苑少華,段文靜,白建芳,秦夢穎，2,王 娜,馬錦繡,趙昌平,章文杰,張風(fēng)廷, 張立平

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥工程技術(shù)研究中心/雜交小麥分子遺傳北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097； 2.北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 102206)

小麥?zhǔn)侨澜绶N植最廣泛的糧食作物之一，對(duì)人類的生存和發(fā)展具有非常關(guān)鍵的作用。雜交水稻[1]、玉米[2]、高粱[3]和大豆[4]的成功應(yīng)用，為世界的糧食生產(chǎn)做出了巨大的貢獻(xiàn)，表明雜種優(yōu)勢是提高糧食產(chǎn)量的重要途徑之一[5]。故培育雜交小麥，發(fā)揮其增產(chǎn)、抗逆和適應(yīng)性廣等雜種優(yōu)勢，是保障糧食生產(chǎn)的重要選擇[6]。

目前，小麥雜種優(yōu)勢利用主要集中于三系法(核質(zhì)互作雄性不育系)、化殺法(化學(xué)殺雄劑誘導(dǎo)雄性不育系)和兩系法(光溫敏雄性不育系)[7]三種途徑。前期以三系法和化殺法為主要技術(shù)方法，但三系法在制種過程中，不育系不夠穩(wěn)定、高恢復(fù)性品種較少和制種產(chǎn)量低，化殺法存在化學(xué)污染等問題[8-10]。2000年后我國原創(chuàng)的二系法雜交小麥應(yīng)用技術(shù)體系得到了快速發(fā)展，奠定了我國在國際雜交小麥研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。目前我國關(guān)于BS系列、ES系列和C49S系列的小麥光溫敏二系不育系遺傳、基因定位及相關(guān)基因克隆的研究報(bào)道較多[11-12]。F型三系不育系材料是山西省運(yùn)城藍(lán)紅雜交小麥研究中心選育的新型普通小麥細(xì)胞質(zhì)雄性不育系，也是我國新發(fā)現(xiàn)的不育源。該不育系是采用六倍體普通小麥品種間雜交選育而成，將分散的多類型不育基因通過基因重組聚合到一個(gè)材料，具有普通小麥細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，有較好的不育性和恢復(fù)性。

目前對(duì)FA的研究還處于起步階段[13]，恢復(fù)系篩選和強(qiáng)優(yōu)組合的選育成為其發(fā)展的關(guān)鍵問題。利用FA與不同小麥進(jìn)行組配，篩選適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)的強(qiáng)優(yōu)勢雜交種，成為提高其利用價(jià)值的重要環(huán)節(jié)之一[14]。

本研究通過比較FA及其雜交組合在北京與河南南陽兩個(gè)生態(tài)區(qū)的育性及恢復(fù)性表現(xiàn)，篩選高恢復(fù)組合，以期為進(jìn)一步利用FA，豐富雜交小麥技術(shù)途徑提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

F型小麥雄性不育系(FA)種子由山西省運(yùn)城市藍(lán)紅雜交小麥研究中心提供，雜交組合中所用的116個(gè)父本材料由北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心提供；育性調(diào)查試驗(yàn)中，在河南南陽和北京分別選取常規(guī)品種豫麥34和京冬8號(hào)為常規(guī)對(duì)照，選取光溫敏核雄性不育系BS366為不育系對(duì)照材料，其在北京表現(xiàn)可育，在河南南陽表現(xiàn)高度不育。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 花粉粒育性調(diào)察

于2015年10月將供試材料種植于河南南陽和北京兩個(gè)生態(tài)區(qū)，待小麥幼穗花粉母細(xì)胞發(fā)育到二核期后期或三核期，取FA及其對(duì)照材料的花粉用1%的I2-KI溶液染色，觀察花粉發(fā)育情況，鏡檢的花粉粒按染色情況分為正?；ǚ哿?圓形，且花粉粒染色充實(shí)，為深藍(lán)色或黑色)和敗育花粉粒(圓形或皺癟，花粉粒染色不充實(shí)，為淺藍(lán)、棕黃或未染色)。每個(gè)材料取2～3個(gè)小穗，每個(gè)小穗取3～5個(gè)視野進(jìn)行鏡檢。統(tǒng)計(jì)FA、BS366、京冬8號(hào)及豫麥34的花粉碘染率，分析FA的花粉育性特征?；ǚ鄣馊韭?(正?；ǚ哿?shù)/花粉?？倲?shù))×100% 。

1.2.2 田間性狀調(diào)查

2016年4月以FA不同株系為母本，與116個(gè)父本材料進(jìn)行雜交，2016年9月下旬和10月中旬分別將雜交收獲的F0代種子種植于北京(N 39°54′,E 116°18′)和河南南陽(N 33°00′，E 112°52′)兩個(gè)生態(tài)區(qū)，設(shè)置2次重復(fù)。2017年4-6月對(duì)2個(gè)生態(tài)區(qū)的親本和F1代進(jìn)行相關(guān)特性參數(shù)(單株穗數(shù)和穗部性狀等)的調(diào)查分析。

