郑少萌，许为钢，方宇辉，李正玲，李春鑫，张 煜，齐学礼

(1.河南农业大学农学院，河南郑州 450002； 2.河南省农业科学院小麦研究所/小麦国家工程实验室/农业部黄淮中部小麦生物学与遗传育种重点实验室/河南省小麦生物学重点实验室，河南郑州 450002)

春化和光周期是小麦的基本生物学特性，不同地区的冬小麦品种因其所处的冬季低温环境和春季日照长度的差异，经长期的演化形成了不同的生态类型[1]。我国冬小麦品种的春化特性自北向南由冬性逐渐过渡到春性，光周期反应自北向南由敏感逐渐过渡到不敏感。春化特性和光周期特性不仅与品种的生态适应性有关，也与品种发育节律、产量器官的建构密切关联。因此，人们在进行小麦品种改良的过程中就有意识或无意识地对品种的春化特性和光周期特性进行了选择。研究小麦的春化特性和光周期特性的遗传改良状况，不仅有利于明确特定地区的小麦基本生态类型，也影响到育种家对产量器官形态建成的思考。

早在20世纪50年代，我国学者就对农家种及当时已有的改良品种的春化特性和光周期特性进行了分析，并把我国小麦冬春性划分为冬性、半冬性和春性，将光周期特性划分为光敏感型、光迟钝型和中间型[2]。黄季芳等[3]通过将我国秋播小麦品种在自然条件下春播的抽穗期与经过充分春化处理后春播的抽穗期进行对比，把小麦划分为强冬性、冬性、弱冬性和春性四类。20世纪80年代苗果园等[4]又将我国小麦划分为强春性、春性、冬春性、冬性、强冬性和超强冬性六种类型。春化特性和光周期特性的主要生物学意义是控制品种的发育节律，使其适应所处地区的光温生态条件，是一定生态区小麦品种生态类型的基本特性。例如，在低纬度地区，冬季无严寒，有利于春性和光周期不敏感型品种冬春季生长；而在高纬度地区，种植光周期敏感型品种可推迟拔节，防止小麦过早形成花器官，从而避免早春霜冻的伤害[5]。春化作用不但影响幼穗分化起始，也通过影响小穗分化进程间接影响小穗数和小花数。光周期主要是诱导小麦小穗、小花原基的分化，连续光照加速其分化，短日照则抑制分化[6]。至今为止，人们已在普通小麦中发现5个春化基因和3个光周期基因，并开发出了相应的分子标记[7-10, 14]。

本研究通过对河南省70年来大面积种植品种的春化特性和光周期反应特性的测定与分析，明确河南省小麦品种春化特性和光周期特性的演变状况，探讨河南省小麦品种春化特性和光周期反应特性的改良策略，以期为小麦品种的选育提供相关依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦品种为30个，20世纪40年代以来河南省历次品种更换中主要栽培品种(表1)。

1.2 春化特性和光周期特性的离析试验

参考苗果园等[11-12]的方法进行春化特性和光周期特性离析试验。

1.2.1 春化特性离析试验

供试品种各取30粒种子，经0.5%的过氧化氢处理8 h后，用清水冲洗3～5次放入20 ℃发芽箱，待萌动露白后均匀播于装有草炭土与蛭石比例为3∶1的直径为20 cm的培养皿中，置于0～4 ℃ 暗处理90 d以完成春化过程。处理期间每隔7 d浇水一次。

将春化处理后的材料移栽于40 cm×60 cm的种植箱内，每品种种植25株。以同样的种植规格播种各供试品种未经春化处理的种子。将经过春化处理和没有经过春化处理的材料同时置于人工气候室内，环境条件设定为光照强度1 000 mol·m-2·s-1，光照时长20 h·d-1，温度23±2 ℃。记载所有供试品种经过春化处理和未经过处理的出苗至抽穗的天数(苗穗期)。品种春化特性试验苗穗期=未经春化处理的苗穗期-春化处理的苗穗期。

