小麥光溫敏核雄性不育系開穎和柱頭外露特征及其對(duì)異交結(jié)實(shí)能力的影響

楊衛(wèi)兵，高建剛，孫 輝，梁玉龍，張風(fēng)廷，趙昌平，秦志列

(北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所,北京 100097)

雜種優(yōu)勢(shì)利用是提高作物產(chǎn)量的重要途徑和有效手段。1919年，F(xiàn)reeman首次報(bào)道了小麥雜種優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過幾十年的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼建立了三系法、化殺法、二系法等多種小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用技術(shù)途徑。近年來，中國(guó)培育出了京麥6號(hào)、京麥7號(hào)、綿陽(yáng)32、綿雜麥168、云雜5號(hào)等二系雜交小麥，但雜交種子生產(chǎn)中不育系的異交結(jié)實(shí)率不穩(wěn)定，進(jìn)而造成制種產(chǎn)量不穩(wěn)定，制約了二系雜交小麥的大面積生產(chǎn)應(yīng)用。

提高不育系的異交結(jié)實(shí)率是雜交小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)制種技術(shù)的核心內(nèi)容。研究發(fā)現(xiàn)，二系法雜交制種的異交結(jié)實(shí)率為43.1%～ 71.6%，三系法雜交制種和化殺法雜交制種的異交結(jié)實(shí)率分別為18.4%～75.3%和6.3%～40.4%。因此，異交結(jié)實(shí)率偏低是影響目前雜交小麥制種產(chǎn)量的重要因素。異交結(jié)實(shí)率的高低與不育系的柱頭外露率及持續(xù)時(shí)間顯著相關(guān)。而柱頭作為接受外源花粉的器官，其外露率受開穎角度、柱頭大小及其與其他花器相對(duì)位置的影響。雜交水稻制種中柱頭外露穎花的異交結(jié)實(shí)明顯高于柱頭不外露穎花，但有些開花習(xí)性優(yōu)良的不育系的異交結(jié)實(shí)率卻很低。因此，開穎、柱頭外露等性狀與異交結(jié)實(shí)的關(guān)系仍需深入研究。

中國(guó)的二系法小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用研究起步相對(duì)較晚，有關(guān)小麥光溫敏雄性核不育系開花習(xí)性與異交結(jié)實(shí)關(guān)系的研究近乎空白。本研究通過對(duì)小麥光溫敏核雄性不育系的開穎、柱頭外露、異交結(jié)實(shí)進(jìn)行調(diào)查，分析其開穎和柱頭外露特征及其對(duì)異交結(jié)實(shí)能力的影響，以期為小麥光溫敏核雄性不育系的選育和完善其應(yīng)用評(píng)價(jià)體系提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料以小麥光溫敏核雄性不育系BS366、BS206、BS212、BS1453為母本，以恢復(fù)系13GF7675為父本，均由北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所選育。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 田間種植

田間試驗(yàn)于2018-2019年度在北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥研究所鄧州基地進(jìn)行。父、母本行比2∶6，行長(zhǎng)10 m，行距0.22 m。父、母本于10月15日播種，基本苗分別為75萬和270萬 株·hm。于開花前在小區(qū)四周設(shè)隔離帳，并在處理期間每天上午和下午利用竹竿進(jìn)行人工輔助授粉各2和3次。其他田間管理同常規(guī)管理。

1.2.2 田間選穗及試驗(yàn)處理

于不育系始花期(BS366和BS206為始花期當(dāng)天，BS212和BS1453為始花期第2天)的上午，在第2行不育系中選擇群體均勻的3個(gè)點(diǎn)，然后在各點(diǎn)選取穗大小均勻且有1～3朵小花開花的麥穗，進(jìn)行掛牌編號(hào)，并套自交袋。套袋的麥穗中，20個(gè)麥穗用于調(diào)查自交結(jié)實(shí)粒數(shù)，10個(gè)麥穗經(jīng)人工剪穎后用于人工飽和授粉，26個(gè)麥穗用于調(diào)查開穎小花數(shù)、柱頭外露小花數(shù)、異交結(jié)實(shí)粒數(shù)等數(shù)據(jù)。

用于調(diào)查開穎小花數(shù)、柱頭外露小花數(shù)、異交結(jié)實(shí)粒數(shù)等數(shù)據(jù)的掛牌麥穗，于恢復(fù)系始花期的第2天早上取下自交袋，由專人調(diào)察各小花的開穎小花數(shù)和柱頭外露小花數(shù)，以肉眼可見為標(biāo)準(zhǔn)。田間授粉5 d后再次套袋終止異交，以保證各不育系授粉時(shí)間相同。不育系取下自交袋的第1天和第3天，取恢復(fù)系花粉進(jìn)行人工飽和授粉，用于調(diào)查最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)。于花后20 d，調(diào)查標(biāo)記麥穗的自交結(jié)實(shí)粒數(shù)和異交結(jié)實(shí)粒數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用以下公式計(jì)算自交結(jié)實(shí)率、開穎率、異交結(jié)實(shí)率等：

