2個小麥AL型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的異交特性分析

崔鳳娟,聶迎彬,徐紅軍,孔德真,穆培源,田笑明

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物研究所/谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆石河子 832000)

提高小麥單產(chǎn)是解決糧食安全問題的措施之一,雜種優(yōu)勢利用是提高小麥單產(chǎn)的有效途徑[1]。異交結(jié)實(shí)率是影響雜交小麥制種產(chǎn)量的重要因素[2],選育和利用高異交結(jié)實(shí)率不育系是提高雜交小麥制種產(chǎn)量最有效途徑之一[3]。小麥?zhǔn)菄?yán)格自花授粉作物,天然異交率僅為1%～3%。依據(jù)父母本開花習(xí)性,確定適宜的播期和行比,實(shí)現(xiàn)花期最佳相遇是提高雜交小麥制種產(chǎn)量的關(guān)鍵。

根據(jù)雜交水稻和麥類作物異交結(jié)實(shí)研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)影響不育系異交結(jié)實(shí)率的性狀包括母本柱頭活力、柱頭外露率和開穎角度等;母本柱頭活力與持續(xù)時間與異交結(jié)實(shí)密切相關(guān),受環(huán)境影響較大[4-5]。研究表明,柱頭外露的材料接收花粉的機(jī)率可以提高25%[6];穎殼張開角度主要受基因型控制[7-8],直接影響制種產(chǎn)量[9]。小麥AL型雄性不育系不育胞質(zhì)來自普通小麥品種輝縣紅,穎殼有一定開張角度,柱頭部分外露,柱頭生活力強(qiáng)且持續(xù)時間較長[10],比同核異質(zhì)的Q型不育系自然異交結(jié)實(shí)率高[11]。本課題組經(jīng)過多年努力,回交轉(zhuǎn)育AL型不育系種質(zhì)資源85份,在篩選強(qiáng)優(yōu)勢組合的同時,連續(xù)3年(2014—2016年)對20份回交10代以上的穩(wěn)定不育系進(jìn)行了自然異交結(jié)實(shí)率的研究,異交結(jié)實(shí)率平均為41.13%,其中2016年自然異交結(jié)實(shí)率在35%以下的不育系占17.3%,異交結(jié)實(shí)率在70%以上的不育系占34.8%[12]。本研究對其中2個異交結(jié)實(shí)率差異顯著的不育系的相關(guān)異交性狀進(jìn)行分析,旨在明確不育系花器發(fā)育特性和影響異交結(jié)實(shí)率的主要性狀,為提高小麥異交結(jié)實(shí)率和高產(chǎn)高效制種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為回交10代以上且不育系育性穩(wěn)定的小麥AL型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系36A(高異交結(jié)實(shí)率)和3235A(低異交結(jié)實(shí)率)及其同型保持系各1份。2個不育系的輪回親本分別為新冬36號和3235,二者抽穗期相同,遺傳背景不同。用同型保持系和晚熟恢復(fù)系09AR20-2作為供粉父本。試驗(yàn)材料均由新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物研究所選育提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所試驗(yàn)站連續(xù)3年(2019—2021年)進(jìn)行不育系自然異交結(jié)實(shí)率測定。為保證所有不育系能夠?qū)崿F(xiàn)飽和授粉,試驗(yàn)安排在冬麥常規(guī)育種圃中,不同熟期的育種材料可提供大量花粉,以充分反映參試不育系的自然異交結(jié)實(shí)能力。

供試不育系和其同型保持系按1∶1行比順序種植,行長1.5 m,行距0.25 m,每行15粒?；謴?fù)系09AR20-2種植于其選育圃內(nèi),每行25粒。

1.3 調(diào)查性狀與方法

柱頭活力和授粉天數(shù):不育系穗下頸剛抽出時,選旗葉鞘發(fā)育一致的麥穗45～60穗,剪去穎芒,套袋、掛牌(2019年45穗,2020—2021年60穗),以同型保持系麥穗中部小花揚(yáng)花為開花日,用同型保持系為父本給套袋穗1對1人工授粉,重復(fù)3穗,第2天重復(fù)授粉。按此方法逐日人工飽和授粉至第15～20天(2019年15 d,2020和2021年20 d)。同型保持系新冬36號和3235開花結(jié)束后,采用同期播種的晚熟恢復(fù)系09AR20-2為父本繼續(xù)授粉。從開花當(dāng)日至異交結(jié)實(shí)率為0,以每日套袋異交結(jié)實(shí)率代表當(dāng)日柱頭活力。開始授粉的第一天至最后一天為授粉天數(shù)。

