山西谷子優質不育系選育及雜交利用研究

麻慧芳 史關燕 楊成元 王宏麗

摘要?雜種優勢利用研究是大幅度提高谷子產量的重要途徑。谷子屬自花授粉作物，在雜種優勢利用研究中不育系選育是關鍵。針對現有谷子不育系存在的早熟、高桿、制種困難、雜交種早衰、品質較差等問題，筆者在晉汾1A、晉汾21A等不育材料的基礎上，采用雜交轉育、誘變等育種方法選育出植株較矮、中晚熟、異交結實率高的優良不育系：晉汾21A-6、汾57A-3、汾92-22A;同時，篩選抗拿捕凈除草劑優良恢復系K27-10、K15-4等53個。并利用新優質不育系與優質恢復系大量測配，選育出3個優質雜交種汾雜16-3、汾雜16-8、汾雜16 -11，通過適應性鑒定，可作為山西省中晚熟區種植的優質雜交種應用于生產。

關鍵詞?谷子;不育系;選育;雜種優勢

中圖分類號?S515?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）01-0026-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.007

Abstract?Research on the utilization of heterosis is an important way to greatly increase millet yield. Millet is a self-pollinated crop， and the breeding of sterile lines is the key in the study of heterosis utilization.Aiming at the problems of early maturity， high stem， difficulty in seed production， premature aging of hybrids， and poor quality of existing millet sterile lines， the author selected fine sterile lines Jinfen21A-6， Fen57A-3， and Fen92-22A with shorter plant height， middle late maturity and high outcrossing seed setting rate by means of cross breeding and mutation on the basis of sterile materials such as Jinfen 1A and Jinfen 21A. Meanwhile， 53 excellent restorer lines which could resist herbicide of Napujing， such as K27-10，K15-4 and so on were screened.In addition， a large number of high-quality sterile lines and high-quality restorer lines were used to test and match three high-quality hybrids Fenza 16-3， Fenza 16-8， and Fenza 16 -11. Through adaptability identification， they can be used as high-quality hybrids planted in middle and late maturing areas of Shanxi Province.

Key words?Millet;Sterile?line;Selective breeding;Heterosis utilization

谷子（Setaria italica Beauv）抗旱、耐逆，適宜在西北干旱地區種植[1]，是我國北方干旱和半干旱地區的重要農作物之一，雜種優勢明顯[2]。近年來，由于谷子產量提高不明顯、經濟效益較低等原因，種植面積逐漸萎縮[3]。提高單位面積產量是谷子生產亟待解決的關鍵問題。我國擁有豐富的谷子遺傳資源[4-5]，這為谷子雜種優勢研究提供了基礎。國內育種家自20世紀中葉開始利用雜種優勢對谷子進行育種研究。先后培育出多個高度雄性不育系、光敏核不育系、顯性核不育系，實現了兩系配套，并獲得了一些強優勢雜交組合[6-7]。20世紀90年代，張家口市農業科學院成功研究了谷子光溫敏不育兩系法，推動了谷子雜交生產，開辟了谷子雜種優勢利用的新途徑[8-10]。

山西省地處黃土高原區，多為干旱丘陵地，常年干旱少雨，是我國谷子主產區，年播種面積近27萬 hm2，中晚熟區占總面積的87%，目前這些區域仍使用常規品種，產量水平和種植效益低而不穩。雜種優勢利用是大幅度提高谷子產量的重要途徑。但谷子是自花授粉作物，雜種優勢很難被利用，因此選育優良不育系是谷子雜種優勢利用的關鍵。