1.2.2 光周期特性离析试验

供试品种各取60粒种子，采用前述方法进行春化处理。将经春化处理的每品种的种子分成2份，播种于两个40 cm×60 cm的种植箱内，规格同于春化特性离析试验，其中一份放置于光照时间为20 h·d-1的人工气候室内，另外一份放置于光照时间为6 h·d-1的另一间人工气候室内，除光照时间外其他时段严格避光，室温均为23±2 ℃。分别记载所有供试品种20 h·d-1光照处理和6 h·d-1光照处理的出苗至抽穗的天数(苗穗期)。品种光周期特性离析试验苗穗期=6 h·d-1处理的苗穗期-20 h·d-1处理的苗穗期。

表1 供试品种名称和年代Table 1 Name and years of variety in the study

1.2.3 人工气候室的栽培管理

每间隔2 d定量浇水一次，于4～6叶期和拔节期各追施尿素一次，并喷施多菌灵预防白粉病，在孕穗中期喷施蚍虫啉防治蚜虫。

1.3 田间试验与穗发育观察

2015年10月19日将所有供试品种播种于河南省农业科学院原阳试验基地(河南省新乡市平原新区，东经113°40，北纬35°00，海拔77 m)，2016年6月10日前后收获。试验采取随机区组设计，3次重复，小区面积6.67 m2，行长4.25 m，行距0.23 m，田间管理同一般大田管理。

从出苗后第10天开始每隔3 d对全部供试材料取样观察穗分化进展，并记载叶龄，冬季取样间隔时间延长至7 d。穗分化观察方法与记载标准按崔金梅[13]的方法进行。

1.4 春化基因和光周期基因的检测

于各品种两叶一心时期剪取3片叶片，采用改良后的CTAB法提取基因组DNA。

采用VRN-A1、VRN-B1、VRN-D1和VRN-B3共4个春化基因的11对分子标记对供试材料的春化基因进行检测。引物由上海生工生物技术服务有限公司合成，PCR反应体系以及反应程序参考Yan等[14]和Fu等[15]的方法。春化基因中Vrn-A1位点检测时，引物VRN1AF/VRN1INT1R的扩增产物用2%的琼脂糖凝胶电泳检测，120 V电压下电泳40～60 min。其他春化基因引物的扩增产物用1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测，120 V电泳30～40 min。

采用Ppd-A1、Ppd-B1和Ppd-D1共3个光周期基因的5对分子标记对供试材料的光周期基因进行检测。光周期基因中Ppd-A1a基因的扩增产物以2.5%的琼脂糖凝胶电泳检测，120 V电压下电泳40～60 min。其他光周期基因引物扩增产物以1%的琼脂糖凝胶电泳检测，120 V电泳30～40 min。缓冲体系都为1×TBE溶液，DNAGREEN染色，用BIO-RAD凝胶成像系统扫描成像存入计算机，统计结果。

1.5 数据处理

数据的相关统计用Microsoft Office Excel 2010。

2 结果与分析

2.1 春化特性和光周期特性的离析试验结果

在春化特性离析试验中，苗穗期大于60 d的品种为5个，分别为20世纪40年代大面积种植的地方品种葫芦头和21世纪大面积种植的周麦18、郑麦366、矮抗58、郑麦22(图1)。苗穗期小于30 d的品种为6个，分别为20世纪60年代的阿勃、内乡5号、博爱7023，70年代至80年代的郑引1号、90年代的豫麦18和21世纪初期的郑麦9023，其他19个品种的苗穗期均在30 d至60 d之间。总体而言，春化特性离析试验的苗穗期随着年代的推移表现出“长和较长→较长和短→长和较长”的变化趋势。这表明，在河南省的小麦品种演变过程中，品种的冬性程度表现出由强减弱再增强的变化趋势，这与该区域晚茬小麦的面积变化有关。

光周期特性离析试验中，在品种间苗穗期的差异明显小于春化特性离析试验中的品种间差异(图1)。在8个供试的20世纪40年代地方品种和50年代品种中，有4个品种的苗穗期大于50 d，1个品种大于40 d，8个品种的平均值为46 d。而在20世纪60年代至80年代的12个品种中，丰产3号苗穗期较短(为23 d)，其余品种苗穗期均在50～30 d之间。在20世纪90年代至21世纪的10个供试品种中，郑麦7698的苗穗期为45 d，相对其他同年代品种表现较长，其余9个品种的苗穗期均在40～19 d之中。总体而言，光周期离析试验的苗穗期随着年代的进替表现出“长→较长→短”的变化趋势。这表明河南省小麦品种在演变过程中对光周期要求的敏感程度逐渐降低。

