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小麥高產(chǎn)抗旱育種實踐

2011-06-22 01:23:34張立生溫輝芹程天靈李生海
山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年12期
關(guān)鍵詞:冬麥區(qū)旱地抗旱

張立生,溫輝芹,程天靈,李 雪,李生海

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,山西太原 030032)

小麥是山西的主要糧食作物之一,常年播種面積1 000萬hm2左右,約占全省糧食作物總面積的1/3,而旱地小麥又占小麥總面積的70%左右。據(jù)統(tǒng)計,1999年山西50 kg小麥,含稅成本為58.89元,比河北、河南分別高出17.93,15.89元。小麥高投入低效益,其原因主要是干旱風(fēng)險成本高、灌溉成本高。為此,抗旱生態(tài)育種是山西品種的基本要求,也是突出特點。為彌補小麥生產(chǎn)成本高的先天不足,使旱地品種在水分脅迫環(huán)境下獲得高產(chǎn),少減產(chǎn)或不減產(chǎn);水地品種在干旱年份不需增加灌水次數(shù)或灌水量,即可獲得高產(chǎn),實現(xiàn)抗旱與高產(chǎn)相結(jié)合,發(fā)揮更大的生產(chǎn)潛力,開展小麥抗旱生態(tài)育種,培育、開發(fā)節(jié)水高產(chǎn)新品種,是解決這一問題的有效途徑。

20世紀70年代,我們已開展小麥抗旱育種工作,無論采用系統(tǒng)選種,還是雜交育種,都是以挖掘、利用以平遙小白麥為代表的黃土高原抗旱生態(tài)型種質(zhì)為基礎(chǔ),這對促進該區(qū)小麥生產(chǎn)的發(fā)展,保證高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)起到了積極作用。但隨著干旱程度的加重,產(chǎn)量水平受限,其他性狀缺陷,選育出的品種已不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要。

山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所以抗旱節(jié)水、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)為育種目標,育成了以晉太170為代表的國審、省審及跨生態(tài)區(qū)審定的旱地小麥新品種,積累了一定的高產(chǎn)抗旱育種經(jīng)驗,為選育抗旱小麥新品種探索了一條新途徑。

1 通過不斷調(diào)整育種方向、明確育種目標、突出培育重點性狀等,使育種工作富有成效

近年來,隨著全球氣候逐漸變暖,冬季氣溫升高擾亂了小麥的正常生長發(fā)育規(guī)律,導(dǎo)致病蟲害嚴重;春季遭遇倒春寒,使部分小麥受凍;小麥生長中后期雨量偏少,天氣干旱,生長受到了嚴重影響,這些自然條件的變化都對小麥育種提出了更高的要求。研究表明,山西省旱地育種在全國處于領(lǐng)先水平[1],培育出的小麥新品種具有廣適性,產(chǎn)量受季節(jié)、年份、氣候等影響不大,一定程度上與不斷調(diào)整育種目標、采用行之有效的育種方法是分不開的。晉麥46號、晉太170是山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所小麥遠緣雜交課題組先后培育出的旱地小麥新品種。

晉太170是一個抗旱與高產(chǎn)齊備、高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)結(jié)合、多抗與廣適統(tǒng)一的新品種。1999—2006年,在山西省中部肥旱地、國家北部冬麥區(qū)旱地、山西省南部旱地、國家北部冬麥區(qū)旱地小麥展示中連續(xù)多年表現(xiàn)突出,平均產(chǎn)量較對照晉麥53號、晉麥47號、西峰20分別增產(chǎn)3.20%,5.20%,13.15%;2003—2004年,參加國家北部冬麥區(qū)旱地組小麥新品種展示,平均產(chǎn)量5 548.5 kg/hm2,比對照品種西峰20增產(chǎn)6.65%,且差異達極顯著水平,居6個參試品種第1位;在河南洛陽最高單產(chǎn)達7 336.5 kg/hm2(表1)。