自交結(jié)實(shí)率=自交結(jié)實(shí)粒數(shù)/最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)×100%

(1)

開穎率=開穎小花數(shù)/最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)×100%

(2)

柱頭外露率=柱頭外露小花數(shù)/最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)×100%

(3)

開穎小花異交結(jié)實(shí)率=開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)/開穎小花數(shù)×100%

(4)

柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)率=柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)/柱頭外露小花數(shù)×100%

(5)

異交結(jié)實(shí)率=異交結(jié)實(shí)粒數(shù)/最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)×100%

(6)

利用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試不育系的開穎和柱頭外露特征

由表1可知，供試不育系的自交結(jié)實(shí)率在 0.11%以下，表現(xiàn)出完全不育或高度不育。不育系于4月13日或4月14日進(jìn)入始花期，較恢復(fù)系始花期(4月17日)早3～4 d。本試驗(yàn)條件下，各不育系均于4月18日去除自交袋，此時(shí)，標(biāo)記麥穗已開花4 d，絕大多數(shù)小花已經(jīng)處于第二次開穎期，開穎和柱頭外露性狀表達(dá)充分且穩(wěn)定，而恢復(fù)系則剛進(jìn)入散粉高峰期，可為不育系異交結(jié)實(shí)提供足夠的花粉。

表1 供試不育系的自交結(jié)實(shí)率和始花期Table 1 Self-seed setting rate and initial flowering date of sterile lines

由表2可知，4個(gè)不育系開穎率的變化范圍為18.10%～86.28%，平均值為47.83%，其中BS366的開穎率最高，顯著高于其他不育系；BS1453的開穎率最低，顯著低于BS366和BS206，但與BS212無顯著差異。4個(gè)不育系柱頭外露率的變化范圍為28.68%～67.33%，平均值為41.49%。其中，BS206的柱頭外露率最高，顯著高于其他不育系；BS1453的柱頭外露率最低，顯著低于BS206和BS212，但與BS366無顯著差異。由上可知，各不育系的開穎、柱頭外露特征均不相同，其中BS366為高開穎率低柱頭外露率類型，BS206為中開穎率高柱頭外露率類型，BS212為低開穎率中柱頭外露率類型，BS1453為低開穎率低柱頭外露率類型。

表2 供試不育系的開穎率和柱頭外露率Table 2 Glume opening rate and stigma exsertion rate of sterile lines %

除BS366外，BS206、BS212、BS1453的開穎率均低于柱頭外露率。其中，BS212的開穎率與柱頭外露率之間差異最大，二者相差16.01個(gè)百分點(diǎn)；BS206的開穎率與柱頭外露率之間差異最小，僅相差4.02個(gè)百分點(diǎn)。這說明不育系BS206、BS212、BS1453在第一次開穎期間柱頭外露的小花中，部分小花閉穎后未能再次開穎，但柱頭仍保持外露狀態(tài)。

2.2 供試不育系開穎小花和柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)能力

比較開穎小花和柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)率發(fā)現(xiàn)(表3)，4個(gè)不育系開穎小花異交結(jié)實(shí)率的變化范圍為26.16%～55.54%，平均值為39.19%，其中BS366開穎小花的異交結(jié)實(shí)率最高，顯著高于BS212和BS1453，但與BS206無顯著差異。4個(gè)不育系柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)率的變化范圍為59.39%～65.62%，平均值為62.65%，4個(gè)不育系間柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)率均無顯著差異，其變化范圍明顯小于開穎小花，說明不育系間柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)能力比開穎小花更為穩(wěn)定。此外，各不育系柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)率均高于開穎小花的異交結(jié)實(shí)率，其中BS212和BS1453柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)率比開穎小花的異交結(jié)實(shí)率高約40個(gè)百分點(diǎn)，表明柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)能力高于開穎小花。

2.3 供試不育系的異交結(jié)實(shí)特征

從表4可以看出，4個(gè)不育系最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的變化范圍為36.60～42.50，不育系間無顯著差異，說明這4個(gè)不育系接受恢復(fù)系13GF7675花粉后，均可正常結(jié)實(shí)。供試不育系去除自交袋后經(jīng)5 d授粉處理，異交結(jié)實(shí)率由高到低依次為BS366(53.16%)>BS206(42.43%)>BS212 (33.04%)>BS1453(23.58%)，4個(gè)不育系間差異均達(dá)到顯著水平。

表3 供試不育系開穎小花和柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)率Table 3 Outcrossing seed setting rate of glume opening floret and stigma exsertion floret in sterile lines