山西省谷子雜種優勢利用研究已有30多年歷史，在兩系配套和雜交種選育方面取得了重大進展，育成一批不育系、恢復系的中間材料，在組合選配及優勢組合的制種技術等方面均取得了很大進展，谷子雜種優勢利用模式基本形成。已選育出晉汾4A、汾6A等一批高度雄性不育系;選育出K1～K46系列抗除草劑恢復系500余份，為篩選強優組合奠定了豐富的種質基礎，目前已育成并認定了長雜2號、晉谷49號、晉谷50號3個雜交谷子新品種，但由于選育的不育系偏早熟，配制的雜交種在早熟區種植偏晚，晚熟區種植偏早，加之雜交種品質較差，沒能大面積推廣應用。

該研究針對雜種優勢利用研究中不育系單一、早熟、雜交種品質差的問題開展優質不育系選育及雜種優勢利用研究。以自選雄性不育系晉汾21A、晉汾1A作為基礎材料，與優質、抗病、矮稈品種（系）通過雜交、誘變等育種方法，選育中晚熟、品質優良、異交結實率高的優質不育系，為谷子雜種優勢利用研究提供重要的親本材料。同時，利用雜交方法選育抗拿捕凈除草劑優質恢復系，利用兩系法進行大量測交篩選優質雜交種。選育的雜交新品種品質與對照品種相當，產量比對照增產10%以上，并在谷子主產區大面積推廣應用，提高了谷子種植效益，增加了農民收入，全面帶動了谷子產業發展。

1?試驗方案

1.1?研究內容

以優質不育系晉汾21A、晉汾1A為基礎材料，通過與優質谷子品種雜交、回交轉育等育種方法選育谷子優質不育系;抗拿捕凈除草劑品種（系）進行抗性鑒定和優良品質篩選;不育系、恢復系配合力測定，大量測配組合、田間鑒定、品種比較，篩選適宜于山西省中晚熟區種植的優質雜交種應用于生產;制種技術研究。

1.2?思路與技術路線?對谷子種質資源和育種材料進行類群分析，劃分不育類群和恢復類群，借鑒高粱“恢×恢、保×保”的方法選育不育系和恢復系，注重不育系和恢復系優質性狀同步改良，保證育成的不育系和恢復系有較好的配合力，保障雜交種具有較好的品質性狀。

2?優質不育系選育

不育系晉汾1A是山西省農業科學院經濟作物研究所于1998年利用自選品系81-16與河北光敏不育材料683A雜交、多代回交選育而成的谷子光敏雄性不育系[11]，生育期115 d，屬中晚熟類型，是該所第一個成功選育的不育系。晉汾21A是在晉谷21號生產田發現的突變材料，經系統選育而成的中晚熟優質不育材料系。這兩個不育系在利用中均存在一定缺陷。晉汾1A具有明顯的光敏特性，以其為不育系配制的雜交種受推廣區域和年份環境條件影響很大，不能直接進行雜種優勢利用。晉汾21A因穗較長、穗碼緊、柱頭外露不明顯，異交結實率低，植株較高，制種困難。

在此基礎上通過誘變、正反雜交等育種方法將晉汾1A、 晉汾21A發達的羽狀柱頭、生育期、品質等優良性狀進行轉育，創制長強柱頭、矮稈、中晚熟、優質不育系。

2.1?雜交轉育

2012年，在海南三亞利用晉汾1A等為親本材料，分別與矮稈、穗直立、抗病等優良品種（系）晉谷 6號、晉谷18號、87-160、86-57、792-4、農×77-5381等配制雜交組合13個，按組合混合脫粒。2013年，種植F1代，出苗后隨機留苗，在開花期，鑒別真雜種，觀察花粉，將植株較低、穗碼較松、有不育花的單穗套袋自交，成熟期單株收獲，脫袋觀察自交情況，結實率在10%以下和40%以上的全部淘汰，結實率在10%～40%之間單穗經過考種脫粒，選擇晉汾1A×87-160、晉汾4A×792-4、晉汾4A×86-57、87-160×晉汾1 A4個組合，共 213個單穗。

