BS型小麥光溫敏雄性不育系光合特性研究

孫 輝，張立平，陳兆波，白建芳，白秀成，楊吉芳，張風(fēng)廷，趙昌平

(北京市農(nóng)林科學(xué)院北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心/雜交小麥分子遺傳北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097)

小麥光溫敏雄性不育系(以下簡(jiǎn)稱不育系)具有短日低溫不育、長(zhǎng)日高溫可育的特點(diǎn)，是二系法雜交小麥應(yīng)用的核心；其育性轉(zhuǎn)換受到光照和溫度的調(diào)控，在不育條件下可以實(shí)現(xiàn)雜交種生產(chǎn)，在可育條件下可以進(jìn)行自我繁殖[1-3]。在不育系應(yīng)用過(guò)程中，不育系成熟期表現(xiàn)差異較大，部分不育系會(huì)出現(xiàn)旗葉光合性能差、生育后期早衰、籽粒飽滿度差等問(wèn)題，限制了不育系的快速應(yīng)用，因此，高光效可作為小麥不育系選育的一個(gè)重要目標(biāo)。

光合作用是作物高產(chǎn)的生理基礎(chǔ)，改善光合作用對(duì)提高作物的產(chǎn)量潛力具有重要意義[4]，光合能力也是分析作物產(chǎn)量限制因素的重要依據(jù)[5]。由于小麥旗葉所處生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期和位置的特殊性，其光合性能基本上代表了冠層光合的趨勢(shì)[4]。目前，關(guān)于小麥光合特性的研究很多，但基本上是以常規(guī)品種為研究對(duì)象，而對(duì)不育系光合特性的分析鮮見報(bào)道。高溫、弱光可顯著降低小麥旗葉凈光合速率(Pn)及葉綠素?zé)晒鈪?shù) (Fv/Fm)[6]。追氮時(shí)期對(duì)小麥葉面積、葉綠素含量、Pn和產(chǎn)量影響顯著，且隨著施氮量的增加，小麥旗葉Pn總體上呈先增后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)以及產(chǎn)量總體呈先增后降的趨勢(shì)[7-8]。低溫可以通過(guò)氣孔關(guān)閉來(lái)抑制光合作用[9-11]。寬行距和低密度有利于小麥個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育,增加生育后期的Pn[12]。播期會(huì)影響小麥旗葉葉綠素含量及光合能力，合理的播期能夠提高小麥葉片的Pn和Gs，延長(zhǎng)葉片光合功能期，積累更多的光合產(chǎn)物[13-14]。

BS型小麥光溫敏雄性不育系具有異交結(jié)實(shí)性好、開穎角度大、開穎歷時(shí)長(zhǎng)、配合力高和恢復(fù)源廣等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)該型不育系進(jìn)行高光效特性評(píng)價(jià)有助于該類不育系的快速應(yīng)用。本研究設(shè)置不同播期的處理，在不同地域條件下比較分析了6個(gè)BS型光溫敏不育系的Pn等光合參數(shù)和結(jié)實(shí)率及其與播期、旗葉面積、株高的相關(guān)性，以期為高光效不育系的選育和雜交小麥光合生產(chǎn)力的提高提供理論參考。

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(shù)研究中心選育的小麥光溫敏雄性不育系BS366、BS1453、BS210、BS93、BS1745、BS485，其光溫敏感時(shí)期在藥隔至單核期，地域和播期對(duì)其結(jié)實(shí)率影響顯著[1-3]。以常規(guī)小麥品種京411為對(duì)照。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017-2018年小麥生長(zhǎng)季，分別在北京順義(40°08′ N,116°39′ E,海拔35 m)和河南南陽(yáng)(34°40′ N,112°21′ E,海拔120 m)進(jìn)行田間試驗(yàn)。北京順義為不育系繁種區(qū)，光溫敏感時(shí)期光長(zhǎng)約為13.5 h，溫度15～18 ℃；河南南陽(yáng)為不育系制種區(qū)，光溫敏感時(shí)期光長(zhǎng)約為12.5 h，溫度10～14 ℃。北京順義和河南南陽(yáng)均分兩期播種，播種時(shí)期為10月10日和10月20日。小區(qū)行長(zhǎng)1.5 m，種4行，行距25 cm，株距3 cm，設(shè)2次重復(fù)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

