2個小麥AL型細胞質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

(新疆農墾科學院作物研究所/谷物品質與遺傳改良兵團重點實驗室,新疆石河子 832000)

提高小麥單產是解決糧食安全問題的措施之一,雜種優勢利用是提高小麥單產的有效途徑[1]。異交結實率是影響雜交小麥制種產量的重要因素[2],選育和利用高異交結實率不育系是提高雜交小麥制種產量最有效途徑之一[3]。小麥是嚴格自花授粉作物,天然異交率僅為1%～3%。依據父母本開花習性,確定適宜的播期和行比,實現花期最佳相遇是提高雜交小麥制種產量的關鍵。

根據雜交水稻和麥類作物異交結實研究結果,發現影響不育系異交結實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時間與異交結實密切相關,受環境影響較大[4-5]。研究表明,柱頭外露的材料接收花粉的機率可以提高25%[6];穎殼張開角度主要受基因型控制[7-8],直接影響制種產量[9]。小麥AL型雄性不育系不育胞質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,柱頭生活力強且持續時間較長[10],比同核異質的Q型不育系自然異交結實率高[11]。本課題組經過多年努力,回交轉育AL型不育系種質資源85份,在篩選強優勢組合的同時,連續3年(2014—2016年)對20份回交10代以上的穩定不育系進行了自然異交結實率的研究,異交結實率平均為41.13%,其中2016年自然異交結實率在35%以下的不育系占17.3%,異交結實率在70%以上的不育系占34.8%[12]。本研究對其中2個異交結實率差異顯著的不育系的相關異交性狀進行分析,旨在明確不育系花器發育特性和影響異交結實率的主要性狀,為提高小麥異交結實率和高產高效制種提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為回交10代以上且不育系育性穩定的小麥AL型細胞質雄性不育系36A(高異交結實率)和3235A(低異交結實率)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系09AR20-2作為供粉父本。試驗材料均由新疆農墾科學院作物研究所選育提供。

1.2 試驗設計

在新疆農墾科學院作物所試驗站連續3年(2019—2021年)進行不育系自然異交結實率測定。為保證所有不育系能夠實現飽和授粉,試驗安排在冬麥常規育種圃中,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實能力。

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?；謴拖?9AR20-2種植于其選育圃內,每行25粒。

1.3 調查性狀與方法

柱頭活力和授粉天數:不育系穗下頸剛抽出時,選旗葉鞘發育一致的麥穗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3穗,第2天重復授粉。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開花結束后,采用同期播種的晚熟恢復系09AR20-2為父本繼續授粉。從開花當日至異交結實率為0,以每日套袋異交結實率代表當日柱頭活力。開始授粉的第一天至最后一天為授粉天數。

自然異交結實率: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不同熟期育種材料提供的大量花粉實現飽和授粉;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,室內考種,計算結實率。

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,每天上午12點和下午17點觀測柱頭外露率,直至無柱頭外露發生。同時用直尺測定中部小穗兩側基部小花(3排12朵小花)的內外穎穎尖之間的距離。參試不育系的不育度、異交結實率、柱頭外露率計算公式如下:

不育度=(1-不育系套袋結實總數/每穗小穗數×2)×100%;

自然異交結實率=每穗結實粒數/(每穗小穗數×2)×100%(國際法);

柱頭外露率=每穗柱頭外露數/(每穗小穗數×2)×100%。

1.4 統計分析

采用SPSS和EXCEL統計軟件對試驗數據進行統計和相關分析。

2 結果與分析

2.1 AL型不育系異交性狀分析

本試驗條件下,3年中,2個不育系的不育度均為100%,即自交結實率均為0,表明2個不育系育性穩定。由表1可知,36A和3235A的3年平均柱頭活力、自然異交結實率分別為104.96%和76.70、113.02%和44.65%,二者間差異均達到顯著水平;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 不育系性狀的相關性分析

