小麥BNS雄性不育系晚霜凍抗性和低溫不育特性觀察

孫海燕，賈菲蕓,楊 靖，付慶云，茹振鋼，李友勇

(河南科技學院 生命科技學院/現代生物育種河南省協同創新中心，河南新鄉 453003)

2018年4月5日到6日，我國黃淮地區遭受強寒潮襲擊[1]，所經之處溫度大幅下降，霜凍發生，正值旺盛生長的小麥遭受嚴重凍害，抗性較強的品種部分小穗凍傷，抗性弱的品種或小穗全部凍死，抽出“白穗”；或部分凍死，后來結實為“半截穗”。春季冷害，也稱晚霜凍害，嚴重影響小麥產量，因此小麥晚霜凍低溫抗性是選育小麥品種的重要特性。由于春季低溫不可預期，多年不遇的強低溫對檢驗小麥品種低溫抗性有重要意義。BNS是一個對低溫敏感的小麥雄性不育系[2-4]，在雜交小麥研究中有重要價值。BNS的不育性和農藝性在前期有系統觀察[2,4]，但由于不同年份的氣象和氣候因子不同，不斷發現BNS新的特性，如暖冬與寒冬、春季低溫的早與晚等常常影響BNS的育性水平[3,5]。為了持續發現更多的特征特性，歷年將BNS分期播種，并種植相關對照品種。意外的是，2017年秋季播種的BNS以及它的保持系鄭麥366，經歷了2018年4月的強寒潮，鄭麥366遭受嚴重凍害，而BNS輕度凍害，表明BNS是一個對晚霜凍低溫抗性較強的不育系。其對低溫敏感，遭受強低溫后，表現高度不育，但實際表現高自交結實率。為了弄清這些現象的原因，本研究以BNS及其保持系鄭麥366為試驗材料，通過觀察分析生育期間的穗分化進程以及凍害發生后的凍害程度、凍害部位等，闡述發現BNS新的特性和特征，以期為小麥生產中更好地利用BNS提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料及播種

BNS是本實驗室保存的原始BNS不育系，由茹振鋼教授培育。歷年從10月1日開始播種，8 d一個播期，到11月18日，共7個播期[4,6]。鄭麥366及“鄭麥366×BNS”的正反交F1在10月9日和11月17日兩次播種，10月9日是BNS的第二個播期，該播期仍然是BNS的典型不育期，也是當地小麥正季播種期，11月17日是BNS最后一個播期，即完全可育播種期。小區行長3 m，行距0.3 m，株距15 cm，每行播種21株。

1.2 穗分化觀察

越冬前調查1次，翌春自返青后開始，由于前中期小麥個體發育較慢，每7 d取材1次，到3月中旬后，溫度升高，小麥個體發育加快，每周取材2次。每次取田間標記的主莖穗，剝出幼穗，在實體顯微鏡下觀察，按照崔金梅等[6]的小麥穗分化階段形態進行劃分，記錄穗分化時期。

1.3 凍害調查

凍害程度用受凍株率來表示，受凍株率=受凍植株/總株數×100%，凡因凍害而出現退化小穗的植株即為受凍植株。凍害級別參考河南省質量技術監督局制定的小麥晚霜凍害5級標準[7]。

1.4 自交結實率調查

各播期的BNS主莖穗完全抽出后，用羊皮紙袋套袋，若主莖穗受凍，套最早抽穗的分蘗穗。鄭麥366凍害嚴重，因此套袋分蘗穗較多。BNS在10月9日到11月10日播種的小區有輕度凍害，因此少部分套袋穗是一級分蘗的穗子。每行植株全部套袋，每株套2穗。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。自交結實率的計算用第1、2小花結實粒數計算(國內法)[2-3]，計算公式為：自交結實率=第1、2小花結實粒數/(2×總小穗數)×100%，總小穗數包括穗基部到頂端有籽粒的全部小穗數。