小麥抽穗后，每個(gè)處理隨機(jī)選擇葉齡一致的5個(gè)植株，選取受光方向一致的旗葉，利用光合作用測(cè)量系統(tǒng)(LI-6400XT，美國(guó)Li-COR公司)，在晴朗無(wú)風(fēng)的天氣9:00-11:00，測(cè)定小麥抽穗期、開花期、花后30 d三個(gè)時(shí)期的旗葉中部的Pn、Gs、Tr和Ci，重復(fù)3次。光強(qiáng)設(shè)為1 000 μmol·m-2·s-1，流量為500 mL·min-1，大氣CO2濃度為380 μmol·mol-1。在光合參數(shù)測(cè)定當(dāng)日，利用葉綠素?zé)晒鈨x(OS-30p，美國(guó)Opti-Sciences公司)測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fo和Fm)，計(jì)算光系統(tǒng)II(PS II)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm,Fv=Fm-Fo)，每個(gè)品種重復(fù)測(cè)定10次，取平均值。

每個(gè)材料測(cè)量10株小麥旗葉的長(zhǎng)和寬，葉面積=葉長(zhǎng)×葉寬×0.7[15]。

1.4 田間農(nóng)藝性狀及育性調(diào)查

開花前對(duì)每株主莖穗和1～2個(gè)分蘗穗套袋，成熟后調(diào)查旗葉的長(zhǎng)和寬、開花期、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗數(shù)和千粒重。結(jié)實(shí)率(國(guó)際法) =穗粒數(shù)/(小穗數(shù)×2)×100%。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析，用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 光溫敏雄性不育系的農(nóng)藝性狀和結(jié)實(shí)率表現(xiàn)

不育系在北京順義的結(jié)實(shí)率明顯高于河南南陽(yáng)(表1)。在北京順義，不育系晚播結(jié)實(shí)率高于早播，結(jié)實(shí)率30%～60%，說(shuō)明10月10日至10月20日播種均可安全繁種。育性恢復(fù)較好的不育系為BS1453和BS366，結(jié)實(shí)率在45%以上；育性恢復(fù)中等的不育系為BS1745、BS210、BS485，結(jié)實(shí)率為30%～40%。在河南南陽(yáng)，不育系兩個(gè)播期的育性均較低，結(jié)實(shí)率0～1.3%，達(dá)到高度不育，說(shuō)明10月10日至10月20日均能夠進(jìn)行安全制種。京411育性在兩個(gè)地點(diǎn)和不同播期下表現(xiàn)均正常，無(wú)論地點(diǎn)間還是播期間結(jié)實(shí)率差異均不顯著，達(dá)到84%～93%。比較旗葉面積發(fā)現(xiàn)，BS1453、BS485、京411和BS366顯著低于BS210、BS93和BS1745(表2)。

表1 7份材料在順義和南陽(yáng)的田間農(nóng)藝性狀和結(jié)實(shí)率表現(xiàn)Table 1 Agronomic traits and seed setting rate of 7 materials in Shunyi and Nanyang

表2 7份材料在順義和南陽(yáng)的平均旗葉面積Table 2 Average flag leaf area of 7 materials in Shunyi and Nanyang

2.2 光溫敏不育系光合特性指標(biāo)變化分析

2.2.1 凈光合速率(Pn)比較

由表3和表4可知，在北京順義10月10日播期下，從抽穗期到開花期6個(gè)不育系的Pn均有所增加；到花后30 d，不育系的Pn顯著下降，達(dá)到最低值；對(duì)照材料京411的Pn從抽穗期到花后30 d呈下降趨勢(shì)。在北京順義10月20日播期下，7份材料的Pn從抽穗期到花后30 d均呈下降趨勢(shì)。在河南南陽(yáng)的兩個(gè)播期下，BS366的開花期Pn比抽穗期略增，其他材料開花期的Pn比抽穗期均略降；7份材料的Pn均以花后 30 d最低。總體來(lái)看，從抽穗期到開花期，大部分材料保持了較高的光合速率，開花后30 dPn均大幅下降；從最高值看，Pn較高的材料為BS485，較低的材料為BS93。

表3 順義不同材料Pn比較Table 3 Comparison of Pn of different materials in Shunyi μmol·m-2·s-1

表4 南陽(yáng)不同材料Pn比較Table 4 Comparison of Pn of different materials in Nanyang μmol·m-2·s-1

