小麥光敏不育系中光121S的育性轉換及雜種優(yōu)勢利用研究

蒲傳永，蒲春雷，伍建春

(四川省南充市農業(yè)農村局，四川南充 637000)

小麥是全球種植面積最大、食用人口最多的糧食作物[1-2]，培育高產品種具有重大意義[3]。雜種優(yōu)勢利用是提高小麥產量的有效途徑之一[4]。上世紀六十年代，美國羅斯和威爾遜利用四倍體小麥提莫菲維與普通小麥彼松雜交育成了世界上第一個具有實用價值的T型不育系，之后世界各國掀起了轟轟烈烈的小麥雜種優(yōu)勢利用研究高潮[5-8]，但由于T型不育系籽粒嚴重皺縮、穗易發(fā)芽、出苗率低以及育性恢復困難，很難找到理想的恢復系[9-12]，給配制強優(yōu)勢組合帶來障礙。之后育種工作者又育出了新的細胞質雄性不育系，如K型、V型、Q型、黔型等[13-16]，并配制出了新的雜交小麥，但它們育性恢復同樣困難，常規(guī)品種中只有百分之幾的品種才能完全恢復育性，難以配制出強優(yōu)勢雜交種[17-22]。1992年湖南和重慶同時開展了小麥光溫敏兩系雜交種的研究，并育出了光溫敏不育系ES和C49S[23-25]，之后北京育出了BS光溫敏不育系，河南育出了BNS光溫敏不育系。光溫敏兩系克服了細胞質的負作用，育性恢復也相對容易，但光溫敏兩系的育性轉換既受日長的控制，也受溫度的影響，并且育性轉換的溫度太低[26-30]。如湖南的光溫敏不育系ES在孕穗期日長12 h且氣溫10 ℃以下表現(xiàn)不育，超過 10 ℃以上就會產生自花結實；重慶的光溫敏不育系C49S在孕穗期日長11 h且氣溫13 ℃以下表現(xiàn)不育，超過13 ℃以上3 d就會產生自花結實；河南的光溫敏不育系BNS在雌雄蕊分化期氣溫11.4 ℃以下表現(xiàn)不育。溫度效應已成為兩系雜交利用的最大障礙，制種風險大，難以保證雜交種的純度。

2010年本課題組利用光敏不育材料N4-IS為母本，以米拉(川麥36)的變異株系4151為父本進行雜交，經(jīng)過9個世代的定向單株選擇，育成了敗育期長、育性穩(wěn)定、抗性好、矮稈、豐產性好、異交結實性好的光敏不育系中光121S。為進一步準確掌握中光121S的育性特點，本研究分析其在四川南充制種的安全播種期、繁殖的適時播種期、敗育臨界日長、可育臨界日長、育性轉換臨界溫度，并采用80多個小麥品種與其測配來檢測其育性恢復的難易以及雜種優(yōu)勢的強弱，以期為光敏不育系中光121S的大面積推廣應用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以20個豐產常規(guī)品種(四川省農科院育成的川麥42、川麥46、川麥86、川麥96、川麥93、川麥104、川麥601、川麥602和川麥603，四川農大育成的川農21、川農36、蜀麥830和蜀麥133，中科院成都生物所育成的川育21、川育25、川育27、川育29和中科麥17，本單位育成的南814和南96-32)以及從各地征集到的64個小麥品種與光敏不育系中光121S配制的84個雜交種及親本為材料。以綿麥367為對照品種(CK)。

1.2 不育系播期試驗

于2018、2019和2020連續(xù)三年在四川省南充市順慶區(qū)試驗基地進行試驗，中光121S共有6個播期，前5個播期于10月10日至11月20日每間隔10 d播種一期，第6個播期于12月30日播種，第1和第6個播期以綿麥367作為對照，收獲時調查各期中光121S的自交結實率。

