小麦光温敏核雄性不育系开颖和柱头外露特征及其对异交结实能力的影响

杨卫兵，高建刚，孙 辉，梁玉龙，张风廷，赵昌平，秦志列

(北京市农林科学院杂交小麦研究所,北京 100097)

杂种优势利用是提高作物产量的重要途径和有效手段。1919年，Freeman首次报道了小麦杂种优势。经过几十年的研究，国内外学者相继建立了三系法、化杀法、二系法等多种小麦杂种优势利用技术途径。近年来，中国培育出了京麦6号、京麦7号、绵阳32、绵杂麦168、云杂5号等二系杂交小麦，但杂交种子生产中不育系的异交结实率不稳定，进而造成制种产量不稳定，制约了二系杂交小麦的大面积生产应用。

提高不育系的异交结实率是杂交小麦高产稳产制种技术的核心内容。研究发现，二系法杂交制种的异交结实率为43.1%～ 71.6%，三系法杂交制种和化杀法杂交制种的异交结实率分别为18.4%～75.3%和6.3%～40.4%。因此，异交结实率偏低是影响目前杂交小麦制种产量的重要因素。异交结实率的高低与不育系的柱头外露率及持续时间显著相关。而柱头作为接受外源花粉的器官，其外露率受开颖角度、柱头大小及其与其他花器相对位置的影响。杂交水稻制种中柱头外露颖花的异交结实明显高于柱头不外露颖花，但有些开花习性优良的不育系的异交结实率却很低。因此，开颖、柱头外露等性状与异交结实的关系仍需深入研究。

中国的二系法小麦杂种优势利用研究起步相对较晚，有关小麦光温敏雄性核不育系开花习性与异交结实关系的研究近乎空白。本研究通过对小麦光温敏核雄性不育系的开颖、柱头外露、异交结实进行调查，分析其开颖和柱头外露特征及其对异交结实能力的影响，以期为小麦光温敏核雄性不育系的选育和完善其应用评价体系提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料以小麦光温敏核雄性不育系BS366、BS206、BS212、BS1453为母本，以恢复系13GF7675为父本，均由北京市农林科学院杂交小麦研究所选育。

1.2 试验方法

1.2.1 田间种植

田间试验于2018-2019年度在北京市农林科学院杂交小麦研究所邓州基地进行。父、母本行比2∶6，行长10 m，行距0.22 m。父、母本于10月15日播种，基本苗分别为75万和270万 株·hm。于开花前在小区四周设隔离帐，并在处理期间每天上午和下午利用竹竿进行人工辅助授粉各2和3次。其他田间管理同常规管理。

1.2.2 田间选穗及试验处理

于不育系始花期(BS366和BS206为始花期当天，BS212和BS1453为始花期第2天)的上午，在第2行不育系中选择群体均匀的3个点，然后在各点选取穗大小均匀且有1～3朵小花开花的麦穗，进行挂牌编号，并套自交袋。套袋的麦穗中，20个麦穗用于调查自交结实粒数，10个麦穗经人工剪颖后用于人工饱和授粉，26个麦穗用于调查开颖小花数、柱头外露小花数、异交结实粒数等数据。

用于调查开颖小花数、柱头外露小花数、异交结实粒数等数据的挂牌麦穗，于恢复系始花期的第2天早上取下自交袋，由专人调察各小花的开颖小花数和柱头外露小花数，以肉眼可见为标准。田间授粉5 d后再次套袋终止异交，以保证各不育系授粉时间相同。不育系取下自交袋的第1天和第3天，取恢复系花粉进行人工饱和授粉，用于调查最大异交结实粒数。于花后20 d，调查标记麦穗的自交结实粒数和异交结实粒数。

1.3 数据处理

利用以下公式计算自交结实率、开颖率、异交结实率等：

自交结实率=自交结实粒数/最大异交结实粒数×100%

(1)

