小麦温光敏雄性核不育系的柱头活力研究

李宏生，李绍祥，杨忠慧，刘 琨，赵 红，杨木军

(云南省农业科学院粮食作物研究所，昆明 650205)

【研究意义】小麦杂种优势利用是进一步提高单产水平、抗逆性和稳产性，丰富小麦品种遗传基础的有效途径之一[1-6]。小麦温光敏或光温敏雄性核不育材料，恢复源广，制种程序简单[7]，且配制的杂交组合高产、抗逆性强[8-9]，现已成为中国杂交小麦研发的主要途径之一[10]。深入研究杂交小麦制种技术细节，有助于提高规模化制种产量，促进杂交小麦大面积生产应用[11]。杂交小麦制种中，不育系的异交结实率与其柱头活力密切相关，是影响制种产量的关键因素之一。【前人研究进展】在影响制种异交结实率的诸多因素(如恢复系花粉量、不育系开颖率、柱头外露率及柱头活力持续期)中，不育系柱头活力持续时间不仅与异交结实率直接相关，还影响制种的父母本播种期和花期调节[4,12-13]。柱头活力受外界环境和不育系遗传特性的影响[14]。杜雪树等[15]对水稻制种的研究表明，不同不育系柱头活力持续时间不同。因此，明确不同不育系柱头活力持续时间长短以及柱头活力的变化规律，有助于评价不育系的利用价值，合理安排制种播期及调节花期，提高制种产量。【本研究切入点】目前，西南麦区杂交小麦制种中对不育系柱头活力持续时间与变化规律未进行系统研究，杂交小麦高产制种有待完善。【拟解决的关键问题】本研究以云南应用的4个小麦温光敏核不育系为材料，分别在第一朵颖花护颖完全张开(简称开颖，下同)后的不同时间进行饱和授粉，研究各不育系柱头活力的变化情况，为杂交小麦高产制种提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

4个小麦温光敏雄性核不育系(简称不育系，下同)分别为K43S、K64S、K78S和K456S，花粉供体为常规品种云麦52号，5个材料均由云南省农业科学院粮食作物研究所选育。

K43S是利用K78S/K456S杂交的F1代种子诱导小麦双单倍体选育获得，中抗条锈病，株高50～60 cm，不育度100%，天然异交结实率为63.5%；K64S是利用15Y5-213/15Y5-241杂交的F1代种子诱导小麦双单倍体选育获得，中抗条锈病，株高70～75 cm，不育度100%，天然异交结实率为79.1%；K78S是组合96B-138/C49S-87杂交后代选育获得，中感条锈病，株高75～80 cm，不育度100%，天然异交结实率为78.4%；K456S是组合K78S/甘鉴46杂交后代选育而来，中抗条锈病，株高80～85 cm，不育度100%，天然异交结实率为75.6%。

1.2 试验方法

1.2.1 材料种植 4个小麦不育系于2019年10月20日播种，每个材料播种20行，行长1 m，行距25 cm，每行播种60～70粒，出苗后每行定苗至50苗，其中K64S分温室大棚和大田2种环境种植，其余3个不育系全部种植于温室大棚；生育期间温室大棚四周卷起塑料布通风透光。花粉供体云麦52号于10月5、15、25日分3期播种，每期20行，每行播40～60粒。温室和大田水肥管理一致。

1.2.2 不育系饱和授粉 抽穗后开花前，每个小麦不育系选择生长发育进度相近的麦穗进行套袋，待套袋麦穗开颖后，选择发育基本一致的麦穗剪开颖壳继续套袋，分别于开颖后第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19和21天进行饱和授粉，每次每个不育系授粉9穗，3穗为1个重复，共计99穗，9穗不授粉(CK)，考察不育系自交结实情况。

1.2.3 不育系活力测定 以小麦不育系杂交结实率表示不育系柱头活力(下同)。不授粉(CK)和授粉的不育系种子进入蜡熟期收获进行结实率考种。不育系结实率、自交结实率及不育系杂交结实率计算公式如下。不育系结实率(%)=[结实粒数/(每穗小穗数×2)]×100；自交结实率(%)=[自交结实粒数/(每穗小穗数×2)]×100；不育系杂交结实率(%)=不育系结实率-不育系自交结实率。

1.2.4 数据分析 试验数据利用SPSS 23.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 小麦不育系间柱头活力比较分析

