苗期短光照对三系杂交大豆及亲本育性的影响

白志元 杨玉花 张瑞军*

(1.山西农业大学 农业基因资源研究中心，太原 030031；2.农业农村部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，太原 030031；3.南京农业大学 农学院/国家大豆改良中心，南京 210095)

杂种优势在自然界普遍存在，利用杂种优势来提高作物的产量、品质及抗性是现代育种的主要成就之一[1]。据统计，水稻、玉米和油菜等农作物杂种优势利用能够把产量提升15%～50%[2-3]。大豆杂种优势利用研究起步较晚，进展也相对较慢[4]。大豆天然异交率不到1%，是严格的自花授粉作物。大豆细胞质雄性不育系CMS的发现为大豆杂种优势利用奠定了基础[5]，该项研究对提升中国大豆产业具有重要的战略意义。目前，中国多家科研单位实现了杂交大豆生产的三系配套体系，在该领域处于世界领先水平，其中，吉林省农业科学院、山西省农业科学院、安徽省农业科学院和安徽省阜阳市农业科学研究所等单位都有通过审定的杂交大豆品种[6-9]。

大豆作为一种区域性较窄作物，若要大面积推广，需增强大豆对不同环境的适应能力。育性稳定是影响杂交大豆推广应用的重要因素之一。通过2个大豆常规种配制的杂交种研究杂种优势，发现大豆杂种优势有较好的稳定性，在不同年份、不同地点优势率变化不大，区试一致[10]。然而，三系杂交大豆在杂种优势应用上出现了育性不稳定的问题。王曙明等[11]多年观测发现，各不育系间的育性稳定性差异较大，有些高度稳定，有些在不同环境下育性发生转换，不同组合的育性也有较大差异，有些组合育性稳定，而有些组合易受环境影响发生变化。杂交水稻、杂交小麦和杂交棉花等作物在杂种优势利用中也出现类似的现象[12-14]。大豆是光周期敏感的作物，短日照反应是大豆生育前期光温综合反应中的主导因子[15]。植株的育性受基因型和环境等多因素的影响，基因型相同的植株，育性表现也不完全一样，研究发现花粉育性与结实率有一定的相关性[16-17]。

目前，三系杂交大豆的育性研究只停留在多年多点的表型观察上，有必要对杂交种育性研究做进一步的探索，利用苗期短光照处理的方法来探索三系杂交大豆及亲本育性的研究鲜见报道。本研究以三系大豆杂交组合及对应的不育系、保持系和恢复系为材料，采用苗期短光照和正常光照2种处理，分析在2种光照处理下杂交大豆及亲本育性相关指标，旨在创新选育大豆强恢复系及育性稳定杂交种的方法，以期为优良三系材料选育与广适性杂交大豆育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料共14个，分别为6个三系大豆杂交组合、2个不育系、2个保持系和4个恢复系，供试材料皆为本课题组在大豆杂种优势利用中的代表性材料，见表1。

表1 供试材料名称Table 1 The names of tested materials

1.2 试验方法

1.2.1试验设计及田间种植

试验在山西省晋中市榆次区山西农业大学东阳试验示范基地进行，共设2种处理，苗期短光照(SL)和正常光照(NL)。SL处理参照王芳等[18]方法，7：00打开遮光布，19：00盖遮光布，从出苗后开始连续进行20 d，之后在正常光照中生长到开花结束，3次重复。播期为2017年5月8日，春播，每份材料在隔离网室采用单行区种植，开花期套网，防止田间异交结实。其他管理按常规方法进行。在每个材料的田间始花期，选择生长整齐一致单株，挂牌标记，盛花期进行花粉可育率检测，成熟后调查结实。

1.2.2花粉可育率检测

采用I2-KI染色法的统计值计数。具体步骤：

大豆盛花期，取主茎上即将开放的花蕾3朵；用70%乙醇固定，取出花药；I2-KI染色，利用光学显微镜进行镜检，统计可育花粉粒与不育花粉粒的数量，求3朵花育性平均数，每个材料检查10株，去掉极端值，计算花粉可育率平均值。

花粉可育率=[可育花粉粒数/
(可育花粉粒数+不育花粉粒数)]×100%

1.2.3数据分析

采用Microsoft Excel 2007和Spss 17.0软件整理和分析数据。

2 结果与分析

2.1 苗期短光照(SL)对不育系育性的影响

由表2可知，苗期SL处理后，不育系‘H3A’和‘JD24A’的株高和主茎节数都有较大幅度的减少。从单株荚数和单株粒数来看，2个不育系在SL和NL下都为0；从花粉可育率来看，2个不育系在SL和NL下也均为0，说明这2个不育系的育性高度稳定，不受苗期短光照处理的影响。

