单位 | 北京市农林科学院杂交小麦研究所/杂交小麦分子遗传北京市重点实验室，100097，北京
杂交小麦被认为是今后小麦产量大幅度提高的重要途径。进入21世纪后，我国原创的“二系杂交小麦应用技术体系”逐步完善，开始进入快速示范应用阶段[1-2]。然而，培育育性稳定、制种产量高、自繁产量好、配合力好和综合农艺性状优良的小麦光温敏不育系仍是杂交小麦的核心技术问题[3-6]。杂交小麦在大面积推广应用方面还面临着巨大挑战[7-9]。
小麦光温敏雄性不育主要表现为短日低温不育, 长日高温可育, 雄配子发育和育性表达受控于穗分化发育过程中的光照与温度变化[10-11]。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，包括C49S系列[12]、ES系列[13]、BS型[14]、LT-1-3A型[15]、BNS型[16-17]、337S型[18]和小麦蓝粒两用系[19]等。研究表明，BS型光温敏不育系为短日低温诱导，敏感期为药隔形成期至单核期，BS20临界温度为10~12 ℃[20]，BS210临界温度为8~12 ℃[10]，BS101临界光照时长为12~ 14 h[21]。C49S光温敏感时期为孕穗期，临界光照时长12 h，临界温度为12~14 ℃[22]。ES-10光温敏感时期为雌雄蕊分化期至四分体形成期，临界光照时长小于11.5 h，临界温度为9~11 ℃[23]。BNS的敏感时期为雌雄蕊分化期至四分体形成期，临界温度为8~ 12 ℃[24]。337S在穗分化阶段的短日低温和长日高温条件下均表现不育，在适当的播期表现可育[25]。目前关于小麦光温敏雄性不育系光温转换规律的研究很多，但在相同温度下，不同温差对不育系育性转换的影响尚未见报道。因此，本研究从温差对不育系育性的影响入手，研究不育系育性波动问题。
光温敏雄性不育小麦育性转换受光和温的调控。在不育条件下，可以实现杂交种生产；在可育条件下，可以自我繁殖。在前期对不育系育性转换敏感时期，光温转换临界阈值研究的基础上，本研究重点揭示温差变化对不育系育性转换的影响。BS型小麦光温敏雄性不育系具有育性稳定、制种性状优良、一般配合力好等优点，基于该不育系材料，目前已审定“京麦系列”杂交小麦品种22个。本研究通过多生态区分期播种鉴定与人工气候箱光温调控试验相结合，进一步揭示温差对不育系育性转换的影响，为其规模化高效安全的制种与繁殖种植区的建立提供理论依据。
1.1 供试材料
1.2 试验设计
1.2.1 多生态区分期播种试验 于2018-2019年和
2019-2020年小麦生长季，分别在北京市顺义区（116º39′ E，40º08′ N，海拔35 m，为不育系繁种区）和河南省邓州市（112º21′ E，34º40′ N，海拔120 m，为不育系制种区）进行田间试验。北京市顺义区分5期播种，播种时期依次是9月30日、10月5日、10月10日、10月15日和10月20日；河南省邓州市分7期播种，播种时期依次是10月5日、10月10日、10月15日、10月20日、10月25日、10月30日和11月4日。小区行长1.5 m，共4行，行距25 cm，株距3 cm，每试点均设2次重复。
1.2.2 温差试验 试验于2020-2021年和2021- 2022年在人工气候箱（BDW40，加拿大）内进行，湿度70%，光照强度125 μmol/(m2·s)。于10月1日播种于花盆，花盆规格26 cm（内径）×23 cm（高），置于田间，每盆留苗8株，底肥施磷酸二铵0.88 g、尿素0.63 g，于四叶一心期追施尿素0.63 g。春化完成后，将花盆移入温室，直到生长至所需生育期，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或14 h/d，抽穗前平均温度12 ℃，抽穗后平均温度16 ℃。每个材料处理4盆，每盆8株，设2次重复。
不育系在14 h 16 ℃（繁种区光温条件）不同温差下不育系育性转换处理光照时长为14 h/d（加光时间6:00-20:00），处理平均温度为16 ℃，温差分别为0、5、10、15 ℃。处理时期为药隔期至单核期。
1.3 田间农艺性状及育性调查
于开花前将每株主茎穗和1~2个分蘖穗套袋，成熟后调查小穗数、穗粒数、株高和穗长。结实率（%）=穗粒数/（小穗数×2）×100[26]。
1.4 数据处理
采用SPSS 22.0软件分析不同不育系不同光温处理下温差与不育系结实率及农艺性状的相关性，用Duncan法进行多重比较。
2.1 多生态区分期播种结实率差异
综合2018-2019年和2019-2020年结实率表现，不育系在北京顺义的结实率明显高于河南邓州（表2和表3）。在北京顺义（表2），5个不育系晚播（10月20日）结实率均高于早播，结实率在30.00%以上可以界定为安全繁种播期；育性恢复较好的不育系为BS135、BS185和BS278，结实率可达到50.00%以上；不育系BS185的安全繁种播期为10月10-20日，不育系BS135的安全繁种播期为10月15-20日，不育系BS102、BS107和BS278的安全繁种播期为10月20日。在河南邓州（表3），结实率＜2.50%时，不育系穗粒数＜1，可以界定为安全制种播期。5个不育系10月5-25日播期的育性均较低，结实率为0.00%~1.69%，达到高度不育，均能够进行安全制种，其中BS102和BS107在10月5-30日结实率低于2.50%，可以安全制种，制种安全性更好，11月4日不育系均不能够达到安全制种要求。对照京411育性在不同年份2个地点和不同播期下表现均正常，无论年份间、地点间还是播期间的结实率差异均不显著，结实率为98.83%~101.95%。
