小麦雄性不育系FA99-3和BS101的育性转换特性比较分析

孙 辉，张风廷，苑少华，白建芳，苑国良，王 娜，白秀成，杨吉芳，赵昌平，张立平

(北京市农林科学院北京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)

小麦雄性不育研究始于1951年，Kinara[1]将普通小麦细胞核导入尾形山羊草细胞质中获得了A型雄性不育系。1962年，美国的Wilson和Ross[2]利用提莫菲维小麦与普通小麦杂交，育成了世界上第一个具有实用价值的T型不育系，并三系配套。1979年，Sasakuma和Ohtsuka[3]报道了具有D2型山羊草细胞质普通小麦农林26的育性表现与光照时长变化有关。近年来，我国陆续发现和应用了一批不同类型光温敏雄性不育小麦材料，如何觉民等[4]利用小麦远缘杂交，发现了ES系列等一批核型光温敏雄性不育材料；谭昌华等[5]通过杂交选育，发现并培育出光温型核不育小麦C49S和C86S；赵昌平等[4]育成了BS系列等一批冬性小麦光温敏不育系，而且不育源较为丰富；荣德福等[6]培育了两极光敏型雄性不育小麦337S；李罗江等[7]发现并育成新型小麦温光敏雄性不育系BNS；赵 卜等[8]用六倍体小麦种间杂交和回交育成F型普通小麦细胞质雄性不育系FA。

育性转换研究是指导雄性不育小麦安全制种和繁种生态区选择的关键环节。通过光温调控，可以实现小麦光温敏不育系的育性在不育和可育之间转换，从而实现杂交种生产和自我繁殖。目前关于F型不育系和BS型不育系育性转换规律有一定的研究，但是不同不育系及不同品系之间的光温转换阈值存在明显差异。前人已开展了FA细胞学、恢保关系和杂种优势等初步研究[8-10]，发现FA育性受品系、播期等影响，即使是相同品系的单株之间、相同单株不同分蘖间育性也有一定差异，花粉粒碘染以染败为主[9-10]，但是关于FA育性的光温敏感特征及转换阈值等尚未见研究报道。目前报道的BS20和BS210均以温度敏感为主，敏感时期为药隔形成期至单核期，碘染均以染败为主，BS20的临界温度为10～12 ℃，BS210的临界温度为8～12 ℃[11-12]。

FA99-3是由山西省运城蓝红杂交小麦研究中心选育的细胞质雄性不育系，具有良好的不育特性和恢复特性，杂交组合的杂种优势明显。BS101是由北京杂交小麦工程技术研究中心新选育的光温敏核雄性不育系，具有异交结实性好、开颖角度大、开颖历时长、配合力高和恢复源广等优点。本研究拟通过不同生态区田间育性鉴定试验和人工气候箱光温调控试验，分析比较FA99-3和BS101的育性转换特性，以期为进一步加速FA99-3和BS101在育种和生产中的实际应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为小麦细胞质雄性不育系FA99-3，小麦光温敏核雄性不育系BS101，对照为常规小麦品种京411。

1.2 试验设计

1.2.1 多生态区分期播种试验

2015-2016年、2016-2017年小麦生长季，分别在北京顺义(40°08′ N，116°39′ E，海拔35 m，为FA99-3和BS101繁种区)和河南南阳(34°40′ N，112°21′ E，海拔120 m，为FA99-3和BS101制种区)进行田间试验。北京顺义分3期播种，播种时期依次为9月30日、10月10日和10月20日。河南南阳分5期播种，播种时期依次为9月30日、10月10日、10月20日、10月30日和11月10日。小区行长1.5 m，种4行，行距25 cm，株距3 cm，设2次重复。

1.2.2 光温调控试验

试验于2016年10月至2017年5月在人工气候箱(KBW，德国 Binder)内进行，湿度70%，光照强度125 μmol·m-2·s-1。材料于10月1日播种于花盆，置于田间，花盆规格为底部直径26 cm、上部直径23 cm、高25 cm，每盆留苗8株，底肥施磷酸二胺0.88 g、尿素0.63 g，于四叶一心期每盆追施尿素0.63 g。春化完成后，将花盆移入温室，直到苗生长至所需生育期，然后移入人工气候箱进行不同光照和温度处理，非处理时期生长条件控制为光照时长12 h·d-1，抽穗前平均温度12 ℃，抽穗后平均温度16 ℃。每处理4盆，每盆8株，设2次重复。

温度、光照敏感期试验设4个处理时期，分别为小花分化至雌雄蕊分化期、雌雄蕊分化至药隔期、药隔至四分体期和四分体至单核期。温度敏感期试验设低温(平均温度10 ℃)处理，光照时长12 h·d-1；光照敏感期试验设短日照(10 h·d-1)处理，平均温度12 ℃。

