冬春温度变化对小麦温敏雄性不育系BNS的育性转换影响

秦志英，孙海燕，付庆云，卫 笑，巴爱丽，茹振钢, 李友勇

(1.河南科技学院 现代生物育种河南省协同创新中心，河南新乡 453003； 2.新乡市新良粮油加工有限责任公司，河南新乡 453200)

植物雄性不育是指一些植物的基因型，它的雄性器官发育不正常，不能产生正常有功能的花粉粒，但雌蕊发育正常，能接受外源的花粉受精而结实。植物雄性不育是植物杂种优势利用的重要途径，尤其对于自花授粉作物，是唯一途径，因此常把雄性不育系看作为这些植物利用杂种优势的“核心”材料。植物的雄性不育有多种类型，如质核互作“三型”不育，光温敏“二型”不育、化学杀雄“化杀”不育等[1]，其中“二型”不育类型不育性高，自身恢复性好，利用程序简单，是自花授粉作物最有利用潜力的不育类型，水稻杂种优势利用已成功利用了“二型”雄性不育[2]，目前小麦的研究重点也转移到该种类型上[3]。

BNS是一个对温度敏感的二型小麦雄性不育系[4-7]，它的幼穗分化期即对温度敏感，在较低(<8 ℃)温度下，小孢子发育受阻，花粉败育，在较高温度下(>8 ℃)，育性逐步恢复，部分小花结实，12 ℃以上温度，结实基本正常[8-10]，15 ℃以上温度，能显著促使BNS的育性转换[11]。

BNS不育和可育的育性转换调节非常简单，在河南辉县地区，10上旬播种的BNS，一般年份是高度不育的，自交结实率低于1%，10月中旬及以后播种，育性开始恢复，结实率逐步提高，到11月中旬播种，结实率达最高水平，继续推迟播期，由于生长期短，发育不充分，因此结实率有所下降，二系的水稻也有类似现象[12]。

虽然较多观察表明BNS不育和恢复特性稳定，但同时也发现，BNS自交结实率，不同年份有波动[4,9,13]，近些年还发现，个别年份在典型不育播期播种的BNS，自交结实率超过10%。

雄性不育系自交结实率的波动是一个非常值得关注的现象，因为自交结实率的上升意味着当该不育系用来生产杂交种时，F1代至少有同比例的种子是母本不育系，该比率极大影响F1种子的纯度，严重时种子生产失败[14]。小麦不育系不育性目前尚没有国家标准，水稻不育系纯度国家标准是99.9%[15]，一些地方标准套袋自交结实率是<0.05%，目前BNS波动的自交结实率远大于该标准。

为了保证BNS的安全利用，研究BNS的育性改变的原因有重要意义。BNS是温敏不育系，因此育性改变一定与温度改变有关。本试验将BNS从典型不育到恢复最高可育水平期间分期播种，测定各播期的套袋自交结实率，结合相应年份的温度气象资料，分析和探讨BNS自交结实率波动的成因，发现育性变化的规律，为杂交种生产中防控BNS自交结实率上升提供预测信息。

1 材料与方法

1.1 BNS的种植和自交结实率调查

BNS是原始BNS不育系，河南科技学院分子细胞遗传实验室每年套袋繁殖保存。对于BNS的种植，历年执行同一标准，即从10月1日开始，每8 d一个播期，到11月18日，共7个播期。BNS材料种植在河南辉县小麦育种基地(113°23′E，35°17′N)。田间种植方式为，行长3 m，行宽0.23 m，种植2行隔1空行，每播期种植20行以上。单粒播种。分蘖后标记主茎和第一分蘖。自交结实率的测定采用套袋法，抽穗后将标记的主茎和第一分蘖穗分别套羊皮纸带，每个播期套袋2行，40株左右。成熟后收取套袋穗，计数小穗数和结实粒数，每株取2穗的平均数。自交结实率的计算采用第1、2小花结实粒数计算法[3-6,16]，自交结实率=第1、2小花结实粒数/(2×总小穗数，指穗基部到顶端有籽粒的全部小穗数)×100%。连续6 a(2011-2012至2016-2017)的自交结实率整理后，对每个播期的自交结实率做年份间差异显著性检验，在0.01水平标记差异显著性[17]。

