雜交小麥制種研究現狀及展望

孔德真 聶迎彬 崔鳳娟 桑偉 徐紅軍 田笑明

（新疆農墾科學院作物研究所 谷物品質與遺傳改良兵團重點實驗室，石河子 832000）

小麥作為世界上重要的糧食作物，為人類提供了20%食物熱量［1］。世界糧食安全問題首腦會議預測，到2050年，世界人口將達到90 億，糧食產量增加到現在的70%，可能需要每年增加4 400 萬t［2］。但是，在過去10年間，小麥增產率均在下降［1］，主要原因有三點：一是在糧食作物生產中，與玉米、水稻相比，小麥雜交種在生產上的應用利用率較低；二是近年來，由于自然環境（主要是降水和溫度）的急劇惡化，在小麥生長的關鍵期出現極劇變化，導致小麥減產嚴重；三是小麥作為六倍體生物，基因組較大，在雜種優勢利用方面進展比較緩慢。但是，普遍認為小麥雜種優勢利用仍是提高小麥產量的有效途徑之一［3］。

目前，小麥雜種優勢利用途徑有化學殺雄法、二系法、三系法。采用不同雜種優勢利用方法，均在小麥雜交組合選配方面取得較大進展。目前，已經選育的雜交小麥品種表現出較強雜種優勢，世界平均產量優勢達2.05 t/hm2，較最高的純系品種增產15%-30%，在秸稈質量、籽粒品質、肥料利用率、灌漿速率等性狀均表現出一定的優勢［4-8］。在過去60年，與雜交水稻和玉米相比，雜交小麥研究和應用的商業化程度仍然較低。雜交小麥種植面積表現出逐漸增加的趨勢，但是增長速率十分緩慢，目前雜交小麥品種的種植面積僅占全球種植面積的1%［9］。與其他作物雜種優勢利用水平相比，制種成本和播種量是雜交品種成功商業化的關鍵因素。缺乏輕簡化、規?；?、機械化的高產高效制種技術，是制約雜交小麥商業化的主要因素。

當前雜交小麥制種方法主要有寬播幅比制種、行比制種與混播制種（圖1）。由于寬播幅比制種和行比制種在制種過程中存在程序復雜、制種成本高、制種產量低等問題，主要應用于三系雜交小麥不育系擴繁。Wilson［10］在1997年提出一種降低制種成本的雜交小麥混合制種方法，制種過程中，在母本種子中物理性混入一定比例的父本種子，為母本提供足夠花粉，減小花粉在授粉過程中的移動距離，進而提高母本異交結實率和制種產量。據報道，與（20∶80）-（50∶50）行比制種相比，混播制種模式可使產量增加46%-76%［11］?；觳ブ品N可作為雜交小麥制種選擇的主流方法。但是，由于混播制種模式中混入了少量父本種子，從而影響了雜交種純度，為了在混播制種過程中提高制種產量和種子純度，雜交小麥育種工作者開展了一系列關于混播制種純度和制種產量相關的研究?；觳ブ品N產量不僅與混入父本比例有關，還與田間管理和制種親本本身異交特性密切相關；即與母本自身接受花粉的能力和父本散粉能力強弱有關；田間管理主要通過激素調控母本穎殼開張和柱頭活力來提高異交結實率和田間機械去除父本提高種子純度。2016年，美國內布拉斯加州雜交小麥混播制種產生雜交種僅占該州小麥種植面積的2.4%［12］。一項高產高效小麥制種技術的推廣應用，不僅需要優異親本材料與輕簡田間制種模式相適應，還要適宜小麥雜交種種子生產標準和高效種子純度檢測方法。本文重點論述了不同制種親本性狀、制種模式、田間管理方法及種子生產標準對制種產量及雜交種推廣的影響，并對雜交小麥制種發展方向進行了展望，為今后雜交小麥制種親本的選育及高效制種方法的選擇提供一定的思路和方法。