开颖率=开颖小花数/最大异交结实粒数×100%

(2)

柱头外露率=柱头外露小花数/最大异交结实粒数×100%

(3)

开颖小花异交结实率=开颖小花异交结实粒数/开颖小花数×100%

(4)

柱头外露小花异交结实率=柱头外露小花异交结实粒数/柱头外露小花数×100%

(5)

异交结实率=异交结实粒数/最大异交结实粒数×100%

(6)

利用SPSS软件对试验数据进行统计和方差分析，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 供试不育系的开颖和柱头外露特征

由表1可知，供试不育系的自交结实率在 0.11%以下，表现出完全不育或高度不育。不育系于4月13日或4月14日进入始花期，较恢复系始花期(4月17日)早3～4 d。本试验条件下，各不育系均于4月18日去除自交袋，此时，标记麦穗已开花4 d，绝大多数小花已经处于第二次开颖期，开颖和柱头外露性状表达充分且稳定，而恢复系则刚进入散粉高峰期，可为不育系异交结实提供足够的花粉。

表1 供试不育系的自交结实率和始花期Table 1 Self-seed setting rate and initial flowering date of sterile lines

由表2可知，4个不育系开颖率的变化范围为18.10%～86.28%，平均值为47.83%，其中BS366的开颖率最高，显著高于其他不育系；BS1453的开颖率最低，显著低于BS366和BS206，但与BS212无显著差异。4个不育系柱头外露率的变化范围为28.68%～67.33%，平均值为41.49%。其中，BS206的柱头外露率最高，显著高于其他不育系；BS1453的柱头外露率最低，显著低于BS206和BS212，但与BS366无显著差异。由上可知，各不育系的开颖、柱头外露特征均不相同，其中BS366为高开颖率低柱头外露率类型，BS206为中开颖率高柱头外露率类型，BS212为低开颖率中柱头外露率类型，BS1453为低开颖率低柱头外露率类型。

表2 供试不育系的开颖率和柱头外露率Table 2 Glume opening rate and stigma exsertion rate of sterile lines %

除BS366外，BS206、BS212、BS1453的开颖率均低于柱头外露率。其中，BS212的开颖率与柱头外露率之间差异最大，二者相差16.01个百分点；BS206的开颖率与柱头外露率之间差异最小，仅相差4.02个百分点。这说明不育系BS206、BS212、BS1453在第一次开颖期间柱头外露的小花中，部分小花闭颖后未能再次开颖，但柱头仍保持外露状态。

2.2 供试不育系开颖小花和柱头外露小花的异交结实能力

比较开颖小花和柱头外露小花的异交结实率发现(表3)，4个不育系开颖小花异交结实率的变化范围为26.16%～55.54%，平均值为39.19%，其中BS366开颖小花的异交结实率最高，显著高于BS212和BS1453，但与BS206无显著差异。4个不育系柱头外露小花异交结实率的变化范围为59.39%～65.62%，平均值为62.65%，4个不育系间柱头外露小花的异交结实率均无显著差异，其变化范围明显小于开颖小花，说明不育系间柱头外露小花的异交结实能力比开颖小花更为稳定。此外，各不育系柱头外露小花的异交结实率均高于开颖小花的异交结实率，其中BS212和BS1453柱头外露小花的异交结实率比开颖小花的异交结实率高约40个百分点，表明柱头外露小花的异交结实能力高于开颖小花。

2.3 供试不育系的异交结实特征

从表4可以看出，4个不育系最大异交结实粒数的变化范围为36.60～42.50，不育系间无显著差异，说明这4个不育系接受恢复系13GF7675花粉后，均可正常结实。供试不育系去除自交袋后经5 d授粉处理，异交结实率由高到低依次为BS366(53.16%)>BS206(42.43%)>BS212 (33.04%)>BS1453(23.58%)，4个不育系间差异均达到显著水平。

