F型小麥雄性不育系測恢研究及雜種優勢分析

陳 林，吳 迪，白文明，李 嵩，李 敏，張向展，鄭煒君，柴守誠

(西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100)

?

F型小麥雄性不育系測恢研究及雜種優勢分析

陳 林，吳 迪，白文明，李 嵩，李 敏，張向展，鄭煒君，柴守誠

(西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100)

摘要：小麥F型雄性不育系是具有普通小麥細胞質的新型細胞質雄性不育系。本研究利用364個普通小麥品種(系)與F型雄性不育系FA雜交配制F1，測定其育性恢復性。結果表明，49個小麥品種(系)對F型不育系具有完全恢復性，其F1的自交結實率(國際法)達到甚至超過對照(黃淮冬麥區主栽品種周麥18)，這些材料可作為FA的恢復系供進一步研究利用。這一結果說明，小麥F型雄性不育系的育性較易恢復。另外，7個小麥品種(系)對不育系FA不具有恢復力，可用于轉育新不育系。從364個組合初選出15個組合，經超標雜種優勢分析，7個組合表現更優，具有不同程度的增產潛力，需進一步升級試驗、篩選鑒定。

關鍵詞：小麥；F型雄性不育系；雜交小麥；雜種優勢

雜種優勢利用是提高作物產量的重要途徑之一[1]。玉米[2]、水稻[3]、油菜[4]、棉花[5]等作物雜種優勢利用成效顯著，為雜交小麥研究與應用起到了引領作用[6-9 ]。小麥雜種優勢利用的方法主要有“二系法”[10-11]、“化學殺雄法”[12-14](簡稱化殺法)和“三系法”[15-16]，這些方法各有優缺點，難以取此舍彼，三種方法并舉較為穩妥，這也是小麥雜優利用研究目前的格局。“三系法”研究歷史最長，從T型起步，K型和V型的研究一度帶來希望，但最終都未走向大田生產，其中強優勢組合比率低、異源細胞質的負效應和恢復源窄或恢復性差是主要的限制因素，因此這些細胞質雄性不育類型的研究利用目前已很少[17-19]。小麥F型雄性不育系是山西運城市藍紅雜交小麥研究中心馮樹英研究員歷經20多年，先后選用4個普通小麥品種進行3輪雜交、2輪回交、8代姊妹交和6代測交育成的新型小麥不育系，其不育系(FA)與保持系(FB)的選育方法獲得國家發明專利，FA不育系獲得植物新品種權[20-23]。FA不育系穗大株矮，有利于雜交種選育，但高感條銹病、白粉病，株型松散，葉片寬披，急需改進。F型不育系的特殊性在于其具有普通小麥細胞質，值得進一步研究、改進和利用。

目前F型雄性不育系的研究剛步入全面發展階段，新不育系、恢復系和強優組合的選育是首當其沖的三項基本任務。本試驗以已育成的F型不育系(FA)為母本，364個普通小麥品種(系)為父本雜交，調查其F1代的自交結實率，據此篩選轉育新不育系的輪回親本和恢復系，另外對一些育性恢復好的F1組合進行了主要農藝性狀雜種優勢的初步分析，以期為后續研究提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

小麥F型雄性不育系(FA)由山西運城市藍紅雜交小麥研究中心馮樹英研究員育成并提供種子，雜交所用的364個父本材料多數為本實驗室收集保存的種質資源，少數為自育品種(系)；對照品種是黃淮冬麥區主栽品種周麥18。

1.2試驗方法

2013年10月播種雜交親本，2014年4月以F型雄性不育系(FA)為母本，364個普通小麥品種(系)為父本雜交組配F1，2014年10月3日，在西北農林科技大學楊凌試驗農場正季秋播。試驗小區人工開溝、帶尺點播，行長2 m，行距25 cm，株距10 cm。雜種F1為1行區，對照品種為4行區，不育系FA為4行區。試驗區只防蟲不防病，其他農事操作按常規進行。

1.3數據調查

2015年4月，在小麥抽穗后開花前選F1和對照品種典型植株各10穗套袋自交，不育系FA套袋10穗。開花期時以不育系和對照品種的花藥為參照，田間調查F1的花藥形態和開裂狀況，對F1的育性恢復程度進行預判。灌漿期調查所有試驗材料的自交結實率(國際法)。成熟期進行主要農藝性狀的調查并收獲考種。

自交結實率(國際法) = 穗粒數/(小穗數×2)×100%[20]