圖1 雜交種的生產方法Fig.1 Production methods of hybrid seeds

1 國內雜交小麥制種研究現狀

雜交種生產作為雜交小麥大面積推廣應用的一個重要環節。為了保證雜交種純度，國內主要進行行比制種，制種程序繁瑣，制種成本高，雜交小麥新品種推廣面積較小。隨著雜交小麥制種親本材料的多樣化，國內雜交小麥制種技術也逐漸表現出簡易、高效、低成本的特點。云南省農業科學院糧食研究所以光溫敏為特性的不育材料為重點，采用行比分期播種的制種方法，建立了一套簡易、高效、實用的雜交小麥制種技術［13］。由于光溫敏二系雜交小麥制種環境受光照和溫度影響較大，在制種前，首先要選擇適宜制種區域，雜交制種播種方式，親本材料種植密度和授粉時間都是雜交制種的關鍵技術。中國二系雜交小麥制種區域已經涉及四川、云南、安徽、河南等地，制種產量可以達到4 200-4 650 kg/hm2，制種純度保持在96%-99%［14］。聶迎彬等［15］在新疆對選育的AL 型三系雜交小麥新品種新冬43 號開展了行比制種研究，制種產量達4 500 kg/hm2，超過了目前雜交小麥行比制種產量平均水平。混播制種作為雜交小麥特殊的制種方式，多個雜交小麥育種單位已經開始小面積制種研究。北京市農林科學院趙昌平研究團隊開展二系雜交小麥混播制種，制種產量達6 000 kg/hm2，較行比制種產量增產10%［16］。但是，混播制種生產雜交種純度仍然是影響雜交小麥新品種大面積推廣的主要因素。

2 母本特性對雜交小麥制種產量的影響

小麥是自花授粉作物，小麥常規栽培品種的異交率最高為6.05%［17］。小麥雜交制種是通過異交結實，母本異交結實率與制種產量呈正相關，在小麥雜交制種過程中，母本異交結實率與小花開花時間長短呈正相關性［18］。母本異交結實率受穎殼開張角度、柱頭外露、柱頭活力時長、穎殼開張持續時間、小花二次開放時間影響較大。一般認為，穎殼開張角度、柱頭外露和穗下節長度是影響小麥不育系異交結實性的主要因素［19］。小麥母本柱頭長短決定了在小麥穎殼張開時，柱頭外露率大小，決定了母本接受外來花粉的能力。研究表明，小麥柱頭大小為2.13-5.2 mm 時，小麥外來花粉接觸到母本柱頭就會在表面萌發。母本柱頭活力對授粉成功率有較大影響，在小麥開花后母本柱頭活力時間與小花受精率呈正相關，研究表明，小麥柱頭的有效活力為2-13 d，而接受外來花粉最強時間為2-5 d［20-21］。小麥柱頭活力大小受外界因素影響較大，小麥開花時的溫度和濕度影響柱頭活力時間，溫度越高、濕度越小柱頭活力持續時間越短。田笑明研究員團隊在新疆石河子地區，對2 個異交結實率不同的AL 型細胞質雄性不育系單穗逐日小花開花時間和柱頭活力研究發現，小麥單穗柱頭活力持續時間為2-15 d。小麥內外穎尖張開角度大小可顯著影響母本異交結實率（數據未發表）。小麥穎殼張開時，不同材料之間2 個前后小花穎片開張角度為16-40°，穎殼開張時間存在明顯差異，小麥穎殼張開時間為12-20 min，而小麥開花時間為11-66 min［22-23］。小麥開穎率與母本的總異交結實率極顯著正相關（R=0.831 4），說明開穎率是決定小麥不育系異交結實率的關鍵因素之一［24］。由于小麥小花開花時間受光照和溫度的影響較大，小麥上午開花后，如果未與外來花粉受精，在下午可進行二次張開，這樣二次開花可以持續2-3 d［25］。雜交小麥結實率是一個遺傳變異中等到高的性狀，同時受父本和母本共同性狀的影響［26］。針對不育系異交性狀開展全基因組選擇和分子標記選擇多性狀聚合育種，把多個有利于異交結實相關性狀聚合到育種材料中，可以提高雜交小麥制種產量。

