孫 輝 張立平 侯起嶺 白秀成 楊吉芳 張風(fēng)廷 趙昌平

（北京市農(nóng)林科學(xué)院北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心/雜交小麥分子遺傳北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100097，北京）

我國創(chuàng)建的“二系雜交小麥應(yīng)用技術(shù)體系”逐步完善，具有制種程序簡便和成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已開始進(jìn)入快速示范應(yīng)用階段。BS型小麥光溫敏雄性不育系短日低溫不育可實(shí)現(xiàn)雜交種生產(chǎn)，長日高溫可育可進(jìn)行自我繁殖[1-3]。但是在不育系繁種過程中，存在不育系籽粒飽滿度較差和繁種產(chǎn)量較低等問題，成為降低小麥雜交種生產(chǎn)成本的限制因素之一。因此，選育高光效不育系材料和揭示不育系育性與光合特性的關(guān)系，可為優(yōu)異不育系材料的選育及二系雜交小麥制繁種技術(shù)水平的提升提供理論指導(dǎo)。

小麥產(chǎn)量與光合作用密切相關(guān)，小麥籽粒產(chǎn)量的90%～95%來源于花后的光合產(chǎn)物，尤以旗葉的光合作用對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大[4-5]。近年來，對(duì)小麥旗葉光合作用在產(chǎn)量形成中的作用和影響因素等方面有很多研究[6-8]，提高小麥旗葉光合特性有利于提高小麥籽粒產(chǎn)量[9-12]，耐低氮脅迫小麥品種的較高籽粒產(chǎn)量均以較高的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）和氣孔導(dǎo)度（Gs）為生理基礎(chǔ)[13]，產(chǎn)量較高的黃淮麥區(qū)小麥品種的光合速率、葉綠素含量和最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）也較高[14]。旗葉對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)可占到1/3，提高小麥光合速率有利于提高產(chǎn)量[15]。另外，還有許多關(guān)于溫度、光強(qiáng)、播期、播種方式和追氮時(shí)期等對(duì)小麥光合特性影響的報(bào)道[16-20]。雖然對(duì)常規(guī)小麥光合特性研究的報(bào)道較多，但對(duì)光溫敏雄性不育小麥光合特性研究的報(bào)道較少，因此本研究探討B(tài)S型小麥光溫敏雄性不育系育性與光合特性的關(guān)系，比較不同不育系材料在短日低溫和長日高溫下不同生長時(shí)期光合特性的變化差異，闡明不育系育性與光合特性指標(biāo)的相關(guān)性，為選育高光效不育系和提升不育系繁種產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心選育的BS型小麥光溫敏雄性不育系，包括BS107、BS1086、BS640、BS608和BS366，具有異交結(jié)實(shí)性好、開穎角度大、開穎歷時(shí)長、配合力高和恢復(fù)源廣等優(yōu)點(diǎn)，其光溫敏感時(shí)期在藥隔至單核期。以常規(guī)小麥品種京411（Jing 411）為對(duì)照。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2018年10月1日播種于花盆，置于田間，花盆26cm×23cm，每盆留苗8株，底肥施磷酸二銨0.88g和尿素0.63g，于四葉一心期追施尿素0.63g。春化完成后，將花盆移入溫室，直到麥苗生長至所需生育期，然后移入人工氣候箱進(jìn)行不同溫度和光照處理，非處理時(shí)期生長條件控制為光照時(shí)長12h/d，抽穗前溫度12℃，抽穗后溫度16℃。每處理4盆，每盆8株，試驗(yàn)重復(fù)2次。試驗(yàn)在人工氣候箱（KBW，德國Binder）內(nèi)進(jìn)行，設(shè)置不育（短日低溫12h 12℃是依據(jù)不育系制種區(qū)河南南陽光溫敏感時(shí)期的光照和溫度設(shè)置的）和可育（長日高溫14h 16℃是依據(jù)不育系繁種區(qū)北京順義光溫敏感時(shí)期的光照和溫度設(shè)置的）光溫條件（表1），處理光照時(shí)長 12h/d（加光時(shí)間 6∶00-18∶00）和14h/d（加光時(shí)間6∶00-20∶00），在光溫敏感時(shí)期（藥隔－單核期）對(duì)不育系材料進(jìn)行光溫處理。

