秈稻兩用核不育系異交結實率與花器官性狀的相關性分析

謝留杰，段 敏，曾國應，黃善軍，潘曉飚*

（浙江省臺州市農業科學研究院，臺州317000；2湖南亞華種業科學研究院，長沙410000）

兩系法雜交水稻育種技術開創了另一條雜種優勢利用的途徑，并正逐步取代三系法成為生產上應用最廣泛的雜種優勢利用技術［1-2］。水稻雜交制種是通過雄性不育系與恢復系異交生產種子的技術，制種產量直接關系到不育系的利用價值及配制組合的推廣前景［3］。不育系的異交特性是指在非人工條件下植株特性、花器官構造、開花習性等影響接受外源花粉而受精結實的能力。前人對兩用核不育系的異交特性開展了大量研究［4-7］，一般都認為柱頭外露率和午前開花比率是影響異交結實率的重要指標。但是，影響異交結實率的因子紛繁復雜，除去氣候環境的外在因素，不育系的內在因素之間存在相互影響、相互制約的關系。為了準確掌握影響異交結實率的規律，需要全面系統地分析所有異交相關的性狀。

本研究對8個秈稻兩用核不育系的花器性狀和異交特性進行研究，并進行相關性狀與異交結實率的統計分析，旨在探索影響異交結實率的關鍵因子，為高異交率不育系選育和高產制種提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為8個秈稻兩用核不育系水稻［8］，包括4個早秈型：湘陵628S、湘陵750S、株1S、陸18S；4個晚秈型：1892S、Y58S、深08S、培矮64S；制種父本為晚秈稻ST500。

1.2 試驗方法

1.2.1 柱頭活力鑒定

試驗于2017年秋季在臺州市農業科學研究院試驗基地開展。不育系齊穗后，每個不育系一次性選取24個穗并進行剪穎，每穗單獨用牛皮紙套袋。剪穎當天開始，每天各不育系分別選取3個剪穎套袋的單穗進行充分授粉，連續進行8 d，授粉后的第20天分別調查各穗結實率。為排除天氣因素的干擾，試驗在天氣晴朗的9月5日和6日進行剪穎，隨后每天上午9：30左右取穗，浸水后夾在書中，使稻穗集中開花，母本授粉充足。

柱頭活力系數（Stigma activity coefficient，SAC）＝第2天至第4天授粉結實率之和/第2天授粉結實率。

1.2.2 柱頭長度、寬度、面積測量

選取發育完整的穎花3枚（6個柱頭），放置于血球計數板上，在顯微鏡下拍攝柱頭圖片。以血球計數板刻度為標尺，利用ImageJ軟件測量柱頭長度（Stigma length，SL）、寬度（Stigma wide，SW）和面積（Stigma area，SA）。

1.2.3 開穎角度、開穎時間和柱頭外露率調查

挑選10朵穎花，用量角器測量穎花張開角度（Glume opening angle，GOA），同時記錄穎花張開持續時間，即開穎時間（Glume opening time，GOT）。

始花期選擇5個主穗，每日調查柱頭外露穎花數以及開花總數，截止開花結束，統計柱頭外露率（Stigma exsertion rate，SER）。

1.2.4 午前開花率（Flowering rate before noon，FRBN）

在晴朗天氣下，每個不育系選擇5穗，上午開花時每隔1 h記錄一次開花數目，直至開花結束，統計12：00之前開花穎數占當天總開花穎數的比例。

1.2.5 不育系制種條件下異交結實率調查

對供試的8份材料進行分期播種，父本ST500在5月30日播種，依據制種父本材料的花期，選出花期相同的不育系材料，移至制種田中。人工趕粉，結束20 d后調查異交結實率（Out crossing rate，OR）。