1.2 气象资料

温度气象资料来自新乡市气象局记录的标准气象资料数据，数据观测点距材料生长地约10 km，纬度相同。

1.3 穗分化观察

冬前在越冬期，翌春自返青后开始，取材BNS的主茎，观察穗分化时期。前中期个体发育慢，每7 d取材1次，到3月底后，温度高发育快，每3 d取材1次。取材和观察方法是，每次取田间标记的主茎穗2个，剥出幼穗，在实体镜下观察，按照崔金梅的小麦穗分化阶段形态划分[18]，记录穗分化时期。

2 结果与分析

2.1 BNS自交结实率

整理2011-2012至2016-2017共6 a的BNS自交结实率，比较每个播期的平均数年份间差异显著性检验，结果见表1。从表1可看出，BNS的自交结实率随播期的推迟而提高，这与相关报道的结果一致[4-10]；但同时还可看出，各播期自交结实率年份间存在差异，2015-2016年的自交结实率在6 a中最高，与其他年份的差异达极显著水平。2011-2012、2014-2015和2016-2017 3个年份自交结实率整体水平较低，2012-2013晚播的自交结实率较高，2013-2014年不育期播种的较高，后期可育期播种的自交结实率偏低。10月1日和10月9日2个典型不育播期播种的BNS，2015-2016年差异显著，其他年份虽然差异不显著，但自交结实率仍高于原种的异籽率水平(<0.05%)，只有2016-2017年度10月1日播期的BNS不育水平符合要求，其余年份和播期，不采取补救措施，杂交种生产将失败。

表1 2011-2012至2016-2017年7个播期的BNS自交结实率及平均数差异显著性检验Table 1 Self-fertility rate of BNS of different sowing dates from 2011-2012 to 2016-2017 and its test of difference significant among average of self-fertility rate of BNS %

注：“-”是由于取样失败而致的数据缺失；不同字母表示LSD分析在0.01水平差异显著。

Note： the “-” in the table is missing data caused by sampling failure;different letters within columns mean significantly different at 0.01 level by LSD.

2.2 冬春温度及其与结实率的联系

表2是2011-2012至2016-2017年的小麦生育期间的温度气象资料，有3个积温参数，一是BNS从播种到抽穗的总积温，该参数反映年份总温度水平。从表中可看出，2011-2012和2012-2013连续2 a总积温较低，属低温年份，后4 a属高温年份，积温都超过1 900 ℃·d。BNS的育性在高温下被诱导转换，但2014-2015、2016-2017是高温年份，自交结实率却在低水平，尤其2016-2017是最低的年份，说明BNS的育性转换并不完全与总积温相关；第2个参数是3月和4月份积温，该积温反映春季温度特征。3月份后BNS进入温度敏感期，因此，此阶段高温促使育性转换，低温不利于育性转换。杜黎君等[11]发现该阶段的15 ℃以上积温能显著促进BNS的育性转换，但表2和表1中显示3月和4月总积温与自交结实率也不完全相关，如2011-2012年，3月和4月份总积温很低，但自交结实率比2014-2015和2016-2017年高；第3个参数是负积温，负积温反映冬季温度状况。2014-2015和2016-2017两个年份负积温最小，而这两个年份的BNS是低自交结实率，尤其是典型不育播期，10月1日和10月9日的BNS，都在最低结实率水平。该相关性说明暖冬不利于BNS育性转换，而有利于不育性保持。

上述3个温度参数，单个指标不能构成温度与育性之间的有价值的联系，但如果把冬季温度、春季温度，以及个体发育结合起来，冬春温度对育性转换的影响就容易理解：第1种情况是暖冬。暖冬负积温小，个体发育快，因此到春季时进入温度敏感期早，若此时遇高温，将促进育性转换，但这种情况少见，暖冬年份春季往往温度偏低，即使是正常温度年份，暖冬使BNS在春季进入温度敏感期较早，因此，幼穗发育处于低温之下，育性不转换，自交结实率较低。2014-2015和2016-2017年即是该类型(图1)；第2种情况是寒冬，寒冬年份个体冬季生长停止，到春季温度回升后才开始生长，这样的年份BNS春季发育到感温期一定比暖冬年份晚，此时温度已回升，育性转换快，结实率升高，2011-2012年和2012-2013年即是该类型；寒冬若遇暖春年份，育性转换更快，自交结实率更高，2015-2016年是该类型的典型年份，寒冬暖春，两个高转换因素叠加，因此是最高自交结实率年份(图1)；第3种情况是冬季在平均温度水平，该类年份主要看春季温度，高温可使自交结实率偏高，低温使自交结实率偏低，2013-2014年是平均负积温，次年春季温度较高，因此有较高的自交结实率。

