水稻光温敏核不育系育性敏感期高温对异交特性的影响

王明，刘烨，张海清*，刘爱民，肖层林，唐荣，杨永标，蒋凌云，李雪雪

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南隆平种业有限公司，湖南 长沙 410006)

水稻光温敏核不育系育性敏感期高温对异交特性的影响

王明1，刘烨1，张海清1*，刘爱民2*，肖层林1，唐荣1，杨永标1，蒋凌云1，李雪雪1

(1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.湖南隆平种业有限公司，湖南 长沙 410006)

以培矮64S、Y58S、广占63-2S、H638S为材料，R527为恢复系，在育性敏感期利用人工气候室以24、27、30、33、36 ℃5个温度连续处理6 d，以田间自然温度条件作对照(CK，平均温度29.8 ℃)，研究温度对不育系幼穗生理生化特性和抽穗开花期异交特性的影响。结果表明：培矮64S和Y58S在27 ℃处理时柱头总外露率最高，分别为86.81%、86.06%，广占63-2S和H638S在24 ℃处理时柱头总外露率最高，分别76.24%、81.76%；4个不育系的柱头活力系数均在24 ℃处理时表现最好，分别为1.96、2.12、1.74、1.94；培矮64S 、广占63-2S和H638S在24 ℃处理时异交结实率最高，分别为58.87%、54.22%、50.50%，Y58S在27 ℃处理时异交结实率最高，为58.96%；33 ℃处理时，4个不育系的过氧化物酶(POD)活性显著高于对照；36 ℃处理时，4个不育系丙二醛(MDA)和脯氨酸的含量显著高于对照。综合以上结果，培矮64S育性敏感期以24 ℃处理较好，Y58S、广占63-2S、H638S育性敏感期以27 ℃处理较好。

水稻；光温敏核不育系；育性敏感期；温度；异交特性；生理生化特性

水稻的异交特性主要包括抽穗特性、开花习性、柱头特性等，这些特性除受自身遗传和栽培技术影响外，还受环境因素的影响[1-4]。由于全球气候变暖，在水稻生产过程中遇到高温天气的概率增加，严重影响水稻的产量和质量[5]。长江流域夏季易出现连续极端高温天气，造成水稻大面积的减产[6-8]。BAKER等[9]的研究结果表明，在日最高温(28～34 ℃)、夜最低温(21～28 ℃)时，温度每增加1 ℃，水稻产量下降 7%～8%。闫浩亮等[6]研究认为，杂交水稻制种对温度的敏感性比普通水稻更高，更容易受高温的影响。SATAKE等[10]研究报道，在水稻开花期温度高于 35 ℃会造成结实率大幅度下降，导致水稻减产；也有研究[11]认为，在水稻温度敏感期受35 ℃高温胁迫 1 d，水稻的结实率显著下降，且胁迫的温度越高，时间越长，下降幅度越大。

为保证在制种过程中不育系能安全度过育性敏感期，科技工作者进行了大量研究，但在育性敏感期(幼穗分化第Ⅵ期即花粉母细胞减数分裂期前后)即水稻高温敏感期[9]温度对不育系异交特性影响的研究鲜见报道。本研究中，以培矮64S、Y58S、广占63-2S、H638S为试材，在育性敏感期，设置不同温度处理，研究其异交特性和生理生化特性，探索杂交水稻制种光温敏核不育系育性敏感期的适宜温度，现将结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 材料

供试水稻为光温敏核不育系培矮 64S、广占63-2S、Y58S、H638S，恢复系R527。种子均由湖南隆平种业有限公司提供。

1.2 方法

试验于 2015—2016年在湖南农业大学试验基地进行。H638S于4月5日播种，培矮64S、广占63-2S、Y58S于4月25日播种，恢复系R527分别于4月5日、4月12日、4月19日播种。不育系于4.5～5.5叶移栽，株行距14 cm× 17 cm。恢复系于5～6叶移栽，株行距25 cm×30 cm。 父、母本均人工单本栽植。其他栽培管理参照两系杂交水稻种子生产体系技术规范(GB/T 29371.1—2012)。

人工气候室温度设 24、27、30、33、36 ℃ 5个水平(相对湿度为75%～80%)，植株冠层光通量密度为850 μmol/(m2·s)，以育性敏感期大田自然温度(平均温度29.8 ℃)作对照。在不育系主茎及大分蘖幼穗发育至Ⅱ～Ⅲ期时，选择生长发育进度一致的植株带泥移至盆内，每盆3株，使单株正常生长发育。在主穗及大分蘖穗幼穗发育到第Ⅴ期时开始处理，每个材料每种温度处理15盆，连续处理6 d。处理后选取Ⅵ期(叶枕±1 cm)单穗分别挂牌标记。在不育系见穗期喷施“九二○”，每667 m2喷施25 g，分2次喷施(质量比为2∶8)。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 柱头外露性状的考查