2.2 不同温差对不育系农艺性状的影响
2.2.3 对株高的影响 由表6可知，在12 h 12 ℃不同温差下不育系株高差异较大，随着温差增加，不育系株高增加，温差15 ℃时株高最大；BS102、BS107和BS135随着温差增加，株高增加15 cm以上；BS185和BS278随着温差增加，株高增加10 cm以上。在14 h 16 ℃不同温差下不育系株高差异不大，BS135、BS185和BS278在不同温差下株高差异不显著；BS102在温差10 ℃以上株高显著增加；BS107在温差5 ℃以上株高显著增加。对照京411在12 h 12 ℃温差15 ℃时株高比温差0和5 ℃时显著增加，在14 h 16 ℃不同温差下株高差异不显著。
2.2.4 对穗长的影响 由表7可知，在12h12℃不同温差下不育系穗长差异略大，随着温差增加，不育系穗长增加；BS102随着温差增加，穗长变化不显著；BS107、BS135、BS185和BS278随着温差变化，穗长显著变化，温差15℃时穗长最大。不育系在14h16℃不同温差下不育系穗长差异不大；BS102、BS107、BS135和BS185随着温差增加，穗长变化不显著；BS278在温差15℃比0℃穗长显著增加。对照京411在12h12℃温差15℃与0℃穗长相比显著增加，在14h16 ℃不同温差下穗长差异不显著。
2.3 温差与不育系结实率及农艺性状的相关性分析
相关性分析（表8）表明，在12 h 12 ℃，温差与不育系结实率呈负相关，其中与BS135和BS185呈显著负相关；与小穗数呈正相关或负相关，BS278呈极显著正相关；与株高呈正相关，其中BS102、BS107和BS185呈显著正相关；与穗长呈正相关，BS107呈显著正相关。在14 h 16 ℃，温差与不育系结实率呈正相关，其中与BS135、BS185和BS278呈显著正相关；与小穗数呈正相关或负相关，但相关性均不显著；与多数不育系株高呈正相关，其中与BS102呈显著正相关；与穗长呈正相关或负相关，BS278呈显著正相关。对照京411在12 h 12 ℃温差加大株高显著增加，结实率、小穗数和穗长均与温差相关性不显著；在14 h 16 ℃结实率、小穗数、株高和穗长与温差相关性均不显著。由此说明，在不育系制种区，提升温差可降低结实率，更利于不育系安全制种；在不育系繁种区，提升温差可提升结实率，更利于不育系高效繁种。
2.4 不育系结实率与不同年份不同地域光温数据比较分析
BS型小麦光温敏不育系是二系法杂交小麦的核心，不育系的安全制种和高效繁种是二系法杂交小麦的重点内容[2]。前人[20-24]对小麦光温敏不育系光温转换规律对育性的影响研究多是针对平均温度，得到的温度转换阈值也是平均温度，但在相同温度下，不同温差变化对不育系育性转换的影响未见报道。本研究在日平均温度不变的情况下，研究不同温差对不育系育性的影响，拟从温差变化的角度揭示不育系制种、繁种的安全性问题。本研究分析（表9和表10）发现，平均温度对不同播期和不同年份间不育系结实率影响显著；温差对不同年份间不育系结实率影响显著。比较温差对不育系和对照常规小麦京411的影响发现，温差与京411结实率、小穗数和穗长相关性均不显著，这一点与不育系是不同的；在制种区温差与京411的株高呈显著正相关，这一点与部分不育系是相同的。
通过对2017-2022年河南邓州和北京顺义敏感期温度调查（表10），在河南邓州（不育系制种区），平均温度变化在10.19~13.83 ℃，温差变化在8.57~13.26 ℃，结合温差与不育系结实率的相关性分析（表8），温差与不育系结实率呈显著负相关，温差越大越利于不育系安全制种。在北京顺义（不育系繁种区）平均温度变化在15.74~17.71 ℃，温差变化在10.94~12.90 ℃，温差与不育系结实率呈显著正相关，提高温差可提升不育系繁殖产量。本研究通过人工气候箱试验以及多生态区分期播种的田间观测，充分验证了在平均温度不变的情况下，不同温差对不育系育性转换有显著影响，明确了提高温差可同时利于不育系的安全制种和高效繁种。
本研究初步探索了温差对不育系育性的影响，设置了0、5、10和15 ℃温差，大部分不育系能够在温差10和15 ℃安全制种和有效繁种。下一步可对温差进行更为精细的试验设置，并进一步研究制种区不育系最高温耐受能力和繁种区不育系最低温耐受能力，为筛选出更为安全优异的不育系材料提供理论支撑。
在北京顺义不育系繁种区，育性恢复较好的不育系为BS135、BS185和BS278，结实率可达到50%以上，可以高效繁种。在河南邓州不育系制种区，5个不育系在10月5-25日播种高度不育，均能够安全制种。不育系在12 h 12 ℃不同温差条件下，温差与不育系结实率呈负相关；在14 h 16 ℃不同温差条件下，温差与不育系结实率呈正相关。在不育系制种区，提升温差可降低结实率，更利于不育系安全制种；在不育系繁种区，提升温差可提升结实率，更利于不育系高效繁种。
参考文献