表2 2011-2012 到 2016-2017小麦生育期间两个区段的总积温和全年负积温Table 2 Total accumulated temperature and negative accumulated temperature during wheat development from 2011-2012 to 2016-2017 ℃·d

2.3 穗分化进程

暖冬、寒冬对BNS自交结实的影响是通过冬季生长量到春季进入温度敏感期的早或晚实现的。为了证明该推断，从2014年开始，连续3 a观察BNS的穗分化进程，结果见表3。从表3可看出，BNS 3个年份越冬前穗分化时期一致，是单棱末期，但到3月初，穗分化时期已明显拉开距离，2014-2015和2016-2017年，穗分化已进入小花分化期，而2015-2016年，3月初仅发育到护颖分化期(图1)，小花分化期延后到3月12日，比2014-2015和2016-2017年发育延迟1周以上。前期多数研究均认为BNS的温度敏感期是小花分化期到雌雄蕊分化期[4,10]，因此穗分化结果完全支持低结实率年份BNS进入感温期早，高结实率年份BNS进入感温期晚的生长发育机制。进入感温期晚，相当于推迟播种期。正是这种冬季温度影响下的生长发育差异，导致BNS进入温度敏感期的早晚差异，进而导致育性转换发生，从而影响到结实率。

a,b.2016年，寒冬，二棱后期和护颖分化初期 Late double ridge stage and glume differentiation stage in 2016(cold winter)；c,d.2017年，暖冬，小花分化初期和中期 Early and middle floret differentiation stage in 2017(warm winter)；e.2014-2015年，暖冬，10月1日播期的不结实穗 The sterile ears without grain of BNS sown on Oct. 1 in 2014(warm winter)；f.2014-2015年，暖冬，10月9日播期，中下部有小花结实 The sterile ears of BNS sown on Oct. 9 of 2014(warm winter), there are a few grains；g.2015-2016年，寒冬，中下部小花结实较多 The sterile ears of BNS sown in 2015(cold winter), there are more grains than in 2014；h.2016-2017年，暖冬，10月1日和9日播期的BNS，均高度不育 High degree sterile ears of BNS sown on Oct.1 and Oct. 9 in 2016(warm winter)

图1暖冬和寒冬年份不育播期的BNS在3月5日的穗分化时期和结实套袋的穗子
Fig.1SpikedifferentiationstagesonMarch5,andbaggedearsofBNSsowninsterilesowingdateinbothyearsofwarmandcoldwinter

表3 2014-2015至2016-2017年典型不育播期播种的BNS穗分化进程Table 3 Spike differentiation process of BNS in typical sterile sowing dates from 2014-2015 to 2016-2017

注：SR.单棱；DR.二棱;GD.护颖；FD.小花分化；PSD.雌雄蕊分化;AD.药隔形成。

Note：SR.single ridge;DR.double ridge;GD.glume differentiation;FD.floret differentiation;PSD.pistal and stamen differentiation;AD.anther differentiation.

3 讨 论

BNS是一个对温度敏感的“二型”小麦雄性不育系，典型不育播种期播种，花粉不育性稳定，不育彻底，但部分年份不育性波动严重。为了探明BNS不育性波动的成因，对近6 a的分期播种的BNS自交结实率和对应年份的冬春温度变化进行分析，得到有价值的结果。

