人工控制条件下BS型小麦光温敏雄性不育系育性与光合特性的关系研究

孙 辉 张立平 侯起岭 白秀成 杨吉芳 张风廷 赵昌平

（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，100097，北京）

我国创建的“二系杂交小麦应用技术体系”逐步完善，具有制种程序简便和成本低等优点，现已开始进入快速示范应用阶段。BS型小麦光温敏雄性不育系短日低温不育可实现杂交种生产，长日高温可育可进行自我繁殖[1-3]。但是在不育系繁种过程中，存在不育系籽粒饱满度较差和繁种产量较低等问题，成为降低小麦杂交种生产成本的限制因素之一。因此，选育高光效不育系材料和揭示不育系育性与光合特性的关系，可为优异不育系材料的选育及二系杂交小麦制繁种技术水平的提升提供理论指导。

小麦产量与光合作用密切相关，小麦籽粒产量的90%～95%来源于花后的光合产物，尤以旗叶的光合作用对小麦籽粒产量的贡献最大[4-5]。近年来，对小麦旗叶光合作用在产量形成中的作用和影响因素等方面有很多研究[6-8]，提高小麦旗叶光合特性有利于提高小麦籽粒产量[9-12]，耐低氮胁迫小麦品种的较高籽粒产量均以较高的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）为生理基础[13]，产量较高的黄淮麦区小麦品种的光合速率、叶绿素含量和最大光化学效率（Fv/Fm）也较高[14]。旗叶对小麦籽粒产量的贡献可占到1/3，提高小麦光合速率有利于提高产量[15]。另外，还有许多关于温度、光强、播期、播种方式和追氮时期等对小麦光合特性影响的报道[16-20]。虽然对常规小麦光合特性研究的报道较多，但对光温敏雄性不育小麦光合特性研究的报道较少，因此本研究探讨BS型小麦光温敏雄性不育系育性与光合特性的关系，比较不同不育系材料在短日低温和长日高温下不同生长时期光合特性的变化差异，阐明不育系育性与光合特性指标的相关性，为选育高光效不育系和提升不育系繁种产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为北京杂交小麦工程技术研究中心选育的BS型小麦光温敏雄性不育系，包括BS107、BS1086、BS640、BS608和BS366，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，其光温敏感时期在药隔至单核期。以常规小麦品种京411（Jing 411）为对照。

1.2 试验设计

试验材料于2018年10月1日播种于花盆，置于田间，花盆26cm×23cm，每盆留苗8株，底肥施磷酸二铵0.88g和尿素0.63g，于四叶一心期追施尿素0.63g。春化完成后，将花盆移入温室，直到麦苗生长至所需生育期，然后移入人工气候箱进行不同温度和光照处理，非处理时期生长条件控制为光照时长12h/d，抽穗前温度12℃，抽穗后温度16℃。每处理4盆，每盆8株，试验重复2次。试验在人工气候箱（KBW，德国Binder）内进行，设置不育（短日低温12h 12℃是依据不育系制种区河南南阳光温敏感时期的光照和温度设置的）和可育（长日高温14h 16℃是依据不育系繁种区北京顺义光温敏感时期的光照和温度设置的）光温条件（表1），处理光照时长 12h/d（加光时间 6∶00-18∶00）和14h/d（加光时间6∶00-20∶00），在光温敏感时期（药隔－单核期）对不育系材料进行光温处理。

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

1.3 测定项目与方法

小麦挑旗后，每个处理每盆随机选取叶龄一致的5个植株，选取受光方向一致的旗叶。利用光合作用测量系统（LI-6400XT，美国Li-COR公司），在晴朗无风天气的9∶00-11∶00，测定小麦S1（孕穗期）、S2（抽穗期）、S3（开花期）、S4（花后10d）、S5（花后20d）和S6（花后30d）6个时期旗叶中部的Pn、Gs、Tr和Ci，重复测定3次。光强设为 1 000µmol/(m2·s)，流量为 500mL/min，大气CO2浓度为380µmol/mol。在光合参数测定当日，利用叶绿素荧光仪（OS-30p，美国Opti-Sciences公司）测定叶绿素荧光参数Fo和Fm，计算光合系统Ⅱ（PSⅡ）最大光化学效率Fv/Fm（Fv=Fm-Fo），重复测定10次，取平均值。