表1 晉太170參加各級區(qū)試匯總

晉太170在參加國家區(qū)試時,經(jīng)國家統(tǒng)一組織進行品質(zhì)檢測,2001—2003年3種年型均達優(yōu)質(zhì)強筋一級標準。2000—2001年(全年干旱)由北京測定,容重772.0 g/L,蛋白質(zhì)(干基)16.49%,濕面筋35.1%,沉降值60.6 mL,形成時間9.8 min,穩(wěn)定時間21.2 min;2001—2002年(后期雨水多)由北京和哈爾濱兩單位測定,容重760.0 g/L/819.0 g/L,蛋白質(zhì)(干基)16.36%/17.91%,濕面筋36.2%/43.1%,沉降值55.5 mL/62.3 mL,穩(wěn)定時間9.2 min/5.4 min,最大延伸阻力 313 E.U./313 E.U.,拉伸面積 85 cm2/86 cm2,面包體積820 cm3,評分80.3,達優(yōu)質(zhì)面包標準;2002—2003年(全年生育期雨水較多,乳熟期雨多,部分倒伏)由北京測定,容重785.0 g/L,蛋白質(zhì)(干基)13.92%,濕面筋29%,沉降值41.1 mL,穩(wěn)定時間13.8 min,最大抗延阻力474 E.U.,拉伸面積96 cm2,達國家優(yōu)質(zhì)強筋一級標準。該品種品質(zhì)優(yōu)且穩(wěn)定,被山西省農(nóng)作物品種審定委員會確定為兩大麥區(qū)品質(zhì)對照品種。

晉太170參加國家北部冬麥區(qū)旱地區(qū)試時,區(qū)試主持單位通過靜態(tài)穩(wěn)定性分析,認為該品種靜態(tài)穩(wěn)定性好,屬豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性、廣適性好的品種;通過動態(tài)穩(wěn)定性分析,認為該品種動態(tài)穩(wěn)定性較好;通過品種在各區(qū)試點與最優(yōu)品種的差異分析認為,該品種的普遍適應(yīng)性好,所以,該品種是靜態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性、普遍適應(yīng)性均較好的廣適性好的品種。晉太170是集抗熱性與豐產(chǎn)性于一身,對葉銹病免疫,慢條銹病。

晉麥46號是一個頗具特色的品種,抗旱、耐寒、繁茂性好、灌漿快,不論在水地還是旱地,穗粒數(shù)均較一般品種多3~5粒,而且抗寒性強。

2 利用與創(chuàng)新關(guān)鍵遺傳種質(zhì)資源,不斷充實提高基因庫整體水平,組配出適合育種目標需求的基因新組合

干旱在過去和現(xiàn)在都是北部冬麥區(qū)的主要災(zāi)害。據(jù)氣象資料分析,在將來很長一段時間內(nèi),其也是威脅小麥正常生長發(fā)育的主要災(zāi)害。山西省處于溫帶半干旱氣候帶,山區(qū)、丘陵占到80%以上,緯度高,海拔高,小麥生長發(fā)育期間降雨少,干旱缺水是第一大限制因素,而高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、廣適性為多基因控制的性狀[2],遺傳變異非常復(fù)雜,因此,在作物遺傳改良過程中,如何使優(yōu)良農(nóng)藝性狀向人類需求方向集中,并適應(yīng)當?shù)厣鷳B(tài)條件,選用合適的種質(zhì)資源恰當?shù)亟M配組合便成為關(guān)鍵。

2.1 組建小麥綜合抗 (耐)旱基因庫,豐富抗(耐)旱小麥種質(zhì)

