小麥核質互作雜交種農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的雜種優(yōu)勢分析

李燕紅，高世慶，任 揚，張俊杰，都晶晶，高 聰，王軍衛(wèi)，馬守才,宋瑜龍，張改生,牛 娜

(1.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌 712100；2.陜西省作物雜種優(yōu)勢研究與利用重點實驗室，陜西楊凌 712100；3.北京市農(nóng)林科學院雜交小麥工程技術研究中心，北京 100097)

小麥是我國主要糧食作物之一，其高產(chǎn)對國家糧食安全至關重要[1]。雜種優(yōu)勢是指兩個不同遺傳背景的親本進行雜交，其F1代在生活力、抗逆性、產(chǎn)量等方面均表現(xiàn)出優(yōu)于親本的現(xiàn)象[2-5]。利用雜種優(yōu)勢可有效提高作物產(chǎn)量。小麥雄性不育是雜交優(yōu)勢利用的重要途徑，通過控制雄性不育系授粉可獲得小麥雜交種。目前雜交優(yōu)勢在水稻、玉米等作物育種中已被廣泛利用[6-9]，在小麥上雖有進展，但應用范圍較小。小麥核質互作雄性不育系統(tǒng)(nucleus-cytoplasmic male sterile system，CMS)為雜交小麥育種系統(tǒng)的重要組成部分。CMS系統(tǒng)又極大地依賴于不育細胞質源的類型。根據(jù)育性恢復專效性原理可將小麥CMS分為T型、K型、D2型、A型、P型等[10-11]。自1951年日本學者木原均將普通小麥細胞核導入尾狀山羊草的細胞質中，首次發(fā)現(xiàn)了核質互作雄性不育系后，目前已經(jīng)育成了超過70種細胞質的核質互作小麥雄性不育系[12]，并實現(xiàn)三系配套應用于實踐[13]。然而，關于細胞質對小麥雜交種農(nóng)藝性狀和籽粒物理性狀貢獻的研究較少。

小麥的農(nóng)藝性狀和籽粒性狀是受遺傳和環(huán)境共同調控，分析小麥表型性狀是評價雜交組合優(yōu)劣最簡單直觀的方法[14-15]。研究小麥的農(nóng)藝性狀和籽粒性狀可以在一定程度上揭示雜種優(yōu)勢的遺傳規(guī)律和變異程度。劉春光等[16]對4個小麥同核異質系的遺傳分析表明，3種異細胞質對產(chǎn)量和品質性狀具有較好的遺傳效應。宋喜悅等[17]將單芒山羊草細胞質雄性不育系(U型)和粘果山羊草細胞質雄性不育系(K型)分別與10個普通小麥品種雜交，對F1的農(nóng)藝性狀和籽粒性狀分析發(fā)現(xiàn)，與K型細胞質相比，U型細胞質在農(nóng)藝性狀上無顯著不良效應，且籽粒發(fā)芽率高，籽粒飽滿，容重增大。羅茜等[18]調查兩套核質互作雄性不育及其保持系的主要農(nóng)藝性狀后認為，無論CMS是否為1B/1R類型，其農(nóng)藝性狀都會受細胞質類型的影響且存在不同程度的差異。

目前，對于小麥CMS系花藥敗育機理和測恢性研究得較為透徹，但對其后代的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)分析相對較少。本研究以小麥兩套同核異質CMS系(核背景分別為AK58、XC-1236)與兩個恢復系(R5174、R2726)雜交得到的F1代為對象，分析其農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的遺傳變異規(guī)律以及雜種優(yōu)勢表現(xiàn)，以期為核質互作小麥雄性不育系優(yōu)良種質篩選及雜交組合選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料種植

以核背景分別為AK58和XC-1236，細胞質來源為普里美皮細胞質(Triticumpremepius)、提莫菲維細胞質(Triticumtimopheevii)、云南小麥細胞質(Triticumaestivumssp.yunnanense King)和普通小麥細胞質(TriticumaestivumL.)的兩套穩(wěn)定遺傳的同核異質、同質異核CMS系，與兩個恢復系(R5174、R2726)，按照不完全雙列雜交設計(NCⅡ)組配雜交，共獲得16個雜交組合，于2018年10月種植于西北農(nóng)林科技大學試驗農(nóng)場，雜交種及其親本材料按照隨機區(qū)組設計進行播種，3次重復，每個材料種植3行，點播，行距0.25 m，行長1.5 m，株距0.03 m。試驗材料及對應編號如表1。