2.2.2 氣孔導(dǎo)度(Gs)比較

在北京順義，兩個(gè)播期下，從抽穗期到花后30 d，小麥Gs變化趨勢(shì)不一致(表5)。在10月10日播期下，BS93、BS485、BS1745、BS1453的Gs先升后降，在開花期達(dá)到最高，花后30 d達(dá)到最低，其余材料的Gs從抽穗期到花后30 d逐步下降；在10月20日播期下，7份小麥材料的Gs均呈下降趨勢(shì)。在河南南陽(yáng)兩個(gè)播期下，7份小麥材料的Gs從抽穗期到開花后30 d均逐漸下降(表6)。總體來(lái)看，從抽穗到開花，雖然部分小麥不育系Gs有所提高，但開花后30 d各材料的Gs均明顯降低。

表5 順義不同材料Gs比較Table 5 Comparison of Gs of different materials in Shunyi mmol·m-2·s-1

表6 南陽(yáng)不同材料Gs比較Table 6 Comparison of Gs of different materials in Nanyang mmol·m-2·s-1

2.2.3 胞間CO2濃度比較

由表7、表8可知，在北京順義和河南南陽(yáng)兩個(gè)播期下，7份小麥材料的Ci從抽穗期到開花期均變化緩慢，從開花期到花后30 d快速上升?；ê?0 d時(shí)BS1745和京411的Ci較高，BS210的Ci較低。京411在河南南陽(yáng)花后30 d的Ci相對(duì)于開花期的增幅較大，明顯高于在北京順義的數(shù)值，也明顯高于6份不育系的數(shù)值。

表7 順義不同材料Ci比較Table 7 Comparison of Ci of different materials in Shunyi μmol·mol-1

表8 南陽(yáng)不同材料Ci比較Table 8 Comparison of Ci of different materials in Nanyang μmol·mol-1

2.2.4 蒸騰速率(Tr)比較

在北京順義的兩個(gè)播期下，從抽穗期到花后30 d，部分材料的Tr呈先升后降趨勢(shì)，其余呈下降趨勢(shì)(表9)。而在河南南陽(yáng)的10月10日播期下，也是部分材料的Tr呈先升后降趨勢(shì)，其余呈下降趨勢(shì)(表10)，而在10月20日播期下所有材料的Tr均呈先升后降趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，10月10日播期下大部分不育系河南南陽(yáng)的Tr變化趨勢(shì)與北京順義基本相同，均為開花期最高。而大部分不育系北京順義10月20日播期的Tr在抽穗期達(dá)到最高值，只有BS366和京411為開花期達(dá)到最高值。

表9 順義不同材料Tr比較Table 9 Comparison of Tr of different materials in Shunyi mmol·m-2·s-1

表10 南陽(yáng)不同材料Tr比較Table 10 Comparison of Tr of different materials in Nanyang mmol·m-2·s-1

2.3 光溫敏不育系的PSII 原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)變化

在北京順義，大部分不育系Fv/Fm從抽穗期到開花期變化不明顯，只有在10月20日播期下BS1745和BS93下降明顯；到花后30 d，BS93、BS1745和BS485較開花期顯著下降，其中BS93的Fv/Fm低于其他材料(表11)。在河南南陽(yáng)10月10日播期下，從抽穗期到開花期各材料Fv/Fm均變化不明顯，花后30 d時(shí)BS485、BS93和京411較開花期均顯著下降，其中BS485和BS93在7份材料中最低；在10月20日播期下，大部分材料從抽穗期到開花期Fv/Fm變化不明顯，只有BS485和京411上升顯著，花后30 d除了BS366外，其他材料均顯著下降(表12)?？傮w來(lái)看，北京順義和河南南陽(yáng)的兩個(gè)播期下，7份材料的Fv/Fm從抽穗到開花期變化均較小，在開花后變化較大，大部分材料呈明顯的下降趨勢(shì)。另外，北京順義不同材料間抽穗期的Fv/Fm和10月10日播期下開花期的Fv/Fm差異均不顯著，河南南陽(yáng)10月10日播期下不同材料間開花期的Fv/Fm和10月20日播期抽穗期的Fv/Fm差異均不顯著。

表11 順義不同材料Fv/Fm比較Table 11 Comparison of Fv/Fm of different materials in Shunyi

表12 南陽(yáng)不同材料Fv/Fm比較Table 12 Comparison of Fv/Fm of different materials in Nanyang

