F型小麥雄性不育系恢復性研究

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

(1.北京市農林科學院雜交小麥工程技術研究中心/雜交小麥分子遺傳北京市重點實驗室，北京 100097； 2.北京農學院植物科學技術學院，北京 102206)

小麥是全世界種植最廣泛的糧食作物之一，對人類的生存和發展具有非常關鍵的作用。雜交水稻[1]、玉米[2]、高粱[3]和大豆[4]的成功應用，為世界的糧食生產做出了巨大的貢獻，表明雜種優勢是提高糧食產量的重要途徑之一[5]。故培育雜交小麥，發揮其增產、抗逆和適應性廣等雜種優勢，是保障糧食生產的重要選擇[6]。

目前，小麥雜種優勢利用主要集中于三系法(核質互作雄性不育系)、化殺法(化學殺雄劑誘導雄性不育系)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方法，但三系法在制種過程中，不育系不夠穩定、高恢復性品種較少和制種產量低，化殺法存在化學污染等問題[8-10]。2000年后我國原創的二系法雜交小麥應用技術體系得到了快速發展，奠定了我國在國際雜交小麥研究領域的領先地位。目前我國關于BS系列、ES系列和C49S系列的小麥光溫敏二系不育系遺傳、基因定位及相關基因克隆的研究報道較多[11-12]。F型三系不育系材料是山西省運城藍紅雜交小麥研究中心選育的新型普通小麥細胞質雄性不育系，也是我國新發現的不育源。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材料，具有普通小麥細胞質和細胞核，有較好的不育性和恢復性。

目前對FA的研究還處于起步階段[13]，恢復系篩選和強優組合的選育成為其發展的關鍵問題。利用FA與不同小麥進行組配，篩選適應不同生態區的強優勢雜交種，成為提高其利用價值的重要環節之一[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生態區的育性及恢復性表現，篩選高恢復組合，以期為進一步利用FA，豐富雜交小麥技術途徑提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

F型小麥雄性不育系(FA)種子由山西省運城市藍紅雜交小麥研究中心提供，雜交組合中所用的116個父本材料由北京雜交小麥工程技術研究中心提供；育性調查試驗中，在河南南陽和北京分別選取常規品種豫麥34和京冬8號為常規對照，選取光溫敏核雄性不育系BS366為不育系對照材料，其在北京表現可育，在河南南陽表現高度不育。

1.2 試驗方法

1.2.1 花粉粒育性調察

于2015年10月將供試材料種植于河南南陽和北京兩個生態區，待小麥幼穗花粉母細胞發育到二核期后期或三核期，取FA及其對照材料的花粉用1%的I2-KI溶液染色，觀察花粉發育情況，鏡檢的花粉粒按染色情況分為正常花粉粒(圓形，且花粉粒染色充實，為深藍色或黑色)和敗育花粉粒(圓形或皺癟，花粉粒染色不充實，為淺藍、棕黃或未染色)。每個材料取2～3個小穗，每個小穗取3～5個視野進行鏡檢。統計FA、BS366、京冬8號及豫麥34的花粉碘染率，分析FA的花粉育性特征?；ǚ鄣馊韭?(正?；ǚ哿?花粉粒總數)×100% 。

1.2.2 田間性狀調查

2016年4月以FA不同株系為母本，與116個父本材料進行雜交，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′)兩個生態區，設置2次重復。2017年4-6月對2個生態區的親本和F1代進行相關特性參數(單株穗數和穗部性狀等)的調查分析。

國際法結實率=穗粒數/(2×總小穗數)×100%，簡稱結實率

結實小穗率=(結實小穗數/總小穗數)×100%

2 結果與分析

2.1 F型不育系的花粉育性

通過對FA不同生態環境下花粉育性觀察發現，FA在南陽的花粉粒皺縮、空癟，花粉內含物少，超過半數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。常規對照品種京冬8號和豫麥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型不育系的恢復性

從表1可以看出，FA在北京的恢復性顯著高于南陽。在北京，116個雜交組合F1代結實率大于90%的高恢復性組合有72個，占比62.07%。在南陽，結實率大于90%的高恢復性組合有25個，占比21.55%。以北京和南陽結實率均大于90%為標準，初步篩選出22個高恢復性組合(表2)，占比18.97%；同時，這些組合在北京的結實小穗率為66.38%～98.16%，在南陽的結實小穗率為76.24%～98.50%，初步說明FA具有較好的恢復性。

