高溫脅迫對棉花不同胞質類型恢復系花藥散粉和產(chǎn)量的影響

張學賢，郭立平，吳建勇，戚廷香，唐會妮，王海林，喬秀琴，邢朝柱

（中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽455000）

雜種優(yōu)勢是生物界普遍存在的現(xiàn)象，棉花也不例外。利用雜種優(yōu)勢可以顯著提高棉花的產(chǎn)量、品質[1]。利用“三系”制種法生產(chǎn)雜交種，可降低制種成本，是棉花制種方法發(fā)展的必然趨勢。但由于棉花恢復系來源狹窄，其恢復能力不強以及容易受到外界環(huán)境條件影響等因素，制約了三系雜交種的發(fā)展與利用。棉花恢復系分為可育胞質型和不育胞質型，當前育種工作中利用的大多是以哈克尼西棉細胞質雄性不育胞質為背景選育的不育胞質型恢復系，其育性恢復能力容易受到高溫環(huán)境影響，當環(huán)境溫度超過35℃時會影響花粉正常的生長發(fā)育，出現(xiàn)少粉現(xiàn)象，阻礙授粉過程[2-3]。目前，關于棉花恢復系恢復能力與環(huán)境因素的關系已有報道。崔艷利等[4]研究結果表明，恢復系花粉發(fā)育隨著溫度的變化而有所改變，且在不同的生態(tài)區(qū)其育性表達也不盡相同。吳翠翠等[5]針對氣象因子與棉花恢復系恢復能力的關系開展研究，結果表明：最高氣溫、相對濕度對花粉育性恢復度直接影響較大且為負效應，而平均氣溫、地面最低溫度和日照時間對花粉育性恢復度為正向效應。近年來，由于氣候變化等原因，極端高溫天氣出現(xiàn)頻率增高，尤其是長江流域棉區(qū)在7―8月最高溫度接近40℃，不利于花藥散粉，影響結鈴率，給三系雜交種的培育造成了一定困難。因此，本試驗通過對3個不育胞質型恢復系及3個可育胞質型恢復系在高溫脅迫下花藥散粉情況及籽棉產(chǎn)量進行觀測統(tǒng)計，旨在明確不同胞質類型恢復系對花藥散粉情況及自身產(chǎn)量的影響，為恢復系的選育提供新的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用本團隊前期選育的3個不育胞質型恢復系材料和其對應的同核異質的3個可育胞質型恢復系材料 （表1），6個恢復系材料恢復基因均來源于同一恢復系。

表1 試驗材料

1.2 試驗安排

試驗在中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所海南科研中心大茅基地溫室開展。2017年2月下旬播種，隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積13.3 m2，田間管理與普通大田管理一致。

1.3 花粉量調查及恢復系產(chǎn)量統(tǒng)計

花朵花藥散粉情況調查標準參照崔艷利等[4]性狀調查標準：花朵多粉指花粉粒飽滿、花藥正常開裂；花朵少粉是指花粉粒干癟、花藥不開裂或僅有少量花粉。

2017年5月棉花進入盛花期，溫室內最高溫度持續(xù)保持在40℃以上。連續(xù)10 d（5月10―20日）對6個參試材料花朵花藥散粉情況進行調查記錄。統(tǒng)計多粉及少粉花朵數(shù)量，計算多粉花率及少粉花率。

計算公式：

多粉花率=多粉花數(shù)/調查總花數(shù)×100%；

少粉花率=少粉花數(shù)/調查總花數(shù)×100%.