2.4 光溫敏不育系光合特性的影響因子分析

相關(guān)分析(表13、表14)表明，在北京順義，Pn與結(jié)實(shí)率、Gs、Tr和Fv/Fm呈正相關(guān)，與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)；Tr與播期、Pn和Gs呈正相關(guān)，與株高和Fv/Fm呈負(fù)相關(guān)。結(jié)實(shí)率與Pn呈正相關(guān)，與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)。從相關(guān)系數(shù)的大小來(lái)看，對(duì)Pn影響最主要的因子是播期和Tr，其次是結(jié)實(shí)率、Fv/Fm、Gs和旗葉面積；對(duì)Tr影響最主要的因子是播期、Gs和Pn，其次是株高和Fv/Fm；對(duì)結(jié)實(shí)率影響最主要的因子是Pn，其次是Gs和旗葉面積。在河南南陽(yáng)，Pn和結(jié)實(shí)率與各因子相關(guān)性均不顯著。Tr與播期和Gs呈正相關(guān)，與Ci呈負(fù)相關(guān)。從相關(guān)系數(shù)的大小來(lái)看，對(duì)Tr影響最主要的因子是播期和Gs，其次是Ci。

表13 順義不育系凈光合速率、蒸騰速率和結(jié)實(shí)率與其他因子的相關(guān)系數(shù)Table 13 Correlation analysis between net photosynthetic rate,transpiration rate,seed setting rate and other factors of male sterile lines in Shunyi

表14 南陽(yáng)不育系凈光合速率、蒸騰速率和結(jié)實(shí)率與其他因子的相關(guān)系數(shù)Table 14 Correlation analysis betweennet photosynthetic rate,transpiration rate,seed setting rate and other factors of male sterile lines in Nanyang

北京順義和河南南陽(yáng)的相關(guān)性分析結(jié)果不完全一致。在北京順義，影響Pn、Tr和結(jié)實(shí)率的因子較多；在河南南陽(yáng)，影響Pn、Tr和結(jié)實(shí)率的因子較少。從結(jié)實(shí)率與其他因子的相關(guān)性分析來(lái)看，北京順義為不育系的繁殖區(qū)，不育系育性相對(duì)正常，結(jié)實(shí)率與Pn呈正相關(guān)，說(shuō)明Pn升高，有利于不育系繁殖系數(shù)的提高。結(jié)實(shí)率與抽穗期和花后30 d的Gs分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，說(shuō)明抽穗期較高Gs和灌漿期較低Gs有利于提高不育系結(jié)實(shí)率。而河南南陽(yáng)為制種區(qū)，不育系幾乎完全不育，結(jié)實(shí)率與光合因子相關(guān)性不顯著。從Pn和Tr對(duì)播期的相關(guān)性分析來(lái)看，在北京順義，播期與抽穗期和開花期的Pn分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，晚播可以提升不育系抽穗期Pn，而早播將會(huì)提升不育系開花期Pn。在河南南陽(yáng)，播期與Tr呈正相關(guān)，晚播可以提升不育系開花期和花后 30 d的Tr。從Pn和Tr對(duì)旗葉面積的相關(guān)性分析來(lái)看，在北京順義Pn與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)，Pn較高的材料為BS485、較低的材料為BS93(表3、表4)，它們的平均旗葉面積分別為17.76 cm2和21.85 cm2(表2)，說(shuō)明在表型選擇上，小麥旗葉面積較小是選育高光效不育系的指標(biāo)之一。

3 討 論

小麥產(chǎn)量的90%～95%來(lái)自于直接或間接的光合作用。小麥旗葉葉綠素相對(duì)含量、凈光合速率和蒸騰速率對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素有顯著正向效應(yīng)[16]。本研究比較分析了6個(gè)不育系光合特性，發(fā)現(xiàn)在三個(gè)測(cè)定時(shí)期中Pn、Gs、Tr和Fv/Fm在抽穗期或開花期達(dá)到最高值，花后30 d降為最低值，而Ci的變化趨勢(shì)為花后30 d達(dá)到最高值。不同不育系材料之間光合特性有一定差異，BS485的Pn和Tr均較高，BS366的Gs和Tr均較高，而BS93的Pn較低，BS1453和BS210的Tr均較低。相關(guān)性分析表明，Pn與結(jié)實(shí)率、Gs、Tr和Fv/Fm呈正相關(guān)，與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)；Tr與播期、Pn和Gs呈正相關(guān)，與株高、Ci和Fv/Fm呈負(fù)相關(guān)；結(jié)實(shí)率與Pn呈正相關(guān)，與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)。對(duì)Pn影響最主要的因子是播期和Tr，其次是結(jié)實(shí)率、Fv/Fm、Gs和旗葉面積；對(duì)Tr影響最主要的因子是播期、Gs和Pn，其次是Ci、株高和Fv/Fm；對(duì)結(jié)實(shí)率影響最主要的因子是Pn，其次是Gs和旗葉面積。

