“三系”杂交棉组合F1花粉育性与产量和品质的相关性研究

李雪 ，郭立平 ，刘华林 ，戚廷香 ，王海林 ，唐会妮 ，张学贤 ，乔秀芹 ，吴建勇 *，邢朝柱 *

（1.棉花生物学国家重点实验室/农业部棉花生物学与遗传育种重点实验室/中国农业科学院棉花研究所，河南安阳455000；2.安徽天长市农业委员会，安徽天长239300）

棉花是我国重要的经济作物，与人民生活息息相关，棉花产量杂种优势可达到10%以上[1-3]。棉花杂种优势利用对于提高棉花产量、增加农民收入、提高棉花产业和国民经济效益具有十分重要的作用[3-4]。棉花细胞质雄性不育“三系”（不育系、保持系和恢复系）制种因其能够简化制种，节约劳动力成本而备受欢迎，然而棉花恢复系来源狭窄，恢复力较弱等问题使其育种周期较长，缺少能够在早期预测杂种表现的方法。研究表明，与恢复系及正常杂交种相比，棉花不育系与恢复系杂交所得F1的花粉育性有下降的趋势，最终可能会影响到棉花的产量[3，5-7]。研究结果表明水稻、小麦的花粉育性与结实率有一定的相关性[8-12]，而棉花中较少有报道。可育花粉率是花粉育性的一个重要指标。本研究利用联苯胺-甲萘酚法测定花粉育性，计算棉花可育花粉率，明确“三系”制种的F1花粉育性及其与产量、品质性状之间的相关性，以期为高产优质“三系”品种筛选提供依据，探索在早期预测三系杂交棉产量品质，提高育种效率的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

本研究所用的12个哈克尼西棉细胞质雄性不育系及4个恢复系及对照材料中棉所97见表1。2015年利用不完全双列杂交设计 （North Carolina Mating Design Ⅱ design，NCⅡ）产生 48 个 F1，2016年4月下旬将F1及其亲本材料植于河南省安阳县中国农业科学院棉花研究所东场试验地，田间管理同普通大田管理。

1.2 试验方法

8月5日上午9:00―10:00，随机取中棉所97当日即将开放的花5朵，保存于－20℃冰箱，分别于取花后 4 h，8 h，14 h，25 h，37 h 和 51 h 用联苯胺-甲萘酚法[13-17]测定花粉育性，研究其可育花粉率随时间变化的情况。测定方法:用镊子随机取每朵花中部花药5粒放载玻片上，用联苯胺-甲萘酚试剂染色后在显微镜下观察，生活力强的花粉染成深红色，生活力弱的染成浅红色，无生活力的则不着色。随机取3个视野（观察总花粉数约200个）进行拍照记录，计算每朵花的可育花粉率（可育花粉率＝深色和浅色花粉个数/总观察个数×100%），测定后继续在－20℃冰箱保存。

表1 试验材料

8月8日，9日上午9:00―10:00随机取F1，恢复系及中棉所97当日即将开放的花5朵，保存于－20℃冰箱待测，当天用联苯胺-甲萘酚法测定花粉育性，测定时用镊子随机取每朵花中部花药5粒放载玻片上，用联苯胺-甲萘酚试剂染色后显微镜下观察，随机取5个视野（观察总花粉数500个左右），拍照记录后计算每朵花的可育花粉率。

1.3 田间数据收集

9月中旬吐絮期前调查小区内株数、铃数，以是否出苞叶为标准计数，单株铃数＝铃数/株数。10～11月收50铃，考种计算棉花衣分，根据衣分和小区籽棉产量计算小区皮棉产量:皮棉产量＝小区籽棉产量×衣分，纤维品质由（原）农业部棉花品质监督检验测试中心检测，用HVI900B纤维检测仪检测纤维品质5项指标:纤维上半部平均长度、整齐度指数、马克隆值、伸长率和断裂比强度。

