小麥溫光敏雄性核不育系的柱頭活力研究

李宏生，李紹祥，楊忠慧，劉 琨，趙 紅，楊木軍

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，昆明 650205)

【研究意義】小麥雜種優(yōu)勢利用是進(jìn)一步提高單產(chǎn)水平、抗逆性和穩(wěn)產(chǎn)性，豐富小麥品種遺傳基礎(chǔ)的有效途徑之一[1-6]。小麥溫光敏或光溫敏雄性核不育材料，恢復(fù)源廣，制種程序簡單[7]，且配制的雜交組合高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)[8-9]，現(xiàn)已成為中國雜交小麥研發(fā)的主要途徑之一[10]。深入研究雜交小麥制種技術(shù)細(xì)節(jié)，有助于提高規(guī)?；品N產(chǎn)量，促進(jìn)雜交小麥大面積生產(chǎn)應(yīng)用[11]。雜交小麥制種中，不育系的異交結(jié)實(shí)率與其柱頭活力密切相關(guān)，是影響制種產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。【前人研究進(jìn)展】在影響制種異交結(jié)實(shí)率的諸多因素(如恢復(fù)系花粉量、不育系開穎率、柱頭外露率及柱頭活力持續(xù)期)中，不育系柱頭活力持續(xù)時間不僅與異交結(jié)實(shí)率直接相關(guān)，還影響制種的父母本播種期和花期調(diào)節(jié)[4,12-13]。柱頭活力受外界環(huán)境和不育系遺傳特性的影響[14]。杜雪樹等[15]對水稻制種的研究表明，不同不育系柱頭活力持續(xù)時間不同。因此，明確不同不育系柱頭活力持續(xù)時間長短以及柱頭活力的變化規(guī)律，有助于評價不育系的利用價值，合理安排制種播期及調(diào)節(jié)花期，提高制種產(chǎn)量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，西南麥區(qū)雜交小麥制種中對不育系柱頭活力持續(xù)時間與變化規(guī)律未進(jìn)行系統(tǒng)研究，雜交小麥高產(chǎn)制種有待完善?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以云南應(yīng)用的4個小麥溫光敏核不育系為材料，分別在第一朵穎花護(hù)穎完全張開(簡稱開穎，下同)后的不同時間進(jìn)行飽和授粉，研究各不育系柱頭活力的變化情況，為雜交小麥高產(chǎn)制種提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

4個小麥溫光敏雄性核不育系(簡稱不育系，下同)分別為K43S、K64S、K78S和K456S，花粉供體為常規(guī)品種云麥52號，5個材料均由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所選育。

K43S是利用K78S/K456S雜交的F1代種子誘導(dǎo)小麥雙單倍體選育獲得，中抗條銹病，株高50～60 cm，不育度100%，天然異交結(jié)實(shí)率為63.5%；K64S是利用15Y5-213/15Y5-241雜交的F1代種子誘導(dǎo)小麥雙單倍體選育獲得，中抗條銹病，株高70～75 cm，不育度100%，天然異交結(jié)實(shí)率為79.1%；K78S是組合96B-138/C49S-87雜交后代選育獲得，中感條銹病，株高75～80 cm，不育度100%，天然異交結(jié)實(shí)率為78.4%；K456S是組合K78S/甘鑒46雜交后代選育而來，中抗條銹病，株高80～85 cm，不育度100%，天然異交結(jié)實(shí)率為75.6%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料種植 4個小麥不育系于2019年10月20日播種，每個材料播種20行，行長1 m，行距25 cm，每行播種60～70粒，出苗后每行定苗至50苗，其中K64S分溫室大棚和大田2種環(huán)境種植，其余3個不育系全部種植于溫室大棚；生育期間溫室大棚四周卷起塑料布通風(fēng)透光?；ǚ酃w云麥52號于10月5、15、25日分3期播種，每期20行，每行播40～60粒。溫室和大田水肥管理一致。