2014年，按組合單穗種植F2代，行長2.5 m，稀植盡量不間苗，每個單穗種植1行，開花期觀察花粉，選擇有花粉不開裂穗套袋自交，成熟期自交穗單收單脫，經考種選擇結實率10%～30%的單穗209個。同年冬季，海南育種基地F3加代種植單穗，開花期根據育性表現選擇性套袋自交，成熟期自交穗單收單脫，收獲578個單穗。2015—2017年南繁北育，根據苗色及株高等農藝性狀表現，在花期按育性表現及目標性狀逐代選擇。2017年，F5代穗行圃A58-4、A57-3育性穩定，穗毛短，柱頭外露明顯，分別定名為：汾92-22A、汾57-3A。

2.2?輻射誘變

2012年播種前，取晉汾21A干種子100 g，在山西省太原市高新區中國輻射中心進行鈷伽瑪射線處理，5月19日將處理種子全部種于汾陽試驗地，大量選擇變異株混合脫粒。2013年混合種植M2代，成熟期選不育單穗（結實率30%左右）單收單脫。2014年，繼續單穗種植M3代，選擇目標不育材料（植株較低、不育株率100%、自交結實率20%以下）;同年冬季，海南山腳加代種植M4代。2015年山西省農業科學院經濟作物研究所試驗地種植M5代，其中第6區，群體株高整齊一致，表現育性穩定，全部套袋自交，成熟期全部收獲考種脫粒，定名汾晉21A-6。

2.3?選育結果

選育出植株較低、中晚熟、性狀優良、不育株率100%、不育度80%左右的高度不育系2個，2018年已測交利用。

汾92-22A：組合為晉汾4A×792-4，幼苗黃綠色，平均分蘗2.7個/株，株高92.5 cm，穗長22.1 cm，穗粗2.6 cm，穗形為筒型。 不育株率100%，不育度80%以上，出苗到盛花期65 d，屬中熟類型。

晉汾21A-6：幼苗綠色，單桿不分蘗，株高146.2 cm，穗長29.5 cm，穗粗2.9 cm，穗為紡錘型，穗碼松緊適中。米色金黃，品質相當于優質谷晉谷21號。不育株率100%，不育度80%左右。出苗到盛花期72 d，屬中晚熟類型。經配合力測定分析，晉汾21A-6一般配合力（GCA）產量效應優于親本，晉汾 21A-6×冀谷29號為產量特殊配合力（SCA）效應較優組合[12]。

3?恢復系抗性鑒定和品質篩選

十二五期間，項目組在山西省科技廳的資助下，開展了抗除草劑優質谷子新品種選育研究，利用從山西省農業科學院谷子研究所引進抗除草劑基因種質DSB553衍生系K164、K103等為基礎材料，創新K1～K63系列抗拿捕凈除草劑品系485份。為谷子兩系雜交利用奠定了基礎。

2016—2017年，對K1～K63系列品種（系）材料進一步進行除草劑抗性鑒定和優良品質篩選。2016年種植196份，每份種植2行，行長2 m，在出苗3～5葉期噴施拿捕凈除草劑（0.5%濃度），7 d后調查抗性。成活率100%，為抗性穩定材料，可直接雜交利用;成活率50%～ 99%，可繼續回交篩選;成活率低于50%的材料，直接淘汰。同時調查苗色性狀、株高、穗長、生育期、粒色、米色，篩選出中晚熟、植株較高、花粉量大、一般配合力高、性狀優良、豐產、品質優良的恢復系K5-15、K1-22、K22-17等53個，其中有32個優良恢復系已進行測交利用（表1）。

4?優質雜交種選育

4.1?試驗目的?2017年對汾雜16-1等18個優勢組合進行品種比較試驗，從品質、豐產性、抗病性、生育期方面篩選強優勢組合，為雜交種應用于生產提供依據。

4.2?設計和方法

試驗在山西省農業科學院經濟作物研究所試驗地進行，前茬作物為大豆，土壤為砂壤土，小區面積2.00 m×3.34 m，6行區，各處理采用隨機區組排列，2次重復，以長農35為對照。5月20日播種，單腿耬條播，播種量15.0 kg/hm2，苗后3～5葉期噴施拿捕凈除草劑去除假雜種。留苗密度33.0萬株/hm2，田間管理同大田生產。