表1 溫度處理設(shè)置Table 1 The conditions of temperature treatments ℃

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

小麥挑旗后，每個(gè)處理每盆隨機(jī)選取葉齡一致的5個(gè)植株，選取受光方向一致的旗葉。利用光合作用測(cè)量系統(tǒng)（LI-6400XT，美國Li-COR公司），在晴朗無風(fēng)天氣的9∶00-11∶00，測(cè)定小麥S1（孕穗期）、S2（抽穗期）、S3（開花期）、S4（花后10d）、S5（花后20d）和S6（花后30d）6個(gè)時(shí)期旗葉中部的Pn、Gs、Tr和Ci，重復(fù)測(cè)定3次。光強(qiáng)設(shè)為 1 000μmol/(m2·s)，流量為 500mL/min，大氣CO2濃度為380μmol/mol。在光合參數(shù)測(cè)定當(dāng)日，利用葉綠素?zé)晒鈨x（OS-30p，美國Opti-Sciences公司）測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo和Fm，計(jì)算光合系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）最大光化學(xué)效率Fv/Fm（Fv=Fm-Fo），重復(fù)測(cè)定10次，取平均值。

1.4 田間農(nóng)藝性狀及育性調(diào)查

開花前對(duì)每株主莖穗和1～2個(gè)分蘗穗套袋，成熟后調(diào)查小穗數(shù)和穗粒數(shù)。結(jié)實(shí)率=穗粒數(shù)/（小穗數(shù)×2）×100%[21]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 20.0軟件分析不同光溫處理?xiàng)l件下不育系育性與光合特性的相關(guān)性，用Duncan法對(duì)不育系在不同光溫處理下的光合特性進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不育系結(jié)實(shí)率表現(xiàn)

不育系在短日低溫（12h，12℃）和長日高溫（14h，16℃）處理下的結(jié)實(shí)率差異明顯（表2），長日高溫條件下的結(jié)實(shí)率顯著高于短日低溫條件下的結(jié)實(shí)率。在短日低溫下，不育系高度不育，BS1086和BS640的結(jié)實(shí)率較高，分別為0.37%和0.25%，BS107的結(jié)實(shí)率為0。在長日高溫下，不育系結(jié)實(shí)率在40.32%～67.45%間，BS640的結(jié)實(shí)率最高達(dá)到67.45%，BS608的結(jié)實(shí)率最低為40.32%。京411在短日低溫和長日高溫條件下結(jié)實(shí)率分別為88.92%和94.70%。

表2 不同材料在不同光溫條件下結(jié)實(shí)率Table 2 Seed setting rate of materials under different light and temperature conditions

2.2 不育系光合特性指標(biāo)變化分析

2.2.1 凈光合速率（Pn）比較 由表3可知，在短日低溫條件下，材料BS1086在S3～S5三個(gè)時(shí)期的Pn均為最高值，在S2和S6時(shí)期Pn也較高；材料BS608在S3和S4時(shí)期Pn均為最低值，S6時(shí)期Pn也較低。在長日高溫條件下，在供試材料中，BS640在S3～S5時(shí)期的Pn值均為最高，其余時(shí)期也較高，BS608在S2～S4時(shí)期Pn均為所有材料中最低，其余時(shí)期Pn也較低。由此可知，短日低溫條件下Pn較高的為BS1086，長日高溫條件下Pn較高的為BS640，短日低溫和長日高溫Pn均較低的為BS608。