3 父本對雜交小麥制種產量的影響

小麥雜交制種過程中父本為母本提供花粉，母本的異交結實率與接受父本花粉數量、質量和時間呈正相關。雜交小麥制種過程中，父本開花相關多個性狀影響母本異交結實率和制種產量。父本花藥外露率、花藥大小、花藥中花粉數量、花粉活性等均對母本異交結實率有較大影響。目前，通過分子生物學技術可進行多個制種結實相關基因研究。Boeven 等［27］采用全基因組選擇方法，可在后代材料中對花藥外露性狀進行選擇，準確率達0.7。譚照國等［28］已經成功克隆了花藥開裂相關基因TaBG，過量表達該基因影響小麥花藥的開裂，影響親本BS336 花藥的散粉能力。通過開發該基因相關的功能標記對恢復系父本材料進行分子輔助選擇，能快速準確選育出含有花藥外露率高的親本材料。小麥花藥外露有助于花粉漂移，提高母本授粉機率，小麥花藥破裂后，花粉在漂移過程中其活性表現出逐漸降低的趨勢。研究表明，小麥散粉初期花粉?；钚詾?1%-98.6%［29］；而小麥花粉活性和當時的環境有關系，當田間溫度為20℃，相對濕度為60%時，小麥花粉可存活30 min［21］?；ǚ蹚幕ㄋ幤屏押螅绻从龅竭m合萌發的環境，可借助風力進行二次傳粉授粉，這也為雜交小麥制種過程中人工輔助授粉提供可能。小麥花藥大小決定了散粉時花藥內部所含有花粉粒數量，單個花藥長度為3.0-5.1 mm［30］。小麥在進化過程中形成了自花授粉模式，在每朵小花中含有3 枚花藥，每個花藥中含有超過10 萬粒花粉，當一個花藥破裂時，可足以提供多個開放小花的授粉。因此，在小花開放時，僅有部分花藥破裂提供花粉，品種之間差異較大。前人研究花藥的破裂率為14.1%-93%［31］，小麥花絲長度與花藥散粉的數量呈顯著正相關（R=0.794），花藥外露率與空氣中的花粉數量亦呈顯著正相關（R=0.818），為小麥異花授粉創造了條件［32］。選擇含有花藥破裂率高的親本材料作為父本，增加授粉過程中的花粉量，提高母本異交結實率。為了增加父本花藥破裂后花粉萌發的概率，在強優勢雜交組合父母本花期選擇時，父母本散粉日期的選擇應該是“母等父”，選擇母本開花期比父本早2-3 d，母本穗穎殼張開柱頭外露。父本花藥破裂后，花粉的漂移主要靠風力推動，由于小麥花粉較其他作物花粉大而重，直徑約為60 μm，在無風條件下，小麥花粉粒以約60 μm/s的速度下沉，小麥90%的花粉都落在6 m 范圍內［33］。為了增加花粉的漂移距離，在制種親本選擇時父本株高較母本株高高出20 cm 以上，可以提高花粉授粉率。

4 栽培技術對雜交小麥制種產量的影響

利用制種組合父母本開花習性，選用合理制種方法和栽培技術可顯著提高雜交小麥制種產量。在三系雜交小麥不育系繁殖過程中，由于不育系和同型保持系揚花期和株高一致，無法在同期播種做到“母等父”。為了改變父母本的花期，提高母本結實率，噴施不同濃度植物激素和微肥，促使母本開花期提前，穎殼張開，柱頭活力時間延長，等待父本花藥開裂進行授粉，有助于提高小麥的制種產量。趙穎等［34］在小麥制種過程中給不育系小麥噴施烯效唑、0penau、硼肥3 種化學物質，開穎角度明顯增加，異交結實率提高6.6%，制種產量可提高22.2%。噴施一定量的“920”可以使不育系提早抽穗，延長柱頭的授粉能力［35］。陳世雷等［18］將多效唑和赤霉素配合使用，使成穗數、株頭外露率、雌蕊長度和穎殼張開角度分別增加24.88%-66.51%、0.88%-4.57%、2.64%-6.16%和6.93%-14.35%，從而提高異交結實率和制種產量。父母本株高差對制種產量有一定的影響，為了提高父母本的株高差，在小麥起身期，給母本噴施一定量矮壯素，降低母本株高，給父本噴施一定量赤霉素，提高父本株高，增加父母本株高差約20 cm，提高母本結實率。因此，根據制種親本，采用特性選用合理藥劑和田間管理方式可提高母本的異交結實率和制種產量。

