唐會妮，張夢，王舜，戚廷香，吳建勇，郭立平，張學(xué)賢，陳亮亮，王海林，喬秀琴，梅擁軍，邢朝柱

（1.塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物育種與綜合利用全國重點實驗室/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，河南 安陽 455000；3.商丘市睢陽區(qū)鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，河南商丘 476000）

雜種優(yōu)勢是自然界中普遍存在的一種生物學(xué)現(xiàn)象，其利用已被證明可顯著提高棉花產(chǎn)量、改善纖維品質(zhì)以及增強抗病蟲性等[1]。 目前，生產(chǎn)上大面積推廣種植的棉花雜交種主要是由人工去雄授粉獲得的。 隨著勞動力成本日益上漲，通過人工去雄實現(xiàn)雜種一代大規(guī)模生產(chǎn)難以為繼。為解決這一問題，基于“三系”（不育系、保持系和恢復(fù)系）的細(xì)胞質(zhì)雄性不育系（cytoplasmic male sterility, CMS）雜交制種技術(shù)由于操作簡單、節(jié)約成本和制種純度高等優(yōu)點，已成為棉花雜種優(yōu)勢利用的重要手段[2]。近年來，國內(nèi)育種家已成功選育出一系列強優(yōu)勢棉花胞質(zhì)不育“三系”雜交種，如邯雜301[3]、中棉所99[4]和魯雜2138[5]等。 然而，由于所用的陸地棉胞質(zhì)和哈克尼西棉胞質(zhì)不育系均為孢子體不育類型，其雜種F2會出現(xiàn)1/4 的不育株[6]，從而導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低，因此無法在生產(chǎn)上大面積利用。

三裂棉CMS（CMS-D8）系是新的棉花配子體不育類型，目前也已實現(xiàn)了“三系”配套，其與恢復(fù)系雜交產(chǎn)生的雜種F1自交所得F2群體中無任何配子不育或育性特征的分離[6]。 因此，將CMS-D8 系應(yīng)用于棉花三系雜交種子生產(chǎn)，不僅能夠免去人工去雄成本，而且可以大大提高D8 不育胞質(zhì)雜種二代制種產(chǎn)量[7-8]。 關(guān)于CMS-D8 胞質(zhì)對棉花主要經(jīng)濟性狀的影響，目前已有一些研究報道。王江林等[9]研究發(fā)現(xiàn)D8 不育胞質(zhì)對雜交種F1產(chǎn)量性狀具有極顯著的負(fù)效應(yīng)；對纖維長度和長度整齊度則無明顯影響，可使斷裂比強度提高1.0～1.1 cN·tex-1，降低馬克隆值1.4～1.5， 并增加斷裂伸長率0.4 百分點。 Zhang 等[10]認(rèn)為與D2 不育胞質(zhì)相比，D8 不育胞質(zhì)對棉花產(chǎn)量性狀尤其是皮棉產(chǎn)量具有更大的負(fù)效應(yīng)。 另有研究表明，一些陸地棉人工去雄雜交F2的產(chǎn)量仍保持了一定的剩余優(yōu)勢[11]，說明繁殖簡單、 種子成本低廉的F2在當(dāng)前新疆主產(chǎn)棉區(qū)機械化密植條件下具有潛在的應(yīng)用價值[7,11]。 然而，D8不育胞質(zhì)雜種二代能否在生產(chǎn)上利用目前還未見相關(guān)報道。

本研究結(jié)合強優(yōu)勢雜交棉品種選育實踐，通過在2 個不同的生態(tài)點對7 個棉花CMS-D8 胞質(zhì)雜交組合F1、F2的產(chǎn)量優(yōu)勢表現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析， 旨在為生產(chǎn)上利用D8 不育胞質(zhì)雜種二代提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以7 個細(xì)胞核背景不同的CMS-D8 不育系（多代回交創(chuàng)制） 為母本、1 個綜合性狀優(yōu)良且具有強恢復(fù)力的哈克尼西棉雄性不育（CMS-D2）恢復(fù)系ZHR142 （含Rf1基因的恢復(fù)系可同時恢復(fù)棉花CMS-D2 和CMS-D8 的育性[8]）為父本，配制了7 個雜交組合，編號為1～7（表1）。

