山西谷子优质不育系选育及杂交利用研究

麻慧芳 史关燕 杨成元 王宏丽

摘要 杂种优势利用研究是大幅度提高谷子产量的重要途径。谷子属自花授粉作物，在杂种优势利用研究中不育系选育是关键。针对现有谷子不育系存在的早熟、高杆、制种困难、杂交种早衰、品质较差等问题，笔者在晋汾1A、晋汾21A等不育材料的基础上，采用杂交转育、诱变等育种方法选育出植株较矮、中晚熟、异交结实率高的优良不育系：晋汾21A-6、汾57A-3、汾92-22A;同时，筛选抗拿捕净除草剂优良恢复系K27-10、K15-4等53个。并利用新优质不育系与优质恢复系大量测配，选育出3个优质杂交种汾杂16-3、汾杂16-8、汾杂16 -11，通过适应性鉴定，可作为山西省中晚熟区种植的优质杂交种应用于生产。

关键词 谷子;不育系;选育;杂种优势

中图分类号 S515 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）01-0026-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.007

Abstract Research on the utilization of heterosis is an important way to greatly increase millet yield. Millet is a self-pollinated crop， and the breeding of sterile lines is the key in the study of heterosis utilization.Aiming at the problems of early maturity， high stem， difficulty in seed production， premature aging of hybrids， and poor quality of existing millet sterile lines， the author selected fine sterile lines Jinfen21A-6， Fen57A-3， and Fen92-22A with shorter plant height， middle late maturity and high outcrossing seed setting rate by means of cross breeding and mutation on the basis of sterile materials such as Jinfen 1A and Jinfen 21A. Meanwhile， 53 excellent restorer lines which could resist herbicide of Napujing， such as K27-10，K15-4 and so on were screened.In addition， a large number of high-quality sterile lines and high-quality restorer lines were used to test and match three high-quality hybrids Fenza 16-3， Fenza 16-8， and Fenza 16 -11. Through adaptability identification， they can be used as high-quality hybrids planted in middle and late maturing areas of Shanxi Province.

Key words Millet;Sterile line;Selective breeding;Heterosis utilization

谷子（Setaria italica Beauv）抗旱、耐逆，適宜在西北干旱地区种植[1]，是我国北方干旱和半干旱地区的重要农作物之一，杂种优势明显[2]。近年来，由于谷子产量提高不明显、经济效益较低等原因，种植面积逐渐萎缩[3]。提高单位面积产量是谷子生产亟待解决的关键问题。我国拥有丰富的谷子遗传资源[4-5]，这为谷子杂种优势研究提供了基础。国内育种家自20世纪中叶开始利用杂种优势对谷子进行育种研究。先后培育出多个高度雄性不育系、光敏核不育系、显性核不育系，实现了两系配套，并获得了一些强优势杂交组合[6-7]。20世纪90年代，张家口市农业科学院成功研究了谷子光温敏不育两系法，推动了谷子杂交生产，开辟了谷子杂种优势利用的新途径[8-10]。

山西省地处黄土高原区，多为干旱丘陵地，常年干旱少雨，是我国谷子主产区，年播种面积近27万 hm2，中晚熟区占总面积的87%，目前这些区域仍使用常规品种，产量水平和种植效益低而不稳。杂种优势利用是大幅度提高谷子产量的重要途径。但谷子是自花授粉作物，杂种优势很难被利用，因此选育优良不育系是谷子杂种优势利用的关键。

山西省谷子杂种优势利用研究已有30多年历史，在两系配套和杂交种选育方面取得了重大进展，育成一批不育系、恢复系的中间材料，在组合选配及优势组合的制种技术等方面均取得了很大进展，谷子杂种优势利用模式基本形成。已选育出晋汾4A、汾6A等一批高度雄性不育系;选育出K1～K46系列抗除草剂恢复系500余份，为筛选强优组合奠定了丰富的种质基础，目前已育成并认定了长杂2号、晋谷49号、晋谷50号3个杂交谷子新品种，但由于选育的不育系偏早熟，配制的杂交种在早熟区种植偏晚，晚熟区种植偏早，加之杂交种品质较差，没能大面积推广应用。

该研究针对杂种优势利用研究中不育系单一、早熟、杂交种品质差的问题开展优质不育系选育及杂种优势利用研究。以自选雄性不育系晋汾21A、晋汾1A作为基础材料，与优质、抗病、矮秆品种（系）通过杂交、诱变等育种方法，选育中晚熟、品质优良、异交结实率高的优质不育系，为谷子杂种优势利用研究提供重要的亲本材料。同时，利用杂交方法选育抗拿捕净除草剂优质恢复系，利用两系法进行大量测交筛选优质杂交种。选育的杂交新品种品质与对照品种相当，产量比对照增产10%以上，并在谷子主产区大面积推广应用，提高了谷子种植效益，增加了农民收入，全面带动了谷子产业发展。

