现代优质冬小麦品种通过两种生理途径实现产量稳定性的机制研究

本研究针对冬小麦产量稳定性机制这一关键科学问题，通过三年田间试验系统分析了8个优质品种在8种农艺管理下的130个表型性状。研究发现现代优质品种通过两种生理策略实现产量稳定：一是将高分蘖和粒数与冠层持绿性及高碳储备耦合；二是将高粒长与低分蘖及花前碳储备再动员耦合。该研究为小麦稳产育种提供了重要理论依据，论文发表在《Journal of Experimental Botany》。

　　

在全球气候变化和粮食安全面临严峻挑战的背景下，冬小麦作为全球20%蛋白质来源的重要作物，其产量增长自2010年以来陷入停滞，年增长率仅为0.7%。这一现状促使科学家们深入探究影响小麦产量稳定性的生理机制。然而，基因型、环境和栽培管理三者间的复杂互作(G×E×M interactions)使得这一研究极具挑战性。传统育种多关注增加粒数(GN)这一目标性状，但现代优质品种如何通过协调源(source)与库(sink)的关系来维持产量稳定性，仍是一个亟待解决的科学问题。

德国柏林洪堡大学农业与园艺科学研究所的Tien-Cheng Wang和Tsu-Wei Chen*领导的研究团队，通过为期三年的系统研究揭示了现代冬小麦实现产量稳定性的生理机制。研究团队选择了8个具有相似产量水平但稳定性存在差异的优质冬小麦品种，设置了氮肥水平(220或176 kg N/ha)、施肥时间和播种日期三种农艺管理处理，构建了包含8种管理组合的田间试验。通过详细测量130个农艺、物候、化学和生理性状，获得了40,557个测量或衍生性状值，为深入解析产量稳定性机制提供了丰富的数据基础。

研究采用了多种关键技术方法：1) 采用分裂-分裂-分裂区设计进行三年田间试验；2) 每周进行非破坏性测量包括叶面积指数(LAI)、光截获(LI)等参数；3) 使用Vario Max Cube元素分析仪测定氮含量；4) 采用连续流动分析仪(CFA)测定水溶性碳水化合物(WSC)浓度；5) 应用热总和(TT)方法量化物候发育；6) 使用稳定性指数(P_i
和W_i
)评估基因型和管理的稳定性表现。

研究结果揭示了多个重要发现：

"不同年份间产量差异及基因型与管理对产量稳定性的影响"部分显示，在2020-2021年的数据分析中，最稳定的品种Capone和最不稳定的品种Esket在产量稳定性上表现出明显差异。值得注意的是，管理稳定性主要受总氮水平影响，最佳氮水平(220 kg N/ha)表现出更高的稳定性。研究还发现农艺管理措施之间存在交互作用，例如在最佳氮水平下，早播对管理稳定性的贡献大于分施氮肥，而在次优氮水平下则相反。

"TGW的稳定性解释了产量稳定性的大部分基因型变异，而促进GN的管理提高了产量稳定性"部分表明，现代品种的产量稳定性更多由稳定的千粒重(TGW)实现，特别是通过粒长(GL)的稳定性。这一发现挑战了传统育种中侧重增加粒数(GN)的常规做法。值得注意的是，最稳定的品种Capone和Pionier既不具有最高的TGW也不具有最高的GN，暗示稳产品种可能需要多个性状的特定组合。

"品种间产量稳定性的变异主要源于花后同化物的差异"部分通过干物质分配分析揭示，花后同化物(△DM_87-61,all
)对穗重的贡献达59%，且在干旱年份(2021年)表现出显著的品种间差异。相关分析证实花后同化物与籽粒产量呈显著正相关，凸显了其在产量形成中的关键作用。

"持绿性增加花后同化物并刺激品种特异的碳水化合物动态"部分发现，持绿性(GCD)与花后同化物积累呈正相关，而与茎秆中残留WSC浓度([WSC]_87,straw
)呈负相关。不同稳定性品种表现出独特的源(持绿性)库(茎秆WSC)平衡模式，如最稳定品种Capone在干旱和湿润年份间表现出斜率变化的灵活性。

"两种基因型策略涉及不同的源库平衡以实现产量稳定性"部分通过主成分分析(PCA)鉴定出两种生理策略(PS)：PS1耦合高分蘖、高粒数与长持绿性和高碳储备；PS2耦合高粒长与低分蘖及更强的花前碳储备再动员。这两种策略代表了现代品种适应不同环境条件的多样化途径。

这项研究的重要意义在于：首先，它系统揭示了现代优质冬小麦品种实现产量稳定性的两种生理途径，为稳产育种提供了明确的目标性状组合；其次，研究证实了管理措施通过促进粒数发育来提高产量稳定性的有效性，为农艺实践提供了科学依据；第三，研究强调了在气候变化背景下，整合多种生理途径对于培育适应性更强的小麦品种的重要性。这些发现不仅丰富了作物生理学的理论基础，也为应对全球粮食安全挑战提供了切实可行的解决方案。

研究还提出了未来方向：深入探究两种生理策略潜在的遗传基础和水利用效率差异，将有助于开发分子标记辅助育种和基因组选择策略。同时，整合更多生理途径如分蘖形态、穗光合作用和淀粉合成酶活性等，将进一步完善对产量稳定性机制的理解。这项发表在《Journal of Experimental Botany》上的研究，为作物改良和可持续农业发展提供了重要的科学依据和实践指导。