表1 CMS-D8 胞質(zhì)雜交組合親本與代號

2020 年4 月下旬， 將7 個CMS-D8 系和恢復(fù)系ZHR142 材料種植于河南安陽白璧鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場試驗基地， 雜交獲得F1種子。 同年10 月份將7 個F1材料種植于海南三亞中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所崖城試驗基地，自交獲得F2種子。 2021 年4 月下旬，將7 個F1、F2及其親本（由于不育系無法自交結(jié)鈴， 在本研究中使用其同核異質(zhì)保持系SJ48B、AHB、2015QYB、16SYB、SJ48-GGKB、901B 和SJ48- 中超B 的產(chǎn)量性狀數(shù)據(jù)來代替對應(yīng)的不育系計算中親和超親優(yōu)勢）和對照品種分別種植在西北內(nèi)陸棉區(qū)的新疆阿拉爾 （E1）和黃河流域棉區(qū)的河南安陽（E2）2 個生態(tài)點。 其中，阿拉爾點和安陽點分別選用國家區(qū)域試驗對照品種中棉所49（CK1）和瑞雜816（CK2）。

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組設(shè)計，3 次生物學(xué)重復(fù)。 其中，安陽點采用裸地直播，每個材料3 行區(qū)，行長9 m，行距0.8 m；阿拉爾點采用覆膜直播，每個材料1 膜3行，每個小區(qū)面積約為9.6 m2，均設(shè)置保護行。 種植密度按照不同生態(tài)區(qū)設(shè)置，其中安陽生態(tài)點為每666.7 m23 000 株，阿拉爾生態(tài)點為每666.7 m210 000 株。試驗材料管理措施與當(dāng)?shù)仄胀ù筇镆恢隆?/p>

1.3 性狀調(diào)查

于吐絮前（9 月下旬），分別在2 個生態(tài)點進(jìn)行單株結(jié)鈴數(shù)調(diào)查，具體計算方法參照前人的研究[12]。于吐絮期（10 月上旬），在安陽點從每個小區(qū)隨機收取棉株中部正常吐絮的30 個鈴； 在新疆阿拉爾點從每個小區(qū)收取棉株中部完全吐絮的50 個棉鈴，進(jìn)行室內(nèi)考種，計算鈴重、衣分等產(chǎn)量性狀。 之后，計算每個小區(qū)的籽棉產(chǎn)量，并按小區(qū)面積換算成每666.7 m2籽棉產(chǎn)量，根據(jù)衣分計算每666.7 m2皮棉產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗調(diào)查數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行整理與分析。 按下列公式計算中親優(yōu)勢（mid-parent heterosis,MPH）、超親優(yōu)勢（better-parent heterosis,BPH）、競爭優(yōu)勢（competitive heterosis,CH）和優(yōu)勢衰退率（heterosis decline rate,HDR）：MPHi（%）＝（X1，i或X2，i-MPi）/MPi×100；BPHi（%）＝（X1，i或X2，i-BPi）/BPi×100；CHi（%）＝（X1，i或X2，i-CKi）/CKi×100；HDRi（%）＝（X1，i-X2，i）/X1，i×100。其中，X1，i是雜 種 一代產(chǎn)量 性 狀i的 平 均 值，X2，i是 雜 種二代產(chǎn)量性狀i的平均值，MPi是雙親產(chǎn)量性狀i的平均值，BPi為雙親中表現(xiàn)較好親本的產(chǎn)量性狀i的平均值，CKi為生態(tài)點相應(yīng)對照品種產(chǎn)量性狀i的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 中親和超親優(yōu)勢分析

對阿拉爾點7 個CMS-D8 胞質(zhì)雜交組合不同世代F1、F2的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素中親及超親優(yōu)勢進(jìn)行分析，結(jié)果（表2）顯示：F1鈴重、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量的平均中親和超親優(yōu)勢均為正值；F2鈴重的平均中親和超親優(yōu)勢分別為11.21%和9.62%， 籽棉產(chǎn)量表現(xiàn)出0.37%的平均中親優(yōu)勢，其他產(chǎn)量性狀的平均中親和超親優(yōu)勢均為負(fù)值。在籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量方面，除組合2 外，其他組合F1均具有正向中親和超親優(yōu)勢； 組合3、6 和7 的F2中親和超親優(yōu)勢仍為正值（表2）。 上述結(jié)果說明這3 個組合的雜種二代在阿拉爾點仍具有一定的產(chǎn)量剩余優(yōu)勢。

表2 阿拉爾點7 個組合F1 和F2 產(chǎn)量性狀中親和超親優(yōu)勢表現(xiàn) %

在安陽點，F(xiàn)1鈴重、 籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量的平均中親優(yōu)勢為正值； 除鈴重外，F(xiàn)1其他產(chǎn)量性狀的平均超親優(yōu)勢均為負(fù)值（表3）。 F2單株結(jié)鈴數(shù)的平均中親優(yōu)勢為0.60%，其他產(chǎn)量性狀平均中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均為負(fù)值。 就籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量而言，組合1、6 和7 的F1和F2中親優(yōu)勢均為正值，但僅組合6 的F1和F2籽棉產(chǎn)量具有正向超親優(yōu)勢，分別為4.01%和3.25%（表3）。 綜合來看，組合6 和7 的F1、F2在2 個生態(tài)點較親本仍具有一定產(chǎn)量優(yōu)勢。