1 试验方案

1.1 研究内容

以优质不育系晋汾21A、晋汾1A为基础材料，通过与优质谷子品种杂交、回交转育等育种方法选育谷子优质不育系;抗拿捕净除草剂品种（系）进行抗性鉴定和优良品质筛选;不育系、恢复系配合力测定，大量测配组合、田间鉴定、品种比较，筛选适宜于山西省中晚熟区种植的优质杂交种应用于生产;制种技术研究。

1.2 思路与技术路线 对谷子种质资源和育种材料进行类群分析，划分不育类群和恢复类群，借鉴高粱“恢×恢、保×保”的方法选育不育系和恢复系，注重不育系和恢复系优质性状同步改良，保证育成的不育系和恢复系有较好的配合力，保障杂交种具有较好的品质性状。

2 优质不育系选育

不育系晋汾1A是山西省农业科学院经济作物研究所于1998年利用自选品系81-16与河北光敏不育材料683A杂交、多代回交选育而成的谷子光敏雄性不育系[11]，生育期115 d，属中晚熟类型，是该所第一个成功选育的不育系。晋汾21A是在晋谷21号生产田发现的突变材料，经系统选育而成的中晚熟优质不育材料系。这两个不育系在利用中均存在一定缺陷。晋汾1A具有明显的光敏特性，以其为不育系配制的杂交种受推广区域和年份环境条件影响很大，不能直接进行杂种优势利用。晋汾21A因穗较长、穗码紧、柱头外露不明显，异交结实率低，植株较高，制种困难。

在此基础上通过诱变、正反杂交等育种方法将晋汾1A、 晋汾21A发达的羽状柱头、生育期、品质等优良性状进行转育，创制长强柱头、矮秆、中晚熟、优质不育系。

2.1 杂交转育

2012年，在海南三亚利用晋汾1A等为亲本材料，分别与矮秆、穗直立、抗病等优良品种（系）晋谷 6号、晋谷18号、87-160、86-57、792-4、农×77-5381等配制杂交组合13个，按组合混合脱粒。2013年，种植F1代，出苗后随机留苗，在开花期，鉴别真杂种，观察花粉，将植株较低、穗码较松、有不育花的单穗套袋自交，成熟期单株收获，脱袋观察自交情况，结实率在10%以下和40%以上的全部淘汰，结实率在10%～40%之间单穗经过考种脱粒，选择晋汾1A×87-160、晋汾4A×792-4、晋汾4A×86-57、87-160×晋汾1 A4个组合，共 213个单穗。

2014年，按组合单穗种植F2代，行长2.5 m，稀植尽量不间苗，每个单穗种植1行，开花期观察花粉，选择有花粉不开裂穗套袋自交，成熟期自交穗单收单脱，经考种选择结实率10%～30%的单穗209个。同年冬季，海南育种基地F3加代种植单穗，开花期根据育性表现选择性套袋自交，成熟期自交穗单收单脱，收获578个单穗。2015—2017年南繁北育，根据苗色及株高等农艺性状表现，在花期按育性表现及目标性状逐代选择。2017年，F5代穗行圃A58-4、A57-3育性稳定，穗毛短，柱头外露明显，分别定名為：汾92-22A、汾57-3A。

2.2 辐射诱变

2012年播种前，取晋汾21A干种子100 g，在山西省太原市高新区中国辐射中心进行钴伽玛射线处理，5月19日将处理种子全部种于汾阳试验地，大量选择变异株混合脱粒。2013年混合种植M2代，成熟期选不育单穗（结实率30%左右）单收单脱。2014年，继续单穗种植M3代，选择目标不育材料（植株较低、不育株率100%、自交结实率20%以下）;同年冬季，海南山脚加代种植M4代。2015年山西省农业科学院经济作物研究所试验地种植M5代，其中第6区，群体株高整齐一致，表现育性稳定，全部套袋自交，成熟期全部收获考种脱粒，定名汾晋21A-6。

2.3 选育结果

选育出植株较低、中晚熟、性状优良、不育株率100%、不育度80%左右的高度不育系2个，2018年已测交利用。

汾92-22A：组合为晋汾4A×792-4，幼苗黄绿色，平均分蘖2.7个/株，株高92.5 cm，穗长22.1 cm，穗粗2.6 cm，穗形为筒型。 不育株率100%，不育度80%以上，出苗到盛花期65 d，属中熟类型。