表2 苗期短光照对不育系的育性影响Table 2 Effects of short light at seedling stage on fertility of sterile lines

2.2 苗期短光照(SL)对恢复系和保持系育性的影响

由表3可知，苗期SL处理后，4个恢复系和2个保持系的株高、主茎节数、单株荚数和单株粒数都有较大幅度的减少，不同恢复系和保持系有所差异。从单株荚数和单株粒数来看，不同恢复系和保持系在SL和NL下都能正常结荚成熟；从花粉可育率来看，不同恢复系和保持系在SL和NL下都接近100%，说明这些恢复系和保持系的育性稳定，不受苗期短光照处理的影响。

表3 苗期短光照对恢复系和保持系育性的影响Table 3 Effects of short light at seedling stage on fertility of maintainer and restorer lines

2.3 苗期短光照(SL)对三系杂交大豆育性的影响

由表4可知，苗期SL处理后，6个杂交组合的株高、主茎节数、单株荚数和单株粒数都有较大幅度的减少，不同杂交组合有所差异。从单株荚数和单株粒数来看，在NL下，不同杂交组合都能正常结荚成熟；苗期SL处理后，不同杂交组合的育性出现显著差异。‘H3A’בSXTH 3’、‘H3A’בSXTH 5’、‘H3A’בSXTH 21’和‘JD24A’בSXTH 21’，这4个杂交组合单株荚数和单株粒数较NL下减少95%以上，几乎不结荚，表现出不育；‘H3A’בSXTH 40’和‘JD24A’בSXTH 40’，这2个杂交组合单株荚数较NL下分别减少63.5%和28.5%，单株粒数分别减少68.2%和38.9%，正常结荚成熟，表现可育，见图1。从花粉可育率来看，在NL下，不同杂交组合的花粉可育率差异较大，‘H3A’בSXTH 40’杂交组合的花粉可育率最高，达83.6%，‘JD24A’בSXTH 21’杂交组合的最低，为33.0%，但都能正常结荚成熟；苗期SL处理后，不同杂交组合的花粉可育率占比都显著下降，其中，表现可育的2个杂交组合为‘H3A’בSXTH 40’和‘JD24A’בSXTH 40’，花粉可育率分别为43.2%和55.7%；表现不育的4个杂交组合是‘H3A’בSXTH 3’、‘H3A’בSXTH 5’、‘H3A’בSXTH 21’和‘JD24A’בSXTH 21’，花粉可育率分别为0.2%、7.5%、11.4%和11.9%。

表4 苗期短光照对三系杂交种育性的影响Table 4 Effects of short light at seedling stage on fertility of three-line hybrids

说明以‘SXTH 3’、‘SXTH 5’和‘SXTH 21’恢复系配制的4个杂交组合为育性不稳定杂交组合，‘SXTH 3’、‘SXTH 5’和‘SXTH 21’为弱恢复系；以‘SXTH 40’恢复系配制的2个杂交组合为育性稳定杂交组合，‘SXTH 40’为强恢复系。

2.4 单株荚数和单株粒数与花粉可育率的相关分析

由表5可知，花粉可育率与单株荚数、单株粒数均呈极显著正相关，相关系数分别为0.794和0.841，说明花粉可育率与植株育性表达有一定的正相关性。

表5 单株荚数和单株粒数与花粉可育率的相关分析Table 5 Correlation analysis of pod number per plant,seed number per plant and pollen fertility rate

3 讨论与结论

育性稳定性一直是作物杂种优势利用中的关键问题之一。目前，大豆杂种优势利用主要是通过三系(不育系、保持系和恢复系)配套来实现的。不育系的育性稳定与否决定了一个不育系能否成功应用于育种实践和杂交种生产，杂交种的育性稳定决定了大豆杂交种能否推广应用。

Smith等[19]以人工气候箱调节温度和光照来检验大豆不育系，结果发现不育系的不育性在所有环境条件下都是稳定的。孙寰等[20]发现不同栽培大豆不育系的育性稳定性在不同地区差别很大，生育期高温干旱有利于不育性的表达，而低温多雨有利于可育性的表达。本研究利用2个不育系在苗期短光照处理后，单株荚数、单株粒数和花粉可育率皆为0，说明这2个不育系育性高度稳定，可利用于育种实践和杂交种生产。