1.4統計分析

數據分析使用EXCEL2013和SAS8.0軟件。

2結果與分析

2.1花藥育性的形態學觀察

根據花藥的大小、飽滿程度和藥壁是否開裂等肉眼可見特征可初步判斷測交F1的育性[24]。如果花藥較大、飽滿、藥壁開裂、彈穗時肉眼可見花粉散出則預判為可育(圖1-A)；花藥較小、細長、藥壁不開裂，形如不育系本身的花藥(圖1-B)，則預判為不育。若兩者兼有則預判為半育，半育的程度可根據正常和不育花藥的比例再加細分。本試驗中，開花期花藥預判結果與自交結實率調查結果趨勢一致。在大量測恢試驗中根據花藥形態預判育性具有定性效果，且節省人力，值得推薦。

圖1　可育花藥和不育花藥的形態比較

2.2恢復性測定試驗結果

經差異顯著性檢驗(表1)，有49個組合的自交結實率(國際法)顯著高于對照周麥18，或者與對照的自交結實率(135.3%)差異不顯著。這些高恢復度組合中自交結實率最高達217.4%，最低為116.1%；其中極顯著高于對照的有6個組合，顯著高于對照的有5個組合，與對照無顯著差異的有38個組合。所對應的49份父本材料可作為FA的強恢復源供進一步研究利用。測恢試驗結果表明，F型小麥雄性不育系具有易恢復性。

表1　恢復性高的F1組合與對照品種周麥18

**和*分別表示與對照差異極顯著和顯著

** and * reference difference with the control significant at 0.01 and 0.05 levels,respectively

2015年調查結果顯示，不育系FA的自交結實率平均值為3.4%，在364個測交F1組合中發現有7個組合(占測定組合的1.9%)的育性低于不育系FA本身，其自交結實率介于0.5%～3.1%。其中有3個組合的F1自交結實率分別為0.5%、0.5%和0.8%，均低于1%，不育性更為徹底(表2)。上述7個組合所對應的父本材料可作為轉育新不育系的保持系進一步研究利用。

表2　自交結實率低于F型不育系的F1組合

2.3F1超標優勢分析

選取育性恢復好且無其他嚴重缺陷的15個F1，調查主要農藝性狀，以周麥18為對照進行超標優勢分析。如表3所示,有7個F1組合的單株產量超過周麥18,表現不同程度的超標優勢，其中4個組合極顯著超標。13個組合的單株有效穗數表現超標優勢。15個組合的穗粒數全部超標，這可能是因為不育系穗較大所致。所有組合的千粒重均低于對照，可能原因之一是不育系條銹病和白粉病較重,導致F1病情也較重所致。此外，10個組合的穗長呈正向超標。母本FA的株高約55 cm，15個F1的株高都具有不同程度的負向超標優勢，說明不育系FA具有較強的致矮性，這一點對雜交小麥育種有利。綜合分析，7個組合(FA×13P286、FA×13P205、FA×13P327、FA×13P6、FA×13P7、FA×13P82和FA×13P74)表現更優，具有不同程度的增產潛力，需進一步升級試驗、篩選鑒定。

3討 論

本研究測定了364個小麥品種(系)對小麥F型雄性不育系的恢復性,發現13.5%(49/364)的品種(系)對F型不育系具有完全恢復性，其F1的自交結實率達到甚至超過作為對照的黃淮冬麥區主栽品種周麥18的自交結實率。與其他幾種常見不育系相比，小麥F型雄性不育系的易恢性尤為突出。T型不育系除具有不良的細胞質效應外,恢復源狹窄是其致命弱點[25]；K型、V型不育系雖恢復源較廣,但真正恢復度高的材料并不多見，大多數F1的恢復度約60%～70%[26-28]；BNS不育系是近年來廣泛用于“兩系法”雜交優勢利用的溫敏不育系之一，一系兩用且無異源細胞質的負效應。李羅江等[29]以BNS為母本和32個品種(系)為父本配制的組合中僅有1個F1的恢復度高于100%，其余均低于75%；寧江權等[30]利用BNS配制的78個組合中僅發現3個組合的F1自交結實率高于100%；馬小飛等[31]配制了480個雜交F1組合，其中只發現3個組合的國際法結實率達到90%以上。這些研究結果表明BNS的高恢復源也比較少。由此可見，與這些常見不育系類型相比，F型不育系具有恢復源廣、恢復度高的優點。

本試驗還發現7個測交組合雜種F1不育，結實率低于不育系FA本身，可用于轉育新F型不育系。但這種保持型材料的比例明顯低于恢復型材料，F型不育系是否“易恢難保”尚待研究。另據兩年田間觀察，筆者發現不育系FA在陜西關中地區對銹病、白粉病均感病嚴重，影響雜種F1的抗病性，但我們已篩選到一些抗病的保持型和恢復型材料，這對F型不育系的改良和雜優利用有重要意義。