溫輝芹等[3]研究發(fā)現(xiàn),山西省旱地小麥以增加穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量,來提高產(chǎn)量,且株高與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。依此,育種中結(jié)合小麥生長發(fā)育特點及氣候干旱規(guī)律,充分利用以平遙小白麥為代表的黃土高原抗旱生態(tài)型種質(zhì),引入以螞蚱麥為代表的黃淮抗(耐)旱種質(zhì)和天藍偃麥草、簇毛麥等野生近緣種的抗旱性,豐富和提高小麥抗(耐)旱能力,通過不斷建立小麥株高、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量抗(耐)旱基因庫,采用復(fù)合雜交、利用矮敗小麥進行階段式雜交等方法,組建冬小麥綜合抗(耐)旱基因庫,為培育抗(耐)旱小麥種質(zhì)、品種探索了一條新途徑[4]。如穗粒數(shù)抗(耐)旱基因庫建設(shè)中,對抗旱、耐寒、繁茂性好、灌漿快、但小穗結(jié)實性有限的平遙小白麥系統(tǒng)進行改良,引入小偃麥種質(zhì)小偃948,育成品種晉麥46號,其不論在水地還是旱地,穗粒數(shù)均較一般品種多3~5粒,為穗粒數(shù)抗(耐)旱基因庫建拓奠定了基礎(chǔ),然后再引入結(jié)實性好的螞蚱麥后代如76(64)、孝義90-12等一批大穗多粒材料,經(jīng)單交形成一批穗粒數(shù)抗(耐)旱系數(shù)在0.900以上的優(yōu)異材料。

2.2 組配組合的關(guān)鍵是雙親要多優(yōu)點少缺點,優(yōu)點共有缺點互補

20世紀90年代初,我國的旱地育種逐漸轉(zhuǎn)向抗旱節(jié)水育種。1995年張正斌提出,高WUE育種可以將抗旱性和豐產(chǎn)性結(jié)合在一起[5]。山西省農(nóng)科院作物科學(xué)研究所小麥遠緣雜交課題組選育出的水旱兼用型小麥品種晉太170,是在有限多變水分條件下,具有一定抗旱性、高水分利用效率的品種,不僅提高了小麥產(chǎn)量,而且擴大了小麥的種植區(qū)域。本研究對每年引入的新種質(zhì)和通過外源基因?qū)氲韧緩絼?chuàng)新的新種質(zhì)進行抗旱性鑒定,同時在抗病鑒定圃中進行抗?。l銹病、葉銹病和白粉?。┬澡b定,從細胞水平到分子水平,依據(jù)育種目標精心選配組合。

晉太170是以京437為母本,美國引進種質(zhì)SWM788912為父本進行雜交系統(tǒng)選育而成的。SWM788912是1988年從山西省農(nóng)科院品種資源研究所引入的100多份外引種質(zhì)之一,田間表現(xiàn):株高90 cm左右,穗子中等偏大,小穗排列中等,莖稈彈性好,葉片中等大小,株型緊湊,長勢非常清秀,豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),在田間條銹病、白粉病流行的條件下,莖葉利落,無病害發(fā)生,表現(xiàn)了一定抗性。經(jīng)高分子量麥谷蛋白亞基分析,含有5+10優(yōu)質(zhì)亞基;其具有我國小麥所缺少的5+10優(yōu)質(zhì)亞基,但抗旱性較差、對當?shù)貧夂虿惶m應(yīng)。母本京437是北京市種子公司于1980年育成,是北部冬麥區(qū)水地主品種京411的姊妹系,中稈多穗、豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),株型緊湊但不清秀,品質(zhì)好,該品種繼承了我國北部冬麥區(qū)地方品種山西平遙小白麥對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境干旱、冷凍和后期高溫的適應(yīng)性,又引進相鄰的黃淮麥區(qū)的地方種質(zhì)螞蚱麥,強化了抗旱性、耐熱性和廣適性優(yōu)勢,1988年引入山西后,在山西中部冬麥區(qū)區(qū)試中表現(xiàn)出三好一高(長勢好、適應(yīng)性好、抗性好、產(chǎn)量高)的特點,在旱地表現(xiàn)了根系發(fā)達、耐旱性好的優(yōu)勢。經(jīng)過雜交,使2個品種的豐產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性累加,其他性狀互補,達到了莖稈降低、抗倒性加強、抗病性提高、植株清秀、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、水旱兩用。

