小麥溫光敏雄性核不育系的柱頭活力研究

李宏生，李紹祥，楊忠慧，劉 琨，趙 紅，楊木軍

(云南省農業科學院糧食作物研究所，昆明 650205)

【研究意義】小麥雜種優勢利用是進一步提高單產水平、抗逆性和穩產性，豐富小麥品種遺傳基礎的有效途徑之一[1-6]。小麥溫光敏或光溫敏雄性核不育材料，恢復源廣，制種程序簡單[7]，且配制的雜交組合高產、抗逆性強[8-9]，現已成為中國雜交小麥研發的主要途徑之一[10]。深入研究雜交小麥制種技術細節，有助于提高規模化制種產量，促進雜交小麥大面積生產應用[11]。雜交小麥制種中，不育系的異交結實率與其柱頭活力密切相關，是影響制種產量的關鍵因素之一。【前人研究進展】在影響制種異交結實率的諸多因素(如恢復系花粉量、不育系開穎率、柱頭外露率及柱頭活力持續期)中，不育系柱頭活力持續時間不僅與異交結實率直接相關，還影響制種的父母本播種期和花期調節[4,12-13]。柱頭活力受外界環境和不育系遺傳特性的影響[14]。杜雪樹等[15]對水稻制種的研究表明，不同不育系柱頭活力持續時間不同。因此，明確不同不育系柱頭活力持續時間長短以及柱頭活力的變化規律，有助于評價不育系的利用價值，合理安排制種播期及調節花期，提高制種產量。【本研究切入點】目前，西南麥區雜交小麥制種中對不育系柱頭活力持續時間與變化規律未進行系統研究，雜交小麥高產制種有待完善。【擬解決的關鍵問題】本研究以云南應用的4個小麥溫光敏核不育系為材料，分別在第一朵穎花護穎完全張開(簡稱開穎，下同)后的不同時間進行飽和授粉，研究各不育系柱頭活力的變化情況，為雜交小麥高產制種提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

4個小麥溫光敏雄性核不育系(簡稱不育系，下同)分別為K43S、K64S、K78S和K456S，花粉供體為常規品種云麥52號，5個材料均由云南省農業科學院糧食作物研究所選育。

K43S是利用K78S/K456S雜交的F1代種子誘導小麥雙單倍體選育獲得，中抗條銹病，株高50～60 cm，不育度100%，天然異交結實率為63.5%；K64S是利用15Y5-213/15Y5-241雜交的F1代種子誘導小麥雙單倍體選育獲得，中抗條銹病，株高70～75 cm，不育度100%，天然異交結實率為79.1%；K78S是組合96B-138/C49S-87雜交后代選育獲得，中感條銹病，株高75～80 cm，不育度100%，天然異交結實率為78.4%；K456S是組合K78S/甘鑒46雜交后代選育而來，中抗條銹病，株高80～85 cm，不育度100%，天然異交結實率為75.6%。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料種植 4個小麥不育系于2019年10月20日播種，每個材料播種20行，行長1 m，行距25 cm，每行播種60～70粒，出苗后每行定苗至50苗，其中K64S分溫室大棚和大田2種環境種植，其余3個不育系全部種植于溫室大棚；生育期間溫室大棚四周卷起塑料布通風透光。花粉供體云麥52號于10月5、15、25日分3期播種，每期20行，每行播40～60粒。溫室和大田水肥管理一致。

1.2.2 不育系飽和授粉 抽穗后開花前，每個小麥不育系選擇生長發育進度相近的麥穗進行套袋，待套袋麥穗開穎后，選擇發育基本一致的麥穗剪開穎殼繼續套袋，分別于開穎后第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19和21天進行飽和授粉，每次每個不育系授粉9穗，3穗為1個重復，共計99穗，9穗不授粉(CK)，考察不育系自交結實情況。

1.2.3 不育系活力測定 以小麥不育系雜交結實率表示不育系柱頭活力(下同)。不授粉(CK)和授粉的不育系種子進入蠟熟期收獲進行結實率考種。不育系結實率、自交結實率及不育系雜交結實率計算公式如下。不育系結實率(%)=[結實粒數/(每穗小穗數×2)]×100；自交結實率(%)=[自交結實粒數/(每穗小穗數×2)]×100；不育系雜交結實率(%)=不育系結實率-不育系自交結實率。

1.2.4 數據分析 試驗數據利用SPSS 23.0統計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 小麥不育系間柱頭活力比較分析