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

由圖1可知，BS640在短日低溫和長日高溫Pn變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)最穩(wěn)定。BS608短日低溫和長日高溫Pn變化幅度差異最大，京411在短日低溫和長日高溫Pn變化趨勢(shì)不同于不育系材料。短日低溫條件下，不育系BS107和BS640Pn的變化趨勢(shì)相近，在S2期有明顯的下降，S3期Pn最高，然后逐漸下降；BS1086從S1期開始Pn逐漸升高，S3期Pn最高，然后逐漸下降；BS608和BS366的Pn變化趨勢(shì)相近，均是S2期Pn最高，S3期明顯下降，S5期明顯升高，S6期降為最低；京411從S1期到S5期Pn變化不大，S6期下降至最低。長日高溫條件下，BS107、BS1086、BS608和BS366Pn的變化趨勢(shì)相近，均是S1期Pn最高，然后逐漸下降，S6期Pn降為最低；BS640在S4期Pn最高，從S1期到S4期變化不大，S4期開始快速下降；京411在S2期Pn最高，然后逐漸下降，S6期Pn降為最低。

圖1 不同材料Pn比較Fig.1 Comparison of Pn of different materials

2.2.2 氣孔導(dǎo)度（Gs）比較 由表4可知，在短日低溫條件下，BS640在S1、S2和S4時(shí)期的Gs是供試材料中最高的，S3和S6時(shí)期Gs也較高；BS608在S2和S3時(shí)期Gs為最低，京411在S4和S6時(shí)期也是所有材料中最低的。在長日高溫條件下，BS640在S1和S3～S5時(shí)期的Gs均為最高；BS608在S1～S3時(shí)期Gs均為最低的，其余時(shí)期Gs也較低。由此可知，短日低溫和長日高溫條件下Gs較高的為BS640，較低的為BS608。

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

由圖2可知，每個(gè)材料在短日低溫和長日高溫Gs變化趨勢(shì)均有較大差異，京411Gs變化趨勢(shì)與BS107相似。短日低溫條件下，不育系BS107和BS1086Gs的變化趨勢(shì)相近，S2期下降，S3期Gs最高，S4期快速下降；BS608從S1期至S2期Gs顯著下降，然后逐漸升高，S6期Gs升至最高；BS366和BS640在S4期Gs最高，S5期降低，S6期又明顯升高；京411從S1期到S6期Gs變化不大，S1期Gs最高。長日高溫條件下，BS107、BS1086、BS640、BS366和京411Gs的變化趨勢(shì)相近，均是S1期至S4期Gs變化幅度較大，之后變化緩慢，Gs在S2期或S3期最高；BS608Gs變化幅度不大。

圖2 不同材料Gs比較Fig.2 Comparison of Gs of different materials

2.2.3 胞間CO2濃度（Ci）比較 由表5可知，在短日低溫條件下，BS640在S1、S2、S4和S6時(shí)期均為材料中Ci最高的；BS107在S6時(shí)期為最低，其余時(shí)期Ci也相對(duì)較低。在長日高溫條件下，BS640在S1和S3時(shí)期的Ci均為最高值，其余時(shí)期也相對(duì)較高；BS366在S2和S4時(shí)期Ci均為最低值；BS107在S1和S6時(shí)期的Ci為所試材料中最低，且S4時(shí)期也相對(duì)較低。由此可知，短日低溫和長日高溫條件下Ci較高的材料為BS640，Ci較低的材料為BS107。

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

由圖3可知，BS1086、BS640和BS366在短日低溫的Ci變化趨勢(shì)相似，京411短日低溫和長日高溫Ci變化趨勢(shì)與BS107相似，BS1086、BS640、BS608和BS366在長日高溫的Ci變化趨勢(shì)相似。短日低溫條件下，BS1086、BS640和BS366Ci的變化趨勢(shì)均為S1期至S4期緩慢變化，S5期Ci降至最低，S6期Ci快速回升；BS107和京411Ci的最低點(diǎn)在S4期；BS608Ci的最低點(diǎn)在S2期。長日高溫條件下，BS1086、BS640、BS608和BS366Ci的變化趨勢(shì)均是S3期前緩慢變化，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有個(gè)快速提升，然后S4期Ci快速下降，S5期和S6期Ci穩(wěn)定在較高水平。

