一種普通小麥細胞質雄性不育系的鑒定及恢保關系研究

柴軍琳，孫陽陽，賈小平，姚俊衛，王黎明，董普輝

(河南科技大學農學院，河南洛陽 471003)

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一種普通小麥細胞質雄性不育系的鑒定及恢保關系研究

柴軍琳，孫陽陽，賈小平，姚俊衛，王黎明，董普輝

(河南科技大學農學院，河南洛陽 471003)

07(131)A是從普通小麥高代優良品系07(131)中發現的自然突變雄性不育材料。為了解其在生產上的應用潛力，對其雄性敗育特點、不育類型和恢保關系進行了研究。結果表明，07(131)A開花期花藥干癟、不外露、不開裂，花粉粒I2-KI染色表現為染敗，帶有少量可育花粉。育性正常的07(131)與07(131)A原始不育株雜交，F1表現為不育，再以07(131)單株成對回交，后代還可保持高度不育，表明07(131)A屬細胞質雄性不育突變體。對07(131)A與52份不同來源普通小麥品種(系)配制的測交F1組合進行育性調查，篩選出保持高不育的材料4份；保持半不育的材料15份；具有恢復能力的材料33份，其中，高恢復材料30份，完全恢復材料3份。說明在普通小麥品種(系)中存在著07(131)A的保持系和廣泛的恢復源。07(131)A在小麥“三系法”雜交育種上具有一定的應用前景。

普通小麥；細胞質雄性不育；育性鑒定；恢保關系

植物細胞質雄性不育(Cytoplasmic male sterility, CMS)是高等植物中普遍存在的一種現象，常表現為由雄蕊退化、花粉敗育或功能不全等引起的雄蕊不能正常授粉而雌蕊功能正常，其產生為雜種優勢利用及高等植物細胞質遺傳研究提供了理想材料。與已取得良好經濟效益和社會效益的雜交水稻、雜交玉米優勢研究一樣，小麥雜種優勢利用研究也將是國內外有效提高小麥產量、改善品質和增強抗性的主要途徑[1-2]。

自20世紀50年代以來，遺傳育種學家對小麥CMS進行了大量研究，1962年Wilson和Ross育成T型不育系并首次實現了三系配套[3-5]。隨后，科研人員在小麥CMS新資源方面不斷開拓，在改良T型不育系的同時，又培育出了K型、V型、Q型、黔型、D2型等一批新型異源細胞質雄性不育系[1, 5]。目前，在小麥CMS方面雖然發現了多種不育類型，但很少能被廣泛推廣應用，主要原因是多數不育類型完全恢復較難，雜種優勢不明顯。就小麥CMS的利用而言，能否有恢復力強的恢復系是關系到廣泛應用的關鍵。因此，育種工作者在通過多種途徑研究CMS作用機理的同時，也在尋找新的恢復源和保持源[6-10]。有些學者認為利用普通小麥變種或品種之間胞質上的某些差異，如果育成具有普通小麥細胞質的CMS，就可能在普通小麥中找到較多的恢復系。基于這種思路，科研人員采用各種方法先后育成了P型[11-12]、AL型[13]、85EA[14]、F型[15]等普通小麥細胞質不育系。

本課題組在普通小麥高代優良品系07(131)中發現了一個自然突變的雄性不育材料，且初步推斷為CMS，本研究擬對其雄性敗育特點、不育類型和恢保關系進行研究，以期為在小麥“三系法”雜交育種上的利用提供參考。

1　材料與方法

試驗于2013-2015年在河南科技大學周山試驗田進行，管理同大田。

1.1供試材料

2013年4月本課題組在自選普通小麥高代優良品系07(131)中發現1株自然突變的雄性不育株，穗子蓬松、花藥不外露，其他性狀與07(131)無明顯差異，于是立即以育性正常的07(131)為父本與其授粉，得到雜交種子。同年10月秋播，共成苗120株。2014年4月田間育性調查發現，雜交后代中除了6株性狀不同的可育株(疑為串粉所致)外，其余全部為不育株，表明該不育性狀可以遺傳。初步推測該雄性不育突變材料為CMS，將其暫命名為07(131)A。

用于育性測交的52份不同來源普通小麥品種(系)，以黃淮麥區品種為主，還有農家種、自育高代品系、國外引進品種等，具體見表2。

1.2試驗方法

1.2.1花粉育性檢測

2014年4月，小麥揚花期取07(131)A和07(131)的成熟花藥，用1%的I2-KI溶液染色制片，在顯微鏡下觀察花粉粒的形態和染色反應，根據染色結果判斷花粉粒育性。

