小麦BNS雄性不育系晚霜冻抗性和低温不育特性观察

孙海燕，贾菲芸,杨 靖，付庆云，茹振钢，李友勇

(河南科技学院 生命科技学院/现代生物育种河南省协同创新中心，河南新乡 453003)

2018年4月5日到6日，我国黄淮地区遭受强寒潮袭击[1]，所经之处温度大幅下降，霜冻发生，正值旺盛生长的小麦遭受严重冻害，抗性较强的品种部分小穗冻伤，抗性弱的品种或小穗全部冻死，抽出“白穗”；或部分冻死，后来结实为“半截穗”。春季冷害，也称晚霜冻害，严重影响小麦产量，因此小麦晚霜冻低温抗性是选育小麦品种的重要特性。由于春季低温不可预期，多年不遇的强低温对检验小麦品种低温抗性有重要意义。BNS是一个对低温敏感的小麦雄性不育系[2-4]，在杂交小麦研究中有重要价值。BNS的不育性和农艺性在前期有系统观察[2,4]，但由于不同年份的气象和气候因子不同，不断发现BNS新的特性，如暖冬与寒冬、春季低温的早与晚等常常影响BNS的育性水平[3,5]。为了持续发现更多的特征特性，历年将BNS分期播种，并种植相关对照品种。意外的是，2017年秋季播种的BNS以及它的保持系郑麦366，经历了2018年4月的强寒潮，郑麦366遭受严重冻害，而BNS轻度冻害，表明BNS是一个对晚霜冻低温抗性较强的不育系。其对低温敏感，遭受强低温后，表现高度不育，但实际表现高自交结实率。为了弄清这些现象的原因，本研究以BNS及其保持系郑麦366为试验材料，通过观察分析生育期间的穗分化进程以及冻害发生后的冻害程度、冻害部位等，阐述发现BNS新的特性和特征，以期为小麦生产中更好地利用BNS提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料及播种

BNS是本实验室保存的原始BNS不育系，由茹振钢教授培育。历年从10月1日开始播种，8 d一个播期，到11月18日，共7个播期[4,6]。郑麦366及“郑麦366×BNS”的正反交F1在10月9日和11月17日两次播种，10月9日是BNS的第二个播期，该播期仍然是BNS的典型不育期，也是当地小麦正季播种期，11月17日是BNS最后一个播期，即完全可育播种期。小区行长3 m，行距0.3 m，株距15 cm，每行播种21株。

1.2 穗分化观察

越冬前调查1次，翌春自返青后开始，由于前中期小麦个体发育较慢，每7 d取材1次，到3月中旬后，温度升高，小麦个体发育加快，每周取材2次。每次取田间标记的主茎穗，剥出幼穗，在实体显微镜下观察，按照崔金梅等[6]的小麦穗分化阶段形态进行划分，记录穗分化时期。

1.3 冻害调查

冻害程度用受冻株率来表示，受冻株率=受冻植株/总株数×100%，凡因冻害而出现退化小穗的植株即为受冻植株。冻害级别参考河南省质量技术监督局制定的小麦晚霜冻害5级标准[7]。

1.4 自交结实率调查

各播期的BNS主茎穗完全抽出后，用羊皮纸袋套袋，若主茎穗受冻，套最早抽穗的分蘖穗。郑麦366冻害严重，因此套袋分蘖穗较多。BNS在10月9日到11月10日播种的小区有轻度冻害，因此少部分套袋穗是一级分蘖的穗子。每行植株全部套袋，每株套2穗。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。自交结实率的计算用第1、2小花结实粒数计算(国内法)[2-3]，计算公式为：自交结实率=第1、2小花结实粒数/(2×总小穗数)×100%，总小穗数包括穗基部到顶端有籽粒的全部小穗数。

1.5 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观察资料数据，数据观测点距材料种植地约15 km，纬度相同(E 113°23′，N 35°17′)。

2 结果与分析

2.1 2018年春季气温及冻害调查结果

2018年3月下旬温度快速回升，且持续时间长，3月23日至4月3日连续12 d日平均气温超过15 ℃,4月5日大风降温，日平均温度仅 4.3 ℃(表1)。低温持续到4月6日，4月6日凌晨最低气温1.9 ℃,草面温度-1.7 ℃。低温过后，发现10月9日播期的郑麦366冻害严重，抽穗后受冻害的穗子或整穗冻死，形成“白穗”；或半穗冻伤(图1A)，没有冻伤的小穗可开花结实，成熟后呈“半截穗”(图1B)，受冻株率达75%以上(表2)，小区走道两边受冻植株多，中间受冻植株少，11月17日播期的郑麦366未发生冻害。10月9日至11月10日播期的BNS均有冻害发生，但程度较轻，受冻株率为3.7%～5.4%，一般单株仅1穗受冻，10月1日和11月18日播期的BNS没有冻害发生。郑麦366与BNS的正反交F1的冻害介于两品种之间，BNS作母本的F1抗冻性强于作父本的F1。不论郑麦366还是BNS，发现受冻组织单位均为小穗，而非小花，从图1可看出，冻害发生后一般整小穗冻伤，继而脱水退化，没有冻伤的小穗，第1、2小花甚至第3小花均结实，后期呈“半截穗”(图1B)。“半截穗”现象还显示，冻伤的穗是小穗冻伤，主轴完好。