1.2.2 不育系飽和授粉 抽穗后開花前，每個小麥不育系選擇生長發(fā)育進(jìn)度相近的麥穗進(jìn)行套袋，待套袋麥穗開穎后，選擇發(fā)育基本一致的麥穗剪開穎殼繼續(xù)套袋，分別于開穎后第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19和21天進(jìn)行飽和授粉，每次每個不育系授粉9穗，3穗為1個重復(fù)，共計(jì)99穗，9穗不授粉(CK)，考察不育系自交結(jié)實(shí)情況。

1.2.3 不育系活力測定 以小麥不育系雜交結(jié)實(shí)率表示不育系柱頭活力(下同)。不授粉(CK)和授粉的不育系種子進(jìn)入蠟熟期收獲進(jìn)行結(jié)實(shí)率考種。不育系結(jié)實(shí)率、自交結(jié)實(shí)率及不育系雜交結(jié)實(shí)率計(jì)算公式如下。不育系結(jié)實(shí)率(%)=[結(jié)實(shí)粒數(shù)/(每穗小穗數(shù)×2)]×100；自交結(jié)實(shí)率(%)=[自交結(jié)實(shí)粒數(shù)/(每穗小穗數(shù)×2)]×100；不育系雜交結(jié)實(shí)率(%)=不育系結(jié)實(shí)率-不育系自交結(jié)實(shí)率。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥不育系間柱頭活力比較分析

4個不育系未授粉套袋穗子全部未結(jié)實(shí)，自交結(jié)實(shí)率為0，不育系結(jié)實(shí)率與雜交結(jié)實(shí)率相等。從表1可看出，平均柱頭活力(雜交結(jié)實(shí)率)表現(xiàn)為：K456S>K64S>K78S>K43S。差異顯著性分析表明，K43S的平均柱頭活力顯著低于K64S、K456S，而K456S、K64S、K78S 三者間平均柱頭活力差異不顯著。

開穎后不同天數(shù)授粉的雜交結(jié)實(shí)率統(tǒng)計(jì)如表2。開穎后第3和5天授粉，雜交結(jié)實(shí)率分別為107.62%和99.13%，且兩者之間無顯著差異，但均顯著高于其他處理，說明開穎后第3天和第5天柱頭活力最高；開穎后第7天雜交結(jié)實(shí)率顯著高于隨后的其他處理；開穎后第1天和第9天授粉雜交結(jié)實(shí)率無顯著差異，但顯著高于隨后的其他處理；開穎后第11天授粉的雜交結(jié)實(shí)率顯著高于第13天和第15天授粉的。開穎后第15、17、21、19天授粉的雜交結(jié)實(shí)率都很低(小于5%)，4個處理間無顯著差異。4個不育系開穎后第19天的平均雜交結(jié)實(shí)率為0，說明柱頭已喪失活力。因此，在制種中父母本同期播種花期差異應(yīng)小于19 d。根據(jù)雜交結(jié)實(shí)率的變化趨勢，開穎后柱頭活力大小為第3天>第5天>第7天>第1天>第9天>第11天>第13天>第15天>第17天>第19天。

表1 4個不育系柱頭活力多重比較

表2 不同授粉時間柱頭活力多重比較

2.2 小麥不育系柱頭活力變化規(guī)律分析

根據(jù)4個不育系開穎后不同時間授粉的雜交結(jié)實(shí)率差異(圖1)，總體上隨著不育系開穎后時間的增加，不育系的柱頭活力先升高再降低，但4個不育系的柱頭活力變化趨勢以及達(dá)到峰值的時間有差異。其中，K43S在開穎后第3天雜交結(jié)實(shí)率最高，為106.02%，說明K43S的柱頭活力在開穎后第3天最高，開穎后第5～11天雜交結(jié)實(shí)率從103.19%下降到24.61%，柱頭活力呈現(xiàn)快速下降趨勢；K64S雜交結(jié)實(shí)率在第5天達(dá)到最高，為105.18%，第5～9天平穩(wěn)下降，其雜交結(jié)實(shí)率從105.18%下降到84.82%，第9天后急劇下降，第13天下降到17.39%；K78S第3天雜交結(jié)實(shí)率最高，為110.72%，說明K78S的柱頭活力也是開穎后第3天最高，隨后下降，下降趨勢與K64S基本相同；K456S在第5天柱頭活力達(dá)到最高(雜交結(jié)實(shí)率122.95%)，下降趨勢與K43S基本相同。