1.2.2組合配制與種植

2014年4月，隨機選取5個07(131)單株為父本，分別與07(131)A成對回交；同時以52份普通小麥品種(系)為父本，分別與07(131)A進行育性測交。成熟期收獲所有雜交種子。2014年10月，將以上各F1組合及對應父本分別種植在行長2.4 m的同一行內，F1和父本各占半行，以備不育系的回交轉育。

1.2.3育性調查與分級

2015年4月對各F1組合在開花前分別隨機取10穗套袋自交，灌漿后期調查自交結實籽粒數。育性調查采用國內法，自交結實率計算公式如下：

自交結實率(%)=[小穗基部小花結實總數/(有效小穗數×2)]×100

根據平均自交結實率將育性分為5級[16]，即全不育(0)、高不育(1%～20%)、半不育(21%～50%)、高育(51%～80%)和全育(81%～100%)。

1.3數據分析

采用Microsoft excel 2003和DPS 7.05軟件進行數據處理分析。采用Duncan新復極差法進行差異顯著性多重比較。

2　結果與分析

2.107(131)A的雄性敗育特點

揚花期田間觀察發現，07(131)A的穗子蓬松，穎殼開張角度大，花藥不外露；而07(131)的花藥外露，穎殼閉合良好。比較二者的花藥外部形態，07(131)A花藥比較瘦小、干癟，絕大多數不開裂(圖1A)；07(131) 花藥飽滿，發育良好，正常開裂散粉(圖1B)。花粉粒I2-KI染色鏡檢發現，07(131)A花粉量少，花粉粒圓形，著色較淺，表現為染敗，帶有少量著色深的正常花粉，表明敗育時期較晚，敗育不徹底(圖1C)；07(131)花粉粒飽滿，著色深，表現為育性正常(圖1D)。綜上所述，07(131)A屬花藥不開裂的染敗型小麥雄性不育材料。

圖1　07(131)A(A和C)和07(131)(B和D)的花藥形態及花粉I2-KI染色結果

2.207(131)A不育類型的確定

07(131)與07(131)A原始不育株的雜交F1代表現為不育，再以07(131)單株成對回交，回交后代還可保持高度不育(表1)，說明07(131)是07(131)A的保持系，07(131)A屬細胞質雄性不育突變體。

由表1還可以看出，第2株行與其余4個株行在平均結實率上存在極顯著差異，其余4個株行之間差異不顯著。第3株行平均結實率明顯較低，變幅和標準差也較小。表明通過成對回交法可以對07(131)A的育性進行有效提純與改良。

2.3測交F1的育性分級及恢保關系

對07(131)A與52份不同來源普通小麥品種(系)配制的測交F1組合按平均結實率進行育性分級，結果(表2)表明，不同父本材料配制的F1組合育性差異很大。保持高不育的組合有4個，占供試組合的7.7%，其中07(131)A/新麥2111的平均結實率僅為1.2%，變幅和標準差也最小，說明新麥2111對07(131)A的不育性具有高度保持能力。其他3個高不育組合的平均結實率較高，依次為15.7%、17.8%和18.2%，F1以全不育株或高不育株為主，含有少量的半不育株。07(131)A/新麥21組合出現了高育單株，這可能與相應父本的育性相關基因尚未純合有關。以這4個高不育組合中的全不育株或高不育株為母本，與相應的父本成對回交，有可能育成新的不育系。育性表現為半不育的組合有15個，占供試組合的28.8%，這些組合的父本對于07(131)A來說利用難度較大。育性表現為可育的組合有33個，其中高育組合30個，全育組合3個，分別占供試組合的57.7%和5.8%，說明這些組合的父本帶有07(131)A的恢復基因。3個全育F1組合的平均自交結實率都是稍超過80%，依次為81.6%、82.5%和83.4%，F1以全育株為主，并帶有少量高育株，07(131)A/06CF-25組合中出現了半不育株。

表1　07(131)與07(131)A的5個成對回交后代株行的育性表現

平均值后的大、小寫字母分別表示在1%和5%水平上差異顯著。

Capital and small letters after the average column represent significant difference at 1% and 5% levels, respectively.