1.4 田间农艺性状及育性调查

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=穗粒数/（小穗数×2）×100%[21]。

1.5 数据统计分析

采用SPSS 20.0软件分析不同光温处理条件下不育系育性与光合特性的相关性，用Duncan法对不育系在不同光温处理下的光合特性进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不育系结实率表现

不育系在短日低温（12h，12℃）和长日高温（14h，16℃）处理下的结实率差异明显（表2），长日高温条件下的结实率显著高于短日低温条件下的结实率。在短日低温下，不育系高度不育，BS1086和BS640的结实率较高，分别为0.37%和0.25%，BS107的结实率为0。在长日高温下，不育系结实率在40.32%～67.45%间，BS640的结实率最高达到67.45%，BS608的结实率最低为40.32%。京411在短日低温和长日高温条件下结实率分别为88.92%和94.70%。

表2 不同材料在不同光温条件下结实率Table 2 Seed setting rate of materials under different light and temperature conditions

2.2 不育系光合特性指标变化分析

2.2.1 净光合速率（Pn）比较 由表3可知，在短日低温条件下，材料BS1086在S3～S5三个时期的Pn均为最高值，在S2和S6时期Pn也较高；材料BS608在S3和S4时期Pn均为最低值，S6时期Pn也较低。在长日高温条件下，在供试材料中，BS640在S3～S5时期的Pn值均为最高，其余时期也较高，BS608在S2～S4时期Pn均为所有材料中最低，其余时期Pn也较低。由此可知，短日低温条件下Pn较高的为BS1086，长日高温条件下Pn较高的为BS640，短日低温和长日高温Pn均较低的为BS608。

表3 不同材料Pn比较Table 3 Comparison of Pn of different materials μmol/(m2·s)

由图1可知，BS640在短日低温和长日高温Pn变化趋势基本一致，表现最稳定。BS608短日低温和长日高温Pn变化幅度差异最大，京411在短日低温和长日高温Pn变化趋势不同于不育系材料。短日低温条件下，不育系BS107和BS640Pn的变化趋势相近，在S2期有明显的下降，S3期Pn最高，然后逐渐下降；BS1086从S1期开始Pn逐渐升高，S3期Pn最高，然后逐渐下降；BS608和BS366的Pn变化趋势相近，均是S2期Pn最高，S3期明显下降，S5期明显升高，S6期降为最低；京411从S1期到S5期Pn变化不大，S6期下降至最低。长日高温条件下，BS107、BS1086、BS608和BS366Pn的变化趋势相近，均是S1期Pn最高，然后逐渐下降，S6期Pn降为最低；BS640在S4期Pn最高，从S1期到S4期变化不大，S4期开始快速下降；京411在S2期Pn最高，然后逐渐下降，S6期Pn降为最低。

图1 不同材料Pn比较Fig.1 Comparison of Pn of different materials

2.2.2 气孔导度（Gs）比较 由表4可知，在短日低温条件下，BS640在S1、S2和S4时期的Gs是供试材料中最高的，S3和S6时期Gs也较高；BS608在S2和S3时期Gs为最低，京411在S4和S6时期也是所有材料中最低的。在长日高温条件下，BS640在S1和S3～S5时期的Gs均为最高；BS608在S1～S3时期Gs均为最低的，其余时期Gs也较低。由此可知，短日低温和长日高温条件下Gs较高的为BS640，较低的为BS608。

表4 不同材料Gs比较Table 4 Comparison of Gs of different materials mmol/(m2·s)

由图2可知，每个材料在短日低温和长日高温Gs变化趋势均有较大差异，京411Gs变化趋势与BS107相似。短日低温条件下，不育系BS107和BS1086Gs的变化趋势相近，S2期下降，S3期Gs最高，S4期快速下降；BS608从S1期至S2期Gs显著下降，然后逐渐升高，S6期Gs升至最高；BS366和BS640在S4期Gs最高，S5期降低，S6期又明显升高；京411从S1期到S6期Gs变化不大，S1期Gs最高。长日高温条件下，BS107、BS1086、BS640、BS366和京411Gs的变化趋势相近，均是S1期至S4期Gs变化幅度较大，之后变化缓慢，Gs在S2期或S3期最高；BS608Gs变化幅度不大。