表3　15個較優F1的農藝性狀超標優勢

**和*分別表示與對照差異極顯著和顯著

** and * reference difference with the control significant at 0.01 and 0.05 levels,respectively

致謝：感謝山西運城市藍紅雜交小麥研究中心馮樹英研究員提供小麥F型雄性不育系(FA)種子。

參考文獻：

[1]崔國惠,倪中福,吳利民,等.小麥雜種優勢群研究Ⅴ.微衛星分子標記遺傳距離與普通小麥和斯卑爾脫小麥種間雜種優勢的關系[J].麥類作物學報,2002,22(1):5-9.

Cui G H,Ning Z F,Wu L M,etal.Study on wheat heterotic groupⅤ.relationships between microsatellite markers-based genetic distance and heterosis betweenT.aestivumandT.spelta[J].JournalofTriticeaeCrops,2002,22(1):5-9.

[2]滕文濤,曹靖生,陳彥惠,等.十年來中國玉米雜種優勢群及其模式變化的分析[J].中國農業科學,2004,37(12):1804-1811.

Ying W T,Cao J S,Chen Y H,etal.Analysis of maize heterotic groups and patterns during past ecade in China [J].ScientiaAgriculturaeSinica,2004,37(12):1804-1811.

[3]曾千春,周開達,朱 禎,等.中國水稻雜種優勢利用現狀[J].中國水稻科學,2000,14(4):243-246.

Zeng Q C,Zhou K D,Zhu Z,etal.Current status in the use of hybrid rice heterosis in China [J].ChineseJournalofRiceScience,2000,14(14):243-246.

[4]劉 靜,董振生.白菜型油菜雜種優勢利用進展[J].西北農業學報,2006,15(5):261-265.

Liu J,Dong Z S.Advances of heterosis utilization inBrassicacampestrisL.[J].ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica,2006,15(5):261-265.

[5]邢朝柱,靖深蓉,邢以華.中國棉花雜種優勢利用研究回顧和展望[J].棉花學報,2007,19(5):337-345.

Xing C Z,Jing S R,Xing Y H.Review and prospect on cotton heterosis utilization and study in china [J].CottonScience,2007,19(5):337-345.

[6]關正君,楊學舉,劉桂茹.小麥雜種優勢利用研究進展[J].河北農業科學,2002,6(4):30-34.

Guan Z J,Yang X J,Liu G R.Progresses in the study on heterosis utilization in wheat [J].JournalofHebeiAgriculturalSciences,2002,6(4):30-34.

[7]牛國陽,陳慶富.小麥雜種優勢利用的現狀與展望[J].種子,2008,27(3):44-47.

Niu G Y,Chen Q F.The present situation and prospect on utilization of wheat heterosis [J].Seed,2008,27(3):44-47.

[8]劉雄倫,何覺民.小麥雜種優勢利用途徑及其研究進展[J].湖南農業科學,2000(1):9-11.

Liu X L,He J M.Advanced on studies and applications in wheat heterosis [J].HumanAgriculturalScience,2000(1):9-11.

[9]蘭進好,張寶石,周鴻飛.作物雜種優勢遺傳基礎研究進展[J].中國農學通報,2005,21(1):114-119.

Lan J H,Zhang B S,Zhou H F.Progresses in the study on the genetic basis of heterosis in crops [J].ChineseAgricultralScienceBulletin,2005,21(1):114-123.

[10]李羅江,茹振剛,高慶榮,等.BNS小麥的雄性不育性及其溫光特性[J].中國農業科學,2009,42(9):3019-3027.

Li L J,Ru Z G,Gao Q R,etal.Male sterility and thermo-photosensitivity characteristics of BNS in wheat [J].ScientiaAgriculturaeSinica,2009,42(9):3019-3027.

[11]許育彬,康海岐.小麥光溫敏型兩系法研究進展[J].陜西農業科學,2001(9):28-29,40.

Xu Y B,Kang H Q.The reserch progress of wheat photo-thermo-sensitive male sterile two-line [J].ShannxiJournalofAgriculturalSciences,2001(9):28-29,40.

[12]王永軍,張改生,王軍衛,等.小麥遺傳型與生理型雄性不育花藥同工酶的比較研究[J].麥類作物學報,2005,25(4):44-49.

Wang Y J,ZhangG S,Wang J W,etal.Comparative study on anther isoenzymes of sterility induced by physiology and heredity type in wheat [J].JournalofTriticeaeCrops,2005,25(4):44-49.

