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實驗室，北京100097)

小麥光溫敏雄性不育系(以下簡稱不育系)具有短日低溫不育、長日高溫可育的特點，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)用過程中，不育系成熟期表現(xiàn)差異較大，部分不育系會出現(xiàn)旗葉光合性能差、生育后期早衰、籽粒飽滿度差等問題，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發(fā)育時期和位置的特殊性，其光合性能基本上代表了冠層光合的趨勢[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)品種為研究對象，而對不育系光合特性的分析鮮見報道。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]。追氮時期對小麥葉面積、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，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[7-8]。低溫可以通過氣孔關(guān)閉來抑制光合作用[9-11]。寬行距和低密度有利于小麥個體的生長發(fā)育,增加生育后期的Pn[12]。播期會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)實性好、開穎角度大、開穎歷時長、配合力高和恢復(fù)源廣等優(yōu)點，對該型不育系進(jìn)行高光效特性評價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BS型光溫敏不育系的Pn等光合參數(shù)和結(jié)實率及其與播期、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，其光溫敏感時期在藥隔至單核期，地域和播期對其結(jié)實率影響顯著[1-3]。以常規(guī)小麥品種京411為對照。

1.2 試驗設(shè)計

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

1.3 測定項目與方法

小麥抽穗后，每個處理隨機(jī)選擇葉齡一致的5個植株，選取受光方向一致的旗葉，利用光合作用測量系統(tǒng)(LI-6400XT，美國Li-COR公司)，在晴朗無風(fēng)的天氣9:00-11:00，測定小麥抽穗期、開花期、花后30 d三個時期的旗葉中部的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)測定當(dāng)日，利用葉綠素?zé)晒鈨x(OS-30p，美國Opti-Sciences公司)測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fo和Fm)，計算光系統(tǒng)II(PS II)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm,Fv=Fm-Fo)，每個品種重復(fù)測定10次，取平均值。

每個材料測量10株小麥旗葉的長和寬，葉面積=葉長×葉寬×0.7[15]。

1.4 田間農(nóng)藝性狀及育性調(diào)查

開花前對每株主莖穗和1～2個分蘗穗套袋，成熟后調(diào)查旗葉的長和寬、開花期、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗數(shù)和千粒重。結(jié)實率(國際法) =穗粒數(shù)/(小穗數(shù)×2)×100%。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

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)實率表現(xiàn)

不育系在北京順義的結(jié)實率明顯高于河南南陽(表1)。在北京順義，不育系晚播結(jié)實率高于早播，結(jié)實率30%～60%，說明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)實率在45%以上；育性恢復(fù)中等的不育系為BS1745、BS210、BS485，結(jié)實率為30%～40%。在河南南陽，不育系兩個播期的育性均較低，結(jié)實率0～1.3%，達(dá)到高度不育，說明10月10日至10月20日均能夠進(jìn)行安全制種。京411育性在兩個地點和不同播期下表現(xiàn)均正常，無論地點間還是播期間結(jié)實率差異均不顯著，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的田間農(nóng)藝性狀和結(jié)實率表現(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；對照材料京411的Pn從抽穗期到花后30 d呈下降趨勢。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。在河南南陽的兩個播期下，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，兩個播期下，從抽穗期到花后30 d，小麥Gs變化趨勢不一致(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。在河南南陽兩個播期下，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兩個播期下，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。花后30 d時BS1745和京411的Ci較高，BS210的Ci較低。京411在河南南陽花后30 d的Ci相對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，其余呈下降趨勢(表9)。而在河南南陽的10月10日播期下，也是部分材料的Tr呈先升后降趨勢，其余呈下降趨勢(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。總體來看，10月10日播期下大部分不育系河南南陽的Tr變化趨勢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)。總體來看，北京順義和河南南陽的兩個播期下，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。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)的大小來看，對Pn影響最主要的因子是播期和Tr，其次是結(jié)實率、Fv/Fm、Gs和旗葉面積；對Tr影響最主要的因子是播期、Gs和Pn，其次是株高和Fv/Fm；對結(jié)實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，Pn和結(jié)實率與各因子相關(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)的大小來看，對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 南陽不育系凈光合速率、蒸騰速率和結(jié)實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)實率的因子較多；在河南南陽，影響Pn、Tr和結(jié)實率的因子較少。從結(jié)實率與其他因子的相關(guān)性分析來看，北京順義為不育系的繁殖區(qū)，不育系育性相對正常，結(jié)實率與Pn呈正相關(guān)，說明Pn升高，有利于不育系繁殖系數(shù)的提高。結(jié)實率與抽穗期和花后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)實率。而河南南陽為制種區(qū)，不育系幾乎完全不育，結(jié)實率與光合因子相關(guān)性不顯著。從Pn和Tr對播期的相關(guān)性分析來看，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，而早播將會提升不育系開花期Pn。在河南南陽，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對旗葉面積的相關(guān)性分析來看，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%來自于直接或間接的光合作用。小麥旗葉葉綠素相對含量、凈光合速率和蒸騰速率對產(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個不育系光合特性，發(fā)現(xiàn)在三個測定時期中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)實率與Pn呈正相關(guān)，與旗葉面積呈負(fù)相關(guān)。對Pn影響最主要的因子是播期和Tr，其次是結(jié)實率、Fv/Fm、Gs和旗葉面積；對Tr影響最主要的因子是播期、Gs和Pn，其次是Ci、株高和Fv/Fm；對結(jié)實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。

通過比較不育系與對照京411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時京411的Ci顯著高于不育系。根據(jù)研究結(jié)果推測，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變化趨勢在北京順義兩個播期間不一致。在北京順義10月10日播期下，開花期Pn較抽穗期有一個顯著升高的趨勢，自交結(jié)實率也沒有顯著降低，所以該播期適合不育系繁種。在河南南陽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，而花后保持相對不高的單株葉面積則能幫助植株規(guī)避過度營養(yǎng)生長，將更多水分和營養(yǎng)用于籽粒干物質(zhì)累積，最終實現(xiàn)產(chǎn)量提升[21]。本研究中，結(jié)實率在北京順義與Pn呈正相關(guān)，說明灌漿后期光合特性提升，有利于不育系自交結(jié)實率的提高；結(jié)實率與抽穗期和花后 30 d的Gs分別呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，說明抽穗期提升Gs有利于提高結(jié)實率，而灌漿期降低Gs有利于提高不育系結(jié)實率。在河南南陽，不育系表現(xiàn)高度不育，其結(jié)實率與光合因子相關(guān)性不顯著。選育在河南南陽高度不育、而在北京順義高光效的不育系，對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。