6個恢復系材料均收獲自然鈴，計算籽棉產(chǎn)量，折算每667 m2籽棉產(chǎn)量。利用SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件對相關結果進行統(tǒng)計學分析，采用Duncan's新極差法進行多重比較。

圖1 高溫脅迫下多粉花藥與少粉花藥形態(tài)

2 結果與分析

2.1 花藥散粉參考標準確定

在高溫脅迫下，多粉花藥與少粉花藥的花苞直徑、長度、形狀大小等外觀基本一致，主要在花粉量方面存在差異（圖1）。

2.2 花粉量調查分析

在高溫脅迫下，參試的6個恢復系材料均表現(xiàn)出不同程度的少粉現(xiàn)象（表2）。不育胞質型恢復系材料多粉花率最高為51.42%，最低為40.31%；可育胞質型恢復系材料多粉花率最高為77.30%，最低為60.69%（表3）?？捎|型恢復系多粉花率均顯著高于不育胞質型恢復系。說明在高溫脅迫下，可育胞質恢復系較不育胞質型恢復系能夠提供更多的花粉。就同一胞質類型來看，由于在恢復系材料轉育過程中供體的遺傳背景不同，因此花粉發(fā)育情況也存在一定差異，其中，不育胞質型恢復系S1多粉花率顯著高于S2和S3，可育胞質型恢復系N2多粉花率顯著高于N1和N3。

表2 不同試驗材料花藥散粉情況統(tǒng)計朵

2.3 籽棉產(chǎn)量統(tǒng)計結果

由表4可知：可育胞質型恢復系籽棉產(chǎn)量均顯著高于不育胞質型恢復系。6個恢復系材料中，籽棉產(chǎn)量最高的是N2，產(chǎn)量最低的是S3。在高溫脅迫條件下，可育胞質型恢復系較不育胞質型恢復系能夠產(chǎn)生更多的花粉，授粉過程受到影響較小，因此可育胞質型恢復系籽棉產(chǎn)量較高。3個可育胞質型恢復系之間籽棉產(chǎn)量存在一定差異，N1籽棉產(chǎn)量顯著低于N2和N3，而 3個不育胞質型恢復系之間籽棉產(chǎn)量沒有顯著差異。

表3 不同試驗材料多粉花率 %

表4 不同試驗材料每667 m2籽棉產(chǎn)量統(tǒng)計 kg

3 小結與討論

對棉花三系雜交種而言，溫度是影響恢復系花粉發(fā)育過程的重要因素之一，長期持續(xù)高溫，會導致恢復系花粉正常發(fā)育受到影響[6-7]，造成花藥不開裂，影響棉花結鈴率，從而影響雜交制種，降低收益。本試驗調查統(tǒng)計了3個可育胞質型恢復系材料及3個不育胞質型恢復系材料在高溫脅迫下花藥散粉及籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)，結果表明：與不育胞質型恢復系相比，可育胞質型恢復系具有更強的耐高溫性，其多粉花率及籽棉產(chǎn)量均顯著高于不育胞質型恢復系。在核基因背景一致的情況下，胞質對恢復系花藥散粉過程存在一定影響。當前大多數(shù)棉花恢復系屬于不育胞質型恢復系，在其選育過程中，只需淘汰雜交后代中不育株，保留可育株即可；但可育胞質恢復系與陸地棉品種雜交后代不出現(xiàn)育性分離，待選單株須與不育系測交才能確定恢復基因是否存在。因此，育種家為了選擇方便，往往更加偏向不育胞質型恢復系[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，可育胞質型恢復系比不育胞質型恢復系能夠提供更多的花粉，具有更好的耐高溫性。在棉花三系雜交制種過程中，可育胞質型恢復系能夠提供更多的花粉，便于花粉采集，可減少制種田父本種植面積，提高雜交制種產(chǎn)量，同時也可確?；謴拖底陨矸敝钞a(chǎn)量，降低了極端天氣造成的風險。

目前，利用分子標記技術可快速鑒定棉花胞質類型[9]，免去了測交的過程，可以更好地利用可育胞質型恢復系培育三系雜交種。在今后的研究中，可進一步研究胞質對花藥發(fā)育及育性恢復能力的影響，為棉花恢復系的選育及雜交種培育提供理論指導。