4個不育系未授粉套袋穗子全部未結實，自交結實率為0，不育系結實率與雜交結實率相等。從表1可看出，平均柱頭活力(雜交結實率)表現為：K456S>K64S>K78S>K43S。差異顯著性分析表明，K43S的平均柱頭活力顯著低于K64S、K456S，而K456S、K64S、K78S 三者間平均柱頭活力差異不顯著。

開穎后不同天數授粉的雜交結實率統計如表2。開穎后第3和5天授粉，雜交結實率分別為107.62%和99.13%，且兩者之間無顯著差異，但均顯著高于其他處理，說明開穎后第3天和第5天柱頭活力最高；開穎后第7天雜交結實率顯著高于隨后的其他處理；開穎后第1天和第9天授粉雜交結實率無顯著差異，但顯著高于隨后的其他處理；開穎后第11天授粉的雜交結實率顯著高于第13天和第15天授粉的。開穎后第15、17、21、19天授粉的雜交結實率都很低(小于5%)，4個處理間無顯著差異。4個不育系開穎后第19天的平均雜交結實率為0，說明柱頭已喪失活力。因此，在制種中父母本同期播種花期差異應小于19 d。根據雜交結實率的變化趨勢，開穎后柱頭活力大小為第3天>第5天>第7天>第1天>第9天>第11天>第13天>第15天>第17天>第19天。

表1 4個不育系柱頭活力多重比較

表2 不同授粉時間柱頭活力多重比較

2.2 小麥不育系柱頭活力變化規律分析

根據4個不育系開穎后不同時間授粉的雜交結實率差異(圖1)，總體上隨著不育系開穎后時間的增加，不育系的柱頭活力先升高再降低，但4個不育系的柱頭活力變化趨勢以及達到峰值的時間有差異。其中，K43S在開穎后第3天雜交結實率最高，為106.02%，說明K43S的柱頭活力在開穎后第3天最高，開穎后第5～11天雜交結實率從103.19%下降到24.61%，柱頭活力呈現快速下降趨勢；K64S雜交結實率在第5天達到最高，為105.18%，第5～9天平穩下降，其雜交結實率從105.18%下降到84.82%，第9天后急劇下降，第13天下降到17.39%；K78S第3天雜交結實率最高，為110.72%，說明K78S的柱頭活力也是開穎后第3天最高，隨后下降，下降趨勢與K64S基本相同；K456S在第5天柱頭活力達到最高(雜交結實率122.95%)，下降趨勢與K43S基本相同。

圖1 4個不育系開穎后不同時間柱頭活力表現Fig.1 Stigma vigor of four TPSGMS lines of different time after glume-opening

柱頭活力先升高再下降的原因與麥穗上小花間柱頭成熟度不同有關，第1朵小花穎殼張開時，基部或頂部部分小花柱頭發育未成熟而不能捕獲花粉粒完成受精；當柱頭活力達到最大值的授粉期之后，隨著時間推移，先開花的小花柱頭逐漸老化而喪失受精能力，導致結實率(柱頭活力)不斷降低。

2.3 小麥不育系間高柱頭活力持續時間比較分析

根據圖1分析不育系間高柱頭活力持續時間，除K43S外，其余3個不育系從開穎后第1～17天，其柱頭都有不同程度的活力，開穎后第19天開始，4個不育系的柱頭都沒有活力(雜交結實率為0)。同時，方差分析表明，4個不育系的柱頭活力持續時間無顯著差異(P>0.05)。但其授粉結實率達到80%以上的時間存在顯著差異(P= 0.00)，K64S為7 d，K78S為9 d，K43S為3 d，K456S為5 d，即K78S>K64S>K456S>K43S。

通過上述分析可知，4個不育系間柱頭活力高低和雜交結實率>80%的持續時間存在顯著差異，且各不育系柱頭活力變化規律也不相同，在制種中應根據不育系的柱頭活力特性制定相應的花期調控措施。在優勢組合測配時應選擇不同開花特性的恢復系，如K64S和K78S為高柱頭活力(雜交結實率>80%)持續時間較長的不育系，可選擇開花期較長的恢復系，花期最好能夠持續10 d以上；而K43S和K456S為高柱頭活力(雜交結實率>80%)持續時間較短的不育系，應選擇開花期較為集中的恢復系，其在2～5 d內能夠提供足量的花粉。