表2　52份普通小麥品種(系)與07(131)A測交F1的育性分布

3　討 論

到目前為止，發現的小麥CMS材料總數多達70種，但大都因為細胞質的副作用較大而難以用于雜種小麥生產[1, 5]。研究表明，異質小麥CMS往往會出現各種各樣的困難和問題，如：T型不育系存在著恢復源少、易穗上發芽、籽粒皺縮且育性容易被環境影響等問題[1, 5, 17]；K型不育系恢復度不高，變異較大，不育系及其所組配的雜交小麥都有一定頻率的單倍體產生，苗期生長勢弱等細胞質負效應[8-9, 18]。除了針對已有材料的不足進一步改良外，我國又培育出了一些普通小麥CMS材料。這些不育系在一定程度上克服了不良的細胞質效應，但育性并非都容易恢復，如P型和AL型不育系，雖然沒有明顯的不良細胞質效應，但仍然存在育性較難恢復的問題[11-13]。本研究的不育材料07(131)A是由從普通小麥高代優良品系07(131)中發現的自然突變雄性不育株衍生而來，07(131)是其保持系，因此07(131)A雄性不育是由07(131)細胞質內育性相關基因突變引起的。07(131)是本課題組由太谷核不育(Tal)小麥輪選群體中的優良可育株連續多代自交選育而成，所以07(131)的細胞質背景與Tal小麥細胞質一致，屬于普通小麥細胞質。07(131)A不育系的發現在一定程度上豐富了普通小麥CMS材料的遺傳基礎。

對于一種小麥CMS材料來說，選育出不育性穩定的不育系和強優恢復系在其生產應用上具有重要意義。比較不同類型CMS之間的恢保關系，可以為新的保持系和恢復系的選育提供參考。在普通栽培小麥中幾乎沒有T型不育系的恢復基因，因此T型不育系的保持系資源非常豐富，而恢復資源很少，只能從近緣物種中轉移[19]。經研究，Q型、AL型和P型不育系的恢保關系與T型不育系基本一致，T型不育系的優良恢復系可以直接恢復這3種不育系[11-12, 20]。王岳光等[14]報道，T型不育系的恢復系對85EA和89AR有較好的恢復性。張改生等[16]以恢保關系將粘、易、偏型不育系歸為粘類不育系，粘類不育系具有易保持、易恢復的特點，1B/1R類型小麥是其保持系，具有高恢復能力的品種(系)大都為非1B/1R易位系。本研究表明，在普通小麥品種(系)中存在著07(131)A的保持系和廣泛的恢復源。對07(131)A具有高恢復能力的4個品種，周98165、周麥18、西農1376和小偃22，據分子檢測屬于1B/1R小麥[21-23]，因此07(131)A的恢保關系與粘類不育系是不同的。07(131)A比T型、Q型、AL型和P型不育系恢復源廣泛，恢保關系與之顯然不同。F型小麥不育系花粉敗育包括圓敗、典敗和染敗類型，但以染敗型為主[15]。07(131)A花粉敗育時期較晚，表現為染敗，并帶有少量正常花粉。07(131)A與F型小麥不育系的恢保關系是否相似尚有待研究。

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Identification and Restoring-maintaining Relationship of a Cytoplasmic Male Sterile Line in Common Wheat

CHAI Junlin，SUN Yangyang，JIA Xiaoping，YAO Junwei，WANG Liming，DONG Puhui

(College of Agricultural,Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan 471003, China)

A spontaneous wheat male sterile mutant 07(131)A was discovered from the common wheat high-generation line 07(131). The male abortive characteristics, male sterility type and restoring-maintaining relationship of 07(131)A were studied. The results showed that anthers of 07(131)A were shriveled, no crack and no exposed on spike.I2-KI dyeing analysis of pollens showed abortion type, which contains a small amount of fertile pollens. The F1between 07(131) and the original sterile plant of 07(131)A were sterile, and five combinations obtained from pairwise backcrossing between 07(131)A and 07(131) individual plant were also highly sterile. Therefore, 07(131)A is a cytoplasmic male sterile mutant. Fertility of F1combinations which obtained by crossing 07(131)A with 52 common wheat varieties were investigated and classified. And the combination number of highly sterile, partly sterile, highly fertile and complete fertile were 4, 15, 30 and 3, respectively. This showed maintainer lines and extensive restorer lines were existed among common wheat varieties. 07(131)A could be used as a basic material for “three-line” hybrid wheat breeding.

Common wheat; Cytoplasmic male sterility; Fertility identification; Restoring-maintaining relationship

2016-03-29

2016-06-01

國家自然科學基金項目(U1304320；U1304318)；河南科技大學人才科學研究基金項目(09001162)

E-mail：junlinc0321@163.com

董普輝(E-mail: dongpuhui@sina.com)

S512.1；S330

A

1009-1041(2016)08-1003-05

網絡出版時間：2016-08-01

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160801.1120.010.html