小麥光溫敏核雄性不育系開穎和柱頭外露特征及其對異交結實能力的影響

楊衛兵，高建剛，孫 輝，梁玉龍，張風廷，趙昌平，秦志列

(北京市農林科學院雜交小麥研究所,北京 100097)

雜種優勢利用是提高作物產量的重要途徑和有效手段。1919年，Freeman首次報道了小麥雜種優勢。經過幾十年的研究，國內外學者相繼建立了三系法、化殺法、二系法等多種小麥雜種優勢利用技術途徑。近年來，中國培育出了京麥6號、京麥7號、綿陽32、綿雜麥168、云雜5號等二系雜交小麥，但雜交種子生產中不育系的異交結實率不穩定，進而造成制種產量不穩定，制約了二系雜交小麥的大面積生產應用。

提高不育系的異交結實率是雜交小麥高產穩產制種技術的核心內容。研究發現，二系法雜交制種的異交結實率為43.1%～ 71.6%，三系法雜交制種和化殺法雜交制種的異交結實率分別為18.4%～75.3%和6.3%～40.4%。因此，異交結實率偏低是影響目前雜交小麥制種產量的重要因素。異交結實率的高低與不育系的柱頭外露率及持續時間顯著相關。而柱頭作為接受外源花粉的器官，其外露率受開穎角度、柱頭大小及其與其他花器相對位置的影響。雜交水稻制種中柱頭外露穎花的異交結實明顯高于柱頭不外露穎花，但有些開花習性優良的不育系的異交結實率卻很低。因此，開穎、柱頭外露等性狀與異交結實的關系仍需深入研究。

中國的二系法小麥雜種優勢利用研究起步相對較晚，有關小麥光溫敏雄性核不育系開花習性與異交結實關系的研究近乎空白。本研究通過對小麥光溫敏核雄性不育系的開穎、柱頭外露、異交結實進行調查，分析其開穎和柱頭外露特征及其對異交結實能力的影響，以期為小麥光溫敏核雄性不育系的選育和完善其應用評價體系提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料以小麥光溫敏核雄性不育系BS366、BS206、BS212、BS1453為母本，以恢復系13GF7675為父本，均由北京市農林科學院雜交小麥研究所選育。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間種植

田間試驗于2018-2019年度在北京市農林科學院雜交小麥研究所鄧州基地進行。父、母本行比2∶6，行長10 m，行距0.22 m。父、母本于10月15日播種，基本苗分別為75萬和270萬 株·hm。于開花前在小區四周設隔離帳，并在處理期間每天上午和下午利用竹竿進行人工輔助授粉各2和3次。其他田間管理同常規管理。

1.2.2 田間選穗及試驗處理

于不育系始花期(BS366和BS206為始花期當天，BS212和BS1453為始花期第2天)的上午，在第2行不育系中選擇群體均勻的3個點，然后在各點選取穗大小均勻且有1～3朵小花開花的麥穗，進行掛牌編號，并套自交袋。套袋的麥穗中，20個麥穗用于調查自交結實粒數，10個麥穗經人工剪穎后用于人工飽和授粉，26個麥穗用于調查開穎小花數、柱頭外露小花數、異交結實粒數等數據。

用于調查開穎小花數、柱頭外露小花數、異交結實粒數等數據的掛牌麥穗，于恢復系始花期的第2天早上取下自交袋，由專人調察各小花的開穎小花數和柱頭外露小花數，以肉眼可見為標準。田間授粉5 d后再次套袋終止異交，以保證各不育系授粉時間相同。不育系取下自交袋的第1天和第3天，取恢復系花粉進行人工飽和授粉，用于調查最大異交結實粒數。于花后20 d，調查標記麥穗的自交結實粒數和異交結實粒數。

1.3 數據處理

利用以下公式計算自交結實率、開穎率、異交結實率等：

自交結實率=自交結實粒數/最大異交結實粒數×100%

(1)

開穎率=開穎小花數/最大異交結實粒數×100%

(2)