表3 安陽點7 個組合F1 和F2 產(chǎn)量性狀中親和超親優(yōu)勢表現(xiàn) %

2.2 競爭優(yōu)勢分析

對阿拉爾點7 個CMS-D8 胞質(zhì)雜交組合F1、F2和對照品種CK1（中棉所49）的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素進(jìn)行差異比較分析，結(jié)果見表4。 在鈴重上，所有7個組合的F1均表現(xiàn)為正向競爭優(yōu)勢， 其中組合3、4、6 和7 的鈴重較對照差異達(dá)顯著或極顯著水平；各組合F2鈴重均較F1有所降低， 但除組合2 和4外，其他組合仍具有正向競爭優(yōu)勢，尤其是組合3和7 的鈴重顯著或極顯著高于對照。就單株結(jié)鈴數(shù)而言，7 個雜交組合的F1、F2均表現(xiàn)為負(fù)向競爭優(yōu)勢，其中組合2 的F1、F2以及組合3 和7 的F1單株結(jié)鈴數(shù)顯著少于對照。 所有組合的F1衣分均具有正向競爭優(yōu)勢， 其中組合1 極顯著高于對照；F2除組合5 的衣分顯著低于對照外，其余組合均表現(xiàn)為正向競爭優(yōu)勢。 對于籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量來說，除組合2 的F2顯著低于對照外， 其余組合在不同世代與對照無顯著性差異， 組合6 和7 的F1、F2均表現(xiàn)為正向競爭優(yōu)勢（表4）。

表4 阿拉爾點7 個組合F1 和F2 產(chǎn)量性狀競爭優(yōu)勢分析

在安陽點，就鈴重來看，各雜交組合不同世代F1、F2均表現(xiàn)出不同程度的負(fù)向競爭優(yōu)勢， 其中組合4 和5 的F1以及組合2、3、4、5、7 的F2與對照瑞雜816 差異達(dá)顯著水平（表5）。 除組合2 和3 外，其他組合F1的單株結(jié)鈴數(shù)均多于對照，但僅組合6達(dá)到差異顯著水平； 組合4、5、6 和7 的F2單株結(jié)鈴數(shù)表現(xiàn)為正向競爭優(yōu)勢， 同時多于對應(yīng)的F1，其中組合6 的F2單株結(jié)鈴數(shù)顯著多于對照。 對于衣分性狀，除組合1 的F1呈顯著的正向競爭優(yōu)勢外，其余組合不同世代與對照相比無顯著差異。在籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量方面， 只有組合1、6 和7 的F1表現(xiàn)為正向競爭優(yōu)勢，但差異均不顯著；除組合6 的F2籽棉產(chǎn)量高于對照外， 其余組合均低于對照，但僅組合2 的籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量較對照差異達(dá)顯著或極顯著水平（表5）。 由此可見，在安陽點，組合1、6 和7 的F1產(chǎn)量具有一定的競爭優(yōu)勢，F(xiàn)2與對照相比差別不大； 大部分F2產(chǎn)量競爭優(yōu)勢減退主要是由于鈴重的降低。

表5 安陽點7 個組合F1 和F2 產(chǎn)量性狀競爭優(yōu)勢分析

2.3 優(yōu)勢衰退分析

對7 個CMS-D8 胞質(zhì)雜交組合F2的5 個產(chǎn)量性狀在2 個生態(tài)點進(jìn)行優(yōu)勢衰退分析，結(jié)果（表6）表明：F2除單株結(jié)鈴數(shù)外其他產(chǎn)量性狀在2 個生態(tài)點均表現(xiàn)出一定程度的優(yōu)勢衰退，整體上阿拉爾點優(yōu)勢衰退率高于安陽點。在阿拉爾點，鈴重、籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量的平均優(yōu)勢衰退率分別為5.37%、5.33%和8.33%；在安陽點，鈴重和皮棉產(chǎn)量的優(yōu)勢衰退表現(xiàn)較為明顯，平均優(yōu)勢衰退率分別為3.43%和3.08%。

表6 在2 個生態(tài)點F2 產(chǎn)量性狀優(yōu)勢衰退表現(xiàn)%

具體來看，各雜交組合大部分產(chǎn)量性狀表現(xiàn)在F2中有所衰退， 且不同性狀的優(yōu)勢衰退程度不同，其中籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量優(yōu)勢衰退率相對較大，分別為-9.80%～12.26%和-8.55%～16.71%。 組合3、6 和7 的F2在2 個試點的籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量優(yōu)勢衰退不明顯，衰退率相對較?。ū?）。 說明這些D8 不育胞質(zhì)F2在產(chǎn)量方面可能仍具有一定的剩余優(yōu)勢。

