孫海燕，賈菲蕓,楊 靖，付慶云，茹振鋼，李友勇

(河南科技學(xué)院 生命科技學(xué)院/現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南新鄉(xiāng) 453003)

2018年4月5日到6日，我國(guó)黃淮地區(qū)遭受強(qiáng)寒潮襲擊[1]，所經(jīng)之處溫度大幅下降，霜凍發(fā)生，正值旺盛生長(zhǎng)的小麥遭受嚴(yán)重凍害，抗性較強(qiáng)的品種部分小穗凍傷，抗性弱的品種或小穗全部?jī)鏊?，抽出“白穗”；或部分凍死，后?lái)結(jié)實(shí)為“半截穗”。春季冷害，也稱晚霜凍害，嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量，因此小麥晚霜凍低溫抗性是選育小麥品種的重要特性。由于春季低溫不可預(yù)期，多年不遇的強(qiáng)低溫對(duì)檢驗(yàn)小麥品種低溫抗性有重要意義。BNS是一個(gè)對(duì)低溫敏感的小麥雄性不育系[2-4]，在雜交小麥研究中有重要價(jià)值。BNS的不育性和農(nóng)藝性在前期有系統(tǒng)觀察[2,4]，但由于不同年份的氣象和氣候因子不同，不斷發(fā)現(xiàn)BNS新的特性，如暖冬與寒冬、春季低溫的早與晚等常常影響B(tài)NS的育性水平[3,5]。為了持續(xù)發(fā)現(xiàn)更多的特征特性，歷年將BNS分期播種，并種植相關(guān)對(duì)照品種。意外的是，2017年秋季播種的BNS以及它的保持系鄭麥366，經(jīng)歷了2018年4月的強(qiáng)寒潮，鄭麥366遭受嚴(yán)重凍害，而B(niǎo)NS輕度凍害，表明BNS是一個(gè)對(duì)晚霜凍低溫抗性較強(qiáng)的不育系。其對(duì)低溫敏感，遭受強(qiáng)低溫后，表現(xiàn)高度不育，但實(shí)際表現(xiàn)高自交結(jié)實(shí)率。為了弄清這些現(xiàn)象的原因，本研究以BNS及其保持系鄭麥366為試驗(yàn)材料，通過(guò)觀察分析生育期間的穗分化進(jìn)程以及凍害發(fā)生后的凍害程度、凍害部位等，闡述發(fā)現(xiàn)BNS新的特性和特征，以期為小麥生產(chǎn)中更好地利用BNS提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及播種

BNS是本實(shí)驗(yàn)室保存的原始BNS不育系，由茹振鋼教授培育。歷年從10月1日開(kāi)始播種，8 d一個(gè)播期，到11月18日，共7個(gè)播期[4,6]。鄭麥366及“鄭麥366×BNS”的正反交F1在10月9日和11月17日兩次播種，10月9日是BNS的第二個(gè)播期，該播期仍然是BNS的典型不育期，也是當(dāng)?shù)匦←溦静シN期，11月17日是BNS最后一個(gè)播期，即完全可育播種期。小區(qū)行長(zhǎng)3 m，行距0.3 m，株距15 cm，每行播種21株。

1.2 穗分化觀察

越冬前調(diào)查1次，翌春自返青后開(kāi)始，由于前中期小麥個(gè)體發(fā)育較慢，每7 d取材1次，到3月中旬后，溫度升高，小麥個(gè)體發(fā)育加快，每周取材2次。每次取田間標(biāo)記的主莖穗，剝出幼穗，在實(shí)體顯微鏡下觀察，按照崔金梅等[6]的小麥穗分化階段形態(tài)進(jìn)行劃分，記錄穗分化時(shí)期。

1.3 凍害調(diào)查

凍害程度用受凍株率來(lái)表示，受凍株率=受凍植株/總株數(shù)×100%，凡因凍害而出現(xiàn)退化小穗的植株即為受凍植株。凍害級(jí)別參考河南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局制定的小麥晚霜凍害5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]。