1.2.6 數據分析

采用Excel 2007進行數據整理，采用SPSS 19.0進行相關性分析和通徑分析。

2 結果與分析

2.1 8個秈稻兩用核不育系的柱頭活力表現

如表1所示，從授粉第2天開始，隨著授粉日期的延遲，8個秈稻兩用核不育系的結實率均出現明顯下降。第7天授粉后，1892S結實率最高達3.13%，陸18S和深08S次之。不育系湘陵750S出現第2天（63.22%）授粉結實率高于第1天（48.63%）現象，可能是剪穎當天某些底部較嫩未能開花，柱頭被花藥包住降低了結實率。考慮第1天的結實率受到柱頭活力之外的因素影響，本研究將第2天的結實率作為柱頭活力系數計算的參照。柱頭活力系數分析結果表明，供試的不育系柱頭活力在1.92—2.44，陸18S和1892S柱頭活力系數最高，湘陵628S柱頭活力系數最低。異交結實率表現最好的是1892S，達到48.49%，其次是深08S（37.21%）和培矮64S（35.54%），而株1S、湘陵628S、湘陵750S和陸18S的異交率相對較低，不超過30%。供試材料中，晚秈型不育系的異交結實率明顯高于早秈型。

綜合分析不同天數的結實率、柱頭活力和異交結實率發現，1892S和深08S的柱頭活力系數屬于相對中上水平，在參試水稻不育系中異交結實率較高；柱頭活力最低的兩個水稻不育系是湘陵628和Y58S，但其異交結實率表現并非最差。從上述結果看出，水稻兩用核不育系的異交結實率與柱頭活力之間無明顯因果關系，柱頭活力系數的變異范圍不大，該性狀對異交結實率的影響有限。

表1 水稻不育系柱頭活力系數及異交結實率Table1 Stigma activity coefficient and out crossing rate of 8 rice sterile lines

2.2 秈稻兩用核不育系的柱頭形態特征

如表2所示，株1S、1892S和深08S的柱頭長度較大，分別為1.80 mm、1.42 mm和1.38 mm；陸18S和Y58S柱頭較短，分別為0.98 mm和0.95 mm。供試的8個水稻不育系柱頭寬、柱頭面積與柱頭長呈現出相同的趨勢，即株1S＞1892S＞深08S＞湘陵628S＞培矮64S＞湘陵750S＞陸18S＞Y58S。株1S的柱頭性狀明顯優于其他不育系，差異達到極顯著水平。

表2 水稻不育系的柱頭性狀Table 2 Stigma traits of 8 rice sterile lines

2.3 秈稻兩用核不育系異交結實率和花器官特性、開花習性的相關性分析

從表3可以看出，與異交結實率相關性系數最高的是開穎時間，達到極顯著水平（0.839**）；柱頭總外露率與異交結實率的相關性也達顯著水平（0.744*）。其他性狀與異交結實率的相關系數均未達到顯著水平。柱頭活力一直被看作是影響異交結實率的重要因子，本研究中參試品系柱頭活力的變異范圍在1.92—2.44。不育系之間差異不大，柱頭活力和異交結實率呈現出不顯著的關系。

表3 水稻不育系花器官性狀與異交結實率的相關性系數Table 3 Correlation coefficient between floral organ traits and outcrossing rate of 8 rice sterile lines

此外，柱頭外露率和開穎時間的相關性也達到了顯著水平（0.728*），考慮到異交結實率受到開穎時間和柱頭外露率的影響，進一步對異交結實率與這2個性狀進行偏相關分析。結果顯示，異交結實率與開穎時間的偏相關系數為0.640，與柱頭外露率的偏相關系數為0.383。根據偏相關分析結果，水稻兩用核不育系的開穎時間和柱頭外露率是影響異交結實率的2個重要性狀，其中開穎時間比柱頭外露率與異交結實率的相關性更為密切。

2.4 秈稻兩用核不育系異交結實率的回歸方程及通徑分析

本試驗供試材料n＝8，屬于小項目樣本。利用SPSS 19.0軟件，選擇Shapiro-Wilk對異交結實率進行正態性檢驗，結果顯示：異交結實率（因變量）統計量為0.858，顯著水平P為0.114，大于0.05。因變量異交結實率（y）分布接近正態分布，可以用于回歸分析。

利用回歸分析的線性方法分析，選擇開穎時間（x1）、柱頭外露率（x2）、柱頭長（x3）、開穎角度（x4）、柱頭活力系數（x5）正向相關性狀為自變量，建立的模型的相關系數R、決策系數R2分別為0.926、0.858。因此，該模型能夠較為全面地考慮到因變量的作用因子。異交結實率的回歸方程為：y＝-53.709+0.269x1+0.137x2+10.241x3+0.730x4+5.060x5。

