分蘗數(shù)和未刈割小麥的春季分蘗數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；初次刈割所得鮮重與刈割后可溶性蛋白含量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)，與刈割后CAT酶活性呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；初次刈割所得干重與刈割后POD酶活性呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與刈割后CAT酶活性呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)。與再生飼草鮮重呈極顯著相關(guān)關(guān)系的指標中，相關(guān)程度最高的是未刈割春季分蘗數(shù)，表明春季分蘗越多的小麥再生能力更強。由此可見，在進行飼草型小麥種質(zhì)資源篩選時，從飼草產(chǎn)量和刈割后小麥再生程度考慮，應當選擇冬季和春節(jié)皆分蘗旺盛的小麥種質(zhì)。

表3 刈割生物量和再生生物量與其余指標的相關(guān)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(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

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

2.3 參試小麥材料指標的主成分分析

將200份小麥材料的12項指標進行主成分分析，結(jié)果見表4。從表中知，只有F(1)、F(2)、F(3) 和F(4)的特征值大于1，且累積貢獻達到了71.898%，因此提取前四個成分作為主因成分。

表4 參試小麥材料指標的主因成分分析Table 4 Main component analysis of tested wheat varieties (lines)

對各項測定指標進行標準化處理，數(shù)據(jù)標準化處理后每個主因成分對應的指標特征向量和主要成分貢獻率見表5。由表5中可得出4個主要成分F(1) - F(4)的線性組合表達式如下，以F (1)為例：

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 數(shù)據(jù)標準化后的特征向量與主成分貢獻率Table 5 Eigenvector and principal components contribution rate after standardized processing

將標準化后的數(shù)據(jù)帶入F(1)、F(2)、F(3)和F(4)的表達式中，可得到每個小麥材料在四個主要成分中的得分，再計算出每個小麥材料的綜合得分Y(表6)，計算公式為:

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

式中：F(1)、F(2)、F(3)和F(4)的系數(shù)分別為各主要成分的相對貢獻率(各成分貢獻率與4個成分累計貢獻率的比值)。

由表6和表1可知，綜合排名前15位的小麥材料分別為ZM32、ZM132、ZM27、ZM33、XY58、ZH895、ZH175、XN928、陜墾11號、小偃6、周麥16、小偃22、13ZC3、ZK4、SQ19，可以作為飼草型種質(zhì)的候選材料。

表6 200份參試小麥材料的綜合得分Table 6 Comprehensive score of 200 tested wheat germplasms

2.4 參試小麥材料綜合得分的系統(tǒng)聚類分析

根據(jù)歐式距離法對200份小麥材料的綜合得分進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果見圖1。按照距離系數(shù)4進行截取可將200份小麥種質(zhì)分為四大類，分別為I、II、III和IV類，綜合得分IV最高，Ⅰ類和Ⅱ類綜合得分居中，Ⅲ類綜合得分普遍靠后。Ⅳ類包含ZM32、ZM132、ZM27、ZH895、ZH175、ZM33、XY58、XN928 共8個小麥種質(zhì)，均為綜合得分前8位，總體表現(xiàn)較好，適宜作為飼草型小麥種質(zhì)來開發(fā)利用。每個分類的各項指標平均值見表7。4大類各項指標中，除刈割后CAT酶活性和葉綠素含量2項指標外，其余指標均表現(xiàn)為Ⅳ類>Ⅱ類>Ⅲ類>Ⅰ類，基本符合聚類分析結(jié)果。其中CAT酶活性表現(xiàn)為Ⅱ類>Ⅲ類>Ⅰ類>Ⅳ類，葉綠素含量的數(shù)量特征表現(xiàn)為Ⅳ類>Ⅲ類>Ⅱ類>Ⅰ類。綜上所述，IV類小麥種質(zhì)的飼草產(chǎn)量最高、刈割后的再生能力最好，且可溶性蛋白和葉綠素含量最高，POD和SOD酶活性最強，表明其既具有較好的飼草生產(chǎn)和再生能力，同時耐凍害脅迫的能力較強，能夠在冬季刈割后保持相對較高的生長速率。

圖1 系統(tǒng)聚類分析樹狀圖Fig.1 System cluster analysis tree注：品種名稱均以編號代替，編號見表1Note: The name of the cultivars is replaced by the serial number, and the number is shown in Table 1

表7 各項測定指標的綜合比較Table 7 Comprehensive comparison of indicators

指標IndexIIIIIIIV刈割前冬季分蘗數(shù) Tiller number in winter before mowing4.492±0.6705.297±0.7153.798±0.4056.431±0.192刈割后春季分蘗數(shù)Tiller number in spring with mowing7.310±1.2438.313±1.5916.456±1.2318.764±1.809未刈割春季分蘗數(shù)Tiller number in spring without mowing9.848±1.93711.509±2.1878.444±1.67612.583±1.797刈割鮮重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再生鮮重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葉綠素含量Chlorophyll content58.619±2.77357.865±2.89359.920±2.83560.082±2.055