[13]鄭愛泉.化學雜交劑誘導小麥雄性不育研究進展[J].貴州農業科學,2014,42(8):17-22.

Zheng A Q.Advances in male sterile induced by chemical hybridizing agent on wheat [J].GuizhouAgriculturalSciences,2014,42(8):17-22.

[14]李海林,徐慶國.小麥化學殺雄雜種優勢利用研究與展望[J].作物研究,2003,17(4):208-212.

Li H L,Xu G Q.Advances and prospects of utilization in wheat heterosis by chemically induced male sterility [J].CropResearch,2003,17(4):208-212.

[15]柴守誠,員海燕,王海燕,等.普通小麥1BL-1RS K、V型雄性不育體系育性恢復的研究[J].西北植物學報,1999,19(4):654-658.

Chai S C,Yuan H Y,Wang H Y,etal.A Study on fertility-restoration of CMS systems withAegilopskotschyiorAe.varibiliscytoplasm and 1BL-1RS chromosome in common wheat [J].ActaBotanyBoreal-OccidentSinca,1999,19(4):654-658.

[16]高慶榮,劉保申,孫蘭珍,等.K、V、A型雜種小麥細胞質效應的比較研究[J].麥類作物學報,1998,18(4):1-3.

Gao Q R,Liu B S,Sun L Z,etal.The comparative study on cytoplasmic effect of K,V,A-cytoplasmic hybrid wheat [J].JournalofTriticalCrops,1998,18(4):1-3.

[17]關榮霞,劉冬成,張愛民.小麥T型雄性不育恢復基因的遺傳分析及RAPD標記[J].農業生物技術學報,2001,9(2):159-162.

Guan R X,Liu D C,Zhang A M.Genetic analysis and identification of RAPD markers of fertility restorer gene Rf6 for theT.timopheeviicytoplastmic male sterility of wheat [J].JournalofAgriculturalBiotechnology,2001,9(2):159-162.

[18]劉保申,孫蘭珍,高慶榮,等.K型小麥細胞質雄性不育系育性恢復性的遺傳研究[J].山東農業大學學報(自然科學版),2000,31(1):14-17.

Liu B S,Sun L Z,Gao Q R,etal.Genetic analysis of male-sterility restoration in wheat withAe.kotschyicytoplasm [J].JournalofShandongAgriculturalUniversity:NaturalScience,2000,31(1):14-17.

[19]何蓓如,寧毓華,劉曙東,等.1B/1R類型的K型小麥雄性不育體系初步研究[J].西北農業大學學報,1987,15(3):107-109.

He B R,Ning L H,Liu S D,etal.A Preliminary studies on the male sterile system of 1B/1R wheat varieties withAe.kotschyicytoplasm [J].ActaUniversitySeptentrionaliOccidentAgriculturae,1987,15(3):107-109.

[20]趙 卜,張向展,鄭煒君,等.F型小麥雄性不育系小孢子發育的細胞學觀察[J].麥類作物學報,2015,35(7):918-925.

Zhao B,Zhang X Z,Zheng W J,etal.Cytological observation on maiosis and development of microspores in F-type male sterile wheat Line [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(7):918-925.

[21]程寶盈.F型小麥雄性不育系通過農業部審定[J].北京農業,2011(2):51.

Cheng B Y.F type wheat male sterile line through cultivar assessment of the Ministry of Agriculture [J].BeijingAgriculture,2011(2):51.

[22]馮樹英,馮 姍.小麥雄性不育系和保持系的選育方法[P].山西:CN101322473,2008-12-17.

Feng S Y,Feng S.The breeding method of wheat male sterile line and maintainer line [P].Shanxi:CN101322473,2008-12-17.

[23]馮樹英,馮 姍.一種培育新型小麥雄性不育系和保持系的方法[P].山西:CN1806518,2006-07-26.

Feng S Y,Feng S.A new breeding method of wheat male sterile line and maintainer line [P].Shanxi:CN1806518,2006-07-26.

[24]孫蘭珍,高慶榮,崔德才,等.新型小麥雄性不育系-K、V型初步研究[J].山東農業大學學報(自然科學版),1992,23(1):1-8.

Sun L Z,Gao Q R,Cui D C,etal.A preliminary study on the new male sterile lines of wheatAe.kotschyiandAe.ventricosacytoplasm [J].JournalofShandongAgriculturalUniversity,1992,23(1):1-8.

[25]趙寅槐.普通小麥T型細胞質雄性不育的恢復問題[J].北京農業大學學報,1985,11(4):106-117.