表1 雜交組合親本材料Table 1 Parents of hybrid combination

1.2 性狀調查

小麥成熟期，每個雜交組合F1分別隨機選取5株調查其農(nóng)藝性狀，包括株高、旗葉長、旗葉寬、旗葉面積、穗長、穗下節(jié)間長、穗脖長、單株穗數(shù)、小穗數(shù)和穗粒數(shù)。小麥收獲后，測量千粒重，數(shù)據(jù)精確至0.01 g。再用籽粒外觀品質分類識別掃描儀(SC-M型)進行籽粒掃描以獲取數(shù)碼圖像，用Smartgrain[19-21]進行圖像分析，獲得粒形相關的指標數(shù)據(jù)，包括籽粒的表面積、周長、粒長、粒寬、長寬比和圓度共6個籽粒物理性狀。計算各性狀的雜種優(yōu)勢。

中親優(yōu)勢(F1-PA)/PA×100%

超親優(yōu)勢(F1-P)/P×100%

其中，F(xiàn)1為雜交組合性狀平均值，PA為雙親平均值，P為雙親較優(yōu)值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2017軟件進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 21.0軟件進行方差分析、相關性分析、主成分分析和聚類分析。采用單因素方差分析對17個性狀的原始數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計分析和差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 F1代農(nóng)藝性狀和籽粒性狀遺傳變異分析

統(tǒng)計結果(表2)表明，雜交F1代不同農(nóng)藝性狀變異程度不同，變異系數(shù)范圍為4.84%～ 32.72%，其中株高、小穗數(shù)和旗葉寬的變異系數(shù)均較小，而單株穗數(shù)、旗葉面積及穗脖長的變異系數(shù)均較大。與農(nóng)藝性狀相比，F(xiàn)1代籽粒性狀的變異程度較小，變異系數(shù)為3.00%～8.40%，其中變異系數(shù)最大的性狀是籽粒面積，變異系數(shù)最小的性狀是籽粒的長寬比。經(jīng)方差分析，不同組合間株高、旗葉長、旗葉面積、穗長、穗脖長、千粒重、籽粒表面積、籽粒周長、粒長和長寬比均存在極顯著差異，穗下節(jié)間長、穗粒數(shù)和粒寬存在顯著差異，其余性狀無顯著差異。

表2 F1代農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的變異分析Table 2 Variation analysis of agronomic traits and grain traits in F1 generation

2.2 F1代農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)

16個雜交組合F1代的農(nóng)藝性狀和籽粒性狀均存在雜種優(yōu)勢，且表現(xiàn)不同。從中親優(yōu)勢來看，17個性狀的平均優(yōu)勢為正值，正優(yōu)勢組合比例最低為50%；而在超親優(yōu)勢上，株高、旗葉長、旗葉面積、穗長、穗脖長、穗粒數(shù)和長寬比的平均優(yōu)勢均為負值，其余性狀均表現(xiàn)為正值，F(xiàn)1代的正優(yōu)勢組合比例為6.25%～ 81.25%。方差分析表明，16個雜交組合間旗葉寬、旗葉面積、穗脖長、單株穗粒、小穗數(shù)、籽粒寬度的雜種優(yōu)勢均無顯著差異，其余性狀上均均存在顯著或極顯著的雜種優(yōu)勢。

從優(yōu)勢大小來看，中親優(yōu)勢最大的性狀為單株穗數(shù)，中親優(yōu)勢為-2.71%～31.87%，正優(yōu)勢組合比例為93.75%；超親優(yōu)勢最大的性狀為籽粒面積，超親優(yōu)勢最高達11.96%，正優(yōu)勢組合比例為68.75%?？傮w上，農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢大于籽粒性狀，說明在實際雜交育種過程中農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢比籽粒性狀容易產(chǎn)生。

表3 F1代農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的雜種優(yōu)勢Table 3 Heterosis of agronomic traits and grain traits in F1 generation

從F1代產(chǎn)量構成看，單株穗數(shù)的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)最明顯，其次是千粒重，穗粒數(shù)最小(圖1)。F1代單株穗數(shù)、千粒重和穗粒數(shù)雜種優(yōu)勢最大的組合分別為(Y)P1×P4、(P)P1×P4和(Y)P2×P4。與恢復系P4組配的雜交組合在產(chǎn)量雜種優(yōu)勢上整體優(yōu)于與恢復系P3組配的雜交組合。