1.3 不育系育性轉換溫度測試

日本山田登報道，在植物的感光試驗中，某些植物的高溫處理可代替長日效。根據(jù)這一論述，本試驗在四川省南充市順慶區(qū)試驗基地，設計3種不同的溫度處理，即春季日氣溫均值19.0 ℃、夏季日氣溫均值25.0 ℃、冬季日氣溫均值 13.0 ℃，檢測孕穗期(旗葉出現(xiàn)時至旗葉葉鞘包著的幼穗明顯膨大。下同)氣溫變化對中光121S育性轉換的影響。

1.3.1 夏季高溫短日照處理

于2020年7月20日，將中光121S和對照品種綿麥367浸種，待種子露白時放入冰箱進行春化處理，于2020年8月1日播種于試驗基地。分兩個處理，一個處理在自然光溫下生長，另一處理在孕穗期長出旗葉時進行短日定光處理，早上太陽出地平線時開始計時，12.0 h后用黑布罩遮光，第二天日出時撤罩，12.0 h后繼續(xù)遮光，如此反復，每天只給12.0 h光照，直至開花結束。收獲時調查各處理中光121S的自交結實率。

1.3.2 春季高溫短日照處理

于2020年12月30，將中光121S和對照品種綿麥367播種于試驗基地，分兩個處理，一個處理在自然光溫下生長，另一個處理在孕穗期長出旗葉時開始進行12.0 h的短日處理，方法同 1.3.1，直至開花結束。收獲時調查各處理中光121S的自交結實率。

1.3.3 冬季低溫長日照處理

于2020年9月5日，將中光121S和對照品種綿麥367播種于試驗基地，分兩個處理，一個處理在自然光溫下生長，另一處理在孕穗期長出旗葉時進行人工補光處理(200 W白熾燈+250 W水銀燈，上面加蓋)，使每天有13.0 h的光照時間，方法同1.3.1，直至開花結束。收獲時調查各處理中光121S的自交結實率。

1.4 不育系定光試驗

于2020年12月30日，將中光121S和對照品種綿麥367播種于試驗基地，待2021年3月底(孕穗期)中光121S長出旗葉時，開始進行4種日長光照處理(11.0、12.0、12.3和12.8 h)，方法同1.3.1，直至開花結束。其中，11.0、12.0和12.3 h的日長光照處理采用遮光處理，12.8 h的日長為自然光長。收獲時調查各處理中光121S的自交結實率。

1.5 雜種恢復度和雜種優(yōu)勢的測定

由于2018―2019年度中光121S測交的30個雜交種和2019―2020年度測交的34個雜交種的種子較少，均播種1行僅進行恢復度測定。2020―2021年度對剩余的20個雜交種進行雜種恢復度和雜種優(yōu)勢測定。常規(guī)播種，行長2 m、行距0.3 m，每個品種播種5行，小區(qū)面積3 m2,未設重復，每間隔5個品種播種對照品種綿麥367，抽穗后每個品種隨機套袋20穗，收獲時進行雜種恢復度和雜種優(yōu)勢測定?；謴投纫試鴥确ㄗ越唤Y實率表示，自交結實率=(每小穗基部小花結實數(shù)/有效小穗×2)×100%。以小區(qū)雜交種種子全收產量與相鄰對照品種綿麥367比較來進行雜種優(yōu)勢測定。

2 結果與分析

2.1 不同播期對中光121S自交結實率的影響

從表1可以看出，2018―2019、2019―2020和2020―2021三個年度10月10日、10月20日、10月30日和11月10日播種的中光121S均表現(xiàn)為不育，可用于制種，自交結實率為0～ 1.9%。11月20日播種的中光121S，開花時間為4月初，育性開始恢復，自交結實率為8.8%～ 16.6%。12月30日播種的中光121S，開花時間為4月中旬，育性完全恢復，自交結實率為 90.3%～91.6%，是中光121S的適宜播種期。對照品種綿麥367在各播種期均表現(xiàn)為全育，自交結實率為90.2%～94.1%。