圖1 常規對照品種京冬8號、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實率發現，FA在南陽的結實率低于1%，在北京育性有所提高，結實率和結實小穗率分別為12.38%和16.92%。此外，發現12個雜交組合在南陽的結實率低于5%(表3)，其中5個組合的結實率為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個組合在北京的結實率要顯著高于南陽，說明FA及部分雜交組合尤其是低恢復性組合的育性具有明顯的環境誘導效應。

表1 116個雜交組合F1代自交結實率(國際法)的分布Table 1 Distribution of selfing seed setting rate in F1 of 116 cross combinations

表2 自交結實率在北京和南陽都大于90%的22個組合及其F1代的自交結實率Table 2 22 FA combinations with selfing seed setting rate over 90% in both Beijing and Nanyang

2.3 FA與BS366恢復性比較

將FA、BS366分別與20個相同父本配制雜交組合，并分別種植于北京和南陽，對其F1代進行結實率和結實小穗率的比較分析。單因素方差分析結果(表4)表明，在北京環境下，有17個FA雜交組合的結實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FA雜交組合的結實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；在南陽環境下，分別有15個FA雜交組合的結實率和結實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。可見，在北京環境下，只有3個具有相同父本的FA和BS366雜交組合的恢復度相近，僅占20個組合的15%；在南陽環境下，只有5個具有相同父本的FA和BS366雜交組合的恢復度相近，僅占20個組合的25%。這些結果初步說明BS366和FA的恢復源不完全一致，其不育及育性恢復機制存在一定差異。

表3 FA和BS366與低恢復性的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實率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雜交組合的數據間具有顯著性(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是新發現的一種三系不育系，研究人員相繼對它開展了不育系的恢保關系、細胞學及雜種優勢等研究[15]。目前對它的研究仍處于初級階段，其不育機理有待進一步深入研究。小麥花粉粒發生敗育的時期主要有減數分裂期、單核期、二核期和三核期，發生敗育時期越早不育率越高，雄性不育越徹底；對于不同的雄性不育材料，花粉敗育的時期和原因也不盡相同[16-17]。孟榮華等[18]發現粗厚山羊草異質系的敗育花藥中，很大一部分花藥在形成初期無法形成完整的花藥結構，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，還存在雄蕊趨雌發育的異?，F象。趙卜等[16]研究發現F型小麥雄性不育系在減數分裂階段的花粉母細胞發育完全，在二核期卻突然出現生殖核消失現象，隨后營養核也慢慢消解，造成無核小孢子占比升高，且花粉敗育也主要表現為染敗，具有不育徹底、穩定的特性。本研究中FA花粉粒在北京與南陽兩地都表現為皺縮、空癟，花粉內含物少等特征，與前人研究結果類似，本研究通過不同生態區鑒定發現，FA在南陽的敗育率顯著高于北京。

小麥雄性不育系、保持系和恢復系是三系雜交小麥育種的基礎，但早期包含外源細胞質的CMS型不育系因恢復度低等特點限制了大規模的應用與生產[19]，所以小麥雄性不育系恢復源的篩選成為雜交小麥利用的一個重要環節。研究發現T型小麥不育系恢復源狹窄[20]，選育大量恢復力高且穩定的恢復系比較難，K型和V型小麥不育系恢復源廣，但兩者恢復度均不高，F1恢復度大多數表現為60%～70%[21-23]。本研究發現，FA在北京大于90%的高恢復性組合比例達62.07%，在南陽的高恢復性組合比例達21.55%，在北京和南陽都表現為高恢復性組合有22個，占比18.97%?？梢?，與K型、V型和T型等不育系相比，FA的恢復源廣，恢復性較高，是較優良的不育系，同時本研究獲得的高恢復性組合為強優勢雜交種選育及恢復系改良提供了參考。

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實率和結實小穗率，發現FA和部分低育性雜交組合在北京結實率要顯著高于在南陽的結實率，初步推測FA及部分FA雜交組合尤其是低恢復性雜交組合，其育性存在一定程度的環境誘導效應，但FA的環境誘導效應弱于BS366。同時，本研究分析了FA和BS366相同父本雜交組合的結實率，發現兩者相同恢復性組合所占比例較小，初步推測FA與BS366恢復源存在一定差異。由于本研究的材料樣本數較小，還需進一步擴大試驗材料，通過多年多生態區種植來評價FA與其他類型不育系在育性和恢復性等性狀的差異特性及其利用價值。

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