2.4 不同環境對小麥不育系柱頭活力的影響

K64S在大田和溫室2種環境條件下的柱頭活力測定結果見圖2，其柱頭活力存在極顯著差異(P=0.000)。大田環境下最高雜交結實率(122.76%)較溫室高17.58%；平均雜交結實率(59.38%)較溫室高13.83%。K64S在大田環境下開穎后第7天柱頭活力達到峰值，較溫室中推遲2 d；開穎后第1～15天，除第3天外，其余時間大田環境的柱頭活力均高于溫室。大田環境下K64S高柱頭活力持續時間也明顯長于溫室，開穎后第3～11天授粉的結實率均保持在80%以上，持續時間長達9 d，較溫室長2 d。其主要原因是溫室的平均溫度高于大田2.8 ℃，濕度僅有10%左右，高溫、干燥對柱頭活力有損傷。因此選擇制種基地時應考慮其小麥開花期的溫度、濕度或灌溉條件。

圖2 K64S在溫室和大田2種環境下的柱頭活力Fig.2 Sigma vigor of K64S in greenhouse and field

3 討 論

柱頭是不育系接受外源花粉的器官。研究表明，不同不育系其柱頭活力持續時間存在顯著差異[16]，明確不育系柱頭活力持續時間，尤其是高柱頭活力(授粉結實率>80%)持續時間對提高雜交制種產量至關重要[17]。相關研究和制種實踐表明，水稻和小麥不育系雜交結實率與柱頭活力密切相關，雜交結實率已廣泛用于指示不育系的柱頭活力[14,16,18-19]。本試驗結果表明，4個不育系開穎后的平均柱頭活力存在一定差異，與水稻不育系柱頭活力研究結果相似。柱頭活力持續時間越長，其能夠接收恢復系花粉的概率就越高，制種產量也就越高。本研究中，4個不育系柱頭活力持續時間均可達15 d，與羅紅兵等[20]在小麥光溫敏核不育系ES上的研究結果(柱頭活力持續時間為8～9 d)有明顯差異，其原因與所選雜交授粉起點不同有關，本研究以中部第1朵穎花張開為時間起點，而羅紅兵等的研究以盛花期為起點。不育系柱頭活力持續時間長短僅代表不育系可授粉結實的持續時間，而制種中更需要了解不育系保持高柱頭活力持續的時間以提高異交結實率。研究表明，小麥和水稻不育系都具有高雜交結實率的授粉關鍵時期，且不同不育系的授粉關鍵時期不同[21-22]，與本研究結果一致。

本研究通過不育系在溫室大棚和大田自然條件的柱頭活力對比試驗，證實了開花期高溫、干燥的環境對小麥不育系的柱頭活力有不利影響。大田環境下K64S柱頭活力在80%以上的持續時間顯著高于溫室環境(高溫、干燥)，該結果與水稻不育系的相關研究與制種實踐基本一致，高溫可導致水稻柱頭活力下降[23]，高溫、低濕導致制種中不育系雜交結實率降低[24]，低溫、高濕環境下水稻不育系新安S柱頭活力更高[25]。同時，筆者在多年雜交小麥大面積生產制種中也發現，溫度較低、濕度較高的云南省騰沖市，其制種產量明顯高于高溫、干旱的云南省文山州。因此，制種基地安排在溫度較低、濕度適中的區域更易獲得高產。

不育系柱頭活力持續時間以及高柱頭活力持續時間受遺傳背景和環境的影響。在生產制種中，明確不育系的柱頭活力特性及環境因素對柱頭活力的影響，對制種的花期調節和提高制種產量至關重要。本研究明確了4個主要小麥溫光敏核不育系柱頭活力的差異及變化規律，為這些不育系高產制種中花期調節提供了科學依據。但不育系柱頭活力受環境影響，還需進一步在不同制種基地進行系統研究，包括開花習性、柱頭活力變化規律等，從而為高產制種提供更詳盡的數據支撐。

4 結 論

通過對4個小麥溫光敏雄性核不育系連續21 d飽和授粉的雜交結實率研究，各不育系柱頭活力變化趨勢都呈現出先升高后降低的變化規律，其中K43S和K78S開穎后第3天柱頭活力最高，雜交結實率為106.20%和110.72%，K64S和K456S開穎后第5天柱頭活力最高，雜交結實率為105.18%和122.95%。4個不育系高柱頭活力持續時間K78S(9 d)>K64S(7 d)>K456S(5 d)>K43S(3 d)，開穎后K78S第1～9天，K64S第3～9天，K456S第1～5天和K43S第3～5天雜交結實率都大于80%。不育系開花期高溫干燥的環境對柱頭活力和高柱頭活力持續時間均有不利影響。這些結果可為4個小麥溫光敏雄性核不育系高產制種和制種區域選擇提供理論參考。