表1 不同播期中光121S的自交結實率Table 1 Self-fertilization rate of Zhongguang 121S under different sowing dates

2.2 不育系育性轉換溫度測試結果

2.2.1 夏季高溫短日照處理結果

從表2可以看出，夏季高溫短日照處理的小麥，孕穗期間日氣溫均值為25.0 ℃，日長均值為12.8 h，在此自然光溫下生長的中光121S自交結實率為90.2%，對照品種綿麥367的自交結實率為92.5%。12.0 h短日照處理的中光121S表現(xiàn)為全不育，花藥瘦小、干癟、不開裂，而綿麥367表現(xiàn)為全育，自交結實率達92.5%。

2.2.2 春季高溫短日照處理結果

從表2可以看出，春季高溫短日照處理的小麥，孕穗期間日氣溫均值為19.0 ℃，日長均值為12.8 h，在此自然光溫下生長的中光121S育性完全恢復，自交結實率為91.3%，綿麥367的自交結實率為92.3%。12.0 h短日照處理的中光121S表現(xiàn)為全不育，而綿麥367仍為全育。

2.2.3 冬季低溫長日照處理結果

從表2可以看出，冬季低溫長日照處理的小麥，孕穗期間日氣溫均值為13.0 ℃，日長均值為11.1 h左右，在此自然光溫下生長的中光121S表現(xiàn)為全不育，而對照品種綿麥367的自交結實率為90.5%。13.0 h長日照處理的中光121S自交結實率為92.4%，綿麥367的自交結實率為94.3%。

表2 中光121S育性轉換溫度測試結果Table 2 Test results of fertility transformation temperature of Zhongguang 121S

以上結果表明，孕穗期間日氣溫均值在 19.0 ℃和25.0 ℃時，給予12.0 h的短日照處理，中光121S均表現(xiàn)為全不育，而自然光溫下的中光121S均表現(xiàn)為全育。另外，孕穗期間人工補充光照達到13.0 h的低溫長日照處理下，中光121S也能恢復全育，在中光121S育性轉換上并未出現(xiàn)高溫能代替長日照效應的表現(xiàn)。

育性轉換測試時的定光處理證實：(1)中光121S在日氣溫均值為13.0 ℃、19.0 ℃和 25.0 ℃三種溫度時，其育性轉換只受光照時長的控制，不受氣溫變化的影響；(2)中光121S三個不同季節(jié)育性轉換光長處理時期均在孕穗期， 12.0 h短日照處理表現(xiàn)為不育，13.0 h長日照處理表現(xiàn)為可育，說明中光121S的育性敏感期為孕穗期。

2.3 不育系定光試驗結果

從表3可以看出，中光121S在孕穗期11.0 h和12.0 h日長處理下的自交結實率為0，在12.3 h和12.8 h日長處理下的自交結實率分別為 0.6%和90.4%。對照品種綿麥367在以上4個日長處理下均表現(xiàn)為全育，自交結實率為 91.3%～94.2%。說明中光121S在孕穗期日長12.0 h以下是雄性不育的，日長12.3 h時育性開始恢復，日長12.8 h時恢復為可育，同時也說明12.3 h的光照日長是中光121S的敗育臨界值。

表3 不同日長處理下中光121S的育性比較(2021)Table 3 Comparison of Zhongguang 121S fertility among different light duration treatments(2021)

2.4 雜種恢復度及雜種優(yōu)勢分析

2019和2020年測交的64個品種(系)均能恢復中光121S的育性，恢復度為91.0%～ 97.5%。2021年測交的20個豐產品種也均能恢復中光121S的育性，恢復度為90.2%～95.3%(表4)，說明普通小麥品種均能恢復中光121S的育性。

表4 中光121S雜種恢復度及雜種超標優(yōu)勢(2021)Table 4 Restoring degree and over standard heterosis of Zhongguang 121S(2021)