柱頭外露率=柱頭外露小花數/最大異交結實粒數×100%

(3)

開穎小花異交結實率=開穎小花異交結實粒數/開穎小花數×100%

(4)

柱頭外露小花異交結實率=柱頭外露小花異交結實粒數/柱頭外露小花數×100%

(5)

異交結實率=異交結實粒數/最大異交結實粒數×100%

(6)

利用SPSS軟件對試驗數據進行統計和方差分析，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 供試不育系的開穎和柱頭外露特征

由表1可知，供試不育系的自交結實率在 0.11%以下，表現出完全不育或高度不育。不育系于4月13日或4月14日進入始花期，較恢復系始花期(4月17日)早3～4 d。本試驗條件下，各不育系均于4月18日去除自交袋，此時，標記麥穗已開花4 d，絕大多數小花已經處于第二次開穎期，開穎和柱頭外露性狀表達充分且穩定，而恢復系則剛進入散粉高峰期，可為不育系異交結實提供足夠的花粉。

表1 供試不育系的自交結實率和始花期Table 1 Self-seed setting rate and initial flowering date of sterile lines

由表2可知，4個不育系開穎率的變化范圍為18.10%～86.28%，平均值為47.83%，其中BS366的開穎率最高，顯著高于其他不育系；BS1453的開穎率最低，顯著低于BS366和BS206，但與BS212無顯著差異。4個不育系柱頭外露率的變化范圍為28.68%～67.33%，平均值為41.49%。其中，BS206的柱頭外露率最高，顯著高于其他不育系；BS1453的柱頭外露率最低，顯著低于BS206和BS212，但與BS366無顯著差異。由上可知，各不育系的開穎、柱頭外露特征均不相同，其中BS366為高開穎率低柱頭外露率類型，BS206為中開穎率高柱頭外露率類型，BS212為低開穎率中柱頭外露率類型，BS1453為低開穎率低柱頭外露率類型。

表2 供試不育系的開穎率和柱頭外露率Table 2 Glume opening rate and stigma exsertion rate of sterile lines %

除BS366外，BS206、BS212、BS1453的開穎率均低于柱頭外露率。其中，BS212的開穎率與柱頭外露率之間差異最大，二者相差16.01個百分點；BS206的開穎率與柱頭外露率之間差異最小，僅相差4.02個百分點。這說明不育系BS206、BS212、BS1453在第一次開穎期間柱頭外露的小花中，部分小花閉穎后未能再次開穎，但柱頭仍保持外露狀態。

2.2 供試不育系開穎小花和柱頭外露小花的異交結實能力

比較開穎小花和柱頭外露小花的異交結實率發現(表3)，4個不育系開穎小花異交結實率的變化范圍為26.16%～55.54%，平均值為39.19%，其中BS366開穎小花的異交結實率最高，顯著高于BS212和BS1453，但與BS206無顯著差異。4個不育系柱頭外露小花異交結實率的變化范圍為59.39%～65.62%，平均值為62.65%，4個不育系間柱頭外露小花的異交結實率均無顯著差異，其變化范圍明顯小于開穎小花，說明不育系間柱頭外露小花的異交結實能力比開穎小花更為穩定。此外，各不育系柱頭外露小花的異交結實率均高于開穎小花的異交結實率，其中BS212和BS1453柱頭外露小花的異交結實率比開穎小花的異交結實率高約40個百分點，表明柱頭外露小花的異交結實能力高于開穎小花。

2.3 供試不育系的異交結實特征

從表4可以看出，4個不育系最大異交結實粒數的變化范圍為36.60～42.50，不育系間無顯著差異，說明這4個不育系接受恢復系13GF7675花粉后，均可正常結實。供試不育系去除自交袋后經5 d授粉處理，異交結實率由高到低依次為BS366(53.16%)>BS206(42.43%)>BS212 (33.04%)>BS1453(23.58%)，4個不育系間差異均達到顯著水平。

表3 供試不育系開穎小花和柱頭外露小花的異交結實率Table 3 Outcrossing seed setting rate of glume opening floret and stigma exsertion floret in sterile lines