3 討論與結(jié)論

3.1 棉花CMS-D8 胞質(zhì)雜交組合不同世代產(chǎn)量優(yōu)勢表現(xiàn)

棉花具有明顯的雜種優(yōu)勢，一般來說雜交棉相比常規(guī)棉的產(chǎn)量更高、品質(zhì)更優(yōu)[1]。雖然已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)CMS-D8 胞質(zhì)對棉花主要產(chǎn)量性狀具有一定的負(fù)效應(yīng)[9-10]，但目前關(guān)于D8 不育胞質(zhì)F1、F2的產(chǎn)量優(yōu)勢表現(xiàn)仍缺乏系統(tǒng)研究，其雜種二代的潛在育種價值也未受到足夠重視。 本研究發(fā)現(xiàn)，組合1、3、6 和7 的不同世代F1、F2在2 個生態(tài)點相比親本來說具有一定產(chǎn)量優(yōu)勢（表2、表3），尤其組合6和7 的F1、F2產(chǎn)量在阿拉爾點均表現(xiàn)為正向競爭優(yōu)勢（表4），說明這2 個組合的F2在產(chǎn)量方面具有一定的剩余優(yōu)勢，可以利用其F2的雜種優(yōu)勢。 大部分D8 不育胞質(zhì)雜交F2產(chǎn)量競爭優(yōu)勢減退主要是由于鈴重的降低（表4、表5），這與裴小雨等[13]以及Chen 等[11]關(guān)于人工去雄授粉雜交F2產(chǎn)量競爭優(yōu)勢的研究結(jié)果基本一致。 此外，F(xiàn)2單株結(jié)鈴數(shù)在2 個生態(tài)點平均表現(xiàn)為無優(yōu)勢衰退（表6），這可能是由于D8 不育胞質(zhì)F2群體中完全可育株的花粉育性好于部分可育的F1，最終導(dǎo)致成鈴數(shù)表現(xiàn)出一定程度的增加[6]。

3.2 D8 不育胞質(zhì)雜種二代育種應(yīng)用前景初步探討

陸地棉屬于異源四倍體， 其F2分離現(xiàn)象不如二倍體作物水稻、玉米那么嚴(yán)重，而且棉花的收獲期比較長，F(xiàn)2株型及熟性分離對產(chǎn)量和纖維品質(zhì)不構(gòu)成直接影響，為棉花雜種二代利用提供了可能[7]。與常規(guī)棉品種相比， 優(yōu)勢表現(xiàn)顯著的雜種F1單產(chǎn)能提高10%～30%，而一些F2產(chǎn)量仍可提高5%～10%[11,14-15]。目前，新疆已成為我國棉花主產(chǎn)區(qū)，國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示2022 年新疆棉花產(chǎn)量為539.1 萬t，占全國棉花總產(chǎn)量的90.2%。 然而，由于西北內(nèi)陸棉區(qū)主要采用機械直播方式，用種量大，大面積推廣利用人工去雄獲得的雜交種，成本高昂，難以實現(xiàn)[8]。 利用CMS-D8 配子體不育系選育強優(yōu)勢“三系”雜交棉品種應(yīng)用于生產(chǎn)可以很好地解決這一問題，不僅能省去人工去雄成本、提高雜交F1純度，而且能顯著提高D8 不育胞質(zhì)F2制種產(chǎn)量。在本研究中，盡管大部分D8 不育胞質(zhì)雜交組合F2產(chǎn)量優(yōu)勢較F1有所衰退， 但仍有部分組合如3、6 和7 的F2籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量優(yōu)勢衰退不明顯，衰退率較?。ū?），且組合6 和7 的F2產(chǎn)量在阿拉爾點具有一定的正向競爭優(yōu)勢（表4），說明部分D8 不育胞質(zhì)F2仍具有一定的產(chǎn)量剩余優(yōu)勢， 理論上可利用其F2的雜種優(yōu)勢。 有研究報道，D8 不育胞質(zhì)對纖維品質(zhì)性狀無明顯不利影響，在一定程度上還可以明顯改善棉花品種的纖維細(xì)度[9]。 因此，通過對棉花CMS-D8“三系”親本進(jìn)行回交改良和合理選配，并結(jié)合多年、多生態(tài)點交叉選擇，選育出一些產(chǎn)量性狀衰退較小或無衰退的D8 不育胞質(zhì)雜種二代在我國主產(chǎn)棉區(qū)推廣應(yīng)用是切實可行的[7]。