小麥雄性不育系FA99-3和BS101的育性轉換特性比較分析

孫 輝，張風廷，苑少華，白建芳，苑國良，王 娜，白秀成，楊吉芳，趙昌平，張立平

(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，北京100097)

小麥雄性不育研究始于1951年，Kinara[1]將普通小麥細胞核導入尾形山羊草細胞質(zhì)中獲得了A型雄性不育系。1962年，美國的Wilson和Ross[2]利用提莫菲維小麥與普通小麥雜交，育成了世界上第一個具有實用價值的T型不育系，并三系配套。1979年，Sasakuma和Ohtsuka[3]報道了具有D2型山羊草細胞質(zhì)普通小麥農(nóng)林26的育性表現(xiàn)與光照時長變化有關。近年來，我國陸續(xù)發(fā)現(xiàn)和應用了一批不同類型光溫敏雄性不育小麥材料，如何覺民等[4]利用小麥遠緣雜交，發(fā)現(xiàn)了ES系列等一批核型光溫敏雄性不育材料；譚昌華等[5]通過雜交選育，發(fā)現(xiàn)并培育出光溫型核不育小麥C49S和C86S；趙昌平等[4]育成了BS系列等一批冬性小麥光溫敏不育系，而且不育源較為豐富；榮德福等[6]培育了兩極光敏型雄性不育小麥337S；李羅江等[7]發(fā)現(xiàn)并育成新型小麥溫光敏雄性不育系BNS；趙 卜等[8]用六倍體小麥種間雜交和回交育成F型普通小麥細胞質(zhì)雄性不育系FA。

育性轉換研究是指導雄性不育小麥安全制種和繁種生態(tài)區(qū)選擇的關鍵環(huán)節(jié)。通過光溫調(diào)控，可以實現(xiàn)小麥光溫敏不育系的育性在不育和可育之間轉換，從而實現(xiàn)雜交種生產(chǎn)和自我繁殖。目前關于F型不育系和BS型不育系育性轉換規(guī)律有一定的研究，但是不同不育系及不同品系之間的光溫轉換閾值存在明顯差異。前人已開展了FA細胞學、恢保關系和雜種優(yōu)勢等初步研究[8-10]，發(fā)現(xiàn)FA育性受品系、播期等影響，即使是相同品系的單株之間、相同單株不同分蘗間育性也有一定差異，花粉粒碘染以染敗為主[9-10]，但是關于FA育性的光溫敏感特征及轉換閾值等尚未見研究報道。目前報道的BS20和BS210均以溫度敏感為主，敏感時期為藥隔形成期至單核期，碘染均以染敗為主，BS20的臨界溫度為10～12 ℃，BS210的臨界溫度為8～12 ℃[11-12]。

FA99-3是由山西省運城藍紅雜交小麥研究中心選育的細胞質(zhì)雄性不育系，具有良好的不育特性和恢復特性，雜交組合的雜種優(yōu)勢明顯。BS101是由北京雜交小麥工程技術研究中心新選育的光溫敏核雄性不育系，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。本研究擬通過不同生態(tài)區(qū)田間育性鑒定試驗和人工氣候箱光溫調(diào)控試驗，分析比較FA99-3和BS101的育性轉換特性，以期為進一步加速FA99-3和BS101在育種和生產(chǎn)中的實際應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為小麥細胞質(zhì)雄性不育系FA99-3，小麥光溫敏核雄性不育系BS101，對照為常規(guī)小麥品種京411。

1.2 試驗設計

1.2.1 多生態(tài)區(qū)分期播種試驗

2015-2016年、2016-2017年小麥生長季，分別在北京順義(40°08′ N，116°39′ E，海拔35 m，為FA99-3和BS101繁種區(qū))和河南南陽(34°40′ N，112°21′ E，海拔120 m，為FA99-3和BS101制種區(qū))進行田間試驗。北京順義分3期播種，播種時期依次為9月30日、10月10日和10月20日。河南南陽分5期播種，播種時期依次為9月30日、10月10日、10月20日、10月30日和11月10日。小區(qū)行長1.5 m，種4行，行距25 cm，株距3 cm，設2次重復。