國際法結(jié)實(shí)率=穗粒數(shù)/(2×總小穗數(shù))×100%，簡稱結(jié)實(shí)率

結(jié)實(shí)小穗率=(結(jié)實(shí)小穗數(shù)/總小穗數(shù))×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 F型不育系的花粉育性

通過對(duì)FA不同生態(tài)環(huán)境下花粉育性觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A在南陽的花粉粒皺縮、空癟，花粉內(nèi)含物少，超過半數(shù)的花粉粒染色為黃色，為染敗和典敗類型；FA在北京的花粉粒較飽滿，以染敗類型為主；北京和南陽兩地的黑染率分別為44%和12%。不育系對(duì)照BS366在北京和南陽的黑染率分別為65%和34%，花粉敗育特征與FA類似。常規(guī)對(duì)照品種京冬8號(hào)和豫麥34在北京和南陽兩地的花粉量均大，花粉粒均飽滿，黑染率均為99%(圖1)。

2.2 F型不育系的恢復(fù)性

從表1可以看出，F(xiàn)A在北京的恢復(fù)性顯著高于南陽。在北京，116個(gè)雜交組合F1代結(jié)實(shí)率大于90%的高恢復(fù)性組合有72個(gè)，占比62.07%。在南陽，結(jié)實(shí)率大于90%的高恢復(fù)性組合有25個(gè)，占比21.55%。以北京和南陽結(jié)實(shí)率均大于90%為標(biāo)準(zhǔn)，初步篩選出22個(gè)高恢復(fù)性組合(表2)，占比18.97%；同時(shí)，這些組合在北京的結(jié)實(shí)小穗率為66.38%～98.16%，在南陽的結(jié)實(shí)小穗率為76.24%～98.50%，初步說明FA具有較好的恢復(fù)性。

圖1 常規(guī)對(duì)照品種京冬8號(hào)、豫麥34、光溫敏雄性不育系BS366以及FA在北京和南陽的花藥碘染結(jié)果Fig.1 Results of iodine staining in anthers of FA and the conventional varieties of Jingdong 8,Yumai 34, photo-thermosensitive genic male sterile line BS366 in Beijing and Nanyang

通過比較FA及其雜交組合在兩地的結(jié)實(shí)率發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A在南陽的結(jié)實(shí)率低于1%，在北京育性有所提高，結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率分別為12.38%和16.92%。此外，發(fā)現(xiàn)12個(gè)雜交組合在南陽的結(jié)實(shí)率低于5%(表3)，其中5個(gè)組合的結(jié)實(shí)率為0，分別是FA/Croatia RFNATA、FA/PI 601205、FA/川麥52、FA/PI 599988和FA/云麥59，且這12個(gè)組合在北京的結(jié)實(shí)率要顯著高于南陽，說明FA及部分雜交組合尤其是低恢復(fù)性組合的育性具有明顯的環(huán)境誘導(dǎo)效應(yīng)。

表1 116個(gè)雜交組合F1代自交結(jié)實(shí)率(國際法)的分布Table 1 Distribution of selfing seed setting rate in F1 of 116 cross combinations

表2 自交結(jié)實(shí)率在北京和南陽都大于90%的22個(gè)組合及其F1代的自交結(jié)實(shí)率Table 2 22 FA combinations with selfing seed setting rate over 90% in both Beijing and Nanyang

2.3 FA與BS366恢復(fù)性比較

將FA、BS366分別與20個(gè)相同父本配制雜交組合，并分別種植于北京和南陽，對(duì)其F1代進(jìn)行結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率的比較分析。單因素方差分析結(jié)果(表4)表明，在北京環(huán)境下，有17個(gè)FA雜交組合的結(jié)實(shí)率與具有相同父本間的BS366雜交組合差異顯著或極顯著，有11個(gè)FA雜交組合的結(jié)實(shí)小穗率與具有相同父本間的BS366雜交組合差異顯著或極顯著；在南陽環(huán)境下，分別有15個(gè)FA雜交組合的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率與具有相同父本間的BS366雜交組合差異顯著或極顯著?？梢姡诒本┉h(huán)境下，只有3個(gè)具有相同父本的FA和BS366雜交組合的恢復(fù)度相近，僅占20個(gè)組合的15%；在南陽環(huán)境下，只有5個(gè)具有相同父本的FA和BS366雜交組合的恢復(fù)度相近，僅占20個(gè)組合的25%。這些結(jié)果初步說明BS366和FA的恢復(fù)源不完全一致，其不育及育性恢復(fù)機(jī)制存在一定差異。