4个不育系未授粉套袋穗子全部未结实，自交结实率为0，不育系结实率与杂交结实率相等。从表1可看出，平均柱头活力(杂交结实率)表现为：K456S>K64S>K78S>K43S。差异显著性分析表明，K43S的平均柱头活力显著低于K64S、K456S，而K456S、K64S、K78S 三者间平均柱头活力差异不显著。

开颖后不同天数授粉的杂交结实率统计如表2。开颖后第3和5天授粉，杂交结实率分别为107.62%和99.13%，且两者之间无显著差异，但均显著高于其他处理，说明开颖后第3天和第5天柱头活力最高；开颖后第7天杂交结实率显著高于随后的其他处理；开颖后第1天和第9天授粉杂交结实率无显著差异，但显著高于随后的其他处理；开颖后第11天授粉的杂交结实率显著高于第13天和第15天授粉的。开颖后第15、17、21、19天授粉的杂交结实率都很低(小于5%)，4个处理间无显著差异。4个不育系开颖后第19天的平均杂交结实率为0，说明柱头已丧失活力。因此，在制种中父母本同期播种花期差异应小于19 d。根据杂交结实率的变化趋势，开颖后柱头活力大小为第3天>第5天>第7天>第1天>第9天>第11天>第13天>第15天>第17天>第19天。

表1 4个不育系柱头活力多重比较

表2 不同授粉时间柱头活力多重比较

2.2 小麦不育系柱头活力变化规律分析

根据4个不育系开颖后不同时间授粉的杂交结实率差异(图1)，总体上随着不育系开颖后时间的增加，不育系的柱头活力先升高再降低，但4个不育系的柱头活力变化趋势以及达到峰值的时间有差异。其中，K43S在开颖后第3天杂交结实率最高，为106.02%，说明K43S的柱头活力在开颖后第3天最高，开颖后第5～11天杂交结实率从103.19%下降到24.61%，柱头活力呈现快速下降趋势；K64S杂交结实率在第5天达到最高，为105.18%，第5～9天平稳下降，其杂交结实率从105.18%下降到84.82%，第9天后急剧下降，第13天下降到17.39%；K78S第3天杂交结实率最高，为110.72%，说明K78S的柱头活力也是开颖后第3天最高，随后下降，下降趋势与K64S基本相同；K456S在第5天柱头活力达到最高(杂交结实率122.95%)，下降趋势与K43S基本相同。

图1 4个不育系开颖后不同时间柱头活力表现Fig.1 Stigma vigor of four TPSGMS lines of different time after glume-opening

柱头活力先升高再下降的原因与麦穗上小花间柱头成熟度不同有关，第1朵小花颖壳张开时，基部或顶部部分小花柱头发育未成熟而不能捕获花粉粒完成受精；当柱头活力达到最大值的授粉期之后，随着时间推移，先开花的小花柱头逐渐老化而丧失受精能力，导致结实率(柱头活力)不断降低。

2.3 小麦不育系间高柱头活力持续时间比较分析

根据图1分析不育系间高柱头活力持续时间，除K43S外，其余3个不育系从开颖后第1～17天，其柱头都有不同程度的活力，开颖后第19天开始，4个不育系的柱头都没有活力(杂交结实率为0)。同时，方差分析表明，4个不育系的柱头活力持续时间无显著差异(P>0.05)。但其授粉结实率达到80%以上的时间存在显著差异(P= 0.00)，K64S为7 d，K78S为9 d，K43S为3 d，K456S为5 d，即K78S>K64S>K456S>K43S。

通过上述分析可知，4个不育系间柱头活力高低和杂交结实率>80%的持续时间存在显著差异，且各不育系柱头活力变化规律也不相同，在制种中应根据不育系的柱头活力特性制定相应的花期调控措施。在优势组合测配时应选择不同开花特性的恢复系，如K64S和K78S为高柱头活力(杂交结实率>80%)持续时间较长的不育系，可选择开花期较长的恢复系，花期最好能够持续10 d以上；而K43S和K456S为高柱头活力(杂交结实率>80%)持续时间较短的不育系，应选择开花期较为集中的恢复系，其在2～5 d内能够提供足量的花粉。

