人工控制條件下BS型小麥光溫敏雄性不育系育性與光合特性的關系研究

孫 輝 張立平 侯起嶺 白秀成 楊吉芳 張風廷 趙昌平

（北京市農(nóng)林科學院北京雜交小麥工程技術研究中心/雜交小麥分子遺傳北京市重點實驗室，100097，北京）

我國創(chuàng)建的“二系雜交小麥應用技術體系”逐步完善，具有制種程序簡便和成本低等優(yōu)點，現(xiàn)已開始進入快速示范應用階段。BS型小麥光溫敏雄性不育系短日低溫不育可實現(xiàn)雜交種生產(chǎn)，長日高溫可育可進行自我繁殖[1-3]。但是在不育系繁種過程中，存在不育系籽粒飽滿度較差和繁種產(chǎn)量較低等問題，成為降低小麥雜交種生產(chǎn)成本的限制因素之一。因此，選育高光效不育系材料和揭示不育系育性與光合特性的關系，可為優(yōu)異不育系材料的選育及二系雜交小麥制繁種技術水平的提升提供理論指導。

小麥產(chǎn)量與光合作用密切相關，小麥籽粒產(chǎn)量的90%～95%來源于花后的光合產(chǎn)物，尤以旗葉的光合作用對小麥籽粒產(chǎn)量的貢獻最大[4-5]。近年來，對小麥旗葉光合作用在產(chǎn)量形成中的作用和影響因素等方面有很多研究[6-8]，提高小麥旗葉光合特性有利于提高小麥籽粒產(chǎn)量[9-12]，耐低氮脅迫小麥品種的較高籽粒產(chǎn)量均以較高的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）為生理基礎[13]，產(chǎn)量較高的黃淮麥區(qū)小麥品種的光合速率、葉綠素含量和最大光化學效率（Fv/Fm）也較高[14]。旗葉對小麥籽粒產(chǎn)量的貢獻可占到1/3，提高小麥光合速率有利于提高產(chǎn)量[15]。另外，還有許多關于溫度、光強、播期、播種方式和追氮時期等對小麥光合特性影響的報道[16-20]。雖然對常規(guī)小麥光合特性研究的報道較多，但對光溫敏雄性不育小麥光合特性研究的報道較少，因此本研究探討B(tài)S型小麥光溫敏雄性不育系育性與光合特性的關系，比較不同不育系材料在短日低溫和長日高溫下不同生長時期光合特性的變化差異，闡明不育系育性與光合特性指標的相關性，為選育高光效不育系和提升不育系繁種產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為北京雜交小麥工程技術研究中心選育的BS型小麥光溫敏雄性不育系，包括BS107、BS1086、BS640、BS608和BS366，具有異交結實性好、開穎角度大、開穎歷時長、配合力高和恢復源廣等優(yōu)點，其光溫敏感時期在藥隔至單核期。以常規(guī)小麥品種京411（Jing 411）為對照。

1.2 試驗設計

試驗材料于2018年10月1日播種于花盆，置于田間，花盆26cm×23cm，每盆留苗8株，底肥施磷酸二銨0.88g和尿素0.63g，于四葉一心期追施尿素0.63g。春化完成后，將花盆移入溫室，直到麥苗生長至所需生育期，然后移入人工氣候箱進行不同溫度和光照處理，非處理時期生長條件控制為光照時長12h/d，抽穗前溫度12℃，抽穗后溫度16℃。每處理4盆，每盆8株，試驗重復2次。試驗在人工氣候箱（KBW，德國Binder）內進行，設置不育（短日低溫12h 12℃是依據(jù)不育系制種區(qū)河南南陽光溫敏感時期的光照和溫度設置的）和可育（長日高溫14h 16℃是依據(jù)不育系繁種區(qū)北京順義光溫敏感時期的光照和溫度設置的）光溫條件（表1），處理光照時長 12h/d（加光時間 6∶00-18∶00）和14h/d（加光時間6∶00-20∶00），在光溫敏感時期（藥隔－單核期）對不育系材料進行光溫處理。

表1 溫度處理設置Table 1 The conditions of temperature treatments ℃

1.3 測定項目與方法

小麥挑旗后，每個處理每盆隨機選取葉齡一致的5個植株，選取受光方向一致的旗葉。利用光合作用測量系統(tǒng)（LI-6400XT，美國Li-COR公司），在晴朗無風天氣的9∶00-11∶00，測定小麥S1（孕穗期）、S2（抽穗期）、S3（開花期）、S4（花后10d）、S5（花后20d）和S6（花后30d）6個時期旗葉中部的Pn、Gs、Tr和Ci，重復測定3次。光強設為 1 000μmol/(m2·s)，流量為 500mL/min，大氣CO2濃度為380μmol/mol。在光合參數(shù)測定當日，利用葉綠素熒光儀（OS-30p，美國Opti-Sciences公司）測定葉綠素熒光參數(shù)Fo和Fm，計算光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光化學效率Fv/Fm（Fv=Fm-Fo），重復測定10次，取平均值。