A：中親優(yōu)勢(MH)；B：超親優(yōu)勢(BH)；a、d 分別代表單株穗數(shù)的中親和超親優(yōu)勢；b、e：分別代表穗粒數(shù)的中親和超親優(yōu)勢；c、f：分別代表千粒重的中親和超親優(yōu)勢。A:Mid-parent heterosis(MH); B:Over-parent heterosis(BH); a and d:represent the MH and BH of spike number per plant, respectively; b and e represent the MH and BH of grain number per plant, respectively; c and f represent the MH and BH of thousand grain weight, respectively.圖1 16個雜交組合的產(chǎn)量雜種優(yōu)勢表現(xiàn)Fig.1 Heterosis performance of yield in the 16 cross combinations

2.3 F1代農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的相關性

F1代的不同性狀間存在一定的相關性(表4)。農(nóng)藝性狀間株高與單株穗數(shù)呈顯著正相關，旗葉長與旗葉寬和旗葉面積呈極顯著正相關，而旗葉寬與千粒重呈極顯著正相關，與穗脖長和穗長呈極顯著負相關，說明旗葉的大小對千粒重和抽穗有顯著影響。穗長與穗下節(jié)間長和穗脖長呈極顯著正相關，與小穗數(shù)呈顯著正相關，而小穗數(shù)與穗粒數(shù)均呈顯著正相關，與千粒重呈顯著負相關，表明產(chǎn)量性狀之間有較強的相關性。

表4 小麥農(nóng)藝、籽粒性狀間的相關性Table 4 Correlation among wheat agronomic traits and grain traits

籽粒性狀間籽粒表面積與籽粒周長、籽粒長度和籽粒寬度均呈極顯著正相關，而籽粒的長寬比、籽粒長度與圓度均呈極顯著負相關，表明籽粒的長寬比越大，籽粒的飽滿度越小。

農(nóng)藝性狀和籽粒性狀間也存在不同程度的相關性，旗葉寬、旗葉面積和千粒重與籽粒表面積、周長、粒長之間均呈極顯著正相關，與粒寬均呈顯著正相關，而穗長、穗脖長、小穗數(shù)和穗粒數(shù)與之均呈顯著或極顯著負相關，其余性狀相互之間無顯著相關性。

2.4 不同雜交組合農(nóng)藝性狀和籽粒性狀的主成分分析

由于F1代的11個農(nóng)藝性狀和6個籽粒性狀之間存在相關性，因而其所含信息重疊，有必要通過主成分分析進行綜合評價。經(jīng)主成分分析得到4個特征值大于1.000的主成分，方差貢獻率依次為34.57%、26.73%、16.93%和9.791%，累計方差貢獻率達88.02%(表5)，這4個主成分基本上代表了這些性狀的大部分表型變異信息。

由表5可知，第1主成分(PC1)中載荷量較大的因子由大到小依此為粒寬>籽粒表面積>千粒重>籽粒周長，主要反映了小麥的粒形和粒重；第2主成分(PC2)中主要是由籽粒的長寬比、籽粒圓度、穗下節(jié)間長、穗脖長以及穗長構成，主要反映了小麥的籽粒飽滿程度和穗部性狀；第3主成分(PC3)主要包括旗葉面積、旗葉長和旗葉寬，反映了小麥的旗葉性狀；第4主成分(PC4)反映的是小麥的株高和單株穗數(shù)2個性狀。

表5 小麥農(nóng)藝性狀與籽粒物理性狀的主成分載荷Table 5 Load of principal components of wheat agronomic traits and grain traits

2.5 不同雜交組合的綜合得分值

結合4個主成分的方差貢獻率(表5)，根據(jù)D=(34.57*PC1+ 26.734*PC2+ 16.928*PC3+ 9.791*PC4)/88.023計算出各個雜交種F1代的綜合得分(D)值并將其排序(表6)。在雜交組合中，(Y)P1×P4、(P)P1×P4、(T)P1×P4、(P)P1×P3、(P)P2×P3、(P)P2×P4的D值為正值，說明以細胞核背景為AK58的不育系與恢復系R2726所配制的雜交組合性狀表現(xiàn)優(yōu)于其他的雜交組合。

表6 小麥農(nóng)藝性狀與籽粒性狀的綜合得分Table 6 Comprehensive score of wheat agronomic traits and grain traits