3 討論

3.1 小麥分蘗數(shù)對小麥的飼草產(chǎn)量和再生的影響

將冬小麥在冬春季節(jié)進行刈割或放牧來獲得鮮綠飼草的方式在國外已經(jīng)廣泛應用，但在國內(nèi)還鮮有冬小麥品種可以滿足糧食和飼草生產(chǎn)的雙重需求[20-21]。小麥冬前分蘗是小麥生物量的形成基礎(chǔ)，同時也是籽粒產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[22-23]。研究發(fā)現(xiàn)，小麥冬前分蘗數(shù)與第一次刈割的飼草產(chǎn)量密切相關(guān)(表4)，表明冬前分蘗直接影響小麥的飼草產(chǎn)量，選擇多分蘗品種更有利于在冬前收獲更多的鮮綠飼草。此外，小麥刈割后的再生生物量也與分蘗數(shù)密切相關(guān)(表4)。小麥刈割后的再生能力在一定程度上反映了小麥自身對刈割傷害承受能力的大小，冬小麥刈割后的生長過程中，分蘗能力較強的小麥材料可以通過增加分蘗來提高小麥刈割后再生生物量，具有較強分蘗能力的小麥材料在刈割后發(fā)生補償生長的能力也強于普通分蘗材料，能夠最大程度保證后期的籽粒產(chǎn)量。值得注意的是，營養(yǎng)生長前期對小麥進行刈割會導致小麥的春季分蘗數(shù)低于正常種植的小麥分蘗數(shù)[24]。因此，選擇具有較高分蘗數(shù)的小麥種質(zhì)進行飼草生產(chǎn)能夠保證小麥的成穗數(shù)，進而確保小麥產(chǎn)量不受影響或受影響較小。但是部分種質(zhì)材料雖然有著很高的冬季分蘗數(shù)但是生物量優(yōu)勢不明顯如偉隆169等，也有部分種質(zhì)材料分蘗數(shù)不是很突出但生物量卻比較大如開麥270等。小麥刈割所得飼草生物量和再生生物量作為飼草型小麥飼草產(chǎn)量的重要指標，分蘗數(shù)對其有重要影響，因此，將分蘗數(shù)作為飼草型小麥篩選指標之一，與生物量和再生能力相結(jié)合，可更加全面地評價飼草型小麥種質(zhì)。

3.2 小麥刈割后可溶性蛋白含量和抗氧化酶活性對飼草型小麥種質(zhì)篩選的影響

刈割對小麥正常生長進程產(chǎn)生了嚴重的干擾，對植株本身的損傷也影響了植株體內(nèi)的正常生理生化反應。植物通過調(diào)節(jié)自身滲透物質(zhì)和抗氧化酶的活性來提高自身抗逆性，減輕刈割對其生長進程和生理生化反應的影響，同時為冬小麥的安全越冬和早春的恢復生長提供生理基礎(chǔ)[12,25]。通過對刈割后可溶性蛋白含量和SOD、POD、CAT酶活性分析，發(fā)現(xiàn)可溶性蛋白含量、SOD、POD酶活性與小麥刈割生物量和再生量之間沒有顯著相關(guān)性，而CAT酶活性卻與刈割所得生物量呈極顯著負相關(guān)，可能與刈割后刈割部位內(nèi)源H2O2含量升高產(chǎn)生局部壞死，以防止進一步的微生物感染有關(guān)[26]。本研究還發(fā)現(xiàn)葉綠素含量和小麥的刈割生物量、可溶性蛋白含量以及與SOD、POD、CAT酶活性均沒有顯著相關(guān)，卻與再生生物量呈現(xiàn)出極顯著負相關(guān)，我們猜測其原因可能是植株自身葉綠素產(chǎn)生速度有限，而刈割后小麥再生生長速度過快導致葉綠素無法充足供應，因此葉綠素含量與再生生物量呈現(xiàn)極顯著負相關(guān)。盡管抗氧化酶和可溶性蛋白含量與刈割的飼草產(chǎn)量和小麥再生均無顯著的正向聯(lián)系，但在進行飼草小麥篩選時應盡可能篩選抗氧化酶活性較強，可溶性蛋白含量較高的小麥種質(zhì)作為飼草小麥使用。此外，影響小麥耐低溫脅迫的生理因素較多，在進行飼草小麥篩選時應盡可能將可溶性糖、游離脯氨酸含量等因素考慮在內(nèi)[27-28]。

3.3 對主因成分分析和系統(tǒng)聚類分析結(jié)果的評價

本研究通過對200份小麥種質(zhì)材料12個測定指標進行對主成分分析和系統(tǒng)聚類分析，得出ZM32、ZM132、ZM27、ZH895、ZH175、ZM33、XY58、XN928這8個種質(zhì)材料的綜合表現(xiàn)較好，適合作為飼草型小麥種質(zhì)加以利用。但主因成分分析中，作為飼草型小麥篩選的綜合評價指標僅有12個，不能完全代表小麥的飼草能力，還應該進一步考慮飼草的營養(yǎng)品質(zhì)、家畜對不同小麥種質(zhì)材料飼草的適口性以及飼草型小麥的籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)等指標，才能夠更加完善地評價小麥材料是否可以作為糧飼兼用型小麥種質(zhì)使用。

4 結(jié)論

本研究檢測了我國黃淮麥區(qū)200份小麥種質(zhì)材料冬前的飼草產(chǎn)量和再生能力、耐凍害脅迫能力，從中篩選出了8個飼草產(chǎn)量較高、刈割后再生能力較強、耐凍害脅迫能力較好的小麥種質(zhì)，包括ZM32、ZM132、ZM27、ZH895、ZH175、ZM33、XY58和XN928，可以在飼草型小麥生產(chǎn)和育種中使用。此外，小麥的冬前分蘗、可溶性蛋白含量、CAT酶、SOD酶和POD酶活性，對篩選可靠的小麥飼草種質(zhì)材料具有重要的參考意義。