4個(gè)不育系的開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例變化范圍為19.31%～ 87.46%，平均值為50.55%。其中，BS366的開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例最高，顯著高于其他不育系；BS212的開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例最低，顯著低于BS366和BS206，但與BS1453無顯著差異。4個(gè)不育系的柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例變化范圍為31.64%～92.32%，平均值為 68.47%，其中BS206的柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例最高，顯著高于其他不育系；BS366的柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例最低，顯著低于其他不育系。

表4 供試不育系的異交結(jié)實(shí)差異Table 4 Differences of outcrossing seed setting in sterile lines

除BS366外，其他不育系均表現(xiàn)為柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例明顯高于開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)所占比例，其中BS206的柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例比開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)所占比例高約20個(gè)百分點(diǎn)，BS212和BS1453的柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例比開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)所占比例高約55個(gè)百分點(diǎn)。

相關(guān)分析表明，異交結(jié)實(shí)率與開穎率、柱頭外露率呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.719和0.372，表明提高開穎率和柱頭外露率可以顯著增加異交結(jié)實(shí)。開穎率與柱頭外露率也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.467，說明增加開穎小花數(shù)，有利于提高柱頭外露小花數(shù)。因此，開穎率和柱頭外露率對(duì)異交結(jié)實(shí)均有重要影響。

3 討 論

在前人雜交小麥研究中，采用國(guó)際法或國(guó)內(nèi)法計(jì)算得出的異交結(jié)實(shí)率往往與實(shí)際情況存在一定的偏差，不能真正反映不育系的異交結(jié)實(shí)水平。本研究中，利用多次人工飽和授粉處理獲得的最大異交結(jié)實(shí)粒數(shù)作為計(jì)算開穎率、柱頭外露率、異交結(jié)實(shí)率等指標(biāo)的基準(zhǔn)，比以往研究所用數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

小麥雄性不育系的小花在穎殼張開、柱頭外露期間接受父本花粉以實(shí)現(xiàn)異交結(jié)實(shí)，而且異交結(jié)實(shí)粒數(shù)隨著開花進(jìn)程呈動(dòng)態(tài)變化。小麥雄性不育系穎殼的開張過程為“開穎-閉穎-再開穎”，第一次開穎歷期僅有幾個(gè)小時(shí)，明顯短于第二次開穎歷期所需的時(shí)間(約數(shù)天)，因此本研究選擇開穎和柱頭外露特征表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定、歷期較長(zhǎng)的第二次開穎為研究時(shí)間段。對(duì)4個(gè)不育系開穎和柱頭外露的特征觀察后發(fā)現(xiàn)，BS206、BS212和BS1453的開穎率均低于柱頭外露率，表明部分小花閉穎后未能再次開穎可能是多數(shù)不育系普遍存在的現(xiàn)象。此外，由于BS366和BS206在第二次開穎期間具有較高的開穎率或柱頭外露率，因此在制種實(shí)踐中這兩個(gè)不育系實(shí)現(xiàn)異交結(jié)實(shí)的機(jī)率高于BS212和BS1453。

本研究發(fā)現(xiàn)，4個(gè)不育系柱頭外露小花的異交結(jié)實(shí)率高于開穎小花，而且在不育系間表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，這與田大成等和李宏生等的研究結(jié)果基本一致。柱頭外露小花較強(qiáng)的異交結(jié)實(shí)能力使得柱頭外露小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)占總異交結(jié)實(shí)粒數(shù)的比例高于開穎小花異交結(jié)實(shí)粒數(shù)所占比例，這也與楊保漢的研究結(jié)果一致。相關(guān)分析結(jié)果表明，高開穎率和高柱頭外露率有利于獲得高異交結(jié)實(shí)率，但開穎率與異交結(jié)實(shí)率的相關(guān)系數(shù)高于柱頭外露率與異交結(jié)實(shí)率相關(guān)系數(shù)的原因有待明確。在本研究處理?xiàng)l件下雖然開穎率較高的BS366獲得最高的異交結(jié)實(shí)率，但柱頭外露率較高的BS206更易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高異交結(jié)實(shí)率。由于開穎是柱頭外露的前提條件，二者表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，因此，在育種實(shí)踐中，應(yīng)將開穎作為首要選擇的目標(biāo)性狀，在此基礎(chǔ)上，注重對(duì)柱頭外露性狀的選擇。

本研究選擇恢復(fù)系花期比不育系晚3～4 d且在第二次開穎期間進(jìn)行試驗(yàn)處理，在父母本選擇和研究時(shí)間上仍有局限，在以后的試驗(yàn)中，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)株高、花期和散粉能力不同的恢復(fù)系、開穎和柱頭外露特征更加豐富的不育系以及第一次開穎期間開穎和柱頭外露小花對(duì)異交結(jié)實(shí)能力的影響等進(jìn)行研究，以明確開穎和柱頭外露與異交結(jié)實(shí)的關(guān)系。