1.4 田間農(nóng)藝性狀及育性調查

開花前對每株主莖穗和1～2個分蘗穗套袋，成熟后調查小穗數(shù)和穗粒數(shù)。結實率=穗粒數(shù)/（小穗數(shù)×2）×100%[21]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0軟件分析不同光溫處理條件下不育系育性與光合特性的相關性，用Duncan法對不育系在不同光溫處理下的光合特性進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不育系結實率表現(xiàn)

不育系在短日低溫（12h，12℃）和長日高溫（14h，16℃）處理下的結實率差異明顯（表2），長日高溫條件下的結實率顯著高于短日低溫條件下的結實率。在短日低溫下，不育系高度不育，BS1086和BS640的結實率較高，分別為0.37%和0.25%，BS107的結實率為0。在長日高溫下，不育系結實率在40.32%～67.45%間，BS640的結實率最高達到67.45%，BS608的結實率最低為40.32%。京411在短日低溫和長日高溫條件下結實率分別為88.92%和94.70%。

表2 不同材料在不同光溫條件下結實率Table 2 Seed setting rate of materials under different light and temperature conditions

2.2 不育系光合特性指標變化分析

2.2.1 凈光合速率（Pn）比較 由表3可知，在短日低溫條件下，材料BS1086在S3～S5三個時期的Pn均為最高值，在S2和S6時期Pn也較高；材料BS608在S3和S4時期Pn均為最低值，S6時期Pn也較低。在長日高溫條件下，在供試材料中，BS640在S3～S5時期的Pn值均為最高，其余時期也較高，BS608在S2～S4時期Pn均為所有材料中最低，其余時期Pn也較低。由此可知，短日低溫條件下Pn較高的為BS1086，長日高溫條件下Pn較高的為BS640，短日低溫和長日高溫Pn均較低的為BS608。

表3 不同材料Pn比較Table 3 Comparison of Pn of different materials μmol/(m2·s)

由圖1可知，BS640在短日低溫和長日高溫Pn變化趨勢基本一致，表現(xiàn)最穩(wěn)定。BS608短日低溫和長日高溫Pn變化幅度差異最大，京411在短日低溫和長日高溫Pn變化趨勢不同于不育系材料。短日低溫條件下，不育系BS107和BS640Pn的變化趨勢相近，在S2期有明顯的下降，S3期Pn最高，然后逐漸下降；BS1086從S1期開始Pn逐漸升高，S3期Pn最高，然后逐漸下降；BS608和BS366的Pn變化趨勢相近，均是S2期Pn最高，S3期明顯下降，S5期明顯升高，S6期降為最低；京411從S1期到S5期Pn變化不大，S6期下降至最低。長日高溫條件下，BS107、BS1086、BS608和BS366Pn的變化趨勢相近，均是S1期Pn最高，然后逐漸下降，S6期Pn降為最低；BS640在S4期Pn最高，從S1期到S4期變化不大，S4期開始快速下降；京411在S2期Pn最高，然后逐漸下降，S6期Pn降為最低。

圖1 不同材料Pn比較Fig.1 Comparison of Pn of different materials

2.2.2 氣孔導度（Gs）比較 由表4可知，在短日低溫條件下，BS640在S1、S2和S4時期的Gs是供試材料中最高的，S3和S6時期Gs也較高；BS608在S2和S3時期Gs為最低，京411在S4和S6時期也是所有材料中最低的。在長日高溫條件下，BS640在S1和S3～S5時期的Gs均為最高；BS608在S1～S3時期Gs均為最低的，其余時期Gs也較低。由此可知，短日低溫和長日高溫條件下Gs較高的為BS640，較低的為BS608。

表4 不同材料Gs比較Table 4 Comparison of Gs of different materials mmol/(m2·s)

由圖2可知，每個材料在短日低溫和長日高溫Gs變化趨勢均有較大差異，京411Gs變化趨勢與BS107相似。短日低溫條件下，不育系BS107和BS1086Gs的變化趨勢相近，S2期下降，S3期Gs最高，S4期快速下降；BS608從S1期至S2期Gs顯著下降，然后逐漸升高，S6期Gs升至最高；BS366和BS640在S4期Gs最高，S5期降低，S6期又明顯升高；京411從S1期到S6期Gs變化不大，S1期Gs最高。長日高溫條件下，BS107、BS1086、BS640、BS366和京411Gs的變化趨勢相近，均是S1期至S4期Gs變化幅度較大，之后變化緩慢，Gs在S2期或S3期最高；BS608Gs變化幅度不大。

