冬春溫度變化對小麥溫敏雄性不育系BNS的育性轉換影響

秦志英，孫海燕，付慶云，衛 笑，巴愛麗，茹振鋼, 李友勇

(1.河南科技學院 現代生物育種河南省協同創新中心，河南新鄉 453003； 2.新鄉市新良糧油加工有限責任公司，河南新鄉 453200)

植物雄性不育是指一些植物的基因型，它的雄性器官發育不正常，不能產生正常有功能的花粉粒，但雌蕊發育正常，能接受外源的花粉受精而結實。植物雄性不育是植物雜種優勢利用的重要途徑，尤其對于自花授粉作物，是唯一途徑，因此常把雄性不育系看作為這些植物利用雜種優勢的“核心”材料。植物的雄性不育有多種類型，如質核互作“三型”不育，光溫敏“二型”不育、化學殺雄“化殺”不育等[1]，其中“二型”不育類型不育性高，自身恢復性好，利用程序簡單，是自花授粉作物最有利用潛力的不育類型，水稻雜種優勢利用已成功利用了“二型”雄性不育[2]，目前小麥的研究重點也轉移到該種類型上[3]。

BNS是一個對溫度敏感的二型小麥雄性不育系[4-7]，它的幼穗分化期即對溫度敏感，在較低(<8 ℃)溫度下，小孢子發育受阻，花粉敗育，在較高溫度下(>8 ℃)，育性逐步恢復，部分小花結實，12 ℃以上溫度，結實基本正常[8-10]，15 ℃以上溫度，能顯著促使BNS的育性轉換[11]。

BNS不育和可育的育性轉換調節非常簡單，在河南輝縣地區，10上旬播種的BNS，一般年份是高度不育的，自交結實率低于1%，10月中旬及以后播種，育性開始恢復，結實率逐步提高，到11月中旬播種，結實率達最高水平，繼續推遲播期，由于生長期短，發育不充分，因此結實率有所下降，二系的水稻也有類似現象[12]。

雖然較多觀察表明BNS不育和恢復特性穩定，但同時也發現，BNS自交結實率，不同年份有波動[4,9,13]，近些年還發現，個別年份在典型不育播期播種的BNS，自交結實率超過10%。

雄性不育系自交結實率的波動是一個非常值得關注的現象，因為自交結實率的上升意味著當該不育系用來生產雜交種時，F1代至少有同比例的種子是母本不育系，該比率極大影響F1種子的純度，嚴重時種子生產失敗[14]。小麥不育系不育性目前尚沒有國家標準，水稻不育系純度國家標準是99.9%[15]，一些地方標準套袋自交結實率是<0.05%，目前BNS波動的自交結實率遠大于該標準。

為了保證BNS的安全利用，研究BNS的育性改變的原因有重要意義。BNS是溫敏不育系，因此育性改變一定與溫度改變有關。本試驗將BNS從典型不育到恢復最高可育水平期間分期播種，測定各播期的套袋自交結實率，結合相應年份的溫度氣象資料，分析和探討BNS自交結實率波動的成因，發現育性變化的規律，為雜交種生產中防控BNS自交結實率上升提供預測信息。

1 材料與方法

1.1 BNS的種植和自交結實率調查

BNS是原始BNS不育系，河南科技學院分子細胞遺傳實驗室每年套袋繁殖保存。對于BNS的種植，歷年執行同一標準，即從10月1日開始，每8 d一個播期，到11月18日，共7個播期。BNS材料種植在河南輝縣小麥育種基地(113°23′E，35°17′N)。田間種植方式為，行長3 m，行寬0.23 m，種植2行隔1空行，每播期種植20行以上。單粒播種。分蘗后標記主莖和第一分蘗。自交結實率的測定采用套袋法，抽穗后將標記的主莖和第一分蘗穗分別套羊皮紙帶，每個播期套袋2行，40株左右。成熟后收取套袋穗，計數小穗數和結實粒數，每株取2穗的平均數。自交結實率的計算采用第1、2小花結實粒數計算法[3-6,16]，自交結實率=第1、2小花結實粒數/(2×總小穗數，指穗基部到頂端有籽粒的全部小穗數)×100%。連續6 a(2011-2012至2016-2017)的自交結實率整理后，對每個播期的自交結實率做年份間差異顯著性檢驗，在0.01水平標記差異顯著性[17]。