晋汾21A-6：幼苗绿色，单杆不分蘖，株高146.2 cm，穗长29.5 cm，穗粗2.9 cm，穗为纺锤型，穗码松紧适中。米色金黄，品质相当于优质谷晋谷21号。不育株率100%，不育度80%左右。出苗到盛花期72 d，属中晚熟类型。经配合力测定分析，晋汾21A-6一般配合力（GCA）产量效应优于亲本，晋汾 21A-6×冀谷29号为产量特殊配合力（SCA）效应较优组合[12]。

3 恢复系抗性鉴定和品质筛选

十二五期间，项目组在山西省科技厅的资助下，开展了抗除草剂优质谷子新品种选育研究，利用从山西省农业科学院谷子研究所引进抗除草剂基因种质DSB553衍生系K164、K103等为基础材料，创新K1～K63系列抗拿捕净除草剂品系485份。为谷子两系杂交利用奠定了基础。

2016—2017年，对K1～K63系列品种（系）材料进一步进行除草剂抗性鉴定和优良品质筛选。2016年种植196份，每份种植2行，行长2 m，在出苗3～5叶期喷施拿捕净除草剂（0.5%浓度），7 d后调查抗性。成活率100%，为抗性稳定材料，可直接杂交利用;成活率50%～ 99%，可继续回交筛选;成活率低于50%的材料，直接淘汰。同时调查苗色性状、株高、穗长、生育期、粒色、米色，筛选出中晚熟、植株较高、花粉量大、一般配合力高、性状优良、丰产、品质优良的恢复系K5-15、K1-22、K22-17等53个，其中有32个优良恢复系已进行测交利用（表1）。

4 优质杂交种选育

4.1 试验目的 2017年对汾杂16-1等18个优势组合进行品种比较试验，从品质、丰产性、抗病性、生育期方面筛选强优势组合，为杂交种应用于生产提供依据。

4.2 设计和方法

试验在山西省农业科学院经济作物研究所试验地进行，前茬作物为大豆，土壤为砂壤土，小区面积2.00 m×3.34 m，6行区，各处理采用随机区组排列，2次重复，以长农35为对照。5月20日播种，单腿耧条播，播种量15.0 kg/hm2，苗后3～5叶期喷施拿捕净除草剂去除假杂种。留苗密度33.0万株/hm2，田间管理同大田生产。

4.3 调查考种项目

观察测定出苗期、幼苗颜色、小区苗数、分蘖性、抽穗期、白发病株率、穗形、株高、穗长、单穗重、单穗粒重、出谷率、折合单产、千粒重、米色等。

4.4 产量结果

由表2可知，18个参试品种，比对照长农35增产的组合有6个，增产10%以上有3个，分别是汾杂16-3（增产14.90%）、汾杂 16-11（增产11.69%）、汾杂16-8（增产10.60%），产量均超过7 500 kg/hm2;减产的有12个，其中汾杂16-6、汾杂16复31减产幅度较大，分别为-14.65%、-13.41%（表2）。减产的主要原因有下种量少、真杂种率较低、喷施除草剂后缺苗断垄严重（密度只有22.5万株/hm2左右），且分蘖性差，群体自身调节能力差。因此，虽然单穗粒重高，杂种优势强，抗病性、抗逆性强，产量却相对较低。在生产应用中，杂交种播种要根据真杂种率增大用种量，保证留苗密度在30万/hm2以上，可达到理想产量。

4.5 3个优势杂交种特征特性

汾杂16-3，组合为晋汾21A-6/K37-6，幼苗绿色，穗形为筒型，株高172.6 cm，穗长27.5 cm，穗粗3.4 cm，單穗粒重29.0 g，出谷率82.3%，千粒重3.0 g，抗病性强。品种比较试验折合单产7 774.5 kg/hm2，比对照长农35平均增产14.90%，位居所有参试品种之首。白谷黄米，米粒整齐，米色金黄，品质优良。

汾杂16-11，组合为晋汾21A-6/K15-9，幼苗叶鞘紫色，穗形为筒型，株高178.2 cm，穗长31.1 cm，穗粗3.1 cm，单穗粒重27.5 g，出谷率79.6%，千粒重2.9 g。品种比较试验折合单产 7 558.5 kg/hm2，比对照长农35平均增产11.70%，位居所有参试品种的第2位，白谷黄米，米色金黄，品质优良。

汾杂16-8，组合为晋汾21A-6/J29，幼苗绿色，穗型为纺锤型，株高142.2 cm，穗长34.6 cm，穗粗3.4 cm，单穗粒重30.1 g，出谷率84.3%，千粒重2.92 g。品种比较试验折合单产7 483.5 kg/hm2，比对照长农35平均增产10.59%，位居所有参试品种的第3位。其米粒整齐，米色金黄，品质优良。