自然異交結(jié)實(shí)率:抽穗后,參試不育系選取整齊一致的10個單株主莖穗掛牌,接受相間種植的同型保持系和育種圃內(nèi)不同熟期育種材料提供的大量花粉實(shí)現(xiàn)飽和授粉;對掛牌單株上1個健壯分蘗穗套袋自交,用于鑒定不育系育性的穩(wěn)定性。成熟期,收獲掛牌單株上的自然授粉主莖穗和套袋自交穗,室內(nèi)考種,計(jì)算結(jié)實(shí)率。

柱頭外露率和穎間距:自授粉之日起,選取參試不育系整齊一致的10穗,3次重復(fù),每天上午12點(diǎn)和下午17點(diǎn)觀測柱頭外露率,直至無柱頭外露發(fā)生。同時用直尺測定中部小穗兩側(cè)基部小花(3排12朵小花)的內(nèi)外穎穎尖之間的距離。參試不育系的不育度、異交結(jié)實(shí)率、柱頭外露率計(jì)算公式如下:

不育度=(1-不育系套袋結(jié)實(shí)總數(shù)/每穗小穗數(shù)×2)×100%;

自然異交結(jié)實(shí)率=每穗結(jié)實(shí)粒數(shù)/(每穗小穗數(shù)×2)×100%(國際法);

柱頭外露率=每穗柱頭外露數(shù)/(每穗小穗數(shù)×2)×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS和EXCEL統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 AL型不育系異交性狀分析

本試驗(yàn)條件下,3年中,2個不育系的不育度均為100%,即自交結(jié)實(shí)率均為0,表明2個不育系育性穩(wěn)定。由表1可知,36A和3235A的3年平均柱頭活力、自然異交結(jié)實(shí)率分別為104.96%和76.70、113.02%和44.65%,二者間差異均達(dá)到顯著水平;36A與3235A間的柱頭外露率和穎間距差異不顯著。

表1 4個異交性狀的方差分析Table 1 ANOVA of the four outcrossing traits in the two AL-lines

2.2 不育系性狀的相關(guān)性分析

從表2可知,授粉天數(shù)與柱頭活力呈顯著負(fù)相關(guān),即柱頭活力隨授粉天數(shù)的延長而降低;授粉天數(shù)與柱頭外露率和穎間距呈正相關(guān),但相關(guān)性不顯著;柱頭活力與柱頭外露率和穎間距、柱頭外露率與穎間距均呈顯著正相關(guān),即不育系穎間距越大,柱頭外露率越高,柱頭活力(異交結(jié)實(shí)率)越高。

表2 4個異交性狀的相關(guān)分析Table 2 Correlation coefficients of the four outcrossing traits in the two AL-lines

表3 授粉天數(shù)與柱頭活力、柱頭外露率和穎間距的拋物線方程Table 3 Parabolic equation between pollination days and the other three traits

2.3 授粉天數(shù)對不育系異交性狀的影響

隨授粉天數(shù)推移,柱頭活力、柱頭外露率和穎間距均呈先增后減趨勢(圖1),對其進(jìn)行回歸分析,所建方程的R2值均大于0.76,即相關(guān)均顯著(P<0.05),其中柱頭活力拋物線方程的R2值大于0.93說明在本試驗(yàn)條件下方程成立。36A和3235A的柱頭活力峰值分別出現(xiàn)在第10天(152.5%)和第6天(127.7%),36A比3235A推遲4 d(圖1a);柱頭外露率峰值分別出現(xiàn)在第7天(21.2%)和第9天(18.26%),36A比3235A早3 d(圖1b);穎間距峰值分別出現(xiàn)在第6天(1.5)和第8天(1.1),36A比3235A早2 d(圖1c)。

圖1 授粉天數(shù)與柱頭活力(a)、柱頭外露率(b)和穎間距(c)的關(guān)系Fig.1 Relationship between pollination days with the other three traits

36A和3235A柱頭活力大于100%的出現(xiàn)時間分別為授粉第4～10天和第4～8天,此后柱頭活力分別以每天22.29%和15.94%的速率下降(圖1a);柱頭外露率>10%的出現(xiàn)時間分別為第6～12天和第7～12天(圖1b);穎間距>1的持續(xù)天數(shù)分別為7 d(第6～12天)和1 d(第8天)(圖1c)。授粉后第15天,柱頭活力降到20%以下,柱頭外露率和穎間距均接近于0,內(nèi)外穎漸趨閉合,不育系柱頭基本喪失了自然異交結(jié)實(shí)能力。36A的3個異交指標(biāo)平均高于3235A。