1.5 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觀察資料數據，數據觀測點距材料種植地約15 km，緯度相同(E 113°23′，N 35°17′)。

2 結果與分析

2.1 2018年春季氣溫及凍害調查結果

2018年3月下旬溫度快速回升，且持續時間長，3月23日至4月3日連續12 d日平均氣溫超過15 ℃,4月5日大風降溫，日平均溫度僅 4.3 ℃(表1)。低溫持續到4月6日，4月6日凌晨最低氣溫1.9 ℃,草面溫度-1.7 ℃。低溫過后，發現10月9日播期的鄭麥366凍害嚴重，抽穗后受凍害的穗子或整穗凍死，形成“白穗”；或半穗凍傷(圖1A)，沒有凍傷的小穗可開花結實，成熟后呈“半截穗”(圖1B)，受凍株率達75%以上(表2)，小區走道兩邊受凍植株多，中間受凍植株少，11月17日播期的鄭麥366未發生凍害。10月9日至11月10日播期的BNS均有凍害發生，但程度較輕，受凍株率為3.7%～5.4%，一般單株僅1穗受凍，10月1日和11月18日播期的BNS沒有凍害發生。鄭麥366與BNS的正反交F1的凍害介于兩品種之間，BNS作母本的F1抗凍性強于作父本的F1。不論鄭麥366還是BNS，發現受凍組織單位均為小穗，而非小花，從圖1可看出，凍害發生后一般整小穗凍傷，繼而脫水退化，沒有凍傷的小穗，第1、2小花甚至第3小花均結實，后期呈“半截穗”(圖1B)?！鞍虢厮搿爆F象還顯示，凍傷的穗是小穗凍傷，主軸完好。

表1 2018年3月及4月上旬日平均溫度Table 1 Average temperature in March and first ten days of April 2018

表2 供試材料受凍害情況Table 2 Investigation results of freezing damage

2.2 穗分化進程與凍害低溫敏感期

越冬前2017年12月17日第一次取材，此時10月1日第一播期的BNS處于二棱中期，10月9日第二播期的BNS處于單棱后期，10月9日播種的鄭麥366處于單棱中后期，其余播期材料植株尚小，無法進行觀察。次年春季從2月23日開始取材，此時第一、二播期的BNS均處于二棱期，第三播期的BNS處于單棱期，說明越冬期間生長量不大。此后間隔約每7、5和3 d觀察1次，其中3月5日至4月4日觀察的部分播期BNS和鄭麥366的穗分化發育時期及自交結實率見表3。從表2和表3可看出，11月18日播種的鄭麥366和BNS遭受強低溫后，未發生凍害，此時穗分化時期均處于藥隔初期，10月1日播期的BNS也未發生凍害，此時穗分化減數分裂已經完成。從圖1和表2還可看出，10月9日播期的BNS麥穗受凍部位在上部，10月25日和11月2日播種期受凍部位在基部，11月10日播期受凍部位在中部，說明這些部位此時對低溫高度敏感，這些部位穗分化期正處于藥隔期至減數分裂期。

A：鄭麥366，10月9日播種，4月15日抽出的麥穗；B：鄭麥366，10月9日播種，上部小穗未受凍；C：BNS，10月1日播種，未受凍，表現正常雄性不育；D：BNS，10月9日播種，下部未受凍的小穗有些小花不育，有些小花結實。

2.3 BNS自交結實率及其與2017/2018冬春溫度的關系

各播期處理的自交結實率見表3。鄭麥366本身可育，套袋的是未受凍穗，因此自交結實率仍比較高，10月9日和11月18日播期的鄭麥366自交結實率分別為75.26%和82.82%。由于計算方法是國內法，包括頂端小穗，這個自交結實率已接近最高結實率水平[8]。10月1日和10月9日不育播期的BNS，自交結實率分別達5.08%和10.41%，高于前7年中6個年份的育性水平[3,5]。查閱本年度氣象溫度，負積溫-55.1 ℃，典型寒冬年份，春季從3月23日至4月2日連續高溫，平均溫度變化在14.9～24.6 ℃，最高溫度24～31 ℃，3月28日最高溫度為31.8 ℃，4月2日最高溫度為31.5 ℃(表1)，屬于典型暖春氣候，均達到顯著加快育性轉換溫度[3]，并且持續時間長，達 12 d，因此，BNS的高自交結實率可能是該寒冬暖春氣候形成的。