圖2 不同材料Gs比較Fig.2 Comparison of Gs of different materials

2.2.3 胞間CO2濃度（Ci）比較 由表5可知，在短日低溫條件下，BS640在S1、S2、S4和S6時期均為材料中Ci最高的；BS107在S6時期為最低，其余時期Ci也相對較低。在長日高溫條件下，BS640在S1和S3時期的Ci均為最高值，其余時期也相對較高；BS366在S2和S4時期Ci均為最低值；BS107在S1和S6時期的Ci為所試材料中最低，且S4時期也相對較低。由此可知，短日低溫和長日高溫條件下Ci較高的材料為BS640，Ci較低的材料為BS107。

表5 不同材料Ci比較Table 5 Comparison of Ci of different materials μmol/mol

由圖3可知，BS1086、BS640和BS366在短日低溫的Ci變化趨勢相似，京411短日低溫和長日高溫Ci變化趨勢與BS107相似，BS1086、BS640、BS608和BS366在長日高溫的Ci變化趨勢相似。短日低溫條件下，BS1086、BS640和BS366Ci的變化趨勢均為S1期至S4期緩慢變化，S5期Ci降至最低，S6期Ci快速回升；BS107和京411Ci的最低點在S4期；BS608Ci的最低點在S2期。長日高溫條件下，BS1086、BS640、BS608和BS366Ci的變化趨勢均是S3期前緩慢變化，S4期Ci大幅度下降，S5期和S6期Ci快速提升；BS107和京411在S1期至S2期Ci有個快速提升，然后S4期Ci快速下降，S5期和S6期Ci穩(wěn)定在較高水平。

圖3 不同材料Ci比較Fig.3 Comparison of Ci of different materials

2.2.4 蒸騰速率（Tr）比較 由表6可知，在短日低溫條件下，BS1086在S1和S3時期Tr均為最高，BS640在S2和S4時期Tr為最高，S6時期也較高；BS608在S5和S6時期為最高，但S1和S2時期均最低。在長日高溫條件下，BS1086在S4和S6時期Tr最高；BS640在S3和S5時期為Tr的最高值，其余時期Tr值也較高；BS608在S1～S6時期均為最低值。由以上分析可知，短日低溫和長日高溫條件下Tr較高的材料為BS640和BS1086，短日低溫和長日高溫Tr較低的材料為BS608。

表6 不同材料Tr比較Table 6 Comparison of Tr of different materials mmol/(m2·s)

由圖4可知，短日低溫條件下，BS107、BS1086和京411Tr的變化趨勢相似，均為S2期Tr快速下降，S3期Tr回升，S4期Tr快速下降，S6期Tr有所回升；BS640的變化趨勢為S1期至S4期Tr變化緩慢，S5期Tr顯著下降，S6期Tr快速回升至最高；BS608在S2期Tr快速下降至最低，之后開始回升，S6期Tr升至最高；BS366在S1期Tr最高，S2期快速下降，之后變化緩慢。長日高溫條件下，6個材料Tr的變化趨勢均是S1期至S3期緩慢變化，S4期Tr降至最低，S5期和S6期Tr快速回升。

圖4 不同材料Tr比較Fig.4 Comparison of Tr of different materials

2.3 不育系PSⅡ最大光化學效率（Fv/Fm）變化

由表7可知，在短日低溫條件下，S2、S3、S4和S5時期各材料之間Fv/Fm無差異；S1時期Fv/Fm較高的材料是BS608，較低的是京411；S6時期Fv/Fm較高的材料是京411，較低的是BS640。在長日高溫條件下，S2、S3和S4時期各材料之間Fv/Fm無差異；S1時期Fv/Fm較高的材料是BS1086，較低的是京411；S5時期Fv/Fm較高的材料是BS366，較低的是京411；S6時期Fv/Fm較高的材料是BS366和京411，較低的是BS107。由上分析，短日低溫和長日高溫條件下Fv/Fm各材料之間差異不大。