Zhao Y H.Interrelationship among male sterile line,maintainer and restrorer as view from fertility of F1withT.timopheeviicytoplasm in common wheat [J].ActaAgricultureUniveritatisPekingnsis,1985,11(4):106-117.

[26]范 濂,武耀廷,呂德彬,等.小麥K型雄性不育育性恢復性能的研究[J].河南農業大學學報,1998,32(3):11-14.

Fan L,Wu Y T,Lü D B,etal.Study on the fertility restoration of male sterility in wheat withAe.Kotschyicytoplasm [J].JournalofHenanAgriculturalUniversity,1998,32(3):212-215.

[27]詹克慧,程 靜,崔黨群,等.小麥K型不育系育性恢復基因的遺傳分析[J].作物學報,2006,32(6):873-877.

Zhan K H,Cheng J,Cui D Q,etal.Genetic analysis of fertility restoring genes for male sterile line withAe.kostchyicytoplasm in wheat [TriticumAestivum(L.) Thell.] [J].ActaAgronomicaSinica,2006,32(6):873-877.

[28]于天峰.V型小麥雄性不育育性恢復與保持的研究[J].黑龍江農業科學,1999(3):1-3.

Yu T F.Study on the restoration and maintenance of fertility for V-type wheat male sterility [J].HeilongjiangAgriculturalScience,1999(3):1-3.

[29]李羅江,茹振剛,高慶榮,等.小麥雄性不育系BNS及其雜種F1的育性分析[J].麥類作物學報,2009,29(4):583-587.

Li L J,Ru Z G,Gao Q R,etal.Analysis on the fertility of wheat male-sterile line BNS and its F1hybrids [J].JournalofTriticeaeCrops,2009,29(4):583-587.

[30]寧江權,茹振剛,鄭煒君,等.BNS小麥雄性不育性表現及其恢復性的研究[J].麥類作物學報,2011,31(4):642-647.

Ning J Q,Ru Z G,Zheng W J,etal.Male sterility and restoration of thermo-photo-sensitive male sterile line BNS of common wheat (TriticumAestivumL.) [J].JournalofTriticeaeCrops,2011,31(4):642-647.

[31]馬小飛,王震,李雪垠,等.小麥溫光敏雄性不育系BNS育性恢復性測定及雜種優勢[J].西北農業學報,2013,22(7):90-94.

Ma X F,Wang Z,Li X Y,etal.Restoring ability test and heterosis analysis of wheat thermo-photo-sensitive genic male sterile line BNS [J].ActaAgriculturaeBoreali-occidentalisSinica,2013,22(7):90-94.

Fertility Restoration of F-type Wheat Male Sterile Line and Heterosis of Its Hybrids

CHEN Lin,WU Di,BAI Wenming,LI Song,LI Min,ZHANG Xiangzhan,ZHENG Weijun,CHAI Shoucheng

(College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Abstract:F-type wheat male sterile line is unique with cytoplasm of common wheat. It is the primary task for using F-type male sterile line in production of hybrid wheat to breed more restoring lines,male sterile lines and hybridized combination with strong heterosis. In this study,364 wheat varieties (or lines) were crossed with F-type wheat male sterile line to make F1 hybrids. The fertility of F1 hybrids was investigated then. The results showed that 49 wheat varieties (or lines) of 364 could completely restore the fertility of F-type wheat male sterile line as the self-fertilized setting percentage of their F1 reached or even higher than that of control variety Zhoumai 18,a major cultivar in Huang-Huai winter wheat region. Thus,these 49 wheat varieties (or lines) could be used as the restoring lines for further study. This result also indicated that the fertility of F-type wheat male sterile line could be restored more easily. While seven wheat varieties (or lines) could not restore the fertility of F-type wheat male sterile line at all and could be used to breed new male sterile lines. Based on main agronomic traits,the heterosis of top 15 F1 hybrids over the control variety Zhoumai 18 were tested. Of which seven hybrids showed higher yield potential and will be tested further.

Key words:Wheat; F-type male sterile line; Hybrid wheat; Heterosis

中圖分類號：S512.1；S330

文獻標識碼：A

文章編號：1009-1041(2016)04-0420-06

通訊作者：柴守誠(E-mail: chaishoucheng@126.com)；鄭煒君(E-mail: zhengweijun@nwsuaf.edu.cn)

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2013BAD04B02)；陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2014KTZB02-01-01)

收稿日期：2015-12-08修回日期：2015-12-28

網絡出版時間：2016-04-01

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160401.1529.010.html

第一作者E-mail：chenlhany@163.com