不同細胞質背景對后代性狀的影響也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在P型細胞質背景下，同核異質不育系與同一恢復系雜交的F1均表現(xiàn)出較高的得分，如(P)P1×P3、(P)P2×P3、(P)P12×P4、(P)P2×P4。在Y型細胞質背景下，只有AK58與恢復系R2726雜種F1表現(xiàn)較高得分。

2.6 不同雜交組合F1的聚類分析

進一步對各組合F1代的D值進行聚類分析，在歐式距離19處可將F1代劃分為兩大類(圖2)。第Ⅰ大類包含13個雜交組合，又可進一步劃分為兩個亞類，其F1代共同的特征為籽粒寬度、籽粒表面積和千粒重較小，不同的特征在于第一亞類籽粒長寬比大、籽粒飽滿以及穗長和穗下節(jié)間長較長，而第二亞類具有旗葉面積大、旗葉的長寬比高的特點。第Ⅱ大類包含除AS細胞質背景的AK58異質不育系與恢復系R2726組配的雜交組合(即三種異質不育系P1×P4)，其共同的特征是籽粒表面積大、千粒重高及旗葉性狀較好，表型性狀的綜合表現(xiàn)優(yōu)于第Ⅰ類群。從聚類結果也可以說明，雜交組合F1首先會按恢復系進行聚類，其次按不育系核背景進行聚類，表明雜交種的性狀受恢復系和不育系核背景影響較大。

圖2 16個雜交組合的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of the 16 hybrid combinations

3 討 論

目前針對小麥細胞質雄性不育(CMS)主要是集中在對花粉敗育機理的解析以及恢保關系的研究，關于利用小麥CMS系統(tǒng)獲得的雜交種的表型性狀和雜種優(yōu)勢的研究報道較少。倪永靜等[22]通過對國內外部分小麥種質資源的農(nóng)藝性狀分析認為，穗長、株高變異幅度較小，穗粒數(shù)、穗粒重、產(chǎn)量的變異幅度適中；分蘗數(shù)、穗耳距變異幅度較大。本研究通過兩套不同CMS和兩個恢復系組配雜交，對F1代的農(nóng)藝性狀和籽粒物理性狀進行統(tǒng)計分析，結果表明，F(xiàn)1代農(nóng)藝性狀的平均變異系數(shù)范圍在4.84%～32.72%，變異系數(shù)表現(xiàn)為穗脖長>單株穗數(shù)>旗葉面積>穗長>旗葉長>千粒重>穗粒數(shù)>穗下節(jié)間長>旗葉寬>小穗數(shù)>株高。本研究結論與倪永靜等[22]所獲得的規(guī)律基本吻合；籽粒物理性狀上變異系數(shù)范圍為3.00%～8.41%，大小排序為籽粒表面積>粒寬>圓度>籽粒周長>粒長>長寬比，這與王娜等[23]研究的基于SmartGrain對小麥新品種陜農(nóng)33經(jīng)NaN3誘變群體籽粒性狀的變異規(guī)律相吻合，說明CMS系雜交種后代F1表型性狀的變異規(guī)律在很大程度上與親本的農(nóng)藝性狀的傳遞規(guī)律相同，在親本組配雜交后農(nóng)藝性狀遺傳特征不會被改變。本研究還發(fā)現(xiàn)，籽粒性狀較農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)范圍小，說明F1代在籽粒大小上的遺傳穩(wěn)定性較農(nóng)藝性狀高。在實際生產(chǎn)中，雜交組合的親本應依據(jù)不同性狀間的遺傳變異規(guī)律進行選配，才更容易獲得理想性狀的雜交種。