由于母本中光121S的豐產性較好，其測配的雜交種優(yōu)勢也較強，且本研究所選用的父本是近年來四川省區(qū)域試驗中的前一、二名常規(guī)品種，豐產力也很高，因此，用中光121S配制出的雜交種具有生長旺、分蘗強、抗性好、恢復度完全、千粒重高、產量高等顯著特點。從表4可以看出，雜交種比對照品種綿麥367增產約20%左右，其中中光121S/南814的產量最高，增產35.3%。正規(guī)的雜交種產量對比試驗將會有后續(xù)報道。

3 討 論

3.1 中光121S是不受溫度影響的光敏不育系

中光121S的育性轉換完全受光照時長控制，不受氣溫和其他不育基因的影響。在低溫短日照不育的條件下，延長至13.0 h的長光照，中光121S可轉為可育；在高溫長日照可育的條件下，縮短至12.0 h的短日照，中光121S可轉為不育。說明氣溫的高低對中光121S的育性轉換無明顯影響。

育性轉換中的溫度效應是光溫敏兩系雜交小麥應用中的攔路虎?，F(xiàn)有光溫敏不育系的育性轉換受光照時長和溫度的影響，并且育性轉換的臨界溫度較低，如重慶光溫敏不育系C49S的不育臨界溫度為13.0 ℃，湖南光溫敏不育系ES的不育臨界溫度為10.0 ℃，河南光溫敏不育系BNS的不育臨界溫度為 11.4 ℃，北京光溫敏不育系BS的不育臨界溫度為10.0～12.0 ℃。氣溫的變化是無常的，目前無法人為控制大自然的氣溫變化。小麥孕穗期氣溫超過10.0～13.0 ℃的天氣隨時都可能出現(xiàn)，連續(xù)3 d超過不育臨界溫度就會產生自花結實，所以光溫敏兩系很難保證雜交種的制種純度。而中光121S徹底擺脫了溫光敏不育系的溫度效應問題，為制種安全提供了保障。

3.2 中光121S具有易恢復的特性

中光121S的不育基因是隱性遺傳，普通小麥所有品種都是其良好的恢復系，都可以與其配制雜交種。三系雜交小麥配組比較困難，必須培育恢復系，要將恢復基因輸入小麥品種中才能配制雜交種，既費時又費功，而且效果也不理想。有些光溫敏不育系配組也比較困難，例如重慶光溫敏不育系C49S，只有約30%的普通小麥品種具有高恢復力，70%的品種無法利用；西北光溫敏不育系A3314，只有百分之幾的普通小麥品種具有高恢復力；河南光溫敏不育系BNS，西北農大馬小飛用480個小麥品種測交，只有3個品種具有高恢復力。而中光121S在雜交組合配制的選擇自由上占了絕對優(yōu)勢，經(jīng)測定普通小麥所有品種都是其良好的恢復系，恢復度均達90%以上，因此篩選出強優(yōu)勢組合的機率遠遠高出其他不育系。

4 結 論

光敏不育系中光121S在日氣溫均值為19 ℃和25 ℃(高溫)與日氣溫均值為13 ℃(低溫)三種溫度條件下，孕穗期在 12.0 h的短日照處理表現(xiàn)為不育，在13.0 h的長日照處理表現(xiàn)為可育，說明氣溫的高低對中光121S的育性轉換無明顯影響，克服了光溫敏的溫度效應這一大難題，避免了制種時因氣溫的變化而產生自花結實的風險，能確保制種的純度。在定光試驗中，也明確了 12.3 h的光照日長是中光121S的敗育臨界值，因此中光121S在日長12.3 h以下為雄性不育，可以配制雜交種；在日長12.3 h以上育性開始恢復；在日長12.8 h完全恢復可育，能夠繁殖種子。

2018-2020三年中光121S與從各地引種的84個小麥品種進行測交，雜交種都能恢復全育，說明中光121S的不育基因是隱性遺傳，普通小麥所有品種都是其良好的恢復系，其中中光121S/南814比對照品種綿麥367增產35.3%，是強優(yōu)勢組合。