1.4 自交結(jié)實(shí)率調(diào)查

各播期的BNS主莖穗完全抽出后，用羊皮紙袋套袋，若主莖穗受凍，套最早抽穗的分蘗穗。鄭麥366凍害嚴(yán)重，因此套袋分蘗穗較多。BNS在10月9日到11月10日播種的小區(qū)有輕度凍害，因此少部分套袋穗是一級(jí)分蘗的穗子。每行植株全部套袋，每株套2穗。成熟后收取套袋穗，計(jì)數(shù)小穗數(shù)和結(jié)實(shí)粒數(shù)，每株取2穗的平均數(shù)。自交結(jié)實(shí)率的計(jì)算用第1、2小花結(jié)實(shí)粒數(shù)計(jì)算(國(guó)內(nèi)法)[2-3]，計(jì)算公式為：自交結(jié)實(shí)率=第1、2小花結(jié)實(shí)粒數(shù)/(2×總小穗數(shù))×100%，總小穗數(shù)包括穗基部到頂端有籽粒的全部小穗數(shù)。

1.5 氣象資料

溫度氣象資料來(lái)自新鄉(xiāng)市氣象局記錄的標(biāo)準(zhǔn)氣象觀察資料數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)距材料種植地約15 km，緯度相同(E 113°23′，N 35°17′)。

2 結(jié)果與分析

2.1 2018年春季氣溫及凍害調(diào)查結(jié)果

2018年3月下旬溫度快速回升，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，3月23日至4月3日連續(xù)12 d日平均氣溫超過(guò)15 ℃,4月5日大風(fēng)降溫，日平均溫度僅 4.3 ℃(表1)。低溫持續(xù)到4月6日，4月6日凌晨最低氣溫1.9 ℃,草面溫度-1.7 ℃。低溫過(guò)后，發(fā)現(xiàn)10月9日播期的鄭麥366凍害嚴(yán)重，抽穗后受凍害的穗子或整穗凍死，形成“白穗”；或半穗凍傷(圖1A)，沒(méi)有凍傷的小穗可開(kāi)花結(jié)實(shí)，成熟后呈“半截穗”(圖1B)，受凍株率達(dá)75%以上(表2)，小區(qū)走道兩邊受凍植株多，中間受凍植株少，11月17日播期的鄭麥366未發(fā)生凍害。10月9日至11月10日播期的BNS均有凍害發(fā)生，但程度較輕，受凍株率為3.7%～5.4%，一般單株僅1穗受凍，10月1日和11月18日播期的BNS沒(méi)有凍害發(fā)生。鄭麥366與BNS的正反交F1的凍害介于兩品種之間，BNS作母本的F1抗凍性強(qiáng)于作父本的F1。不論鄭麥366還是BNS，發(fā)現(xiàn)受凍組織單位均為小穗，而非小花，從圖1可看出，凍害發(fā)生后一般整小穗凍傷，繼而脫水退化，沒(méi)有凍傷的小穗，第1、2小花甚至第3小花均結(jié)實(shí)，后期呈“半截穗”(圖1B)?！鞍虢厮搿爆F(xiàn)象還顯示，凍傷的穗是小穗凍傷，主軸完好。

表1 2018年3月及4月上旬日平均溫度Table 1 Average temperature in March and first ten days of April 2018

表2 供試材料受凍害情況Table 2 Investigation results of freezing damage

2.2 穗分化進(jìn)程與凍害低溫敏感期

越冬前2017年12月17日第一次取材，此時(shí)10月1日第一播期的BNS處于二棱中期，10月9日第二播期的BNS處于單棱后期，10月9日播種的鄭麥366處于單棱中后期，其余播期材料植株尚小，無(wú)法進(jìn)行觀察。次年春季從2月23日開(kāi)始取材，此時(shí)第一、二播期的BNS均處于二棱期，第三播期的BNS處于單棱期，說(shuō)明越冬期間生長(zhǎng)量不大。此后間隔約每7、5和3 d觀察1次，其中3月5日至4月4日觀察的部分播期BNS和鄭麥366的穗分化發(fā)育時(shí)期及自交結(jié)實(shí)率見(jiàn)表3。從表2和表3可看出，11月18日播種的鄭麥366和BNS遭受強(qiáng)低溫后，未發(fā)生凍害，此時(shí)穗分化時(shí)期均處于藥隔初期，10月1日播期的BNS也未發(fā)生凍害，此時(shí)穗分化減數(shù)分裂已經(jīng)完成。從圖1和表2還可看出，10月9日播期的BNS麥穗受凍部位在上部，10月25日和11月2日播種期受凍部位在基部，11月10日播期受凍部位在中部，說(shuō)明這些部位此時(shí)對(duì)低溫高度敏感，這些部位穗分化期正處于藥隔期至減數(shù)分裂期。