图1 供试材料春化特性和光周期特性离析苗穗期

2.2 春化特性、光周期特性与穗分化时段长短的相关性

为了减小田间温度变化对供试品种穗分化时段长短的影响，以>0 ℃的有效积温作为供试品种穗分化长短的度量指标。表2列出了30个供试品种穗分化时段>0 ℃的有效积温。经对春化特性离析苗穗期、光周期特性离析苗穗期与品种各个穗分化时段长短进行相关性分析，品种的春化特性与播种至伸长始期的有效积温呈极显著正相关，与单棱始期至二棱始期的有效积温呈极显著负相关(表3)，相关系数分别为0.725和-0.561，说明品种春化特性对发育进程的影响时段为播种至单棱分化结束，并以播种至穗分化始期为最主要的影响时期，品种的冬春性是影响品种进入穗分化时间的主要因素。光周期特性与二棱始期至小花始期以及小花始期至雌雄蕊始期的有效积温均呈极显著正相关，与雌雄蕊始期至开花期呈极显著负相关，相关系数分别为0.507、0.836和-0.920，表明品种的光周期特性主要影响二棱期之后的穗分化时期，影响着品种穗分化的结束时间。

2.3 不同品种春化特性和光周期类型分析

依据品种的春化特性和光周期特性苗穗期，将供试品种可以划分为偏春性光不敏感型①、偏春性光敏感中间型②、半冬性光不敏感型③、半冬性光敏感中间型④、半冬性光敏感型⑤、冬性光不敏感型⑥、冬性光敏感中间型⑦、冬性光敏感型⑧和强冬型光敏感型⑨共九种类型(图2)。

表2 供试材料不同穗分化时段>0 ℃的有效积温Table 2 Temperature accumulation(>0 ℃) of spike development periodsof wheat varieties

表3 春化特性离析苗穗期、光周期特性离析苗穗期与穗分化主要时段积温的相关性Table 3 Correlation between the seedling-heading period from inspection of vernalization and photoperiodism and the temperature accumulation of spike development

**:P<0.01.

2.4 春化基因、光周期基因与品种冬春性、感光性的分析

经检测，供试品种中，偏春性品种春化基因组合为vrn-A1+Vrn-B1+vrn-D1或vrn-A1+vrn-B1+Vrn-D1a；半冬性品种基因型组合为(〗vrn-A1+vrn-B1+Vrn-D1b或vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1；冬性品种基因型组合为vrn-A1+(〗vrn-B1+vrn-D1或vrn-A1+vrn-B1+Vrn-D1b；强冬型品种基因型组合为vrn-A1+vrn-B1+vrn-D1(表4)。上述结果表明，显性Vrn-B1基因和显性Vrn-D1a基因在偏春性品种中被检测出，同时含有Vrn-B1位点的品种苗穗期明显比含有Vrn-D1a位点的品种苗穗期短，说明Vrn-B1位点对小麦冬春性的影响比Vrn-D1a位点大。含有Vrn-D1b基因的13个品种中12个为半冬性品种，1个为冬性品种；检测位点全为隐性的11个品种中，5个为半冬性品种，6个为冬性品种，其中有1个为强冬性品种。故就本研究结果而言，Vrn-B1和Vrn-D1a位点可以作为检测偏春性品种的依据，而Vrn-D1b和vrn-D1位点则无法区分品种的冬春性。

图2 河南省小麦品种春化特性和光周期特性的分类

从供试品种光周期分类与光周期基因检测结果(表5)看，光敏感型品种基因组合为Ppd-A1a+Ppd-D1b；中间类型品种基因组合为Ppd-A1a+Ppd-D1a；不敏感型品种基因组合为Ppd-A1a+Ppd-D1a。在本研究材料中，只有Ppd-D1位点存在差异。当Ppd-D1位点为Ppd-D1b时，材料为光敏感品种，而Ppd-D1位点为Ppd-D1a时包含不敏感类型和中间类型的材料。该结果表明，Ppd-D1b可以用来检测光性敏感材料，而Ppd-D1a则无法区分感中间类型和不敏感型材料。