圖3 不同材料Ci比較Fig.3 Comparison of Ci of different materials

2.2.4 蒸騰速率（Tr）比較 由表6可知，在短日低溫條件下，BS1086在S1和S3時(shí)期Tr均為最高，BS640在S2和S4時(shí)期Tr為最高，S6時(shí)期也較高；BS608在S5和S6時(shí)期為最高，但S1和S2時(shí)期均最低。在長日高溫條件下，BS1086在S4和S6時(shí)期Tr最高；BS640在S3和S5時(shí)期為Tr的最高值，其余時(shí)期Tr值也較高；BS608在S1～S6時(shí)期均為最低值。由以上分析可知，短日低溫和長日高溫條件下Tr較高的材料為BS640和BS1086，短日低溫和長日高溫Tr較低的材料為BS608。

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

由圖4可知，短日低溫條件下，BS107、BS1086和京411Tr的變化趨勢(shì)相似，均為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的變化趨勢(shì)為S1期至S4期Tr變化緩慢，S5期Tr顯著下降，S6期Tr快速回升至最高；BS608在S2期Tr快速下降至最低，之后開始回升，S6期Tr升至最高；BS366在S1期Tr最高，S2期快速下降，之后變化緩慢。長日高溫條件下，6個(gè)材料Tr的變化趨勢(shì)均是S1期至S3期緩慢變化，S4期Tr降至最低，S5期和S6期Tr快速回升。

圖4 不同材料Tr比較Fig.4 Comparison of Tr of different materials

2.3 不育系PSⅡ最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）變化

由表7可知，在短日低溫條件下，S2、S3、S4和S5時(shí)期各材料之間Fv/Fm無差異；S1時(shí)期Fv/Fm較高的材料是BS608，較低的是京411；S6時(shí)期Fv/Fm較高的材料是京411，較低的是BS640。在長日高溫條件下，S2、S3和S4時(shí)期各材料之間Fv/Fm無差異；S1時(shí)期Fv/Fm較高的材料是BS1086，較低的是京411；S5時(shí)期Fv/Fm較高的材料是BS366，較低的是京411；S6時(shí)期Fv/Fm較高的材料是BS366和京411，較低的是BS107。由上分析，短日低溫和長日高溫條件下Fv/Fm各材料之間差異不大。

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

2.4 不育系結(jié)實(shí)率與光合特性的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析（表8）表明，在短日低溫條件下，結(jié)實(shí)率與Pn、Gs、Ci、Tr和Fv/Fm相關(guān)性均不顯著。在長日高溫條件下，結(jié)實(shí)率與S2期、S3期和S4期的Pn呈正相關(guān)，與S1期、S2期、S3期和S4期的Gs呈正相關(guān)，與S2期、S3期、S4期和S5期的Tr呈正相關(guān)；從相關(guān)系數(shù)的大小來看，對(duì)結(jié)實(shí)率影響最主要的因子是Gs，其次是Pn和Tr。由此說明，長日高溫條件（不育系繁種區(qū)），不育系育性相對(duì)正常，結(jié)實(shí)率與Pn、Gs和Tr呈正相關(guān)，說明S2-S4期Pn、Gs和Tr升高，S1期Gs升高，及S5期Tr升高，均有利于不育系產(chǎn)量的提高。短日低溫條件（不育系制種區(qū)），不育系幾乎完全不育，結(jié)實(shí)率與光合指標(biāo)相關(guān)性不顯著。

表8 不育系結(jié)實(shí)率與光合因子的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients between seed-setting rate and photosynthetic factors of male sterile lines