4個不育系的開穎小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例變化范圍為19.31%～ 87.46%，平均值為50.55%。其中，BS366的開穎小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例最高，顯著高于其他不育系；BS212的開穎小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例最低，顯著低于BS366和BS206，但與BS1453無顯著差異。4個不育系的柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例變化范圍為31.64%～92.32%，平均值為 68.47%，其中BS206的柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例最高，顯著高于其他不育系；BS366的柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例最低，顯著低于其他不育系。

表4 供試不育系的異交結實差異Table 4 Differences of outcrossing seed setting in sterile lines

除BS366外，其他不育系均表現為柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例明顯高于開穎小花異交結實粒數所占比例，其中BS206的柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例比開穎小花異交結實粒數所占比例高約20個百分點，BS212和BS1453的柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例比開穎小花異交結實粒數所占比例高約55個百分點。

相關分析表明，異交結實率與開穎率、柱頭外露率呈極顯著正相關，相關系數分別為0.719和0.372，表明提高開穎率和柱頭外露率可以顯著增加異交結實。開穎率與柱頭外露率也呈極顯著正相關，相關系數為0.467，說明增加開穎小花數，有利于提高柱頭外露小花數。因此，開穎率和柱頭外露率對異交結實均有重要影響。

3 討 論

在前人雜交小麥研究中，采用國際法或國內法計算得出的異交結實率往往與實際情況存在一定的偏差，不能真正反映不育系的異交結實水平。本研究中，利用多次人工飽和授粉處理獲得的最大異交結實粒數作為計算開穎率、柱頭外露率、異交結實率等指標的基準，比以往研究所用數據更加準確。

小麥雄性不育系的小花在穎殼張開、柱頭外露期間接受父本花粉以實現異交結實，而且異交結實粒數隨著開花進程呈動態變化。小麥雄性不育系穎殼的開張過程為“開穎-閉穎-再開穎”，第一次開穎歷期僅有幾個小時，明顯短于第二次開穎歷期所需的時間(約數天)，因此本研究選擇開穎和柱頭外露特征表現相對穩定、歷期較長的第二次開穎為研究時間段。對4個不育系開穎和柱頭外露的特征觀察后發現，BS206、BS212和BS1453的開穎率均低于柱頭外露率，表明部分小花閉穎后未能再次開穎可能是多數不育系普遍存在的現象。此外，由于BS366和BS206在第二次開穎期間具有較高的開穎率或柱頭外露率，因此在制種實踐中這兩個不育系實現異交結實的機率高于BS212和BS1453。

本研究發現，4個不育系柱頭外露小花的異交結實率高于開穎小花，而且在不育系間表現出較好的穩定性，這與田大成等和李宏生等的研究結果基本一致。柱頭外露小花較強的異交結實能力使得柱頭外露小花異交結實粒數占總異交結實粒數的比例高于開穎小花異交結實粒數所占比例，這也與楊保漢的研究結果一致。相關分析結果表明，高開穎率和高柱頭外露率有利于獲得高異交結實率，但開穎率與異交結實率的相關系數高于柱頭外露率與異交結實率相關系數的原因有待明確。在本研究處理條件下雖然開穎率較高的BS366獲得最高的異交結實率，但柱頭外露率較高的BS206更易實現穩定的高異交結實率。由于開穎是柱頭外露的前提條件，二者表現為極顯著正相關，因此，在育種實踐中，應將開穎作為首要選擇的目標性狀，在此基礎上，注重對柱頭外露性狀的選擇。

本研究選擇恢復系花期比不育系晚3～4 d且在第二次開穎期間進行試驗處理，在父母本選擇和研究時間上仍有局限，在以后的試驗中，應進一步對株高、花期和散粉能力不同的恢復系、開穎和柱頭外露特征更加豐富的不育系以及第一次開穎期間開穎和柱頭外露小花對異交結實能力的影響等進行研究，以明確開穎和柱頭外露與異交結實的關系。