BS型小麦光温敏雄性不育系光合特性研究

孙 辉，张立平，陈兆波，白建芳，白秀成，杨吉芳，张风廷，赵昌平

(北京市农林科学院北京杂交小麦工程技术研究中心/杂交小麦分子遗传北京市重点实验室，北京100097)

小麦光温敏雄性不育系(以下简称不育系)具有短日低温不育、长日高温可育的特点，是二系法杂交小麦应用的核心；其育性转换受到光照和温度的调控，在不育条件下可以实现杂交种生产，在可育条件下可以进行自我繁殖[1-3]。在不育系应用过程中，不育系成熟期表现差异较大，部分不育系会出现旗叶光合性能差、生育后期早衰、籽粒饱满度差等问题，限制了不育系的快速应用，因此，高光效可作为小麦不育系选育的一个重要目标。

光合作用是作物高产的生理基础，改善光合作用对提高作物的产量潜力具有重要意义[4]，光合能力也是分析作物产量限制因素的重要依据[5]。由于小麦旗叶所处生长发育时期和位置的特殊性，其光合性能基本上代表了冠层光合的趋势[4]。目前，关于小麦光合特性的研究很多，但基本上是以常规品种为研究对象，而对不育系光合特性的分析鲜见报道。高温、弱光可显著降低小麦旗叶净光合速率(Pn)及叶绿素荧光参数 (Fv/Fm)[6]。追氮时期对小麦叶面积、叶绿素含量、Pn和产量影响显著，且随着施氮量的增加，小麦旗叶Pn总体上呈先增后趋于平稳的趋势，蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)以及产量总体呈先增后降的趋势[7-8]。低温可以通过气孔关闭来抑制光合作用[9-11]。宽行距和低密度有利于小麦个体的生长发育,增加生育后期的Pn[12]。播期会影响小麦旗叶叶绿素含量及光合能力，合理的播期能够提高小麦叶片的Pn和Gs，延长叶片光合功能期，积累更多的光合产物[13-14]。

BS型小麦光温敏雄性不育系具有异交结实性好、开颖角度大、开颖历时长、配合力高和恢复源广等优点，对该型不育系进行高光效特性评价有助于该类不育系的快速应用。本研究设置不同播期的处理，在不同地域条件下比较分析了6个BS型光温敏不育系的Pn等光合参数和结实率及其与播期、旗叶面积、株高的相关性，以期为高光效不育系的选育和杂交小麦光合生产力的提高提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为北京杂交小麦工程技术研究中心选育的小麦光温敏雄性不育系BS366、BS1453、BS210、BS93、BS1745、BS485，其光温敏感时期在药隔至单核期，地域和播期对其结实率影响显著[1-3]。以常规小麦品种京411为对照。

1.2 试验设计

于2017-2018年小麦生长季，分别在北京顺义(40°08′ N,116°39′ E,海拔35 m)和河南南阳(34°40′ N,112°21′ E,海拔120 m)进行田间试验。北京顺义为不育系繁种区，光温敏感时期光长约为13.5 h，温度15～18 ℃；河南南阳为不育系制种区，光温敏感时期光长约为12.5 h，温度10～14 ℃。北京顺义和河南南阳均分两期播种，播种时期为10月10日和10月20日。小区行长1.5 m，种4行，行距25 cm，株距3 cm，设2次重复。

1.3 测定项目与方法

小麦抽穗后，每个处理随机选择叶龄一致的5个植株，选取受光方向一致的旗叶，利用光合作用测量系统(LI-6400XT，美国Li-COR公司)，在晴朗无风的天气9:00-11:00，测定小麦抽穗期、开花期、花后30 d三个时期的旗叶中部的Pn、Gs、Tr和Ci，重复3次。光强设为1 000 μmol·m-2·s-1，流量为500 mL·min-1，大气CO2浓度为380 μmol·mol-1。在光合参数测定当日，利用叶绿素荧光仪(OS-30p，美国Opti-Sciences公司)测定叶绿素荧光参数(Fo和Fm)，计算光系统II(PS II)最大光化学效率(Fv/Fm,Fv=Fm-Fo)，每个品种重复测定10次，取平均值。

每个材料测量10株小麦旗叶的长和宽，叶面积=叶长×叶宽×0.7[15]。

1.4 田间农艺性状及育性调查

开花前对每株主茎穗和1～2个分蘖穗套袋，成熟后调查旗叶的长和宽、开花期、小穗数、穗粒数、穗数和千粒重。结实率(国际法) =穗粒数/(小穗数×2)×100%。

1.5 数据统计分析

采用SPSS 20.0软件进行相关分析，用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 光温敏雄性不育系的农艺性状和结实率表现