依據通徑分析的結果，異交結實率與開穎時間的直接通徑系數高達0.662，通過其他性狀影響異交結實率的間接通徑系數為0.254；與柱頭外露率的直接通徑系數僅為0.182，通過其他性狀影響異交結實率的間接通徑系數為0.571；與柱頭長度的直接通徑系數為0.291，間接通徑系數為-0.061；與開穎角度的直接通徑系數為0.270，間接通徑系數為0.216；與柱頭活力系數的直接通徑系數為0.099，間接通徑系數為0.237，且通過開穎時間的間接系數為0.482。綜合所有性狀可以得出，水稻兩用核不育系影響異交結實率的主要因素為開穎時間和柱頭外露率，柱頭外露率的間接通徑系數的0.482是開穎時間的貢獻；其他性狀如柱頭長度和開穎角度的優化，也可以提高異交結實率；柱頭活力對異交結實率的影響不顯著。

3 討論

雜交水稻種子生產中，花器官的構造及開花特性直接決定制種產量的高低。研究表明，水稻不育系的柱頭外露率、柱頭長度直接影響異交結實率的高低［5，8-10］；關于午前開花率與異交結實率，有研究報道存在顯著相關，也有研究表明兩者之間并無直接聯系［11-12］；柱頭活力與異交結實率沒有必然關系［5］。本研究通過對包括開穎時間在內的8個性狀進行相關分析，結果表明：柱頭外露率與異交結實率存在顯著的相關性；開穎時間與異交結實率相關性達到了極顯著水平，偏相關系數達到0.640，遠高于柱頭外露率的0.383。通徑分析表明，開穎時間對于異交結實率的直接通徑系數高于柱頭外露率。目前，關于開穎時間與異交結實率相關性的研究較少，一般認為開穎時間越長，異交結實率越高，但沒有被作為影響異交結實率的主要因子。本研究表明，在高異交率的水稻不育系選育中，需提高柱頭外露率，同時要適當延長開穎時間。供試的8個秈稻不育系中，4個早秈型不育系的異交結實率明顯低于晚秈型，原因可能是開穎時間相對較短。

本研究中有2個性狀與異交結實率相關系數為負值，柱頭寬度與異交結實率相關系數為-0.15，這與前人研究［13］及常規推理存在矛盾。不育系株1S和湘陵750S的柱頭寬度最大為0.64和0.47，這2個不育系屬于早秈型，其開穎時間不長、柱頭外露率不高，在這2個關鍵因子的作用下使得最后與異交相關系數為負值。午前開花率亦是如此，它與異交結實率也存在負相關（-0.075），主要原因也是早秈型的午前花率相對較高，而其異交結實率比晚秈型低。此外，幾個早秈型不育系開花時間較早，開花最早的湘陵628S早上8：00之前有11.89%開花［6］，其開穎時間又相對較短，在父本開花之前，已經有部分穎花閉合，最終導致異交結實率不高。從4個早秈型不育系比較來看，開穎時間和柱頭外露率處于同等水平，株1S的柱頭長、寬度最高，其異交結實率也最大。本研究中的8個水稻不育系是生產上應用較為廣泛的不育系類型，午前開花時間均較早（超過83%），品系之間的差異不明顯，得出的結論可能存在局限性。

李維明等［14］研究表明，柱頭相關的性狀大都具備遺傳力較高的特性，并且柱頭外露率、開穎時間等性狀優良的資源比較豐富，可以通過遺傳改良來提升水稻不育系的異交特性。結合本研究的結果，筆者認為秈稻兩用核不育系選育過程中，重點關注開穎時間和柱頭外露率2個重要指標的選擇；其次，柱頭長度、開穎角度以及柱頭活力等指標也應當進一步優化。同時，在制種環節上要合理安排花期，通過割葉、人工趕粉、噴施赤霉素等措施，充分發揮秈稻兩用核不育系的高產制種潛力。