选取终花挂牌的不育系单穗 20个，考查单边柱头外露数、双边柱头外露数、总颖花数，统计柱头总外露率、双边外露率、单边外露率。柱头总外露率为柱头外露总颖花数与已开总颖花数的百分比；双边柱头外露率为双边柱头外露颖花数与已开总颖花数的百分比；单边柱头外露率为单边柱头外露颖花数与已开总颖花数的百分比。

1.3.2 柱头活力的测定

盛花期，每个不育系选取 21个挂牌的单穗，当天下午剪去已开花的颖花，留下当天自然开放的颖花，套袋。从第2天开始，用恢复系R527对每个不育系进行饱和授粉，连续授粉 7 d。每天每个不育系授粉3个穗子。授粉后继续套袋。考查每个穗子的结实率，计算每个不育系每天的结实率。每天的结实率反映柱头活力，参照文献[12]的方法计算柱头活力系数(颖花开花后第2～4天的结实率与开花当天结实率的比值)。

1.3.3 异交结实率的考查

开花期，每天进行2次人工辅助授粉，15 d后考查异交结实率。

1.3.4 生理生化指标测定

不育系处理完后，采集发育进度一致的单穗(Ⅵ期末，叶枕±1 cm)，立即用液氮固定，于－80 ℃的冰箱中保存，用于生理生化指标的测定。每个处理20穗。过氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量的测定参照李合生等[13]的方法；脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法[14]。

1.4 数据分析

数据采用Excel 2007和DPS 7.05软件进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 育性敏感期温度对柱头外露率的影响

由表1可知，温度高于27 ℃时，培矮64S、Y58S和广占63-2S随温度的上升，柱头总外露率呈下降趋势，其中，培矮64S在27℃处理时柱头总外露率较高，为86.81%，显著高于其他处理和对照；广占63-2S在24 ℃和27 ℃处理时柱头总外露率较高，分别为76.24%、75.34%，2处理间差异不明显，但分别显著高于其他温度处理和对照；Y58S以27 ℃处理柱头总外露率最高，为86.06%，显著高于其他温度处理和对照。H638S随着处理温度的上升，柱头总外露率呈下降趋势，以 24 ℃处理最高，为81.76%，极显著高于其他处理和对照。30 ℃处理虽与对照温度(29.8 ℃)接近，但除广占 63-2S外，其他不育系柱头总外露率均显著低于对照。不育系各温度下柱头双边外露率和柱头单边外露率的表现也不一样。以上分析可知，不育系间对温度敏感性表现存在差异，培矮64S和广占63-2S以24、27 ℃处理柱头总外露率表现较好，Y58S以27 ℃处理较好，而H638S以24 ℃处理较好。

表1 育性敏感期不同温度下不育系的柱头外露率Table 1 Stigma exsertion rate of sterile lines at different temperature during fertility sensitive period %

2.2 育性敏感期温度对异交结实率和柱头活力的影响

由表2可知，各温度处理均表现为第1天的异交结实率较高，随着开花后时间的增加，异交结实率呈逐日降低的趋势，且处理温度越高，异交结实率随开花后时间增加下降越快。培矮 64S和广占63-2S均在 24、27 ℃处理的异交结实率较高，且各品种2温度处理间的差异不明显，但分别显著高于其他处理和对照，培矮64S在24、27 ℃处理的异交结实率分别为 58.87%、57.51%，广占 63-2S在 24、27 ℃处理的异交结实率分别为 54.22%、53.69%；Y58S以27 ℃处理的异交结实率最高，为58.96%，显著高于其他处理和对照，33 ℃和36 ℃处理的异交结实率分别为35.24%和35.85%，显著低于对照(50.56%)；H638S以 24 ℃处理的异交结实率最高，为50.50%，显著高于其他处理和对照，33 ℃和 36 ℃处理的异交结实率分别为 27.51%、27.17%，显著低于对照。30 ℃处理虽与对照温度(29.8 ℃)接近，但4个不育系的异交结实率均表现为对照的显著高于30 ℃处理的。由上述分析可知，培矮64S和广占63-2S以24、27 ℃处理异交结实率较高，Y58S以 27 ℃处理的异交结实较高，而H638S以 24 ℃处理的较高。温度高于 30 ℃均对异交结实造成不利影响。

