高温胁迫对棉花不同胞质类型恢复系花药散粉和产量的影响

张学贤，郭立平，吴建勇，戚廷香，唐会妮，王海林，乔秀琴，邢朝柱

（中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000）

杂种优势是生物界普遍存在的现象，棉花也不例外。利用杂种优势可以显著提高棉花的产量、品质[1]。利用“三系”制种法生产杂交种，可降低制种成本，是棉花制种方法发展的必然趋势。但由于棉花恢复系来源狭窄，其恢复能力不强以及容易受到外界环境条件影响等因素，制约了三系杂交种的发展与利用。棉花恢复系分为可育胞质型和不育胞质型，当前育种工作中利用的大多是以哈克尼西棉细胞质雄性不育胞质为背景选育的不育胞质型恢复系，其育性恢复能力容易受到高温环境影响，当环境温度超过35℃时会影响花粉正常的生长发育，出现少粉现象，阻碍授粉过程[2-3]。目前，关于棉花恢复系恢复能力与环境因素的关系已有报道。崔艳利等[4]研究结果表明，恢复系花粉发育随着温度的变化而有所改变，且在不同的生态区其育性表达也不尽相同。吴翠翠等[5]针对气象因子与棉花恢复系恢复能力的关系开展研究，结果表明：最高气温、相对湿度对花粉育性恢复度直接影响较大且为负效应，而平均气温、地面最低温度和日照时间对花粉育性恢复度为正向效应。近年来，由于气候变化等原因，极端高温天气出现频率增高，尤其是长江流域棉区在7―8月最高温度接近40℃，不利于花药散粉，影响结铃率，给三系杂交种的培育造成了一定困难。因此，本试验通过对3个不育胞质型恢复系及3个可育胞质型恢复系在高温胁迫下花药散粉情况及籽棉产量进行观测统计，旨在明确不同胞质类型恢复系对花药散粉情况及自身产量的影响，为恢复系的选育提供新的依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用本团队前期选育的3个不育胞质型恢复系材料和其对应的同核异质的3个可育胞质型恢复系材料 （表1），6个恢复系材料恢复基因均来源于同一恢复系。

表1 试验材料

1.2 试验安排

试验在中国农业科学院棉花研究所海南科研中心大茅基地温室开展。2017年2月下旬播种，随机区组设计，3次重复，小区面积13.3 m2，田间管理与普通大田管理一致。

1.3 花粉量调查及恢复系产量统计

花朵花药散粉情况调查标准参照崔艳利等[4]性状调查标准：花朵多粉指花粉粒饱满、花药正常开裂；花朵少粉是指花粉粒干瘪、花药不开裂或仅有少量花粉。

2017年5月棉花进入盛花期，温室内最高温度持续保持在40℃以上。连续10 d（5月10―20日）对6个参试材料花朵花药散粉情况进行调查记录。统计多粉及少粉花朵数量，计算多粉花率及少粉花率。

计算公式：

多粉花率=多粉花数/调查总花数×100%；

少粉花率=少粉花数/调查总花数×100%.

6个恢复系材料均收获自然铃，计算籽棉产量，折算每667 m2籽棉产量。利用SPSS 13.0统计分析软件对相关结果进行统计学分析，采用Duncan's新极差法进行多重比较。

图1 高温胁迫下多粉花药与少粉花药形态

2 结果与分析

2.1 花药散粉参考标准确定

在高温胁迫下，多粉花药与少粉花药的花苞直径、长度、形状大小等外观基本一致，主要在花粉量方面存在差异（图1）。

2.2 花粉量调查分析

在高温胁迫下，参试的6个恢复系材料均表现出不同程度的少粉现象（表2）。不育胞质型恢复系材料多粉花率最高为51.42%，最低为40.31%；可育胞质型恢复系材料多粉花率最高为77.30%，最低为60.69%（表3）。可育胞质型恢复系多粉花率均显著高于不育胞质型恢复系。说明在高温胁迫下，可育胞质恢复系较不育胞质型恢复系能够提供更多的花粉。就同一胞质类型来看，由于在恢复系材料转育过程中供体的遗传背景不同，因此花粉发育情况也存在一定差异，其中，不育胞质型恢复系S1多粉花率显著高于S2和S3，可育胞质型恢复系N2多粉花率显著高于N1和N3。

表2 不同试验材料花药散粉情况统计朵

2.3 籽棉产量统计结果

由表4可知：可育胞质型恢复系籽棉产量均显著高于不育胞质型恢复系。6个恢复系材料中，籽棉产量最高的是N2，产量最低的是S3。在高温胁迫条件下，可育胞质型恢复系较不育胞质型恢复系能够产生更多的花粉，授粉过程受到影响较小，因此可育胞质型恢复系籽棉产量较高。3个可育胞质型恢复系之间籽棉产量存在一定差异，N1籽棉产量显著低于N2和N3，而 3个不育胞质型恢复系之间籽棉产量没有显著差异。

表3 不同试验材料多粉花率 %

表4 不同试验材料每667 m2籽棉产量统计 kg

3 小结与讨论

对棉花三系杂交种而言，温度是影响恢复系花粉发育过程的重要因素之一，长期持续高温，会导致恢复系花粉正常发育受到影响[6-7]，造成花药不开裂，影响棉花结铃率，从而影响杂交制种，降低收益。本试验调查统计了3个可育胞质型恢复系材料及3个不育胞质型恢复系材料在高温胁迫下花药散粉及籽棉产量表现，结果表明：与不育胞质型恢复系相比，可育胞质型恢复系具有更强的耐高温性，其多粉花率及籽棉产量均显著高于不育胞质型恢复系。在核基因背景一致的情况下，胞质对恢复系花药散粉过程存在一定影响。当前大多数棉花恢复系属于不育胞质型恢复系，在其选育过程中，只需淘汰杂交后代中不育株，保留可育株即可；但可育胞质恢复系与陆地棉品种杂交后代不出现育性分离，待选单株须与不育系测交才能确定恢复基因是否存在。因此，育种家为了选择方便，往往更加偏向不育胞质型恢复系[8]。本研究发现，可育胞质型恢复系比不育胞质型恢复系能够提供更多的花粉，具有更好的耐高温性。在棉花三系杂交制种过程中，可育胞质型恢复系能够提供更多的花粉，便于花粉采集，可减少制种田父本种植面积，提高杂交制种产量，同时也可确保恢复系自身繁殖产量，降低了极端天气造成的风险。

目前，利用分子标记技术可快速鉴定棉花胞质类型[9]，免去了测交的过程，可以更好地利用可育胞质型恢复系培育三系杂交种。在今后的研究中，可进一步研究胞质对花药发育及育性恢复能力的影响，为棉花恢复系的选育及杂交种培育提供理论指导。