(a)育性不稳定杂交组合(‘H3A’בSXTH 3’)；(b)育性稳定杂交组合(‘H3A’בSXTH 40’)(a) Fertility unstable hybrid combination (‘H3A’בSXTH 3’); (b) Fertile stable hybrid combination (‘H3A’בSXTH 40’)图1 不同杂交组合在苗期短光照和正常光照下成熟植株对比Fig.1 Comparisons of mature plants of different hybrid combinations under short light and normal light at seedling stage

王曙明等[11]在大豆杂种优势利用研究中发现不同组合的育性存在显著差异，有些组合育性稳定，而有些组合易受环境影响发生变化。杨杰等[12]以籼、粳和爪哇3种类型水稻品种及其杂交种为材料，通过分期播种研究温度变化对花粉育性的影响，发现当花粉母细胞减数分裂期的日平均气温低于22 ℃时，亚种间杂交种的花粉育性显著降低，不同组合花粉育性存在显著差异，而品种间杂交种和常规品种的花粉育性受其影响较小。张井勇等[21]将三系杂交大豆不育系分为极易，易和不易被恢复3类，将恢复系分为强恢复，恢复和弱恢复3类。极易被恢复的不育系和强恢复系是大豆杂交种选育中的珍贵育种材料。本研究中，苗期短光照处理对常规种(保持系和恢复系)育性影响较小，不同杂交组合的育性出现显著差异。以‘SXTH 3’、‘SXTH 5’和‘SXTH 21’恢复系配制的4个杂交组合育性受苗期短光照处理的影响较大，短光照处理后植株几乎不结荚，表现出不育，杂交组合育性不稳定，‘SXTH 3’、‘SXTH 5’和‘SXTH 21’为弱恢复系；以‘SXTH 40’恢复系配制的2个杂交组合育性受苗期短光照处理的影响较小，短光照处理后植株仍能正常结实，表现可育，杂交组合育性稳定，‘SXTH 40’为强恢复系。恢复系和保持系育性稳定，而三系杂交种育性稳定存在显著差异，产生这一现象的主要原因是目前利用的大豆细胞质雄性不育系为配子体不育[22]，多数杂交种只有50%的可育花粉，在一定条件下，若可育花粉大幅度减少，会对杂交种结实造成较大影响。赵丽梅等[16]研究发现，半不育花粉败育率的变化范围是10.1%～90.0%，主要受恢复系以及环境条件的影响，当花粉可育率在40.0%以上，植株结实正常，当花粉可育率在30.0%以下时，植株结实就会显著减少或表现出半不育，个别情况下出现不育株。本研究中发现不同杂交种的花粉可育率差异较大，在正常光照下，杂交组合‘JD24A’בSXTH 21’的花粉可育率最低，为33.0%，但能正常结荚成熟，苗期短光照处理后，不同杂交组合的花粉可育率占比都显著下降，其中，‘H3A’בSXTH 40’和‘JD24A’בSXTH 40’2个杂交组合花粉可育率分别为43.2%和55.7%，高于正常结实的临界值30.0%，表现为可育，‘H3A’בSXTH 3’、‘H3A’בSXTH 5’、‘H3A’בSXTH 21’和‘JD24A’בSXTH 21’4个杂交组合花粉可育率分别为0.2%、7.5%、11.4%和11.9%，低于正常结实的临界值30.0%，表现为不育，与赵丽梅等[16]的研究结果相吻合。花粉可育率与单株荚数、单株粒数均呈极显著正相关。花粉可育率与植株育性表达有一定的正相关性。大多数品种与不育系配制的杂交种，由于有部分花粉生活力弱，当环境条件变化时，杂交种的结荚数及育性发生变化，实质是恢复系的恢复力不够强。从遗传角度分析，这一现象实际上是恢复系的恢复基因不能彻底抑制不育系的不育基因所至。综上，大豆细胞质雄性不育系的不育基因的恢复性比较复杂，非等位恢复基因和微效修饰基因可能存在，因此，强恢复系的选育在三系杂交大豆育种中尤为重要。在杂交大豆育种实践中，由于局限于当地的环境，异地鉴定又比较费时费力，且大豆杂交种制种成本较高，可以利用苗期短光照处理与花粉可育率检测相结合的方法，选育出强恢复系及育性稳定的大豆杂交种。