3 討論

小麥屬自花授粉作物,花器結(jié)構(gòu)和開花習(xí)性均對異交結(jié)實(shí)不利。但胞質(zhì)雄性不育類型的小麥具有花期穎殼開張時間長、柱頭外露等特點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)異交結(jié)實(shí)奠定了基礎(chǔ)。父母本的花器特性、協(xié)調(diào)狀態(tài)和栽培管理等是影響異交結(jié)實(shí)的主要因素,是雜種小麥制種不容忽視的環(huán)節(jié)[5]。

研究表明,不育系柱頭外露對提高雜交水稻制種產(chǎn)量具決定性作用,柱頭外露率和穎間距是影響其異交性狀的重要因素。本研究中,2個小麥AL型雄性不育系的柱頭活力差異極顯著,推測柱頭活力受基因型控制,這與前人研究結(jié)果‘水稻異交結(jié)實(shí)率與柱頭外露率、開穎大小呈顯著正相關(guān),與柱頭活力相關(guān)不顯著’不一致[4-5]?？赡芤?yàn)樾←湹闹^外露率和穎間距相對于水稻較小,本試驗(yàn)中小麥不育系的柱頭外露率在10%以下,穎間距不足1(表1)。36A異交結(jié)實(shí)率較高表明該不育系具有優(yōu)良的異交能力,而環(huán)境對異交結(jié)實(shí)率影響也不容忽略。在本研究中,3235A的異交結(jié)實(shí)率較低,建議通過化學(xué)調(diào)控(如噴施NAA和GA3)等方式改善其異交能力[13],從而提高其制種產(chǎn)量。經(jīng)過多年田間調(diào)查和總結(jié),發(fā)現(xiàn)花后10 d左右的柱頭活力可以作為小麥AL型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系異交結(jié)實(shí)率的評價指標(biāo)。如在柱頭活力峰值時期,將待測不育系的柱頭用聯(lián)苯胺過氧化氫法[14]或MTT(噻唑藍(lán))法[15]等進(jìn)行染色、觀察,可以快速確定其柱頭活力的強(qiáng)弱。在強(qiáng)優(yōu)勢組合父本選配時,可根據(jù)母本不育系柱頭活力做出判斷,避免出現(xiàn)失誤或做大量無用工作。

有研究認(rèn)為,小麥柱頭活力在開花當(dāng)天[16]或花后4～8 d最強(qiáng)[17],本研究結(jié)果與后者基本一致(花后4～11 d)。原因除供試材料不同外,可能與確定套袋授粉起始日期有關(guān),有些學(xué)者以柱頭羽狀散開為準(zhǔn),有些從盛花期開始授粉,本研究從同型保持系揚(yáng)花首日開始對不育系套袋穗進(jìn)行飽和授粉。一般小麥?zhǔn)蓟ê?～4 d進(jìn)入盛花期,因此,矯正至同一判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授粉,與前人研究結(jié)果基本一致。結(jié)合柱頭外露率和穎間距在花后6～12 d達(dá)到最大值的特點(diǎn),AL型不育系的恢復(fù)系揚(yáng)花始期比不育系推遲2～3 d,這個時期小花陸續(xù)開放,柱頭活力也較強(qiáng),并持續(xù)開穎,可保持較高結(jié)實(shí)率,為最佳授粉時間。

在小麥雜交制種中,因父母本抽穗時間不適宜而產(chǎn)生花期不遇和異交結(jié)實(shí)率低等問題時常出現(xiàn),母本開花遲而分散,父本早而集中,很難實(shí)現(xiàn)父母本同時開花,常為母早父晚[18]。測定柱頭活力可準(zhǔn)確把握不育系的有效授粉時間段,即使花期不遇或有惡劣天氣,仍可通過適時適量噴施GA3使抽穗期提前[19],調(diào)節(jié)父本花期,增強(qiáng)恢復(fù)系散粉能力,或噴施JA延遲閉穎后外露柱頭的活力,在有效授粉時間內(nèi)完成授粉。此外,在柱頭活力較高時期內(nèi)輔助授粉,可增加授粉次數(shù)以促進(jìn)結(jié)實(shí)。因此,了解不育系的柱頭活力對雜交制種具有重要意義。挖掘優(yōu)良不育系的異交結(jié)實(shí)潛能,配合播期調(diào)整、播量控制、行比設(shè)置等其他高產(chǎn)制種措施,對雜交小麥制種產(chǎn)量提高有較高的應(yīng)用價值[20-21]。

4 結(jié)論

36A與3235A不育系間異交結(jié)實(shí)率的差異主要與柱頭活力有關(guān);柱頭活力與柱頭外露率和穎間距、柱頭外露率與穎間距均呈顯著正相關(guān);在授粉過程中,柱頭活力、柱頭外露率和穎間距呈先增后減的拋物線軌跡,36A的3個性狀平均高于3235A,綜合表現(xiàn)為異交結(jié)實(shí)率高。