表3 供试不育系开颖小花和柱头外露小花的异交结实率Table 3 Outcrossing seed setting rate of glume opening floret and stigma exsertion floret in sterile lines

4个不育系的开颖小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例变化范围为19.31%～ 87.46%，平均值为50.55%。其中，BS366的开颖小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例最高，显著高于其他不育系；BS212的开颖小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例最低，显著低于BS366和BS206，但与BS1453无显著差异。4个不育系的柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例变化范围为31.64%～92.32%，平均值为 68.47%，其中BS206的柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例最高，显著高于其他不育系；BS366的柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例最低，显著低于其他不育系。

表4 供试不育系的异交结实差异Table 4 Differences of outcrossing seed setting in sterile lines

除BS366外，其他不育系均表现为柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例明显高于开颖小花异交结实粒数所占比例，其中BS206的柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例比开颖小花异交结实粒数所占比例高约20个百分点，BS212和BS1453的柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例比开颖小花异交结实粒数所占比例高约55个百分点。

相关分析表明，异交结实率与开颖率、柱头外露率呈极显著正相关，相关系数分别为0.719和0.372，表明提高开颖率和柱头外露率可以显著增加异交结实。开颖率与柱头外露率也呈极显著正相关，相关系数为0.467，说明增加开颖小花数，有利于提高柱头外露小花数。因此，开颖率和柱头外露率对异交结实均有重要影响。

3 讨 论

在前人杂交小麦研究中，采用国际法或国内法计算得出的异交结实率往往与实际情况存在一定的偏差，不能真正反映不育系的异交结实水平。本研究中，利用多次人工饱和授粉处理获得的最大异交结实粒数作为计算开颖率、柱头外露率、异交结实率等指标的基准，比以往研究所用数据更加准确。

小麦雄性不育系的小花在颖壳张开、柱头外露期间接受父本花粉以实现异交结实，而且异交结实粒数随着开花进程呈动态变化。小麦雄性不育系颖壳的开张过程为“开颖-闭颖-再开颖”，第一次开颖历期仅有几个小时，明显短于第二次开颖历期所需的时间(约数天)，因此本研究选择开颖和柱头外露特征表现相对稳定、历期较长的第二次开颖为研究时间段。对4个不育系开颖和柱头外露的特征观察后发现，BS206、BS212和BS1453的开颖率均低于柱头外露率，表明部分小花闭颖后未能再次开颖可能是多数不育系普遍存在的现象。此外，由于BS366和BS206在第二次开颖期间具有较高的开颖率或柱头外露率，因此在制种实践中这两个不育系实现异交结实的机率高于BS212和BS1453。

本研究发现，4个不育系柱头外露小花的异交结实率高于开颖小花，而且在不育系间表现出较好的稳定性，这与田大成等和李宏生等的研究结果基本一致。柱头外露小花较强的异交结实能力使得柱头外露小花异交结实粒数占总异交结实粒数的比例高于开颖小花异交结实粒数所占比例，这也与杨保汉的研究结果一致。相关分析结果表明，高开颖率和高柱头外露率有利于获得高异交结实率，但开颖率与异交结实率的相关系数高于柱头外露率与异交结实率相关系数的原因有待明确。在本研究处理条件下虽然开颖率较高的BS366获得最高的异交结实率，但柱头外露率较高的BS206更易实现稳定的高异交结实率。由于开颖是柱头外露的前提条件，二者表现为极显著正相关，因此，在育种实践中，应将开颖作为首要选择的目标性状，在此基础上，注重对柱头外露性状的选择。

本研究选择恢复系花期比不育系晚3～4 d且在第二次开颖期间进行试验处理，在父母本选择和研究时间上仍有局限，在以后的试验中，应进一步对株高、花期和散粉能力不同的恢复系、开颖和柱头外露特征更加丰富的不育系以及第一次开颖期间开颖和柱头外露小花对异交结实能力的影响等进行研究，以明确开颖和柱头外露与异交结实的关系。