在雜交小麥制種過程中，采用人工輔助授粉可顯著提高制種產量。秦志列等［36］研究發現，在不育系花后4-8 d 進行輔助授粉，可顯著提高母本的異交結實率。目前，雜交小麥制種時采用的輔助授粉方式有多種，王拯等［37］在混播制種過程中，通過對竹竿、繩子、汽油噴藥器和施藥直升機進行輔助授粉，發現直升機和繩子輔助授粉可顯著提高制種產量，通過成本計算，直升機輔助授粉效率最高、成本最低。在人工輔助趕粉過程中，合理的趕粉時間和次數對制種產量有較大的影響，小麥母本（不育系）開花后，穎殼一直張開直到授粉或柱頭失去授粉能力后關閉；父本每天有上午和下午2 次開花高峰期，有時甚至到18：00 時仍有開花，因此，趕粉次數越多產量增加越多［38］。在適宜的時間段選用合理的趕粉方式可有效提高制種產量。

5 不同制種模式對雜交種產量和純度的影響

雜交小麥雜交種純度影響了雜交組合雜種優勢和商業化應用。為了保證雜交種制種純度，目前生產上采用行比制種方法，在收獲時，對父本和母本分別收獲，雖然能保證收獲雜交種純度，但是制種產量低，制種成本高。因此，針對提高行比制種產量開展相關研究，不育系播幅對制種產量的影響，周維等［39］用化殺法在關中灌區對西雜一號開展行比制種，制種田以選擇2 行父本、6-9 行母本的行比播幅組合為佳。楊木軍［40］對“二系”雜交小麥云雜5、6 號的最佳行比制種進行研究發現，父母本行比最佳比例為2∶6 時，制種產量和效益達到最佳，阮任武等［41］在行比制種過程中氮肥使用量研究發現，雜交新組合父母本行比為（2∶5）-（2∶6）、氮肥施用量為300-450 kg/hm2的處理為最佳。由于雜交制種親本特性不同，導致不同制種組合需要不同制種技術相適應。

為了適應雜交小麥大面積推廣應用，混播制種模式逐漸應用于小麥雜交制種?；觳ブ品N雖然提高了制種產量，降低了制種成本，但是種子純度明顯降低。針對混播制種體系開展研究，首先進行制種親本種質資源創新，柯杰［42］對河南雜交小麥最新研究進展進行報道，茹振鋼將對苯磺隆敏感致死基因導入不育系，花后壞死基因導入恢復系，開展混播制種進行不育系的擴繁和雜交制種使種子純度達到98%以上。在水稻中已成功開展了藥劑去除父本的混播制種研究，在父本恢復系中導入攜帶除草劑（苯達松）敏感基因，制種時在母本中混入少量父本，在授粉結束后噴施除草劑苯達松殺除父本，而未攜帶該基因的母本可以正常生長，在收獲時可進行混合收獲［43］，雜交小麥可借鑒該方法，開展混播制種。在雜交小麥制種過程中，采用機械去除父本穗開展混播制種，在親本材料選擇方面選擇父本抽穗一致，株高較母本高20 cm，在母本中混入一定量父本，在父本授粉結束后采用機械割除高于母本穗的父本，也可達到較高雜交種純度。通過父本和雜交種種皮之間顏色差異，在混播制種后進行混收，采用色選機進行篩選雜交種中的父本籽粒，從而提高雜交種的種子純度。上述幾種制種方法雖然去除了混播制種過程中的父本，由于除草劑藥效和父本植株發育不齊，父母本生育期之間的差異，造成父本去除后仍有小部分父本穗混在母本群體中，可影響雜交小麥雜交種純度和穗層整齊度。在混播制種過程中，混入父本比例對制種產量和純度均有一定影響，Nie 等［44］采用3 個不同異交結實率和開花期的雜交組合開展不同混播比例對制種產量和純度研究，在混入恢復系種子比例6%-8%時，制種產量和純度均達到最佳。因此，開展混播模式制種研究不僅需要對親本種質資源進行研究，還需要對制種過程中的混入比例進行研究，確定最優父本比例從而使產量和純度達到最佳。

