F型小麦雄性不育系恢复性研究

苑少华,段文静,白建芳,秦梦颖，2,王 娜,马锦绣,赵昌平,章文杰,张风廷, 张立平

(1.北京市农林科学院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； 2.北京农学院植物科学技术学院，北京 102206)

小麦是全世界种植最广泛的粮食作物之一，对人类的生存和发展具有非常关键的作用。杂交水稻[1]、玉米[2]、高粱[3]和大豆[4]的成功应用，为世界的粮食生产做出了巨大的贡献，表明杂种优势是提高粮食产量的重要途径之一[5]。故培育杂交小麦，发挥其增产、抗逆和适应性广等杂种优势，是保障粮食生产的重要选择[6]。

目前，小麦杂种优势利用主要集中于三系法(核质互作雄性不育系)、化杀法(化学杀雄剂诱导雄性不育系)和两系法(光温敏雄性不育系)[7]三种途径。前期以三系法和化杀法为主要技术方法，但三系法在制种过程中，不育系不够稳定、高恢复性品种较少和制种产量低，化杀法存在化学污染等问题[8-10]。2000年后我国原创的二系法杂交小麦应用技术体系得到了快速发展，奠定了我国在国际杂交小麦研究领域的领先地位。目前我国关于BS系列、ES系列和C49S系列的小麦光温敏二系不育系遗传、基因定位及相关基因克隆的研究报道较多[11-12]。F型三系不育系材料是山西省运城蓝红杂交小麦研究中心选育的新型普通小麦细胞质雄性不育系，也是我国新发现的不育源。该不育系是采用六倍体普通小麦品种间杂交选育而成，将分散的多类型不育基因通过基因重组聚合到一个材料，具有普通小麦细胞质和细胞核，有较好的不育性和恢复性。

目前对FA的研究还处于起步阶段[13]，恢复系筛选和强优组合的选育成为其发展的关键问题。利用FA与不同小麦进行组配，筛选适应不同生态区的强优势杂交种，成为提高其利用价值的重要环节之一[14]。

本研究通过比较FA及其杂交组合在北京与河南南阳两个生态区的育性及恢复性表现，筛选高恢复组合，以期为进一步利用FA，丰富杂交小麦技术途径提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验材料

F型小麦雄性不育系(FA)种子由山西省运城市蓝红杂交小麦研究中心提供，杂交组合中所用的116个父本材料由北京杂交小麦工程技术研究中心提供；育性调查试验中，在河南南阳和北京分别选取常规品种豫麦34和京冬8号为常规对照，选取光温敏核雄性不育系BS366为不育系对照材料，其在北京表现可育，在河南南阳表现高度不育。

1.2 试验方法

1.2.1 花粉粒育性调察

于2015年10月将供试材料种植于河南南阳和北京两个生态区，待小麦幼穗花粉母细胞发育到二核期后期或三核期，取FA及其对照材料的花粉用1%的I2-KI溶液染色，观察花粉发育情况，镜检的花粉粒按染色情况分为正常花粉粒(圆形，且花粉粒染色充实，为深蓝色或黑色)和败育花粉粒(圆形或皱瘪，花粉粒染色不充实，为浅蓝、棕黄或未染色)。每个材料取2～3个小穗，每个小穗取3～5个视野进行镜检。统计FA、BS366、京冬8号及豫麦34的花粉碘染率，分析FA的花粉育性特征。花粉碘染率=(正常花粉粒数/花粉粒总数)×100% 。

1.2.2 田间性状调查

2016年4月以FA不同株系为母本，与116个父本材料进行杂交，2016年9月下旬和10月中旬分别将杂交收获的F0代种子种植于北京(N 39°54′,E 116°18′)和河南南阳(N 33°00′，E 112°52′)两个生态区，设置2次重复。2017年4-6月对2个生态区的亲本和F1代进行相关特性参数(单株穗数和穗部性状等)的调查分析。

国际法结实率=穗粒数/(2×总小穗数)×100%，简称结实率

结实小穗率=(结实小穗数/总小穗数)×100%

2 结果与分析

2.1 F型不育系的花粉育性

通过对FA不同生态环境下花粉育性观察发现，FA在南阳的花粉粒皱缩、空瘪，花粉内含物少，超过半数的花粉粒染色为黄色，为染败和典败类型；FA在北京的花粉粒较饱满，以染败类型为主；北京和南阳两地的黑染率分别为44%和12%。不育系对照BS366在北京和南阳的黑染率分别为65%和34%，花粉败育特征与FA类似。常规对照品种京冬8号和豫麦34在北京和南阳两地的花粉量均大，花粉粒均饱满，黑染率均为99%(图1)。

2.2 F型不育系的恢复性

从表1可以看出，FA在北京的恢复性显著高于南阳。在北京，116个杂交组合F1代结实率大于90%的高恢复性组合有72个，占比62.07%。在南阳，结实率大于90%的高恢复性组合有25个，占比21.55%。以北京和南阳结实率均大于90%为标准，初步筛选出22个高恢复性组合(表2)，占比18.97%；同时，这些组合在北京的结实小穗率为66.38%～98.16%，在南阳的结实小穗率为76.24%～98.50%，初步说明FA具有较好的恢复性。

图1 常规对照品种京冬8号、豫麦34、光温敏雄性不育系BS366以及FA在北京和南阳的花药碘染结果Fig.1 Results of iodine staining in anthers of FA and the conventional varieties of Jingdong 8,Yumai 34, photo-thermosensitive genic male sterile line BS366 in Beijing and Nanyang