1.4 数据统计分析

本实验数据用MSExcel整理、制表和绘图，并进行方差分析 （百分比数据已反正弦转换），IBM SPSSstatistics 19.0进行简单相关分析。

2 结果与分析

2.1 －20℃贮藏温度下花粉活力随时间变化分析

为确定冰上取样、－20℃保存对花粉育性是否有显著影响，本研究测定了取样后51 h内花粉育性（图1）。由图1可以看出－20℃贮藏花粉，花粉育性随着贮藏时间的增加而减弱，在取样后8 h内花粉育性下降较快，8～25 h花粉育性变化趋于平缓，25～37 h下降速度加快，取样后51 h花粉育性依然保持在88%以上。方差分析结果表明:随机取得的5朵花的花粉育性无显著性差异，且－20℃保存51 h内花粉育性无显著差异。所以后续实验样品在当天测定花粉育性。

图1 －20℃保存条件下可育花粉率随时间变化

2.2 “三系”杂交F1可育花粉率分析

2.2.1恢复系恢复力分析。表2所示为“三系”杂交组合F1的可育花粉率，及与恢复系和中棉所97的比较。结果表明:48个F1的可育花粉率为42.9%～92.37%，大部分为75%～90%，本研究中一半以上组合的可育花粉率达80%，说明4个恢复系可恢复大部分不育系的育性。与恢复系相比，F1的可育花粉率低－0.02～48.22百分点；与中棉所97相比，F1的可育花粉率低1.9～51.37百分点；除A12×R4外，其他组合F1的可育花粉率均低于其恢复系及中棉所97，大部分在20百分点以内，极个别达到40百分点以上，说明“三系”杂交F1可育花粉率降低且普遍低于恢复系与普通杂交种。4个恢复系与不育系杂交的F1可育花粉率平均值R4＞R3＞R1＞R2，说明不同恢复系对不育系的恢复力有明显的差异。除 R4×A6，R4×A10外，R4所配组合可育花粉率均较高，说明其恢复力较强，育种中可多选用R4进行配组。

表2 “三系”杂交F1可育花粉率及与恢复系与对照中棉所97的比较

2.2.2不育系花粉被恢复系恢复潜力分析。表3所示，不同不育系组配的的F1平均可育花粉率A8＞A2＞A3＞A12＞A7＞A5＞A4＞A1＞A6＞A9＞A10＞A11；除 A6、A9、A10、A11外，其它不育系组配的 F1的平均可育花粉率均达到80%以上，说明不同不育系被恢复的潜力表现不同。不育系A2、A8配组的F1可育花粉率达到85%以上，说明这2个不育系容易被本研究中的恢复系恢复，在配组中表现优秀，可多选用其配组。

2.3 “三系”杂交F1可育花粉率与产量性状相关分析

表4所示为F1可育花粉率与产量性状的Pearson相关系数表，结果表明“三系”杂交F1可育花粉率与单株铃数呈显著正相关，说明可育花粉率对棉花成铃数具有显著影响。另外，籽棉产量、皮棉产量与铃重、单株铃数呈极显著正相关，说明铃重和单株铃数极显著地影响棉花产量。

表3 各不育系配制的杂交组合的平均可育花粉率及比较

表4 “三系”杂交棉F1组合可育花粉率与产量性状相关性

2.4 “三系”杂交F1可育花粉率与品质性状的相关分析

“三系”杂交F1可育花粉率与品质性状的相关系数见表5。结果表明:可育花粉率与纤维品质主要指标的相关性均不显著，说明可育花粉率对纤维品质的影响不大。另外，纤维上半部平均长度与断裂比强度和伸长率极显著正相关，断裂比强度与马克隆值呈极显著负相关而与伸长率呈极显著正相关。