1.2.2 光溫調(diào)控試驗

試驗于2016年10月至2017年5月在人工氣候箱(KBW，德國 Binder)內(nèi)進行，濕度70%，光照強度125 μmol·m-2·s-1。材料于10月1日播種于花盆，置于田間，花盆規(guī)格為底部直徑26 cm、上部直徑23 cm、高25 cm，每盆留苗8株，底肥施磷酸二胺0.88 g、尿素0.63 g，于四葉一心期每盆追施尿素0.63 g。春化完成后，將花盆移入溫室，直到苗生長至所需生育期，然后移入人工氣候箱進行不同光照和溫度處理，非處理時期生長條件控制為光照時長12 h·d-1，抽穗前平均溫度12 ℃，抽穗后平均溫度16 ℃。每處理4盆，每盆8株，設2次重復。

溫度、光照敏感期試驗設4個處理時期，分別為小花分化至雌雄蕊分化期、雌雄蕊分化至藥隔期、藥隔至四分體期和四分體至單核期。溫度敏感期試驗設低溫(平均溫度10 ℃)處理，光照時長12 h·d-1；光照敏感期試驗設短日照(10 h·d-1)處理，平均溫度12 ℃。

溫度敏感試驗設4個溫度水平，處理平均溫度為10、12、14和16 ℃(表1)，處理光照時長為12 h·d-1。處理時期為藥隔至單核期。小麥抽穗期掛牌定株，抽穗后3～4 d，取穗中部第1位或第2位小花的花藥，用碘-碘化鉀染色，觀察花粉粒育性。

光照敏感試驗設3個光長水平，處理光照時長為10 h·d-1(加光時間為6：00-16：00)、12 h·d-1(加光時間為6：00-18：00)和14 h·d-1(加光時間6：00-20：00)，處理平均溫度為12 ℃。處理時期為藥隔至單核期。

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

1.3 田間調(diào)查與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

開花前對每株主莖穗和1～2個分蘗穗套袋，成熟后調(diào)查小穗數(shù)和穗粒數(shù)。結實率(國際法) =穗粒數(shù)/(小穗數(shù)×2)×100%。用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析，用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 FA99-3和BS101多生態(tài)區(qū)分期播種試驗結果

FA99-3和BS101及京411在2016-2017年度的主要農(nóng)藝性狀見表2，2015-2016年度和2016-2017年度的結實率結果見表3。在不同生態(tài)點的分期播種試驗中，F(xiàn)A99-3和BS101在北京順義(繁種區(qū))的結實率明顯高于河南南陽(制種區(qū))。

在北京順義，F(xiàn)A99-3晚播結實率高于早播，9月30日和10月10日播種的結實率為20%左右，10月20日播種的結實率最高，2015-2016與2016-2017年度分別為36.42%和38.06%，顯著高于10月10日前的播種處理，表明10月20日播種可安全繁種。在北京順義，BS101晚播結實率高于早播，10月20日播種的結實率最高，2015-2016與2016-2017年度分別為57.70%和63.11%，顯著高于10月10日前的播種處理，但整體結實率均達到40%以上，表明9月30日至10月20日播種均可安全繁種。

在河南南陽，F(xiàn)A99-3不同播種時期之間晚播結實率都高于早播，兩年度試驗中9月30日、10月10日播種與10月20日、10月30日、11月10日播種相比結實率差異顯著，9月30日至10月10日播種的結實率低于1%，達到高度不育，為安全制種播種時期。在河南南陽，BS101不同播種時期之間晚播結實率都高于早播，兩年度試驗中9月30日、10月10日和10月20日播種與10月30日和11月10日播種相比結實率差異顯著，9月30日至10月20日播種的結實率低于1%，達到高度不育，為安全制種播種時期。對照品種京411雖然不同地區(qū)分期播種晚播結實率高于早播結實率，但差異不顯著，不同年份、不同地域和不同播種時期的結實率均達到90%以上。