4.3?調查考種項目

觀察測定出苗期、幼苗顏色、小區苗數、分蘗性、抽穗期、白發病株率、穗形、株高、穗長、單穗重、單穗粒重、出谷率、折合單產、千粒重、米色等。

4.4?產量結果

由表2可知，18個參試品種，比對照長農35增產的組合有6個，增產10%以上有3個，分別是汾雜16-3（增產14.90%）、汾雜 16-11（增產11.69%）、汾雜16-8（增產10.60%），產量均超過7 500 kg/hm2;減產的有12個，其中汾雜16-6、汾雜16復31減產幅度較大，分別為-14.65%、-13.41%（表2）。減產的主要原因有下種量少、真雜種率較低、噴施除草劑后缺苗斷壟嚴重（密度只有22.5萬株/hm2左右），且分蘗性差，群體自身調節能力差。因此，雖然單穗粒重高，雜種優勢強，抗病性、抗逆性強，產量卻相對較低。在生產應用中，雜交種播種要根據真雜種率增大用種量，保證留苗密度在30萬/hm2以上，可達到理想產量。

4.5?3個優勢雜交種特征特性

汾雜16-3，組合為晉汾21A-6/K37-6，幼苗綠色，穗形為筒型，株高172.6 cm，穗長27.5 cm，穗粗3.4 cm，單穗粒重29.0 g，出谷率82.3%，千粒重3.0 g，抗病性強。品種比較試驗折合單產7 774.5 kg/hm2，比對照長農35平均增產14.90%，位居所有參試品種之首。白谷黃米，米粒整齊，米色金黃，品質優良。

汾雜16-11，組合為晉汾21A-6/K15-9，幼苗葉鞘紫色，穗形為筒型，株高178.2 cm，穗長31.1 cm，穗粗3.1 cm，單穗粒重27.5 g，出谷率79.6%，千粒重2.9 g。品種比較試驗折合單產 7 558.5 kg/hm2，比對照長農35平均增產11.70%，位居所有參試品種的第2位，白谷黃米，米色金黃，品質優良。

汾雜16-8，組合為晉汾21A-6/J29，幼苗綠色，穗型為紡錘型，株高142.2 cm，穗長34.6 cm，穗粗3.4 cm，單穗粒重30.1 g，出谷率84.3%，千粒重2.92 g。品種比較試驗折合單產7 483.5?kg/hm2，比對照長農35平均增產10.59%，位居所有參試品種的第3位。其米粒整齊，米色金黃，品質優良。

4.6?小面積試驗示范

2017年，在呂梁、晉中、忻州、陽泉等谷子產區設置5個示范點，但因播種期全省遇春旱，試驗點多無灌溉條件造成缺苗或無苗。只有晉中平遙點試驗示范成功。

晉中地區示范試驗地點設在平遙縣朱坑鄉東青村，面積為0.08 hm2，每個品種占地0.016 hm2。供試品種：經拿捕凈除草劑處理后的5個雜交種，分別為汾雜16-1、汾雜16-3、汾雜16-5、汾雜16-6、汾雜16-8。

施肥、田間管理同當地生產種植習慣，采用手推播種器穴播，每穴下籽10粒左右，播量21.0 kg/hm2，株行距為2.5 cm×30.0 cm，9月29日成熟，按品種單收單脫。試驗結果：5個雜交種折合單產5 344.5～9 669.0 kg/hm2，其中汾雜16-5產量最高，創平遙谷子種植歷史的新高。

