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小麦（Triticum aestivum L.）是世界上最重要的粮食作物之一,为人类粮食安全提供了重要保障。随着气候变暖,干旱、高温、冷害等极端天气频繁出现,严重制约小麦生产的高效可持续发展,选育高产抗逆小麦品种是应对这些逆境的重要策略。要加速育种进程,就需要建立高通量的表型分析技术,准确快速测量小麦的性状以充分了解植物-环境相互作用,特别是小麦对非生物胁迫的响应。不同表型技术适用的性状,测量方法,生育阶段不同,合理应用高通量表型分析技术,在不同环境中对小麦品种的多维田间表型进行测定,选择合适的表型技术和指标,对提高小麦遗传改良和育种效率尤为重要。本研究以186个普通小麦品种为材料,在陕西杨凌试验的3个连续生长季的试验,期间经历了3种不同的气候条件,即正常（2016-2017）、倒春寒（2017-2018）和早期干旱（2018-2019）。采用冠层温气差（CTD）、冠层反射光谱指数（SRI）、碳同位素分辨率（CID）等技术对小麦冠层特性进行测定,分析其与形态性状、光合参数及产量性状的关系,并利用全基因组关联分析（GWAS）对籽粒CID及光合与产量性状进行关联分析,以期为小麦的遗传改良提供有效的工具。1.不同生长环境下CTD与冠层结构、光合参数及产量性状的关系试验以186个普通小麦品种或品系为材料,3个连续生长季经历了截然不同的气候条件,分析了抽穗期、灌浆初期和灌浆中期3个关键阶段的CTD与冠层结构、光合参数和产量性状的关系。在正常年份品种间CTD变异较大,在倒春寒年份变异最小。不同年份不同生育期的CTD极显著相关,但在不同年份间,抽穗期与灌浆中期的CTD相关性最显著,说明灌浆中期的CTD对评价更为重要。在正常和干旱年份,株高、穗下节和穗叶距与灌浆中期的CTD呈负相关,而在倒春寒年份与CTD呈正相关。正常和干旱年份旗叶长与CTD呈正相关,干旱年份的旗叶性状与CTD的相关性最大,而倒春寒年份旗叶长与抽穗期和灌浆中期CTD呈负相关。正常年份灌浆中期所有光合性状与CTD均呈正相关,干旱年份大部分光合性状与抽穗期和灌浆中期的CTD呈正相关,倒春寒年份相关性较弱。干旱和倒春寒等自然灾害均显著降低小麦产量,对单位面积穗数影响最显著,在倒春寒年份穗粒数减少最多。CTD与产量性状之间存在不同程度的相关性。抽穗期的CTD与千粒重呈正相关,正常年份灌浆初期的CTD与单位面积穗数和生物量呈负相关,倒春寒年份抽穗期和灌浆初期的CTD与收获指数呈负相关。抽穗期和灌浆中期的CTD与穗粒数呈负相关,与干旱年份的收获指数呈正相关。以上结果表明,CTD可以作为不同年份小麦的选择指标,但更适合于正常和干旱年份应用。2.冠层反射光谱参数与小麦冠层性状的关系在正常、倒春寒和早期干旱年份,在抽穗期、灌浆初期、灌浆中期,采用Field Spec 3地物光谱仪测定了186个小麦品种的冠层反射光谱,并计算相应时期的植被指数、叶绿素指数、类胡萝卜素和水分指数。结果发现,相比于正常年份,倒春寒和早期干旱胁迫年份的抽穗期的植被指数均较小,而在灌浆初期和灌浆中期的植被指数下降幅度较小;倒春寒和干旱胁迫年份,抽穗期的叶绿素指数RARSa和RARSb值较高,而在正常年份灌浆初期和中期的RARSb值较高;在正常和在倒春寒年份,植被指数MTCI和NDRE与冠层结构性状、光合参数和产量性状有一定的相关性。在干旱年份,植被指数RVI与光合性状、结构和产量性状的相关性较高;在不同年份,抽穗期的ARI2、TCARI/OSAVI等指数与光合性状的相关性均较高。进一步构建了在不同年份,利用相关冠层反射光谱指数预测小麦冠层性状、光合参数的预测方程,为进一步利用冠层反射光谱分析小麦性状提供了参考。3.小麦籽粒CID与光合及产量性状的关系在倒春寒与干旱胁迫两个年份,测定了186个小麦品种成熟籽粒的碳同位素分辨率（CID）,分析了籽粒的CID与不同生育期小麦的光合特性及产量性状的关系。结果表明,小麦籽粒CID在品种间存在较大差异,具有较高的遗传力,且受胁迫影响。进一步分析在倒春寒和早期干旱年份的籽粒CID与3个关键生育期的小麦旗叶光合参数的相关性发现,干旱胁迫年份小麦籽粒CID与抽穗期旗叶的A、Gs、E呈显著正相关,与灌浆中期的Gs和E显著负相关,而在倒春寒年份仅与抽穗期的A、Gs显著正相关。对籽粒CID与产量性状的相关性分析发现,仅在早期干旱年份,籽粒CID与产量、生物量和收获指数显著正相关。以CID对小麦品种进行聚类分析,结果表明,在早期干旱年份,不同类群的小麦品种的产量和生物量存在差异,而在倒春寒年份无差异。表明小麦成熟期籽粒CID可以作为小麦抗旱品种初步筛选的指标。4.小麦CID、光合及产量性状的GWAS分析以186个小麦品种的35K SNP芯片的基因型分型结果,结合其在2个年份籽粒CID、3个年份的光合参数及产量性状,进行全基因组关联分析,以揭示调控小麦CID、光合参数及产量性状的QTL及候选基因。结果发现,30个QTN区域与小麦CID（水分利用效率）关联,其中4个QTN区域（q1A-WUEs-1,q1D-WUEs-1,q2A-WUEs-1和q6A-WUEs-1）已有报道,发现调节气孔发育的主效基因Ta ER-6B位于检测到的QTN（q6B-WUEs-3）附近,调节气孔发育的Ta EPF1的所有拷贝也在检测到的QTN（q2A-WUEs-2,q2B-WUEs-2及q2D-WUEs-1）区域内或附近。显著关联QTN区域内存在多个富含亮氨酸的类受体蛋白激酶家族成员,可能调控小麦的CID值及水分利用效率。另外,还鉴定到了编码叶绿体a加氧酶、MIZ1等多个与光合作用及水分转运相关的基因。在与光合性状显著关联的9个QTN区域找到了9个高置信度候选基因,其中6个基因在水稻中的同源基因已被证实与光合能力相关,鉴定到的Traes CS1D01G420500及Traes CS7D01G333900分别编码C4光合途径关键酶MDH和PEPC。在与产量性状的20个QTN区域内找到了28个高置信度候选基因,其中23个的水稻直系同源基因与产量形成有关。综上,本研究对3个年份的冠层温气差CTD、冠层反射光谱参数及籽粒CID在小麦表型性状分析的应用进行了分析,并采用关联分析挖掘了调控CID,光合参数及产量性状的QTN区域,为小麦表型性状的快速采集与分析,及小麦抗逆性地遗传改良等提供了新的途径。