1.2 氣象資料

溫度氣象資料來自新鄉市氣象局記錄的標準氣象資料數據，數據觀測點距材料生長地約10 km，緯度相同。

1.3 穗分化觀察

冬前在越冬期，翌春自返青后開始，取材BNS的主莖，觀察穗分化時期。前中期個體發育慢，每7 d取材1次，到3月底后，溫度高發育快，每3 d取材1次。取材和觀察方法是，每次取田間標記的主莖穗2個，剝出幼穗，在實體鏡下觀察，按照崔金梅的小麥穗分化階段形態劃分[18]，記錄穗分化時期。

2 結果與分析

2.1 BNS自交結實率

整理2011-2012至2016-2017共6 a的BNS自交結實率，比較每個播期的平均數年份間差異顯著性檢驗，結果見表1。從表1可看出，BNS的自交結實率隨播期的推遲而提高，這與相關報道的結果一致[4-10]；但同時還可看出，各播期自交結實率年份間存在差異，2015-2016年的自交結實率在6 a中最高，與其他年份的差異達極顯著水平。2011-2012、2014-2015和2016-2017 3個年份自交結實率整體水平較低，2012-2013晚播的自交結實率較高，2013-2014年不育期播種的較高，后期可育期播種的自交結實率偏低。10月1日和10月9日2個典型不育播期播種的BNS，2015-2016年差異顯著，其他年份雖然差異不顯著，但自交結實率仍高于原種的異籽率水平(<0.05%)，只有2016-2017年度10月1日播期的BNS不育水平符合要求，其余年份和播期，不采取補救措施，雜交種生產將失敗。

表1 2011-2012至2016-2017年7個播期的BNS自交結實率及平均數差異顯著性檢驗Table 1 Self-fertility rate of BNS of different sowing dates from 2011-2012 to 2016-2017 and its test of difference significant among average of self-fertility rate of BNS %

注：“-”是由于取樣失敗而致的數據缺失；不同字母表示LSD分析在0.01水平差異顯著。

Note： the “-” in the table is missing data caused by sampling failure;different letters within columns mean significantly different at 0.01 level by LSD.

2.2 冬春溫度及其與結實率的聯系

表2是2011-2012至2016-2017年的小麥生育期間的溫度氣象資料，有3個積溫參數，一是BNS從播種到抽穗的總積溫，該參數反映年份總溫度水平。從表中可看出，2011-2012和2012-2013連續2 a總積溫較低，屬低溫年份，后4 a屬高溫年份，積溫都超過1 900 ℃·d。BNS的育性在高溫下被誘導轉換，但2014-2015、2016-2017是高溫年份，自交結實率卻在低水平，尤其2016-2017是最低的年份，說明BNS的育性轉換并不完全與總積溫相關；第2個參數是3月和4月份積溫，該積溫反映春季溫度特征。3月份后BNS進入溫度敏感期，因此，此階段高溫促使育性轉換，低溫不利于育性轉換。杜黎君等[11]發現該階段的15 ℃以上積溫能顯著促進BNS的育性轉換，但表2和表1中顯示3月和4月總積溫與自交結實率也不完全相關，如2011-2012年，3月和4月份總積溫很低，但自交結實率比2014-2015和2016-2017年高；第3個參數是負積溫，負積溫反映冬季溫度狀況。2014-2015和2016-2017兩個年份負積溫最小，而這兩個年份的BNS是低自交結實率，尤其是典型不育播期，10月1日和10月9日的BNS，都在最低結實率水平。該相關性說明暖冬不利于BNS育性轉換，而有利于不育性保持。

上述3個溫度參數，單個指標不能構成溫度與育性之間的有價值的聯系，但如果把冬季溫度、春季溫度，以及個體發育結合起來，冬春溫度對育性轉換的影響就容易理解：第1種情況是暖冬。暖冬負積溫小，個體發育快，因此到春季時進入溫度敏感期早，若此時遇高溫，將促進育性轉換，但這種情況少見，暖冬年份春季往往溫度偏低，即使是正常溫度年份，暖冬使BNS在春季進入溫度敏感期較早，因此，幼穗發育處于低溫之下，育性不轉換，自交結實率較低。2014-2015和2016-2017年即是該類型(圖1)；第2種情況是寒冬，寒冬年份個體冬季生長停止，到春季溫度回升后才開始生長，這樣的年份BNS春季發育到感溫期一定比暖冬年份晚，此時溫度已回升，育性轉換快，結實率升高，2011-2012年和2012-2013年即是該類型；寒冬若遇暖春年份，育性轉換更快，自交結實率更高，2015-2016年是該類型的典型年份，寒冬暖春，兩個高轉換因素疊加，因此是最高自交結實率年份(圖1)；第3種情況是冬季在平均溫度水平，該類年份主要看春季溫度，高溫可使自交結實率偏高，低溫使自交結實率偏低，2013-2014年是平均負積溫，次年春季溫度較高，因此有較高的自交結實率。