温度敏感试验设4个温度水平，处理平均温度为10、12、14和16 ℃(表1)，处理光照时长为12 h·d-1。处理时期为药隔至单核期。小麦抽穗期挂牌定株，抽穗后3～4 d，取穗中部第1位或第2位小花的花药，用碘-碘化钾染色，观察花粉粒育性。

光照敏感试验设3个光长水平，处理光照时长为10 h·d-1(加光时间为6：00-16：00)、12 h·d-1(加光时间为6：00-18：00)和14 h·d-1(加光时间6：00-20：00)，处理平均温度为12 ℃。处理时期为药隔至单核期。

表1 温度处理设置Table 1 The conditions of temperature treatments

1.3 田间调查与数据统计分析

开花前对每株主茎穗和1～2个分蘖穗套袋，成熟后调查小穗数和穗粒数。结实率(国际法) =穗粒数/(小穗数×2)×100%。用SPSS 20.0软件进行统计分析，用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 FA99-3和BS101多生态区分期播种试验结果

FA99-3和BS101及京411在2016-2017年度的主要农艺性状见表2，2015-2016年度和2016-2017年度的结实率结果见表3。在不同生态点的分期播种试验中，FA99-3和BS101在北京顺义(繁种区)的结实率明显高于河南南阳(制种区)。

在北京顺义，FA99-3晚播结实率高于早播，9月30日和10月10日播种的结实率为20%左右，10月20日播种的结实率最高，2015-2016与2016-2017年度分别为36.42%和38.06%，显著高于10月10日前的播种处理，表明10月20日播种可安全繁种。在北京顺义，BS101晚播结实率高于早播，10月20日播种的结实率最高，2015-2016与2016-2017年度分别为57.70%和63.11%，显著高于10月10日前的播种处理，但整体结实率均达到40%以上，表明9月30日至10月20日播种均可安全繁种。

在河南南阳，FA99-3不同播种时期之间晚播结实率都高于早播，两年度试验中9月30日、10月10日播种与10月20日、10月30日、11月10日播种相比结实率差异显著，9月30日至10月10日播种的结实率低于1%，达到高度不育，为安全制种播种时期。在河南南阳，BS101不同播种时期之间晚播结实率都高于早播，两年度试验中9月30日、10月10日和10月20日播种与10月30日和11月10日播种相比结实率差异显著，9月30日至10月20日播种的结实率低于1%，达到高度不育，为安全制种播种时期。对照品种京411虽然不同地区分期播种晚播结实率高于早播结实率，但差异不显著，不同年份、不同地域和不同播种时期的结实率均达到90%以上。

以上分析表明，不同生态区和播种时期对FA99-3、BS101和京411结实率影响是不同的。不同生态区和播种时期对FA99-3和BS101的育性影响非常明显，结实率差异显著；对京411的育性影响较小，育性表现正常。

表2 2016-2017年度FA99-3和BS101在北京顺义和河南南阳的田间表现Table 2 Agronomic characteristics of FA99-3 and BS101 in Shunyi of Beijing and Nanyang of Henan during the winter wheat season in 2016-2017

E1和E2分别表示北京顺义和河南南阳试验点。

E1 and E2 indicate the test locations of Shunyi in Beijing and Nanyang in Henan,respectively.

表3 2015-2016年度和2016-2017年度FA99-3和BS101在北京顺义和河南南阳的结实率Table 3 Seed-setting rate of FA99-3 and BS101 in Shunyi, Beijing and Nanyang, Henan during winter wheat seasons in 2015-2016 and 2016-2017 %

E1和E2分别表示北京顺义和河南南阳试验点。同一年度同一列数据后的不同字母表示不同播种时期之间差异显著(P<0.05)。

E1 and E2 indicate the test locations of Shunyi in Beijing and Nanyang in Henan, respectively.In same year and column,the values followed by different letters are significantly different among different sowing dates at 0.05 level.

2.2 光温敏感时期及光温处理条件下FA99-3和BS101的育性转换结果分析

2.2.1 FA99-3和BS101育性转换的温度敏感时期

在不同的穗分化阶段进行低温(10 ℃)处理后，FA99-3和BS101的结实率差异较大，二者均以药隔至四分体期的结实率最低，其次是四分体至单核期，这两个生育时期的结实率显著低于其他生育时期(表4)，说明该穗分化阶段育性对低温最敏感，低温与该生育阶段相遇则制种安全性较高。对照京411各处理的结实率均达70%左右，育性表现稳定和正常，对低温不敏感。

同一列数据后的不同字母表示各处理时期间的差异显著(P< 0.05)。下同。

In the same column,the values followed by different letters are significantly different among stages of treatment at 0.05 level.The same in tables 5-7.