表5 “三系”杂交棉F1组合可育花粉率与品质性状相关系数表

3 讨论

3.1 贮藏时间及测定方法对花粉育性的影响

离体花粉在一定的温度下随时间的加长花粉育性有下降的趋势，对其保存时间，不同研究者有不同的看法。胡磊等[15]认为离体花粉在4℃和－20℃下保存1～3 d花粉育性没有显著性差异；王刚等的[17]研究结果认为花粉贮藏温度以5℃最佳，1～3 d内花粉育性都在90%以上；而景忆莲等[18]的研究结果表明自然花粉育性可维持1 d，以9:30―10:30的育性较强，随后随时间推后大幅度衰减，低温保存可维持其花粉活性。本研究中花粉在－20℃保存51 h的花粉育性无显著差异，与胡磊等[15]的研究结果一致。本实验在当天测完所有F1的花粉育性尽可能地减小了实验误差。本研究中可育花粉率随时间变化的趋势可为制种过程中人工授粉提供参考，解决花期不遇、异时异地授粉的问题，提高授粉效率。已知的花粉育性测量方法很多[19]，联苯胺-甲萘酚法在棉花花粉育性测定方法中高效且常用，但其染色界限不够明确，会有一定的实验误差[14-15，17，19，25]。本实验是对花粉育性与产量品质关系的初步探索，仍需采用更精确的方法进一步研究。

3.2 “三系”杂交组合花粉育性表现

王学德等[20]的研究结果表明当含有育性增强基因时，F1的花粉育性平均值与恢复系仅相差3.19百分点，差别不大；无育性增强基因时其育性低于恢复系，相差12.24百分点。韦贞国等[21]的研究表明不育系与恢复系杂交所得F1的育性存在差别，且育性较恢复系低，本实验结果与前人的研究结果基本一致。本实验中F1的可育花粉率为42.9%～92.37%，除1个组合外均低于恢复系的育性水平，与恢复系可育花粉率相差－0.02～48.22百分点。这可能是同一恢复基因在不同不育系的遗传背景下表达强弱不同从而导致恢复力不同，也可能与育性增强基因的表达有关。H46（R4）组配的大部分F1可育花粉率高于85%，表明该恢复系较其他三个恢复系的恢复力强。同一恢复系在不同不育系遗传背景下表现也不同，12个不育系中DTYA（A2），ZBA（A8）可育花粉率达到85%以上，说明这2个不育系在配组中育性恢复表现优秀，育种中可多选用该恢复系和不育系配组选育品种，也可进一步研究其恢复优势的形成和不育胞质的遗传背景。

3.3 “三系”杂交组合花粉育性与产量品质关系

由于棉花存在恢复系源狭窄、强恢复系较少、恢复力较弱等因素限制，研究者在花粉发育、恢复基因定位、恢复机理等方面做了大量研究旨在提高恢复系的恢复力、育性以求最终提高棉花产量[22-26]。对可育花粉率与产量品质关系的研究还停留在感性认识上，深入的研究较少。在以往的研究中余郑军等[27]曾探索过不同时期花粉萌发率和花粉管生长长度的最大值与结铃数和成铃率的相关关系，黄双领等[28]曾在研究中将不同的授粉时间和方法与成铃率进行分析，倪密等[29]也在研究中提到花粉可育率与自交结铃率的变化趋势一致，崔艳利等[30]的研究结果表明棉花籽棉产量与F1的多粉花率的显性与环境互作相关达显著水平。这些研究结果说明:满足授粉需求的花粉粒和适宜的环境对棉花产量形成起关键作用。本研究结果表明F1可育花粉率与单株成铃数存在显著的正相关关系，这说明提高花粉活力在一定程度上可提高单株结铃数，进而提高棉花产量，但其与产量相关系数较小，还不足以直接高效准确地预测杂种F1的产量。产量与铃重和单株铃数有极显著的相关关系，说明产量受其他一些产量相关性状的影响更大，可育花粉率可以作为一个参考指标指导筛选单株铃数。

4 结论

棉花花粉在－20℃保存51 h，其花粉育性依然保持在88%以上且无显著差异。“三系”杂交组合F1的花粉育性普遍低于恢复系及常规杂交种，恢复系H46恢复力较强，不育系DTYA和ZBA所配组合花粉育性较强。“三系”杂交F1的可育花粉率与单株成铃数呈显著的正相关关系。