3 讨 论

3.1 小麦品种春化特性与光周期特性主要敏感时期的分析

自20世纪30年代植物阶段发育理论被提出以来，各国学者对小麦春化反应、光周期反应及其对品种形态建成影响等方面做了大量研究。早期研究指出，小麦生长锥的伸长是冬小麦通过春化的标志[15]。在宁夏银川等地的3年田间试验结果显示，未通过春化的小麦品种全部顺利通过伸长期，多数停留在单棱期，因此认为二棱期是小麦通过春化的标志[16]。许多研究发现,品种对低温最敏感的时期是单棱期。本研究表明，品种冬春性主要表现在播种至伸长始期以及单棱期(单棱始期至二棱始期)的长短不同，即品种冬性越强，播种至单棱结束分化的时段越长，低温春化主要影响的是二棱期之前的时间长短。

表4 供试材料冬春性及春化基因型组合Table 4 Combinations of vernalization gene and growth habit of the tested

表5 供试材料感光性与光周期基因型组合Table 5 Combinations of photoperiod gene and growth habit of the tested

在小麦阶段发育中，单棱期是光照阶段的始期，也有人认为光照阶段结束于雌雄蕊原基分化形成期[6]。还有研究指出,小麦的光照阶段开始和结束时间分别是二棱期和小花分化或雌雄蕊分化期[17]。本研究中，品种光周期特性的差异主要表现在二棱期之后的穗分化发育时期。由于本研究没有对雌雄蕊原基分化期及其以后的穗分化进程进行观察，因此无法确定光周期的结束时间与小麦幼穗分化的关系，这有待于进一步的研究。

3.2 河南小麦品种春化特性和光周期特性育种策略的思考

小麦品种的春化特性、光周期特性与品种的耐寒性、抗倒春寒能力密切相关，同时又与分蘖特性、穗分化持续期等形态建成有关。其改良的原则是尽可能地通过适宜的春化特性和光周期特性来调控发育节律，在避免冬季冻害和倒春寒的基线上，获得利于高产的形态建成。结合生产上冻害及倒春寒发生时的实际情况来分析，本研究春化特性离析试验中苗穗期少于30 d的品种(阿勃、内乡5号、博爱7023、郑引1号、豫麦18和郑麦9023)均为春性品种，在河南省早播时冬季易出现冻害。目前，河南省已基本不存在耕作制度上要求的晚播小麦。同时，冬性品种进入穗分化较迟，也不利于获得较长的穗分化持续期。所以，育种中以本研究春化离析苗穗期30～60 d的半冬性偏春类型为宜(如豫麦21、豫麦49、郑麦7698等)。

虽然河南省70年来小麦品种的光周期敏感性逐步趋弱，但从防止过早拔节、避免倒春寒和延长穗分化持续期、增加穗粒数的角度来看，河南省小麦品种不宜继续弱化光周期反应特性，而应在不晚熟、增强后期耐高温的基础上，适当增强品种光周期反应的敏感性，育种中以本研究光周期离析苗穗期不低于30 d为宜，以通过增强光周期反应的敏感性，推迟拔节，减小倒春寒危害风险，并延长穗分化持续期，利于增加穗粒数(如郑麦7698)。

3.3 小麦春化和光周期基因利用价值的探讨

本研究与已有的研究均表明，含有Vrn-B1、Vrn-D1a基因的小麦品种为春性。但已有的春化基因位点全部为隐性或仅Vrn-D1位点为显性Vrn-D1b时，品种则可以表现为半冬性和冬性类型，所以利用这些春化基因鉴定品种冬春性时，尚不能够细化区分属于半冬性或者冬性类品种。在本研究中，当Ppd-D1位点为Ppd-D1b时，品种的光周期特性为光敏感类型。而Ppd-A1a和Ppd-D1a均不能够细化区分品种的光周期反应类型。从本研究结果来看，小麦品种冬春性、光周期特性与已开发出的春化和光周期基因的对应关系尚无法全面揭示相关基因的调控效应，这可能是还有一些与春化特性和光周期特性密切相关的基因并未被人们发现，目前在育种工作中仍然要以表型选择为主要手段，对于亲本材料和高代品系可以采用本研究所利用的春化和光周期离析测定的方法进行数量化鉴定。