4个不育系的柱头活力系数随处理温度的升高呈下降的趋势，不育系间表现有差异。4个不育系以24 ℃处理的柱头活力系数最大，分别为1.96、2.12、1.74、1.94， 以33 ℃和36 ℃处理的柱头活力系数较小，其中，培矮64S和H638S在30 ℃处理的柱头活力系数仍保持较大，分别为1.89、1.85，与24 ℃处理相比，培矮64S和H638S在33 ℃处理时的柱头活力系数大幅下降，分别下降25.51%、8.24%，且均低于对照；与 24 ℃处理相比，Y58S和广占63-2S在30 ℃处理时的活柱头力系数大幅下降，降幅分别为16.98%、6.89%。30 ℃处理虽与对照温度(29.8 ℃)接近，但4个不育系柱头活力系数均低于对照。由上述分析可知，培矮64S和H638S以 24、27、30 ℃处理的柱头活力系数表现较好，而Y58S和广占63-2S以24、27 ℃处理的柱头活力系数表现较好。

表2 育性敏感期不同温度下不育系的异交结实率和柱头活力系数Table 2 Out-crossing rate and vibility coefficient of stigma of sterile lines at different temperature during fertility sensitive period

2.3 育性敏感期温度对幼穗MDA含量的影响

由表3可知，4个水稻光温敏核不育系MDA含量随着处理温度的升高而呈上升趋势。培矮64S以24、27 ℃处理的MDA含量较低，分别为4.11、4.93 nmol/g，广占63-2S以24、27 ℃处理的MDA含量较低，分别为4.91、4.94 nmol/g，H638S 以24、27 ℃处理的MDA含量较低，分别为4.74、5.27 nmol/g；Y58S以24、27、30 ℃处理的MDA含量较低，分别为5.03、5.71、5.99 nmol/g，且处理间差异无统计学意义，但33 ℃处理MDA含量为8.17 nmol/g，显著高于24、27、30 ℃处理的。30 ℃处理与对照温度(29.8 ℃)接近，培矮64S和H638S 在30 ℃时的MDA含量与对照差异不显著，而Y58S和广占63-2S在30 ℃时的MDA含量显著高于对照。

表3 育性敏感期各温度处理下幼穗的MDA含量Table 3 MDA co ntent of yo ung pan icle d uring f ertility s ensitive period under different temperature

2.4 育性敏感期温度对幼穗POD活性的影响

由表4可知，培矮64S和Y58S幼穗的 POD活性随着处理温度的升高呈先下降后上升再下降的趋势，而广占63-2S和H638S幼穗的 POD活性随着处理温度的上升呈先上升后下降的趋势。4个不育系均以 33 ℃处理的 POD活性较高，分别为36.89、37.15、34.32、33.22 U/(g·min)，显著高于其他处理和对照的，36 ℃处理的POD活性呈下降趋势。30 ℃处理虽与对照温度(29.8 ℃)接近，但除Y58S外，其他不育系幼穗的POD活性均显著高于对照。

表4 育性敏感期各处理温度下幼穗的POD活性Table 4 POD ac tivity of y oung p anicle dur ing fe rtility se nsitive period under different temperature

2.5 育性敏感期温度对幼穗脯氨酸含量的影响

从表5可知，培矮64S在24、27、30 ℃处理时的脯氨酸含量较低，分别为20.02、22.38、23.43 μg/g，且处理间无显著差异；Y58S在24、27、30 ℃处理时的脯氨酸含量较低，分别为 26.63、25.41、24.97 μg/g，且处理间无显著差异；广占 63-2S在24、27 ℃处理的脯氨酸含量较低，分别为12.55、14.29 μg/g，且处理间差异不明显；H638S以24、27 ℃处理的脯氨酸含量较低，分别为13.24、13.63 μg/g，且处理间差异不明显；4个不育系均以36 ℃处理的脯氨酸含量最高，分别为31.97、35.79、31.66、25.46 μg/g，显著高于对照和24、27、30 ℃处理的脯氨酸含量。30 ℃处理虽与对照温度(29.8 ℃)接近，但除培矮64S，其他3个不育系的脯氨酸含量均与对照差异不明显。

表5 育性敏感期各温度处理下幼穗的脯氨酸含量Table 5 Proline content of young panicle during fertility sensitive period under different temperature

3 结论与讨论

水稻花粉母细胞减数分裂期前后(光温敏核不育系育性敏感期)对温度极为敏感，高温易对柱头活力、异交结实率产生较大影响[15-16]。研究[17-18]表明，花粉母细胞减数分裂期前后高温胁迫下异交结实率的降低值与高温累加程度呈显著正相关；舒志芬等[19]的研究表明，不育系的柱头外露率、柱头活力等与制种异交结实率呈显著正相关关系。本研究结果表明，育性敏感期 30 ℃及以上温度不利于异交特性的表现，不育系间的表现存在差异；4个水稻光温敏核不育系柱头外露率、柱头活力以24、27 ℃处理表现较好，除Y58S异交结实率在27 ℃最高之外，其余3个不育系在24 ℃表现较好。对照温度虽与人工气候室设定的30 ℃相近，但4个不育系的柱头外露率、柱头活力系数均以对照处理表现较好，异交结实率也显著高于 30 ℃处理的。这可能是由于自然温度是变化的，昼夜温差较大，而人工气候室设定的是恒温，说明在一定温度范围内，变温比恒温更有利于柱头活力的保持和异交结实。