2.4 不同环境对小麦不育系柱头活力的影响

K64S在大田和温室2种环境条件下的柱头活力测定结果见图2，其柱头活力存在极显著差异(P=0.000)。大田环境下最高杂交结实率(122.76%)较温室高17.58%；平均杂交结实率(59.38%)较温室高13.83%。K64S在大田环境下开颖后第7天柱头活力达到峰值，较温室中推迟2 d；开颖后第1～15天，除第3天外，其余时间大田环境的柱头活力均高于温室。大田环境下K64S高柱头活力持续时间也明显长于温室，开颖后第3～11天授粉的结实率均保持在80%以上，持续时间长达9 d，较温室长2 d。其主要原因是温室的平均温度高于大田2.8 ℃，湿度仅有10%左右，高温、干燥对柱头活力有损伤。因此选择制种基地时应考虑其小麦开花期的温度、湿度或灌溉条件。

图2 K64S在温室和大田2种环境下的柱头活力Fig.2 Sigma vigor of K64S in greenhouse and field

3 讨 论

柱头是不育系接受外源花粉的器官。研究表明，不同不育系其柱头活力持续时间存在显著差异[16]，明确不育系柱头活力持续时间，尤其是高柱头活力(授粉结实率>80%)持续时间对提高杂交制种产量至关重要[17]。相关研究和制种实践表明，水稻和小麦不育系杂交结实率与柱头活力密切相关，杂交结实率已广泛用于指示不育系的柱头活力[14,16,18-19]。本试验结果表明，4个不育系开颖后的平均柱头活力存在一定差异，与水稻不育系柱头活力研究结果相似。柱头活力持续时间越长，其能够接收恢复系花粉的概率就越高，制种产量也就越高。本研究中，4个不育系柱头活力持续时间均可达15 d，与罗红兵等[20]在小麦光温敏核不育系ES上的研究结果(柱头活力持续时间为8～9 d)有明显差异，其原因与所选杂交授粉起点不同有关，本研究以中部第1朵颖花张开为时间起点，而罗红兵等的研究以盛花期为起点。不育系柱头活力持续时间长短仅代表不育系可授粉结实的持续时间，而制种中更需要了解不育系保持高柱头活力持续的时间以提高异交结实率。研究表明，小麦和水稻不育系都具有高杂交结实率的授粉关键时期，且不同不育系的授粉关键时期不同[21-22]，与本研究结果一致。

本研究通过不育系在温室大棚和大田自然条件的柱头活力对比试验，证实了开花期高温、干燥的环境对小麦不育系的柱头活力有不利影响。大田环境下K64S柱头活力在80%以上的持续时间显著高于温室环境(高温、干燥)，该结果与水稻不育系的相关研究与制种实践基本一致，高温可导致水稻柱头活力下降[23]，高温、低湿导致制种中不育系杂交结实率降低[24]，低温、高湿环境下水稻不育系新安S柱头活力更高[25]。同时，笔者在多年杂交小麦大面积生产制种中也发现，温度较低、湿度较高的云南省腾冲市，其制种产量明显高于高温、干旱的云南省文山州。因此，制种基地安排在温度较低、湿度适中的区域更易获得高产。

不育系柱头活力持续时间以及高柱头活力持续时间受遗传背景和环境的影响。在生产制种中，明确不育系的柱头活力特性及环境因素对柱头活力的影响，对制种的花期调节和提高制种产量至关重要。本研究明确了4个主要小麦温光敏核不育系柱头活力的差异及变化规律，为这些不育系高产制种中花期调节提供了科学依据。但不育系柱头活力受环境影响，还需进一步在不同制种基地进行系统研究，包括开花习性、柱头活力变化规律等，从而为高产制种提供更详尽的数据支撑。

4 结 论

通过对4个小麦温光敏雄性核不育系连续21 d饱和授粉的杂交结实率研究，各不育系柱头活力变化趋势都呈现出先升高后降低的变化规律，其中K43S和K78S开颖后第3天柱头活力最高，杂交结实率为106.20%和110.72%，K64S和K456S开颖后第5天柱头活力最高，杂交结实率为105.18%和122.95%。4个不育系高柱头活力持续时间K78S(9 d)>K64S(7 d)>K456S(5 d)>K43S(3 d)，开颖后K78S第1～9天，K64S第3～9天，K456S第1～5天和K43S第3～5天杂交结实率都大于80%。不育系开花期高温干燥的环境对柱头活力和高柱头活力持续时间均有不利影响。这些结果可为4个小麦温光敏雄性核不育系高产制种和制种区域选择提供理论参考。