表1 2018年3月及4月上旬日平均温度Table 1 Average temperature in March and first ten days of April 2018

表2 供试材料受冻害情况Table 2 Investigation results of freezing damage

2.2 穗分化进程与冻害低温敏感期

越冬前2017年12月17日第一次取材，此时10月1日第一播期的BNS处于二棱中期，10月9日第二播期的BNS处于单棱后期，10月9日播种的郑麦366处于单棱中后期，其余播期材料植株尚小，无法进行观察。次年春季从2月23日开始取材，此时第一、二播期的BNS均处于二棱期，第三播期的BNS处于单棱期，说明越冬期间生长量不大。此后间隔约每7、5和3 d观察1次，其中3月5日至4月4日观察的部分播期BNS和郑麦366的穗分化发育时期及自交结实率见表3。从表2和表3可看出，11月18日播种的郑麦366和BNS遭受强低温后，未发生冻害，此时穗分化时期均处于药隔初期，10月1日播期的BNS也未发生冻害，此时穗分化减数分裂已经完成。从图1和表2还可看出，10月9日播期的BNS麦穗受冻部位在上部，10月25日和11月2日播种期受冻部位在基部，11月10日播期受冻部位在中部，说明这些部位此时对低温高度敏感，这些部位穗分化期正处于药隔期至减数分裂期。

A：郑麦366，10月9日播种，4月15日抽出的麦穗；B：郑麦366，10月9日播种，上部小穗未受冻；C：BNS，10月1日播种，未受冻，表现正常雄性不育；D：BNS，10月9日播种，下部未受冻的小穗有些小花不育，有些小花结实。

2.3 BNS自交结实率及其与2017/2018冬春温度的关系

各播期处理的自交结实率见表3。郑麦366本身可育，套袋的是未受冻穗，因此自交结实率仍比较高，10月9日和11月18日播期的郑麦366自交结实率分别为75.26%和82.82%。由于计算方法是国内法，包括顶端小穗，这个自交结实率已接近最高结实率水平[8]。10月1日和10月9日不育播期的BNS，自交结实率分别达5.08%和10.41%，高于前7年中6个年份的育性水平[3,5]。查阅本年度气象温度，负积温-55.1 ℃，典型寒冬年份，春季从3月23日至4月2日连续高温，平均温度变化在14.9～24.6 ℃，最高温度24～31 ℃，3月28日最高温度为31.8 ℃，4月2日最高温度为31.5 ℃(表1)，属于典型暖春气候，均达到显著加快育性转换温度[3]，并且持续时间长，达 12 d，因此，BNS的高自交结实率可能是该寒冬暖春气候形成的。

2.4 BNS的不育温度敏感期

在10月9日播期的BNS中，出现穗上部受冻、下部结实的下“半截穗”现象，该结实小穗上可观察到有不育小花和结实籽粒(图1 D)，不育小花是雄性不育的结果，结实籽粒是转换的结果，结实籽粒较多，是转换小花较多的表现，是该播期平均10.41%的套袋自交结实率的来源。该“半截穗”现象还说明，10月9日播期的BNS经历了不育诱导，但后来部分小花结实，原因可能是高温促使育性转换，即被3月23日到4月2日连续12 d的高温所诱导，据此推断，BNS的不育温度敏感期在3月23日以前已完成不育诱导，此时的发育时期是雌雄蕊分化期，说明雌雄蕊分化期是不育诱导的重要时期。10月25日播期的BNS，自交结实率已达44.27%，属高可育性，达最高结实率55.98%的79.1%，正常年份这个比率不超过50%[8]，说明进入温度敏感期时是高温环境，该播期的BNS 3月24日处于雌雄蕊分化期，这表明BNS的温度敏感始期是雌雄蕊分化初期，即雌雄蕊形成即开始感温。

表3 2017/2018年BNS和郑麦366的穗分化进程及自交结实率Table 3 Spike differentiation and self-seed setting rate of BNS and Zhengmai 366 in 2017/2018

3 讨 论

3.1 BNS是可遗传的抗晚霜冻不育系材料

晚霜冻是严重威胁小麦产量的灾害天气，近些年在黄淮小麦产区频发，因此鉴定小麦材料的抗低温特性有重要意义。研究表明，小麦对晚霜冻的抗性存在品种差异[9-10]，同时，穗发育时期、营养水平和栽培条件等因素也是冻害发生程度的重要因子[11-12]。从观察结果看，品种郑麦366达3级冻害程度(1/2～3/4[7])，该品种的弱低温抗性已有报道[10]，说明是品种特性；而BNS冻害则较轻，为一级冻害(<1/3[7])，且处在较低水平。从BNS与郑麦366的正反交F1表现看，冻害在二级程度，BNS做母本时冻害程度更低，说明BNS是一个抗晚霜冻的不育系材料，且其抗性是可遗传的，作母本时抗性效果更好，这是特殊气象条件发现的BNS的又一优良农艺特性。