3 討論

本團(tuán)隊(duì)前期研究了在不同生態(tài)區(qū)分期播種條件下BS型小麥光溫敏不育系光合特性的變化特點(diǎn)[22]，由于在自然環(huán)境中可能存在不可控因素，本研究在人工氣候箱、溫室控制光照和溫度條件下研究了不育系在不育和可育狀態(tài)下的光合特性，兩組試驗(yàn)結(jié)果基本一致。前期研究是在北京順義（不育系繁種區(qū)）進(jìn)行，分析了抽穗期、開花期和花后30d 3個(gè)時(shí)期結(jié)實(shí)率與光合因子的相關(guān)性，結(jié)果表明結(jié)實(shí)率與Pn呈正相關(guān)；本研究是在人工控制可育狀態(tài)下，從孕穗到花后30d過程中6個(gè)小麥生長時(shí)期結(jié)實(shí)率與光合因子的相關(guān)性，結(jié)果表明結(jié)實(shí)率與Pn、Gs和Tr呈正相關(guān)，該研究結(jié)論也是對(duì)前期試驗(yàn)結(jié)果的補(bǔ)充。在河南南陽（不育系制種區(qū)）結(jié)實(shí)率與各光合特性指標(biāo)相關(guān)性都不顯著，與本研究不育狀態(tài)下結(jié)實(shí)率與各光合特性指標(biāo)相關(guān)性都不顯著的結(jié)論一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了光溫控制育性轉(zhuǎn)換后不育系的光合特性發(fā)生了變化。本研究對(duì)不育系自交的光合特性進(jìn)行了研究，選育出了光合特性好的不育系材料，但是關(guān)于不育系異交授粉后的光合特征還不明確，需要進(jìn)一步研究。

不同類型的不育系光合特性也有一定差異，焦健等[23]報(bào)道，小麥K、T和V型不育系及化學(xué)殺雄親本的Pn、Gs和Tr在開花期達(dá)到最大值，本研究中BS型不育系的Pn在短日低溫下抽穗或開花期達(dá)到最大值，長日高溫下在孕穗期達(dá)到最大值；Gs在抽穗或開花期達(dá)到最大值；Tr在孕穗期達(dá)到最大值。本研究中，可育環(huán)境下結(jié)實(shí)率與Pn、Gs和Tr呈正相關(guān)，這與前人研究結(jié)論基本一致。譚彩霞等[9]報(bào)道的不同品質(zhì)類型小麥旗葉Pn與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，卓武燕等[24]報(bào)道的旗葉葉綠素相對(duì)含量、Pn和Tr對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素有顯著正向效應(yīng)。利用光合作用雜種優(yōu)勢(shì)進(jìn)行高光效育種已經(jīng)在大田作物生產(chǎn)上取得了一定進(jìn)展[25-28]。本研究鑒定出的光合特性較好的不育系材料可應(yīng)用于二系雜交小麥育種，并對(duì)高光效雜交小麥新品種選育提供依據(jù)。

4 結(jié)論

不育系BS107和BS1086的Pn、Gs和Tr變化趨勢(shì)相近，BS640和BS366的Gs和Ci的變化趨勢(shì)相近，BS608光合特性的變化較其他不育系大。京411短日低溫和長日高溫Pn的變化趨勢(shì)相近，且不同于不育系材料；京411短日低溫和長日高溫Gs、Ci和Tr的變化有差異，孕穗至開花變化較大，花后10d降至最低，花后20d又升高，變化趨勢(shì)與部分不育系相近。

鑒定出Pn和Tr較高的不育系材料是BS640和BS1086，其中BS640在不同光溫處理?xiàng)l件下Pn變化幅度最小，表現(xiàn)最穩(wěn)定，長日高溫條件下的育性恢復(fù)也最好，結(jié)實(shí)率達(dá)到67.45%，可加速該不育系的快速應(yīng)用，并可利用光合特性較好的不育系材料對(duì)其他不育系進(jìn)行轉(zhuǎn)育改良。

不育系育性與光合特性相關(guān)性研究表明，在短日低溫條件下，結(jié)實(shí)率與Pn、Gs、Ci、Tr和Fv/Fm相關(guān)性不顯著；在長日高溫條件下，結(jié)實(shí)率與抽穗期、開花期和花后10d的Pn、Gs和Tr均呈正相關(guān)，從相關(guān)系數(shù)的大小來看，對(duì)結(jié)實(shí)率影響最主要的因子是Gs，其次是Pn和Tr，因此，可通過提高孕穗期至灌漿期光合特性指標(biāo)Pn、Gs和Tr，提高不育系繁種產(chǎn)量。