表3 FA和BS366與低恢復(fù)性的F1組合的育性Table 3 Investigation of fertility of BS366,FA and lower F1 hybrids

表4 FA及BS366與相同父本雜交的F1代在北京與南陽的自交結(jié)實(shí)率Table 4 Self-seed setting rate of F1 hybrids of FA and BS366 with same male parent in Beijing and Nanyang

*和**分別表示FA雜交組合與具有相同父本的BS366雜交組合的數(shù)據(jù)間具有顯著性(P<0.05)和極顯著性(P<0.01)差異。

* and **represent significant difference between the F1hybrids of FA and BS366 with same male parent at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 討 論

FA是新發(fā)現(xiàn)的一種三系不育系，研究人員相繼對(duì)它開展了不育系的恢保關(guān)系、細(xì)胞學(xué)及雜種優(yōu)勢等研究[15]。目前對(duì)它的研究仍處于初級(jí)階段，其不育機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。小麥花粉粒發(fā)生敗育的時(shí)期主要有減數(shù)分裂期、單核期、二核期和三核期，發(fā)生敗育時(shí)期越早不育率越高，雄性不育越徹底；對(duì)于不同的雄性不育材料，花粉敗育的時(shí)期和原因也不盡相同[16-17]。孟榮華等[18]發(fā)現(xiàn)粗厚山羊草異質(zhì)系的敗育花藥中，很大一部分花藥在形成初期無法形成完整的花藥結(jié)構(gòu)，而一部分花藥的花粉育性正常卻在開花期封閉不開裂，使得花粉失去功能，還存在雄蕊趨雌發(fā)育的異常現(xiàn)象。趙卜等[16]研究發(fā)現(xiàn)F型小麥雄性不育系在減數(shù)分裂階段的花粉母細(xì)胞發(fā)育完全，在二核期卻突然出現(xiàn)生殖核消失現(xiàn)象，隨后營養(yǎng)核也慢慢消解，造成無核小孢子占比升高，且花粉敗育也主要表現(xiàn)為染敗，具有不育徹底、穩(wěn)定的特性。本研究中FA花粉粒在北京與南陽兩地都表現(xiàn)為皺縮、空癟，花粉內(nèi)含物少等特征，與前人研究結(jié)果類似，本研究通過不同生態(tài)區(qū)鑒定發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A在南陽的敗育率顯著高于北京。

小麥雄性不育系、保持系和恢復(fù)系是三系雜交小麥育種的基礎(chǔ)，但早期包含外源細(xì)胞質(zhì)的CMS型不育系因恢復(fù)度低等特點(diǎn)限制了大規(guī)模的應(yīng)用與生產(chǎn)[19]，所以小麥雄性不育系恢復(fù)源的篩選成為雜交小麥利用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)T型小麥不育系恢復(fù)源狹窄[20]，選育大量恢復(fù)力高且穩(wěn)定的恢復(fù)系比較難，K型和V型小麥不育系恢復(fù)源廣，但兩者恢復(fù)度均不高，F(xiàn)1恢復(fù)度大多數(shù)表現(xiàn)為60%～70%[21-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A在北京大于90%的高恢復(fù)性組合比例達(dá)62.07%，在南陽的高恢復(fù)性組合比例達(dá)21.55%，在北京和南陽都表現(xiàn)為高恢復(fù)性組合有22個(gè)，占比18.97%?？梢姡cK型、V型和T型等不育系相比，F(xiàn)A的恢復(fù)源廣，恢復(fù)性較高，是較優(yōu)良的不育系，同時(shí)本研究獲得的高恢復(fù)性組合為強(qiáng)優(yōu)勢雜交種選育及恢復(fù)系改良提供了參考。

小麥BS366是一種典型的光溫敏核雄性不育系，表現(xiàn)為在北京的種植條件下可育，在南陽的種植條件下花藥不開裂，花粉不育，為二系法中常用的不育系。本研究通過比較FA及其雜交組合在北京和南陽的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率，發(fā)現(xiàn)FA和部分低育性雜交組合在北京結(jié)實(shí)率要顯著高于在南陽的結(jié)實(shí)率，初步推測FA及部分FA雜交組合尤其是低恢復(fù)性雜交組合，其育性存在一定程度的環(huán)境誘導(dǎo)效應(yīng)，但FA的環(huán)境誘導(dǎo)效應(yīng)弱于BS366。同時(shí)，本研究分析了FA和BS366相同父本雜交組合的結(jié)實(shí)率，發(fā)現(xiàn)兩者相同恢復(fù)性組合所占比例較小，初步推測FA與BS366恢復(fù)源存在一定差異。由于本研究的材料樣本數(shù)較小，還需進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)材料，通過多年多生態(tài)區(qū)種植來評(píng)價(jià)FA與其他類型不育系在育性和恢復(fù)性等性狀的差異特性及其利用價(jià)值。

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