以上分析表明，不同生態(tài)區(qū)和播種時期對FA99-3、BS101和京411結實率影響是不同的。不同生態(tài)區(qū)和播種時期對FA99-3和BS101的育性影響非常明顯，結實率差異顯著；對京411的育性影響較小，育性表現(xiàn)正常。

表2 2016-2017年度FA99-3和BS101在北京順義和河南南陽的田間表現(xiàn)Table 2 Agronomic characteristics of FA99-3 and BS101 in Shunyi of Beijing and Nanyang of Henan during the winter wheat season in 2016-2017

E1和E2分別表示北京順義和河南南陽試驗點。

E1 and E2 indicate the test locations of Shunyi in Beijing and Nanyang in Henan,respectively.

表3 2015-2016年度和2016-2017年度FA99-3和BS101在北京順義和河南南陽的結實率Table 3 Seed-setting rate of FA99-3 and BS101 in Shunyi, Beijing and Nanyang, Henan during winter wheat seasons in 2015-2016 and 2016-2017 %

E1和E2分別表示北京順義和河南南陽試驗點。同一年度同一列數(shù)據(jù)后的不同字母表示不同播種時期之間差異顯著(P<0.05)。

E1 and E2 indicate the test locations of Shunyi in Beijing and Nanyang in Henan, respectively.In same year and column,the values followed by different letters are significantly different among different sowing dates at 0.05 level.

2.2 光溫敏感時期及光溫處理條件下FA99-3和BS101的育性轉換結果分析

2.2.1 FA99-3和BS101育性轉換的溫度敏感時期

在不同的穗分化階段進行低溫(10 ℃)處理后，F(xiàn)A99-3和BS101的結實率差異較大，二者均以藥隔至四分體期的結實率最低，其次是四分體至單核期，這兩個生育時期的結實率顯著低于其他生育時期(表4)，說明該穗分化階段育性對低溫最敏感，低溫與該生育階段相遇則制種安全性較高。對照京411各處理的結實率均達70%左右，育性表現(xiàn)穩(wěn)定和正常，對低溫不敏感。

同一列數(shù)據(jù)后的不同字母表示各處理時期間的差異顯著(P< 0.05)。下同。

In the same column,the values followed by different letters are significantly different among stages of treatment at 0.05 level.The same in tables 5-7.

2.2.2 FA99-3和BS101育性轉換的光照敏感時期

在不同的穗分化階段進行10 h·d-1的短日照處理，F(xiàn)A99-3和BS101的結實率差異很大，二者均以藥隔至四分體期的結實率最低，其次是四分體至單核期，這兩個生育時期的結實率顯著低于其他生育時期(表5)，說明該穗分化階段育性對短日照最敏感，短日照與該生育階段相遇則制種安全性較高。對照京411各處理的結實率均達70%左右，育性表現(xiàn)穩(wěn)定和正常，對短日照不敏感。

2.2.3 不同溫度處理條件下FA99-3和BS101的育性轉換分析

為了精確分析FA99-3和BS101的溫度轉換閾值，利用人工氣候箱進行4個因子的溫度敏感試驗，光照時長均為12 h·d-1。結果(表6)表明，溫度對FA99-3和BS101結實率的作用明顯，對京411結實率的作用不明顯。FA99-3的結實率隨著處理溫度的升高而增加，均溫10 ℃處理的結實率最低，均溫14 ℃及其以上時結實率顯著提高，均溫16 ℃處理的結實率最高。在均溫10 ℃和12 ℃時結實率都低于1%，且兩處理差異不顯著，而均溫14 ℃處理的結實率達到7.40%，均溫16 ℃處理的結實率達到17.03%，顯著高于均溫10 ℃和12 ℃處理，因此FA99-3在光照12 h·d-1時溫度閾值為12～14 ℃。BS101的結實率也隨著處理溫度的升高而增加，均溫10 ℃處理的結實率最低，均溫16 ℃處理的結實率最高，均溫16 ℃處理顯著高于均溫10 ℃和12 ℃處理，均溫10、12和14 ℃處理間結實率差異不顯著，因此BS101在光照12 h·d-1時溫度閾值為14～16 ℃。由于BS101四個溫度處理的結實率均低于5%，可見其育性的溫度敏感性較弱，其臨界溫度轉換閾值較高，預期制種安全性較好。對照品種京411不同溫度處理之間結實率差異不顯著，結實率均達到70%以上。