圖1 4個不育系開穎后不同時間柱頭活力表現(xiàn)Fig.1 Stigma vigor of four TPSGMS lines of different time after glume-opening

柱頭活力先升高再下降的原因與麥穗上小花間柱頭成熟度不同有關(guān)，第1朵小花穎殼張開時，基部或頂部部分小花柱頭發(fā)育未成熟而不能捕獲花粉粒完成受精；當(dāng)柱頭活力達(dá)到最大值的授粉期之后，隨著時間推移，先開花的小花柱頭逐漸老化而喪失受精能力，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率(柱頭活力)不斷降低。

2.3 小麥不育系間高柱頭活力持續(xù)時間比較分析

根據(jù)圖1分析不育系間高柱頭活力持續(xù)時間，除K43S外，其余3個不育系從開穎后第1～17天，其柱頭都有不同程度的活力，開穎后第19天開始，4個不育系的柱頭都沒有活力(雜交結(jié)實(shí)率為0)。同時，方差分析表明，4個不育系的柱頭活力持續(xù)時間無顯著差異(P>0.05)。但其授粉結(jié)實(shí)率達(dá)到80%以上的時間存在顯著差異(P= 0.00)，K64S為7 d，K78S為9 d，K43S為3 d，K456S為5 d，即K78S>K64S>K456S>K43S。

通過上述分析可知，4個不育系間柱頭活力高低和雜交結(jié)實(shí)率>80%的持續(xù)時間存在顯著差異，且各不育系柱頭活力變化規(guī)律也不相同，在制種中應(yīng)根據(jù)不育系的柱頭活力特性制定相應(yīng)的花期調(diào)控措施。在優(yōu)勢組合測配時應(yīng)選擇不同開花特性的恢復(fù)系，如K64S和K78S為高柱頭活力(雜交結(jié)實(shí)率>80%)持續(xù)時間較長的不育系，可選擇開花期較長的恢復(fù)系，花期最好能夠持續(xù)10 d以上；而K43S和K456S為高柱頭活力(雜交結(jié)實(shí)率>80%)持續(xù)時間較短的不育系，應(yīng)選擇開花期較為集中的恢復(fù)系，其在2～5 d內(nèi)能夠提供足量的花粉。

2.4 不同環(huán)境對小麥不育系柱頭活力的影響

K64S在大田和溫室2種環(huán)境條件下的柱頭活力測定結(jié)果見圖2，其柱頭活力存在極顯著差異(P=0.000)。大田環(huán)境下最高雜交結(jié)實(shí)率(122.76%)較溫室高17.58%；平均雜交結(jié)實(shí)率(59.38%)較溫室高13.83%。K64S在大田環(huán)境下開穎后第7天柱頭活力達(dá)到峰值，較溫室中推遲2 d；開穎后第1～15天，除第3天外，其余時間大田環(huán)境的柱頭活力均高于溫室。大田環(huán)境下K64S高柱頭活力持續(xù)時間也明顯長于溫室，開穎后第3～11天授粉的結(jié)實(shí)率均保持在80%以上，持續(xù)時間長達(dá)9 d，較溫室長2 d。其主要原因是溫室的平均溫度高于大田2.8 ℃，濕度僅有10%左右，高溫、干燥對柱頭活力有損傷。因此選擇制種基地時應(yīng)考慮其小麥開花期的溫度、濕度或灌溉條件。