焦 健等[5]報(bào)道，小麥K、T、V型不育系及化殺親本(CHA)的Pn、Gs和Tr在開花期達(dá)到最大值，Pn最主要的直接影響因子是Gs，Ci是限制CHA 親本旗葉Pn的另一主要因子。本研究中，不育系的Pn、Gs和Tr在北京順義10月10日播期下在開花期達(dá)到最高值，而在河南南陽(yáng)的Pn和Gs在抽穗期達(dá)到最高值；Pn最主要的影響因子是播期和Tr。這與前人的結(jié)論不完全一致，說(shuō)明BS型小麥光溫敏雄性不育系與K、T、V型不育系在光合特性上存在一定差異。

通過(guò)比較不育系與對(duì)照京411光合特性發(fā)現(xiàn)，小麥溫敏不育系與常規(guī)小麥品種在光合特性表現(xiàn)既有相似也有不同。在北京順義10月10日播期下，不育系Pn的最高值出現(xiàn)于開花期，而京411的Pn最高值出現(xiàn)于抽穗期；在10月20日播期下，BS366和京411的Tr最高值出現(xiàn)于開花期，而其他不育系Tr最高值出現(xiàn)于抽穗期。在河南南陽(yáng)10月20日播期下，京411從抽穗期到開花期Gs下降幅度最大，花后30 d時(shí)京411的Ci顯著高于不育系。根據(jù)研究結(jié)果推測(cè)，不育系與常規(guī)小麥在光合特性上很多方面有共性，但由于不育系育性在不同生態(tài)區(qū)有顯著差異，反映了其對(duì)環(huán)境因素敏感的特性，從而使其光合特性與常規(guī)小麥有所不同。

一些研究表明，作物Pn與Gs和Tr呈正相關(guān)[17-20]，本研究也得出相同結(jié)論。在本研究中，不育系的Pn、Gs和Tr變化趨勢(shì)在北京順義兩個(gè)播期間不一致。在北京順義10月10日播期下，開花期Pn較抽穗期有一個(gè)顯著升高的趨勢(shì)，自交結(jié)實(shí)率也沒(méi)有顯著降低，所以該播期適合不育系繁種。在河南南陽(yáng)10月20日播種，Tr與播期呈正相關(guān)，也有利于不育系光合性能的提升，提高制種質(zhì)量。這與裴雪霞等[13]報(bào)道的隨播期推遲Pn提高的結(jié)論不完全一致。從旗葉面積分析，Pn與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在表型選擇上，小麥旗葉面積較小更適宜提高光合特性。前人研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于冬小麥而言，花前較大的單株葉面積有利于累積更多光合產(chǎn)物，而花后保持相對(duì)不高的單株葉面積則能幫助植株規(guī)避過(guò)度營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，將更多水分和營(yíng)養(yǎng)用于籽粒干物質(zhì)累積，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量提升[21]。本研究中，結(jié)實(shí)率在北京順義與Pn呈正相關(guān)，說(shuō)明灌漿后期光合特性提升，有利于不育系自交結(jié)實(shí)率的提高；結(jié)實(shí)率與抽穗期和花后 30 d的Gs分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，說(shuō)明抽穗期提升Gs有利于提高結(jié)實(shí)率，而灌漿期降低Gs有利于提高不育系結(jié)實(shí)率。在河南南陽(yáng)，不育系表現(xiàn)高度不育，其結(jié)實(shí)率與光合因子相關(guān)性不顯著。選育在河南南陽(yáng)高度不育、而在北京順義高光效的不育系，對(duì)于不育系安全制種和高效自我繁殖非常重要，也是我們選育不育系期望達(dá)到的目標(biāo)之一。