從表2可知,授粉天數與柱頭活力呈顯著負相關,即柱頭活力隨授粉天數的延長而降低;授粉天數與柱頭外露率和穎間距呈正相關,但相關性不顯著;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,即不育系穎間距越大,柱頭外露率越高,柱頭活力(異交結實率)越高。

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

表3 授粉天數與柱頭活力、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 授粉天數對不育系異交性狀的影響

隨授粉天數推移,柱頭活力、柱頭外露率和穎間距均呈先增后減趨勢(圖1),對其進行回歸分析,所建方程的R2值均大于0.76,即相關均顯著(P<0.05),其中柱頭活力拋物線方程的R2值大于0.93說明在本試驗條件下方程成立。36A和3235A的柱頭活力峰值分別出現在第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 授粉天數與柱頭活力(a)、柱頭外露率(b)和穎間距(c)的關系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%的出現時間分別為第6～12天和第7～12天(圖1b);穎間距>1的持續天數分別為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,內外穎漸趨閉合,不育系柱頭基本喪失了自然異交結實能力。36A的3個異交指標平均高于3235A。

3 討論

小麥屬自花授粉作物,花器結構和開花習性均對異交結實不利。但胞質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,為實現異交結實奠定了基礎。父母本的花器特性、協調狀態和栽培管理等是影響異交結實的主要因素,是雜種小麥制種不容忽視的環節[5]。

研究表明,不育系柱頭外露對提高雜交水稻制種產量具決定性作用,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,這與前人研究結果‘水稻異交結實率與柱頭外露率、開穎大小呈顯著正相關,與柱頭活力相關不顯著’不一致[4-5]?？赡芤驗樾←湹闹^外露率和穎間距相對于水稻較小,本試驗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異交結實率較高表明該不育系具有優良的異交能力,而環境對異交結實率影響也不容忽略。在本研究中,3235A的異交結實率較低,建議通過化學調控(如噴施NAA和GA3)等方式改善其異交能力[13],從而提高其制種產量。經過多年田間調查和總結,發現花后10 d左右的柱頭活力可以作為小麥AL型細胞質雄性不育系異交結實率的評價指標。如在柱頭活力峰值時期,將待測不育系的柱頭用聯苯胺過氧化氫法[14]或MTT(噻唑藍)法[15]等進行染色、觀察,可以快速確定其柱頭活力的強弱。在強優勢組合父本選配時,可根據母本不育系柱頭活力做出判斷,避免出現失誤或做大量無用工作。

有研究認為,小麥柱頭活力在開花當天[16]或花后4～8 d最強[17],本研究結果與后者基本一致(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,有些學者以柱頭羽狀散開為準,有些從盛花期開始授粉,本研究從同型保持系揚花首日開始對不育系套袋穗進行飽和授粉。一般小麥始花后2～4 d進入盛花期,因此,矯正至同一判斷標準進行授粉,與前人研究結果基本一致。結合柱頭外露率和穎間距在花后6～12 d達到最大值的特點,AL型不育系的恢復系揚花始期比不育系推遲2～3 d,這個時期小花陸續開放,柱頭活力也較強,并持續開穎,可保持較高結實率,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生花期不遇和異交結實率低等問題時常出現,母本開花遲而分散,父本早而集中,很難實現父母本同時開花,常為母早父晚[18]。測定柱頭活力可準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],調節父本花期,增強恢復系散粉能力,或噴施JA延遲閉穎后外露柱頭的活力,在有效授粉時間內完成授粉。此外,在柱頭活力較高時期內輔助授粉,可增加授粉次數以促進結實。因此,了解不育系的柱頭活力對雜交制種具有重要意義。挖掘優良不育系的異交結實潛能,配合播期調整、播量控制、行比設置等其他高產制種措施,對雜交小麥制種產量提高有較高的應用價值[20-21]。

4 結論

36A與3235A不育系間異交結實率的差異主要與柱頭活力有關;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;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,綜合表現為異交結實率高。