不育系在北京顺义的结实率明显高于河南南阳(表1)。在北京顺义，不育系晚播结实率高于早播，结实率30%～60%，说明10月10日至10月20日播种均可安全繁种。育性恢复较好的不育系为BS1453和BS366，结实率在45%以上；育性恢复中等的不育系为BS1745、BS210、BS485，结实率为30%～40%。在河南南阳，不育系两个播期的育性均较低，结实率0～1.3%，达到高度不育，说明10月10日至10月20日均能够进行安全制种。京411育性在两个地点和不同播期下表现均正常，无论地点间还是播期间结实率差异均不显著，达到84%～93%。比较旗叶面积发现，BS1453、BS485、京411和BS366显著低于BS210、BS93和BS1745(表2)。

表1 7份材料在顺义和南阳的田间农艺性状和结实率表现Table 1 Agronomic traits and seed setting rate of 7 materials in Shunyi and Nanyang

表2 7份材料在顺义和南阳的平均旗叶面积Table 2 Average flag leaf area of 7 materials in Shunyi and Nanyang

2.2 光温敏不育系光合特性指标变化分析

2.2.1 净光合速率(Pn)比较

由表3和表4可知，在北京顺义10月10日播期下，从抽穗期到开花期6个不育系的Pn均有所增加；到花后30 d，不育系的Pn显著下降，达到最低值；对照材料京411的Pn从抽穗期到花后30 d呈下降趋势。在北京顺义10月20日播期下，7份材料的Pn从抽穗期到花后30 d均呈下降趋势。在河南南阳的两个播期下，BS366的开花期Pn比抽穗期略增，其他材料开花期的Pn比抽穗期均略降；7份材料的Pn均以花后 30 d最低。总体来看，从抽穗期到开花期，大部分材料保持了较高的光合速率，开花后30 dPn均大幅下降；从最高值看，Pn较高的材料为BS485，较低的材料为BS93。

表3 顺义不同材料Pn比较Table 3 Comparison of Pn of different materials in Shunyi μmol·m-2·s-1

表4 南阳不同材料Pn比较Table 4 Comparison of Pn of different materials in Nanyang μmol·m-2·s-1

2.2.2 气孔导度(Gs)比较

在北京顺义，两个播期下，从抽穗期到花后30 d，小麦Gs变化趋势不一致(表5)。在10月10日播期下，BS93、BS485、BS1745、BS1453的Gs先升后降，在开花期达到最高，花后30 d达到最低，其余材料的Gs从抽穗期到花后30 d逐步下降；在10月20日播期下，7份小麦材料的Gs均呈下降趋势。在河南南阳两个播期下，7份小麦材料的Gs从抽穗期到开花后30 d均逐渐下降(表6)。总体来看，从抽穗到开花，虽然部分小麦不育系Gs有所提高，但开花后30 d各材料的Gs均明显降低。

表5 顺义不同材料Gs比较Table 5 Comparison of Gs of different materials in Shunyi mmol·m-2·s-1

表6 南阳不同材料Gs比较Table 6 Comparison of Gs of different materials in Nanyang mmol·m-2·s-1

2.2.3 胞间CO2浓度比较

由表7、表8可知，在北京顺义和河南南阳两个播期下，7份小麦材料的Ci从抽穗期到开花期均变化缓慢，从开花期到花后30 d快速上升。花后30 d时BS1745和京411的Ci较高，BS210的Ci较低。京411在河南南阳花后30 d的Ci相对于开花期的增幅较大，明显高于在北京顺义的数值，也明显高于6份不育系的数值。

表7 顺义不同材料Ci比较Table 7 Comparison of Ci of different materials in Shunyi μmol·mol-1

表8 南阳不同材料Ci比较Table 8 Comparison of Ci of different materials in Nanyang μmol·mol-1

2.2.4 蒸腾速率(Tr)比较

在北京顺义的两个播期下，从抽穗期到花后30 d，部分材料的Tr呈先升后降趋势，其余呈下降趋势(表9)。而在河南南阳的10月10日播期下，也是部分材料的Tr呈先升后降趋势，其余呈下降趋势(表10)，而在10月20日播期下所有材料的Tr均呈先升后降趋势。总体来看，10月10日播期下大部分不育系河南南阳的Tr变化趋势与北京顺义基本相同，均为开花期最高。而大部分不育系北京顺义10月20日播期的Tr在抽穗期达到最高值，只有BS366和京411为开花期达到最高值。

