2个小麦AL型细胞质雄性不育系的异交特性分析

时间：2024-05-24

崔凤娟,聂迎彬,徐红军,孔德真,穆培源,田笑明

(新疆农垦科学院作物研究所/谷物品质与遗传改良兵团重点实验室,新疆石河子 832000)

提高小麦单产是解决粮食安全问题的措施之一,杂种优势利用是提高小麦单产的有效途径[1]。异交结实率是影响杂交小麦制种产量的重要因素[2],选育和利用高异交结实率不育系是提高杂交小麦制种产量最有效途径之一[3]。小麦是严格自花授粉作物,天然异交率仅为1%～3%。依据父母本开花习性,确定适宜的播期和行比,实现花期最佳相遇是提高杂交小麦制种产量的关键。

根据杂交水稻和麦类作物异交结实研究结果,发现影响不育系异交结实率的性状包括母本柱头活力、柱头外露率和开颖角度等;母本柱头活力与持续时间与异交结实密切相关,受环境影响较大[4-5]。研究表明,柱头外露的材料接收花粉的机率可以提高25%[6];颖壳张开角度主要受基因型控制[7-8],直接影响制种产量[9]。小麦AL型雄性不育系不育胞质来自普通小麦品种辉县红,颖壳有一定开张角度,柱头部分外露,柱头生活力强且持续时间较长[10],比同核异质的Q型不育系自然异交结实率高[11]。本课题组经过多年努力,回交转育AL型不育系种质资源85份,在筛选强优势组合的同时,连续3年(2014—2016年)对20份回交10代以上的稳定不育系进行了自然异交结实率的研究,异交结实率平均为41.13%,其中2016年自然异交结实率在35%以下的不育系占17.3%,异交结实率在70%以上的不育系占34.8%[12]。本研究对其中2个异交结实率差异显著的不育系的相关异交性状进行分析,旨在明确不育系花器发育特性和影响异交结实率的主要性状,为提高小麦异交结实率和高产高效制种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料为回交10代以上且不育系育性稳定的小麦AL型细胞质雄性不育系36A(高异交结实率)和3235A(低异交结实率)及其同型保持系各1份。2个不育系的轮回亲本分别为新冬36号和3235,二者抽穗期相同,遗传背景不同。用同型保持系和晚熟恢复系09AR20-2作为供粉父本。试验材料均由新疆农垦科学院作物研究所选育提供。

1.2 试验设计

在新疆农垦科学院作物所试验站连续3年(2019—2021年)进行不育系自然异交结实率测定。为保证所有不育系能够实现饱和授粉,试验安排在冬麦常规育种圃中,不同熟期的育种材料可提供大量花粉,以充分反映参试不育系的自然异交结实能力。

供试不育系和其同型保持系按1∶1行比顺序种植,行长1.5 m,行距0.25 m,每行15粒。恢复系09AR20-2种植于其选育圃内,每行25粒。

1.3 调查性状与方法

柱头活力和授粉天数:不育系穗下颈刚抽出时,选旗叶鞘发育一致的麦穗45～60穗,剪去颖芒,套袋、挂牌(2019年45穗,2020—2021年60穗),以同型保持系麦穗中部小花扬花为开花日,用同型保持系为父本给套袋穗1对1人工授粉,重复3穗,第2天重复授粉。按此方法逐日人工饱和授粉至第15～20天(2019年15 d,2020和2021年20 d)。同型保持系新冬36号和3235开花结束后,采用同期播种的晚熟恢复系09AR20-2为父本继续授粉。从开花当日至异交结实率为0,以每日套袋异交结实率代表当日柱头活力。开始授粉的第一天至最后一天为授粉天数。

自然异交结实率:抽穗后,参试不育系选取整齐一致的10个单株主茎穗挂牌,接受相间种植的同型保持系和育种圃内不同熟期育种材料提供的大量花粉实现饱和授粉;对挂牌单株上1个健壮分蘖穗套袋自交,用于鉴定不育系育性的稳定性。成熟期,收获挂牌单株上的自然授粉主茎穗和套袋自交穗,室内考种,计算结实率。

柱头外露率和颖间距:自授粉之日起,选取参试不育系整齐一致的10穗,3次重复,每天上午12点和下午17点观测柱头外露率,直至无柱头外露发生。同时用直尺测定中部小穗两侧基部小花(3排12朵小花)的内外颖颖尖之间的距离。参试不育系的不育度、异交结实率、柱头外露率计算公式如下:

不育度=(1-不育系套袋结实总数/每穗小穗数×2)×100%;

自然异交结实率=每穗结实粒数/(每穗小穗数×2)×100%(国际法);

柱头外露率=每穗柱头外露数/(每穗小穗数×2)×100%。

1.4 统计分析

采用SPSS和EXCEL统计软件对试验数据进行统计和相关分析。

2 结果与分析

2.1 AL型不育系异交性状分析

本试验条件下,3年中,2个不育系的不育度均为100%,即自交结实率均为0,表明2个不育系育性稳定。由表1可知,36A和3235A的3年平均柱头活力、自然异交结实率分别为104.96%和76.70、113.02%和44.65%,二者间差异均达到显著水平;36A与3235A间的柱头外露率和颖间距差异不显著。