表7 不同材料Fv/Fm比較Table 7 Comparison of Fv/Fm of different materials

2.4 不育系結實率與光合特性的相關性分析

相關性分析（表8）表明，在短日低溫條件下，結實率與Pn、Gs、Ci、Tr和Fv/Fm相關性均不顯著。在長日高溫條件下，結實率與S2期、S3期和S4期的Pn呈正相關，與S1期、S2期、S3期和S4期的Gs呈正相關，與S2期、S3期、S4期和S5期的Tr呈正相關；從相關系數(shù)的大小來看，對結實率影響最主要的因子是Gs，其次是Pn和Tr。由此說明，長日高溫條件（不育系繁種區(qū)），不育系育性相對正常，結實率與Pn、Gs和Tr呈正相關，說明S2-S4期Pn、Gs和Tr升高，S1期Gs升高，及S5期Tr升高，均有利于不育系產(chǎn)量的提高。短日低溫條件（不育系制種區(qū)），不育系幾乎完全不育，結實率與光合指標相關性不顯著。

表8 不育系結實率與光合因子的相關系數(shù)Table 8 Correlation coefficients between seed-setting rate and photosynthetic factors of male sterile lines

3 討論

本團隊前期研究了在不同生態(tài)區(qū)分期播種條件下BS型小麥光溫敏不育系光合特性的變化特點[22]，由于在自然環(huán)境中可能存在不可控因素，本研究在人工氣候箱、溫室控制光照和溫度條件下研究了不育系在不育和可育狀態(tài)下的光合特性，兩組試驗結果基本一致。前期研究是在北京順義（不育系繁種區(qū)）進行，分析了抽穗期、開花期和花后30d 3個時期結實率與光合因子的相關性，結果表明結實率與Pn呈正相關；本研究是在人工控制可育狀態(tài)下，從孕穗到花后30d過程中6個小麥生長時期結實率與光合因子的相關性，結果表明結實率與Pn、Gs和Tr呈正相關，該研究結論也是對前期試驗結果的補充。在河南南陽（不育系制種區(qū)）結實率與各光合特性指標相關性都不顯著，與本研究不育狀態(tài)下結實率與各光合特性指標相關性都不顯著的結論一致，也進一步驗證了光溫控制育性轉換后不育系的光合特性發(fā)生了變化。本研究對不育系自交的光合特性進行了研究，選育出了光合特性好的不育系材料，但是關于不育系異交授粉后的光合特征還不明確，需要進一步研究。

不同類型的不育系光合特性也有一定差異，焦健等[23]報道，小麥K、T和V型不育系及化學殺雄親本的Pn、Gs和Tr在開花期達到最大值，本研究中BS型不育系的Pn在短日低溫下抽穗或開花期達到最大值，長日高溫下在孕穗期達到最大值；Gs在抽穗或開花期達到最大值；Tr在孕穗期達到最大值。本研究中，可育環(huán)境下結實率與Pn、Gs和Tr呈正相關，這與前人研究結論基本一致。譚彩霞等[9]報道的不同品質類型小麥旗葉Pn與產(chǎn)量呈極顯著正相關，卓武燕等[24]報道的旗葉葉綠素相對含量、Pn和Tr對產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素有顯著正向效應。利用光合作用雜種優(yōu)勢進行高光效育種已經(jīng)在大田作物生產(chǎn)上取得了一定進展[25-28]。本研究鑒定出的光合特性較好的不育系材料可應用于二系雜交小麥育種，并對高光效雜交小麥新品種選育提供依據(jù)。

4 結論

不育系BS107和BS1086的Pn、Gs和Tr變化趨勢相近，BS640和BS366的Gs和Ci的變化趨勢相近，BS608光合特性的變化較其他不育系大。京411短日低溫和長日高溫Pn的變化趨勢相近，且不同于不育系材料；京411短日低溫和長日高溫Gs、Ci和Tr的變化有差異，孕穗至開花變化較大，花后10d降至最低，花后20d又升高，變化趨勢與部分不育系相近。

鑒定出Pn和Tr較高的不育系材料是BS640和BS1086，其中BS640在不同光溫處理條件下Pn變化幅度最小，表現(xiàn)最穩(wěn)定，長日高溫條件下的育性恢復也最好，結實率達到67.45%，可加速該不育系的快速應用，并可利用光合特性較好的不育系材料對其他不育系進行轉育改良。

不育系育性與光合特性相關性研究表明，在短日低溫條件下，結實率與Pn、Gs、Ci、Tr和Fv/Fm相關性不顯著；在長日高溫條件下，結實率與抽穗期、開花期和花后10d的Pn、Gs和Tr均呈正相關，從相關系數(shù)的大小來看，對結實率影響最主要的因子是Gs，其次是Pn和Tr，因此，可通過提高孕穗期至灌漿期光合特性指標Pn、Gs和Tr，提高不育系繁種產(chǎn)量。