6 小麥雜交種子純度檢測

應用農作物的雜種優勢，種子純度是非常重要的［45］。由于雜交種生產過程中容易產生父本生物學和機械混入，導致雜交種純度降低。因此，建立一套快速、簡單、準確的雜交小麥種子純度檢測方法十分必要。雜交小麥種子檢測方法經歷生態學鑒定、生理生化鑒定和分子標記鑒定3 個階段。生態學鑒定雖然簡單、直觀，但周期長、費時費工且易受環境影響，具有很大的局限性。利用雜交種之間的蛋白差異，通過酸性聚丙烯酰胺電泳建立不同品種之間的蛋白譜，從而鑒定雜交種純度。趙偉等［46］利用種子麥醇溶蛋白通過酸性聚丙烯酰胺凝膠電泳對西雜一號、西雜三號、西雜五號建立標準圖譜庫，可進行雜交種純度鑒定。目前，采用親本特異序列開發分子標記，建立雜交種純度快速檢測方法。雜交小麥標記開發主要是利用恢復系上特異恢復基因和不育系上不育基因特異序列開發功能性分子標記，桂安勝等［47］以CMS-AL 型為親本材料，采用BSA和SSR 標記，精確定位出了1B 染色體上恢復基因在Xgwm413和Xbarc8之間，Nie 等［44］采用Xbarc8標記，在AL 型三系雜交小麥新品種新冬43 號中混入不同比例恢復系，建立了三系雜交小麥純度檢測回歸方程，可用于AL 型雜交小麥雜交種純度的快速檢測。Tiwari 等［45］對已經準確定位的20 對恢復基因SSR 標記，在40 個雜交小麥雜交種和14 個親本上進行準確性驗證，發現有8 個標記可準確鑒定出雜交種和親本材料，說明SSR 標記可進行雜交種純度間鑒定。隨著雜交小麥不育系和恢復系相關主效基因的定位克隆，相關功能基因分子標記已經逐漸應用于雜交小麥育種的輔助選擇和雜交種純度鑒定，目前，實時熒光定量PCR 檢測方法用于雜交種純度的檢測，檢測時可進行混樣PCR 檢測，可大大減小檢測工作量。但是，部分定量檢測體系和功能序列開發仍然需要進一步優化，未來種子純度檢測技術可在該領域有所突破。