图2 不同材料Gs比较Fig.2 Comparison of Gs of different materials

2.2.3 胞间CO2浓度（Ci）比较 由表5可知，在短日低温条件下，BS640在S1、S2、S4和S6时期均为材料中Ci最高的；BS107在S6时期为最低，其余时期Ci也相对较低。在长日高温条件下，BS640在S1和S3时期的Ci均为最高值，其余时期也相对较高；BS366在S2和S4时期Ci均为最低值；BS107在S1和S6时期的Ci为所试材料中最低，且S4时期也相对较低。由此可知，短日低温和长日高温条件下Ci较高的材料为BS640，Ci较低的材料为BS107。

表5 不同材料Ci比较Table 5 Comparison of Ci of different materials μmol/mol

由图3可知，BS1086、BS640和BS366在短日低温的Ci变化趋势相似，京411短日低温和长日高温Ci变化趋势与BS107相似，BS1086、BS640、BS608和BS366在长日高温的Ci变化趋势相似。短日低温条件下，BS1086、BS640和BS366Ci的变化趋势均为S1期至S4期缓慢变化，S5期Ci降至最低，S6期Ci快速回升；BS107和京411Ci的最低点在S4期；BS608Ci的最低点在S2期。长日高温条件下，BS1086、BS640、BS608和BS366Ci的变化趋势均是S3期前缓慢变化，S4期Ci大幅度下降，S5期和S6期Ci快速提升；BS107和京411在S1期至S2期Ci有个快速提升，然后S4期Ci快速下降，S5期和S6期Ci稳定在较高水平。

图3 不同材料Ci比较Fig.3 Comparison of Ci of different materials

2.2.4 蒸腾速率（Tr）比较 由表6可知，在短日低温条件下，BS1086在S1和S3时期Tr均为最高，BS640在S2和S4时期Tr为最高，S6时期也较高；BS608在S5和S6时期为最高，但S1和S2时期均最低。在长日高温条件下，BS1086在S4和S6时期Tr最高；BS640在S3和S5时期为Tr的最高值，其余时期Tr值也较高；BS608在S1～S6时期均为最低值。由以上分析可知，短日低温和长日高温条件下Tr较高的材料为BS640和BS1086，短日低温和长日高温Tr较低的材料为BS608。

表6 不同材料Tr比较Table 6 Comparison of Tr of different materials mmol/(m2·s)

由图4可知，短日低温条件下，BS107、BS1086和京411Tr的变化趋势相似，均为S2期Tr快速下降，S3期Tr回升，S4期Tr快速下降，S6期Tr有所回升；BS640的变化趋势为S1期至S4期Tr变化缓慢，S5期Tr显著下降，S6期Tr快速回升至最高；BS608在S2期Tr快速下降至最低，之后开始回升，S6期Tr升至最高；BS366在S1期Tr最高，S2期快速下降，之后变化缓慢。长日高温条件下，6个材料Tr的变化趋势均是S1期至S3期缓慢变化，S4期Tr降至最低，S5期和S6期Tr快速回升。

图4 不同材料Tr比较Fig.4 Comparison of Tr of different materials

2.3 不育系PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）变化

由表7可知，在短日低温条件下，S2、S3、S4和S5时期各材料之间Fv/Fm无差异；S1时期Fv/Fm较高的材料是BS608，较低的是京411；S6时期Fv/Fm较高的材料是京411，较低的是BS640。在长日高温条件下，S2、S3和S4时期各材料之间Fv/Fm无差异；S1时期Fv/Fm较高的材料是BS1086，较低的是京411；S5时期Fv/Fm较高的材料是BS366，较低的是京411；S6时期Fv/Fm较高的材料是BS366和京411，较低的是BS107。由上分析，短日低温和长日高温条件下Fv/Fm各材料之间差异不大。