2.2.2 FA99-3和BS101育性转换的光照敏感时期

在不同的穗分化阶段进行10 h·d-1的短日照处理，FA99-3和BS101的结实率差异很大，二者均以药隔至四分体期的结实率最低，其次是四分体至单核期，这两个生育时期的结实率显著低于其他生育时期(表5)，说明该穗分化阶段育性对短日照最敏感，短日照与该生育阶段相遇则制种安全性较高。对照京411各处理的结实率均达70%左右，育性表现稳定和正常，对短日照不敏感。

2.2.3 不同温度处理条件下FA99-3和BS101的育性转换分析

为了精确分析FA99-3和BS101的温度转换阈值，利用人工气候箱进行4个因子的温度敏感试验，光照时长均为12 h·d-1。结果(表6)表明，温度对FA99-3和BS101结实率的作用明显，对京411结实率的作用不明显。FA99-3的结实率随着处理温度的升高而增加，均温10 ℃处理的结实率最低，均温14 ℃及其以上时结实率显著提高，均温16 ℃处理的结实率最高。在均温10 ℃和12 ℃时结实率都低于1%，且两处理差异不显著，而均温14 ℃处理的结实率达到7.40%，均温16 ℃处理的结实率达到17.03%，显著高于均温10 ℃和12 ℃处理，因此FA99-3在光照12 h·d-1时温度阈值为12～14 ℃。BS101的结实率也随着处理温度的升高而增加，均温10 ℃处理的结实率最低，均温16 ℃处理的结实率最高，均温16 ℃处理显著高于均温10 ℃和12 ℃处理，均温10、12和14 ℃处理间结实率差异不显著，因此BS101在光照12 h·d-1时温度阈值为14～16 ℃。由于BS101四个温度处理的结实率均低于5%，可见其育性的温度敏感性较弱，其临界温度转换阈值较高，预期制种安全性较好。对照品种京411不同温度处理之间结实率差异不显著，结实率均达到70%以上。

表5 FA99-3和BS101在不同穗分化阶段短日照(10 h·d-1)处理的结实率Table 5 Seed-setting rate of FA99-3 and BS101 treated with short photoperiod(10 h·d-1) at different phases of spike differentiation %

FA99-3在低温(10 ℃)条件下花药不开裂，碘-碘化钾染色表明，花粉粒形状多数正常，但不能被染色或染色浅，花粉粒败育，以染败为主；在高温(16 ℃)条件下花药开裂，花粉粒为圆形，大部分花粉粒被染成黑色，花粉粒可育(图1，A和B)。BS101在低温(10 ℃)和高温(16 ℃)条件下花药均不开裂，碘-碘化钾染色表明，花粉粒形状多数正常，但不能被染色或染色浅，花粉粒败育，以染败为主(图1，C和D)。京411在低温(10 ℃)和高温(16 ℃)条件下花药均开裂，花粉粒为圆形，被染成黑色，花粉粒可育(图1，E和F)。

2.2.4 不同光长处理下FA99-3和BS101的育性转换分析

表6 不同温度处理下FA99-3、BS101和京411的结实率Table 6 Seed-setting rate of FA99-3, BS101 and Jing 411 treated with different temperature %

A1：10 ℃条件下，FA99-3花药不开裂；A2：10 ℃条件下，FA99-3花粉粒不能被碘-碘化钾染色或染色浅；B1：16 ℃条件下，FA99-3花药开裂；B2：16 ℃条件下，FA99-3碘-碘化钾染色后花粉粒呈黑色；C1：10 ℃条件下，BS101花药不开裂；C2：10 ℃条件下，BS101花粉粒不能被碘-碘化钾染色或染色浅；D1：16 ℃条件下，BS101花药不开裂；D2：16 ℃条件下，BS101花粉粒不能被碘-碘化钾染色或染色浅；E1：10 ℃条件下，京411花药开裂；E2：10 ℃条件下，京411 碘-碘化钾染色后花粉粒呈黑色。F1：16 ℃条件下，京411花药开裂；F2:16 ℃条件下，京411 碘-碘化钾染色后花粉粒呈黑色。

A1:No anther dehiscence of FA99-3 under 10 ℃condition; A2:Anthers were not stained or lightly stained by I2-KI of FA99-3 under 10 ℃condition；B1:Anther dehiscence of FA99-3 under 16 ℃condition; B2:Anthers were stained black with I2-KI of FA99-3 under 16 ℃ condition；C1:No anther dehiscence of BS101 under 10 ℃ condition; C2:Anthers were not stained or lightly stained by I2-KI of BS101 under 10 ℃ condition；D1:No anther dehiscence of BS101 under 16 ℃ condition; D2:Anthers were not stained or lightly stained by I2-KI of BS101 under 16 ℃ condition；E1:Anther dehiscence of Jing 411 under 10 ℃ condition; E2:Anthers were stained black with I2-KI of Jing 411 under 10 ℃ condition；F1:Anther dehiscence of Jing 411 under 16 ℃ condition; F2:Anthers were stained black with I2-KI of Jing 411 under 16 ℃ condition.