表5 FA99-3和BS101在不同穗分化階段短日照(10 h·d-1)處理的結實率Table 5 Seed-setting rate of FA99-3 and BS101 treated with short photoperiod(10 h·d-1) at different phases of spike differentiation %

FA99-3在低溫(10 ℃)條件下花藥不開裂，碘-碘化鉀染色表明，花粉粒形狀多數(shù)正常，但不能被染色或染色淺，花粉粒敗育，以染敗為主；在高溫(16 ℃)條件下花藥開裂，花粉粒為圓形，大部分花粉粒被染成黑色，花粉粒可育(圖1，A和B)。BS101在低溫(10 ℃)和高溫(16 ℃)條件下花藥均不開裂，碘-碘化鉀染色表明，花粉粒形狀多數(shù)正常，但不能被染色或染色淺，花粉粒敗育，以染敗為主(圖1，C和D)。京411在低溫(10 ℃)和高溫(16 ℃)條件下花藥均開裂，花粉粒為圓形，被染成黑色，花粉?？捎?圖1，E和F)。

2.2.4 不同光長處理下FA99-3和BS101的育性轉換分析

表6 不同溫度處理下FA99-3、BS101和京411的結實率Table 6 Seed-setting rate of FA99-3, BS101 and Jing 411 treated with different temperature %

A1：10 ℃條件下，F(xiàn)A99-3花藥不開裂；A2：10 ℃條件下，F(xiàn)A99-3花粉粒不能被碘-碘化鉀染色或染色淺；B1：16 ℃條件下，F(xiàn)A99-3花藥開裂；B2：16 ℃條件下，F(xiàn)A99-3碘-碘化鉀染色后花粉粒呈黑色；C1：10 ℃條件下，BS101花藥不開裂；C2：10 ℃條件下，BS101花粉粒不能被碘-碘化鉀染色或染色淺；D1：16 ℃條件下，BS101花藥不開裂；D2：16 ℃條件下，BS101花粉粒不能被碘-碘化鉀染色或染色淺；E1：10 ℃條件下，京411花藥開裂；E2：10 ℃條件下，京411 碘-碘化鉀染色后花粉粒呈黑色。F1：16 ℃條件下，京411花藥開裂；F2:16 ℃條件下，京411 碘-碘化鉀染色后花粉粒呈黑色。

A1:No anther dehiscence of FA99-3 under 10 ℃condition; A2:Anthers were not stained or lightly stained by I2-KI of FA99-3 under 10 ℃condition；B1:Anther dehiscence of FA99-3 under 16 ℃condition; B2:Anthers were stained black with I2-KI of FA99-3 under 16 ℃ condition；C1:No anther dehiscence of BS101 under 10 ℃ condition; C2:Anthers were not stained or lightly stained by I2-KI of BS101 under 10 ℃ condition；D1:No anther dehiscence of BS101 under 16 ℃ condition; D2:Anthers were not stained or lightly stained by I2-KI of BS101 under 16 ℃ condition；E1:Anther dehiscence of Jing 411 under 10 ℃ condition; E2:Anthers were stained black with I2-KI of Jing 411 under 10 ℃ condition；F1:Anther dehiscence of Jing 411 under 16 ℃ condition; F2:Anthers were stained black with I2-KI of Jing 411 under 16 ℃ condition.