圖2 K64S在溫室和大田2種環(huán)境下的柱頭活力Fig.2 Sigma vigor of K64S in greenhouse and field

3 討 論

柱頭是不育系接受外源花粉的器官。研究表明，不同不育系其柱頭活力持續(xù)時間存在顯著差異[16]，明確不育系柱頭活力持續(xù)時間，尤其是高柱頭活力(授粉結(jié)實(shí)率>80%)持續(xù)時間對提高雜交制種產(chǎn)量至關(guān)重要[17]。相關(guān)研究和制種實(shí)踐表明，水稻和小麥不育系雜交結(jié)實(shí)率與柱頭活力密切相關(guān)，雜交結(jié)實(shí)率已廣泛用于指示不育系的柱頭活力[14,16,18-19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，4個不育系開穎后的平均柱頭活力存在一定差異，與水稻不育系柱頭活力研究結(jié)果相似。柱頭活力持續(xù)時間越長，其能夠接收恢復(fù)系花粉的概率就越高，制種產(chǎn)量也就越高。本研究中，4個不育系柱頭活力持續(xù)時間均可達(dá)15 d，與羅紅兵等[20]在小麥光溫敏核不育系ES上的研究結(jié)果(柱頭活力持續(xù)時間為8～9 d)有明顯差異，其原因與所選雜交授粉起點(diǎn)不同有關(guān)，本研究以中部第1朵穎花張開為時間起點(diǎn)，而羅紅兵等的研究以盛花期為起點(diǎn)。不育系柱頭活力持續(xù)時間長短僅代表不育系可授粉結(jié)實(shí)的持續(xù)時間，而制種中更需要了解不育系保持高柱頭活力持續(xù)的時間以提高異交結(jié)實(shí)率。研究表明，小麥和水稻不育系都具有高雜交結(jié)實(shí)率的授粉關(guān)鍵時期，且不同不育系的授粉關(guān)鍵時期不同[21-22]，與本研究結(jié)果一致。

本研究通過不育系在溫室大棚和大田自然條件的柱頭活力對比試驗(yàn)，證實(shí)了開花期高溫、干燥的環(huán)境對小麥不育系的柱頭活力有不利影響。大田環(huán)境下K64S柱頭活力在80%以上的持續(xù)時間顯著高于溫室環(huán)境(高溫、干燥)，該結(jié)果與水稻不育系的相關(guān)研究與制種實(shí)踐基本一致，高溫可導(dǎo)致水稻柱頭活力下降[23]，高溫、低濕導(dǎo)致制種中不育系雜交結(jié)實(shí)率降低[24]，低溫、高濕環(huán)境下水稻不育系新安S柱頭活力更高[25]。同時，筆者在多年雜交小麥大面積生產(chǎn)制種中也發(fā)現(xiàn)，溫度較低、濕度較高的云南省騰沖市，其制種產(chǎn)量明顯高于高溫、干旱的云南省文山州。因此，制種基地安排在溫度較低、濕度適中的區(qū)域更易獲得高產(chǎn)。

不育系柱頭活力持續(xù)時間以及高柱頭活力持續(xù)時間受遺傳背景和環(huán)境的影響。在生產(chǎn)制種中，明確不育系的柱頭活力特性及環(huán)境因素對柱頭活力的影響，對制種的花期調(diào)節(jié)和提高制種產(chǎn)量至關(guān)重要。本研究明確了4個主要小麥溫光敏核不育系柱頭活力的差異及變化規(guī)律，為這些不育系高產(chǎn)制種中花期調(diào)節(jié)提供了科學(xué)依據(jù)。但不育系柱頭活力受環(huán)境影響，還需進(jìn)一步在不同制種基地進(jìn)行系統(tǒng)研究，包括開花習(xí)性、柱頭活力變化規(guī)律等，從而為高產(chǎn)制種提供更詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

通過對4個小麥溫光敏雄性核不育系連續(xù)21 d飽和授粉的雜交結(jié)實(shí)率研究，各不育系柱頭活力變化趨勢都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，其中K43S和K78S開穎后第3天柱頭活力最高，雜交結(jié)實(shí)率為106.20%和110.72%，K64S和K456S開穎后第5天柱頭活力最高，雜交結(jié)實(shí)率為105.18%和122.95%。4個不育系高柱頭活力持續(xù)時間K78S(9 d)>K64S(7 d)>K456S(5 d)>K43S(3 d)，開穎后K78S第1～9天，K64S第3～9天，K456S第1～5天和K43S第3～5天雜交結(jié)實(shí)率都大于80%。不育系開花期高溫干燥的環(huán)境對柱頭活力和高柱頭活力持續(xù)時間均有不利影響。這些結(jié)果可為4個小麥溫光敏雄性核不育系高產(chǎn)制種和制種區(qū)域選擇提供理論參考。