表2 2011-2012 到 2016-2017小麥生育期間兩個區段的總積溫和全年負積溫Table 2 Total accumulated temperature and negative accumulated temperature during wheat development from 2011-2012 to 2016-2017 ℃·d

2.3 穗分化進程

暖冬、寒冬對BNS自交結實的影響是通過冬季生長量到春季進入溫度敏感期的早或晚實現的。為了證明該推斷，從2014年開始，連續3 a觀察BNS的穗分化進程，結果見表3。從表3可看出，BNS 3個年份越冬前穗分化時期一致，是單棱末期，但到3月初，穗分化時期已明顯拉開距離，2014-2015和2016-2017年，穗分化已進入小花分化期，而2015-2016年，3月初僅發育到護穎分化期(圖1)，小花分化期延后到3月12日，比2014-2015和2016-2017年發育延遲1周以上。前期多數研究均認為BNS的溫度敏感期是小花分化期到雌雄蕊分化期[4,10]，因此穗分化結果完全支持低結實率年份BNS進入感溫期早，高結實率年份BNS進入感溫期晚的生長發育機制。進入感溫期晚，相當于推遲播種期。正是這種冬季溫度影響下的生長發育差異，導致BNS進入溫度敏感期的早晚差異，進而導致育性轉換發生，從而影響到結實率。

a,b.2016年，寒冬，二棱后期和護穎分化初期 Late double ridge stage and glume differentiation stage in 2016(cold winter)；c,d.2017年，暖冬，小花分化初期和中期 Early and middle floret differentiation stage in 2017(warm winter)；e.2014-2015年，暖冬，10月1日播期的不結實穗 The sterile ears without grain of BNS sown on Oct. 1 in 2014(warm winter)；f.2014-2015年，暖冬，10月9日播期，中下部有小花結實 The sterile ears of BNS sown on Oct. 9 of 2014(warm winter), there are a few grains；g.2015-2016年，寒冬，中下部小花結實較多 The sterile ears of BNS sown in 2015(cold winter), there are more grains than in 2014；h.2016-2017年，暖冬，10月1日和9日播期的BNS，均高度不育 High degree sterile ears of BNS sown on Oct.1 and Oct. 9 in 2016(warm winter)

圖1暖冬和寒冬年份不育播期的BNS在3月5日的穗分化時期和結實套袋的穗子
Fig.1SpikedifferentiationstagesonMarch5,andbaggedearsofBNSsowninsterilesowingdateinbothyearsofwarmandcoldwinter

表3 2014-2015至2016-2017年典型不育播期播種的BNS穗分化進程Table 3 Spike differentiation process of BNS in typical sterile sowing dates from 2014-2015 to 2016-2017

注：SR.單棱；DR.二棱;GD.護穎；FD.小花分化；PSD.雌雄蕊分化;AD.藥隔形成。

Note：SR.single ridge;DR.double ridge;GD.glume differentiation;FD.floret differentiation;PSD.pistal and stamen differentiation;AD.anther differentiation.

3 討 論

BNS是一個對溫度敏感的“二型”小麥雄性不育系，典型不育播種期播種，花粉不育性穩定，不育徹底，但部分年份不育性波動嚴重。為了探明BNS不育性波動的成因，對近6 a的分期播種的BNS自交結實率和對應年份的冬春溫度變化進行分析，得到有價值的結果。