圖1不同溫度條件下FA99-3、BS101和京411花藥及花粉粒碘染結果

Fig.1ObservationofanthersandpollengrainsofFA99-3,BS101andJing411underdifferenttemperatureconditions

為了分析FA99-3和BS101光長轉換閾值，利用人工氣候箱進行3個因子的光長敏感試驗，平均溫度均為12 ℃。結果(表7)表明，光長對BS101結實率的作用明顯，對FA99-3和京411結實率的作用不明顯。FA99-3不同光照時長處理的結實率均低于2%，差異不顯著。BS101的結實率隨著處理光照時長的提高而增加，光長10 h·d-1處理的結實率最低，光長14 h·d-1處理的結實率最高，在光長10 h·d-1和12 h·d-1時結實率都低于1%，且兩處理差異不顯著，而光長14 h·d-1處理的結實率達到16.67%，顯著高于光長10 h·d-1和12 h·d-1處理，因此BS101在平均溫度為12 ℃時的光長轉換閾值為12～14 h·d-1。對照品種京411不同光長處理的結實率均達到70%以上，差異不顯著。

表7 不同光長處理下FA99-3、BS101和京411的結實率Table 7 Seed-setting rate of FA99-3, BS101 and Jing 411 treated with different photoperiod %

3 討 論

利用小麥雄性不育系生產(chǎn)雜交種，是目前小麥雜種優(yōu)勢利用的有效途徑。本研究分析和比較了小麥普通細胞質(zhì)雄性不育系FA99-3和光溫敏核雄性不育系BS101的制繁種安全播種時期、光溫敏感時期和光溫轉換閾值等結果，發(fā)現(xiàn)兩者雖然為不同類型的不育系，但均屬于短日低溫不育類型，其育性敏感時期為藥隔至單核期，其中FA99-3以溫度敏感為主，在光照12 h·d-1時，其溫度轉換閾值為12～14 ℃；BS101以光照敏感為主，在平均溫度為12 ℃時，其光長轉換閾值為12～14 h·d-1；在光照12 h·d-1時，溫度閾值為14～16 ℃，但是對溫度的敏感性較弱。多生態(tài)區(qū)分期播種育性鑒定試驗和人工氣候箱光溫調(diào)控試驗表明，BS101制繁種播期范圍較FA99-3長，并以光照敏感為主，預期制種安全性較高。

與前人發(fā)表的其他光溫敏不育系結果比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A99-3與BS210、C49S、A3314、BNS、ES-50的育性轉換模式類似，其中與C49S的溫度轉換閾值12～14 ℃[13]相同，而與BS210(8～12 ℃)[12]、A3314(18 ℃)[14]、BNS(8～12 ℃)[15-16]和ES-50(10.5～13 ℃)[17]的轉換閾值存在差異。BS101以光照敏感為主，不同于BS20和BS210以溫度敏感為主的類型[11-12]。FA99-3和BS101花粉敗育均以染敗為主，與BS20[11]、BS210[12]和A3017[18]的敗育特征相同，不同于K78S以典敗和圓敗為主[19]、BNS和BNS366以典敗為主的花粉敗育特征[20-22]。

深入研究小麥不育系的光溫誘導、環(huán)境變化與育性的關系是指導不育系選育和應用的基礎。對于以溫敏為主的不育系，臨界溫度越高制種越安全，臨界閾值跨度越大可選擇的生態(tài)區(qū)越廣泛；對于光敏為主的不育系，臨界光長主要受地域影響，制繁種將相對安全。對于臨界溫度較低，其他性狀較好的不育系，可以通過雜交轉育的方法對其進行定向改造。FA99-3為CMS三系不育系，主要依靠保持系進行親本繁殖，由于該不育系的育性存在溫度誘導效應，在北京順義晚播(10月20日)條件下，自交結實率可達38.06%，可見該不育系也可通過適期晚播實現(xiàn)繁殖，對于簡化FA99-3繁種程序、降低制繁種成本具有一定的指導意義。BS101是新選育、以光敏為主的光溫敏不育系，對溫度敏感程度較弱，與早期選育的BS20和BS210等BS系列不育系相比，BS101制種風險較低，育性更加穩(wěn)定，目前該不育系已經(jīng)進行了組合配制，預期應用前景良好。

致謝：感謝山西省運城藍紅雜交小麥研究中心馮樹英研究員提供小麥F型雄性不育系(FA99-3)種子。