晉麥46號在90年代初是黃土高原區(qū)北部晚熟冬麥區(qū)旱地推廣種,其雜交組合是小偃948/75180。其中,小偃948是偃麥草與普通小麥雜交選育出的中間材料,具有抗病、抗旱、耐高溫等優(yōu)點;75180為平遙小白麥血緣衍生的后代[6](圖1),繼承了平遙小白麥耐旱、耐瘠薄、抗寒、春季返青早、起身晚等優(yōu)點。該組合雙親都是優(yōu)點多、缺點少,二者性狀能夠互補,沒有共同的嚴重缺點,種子根發(fā)得快、扎得深,抗旱、抗病能力強。

3 科學(xué)有效的選擇方法及選育環(huán)境,是抗旱節(jié)水高產(chǎn)育種的有力保障

作物抗旱性是由多基因控制的數(shù)量性狀[5],其表現(xiàn)型受作物多個性狀的綜合作用。因此,優(yōu)良的遺傳組合,必須重視選擇和鑒定環(huán)境,通過自然和人工選擇,形成特定的生態(tài)類型,以適應(yīng)嚴酷的生態(tài)環(huán)境。

3.1 小麥抗旱種質(zhì)的性狀選擇及鑒定方法

結(jié)合山西省多年降水情況及土壤供水能力,對小麥播種—出苗、出苗—越冬、越冬—返青、返青—起身、起身—拔節(jié)、拔節(jié)—挑旗、挑旗—抽穗、抽穗—灌漿、灌漿—成熟9個階段進行適應(yīng)性分析,鑒定篩選出株高、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等性狀為抗(耐)旱性的主要考查性狀。

經(jīng)研究表明,一般抗旱材料的特征特性為:在干旱條件下,冬前根系生長快、扎根深,分蘗較多、快,地上部分生長穩(wěn)健;春季返青早,起身拔節(jié)也較早,分蘗兩極分化快,大蘗生長快,成穗率高。葉片窄長,碧綠光亮而且繁茂;抽穗后葉披,顏色變淺,穗下節(jié)長,穗多為紡錘或長方型,籽粒較小、種皮薄,飽滿度好。

建立水地和旱地鑒定圃,成熟期田間考察株高、穗粒數(shù),收獲后考察千粒質(zhì)量,分別計算株高、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量的抗旱系數(shù),最后通過抗旱總指數(shù)確定種質(zhì)抗旱級別[7]。實踐證明,該方法鑒定結(jié)果,與生產(chǎn)實踐中對抗旱品種的檢驗結(jié)果相一致,凡生產(chǎn)上認為抗(耐)旱的品種,抗旱總指數(shù)均低,而生產(chǎn)上抗旱性能差的品種,抗旱總指數(shù)就高。一些品系在干旱情況下,植株高度降幅不大,仍能形成較好的營養(yǎng)體,供應(yīng)較多的營養(yǎng)物質(zhì),獲得較高產(chǎn)量;一些品系水地的穗粒數(shù)和旱地的穗粒數(shù)很接近,表明它們在小麥水分臨界期受水分脅迫的影響較小,是典型的抗旱品種。

3.2 雜種后代異地選擇,達到以空間爭取時間的目的

本研究分別在山西省中部的太原、介休(強冬麥區(qū))、臨汾(冬麥區(qū))和運城(弱冬麥區(qū))建立了生態(tài)選種圃,從F5開始進行后代異地多點鑒定,使材料的廣泛適應(yīng)性得到充分表達,有利于廣適性品種的培育與選擇,異地多點鑒定選擇遵循“山西省小麥品種生態(tài)變式規(guī)律”研究結(jié)果[8],既便于多中選優(yōu),又適于優(yōu)中選優(yōu)。