3.2 药隔期至减数分裂期是晚霜冻的低温敏 感期

刘平湘等[12]和钟秀丽等[13]利用人工模拟方法观察冬小麦幼穗抗霜冻力随发育期的变化规律，认为小麦晚霜冻的温度敏感期是雌雄蕊分化期至药隔期。胡 新等[14]观察1998年河南商丘地区在3月20至24日小麦晚霜冻结果，认为小麦晚霜冻的温度敏感期是药隔期，本研究观察结果发现，10月9日播种的郑麦366冻害严重，低温来临时正处于减数分裂期，11月18日播种的郑麦366，低温来临时正处于药隔初期；BNS在7个播期中，10月1日和11月18日播期未受冻害，期间的5个播期均出现轻度冻害，且这5个播期穗分化时期是药隔期至减数分裂期，说明小麦晚霜冻害发生的温度敏感期是药隔期至减数分裂期。这与前人的观察结果不一致。而胡 新等[14]的观察结果认为，仅药隔期是敏感期，可能是3月下旬初商丘地区大田生产中，穗分化进程一般仅发育到药隔期。

3.3 小麦晚霜冻冻伤组织是整小穗

从冻害穗子形态看，受冻穗子有两种类型，一种是“白穗”，整穗完全冻死；一种是“半截穗”，部分冻死。不论是“白穗”还是“半截穗”，观察结果发现冻害的组织是小穗，而非小花，即冻害发生后，整小穗退化，较少在一个小穗上有不实小花，有结实小花现象。整小穗冻伤现象还表明，小穗冻伤是小穗与主轴完全失去营养联系的结果，因此推测，“白穗”其小穗基部的输导组织被破坏；而“半截穗”其穗主轴的输导组织是正常的，冻伤与输导组织中流体的渗透压没有必然联系。张文静等[15]发现，越冬冻害小麦分蘖节组织胞间结冰，导管和筛管破裂导致输导组织崩溃，但晚霜冻的组织结构变化罕见报道，还有待今后进一步深入研究。

3.4 BNS的不育诱导温度敏感期是雌雄蕊分 化期

BNS是一个对低温敏感的雄性不育系，有良好的农艺性状。BNS的温度敏感期有较多报道，李罗江等[2]用滑动积温法，发现BNS温度敏感期是小花原基分化期至雌雄蕊原基分化期；张自阳等[4]用同样方法认为，BNS温度敏感期是雌雄蕊分化期至四分体期；王茂婷等[16]和秦志英等[5]分析穗分化进程，认为BNS温度敏感期是雌雄蕊原基分化期至药隔期；周美兰等[17]分析温度和穗分化，认为BNS温度敏感期是小花原基分化期到药隔形成期。本研究分析冻害、穗分化进程、温度和自交结实率之间的关系，推断感温始期是雌雄蕊原基分化期。由于穗分化时期的划分一般指该时期典型特征的出现，而实际该时期要持续3～20 d，因此对BNS温度敏感期的观察，不同文献报道的结果实际上基本一致，即BNS的感温过程发生在雌雄蕊分化期。本研究结果发现，BNS的感温过程5～7 d即可完成，持续低温可诱导完全不育，遇到较高温度可使部分小花育性转换，温度越高，转换越多。

3.5 BNS的育性诱导不可逆

BNS的观察结果还表明，其育性诱导是不可逆的。10月9日播期的BNS，3月15日进入温度敏感期，到3月21日，8～10 ℃低温诱导(不育诱导)仅6 d，此后12 d 平均温度在15 ℃以上，已达到完全可育临界温度[3,5]，但并未改变不育方向，最终的结实率仅10.41%；10月25播期的BNS，3月22日高温时已进入雌雄蕊分化期，低温仅2 d，因此是可育诱导，结实率为44.27%，达最高结实率55.98%的79.1%。从中可看出，10月9日播期BNS的不育诱导，不因此后12 d高温改变不育性质；10月25播期的BNS，也不因后来的霜冻强低温而改变可育性质，说明BNS最初的感温诱导是决定性的，后期的高温或低温只能对前期结果修饰，不能完全逆转。

4 结 论

小麦晚霜冻抗性强弱是品种特性，受遗传控制，但晚霜冻的发生存在温度敏感期，该敏感期从药隔期持续到减数分裂期。2018年小麦晚霜冻冻伤的组织是整小穗，而非小花。BNS是一个具有高晚霜冻抗性的不育系材料。对晚霜冻抗性与不育低温诱导非同一性状。BNS的不育性诱导始于雌雄蕊分化始期，5～7 d即可完成，此后的温度改变，无论高温和低温，对育性仅产生修饰影响，不改变发育方向。