表9 顺义不同材料Tr比较Table 9 Comparison of Tr of different materials in Shunyi mmol·m-2·s-1

表10 南阳不同材料Tr比较Table 10 Comparison of Tr of different materials in Nanyang mmol·m-2·s-1

2.3 光温敏不育系的PSII 原初光能转化效率(Fv/Fm)变化

在北京顺义，大部分不育系Fv/Fm从抽穗期到开花期变化不明显，只有在10月20日播期下BS1745和BS93下降明显；到花后30 d，BS93、BS1745和BS485较开花期显著下降，其中BS93的Fv/Fm低于其他材料(表11)。在河南南阳10月10日播期下，从抽穗期到开花期各材料Fv/Fm均变化不明显，花后30 d时BS485、BS93和京411较开花期均显著下降，其中BS485和BS93在7份材料中最低；在10月20日播期下，大部分材料从抽穗期到开花期Fv/Fm变化不明显，只有BS485和京411上升显著，花后30 d除了BS366外，其他材料均显著下降(表12)。总体来看，北京顺义和河南南阳的两个播期下，7份材料的Fv/Fm从抽穗到开花期变化均较小，在开花后变化较大，大部分材料呈明显的下降趋势。另外，北京顺义不同材料间抽穗期的Fv/Fm和10月10日播期下开花期的Fv/Fm差异均不显著，河南南阳10月10日播期下不同材料间开花期的Fv/Fm和10月20日播期抽穗期的Fv/Fm差异均不显著。

表11 顺义不同材料Fv/Fm比较Table 11 Comparison of Fv/Fm of different materials in Shunyi

表12 南阳不同材料Fv/Fm比较Table 12 Comparison of Fv/Fm of different materials in Nanyang

2.4 光温敏不育系光合特性的影响因子分析

相关分析(表13、表14)表明，在北京顺义，Pn与结实率、Gs、Tr和Fv/Fm呈正相关，与旗叶面积呈负相关；Tr与播期、Pn和Gs呈正相关，与株高和Fv/Fm呈负相关。结实率与Pn呈正相关，与旗叶面积呈负相关。从相关系数的大小来看，对Pn影响最主要的因子是播期和Tr，其次是结实率、Fv/Fm、Gs和旗叶面积；对Tr影响最主要的因子是播期、Gs和Pn，其次是株高和Fv/Fm；对结实率影响最主要的因子是Pn，其次是Gs和旗叶面积。在河南南阳，Pn和结实率与各因子相关性均不显著。Tr与播期和Gs呈正相关，与Ci呈负相关。从相关系数的大小来看，对Tr影响最主要的因子是播期和Gs，其次是Ci。

表13 顺义不育系净光合速率、蒸腾速率和结实率与其他因子的相关系数Table 13 Correlation analysis between net photosynthetic rate,transpiration rate,seed setting rate and other factors of male sterile lines in Shunyi

表14 南阳不育系净光合速率、蒸腾速率和结实率与其他因子的相关系数Table 14 Correlation analysis betweennet photosynthetic rate,transpiration rate,seed setting rate and other factors of male sterile lines in Nanyang

北京顺义和河南南阳的相关性分析结果不完全一致。在北京顺义，影响Pn、Tr和结实率的因子较多；在河南南阳，影响Pn、Tr和结实率的因子较少。从结实率与其他因子的相关性分析来看，北京顺义为不育系的繁殖区，不育系育性相对正常，结实率与Pn呈正相关，说明Pn升高，有利于不育系繁殖系数的提高。结实率与抽穗期和花后30 d的Gs分别呈正相关和负相关，说明抽穗期较高Gs和灌浆期较低Gs有利于提高不育系结实率。而河南南阳为制种区，不育系几乎完全不育，结实率与光合因子相关性不显著。从Pn和Tr对播期的相关性分析来看，在北京顺义，播期与抽穗期和开花期的Pn分别呈正相关和负相关，晚播可以提升不育系抽穗期Pn，而早播将会提升不育系开花期Pn。在河南南阳，播期与Tr呈正相关，晚播可以提升不育系开花期和花后 30 d的Tr。从Pn和Tr对旗叶面积的相关性分析来看，在北京顺义Pn与旗叶面积呈负相关，Pn较高的材料为BS485、较低的材料为BS93(表3、表4)，它们的平均旗叶面积分别为17.76 cm2和21.85 cm2(表2)，说明在表型选择上，小麦旗叶面积较小是选育高光效不育系的指标之一。