MDA含量是反映细胞膜过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标[20]。本研究结果表明，在33 ℃和36 ℃处理下，4个不育系的MDA含量大幅度上升，说明高温胁迫下幼穗膜脂过氧化程度加剧，这与汤日圣等[21]研究结果一致。POD是植物对膜脂过氧化的酶促防御体系中重要的抗氧化酶，能清除植物体内产生的有毒物H2O2。本研究结果表明，随温度升高，4个不育系POD活性呈先上升后下降的趋势。这说明温度上升的开始阶段，POD上升是对幼穗的一种保护反应，随温度的继续上升，POD活性下降，可能是高温对过氧化物酶产生了伤害所致。这与张桂莲等[22]的研究结果一致。研究[21,23-26]表明，在不同时期高温处理不同水稻品种的脯氨酸含量表现不一样。本研究结果表明，随着温度的上升，4个不育系幼穗脯氨酸含量均呈上升趋势，高温胁迫下脯氨酸含量显著增加，这与崔娜等[23]的研究结果一致。

利用水稻光温敏核不育系制种，既要考虑不育系安全度过育性温度敏感期的问题，又要考虑温度对不育系异交特性的影响，因此，应根据不育系育性敏感期最适温度来选择适宜的制种基地和季节，避免高温对光温敏核不育系制种的影响。本研究中的4个不育系育性转换临界温度不同，培矮64S的育性转换温度低于23.3 ℃，Y58S的育性转换温度低于23 ℃，广占63-2S和H638S的育性性转换温度为 23.5 ℃左右。综合考虑水稻光温敏核不育系异交特性和育性敏感期的温度安全，建议培矮64S育性敏感期以24 ℃处理较适宜，Y58S、广占63-2S和H638S育性敏感期以27 ℃处理较适宜。

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责任编辑：尹小红

英文编辑：梁 和

Effect of high temperature on outcrossing characteristics at the fertile sensitive stage of photo thermo sensitive genic male sterile (PTGMS) rice lines

WANG Ming1, LIU Ye1, ZHANG Haiqing1*, LIU Aimin2*, XIAO Cenglin1, TANG Rong1,YANG Yongbiao1, JIANG Lingyun1, LI Xuexue1
(1.College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Longping Seed Co.Ltd.,Changsha 410006, China)

Four sterile lines (Peiai64S, Y58S, Guangzhan63-2S and H638S) and the restorer line R527 were used as materials. Five temperature gradients(24, 27, 30, 33 and 36 ℃ in artificial climate chamber) and the natural temperature(as control)were treated to the four sterile lines for 6 days at the fertile sensitive stage of heading to flowering stage respectively, to study the effect of temperature on physiological biochemical characteristics of young spike and outcrossing characteristics. The results showed that the stigma exposure rates of Peiai64S and Y58S were highest at 27 ℃,which were 86.81% and 86.06% respectively, while the stigma exposure rates of Guangzhan63-2S and H638S were highest at 24 ℃, they were 76.24% and 81.76%; the stigma vitalities of Peiai64S, Y58S, Guangzhan63-2S, and H638S were best at 24 ℃, which were 1.96, 2.12, 1.74 and 1.94, respectively; the outcrossing rates of Peiai64S,Guangzhan63-2S and H638S were highest at 24 ℃, which were 58.87%, 54.22% and 50.50% respectively, while the outcrossing rate of Y58S was highest at 27 ℃, which was 58.96%; the content of peroxidase (POD) of four sterile lines increased significantly at 33 ℃ compared with the control, while the content of malondialdehyde (MDA) and proline increased significantly at 36 ℃ compared with the control. There were differences in temperature sensitivity between the male sterile lines, 24 ℃ treatment during the sensitive period was the best for Peiai64S fertility-sensitive period, while27 ℃ was the best temperature for Y58S, Gangzhan63-2S, H638S.

rice; photo and thermo sensitive male sterile line; fertility-sensitive period; temperature; outcrossing characteristics; physiology and biochemistry

S511.01

A

1007-1032(2017)04-0347-06

2017-01-10

2017-06-07

国家科技支撑计划项目(2014BAD06B07)；湖南省财政厅农业专项；湖南省创新项目(XCX15148)

王明(1989—)，男，湖南永州人，硕士研究生，从事杂交水稻种子生产应用研究，1103272952@qq.com；*通信作者，张海清，教授，主要从事种子科学与技术研究，hunanhongli@aliyun.com；*通信作者，刘爱民，研究员，主要从事杂交水稻种子科学与技术研究，liuaimin67316723@126.com