通过比较FA及其杂交组合在两地的结实率发现，FA在南阳的结实率低于1%，在北京育性有所提高，结实率和结实小穗率分别为12.38%和16.92%。此外，发现12个杂交组合在南阳的结实率低于5%(表3)，其中5个组合的结实率为0，分别是FA/Croatia RFNATA、FA/PI 601205、FA/川麦52、FA/PI 599988和FA/云麦59，且这12个组合在北京的结实率要显著高于南阳，说明FA及部分杂交组合尤其是低恢复性组合的育性具有明显的环境诱导效应。

表1 116个杂交组合F1代自交结实率(国际法)的分布Table 1 Distribution of selfing seed setting rate in F1 of 116 cross combinations

表2 自交结实率在北京和南阳都大于90%的22个组合及其F1代的自交结实率Table 2 22 FA combinations with selfing seed setting rate over 90% in both Beijing and Nanyang

2.3 FA与BS366恢复性比较

将FA、BS366分别与20个相同父本配制杂交组合，并分别种植于北京和南阳，对其F1代进行结实率和结实小穗率的比较分析。单因素方差分析结果(表4)表明，在北京环境下，有17个FA杂交组合的结实率与具有相同父本间的BS366杂交组合差异显著或极显著，有11个FA杂交组合的结实小穗率与具有相同父本间的BS366杂交组合差异显著或极显著；在南阳环境下，分别有15个FA杂交组合的结实率和结实小穗率与具有相同父本间的BS366杂交组合差异显著或极显著。可见，在北京环境下，只有3个具有相同父本的FA和BS366杂交组合的恢复度相近，仅占20个组合的15%；在南阳环境下，只有5个具有相同父本的FA和BS366杂交组合的恢复度相近，仅占20个组合的25%。这些结果初步说明BS366和FA的恢复源不完全一致，其不育及育性恢复机制存在一定差异。

表3 FA和BS366与低恢复性的F1组合的育性Table 3 Investigation of fertility of BS366,FA and lower F1 hybrids

表4 FA及BS366与相同父本杂交的F1代在北京与南阳的自交结实率Table 4 Self-seed setting rate of F1 hybrids of FA and BS366 with same male parent in Beijing and Nanyang

*和**分别表示FA杂交组合与具有相同父本的BS366杂交组合的数据间具有显著性(P<0.05)和极显著性(P<0.01)差异。

* and **represent significant difference between the F1hybrids of FA and BS366 with same male parent at 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 讨 论

FA是新发现的一种三系不育系，研究人员相继对它开展了不育系的恢保关系、细胞学及杂种优势等研究[15]。目前对它的研究仍处于初级阶段，其不育机理有待进一步深入研究。小麦花粉粒发生败育的时期主要有减数分裂期、单核期、二核期和三核期，发生败育时期越早不育率越高，雄性不育越彻底；对于不同的雄性不育材料，花粉败育的时期和原因也不尽相同[16-17]。孟荣华等[18]发现粗厚山羊草异质系的败育花药中，很大一部分花药在形成初期无法形成完整的花药结构，而一部分花药的花粉育性正常却在开花期封闭不开裂，使得花粉失去功能，还存在雄蕊趋雌发育的异常现象。赵卜等[16]研究发现F型小麦雄性不育系在减数分裂阶段的花粉母细胞发育完全，在二核期却突然出现生殖核消失现象，随后营养核也慢慢消解，造成无核小孢子占比升高，且花粉败育也主要表现为染败，具有不育彻底、稳定的特性。本研究中FA花粉粒在北京与南阳两地都表现为皱缩、空瘪，花粉内含物少等特征，与前人研究结果类似，本研究通过不同生态区鉴定发现，FA在南阳的败育率显著高于北京。

小麦雄性不育系、保持系和恢复系是三系杂交小麦育种的基础，但早期包含外源细胞质的CMS型不育系因恢复度低等特点限制了大规模的应用与生产[19]，所以小麦雄性不育系恢复源的筛选成为杂交小麦利用的一个重要环节。研究发现T型小麦不育系恢复源狭窄[20]，选育大量恢复力高且稳定的恢复系比较难，K型和V型小麦不育系恢复源广，但两者恢复度均不高，F1恢复度大多数表现为60%～70%[21-23]。本研究发现，FA在北京大于90%的高恢复性组合比例达62.07%，在南阳的高恢复性组合比例达21.55%，在北京和南阳都表现为高恢复性组合有22个，占比18.97%。可见，与K型、V型和T型等不育系相比，FA的恢复源广，恢复性较高，是较优良的不育系，同时本研究获得的高恢复性组合为强优势杂交种选育及恢复系改良提供了参考。

小麦BS366是一种典型的光温敏核雄性不育系，表现为在北京的种植条件下可育，在南阳的种植条件下花药不开裂，花粉不育，为二系法中常用的不育系。本研究通过比较FA及其杂交组合在北京和南阳的结实率和结实小穗率，发现FA和部分低育性杂交组合在北京结实率要显著高于在南阳的结实率，初步推测FA及部分FA杂交组合尤其是低恢复性杂交组合，其育性存在一定程度的环境诱导效应，但FA的环境诱导效应弱于BS366。同时，本研究分析了FA和BS366相同父本杂交组合的结实率，发现两者相同恢复性组合所占比例较小，初步推测FA与BS366恢复源存在一定差异。由于本研究的材料样本数较小，还需进一步扩大试验材料，通过多年多生态区种植来评价FA与其他类型不育系在育性和恢复性等性状的差异特性及其利用价值。

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