2.4 BNS的不育溫度敏感期

在10月9日播期的BNS中，出現穗上部受凍、下部結實的下“半截穗”現象，該結實小穗上可觀察到有不育小花和結實籽粒(圖1 D)，不育小花是雄性不育的結果，結實籽粒是轉換的結果，結實籽粒較多，是轉換小花較多的表現，是該播期平均10.41%的套袋自交結實率的來源。該“半截穗”現象還說明，10月9日播期的BNS經歷了不育誘導，但后來部分小花結實，原因可能是高溫促使育性轉換，即被3月23日到4月2日連續12 d的高溫所誘導，據此推斷，BNS的不育溫度敏感期在3月23日以前已完成不育誘導，此時的發育時期是雌雄蕊分化期，說明雌雄蕊分化期是不育誘導的重要時期。10月25日播期的BNS，自交結實率已達44.27%，屬高可育性，達最高結實率55.98%的79.1%，正常年份這個比率不超過50%[8]，說明進入溫度敏感期時是高溫環境，該播期的BNS 3月24日處于雌雄蕊分化期，這表明BNS的溫度敏感始期是雌雄蕊分化初期，即雌雄蕊形成即開始感溫。

表3 2017/2018年BNS和鄭麥366的穗分化進程及自交結實率Table 3 Spike differentiation and self-seed setting rate of BNS and Zhengmai 366 in 2017/2018

3 討 論

3.1 BNS是可遺傳的抗晚霜凍不育系材料

晚霜凍是嚴重威脅小麥產量的災害天氣，近些年在黃淮小麥產區頻發，因此鑒定小麥材料的抗低溫特性有重要意義。研究表明，小麥對晚霜凍的抗性存在品種差異[9-10]，同時，穗發育時期、營養水平和栽培條件等因素也是凍害發生程度的重要因子[11-12]。從觀察結果看，品種鄭麥366達3級凍害程度(1/2～3/4[7])，該品種的弱低溫抗性已有報道[10]，說明是品種特性；而BNS凍害則較輕，為一級凍害(<1/3[7])，且處在較低水平。從BNS與鄭麥366的正反交F1表現看，凍害在二級程度，BNS做母本時凍害程度更低，說明BNS是一個抗晚霜凍的不育系材料，且其抗性是可遺傳的，作母本時抗性效果更好，這是特殊氣象條件發現的BNS的又一優良農藝特性。

3.2 藥隔期至減數分裂期是晚霜凍的低溫敏 感期

劉平湘等[12]和鐘秀麗等[13]利用人工模擬方法觀察冬小麥幼穗抗霜凍力隨發育期的變化規律，認為小麥晚霜凍的溫度敏感期是雌雄蕊分化期至藥隔期。胡 新等[14]觀察1998年河南商丘地區在3月20至24日小麥晚霜凍結果，認為小麥晚霜凍的溫度敏感期是藥隔期，本研究觀察結果發現，10月9日播種的鄭麥366凍害嚴重，低溫來臨時正處于減數分裂期，11月18日播種的鄭麥366，低溫來臨時正處于藥隔初期；BNS在7個播期中，10月1日和11月18日播期未受凍害，期間的5個播期均出現輕度凍害，且這5個播期穗分化時期是藥隔期至減數分裂期，說明小麥晚霜凍害發生的溫度敏感期是藥隔期至減數分裂期。這與前人的觀察結果不一致。而胡 新等[14]的觀察結果認為，僅藥隔期是敏感期，可能是3月下旬初商丘地區大田生產中，穗分化進程一般僅發育到藥隔期。