表7 不同材料Fv/Fm比较Table 7 Comparison of Fv/Fm of different materials

2.4 不育系结实率与光合特性的相关性分析

相关性分析（表8）表明，在短日低温条件下，结实率与Pn、Gs、Ci、Tr和Fv/Fm相关性均不显著。在长日高温条件下，结实率与S2期、S3期和S4期的Pn呈正相关，与S1期、S2期、S3期和S4期的Gs呈正相关，与S2期、S3期、S4期和S5期的Tr呈正相关；从相关系数的大小来看，对结实率影响最主要的因子是Gs，其次是Pn和Tr。由此说明，长日高温条件（不育系繁种区），不育系育性相对正常，结实率与Pn、Gs和Tr呈正相关，说明S2-S4期Pn、Gs和Tr升高，S1期Gs升高，及S5期Tr升高，均有利于不育系产量的提高。短日低温条件（不育系制种区），不育系几乎完全不育，结实率与光合指标相关性不显著。

表8 不育系结实率与光合因子的相关系数Table 8 Correlation coefficients between seed-setting rate and photosynthetic factors of male sterile lines

3 讨论

本团队前期研究了在不同生态区分期播种条件下BS型小麦光温敏不育系光合特性的变化特点[22]，由于在自然环境中可能存在不可控因素，本研究在人工气候箱、温室控制光照和温度条件下研究了不育系在不育和可育状态下的光合特性，两组试验结果基本一致。前期研究是在北京顺义（不育系繁种区）进行，分析了抽穗期、开花期和花后30d 3个时期结实率与光合因子的相关性，结果表明结实率与Pn呈正相关；本研究是在人工控制可育状态下，从孕穗到花后30d过程中6个小麦生长时期结实率与光合因子的相关性，结果表明结实率与Pn、Gs和Tr呈正相关，该研究结论也是对前期试验结果的补充。在河南南阳（不育系制种区）结实率与各光合特性指标相关性都不显著，与本研究不育状态下结实率与各光合特性指标相关性都不显著的结论一致，也进一步验证了光温控制育性转换后不育系的光合特性发生了变化。本研究对不育系自交的光合特性进行了研究，选育出了光合特性好的不育系材料，但是关于不育系异交授粉后的光合特征还不明确，需要进一步研究。

不同类型的不育系光合特性也有一定差异，焦健等[23]报道，小麦K、T和V型不育系及化学杀雄亲本的Pn、Gs和Tr在开花期达到最大值，本研究中BS型不育系的Pn在短日低温下抽穗或开花期达到最大值，长日高温下在孕穗期达到最大值；Gs在抽穗或开花期达到最大值；Tr在孕穗期达到最大值。本研究中，可育环境下结实率与Pn、Gs和Tr呈正相关，这与前人研究结论基本一致。谭彩霞等[9]报道的不同品质类型小麦旗叶Pn与产量呈极显著正相关，卓武燕等[24]报道的旗叶叶绿素相对含量、Pn和Tr对产量及产量构成因素有显著正向效应。利用光合作用杂种优势进行高光效育种已经在大田作物生产上取得了一定进展[25-28]。本研究鉴定出的光合特性较好的不育系材料可应用于二系杂交小麦育种，并对高光效杂交小麦新品种选育提供依据。

4 结论

不育系BS107和BS1086的Pn、Gs和Tr变化趋势相近，BS640和BS366的Gs和Ci的变化趋势相近，BS608光合特性的变化较其他不育系大。京411短日低温和长日高温Pn的变化趋势相近，且不同于不育系材料；京411短日低温和长日高温Gs、Ci和Tr的变化有差异，孕穗至开花变化较大，花后10d降至最低，花后20d又升高，变化趋势与部分不育系相近。

鉴定出Pn和Tr较高的不育系材料是BS640和BS1086，其中BS640在不同光温处理条件下Pn变化幅度最小，表现最稳定，长日高温条件下的育性恢复也最好，结实率达到67.45%，可加速该不育系的快速应用，并可利用光合特性较好的不育系材料对其他不育系进行转育改良。

不育系育性与光合特性相关性研究表明，在短日低温条件下，结实率与Pn、Gs、Ci、Tr和Fv/Fm相关性不显著；在长日高温条件下，结实率与抽穗期、开花期和花后10d的Pn、Gs和Tr均呈正相关，从相关系数的大小来看，对结实率影响最主要的因子是Gs，其次是Pn和Tr，因此，可通过提高孕穗期至灌浆期光合特性指标Pn、Gs和Tr，提高不育系繁种产量。