7 展望

7.1 創制新型親本材料，簡化雜交小麥制種程序

分子技術已經成功應用于雜交小麥育種過程，采用分子技術創制出一批適宜雜交小麥制種的親本材料，通過相應田間管理技術，可以不斷簡化雜交小麥制種程序，提高制種效率，降低制種成本。目前，已經基于提莫菲維小麥CMS 系統1A、7D、1B、6B、6D、5D、7B 和2D 染色體上成功定位8 個恢復基因（Rf1-Rf8）［48-49］，通過對多個不育恢復基因定位和克隆，采用分子輔助聚合育種使多個恢復基因聚合在恢復系中，使新選育恢復系恢復力明顯增強，提高雜交種自交結實和產量。采用轉基因、基因編輯等技術已經成功創制適合雜交小麥制種的種質資源，如恢復系敏感除草劑［50-51］、花后壞死基因導入恢復系、不育系葉色［52］、種皮顏色［53］、籽粒形狀差異［54］明顯的材料，已被逐漸運用于作物制種研究。閆文利［55］在恢復系中導入除草劑苯磺隆敏感基因（tsl），在父本授粉結束后，采用除草劑去除父本，可顯著提高雜交種種子純度。由于小麥是分蘗作物，每個分蘗穗之間發育存在差異，對除草劑敏感性存在差異，應該進一步了解分蘗穗差異對制種產量和純度的影響，在田間管理過程中盡量減小分蘗穗之間的生理差異，可以進一步提高制種產量和純度［40］。通過分子技術定向育種可以創造出雜交種籽粒大小、種皮顏色之間差異明顯的親本，在混播制種后混合收獲，采用色選機和粒型篩選機進行區分父本和雜交種，簡化制種程序，提高雜交種純度。周杰強等［56］采用水稻不育系（千粒重：14 g）和恢復系（千粒重：28.2 g）為親本材料，選育水稻新品種卓兩優141 進行混播制種研究，由于籽粒之間差異明顯，在制種收獲后采用特制的狹長形篩孔篩子進行分離，實現雜種F1和父本種子的高效分離，實現水稻機械化制種。雜交小麥種質資源創新過程中可參照雜交水稻雜交種和父本籽粒形狀之間顯著差異，開展特異親本材料創制和相應制種加工技術相結合的方法，不斷簡化雜交小麥的制種過程，實現雜交種的機械化和商業化制種。

7.2 雜交小麥商業化和國家政策推動種子標準制定

由于水稻、玉米等大田雜交作物已經逐漸實現全球商業化，推動雜交制種技術的不斷革新。雜交小麥目前處于局部的生產應用階段，主要是由于缺乏適應大規模應用的強優勢雜交小麥新品種和成熟的規模化制種技術。光溫敏雄性二系雜交小麥制種受溫度影響較大、適宜制種的區域較狹窄、制種土地分散、高成本制種方式是限制雜交小麥快速發展的主要因素。在作物種子生產全球化的今天，一個強優勢雜交組合的推廣，不僅需要有一個高產、高效制種技術規程，還需要流程化強的種業公司推動和不斷投入，在制種過程中不斷降低制種成本，提高種植雜交種生產帶來的收益，從而達到雜交小麥的大規模應用。另一方面，目前，小麥的播種方式仍然處于“條播”狀態，無法使單粒種子效應發揮到最大，致使部分小麥種子浪費，無法實現“種產比”最大化。小麥雜交種較常規品種具有較強的雜種優勢，為了使雜交種的雜種優勢表現出來，可以適當減少播種量，使小麥播種實現“精播”，可降低雜交小麥的用種子成本，加快雜交小麥品種的應用。小麥常規品種大田生產用種純度為99.9%，雜交小麥作為一種新型小麥品種，種子生產純度無法達到常規種的水平。因此，需要抓緊制定小麥雜交品種生產用種的種子標準，參考玉米、水稻雜交作物生產用種純度≥96%，可適度降低雜交小麥品種用種純度，降低雜交小麥用種成本。

8 結論

開展小麥雜種優勢利用是小麥發展的重要方向。應該像當年雜交水稻攻關一樣，在全國范圍內整合雜交小麥的育種技術力量，開展多家育種單位和種業聯合的雜交小麥育種和產業化關鍵技術攻關。利用多功能分子生物學技術，開展多組學與基因編輯技術相結合的選育方法，加快挖掘出能顯著提高制種產量和小麥雜種優勢的外源功能基因并加以利用，從而選配出雜種優勢強、制種產量高的雜交小麥新組合。

雜交小麥的商業化育種有助于加快育種和制種技術不斷創新。尤其是制種技術集成和應用方面，制種技術商業化可以使單一雜交種制種更加集中，田間管理更加趨于標準化，減小目前小規模制種選用隔離區和田間管理方面帶來的浪費。目前，國家沒有出臺雜交小麥大田種子生產使用標準，若仍然使用常規小麥種子標準，這樣相對于水稻和玉米稀植等大田作物的雜交種使用標準就有所偏高，增加了雜交小麥制種和用種成本。在雜交小麥商業化后國家應加快出臺小麥雜交種的使用標準，有助于雜交種快速生產應用。