Abstract BS type photo-thermal sensitive male sterile line is the core of the application of two-line hybrid wheat. Five BS type male sterile lines and a conventional variety Jing411 were studied to investigate the relationship of the fertility with temperature difference for improving hybrid wheat seed production and propagation of the male sterile lines. We studied the safe seed production and propagation sowing date of sterile lines with differentially sowing tests and controlled experiments in growth chambers. Under the different temperature difference conditions,we compared the differences in fertility and agronomic traits of male sterile lines, and further analyzed the correlation between temperature difference and seed-setting rate and agronomic traits. The results showed the safe sowing dates of the sterile line BS185 was from October 10th to 20th, BS135 was from October 15th to 20th, and BS102, BS107 and BS278 were October 20th in the sterile line breeding area in Shunyi, Beijing. The safe sowing dates of five sterile lines with high sterility were from October 5th to 25th, which could be safe for seed production, and the safe seed production sowing dates of BS102 and BS107 could reach October 30th in the sterile line seed production area in Dengzhou, Henan. Under the differentconditions of 12h12℃, BS102 and BS135 were less affected by temperature difference, and the safety of seed production was better. BS107 and BS185 could produce seeds safely at the temperature difference of 10and 15℃, and safe seeds production of B278 could be achieved at the temperature difference of 5, 10 and 15℃. Seed-setting rate had negative correlations with temperature difference. Furthermore, plant height and spike length had positive correlations with temperature difference. Under the different conditions of 14h16℃, BS102 and BS278 were less affected by temperature difference, BS107, BS135 and BS185 were greatly affected by temperature difference, and could effectively breed at the temperature difference of 10 and 15℃. Seed-setting rate had positive correlations with temperature difference,plant height of most male sterile lines had positive correlations with temperature difference. Therefore, raising the temperature difference was more conducive to the safe seed production and efficient seed propagation of the sterile lines.
Key words Wheat; Photo-thermal sensitive male sterile lines; Temperature difference; Fertility alteration
本文发表于《作物杂志》2024年第3期
《作物杂志》是中国科学技术协会主管、中国作物学会和中国农业科学院作物科学研究所共同主办的关于农作物的科技期刊。主要发表农作物产量、品质、抗逆等相关农艺性状及品种资源利用研究，以及农田生态、农业信息技术研究及综述，设有专题综述、遗传育种·种质资源·生物技术、生理生化·植物营养·栽培耕作、植物保护、技术推荐、农业信息技术等栏目。《作物杂志》被收录为中国科技核心期刊，自2000年开始连续入选《中文核心期刊要目总览》。