表1 4个异交性状的方差分析Table 1 ANOVA of the four outcrossing traits in the two AL-lines

2.2 不育系性状的相关性分析

从表2可知,授粉天数与柱头活力呈显著负相关,即柱头活力随授粉天数的延长而降低;授粉天数与柱头外露率和颖间距呈正相关,但相关性不显著;柱头活力与柱头外露率和颖间距、柱头外露率与颖间距均呈显著正相关,即不育系颖间距越大,柱头外露率越高,柱头活力(异交结实率)越高。

表2 4个异交性状的相关分析Table 2 Correlation coefficients of the four outcrossing traits in the two AL-lines

表3 授粉天数与柱头活力、柱头外露率和颖间距的抛物线方程Table 3 Parabolic equation between pollination days and the other three traits

2.3 授粉天数对不育系异交性状的影响

随授粉天数推移,柱头活力、柱头外露率和颖间距均呈先增后减趋势(图1),对其进行回归分析,所建方程的R2值均大于0.76,即相关均显著(P<0.05),其中柱头活力抛物线方程的R2值大于0.93说明在本试验条件下方程成立。36A和3235A的柱头活力峰值分别出现在第10天(152.5%)和第6天(127.7%),36A比3235A推迟4 d(图1a);柱头外露率峰值分别出现在第7天(21.2%)和第9天(18.26%),36A比3235A早3 d(图1b);颖间距峰值分别出现在第6天(1.5)和第8天(1.1),36A比3235A早2 d(图1c)。

图1 授粉天数与柱头活力(a)、柱头外露率(b)和颖间距(c)的关系Fig.1 Relationship between pollination days with the other three traits

36A和3235A柱头活力大于100%的出现时间分别为授粉第4～10天和第4～8天,此后柱头活力分别以每天22.29%和15.94%的速率下降(图1a);柱头外露率>10%的出现时间分别为第6～12天和第7～12天(图1b);颖间距>1的持续天数分别为7 d(第6～12天)和1 d(第8天)(图1c)。授粉后第15天,柱头活力降到20%以下,柱头外露率和颖间距均接近于0,内外颖渐趋闭合,不育系柱头基本丧失了自然异交结实能力。36A的3个异交指标平均高于3235A。

3 讨论

小麦属自花授粉作物,花器结构和开花习性均对异交结实不利。但胞质雄性不育类型的小麦具有花期颖壳开张时间长、柱头外露等特点,为实现异交结实奠定了基础。父母本的花器特性、协调状态和栽培管理等是影响异交结实的主要因素,是杂种小麦制种不容忽视的环节[5]。

研究表明,不育系柱头外露对提高杂交水稻制种产量具决定性作用,柱头外露率和颖间距是影响其异交性状的重要因素。本研究中,2个小麦AL型雄性不育系的柱头活力差异极显著,推测柱头活力受基因型控制,这与前人研究结果‘水稻异交结实率与柱头外露率、开颖大小呈显著正相关,与柱头活力相关不显著’不一致[4-5]。可能因为小麦的柱头外露率和颖间距相对于水稻较小,本试验中小麦不育系的柱头外露率在10%以下,颖间距不足1(表1)。36A异交结实率较高表明该不育系具有优良的异交能力,而环境对异交结实率影响也不容忽略。在本研究中,3235A的异交结实率较低,建议通过化学调控(如喷施NAA和GA3)等方式改善其异交能力[13],从而提高其制种产量。经过多年田间调查和总结,发现花后10 d左右的柱头活力可以作为小麦AL型细胞质雄性不育系异交结实率的评价指标。如在柱头活力峰值时期,将待测不育系的柱头用联苯胺过氧化氢法[14]或MTT(噻唑蓝)法[15]等进行染色、观察,可以快速确定其柱头活力的强弱。在强优势组合父本选配时,可根据母本不育系柱头活力做出判断,避免出现失误或做大量无用工作。

有研究认为,小麦柱头活力在开花当天[16]或花后4～8 d最强[17],本研究结果与后者基本一致(花后4～11 d)。原因除供试材料不同外,可能与确定套袋授粉起始日期有关,有些学者以柱头羽状散开为准,有些从盛花期开始授粉,本研究从同型保持系扬花首日开始对不育系套袋穗进行饱和授粉。一般小麦始花后2～4 d进入盛花期,因此,矫正至同一判断标准进行授粉,与前人研究结果基本一致。结合柱头外露率和颖间距在花后6～12 d达到最大值的特点,AL型不育系的恢复系扬花始期比不育系推迟2～3 d,这个时期小花陆续开放,柱头活力也较强,并持续开颖,可保持较高结实率,为最佳授粉时间。

在小麦杂交制种中,因父母本抽穗时间不适宜而产生花期不遇和异交结实率低等问题时常出现,母本开花迟而分散,父本早而集中,很难实现父母本同时开花,常为母早父晚[18]。测定柱头活力可准确把握不育系的有效授粉时间段,即使花期不遇或有恶劣天气,仍可通过适时适量喷施GA3使抽穗期提前[19],调节父本花期,增强恢复系散粉能力,或喷施JA延迟闭颖后外露柱头的活力,在有效授粉时间内完成授粉。此外,在柱头活力较高时期内辅助授粉,可增加授粉次数以促进结实。因此,了解不育系的柱头活力对杂交制种具有重要意义。挖掘优良不育系的异交结实潜能,配合播期调整、播量控制、行比设置等其他高产制种措施,对杂交小麦制种产量提高有较高的应用价值[20-21]。