图1不同温度条件下FA99-3、BS101和京411花药及花粉粒碘染结果

Fig.1ObservationofanthersandpollengrainsofFA99-3,BS101andJing411underdifferenttemperatureconditions

为了分析FA99-3和BS101光长转换阈值，利用人工气候箱进行3个因子的光长敏感试验，平均温度均为12 ℃。结果(表7)表明，光长对BS101结实率的作用明显，对FA99-3和京411结实率的作用不明显。FA99-3不同光照时长处理的结实率均低于2%，差异不显著。BS101的结实率随着处理光照时长的提高而增加，光长10 h·d-1处理的结实率最低，光长14 h·d-1处理的结实率最高，在光长10 h·d-1和12 h·d-1时结实率都低于1%，且两处理差异不显著，而光长14 h·d-1处理的结实率达到16.67%，显著高于光长10 h·d-1和12 h·d-1处理，因此BS101在平均温度为12 ℃时的光长转换阈值为12～14 h·d-1。对照品种京411不同光长处理的结实率均达到70%以上，差异不显著。

表7 不同光长处理下FA99-3、BS101和京411的结实率Table 7 Seed-setting rate of FA99-3, BS101 and Jing 411 treated with different photoperiod %

3 讨 论

利用小麦雄性不育系生产杂交种，是目前小麦杂种优势利用的有效途径。本研究分析和比较了小麦普通细胞质雄性不育系FA99-3和光温敏核雄性不育系BS101的制繁种安全播种时期、光温敏感时期和光温转换阈值等结果，发现两者虽然为不同类型的不育系，但均属于短日低温不育类型，其育性敏感时期为药隔至单核期，其中FA99-3以温度敏感为主，在光照12 h·d-1时，其温度转换阈值为12～14 ℃；BS101以光照敏感为主，在平均温度为12 ℃时，其光长转换阈值为12～14 h·d-1；在光照12 h·d-1时，温度阈值为14～16 ℃，但是对温度的敏感性较弱。多生态区分期播种育性鉴定试验和人工气候箱光温调控试验表明，BS101制繁种播期范围较FA99-3长，并以光照敏感为主，预期制种安全性较高。

与前人发表的其他光温敏不育系结果比较发现，FA99-3与BS210、C49S、A3314、BNS、ES-50的育性转换模式类似，其中与C49S的温度转换阈值12～14 ℃[13]相同，而与BS210(8～12 ℃)[12]、A3314(18 ℃)[14]、BNS(8～12 ℃)[15-16]和ES-50(10.5～13 ℃)[17]的转换阈值存在差异。BS101以光照敏感为主，不同于BS20和BS210以温度敏感为主的类型[11-12]。FA99-3和BS101花粉败育均以染败为主，与BS20[11]、BS210[12]和A3017[18]的败育特征相同，不同于K78S以典败和圆败为主[19]、BNS和BNS366以典败为主的花粉败育特征[20-22]。

深入研究小麦不育系的光温诱导、环境变化与育性的关系是指导不育系选育和应用的基础。对于以温敏为主的不育系，临界温度越高制种越安全，临界阈值跨度越大可选择的生态区越广泛；对于光敏为主的不育系，临界光长主要受地域影响，制繁种将相对安全。对于临界温度较低，其他性状较好的不育系，可以通过杂交转育的方法对其进行定向改造。FA99-3为CMS三系不育系，主要依靠保持系进行亲本繁殖，由于该不育系的育性存在温度诱导效应，在北京顺义晚播(10月20日)条件下，自交结实率可达38.06%，可见该不育系也可通过适期晚播实现繁殖，对于简化FA99-3繁种程序、降低制繁种成本具有一定的指导意义。BS101是新选育、以光敏为主的光温敏不育系，对温度敏感程度较弱，与早期选育的BS20和BS210等BS系列不育系相比，BS101制种风险较低，育性更加稳定，目前该不育系已经进行了组合配制，预期应用前景良好。

致谢：感谢山西省运城蓝红杂交小麦研究中心冯树英研究员提供小麦F型雄性不育系(FA99-3)种子。