3.1 年份間冬春溫度改變顯著影響BNS的育性轉換

從觀察結果可以看出，近6 a來，BNS的自交結實率不是常數，6 a的冬春溫度也非一致。年份間同一時段溫度變化是氣溫非周期性變化引起的。由于年份間總積溫改變較小，近30 a不超1 ℃[19],因此，大氣溫度一定是一個時期較低，另一個時期較高。這種相互平衡的時期周期可能較短，如1個月內，也可能較長，如冬春之間，春夏之間等。這些改變對農作物來說，一般情況是影響生長發育速率進而影響到生育期，但對BNS來說，不僅影響生育期，而且影響育性轉換。尤其是冬季溫度不確定性改變，與春季溫度配合，使BNS的自交結實率年份間出現顯著差異。根據結果，一般規律和現象是，暖冬往往伴隨春季總積溫較低，BNS育性不發生轉換，自交結實率低；寒冬年份，往往伴隨春季快速溫度回升，有利BNS育性轉換，提高BNS的自交結實率。

3.2 冬春溫度變化影響結實率的機制是冬季生長發育的積累

當把冬春溫度變化影響結實率的現象與BNS生長發育聯系起來，不難理解這種現象的機制是冬季生長發育的積累引起的。在觀察結果中可以看出，冬季高溫，BNS生長發育快，在冬季即完成了感溫期前的發育，春季進入感溫期早，如2014-2015和2016-2017年，此時氣溫較低，因此BNS的穗分化在較低溫度下進行，因此表現不育；當冬季溫度較低時，冬期BNS生長基本停止，感溫期前的生長發育在開春后完成，因此進入溫度敏感期晚，此時溫度一定較高，有利于育性轉換，從而表現育性波動。如2015-2016年的BNS發育。

3.3 冬春溫度特征可用來預測不育期播種的BNS的自交結實率

根據冬春溫度改變影響BNS育性轉換和自交結實率的現象和規律，到3月中下旬即可初步預測BNS的育性轉換。負積溫是反映冬季溫度的最好指標。低負積溫年份，BNS冬季發育較快，預期BNS育性轉換率低，應用安全；高負積溫年份，意味著BNS冬季生長較慢，自交結實率有大的提高的風險。近6 a負積溫的平均值為-38.8 ℃·d，極端值是-86.5 ℃·d和-3.6 ℃·d，負積溫的高低可依據年平均值確定。另外，當冬季溫度處于平均負積溫水平時，春季溫度就成為控制BNS自交結實率的決定因子，當春季溫度回升正常或偏低，不育期播種的BNS預期育性轉換度低，不育性利用安全，若3月上中旬溫度較高，則預期育性轉換率高，自交結實率將升高。

3.4 BNS的感溫期覆蓋小花分化到花粉成熟

BNS感溫的基本特性是低溫不育高溫可育，但感溫期的生長發育指標，各報道不完全一致。2009年李羅江等[4]最早觀察認為BNS的感溫期是小花原基分化期至雌雄蕊分化期，臨界溫度7.4～11.4 ℃，王茂婷等[10]觀察認為感溫期是雌雄蕊原基分化期和藥隔期，臨界溫度8.4～12.6 ℃；張自陽等[5]觀察認為感溫期是雌雄蕊分化期至四分體形成期，轉換溫度為8～12 ℃。這些差異，一方面可能來自觀察年份，因為不同年份，冬春溫度不同，BNS的發育進程不同，因而有發育時期和臨界溫度的差異；另一方面也存在時間概念差異，李羅江等[4]描述的是一個短時間段，即感溫初期，其他的研究描述是一個長時間段，即感溫期。而對BNS來說，對溫度的感應實際上覆蓋小花分化到花粉成熟整個階段，研究發現開花前4 d的溫度對BNS的育性影響仍達顯著水平[11]。因此，前期觀察研究的感溫期和臨界溫度都是正確的。李羅江等[4]的感溫初期指標有重要意義，它的發育早晚決定幼穗分化所處的溫度環境水平，較早進入感溫期，后期的分化均在較低溫度下，晚進入時，后期的分化一定在較高溫度下，對育性的影響是顯而易見的。

綜上所述認為，BNS是一個受溫度控制的小麥雄性不育系，典型不育期播種的BNS一般育性較低，但個別年份自交結實率會顯著提高。6 a的BNS自交結實率和溫度分布分析發現，暖冬可保持BNS高不育率，寒冬則提高BNS自交結實率，該現象的原因是冬季溫度影響BNS越冬期生長，繼而影響春季進入感溫期的早晚，最后影響到結實率。該現象和機制不僅說明冬春溫度變化改變BNS自交結實率的機理，而且可在3月下旬時預測當年BNS的育性轉換程度，為后期人工實施調控措施，降低BNS利用風險，提供充足時間。

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