3.1 年份间冬春温度改变显著影响BNS的育性转换

从观察结果可以看出，近6 a来，BNS的自交结实率不是常数，6 a的冬春温度也非一致。年份间同一时段温度变化是气温非周期性变化引起的。由于年份间总积温改变较小，近30 a不超1 ℃[19],因此，大气温度一定是一个时期较低，另一个时期较高。这种相互平衡的时期周期可能较短，如1个月内，也可能较长，如冬春之间，春夏之间等。这些改变对农作物来说，一般情况是影响生长发育速率进而影响到生育期，但对BNS来说，不仅影响生育期，而且影响育性转换。尤其是冬季温度不确定性改变，与春季温度配合，使BNS的自交结实率年份间出现显著差异。根据结果，一般规律和现象是，暖冬往往伴随春季总积温较低，BNS育性不发生转换，自交结实率低；寒冬年份，往往伴随春季快速温度回升，有利BNS育性转换，提高BNS的自交结实率。

3.2 冬春温度变化影响结实率的机制是冬季生长发育的积累

当把冬春温度变化影响结实率的现象与BNS生长发育联系起来，不难理解这种现象的机制是冬季生长发育的积累引起的。在观察结果中可以看出，冬季高温，BNS生长发育快，在冬季即完成了感温期前的发育，春季进入感温期早，如2014-2015和2016-2017年，此时气温较低，因此BNS的穗分化在较低温度下进行，因此表现不育；当冬季温度较低时，冬期BNS生长基本停止，感温期前的生长发育在开春后完成，因此进入温度敏感期晚，此时温度一定较高，有利于育性转换，从而表现育性波动。如2015-2016年的BNS发育。

3.3 冬春温度特征可用来预测不育期播种的BNS的自交结实率

根据冬春温度改变影响BNS育性转换和自交结实率的现象和规律，到3月中下旬即可初步预测BNS的育性转换。负积温是反映冬季温度的最好指标。低负积温年份，BNS冬季发育较快，预期BNS育性转换率低，应用安全；高负积温年份，意味着BNS冬季生长较慢，自交结实率有大的提高的风险。近6 a负积温的平均值为-38.8 ℃·d，极端值是-86.5 ℃·d和-3.6 ℃·d，负积温的高低可依据年平均值确定。另外，当冬季温度处于平均负积温水平时，春季温度就成为控制BNS自交结实率的决定因子，当春季温度回升正常或偏低，不育期播种的BNS预期育性转换度低，不育性利用安全，若3月上中旬温度较高，则预期育性转换率高，自交结实率将升高。

3.4 BNS的感温期覆盖小花分化到花粉成熟

BNS感温的基本特性是低温不育高温可育，但感温期的生长发育指标，各报道不完全一致。2009年李罗江等[4]最早观察认为BNS的感温期是小花原基分化期至雌雄蕊分化期，临界温度7.4～11.4 ℃，王茂婷等[10]观察认为感温期是雌雄蕊原基分化期和药隔期，临界温度8.4～12.6 ℃；张自阳等[5]观察认为感温期是雌雄蕊分化期至四分体形成期，转换温度为8～12 ℃。这些差异，一方面可能来自观察年份，因为不同年份，冬春温度不同，BNS的发育进程不同，因而有发育时期和临界温度的差异；另一方面也存在时间概念差异，李罗江等[4]描述的是一个短时间段，即感温初期，其他的研究描述是一个长时间段，即感温期。而对BNS来说，对温度的感应实际上覆盖小花分化到花粉成熟整个阶段，研究发现开花前4 d的温度对BNS的育性影响仍达显著水平[11]。因此，前期观察研究的感温期和临界温度都是正确的。李罗江等[4]的感温初期指标有重要意义，它的发育早晚决定幼穗分化所处的温度环境水平，较早进入感温期，后期的分化均在较低温度下，晚进入时，后期的分化一定在较高温度下，对育性的影响是显而易见的。

综上所述认为，BNS是一个受温度控制的小麦雄性不育系，典型不育期播种的BNS一般育性较低，但个别年份自交结实率会显著提高。6 a的BNS自交结实率和温度分布分析发现，暖冬可保持BNS高不育率，寒冬则提高BNS自交结实率，该现象的原因是冬季温度影响BNS越冬期生长，继而影响春季进入感温期的早晚，最后影响到结实率。该现象和机制不仅说明冬春温度变化改变BNS自交结实率的机理，而且可在3月下旬时预测当年BNS的育性转换程度，为后期人工实施调控措施，降低BNS利用风险，提供充足时间。

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