3.3 小麥晚霜凍凍傷組織是整小穗

從凍害穗子形態看，受凍穗子有兩種類型，一種是“白穗”，整穗完全凍死；一種是“半截穗”，部分凍死。不論是“白穗”還是“半截穗”，觀察結果發現凍害的組織是小穗，而非小花，即凍害發生后，整小穗退化，較少在一個小穗上有不實小花，有結實小花現象。整小穗凍傷現象還表明，小穗凍傷是小穗與主軸完全失去營養聯系的結果，因此推測，“白穗”其小穗基部的輸導組織被破壞；而“半截穗”其穗主軸的輸導組織是正常的，凍傷與輸導組織中流體的滲透壓沒有必然聯系。張文靜等[15]發現，越冬凍害小麥分蘗節組織胞間結冰，導管和篩管破裂導致輸導組織崩潰，但晚霜凍的組織結構變化罕見報道，還有待今后進一步深入研究。

3.4 BNS的不育誘導溫度敏感期是雌雄蕊分 化期

BNS是一個對低溫敏感的雄性不育系，有良好的農藝性狀。BNS的溫度敏感期有較多報道，李羅江等[2]用滑動積溫法，發現BNS溫度敏感期是小花原基分化期至雌雄蕊原基分化期；張自陽等[4]用同樣方法認為，BNS溫度敏感期是雌雄蕊分化期至四分體期；王茂婷等[16]和秦志英等[5]分析穗分化進程，認為BNS溫度敏感期是雌雄蕊原基分化期至藥隔期；周美蘭等[17]分析溫度和穗分化，認為BNS溫度敏感期是小花原基分化期到藥隔形成期。本研究分析凍害、穗分化進程、溫度和自交結實率之間的關系，推斷感溫始期是雌雄蕊原基分化期。由于穗分化時期的劃分一般指該時期典型特征的出現，而實際該時期要持續3～20 d，因此對BNS溫度敏感期的觀察，不同文獻報道的結果實際上基本一致，即BNS的感溫過程發生在雌雄蕊分化期。本研究結果發現，BNS的感溫過程5～7 d即可完成，持續低溫可誘導完全不育，遇到較高溫度可使部分小花育性轉換，溫度越高，轉換越多。

3.5 BNS的育性誘導不可逆

BNS的觀察結果還表明，其育性誘導是不可逆的。10月9日播期的BNS，3月15日進入溫度敏感期，到3月21日，8～10 ℃低溫誘導(不育誘導)僅6 d，此后12 d 平均溫度在15 ℃以上，已達到完全可育臨界溫度[3,5]，但并未改變不育方向，最終的結實率僅10.41%；10月25播期的BNS，3月22日高溫時已進入雌雄蕊分化期，低溫僅2 d，因此是可育誘導，結實率為44.27%，達最高結實率55.98%的79.1%。從中可看出，10月9日播期BNS的不育誘導，不因此后12 d高溫改變不育性質；10月25播期的BNS，也不因后來的霜凍強低溫而改變可育性質，說明BNS最初的感溫誘導是決定性的，后期的高溫或低溫只能對前期結果修飾，不能完全逆轉。

4 結 論

小麥晚霜凍抗性強弱是品種特性，受遺傳控制，但晚霜凍的發生存在溫度敏感期，該敏感期從藥隔期持續到減數分裂期。2018年小麥晚霜凍凍傷的組織是整小穗，而非小花。BNS是一個具有高晚霜凍抗性的不育系材料。對晚霜凍抗性與不育低溫誘導非同一性狀。BNS的不育性誘導始于雌雄蕊分化始期，5～7 d即可完成，此后的溫度改變，無論高溫和低溫，對育性僅產生修飾影響，不改變發育方向。