4.6 小面积试验示范

2017年，在吕梁、晋中、忻州、阳泉等谷子产区设置5个示范点，但因播种期全省遇春旱，试验点多无灌溉条件造成缺苗或无苗。只有晋中平遥点试验示范成功。

晋中地区示范试验地点设在平遥县朱坑乡东青村，面积为0.08 hm2，每个品种占地0.016 hm2。供试品种：经拿捕净除草剂处理后的5个杂交种，分别为汾杂16-1、汾杂16-3、汾杂16-5、汾杂16-6、汾杂16-8。

施肥、田间管理同当地生产种植习惯，采用手推播种器穴播，每穴下籽10粒左右，播量21.0 kg/hm2，株行距为2.5 cm×30.0 cm，9月29日成熟，按品种单收单脱。试验结果：5个杂交种折合单产5 344.5～9 669.0 kg/hm2，其中汾杂16-5产量最高，创平遥谷子种植历史的新高。

5 制种技术研究

5.1 试验目的

2018年在山西省农业科学院经济作物研究所试验地，利用3个自选不育系（汾6A、晋汾21A-1、晋汾21A-6），4个自选抗除草剂恢复系（K37-9、K8-11、J29、K15-9）设置3×4个组合进行小面积制种。以生育期为基础调整播种期，以叶龄余数为依据进行花期预测，采用父母本错期播种、父本分期播种、喷施多效唑、人工辅助授粉等方法探索制种技术，为杂交种试验示范提供种子，为大面积生产制种提供技术支撑。

5.2 试验设计和方法

3个不育系分别与4个恢复系设置制种组合，同一个父本的3个组合相邻，每个组合面积40 m2。不同父本之间种植6行玉米做隔离带，父母本行比为2∶4，根据父母本生育期，分别在5月22日、5月25日、6月1日分3期播种，每个父本分2次播种，第1次播种3 d后，进行第2次播种，田间管理同生产田常规管理。出苗后3叶期进行第1次叶龄标记，每个亲本取3个点，每个点标记5株，以后每5叶标记一次，抽穗期计算总叶片数。母本晋汾21A-1、晋汾21A-6在拔节期（7～9叶）喷施多效唑，浓度为0.5%，缩短节间、降低株高。盛花期进行人工辅助授粉，每天08：00开始进行人工辅助授粉，用竹竿轻轻敲打父本穗部使花粉充分散落到母本柱头上。

叶龄调查：调查每个组合的亲本总叶片数（n）和出苗到抽穗的天数（d总），计算出各亲本每长1片叶所需要的天数（d= d总/n），在下年制种时可根据叶龄指数来判断父母本花期相遇程度，有花期不相遇情况可以采取促控措施及时调节花期。

花期调节：汾6A×K8-11、汾6A×J 29、汾6A×K15-9 3个组合，父本在2叶1心期播母本，父本早播9 d，这与亲本标记叶龄计算出的叶龄余数，母本每长1片叶3 d相符。晋汾21A-1×K37-9、晋汾21A-6×K37-9 2个组合母本早播3 d，晋汾6A×K37-9、晋汾21A-1×K8-11、晋汾21A-6×K8-11、晋汾21A-1×J29、晋汾21A-6×J29、晋汾21A-1×K15-9、晋汾21A-6×K15-9 7个组合父母本同期播种，花期相遇好。

5.3 试验结果

由表4可见，各组合制种产量为1 056.0～3 166.5 kg/hm2。以汾6A 为母本的制种组合，母本柱头外露好，异交结实率高，其中汾6A×K37-9同期播种，父母本株高比例合适，制种产量高达 2 850.0 kg/hm2。以晋汾21A-1为母本的组合，因母本穗大码紧，自交结实率高，制种产量相对较高，晋汾21A-1×K8-11、晋汾21A-1×J29、晋汾21A-1/K15-9制种折合单产分别达3 166.5、2 934.0、2 283.0 kg/hm2，但真杂种率低。以晋汾21A-6为母本的组合，母本穗大，穗码较松，柱头外露明显，异交结实较好，晋汾21A-6×K8-11、晋汾21A-6×J29两个组合制种折合单产分别达1 576.5、1 710.0 kg/hm2。其余组合因花期相遇不吻合或缺苗等原因，制种产量较低。

6 讨论

随着市场经济的发展，人们对小米的品质要求越来越高，要选育优良的谷子杂交种，必须对亲本材料的品质进行筛选，了解母本和父本品质与杂交F1代品质的相关性。

杂交种的杂种优势还有待提高。要从亲本品质性状入手，远缘杂交创制新不育系和恢复系，进一步扩大不育系和恢复系的基因差异，提高杂交种的杂种优势。

制种技术还需要更深入的研究，继续探索优势组合亲本叶龄与花期的关系，授粉时间和辅助授粉方法。

还应加深谷子杂交种的简化栽培和高产栽培技术研究，以充分发挥其杂交优势，使谷子杂交种在生产上发挥最大的增产潜力。

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