3.3 水旱地交替選擇及分期播種,達到以時間爭取空間的目的

小麥的抗旱性和豐產(chǎn)性、穩(wěn)產(chǎn)性是受多基因控制的數(shù)量性狀,遺傳背景十分復(fù)雜,在完全自然條件下的旱地選育,不利于豐產(chǎn)、抗病、抗倒等性狀的表達和選育,尤其是遇到特殊干旱的年份,大量的有益基因型常因得不到充分表達而被淘汰,選擇效率低下。在長期的育種實踐中,探索應(yīng)用“在同一地點創(chuàng)造不同的生境條件,實行水、旱分別選擇和分期播種選擇后代,以時間爭取空間”的選育方法。將抗旱觀察圃、鑒定圃分別建在水地和旱地,在自然和人為創(chuàng)造的不同生境條件下同時選育,使育成品種的主要目標性狀得到了全面的評鑒,實現(xiàn)了自然選擇、人工選擇和育種目標的有機結(jié)合,加大了選擇壓力和頻率,達到了對抗旱性、生產(chǎn)潛力、抗熱性等的鑒定。

小麥冬春種植,其發(fā)育進程由于溫度變化而受到不同影響,隨小麥發(fā)育進程加快,高溫脅迫會嚴重影響穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量的形成。在此基礎(chǔ)上,建立了小麥抗(耐)熱鑒定體系[9],培育出的晉太170,經(jīng)國家區(qū)域試驗分析屬靜態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性和普遍適應(yīng)性均好的少數(shù)廣適性較好的品種之一;葉銹病免疫,慢條銹病;抗熱性好(抗熱總指數(shù)為2,抗熱級別為1)。2006年,晉太170又通過跨區(qū)試驗,成為山西省50多a來為數(shù)極少的既適應(yīng)中部晚熟冬麥區(qū)又適應(yīng)南部中熟冬麥區(qū)種植的小麥品種,是國內(nèi)少見的廣適性好的品種。

4 良種與良法相結(jié)合,充分挖掘品種的高產(chǎn)潛力

高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性廣的新品種具備了優(yōu)良的內(nèi)因條件,但品種的豐產(chǎn)潛力只是一種可能性,它的實現(xiàn)有賴于各種特征特性和自然、栽培條件的良好配合。生產(chǎn)實踐中,同一品種在不同的農(nóng)戶田塊、不同地區(qū)、不同管理水平下種植,其產(chǎn)量結(jié)果差異很大,這就是良種與良法是否實現(xiàn)了配套的具體表現(xiàn)。本研究重點要解決新品種對環(huán)境條件的要求及達到高產(chǎn)抗旱所需要的環(huán)境,為挖掘遺傳基因的潛在能力和發(fā)揮新技術(shù)對生產(chǎn)綜合能力提供新的平臺。

[1]裴自友,溫輝芹,王晉.山西中部小麥育種現(xiàn)狀與思考[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報,2009,11(S2):13-17.

[2]李秀絨,柴永峰,孫來虎,等.抗旱節(jié)水高產(chǎn)小麥育種及研究體會[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(1):95-97.

[3]溫輝芹,張立生,李生海,等.山西省旱地小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素分析[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2001,29(1):5-10.

[4]李生海,溫輝芹,張立生,等.冬小麥抗(耐)旱種質(zhì)基因庫的建拓研究[C]//21世紀小麥遺傳育種展望——小麥遺傳育種國際學(xué)術(shù)討論會文集.北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,2001:354-358.

[5]張正斌.作物抗旱節(jié)水的生理遺傳育種基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[6]莊巧生.中國小麥品種改良及系譜分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2003.

[7]溫輝芹,張立生,李生海,等.國審優(yōu)質(zhì)強筋小麥新品種晉太170的選育實踐和體會[J].作物遺傳育種研究,2008,36(9):111-115.

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[9]溫輝芹,張立生,李生海,等.小麥抗(耐)熱種質(zhì)資源的鑒定篩選[J].華北農(nóng)學(xué)報,2001,16(4):23-26.

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