雜種優(yōu)勢的利用是提高小麥產(chǎn)量和品質的最有效途徑。任永康等[24]探討了F型小麥雄性不育系與普通小麥雜交組合的選配，結果表明，超親優(yōu)勢存在正向優(yōu)勢，但較多為負向優(yōu)勢，且在產(chǎn)量雜種優(yōu)勢中，單株穗數(shù)的優(yōu)勢最大，穗數(shù)次之，千粒重最小。也有研究表明，T型小麥不育系雜交后代在單株條件下，農(nóng)藝性狀的平均雜種優(yōu)勢大小為單株產(chǎn)量>千粒重>單穗粒重>株高>穗長[25]。本試驗通過分析F1代表型性狀的中親和超親優(yōu)勢表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)17個性狀的平均中親優(yōu)勢均表現(xiàn)為正值，超親優(yōu)勢中旗葉寬、穗下節(jié)間長、單株穗數(shù)、小穗數(shù)、千粒重、籽粒表面積、周長、粒長、粒寬、圓度的平均優(yōu)勢均為正值，說明雜交組合在后代的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)是普遍存在的。綜合中親和超親優(yōu)勢看，雜種優(yōu)勢表現(xiàn)較大的是單株穗數(shù)、小穗數(shù)、穗長等穗部性狀和籽粒表面積，其中單株穗數(shù)的雜種優(yōu)勢最大，雜種優(yōu)勢表現(xiàn)適中的是籽粒的長寬、千粒重、穗粒數(shù)以及株高，雜種優(yōu)勢表現(xiàn)較小的是旗葉面積、旗葉長和寬以及籽粒的長寬比，表明在小麥的實際雜交育種過程中分蘗數(shù)較穗粒數(shù)和千粒重易產(chǎn)生雜種優(yōu)勢，而籽粒的大小較籽粒的飽滿度易產(chǎn)生雜種優(yōu)勢，這和上述T型不育系雜交種的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)相符合。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，細胞核對雜種產(chǎn)量具有更大的影響，同時也受恢復系的影響。本研究中核背景為AK58的異質不育系和恢復系R2726的雜交組合在產(chǎn)量優(yōu)勢方面表現(xiàn)均較好，說明AK58的各類不育系和恢復系R2726在產(chǎn)量性狀上表現(xiàn)優(yōu)良。但在實際生產(chǎn)中選擇強優(yōu)勢組合的時候中，不應只側重產(chǎn)量性狀的提高，還應綜合考慮株高、旗葉大小、穗長等其他農(nóng)藝性狀。

另外有研究認為，小麥表型性狀之間都存在一定的相關性[26]。小麥F1代的相關性分析表明，旗葉寬與千粒重呈極顯著正相關，是因為旗葉面積決定了灌漿期的光合能力，進而影響灌漿速率，對千粒重造成一定影響。籽粒表面積、周長、長度、寬度之間呈正相關，而籽粒的長寬比和圓度呈顯著負相關，說明籽粒的長寬比越小，圓度越大，籽粒越飽滿。

主成分分析常被用來綜合評價小麥的農(nóng)藝、產(chǎn)量等性狀。要燕杰等[27]、王亞飛等[28]對小麥的表型性狀進行主成分分析后再進行聚類，評價結果會更具有說服力。本研究通過主成分分析將小麥11個農(nóng)藝性狀和6個籽粒性狀綜合為4個主成分因子，并依據(jù)主成分因子進行綜合評價，共綜合得分排名在前3位的組合分別是(Y)AK58×R2726、(P)AK58×R2726和(T)AK58×R2726，這與雜種優(yōu)勢表現(xiàn)的結果一致，說明AK58與R2726可作為小麥CMS的優(yōu)良親本用于雜交育種。聚類分析結果發(fā)現(xiàn)，16個雜交組合被劃分為2大類群，其特點是同一恢復系的雜交組合首先被聚為一類，其次是同一核背景的雜交組合聚為一類，說明在小麥核質互作的情況下，細胞核在后代性狀的遺傳中作用更顯著。這與杜偉莉等[29]，李建超等[30]研究的影響粘類CMS恢復度的因素的影響表現(xiàn)為恢復系>不育系核型>不育系胞質類型的結論相吻合。本研究還發(fā)現(xiàn)，在同一核背景下P和Y細胞質較T、AS背景下的性狀表現(xiàn)優(yōu)良，可以進一步將P細胞質和Y細胞質作為優(yōu)良細胞質應用于小麥CMS系優(yōu)良雜交組合的配制。

4 結 論

小麥CMS系與兩個不同的恢復系配制雜交組合，雜交F1代的農(nóng)藝性狀和籽粒物理性狀分別表現(xiàn)出不同程度的遺傳變異且存在普遍的雜種優(yōu)勢，其中以普里美皮(Triticumpremepius)為細胞質背景的AK58與2726的雜交組合在產(chǎn)量性狀上雜種優(yōu)勢表現(xiàn)明顯。主成分分析結果表明，核背景為AK58的異質小麥雄性不育系和恢復系R2726的雜交組合在農(nóng)藝性狀和籽粒物理性狀方面表現(xiàn)良好，是一個優(yōu)良的小麥候選CMS系雜交組合。利用聚類分析將16個雜交種聚為2大類群。