3 讨 论

小麦产量的90%～95%来自于直接或间接的光合作用。小麦旗叶叶绿素相对含量、净光合速率和蒸腾速率对产量及其构成因素有显著正向效应[16]。本研究比较分析了6个不育系光合特性，发现在三个测定时期中Pn、Gs、Tr和Fv/Fm在抽穗期或开花期达到最高值，花后30 d降为最低值，而Ci的变化趋势为花后30 d达到最高值。不同不育系材料之间光合特性有一定差异，BS485的Pn和Tr均较高，BS366的Gs和Tr均较高，而BS93的Pn较低，BS1453和BS210的Tr均较低。相关性分析表明，Pn与结实率、Gs、Tr和Fv/Fm呈正相关，与旗叶面积呈负相关；Tr与播期、Pn和Gs呈正相关，与株高、Ci和Fv/Fm呈负相关；结实率与Pn呈正相关，与旗叶面积呈负相关。对Pn影响最主要的因子是播期和Tr，其次是结实率、Fv/Fm、Gs和旗叶面积；对Tr影响最主要的因子是播期、Gs和Pn，其次是Ci、株高和Fv/Fm；对结实率影响最主要的因子是Pn，其次是Gs和旗叶面积。

焦 健等[5]报道，小麦K、T、V型不育系及化杀亲本(CHA)的Pn、Gs和Tr在开花期达到最大值，Pn最主要的直接影响因子是Gs，Ci是限制CHA 亲本旗叶Pn的另一主要因子。本研究中，不育系的Pn、Gs和Tr在北京顺义10月10日播期下在开花期达到最高值，而在河南南阳的Pn和Gs在抽穗期达到最高值；Pn最主要的影响因子是播期和Tr。这与前人的结论不完全一致，说明BS型小麦光温敏雄性不育系与K、T、V型不育系在光合特性上存在一定差异。

通过比较不育系与对照京411光合特性发现，小麦温敏不育系与常规小麦品种在光合特性表现既有相似也有不同。在北京顺义10月10日播期下，不育系Pn的最高值出现于开花期，而京411的Pn最高值出现于抽穗期；在10月20日播期下，BS366和京411的Tr最高值出现于开花期，而其他不育系Tr最高值出现于抽穗期。在河南南阳10月20日播期下，京411从抽穗期到开花期Gs下降幅度最大，花后30 d时京411的Ci显著高于不育系。根据研究结果推测，不育系与常规小麦在光合特性上很多方面有共性，但由于不育系育性在不同生态区有显著差异，反映了其对环境因素敏感的特性，从而使其光合特性与常规小麦有所不同。

一些研究表明，作物Pn与Gs和Tr呈正相关[17-20]，本研究也得出相同结论。在本研究中，不育系的Pn、Gs和Tr变化趋势在北京顺义两个播期间不一致。在北京顺义10月10日播期下，开花期Pn较抽穗期有一个显著升高的趋势，自交结实率也没有显著降低，所以该播期适合不育系繁种。在河南南阳10月20日播种，Tr与播期呈正相关，也有利于不育系光合性能的提升，提高制种质量。这与裴雪霞等[13]报道的随播期推迟Pn提高的结论不完全一致。从旗叶面积分析，Pn与旗叶面积呈负相关，说明在表型选择上，小麦旗叶面积较小更适宜提高光合特性。前人研究发现，对于冬小麦而言，花前较大的单株叶面积有利于累积更多光合产物，而花后保持相对不高的单株叶面积则能帮助植株规避过度营养生长，将更多水分和营养用于籽粒干物质累积，最终实现产量提升[21]。本研究中，结实率在北京顺义与Pn呈正相关，说明灌浆后期光合特性提升，有利于不育系自交结实率的提高；结实率与抽穗期和花后 30 d的Gs分别呈正相关和负相关，说明抽穗期提升Gs有利于提高结实率，而灌浆期降低Gs有利于提高不育系结实率。在河南南阳，不育系表现高度不育，其结实率与光合因子相关性不显著。选育在河南南阳高度不育、而在北京顺义高光效的不育系，对于不育系安全制种和高效自我繁殖非常重要，也是我们选育不育系期望达到的目标之一。