5?制種技術研究

5.1?試驗目的

2018年在山西省農業科學院經濟作物研究所試驗地，利用3個自選不育系（汾6A、晉汾21A-1、晉汾21A-6），4個自選抗除草劑恢復系（K37-9、K8-11、J29、K15-9）設置3×4個組合進行小面積制種。以生育期為基礎調整播種期，以葉齡余數為依據進行花期預測，采用父母本錯期播種、父本分期播種、噴施多效唑、人工輔助授粉等方法探索制種技術，為雜交種試驗示范提供種子，為大面積生產制種提供技術支撐。

5.2?試驗設計和方法

3個不育系分別與4個恢復系設置制種組合，同一個父本的3個組合相鄰，每個組合面積40 m2。不同父本之間種植6行玉米做隔離帶，父母本行比為2∶4，根據父母本生育期，分別在5月22日、5月25日、6月1日分3期播種，每個父本分2次播種，第1次播種3 d后，進行第2次播種，田間管理同生產田常規管理。出苗后3葉期進行第1次葉齡標記，每個親本取3個點，每個點標記5株，以后每5葉標記一次，抽穗期計算總葉片數。母本晉汾21A-1、晉汾21A-6在拔節期（7～9葉）噴施多效唑，濃度為0.5%，縮短節間、降低株高。盛花期進行人工輔助授粉，每天08：00開始進行人工輔助授粉，用竹竿輕輕敲打父本穗部使花粉充分散落到母本柱頭上。

葉齡調查：調查每個組合的親本總葉片數（n）和出苗到抽穗的天數（d總），計算出各親本每長1片葉所需要的天數（d= d總/n），在下年制種時可根據葉齡指數來判斷父母本花期相遇程度，有花期不相遇情況可以采取促控措施及時調節花期。

花期調節：汾6A×K8-11、汾6A×J 29、汾6A×K15-9 3個組合，父本在2葉1心期播母本，父本早播9 d，這與親本標記葉齡計算出的葉齡余數，母本每長1片葉3 d相符。晉汾21A-1×K37-9、晉汾21A-6×K37-9 2個組合母本早播3 d，晉汾6A×K37-9、晉汾21A-1×K8-11、晉汾21A-6×K8-11、晉汾21A-1×J29、晉汾21A-6×J29、晉汾21A-1×K15-9、晉汾21A-6×K15-9 7個組合父母本同期播種，花期相遇好。

5.3?試驗結果

由表4可見，各組合制種產量為1 056.0～3 166.5 kg/hm2。以汾6A 為母本的制種組合，母本柱頭外露好，異交結實率高，其中汾6A×K37-9同期播種，父母本株高比例合適，制種產量高達 2 850.0 kg/hm2。以晉汾21A-1為母本的組合，因母本穗大碼緊，自交結實率高，制種產量相對較高，晉汾21A-1×K8-11、晉汾21A-1×J29、晉汾21A-1/K15-9制種折合單產分別達3 166.5、2 934.0、2 283.0 kg/hm2，但真雜種率低。以晉汾21A-6為母本的組合，母本穗大，穗碼較松，柱頭外露明顯，異交結實較好，晉汾21A-6×K8-11、晉汾21A-6×J29兩個組合制種折合單產分別達1 576.5、1 710.0 kg/hm2。其余組合因花期相遇不吻合或缺苗等原因，制種產量較低。

6?討論

隨著市場經濟的發展，人們對小米的品質要求越來越高，要選育優良的谷子雜交種，必須對親本材料的品質進行篩選，了解母本和父本品質與雜交F1代品質的相關性。

雜交種的雜種優勢還有待提高。要從親本品質性狀入手，遠緣雜交創制新不育系和恢復系，進一步擴大不育系和恢復系的基因差異，提高雜交種的雜種優勢。

制種技術還需要更深入的研究，繼續探索優勢組合親本葉齡與花期的關系，授粉時間和輔助授粉方法。

還應加深谷子雜交種的簡化栽培和高產栽培技術研究，以充分發揮其雜交優勢，使谷子雜交種在生產上發揮最大的增產潛力。

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