A：鄭麥366，10月9日播種，4月15日抽出的麥穗；B：鄭麥366，10月9日播種，上部小穗未受凍；C：BNS，10月1日播種，未受凍，表現(xiàn)正常雄性不育；D：BNS，10月9日播種，下部未受凍的小穗有些小花不育，有些小花結(jié)實(shí)。

2.3 BNS自交結(jié)實(shí)率及其與2017/2018冬春溫度的關(guān)系

各播期處理的自交結(jié)實(shí)率見(jiàn)表3。鄭麥366本身可育，套袋的是未受凍穗，因此自交結(jié)實(shí)率仍比較高，10月9日和11月18日播期的鄭麥366自交結(jié)實(shí)率分別為75.26%和82.82%。由于計(jì)算方法是國(guó)內(nèi)法，包括頂端小穗，這個(gè)自交結(jié)實(shí)率已接近最高結(jié)實(shí)率水平[8]。10月1日和10月9日不育播期的BNS，自交結(jié)實(shí)率分別達(dá)5.08%和10.41%，高于前7年中6個(gè)年份的育性水平[3,5]。查閱本年度氣象溫度，負(fù)積溫-55.1 ℃，典型寒冬年份，春季從3月23日至4月2日連續(xù)高溫，平均溫度變化在14.9～24.6 ℃，最高溫度24～31 ℃，3月28日最高溫度為31.8 ℃，4月2日最高溫度為31.5 ℃(表1)，屬于典型暖春氣候，均達(dá)到顯著加快育性轉(zhuǎn)換溫度[3]，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，達(dá) 12 d，因此，BNS的高自交結(jié)實(shí)率可能是該寒冬暖春氣候形成的。

2.4 BNS的不育溫度敏感期

在10月9日播期的BNS中，出現(xiàn)穗上部受凍、下部結(jié)實(shí)的下“半截穗”現(xiàn)象，該結(jié)實(shí)小穗上可觀察到有不育小花和結(jié)實(shí)籽粒(圖1 D)，不育小花是雄性不育的結(jié)果，結(jié)實(shí)籽粒是轉(zhuǎn)換的結(jié)果，結(jié)實(shí)籽粒較多，是轉(zhuǎn)換小花較多的表現(xiàn)，是該播期平均10.41%的套袋自交結(jié)實(shí)率的來(lái)源。該“半截穗”現(xiàn)象還說(shuō)明，10月9日播期的BNS經(jīng)歷了不育誘導(dǎo)，但后來(lái)部分小花結(jié)實(shí)，原因可能是高溫促使育性轉(zhuǎn)換，即被3月23日到4月2日連續(xù)12 d的高溫所誘導(dǎo)，據(jù)此推斷，BNS的不育溫度敏感期在3月23日以前已完成不育誘導(dǎo)，此時(shí)的發(fā)育時(shí)期是雌雄蕊分化期，說(shuō)明雌雄蕊分化期是不育誘導(dǎo)的重要時(shí)期。10月25日播期的BNS，自交結(jié)實(shí)率已達(dá)44.27%，屬高可育性，達(dá)最高結(jié)實(shí)率55.98%的79.1%，正常年份這個(gè)比率不超過(guò)50%[8]，說(shuō)明進(jìn)入溫度敏感期時(shí)是高溫環(huán)境，該播期的BNS 3月24日處于雌雄蕊分化期，這表明BNS的溫度敏感始期是雌雄蕊分化初期，即雌雄蕊形成即開(kāi)始感溫。

表3 2017/2018年BNS和鄭麥366的穗分化進(jìn)程及自交結(jié)實(shí)率Table 3 Spike differentiation and self-seed setting rate of BNS and Zhengmai 366 in 2017/2018

3 討 論

3.1 BNS是可遺傳的抗晚霜凍不育系材料

晚霜凍是嚴(yán)重威脅小麥產(chǎn)量的災(zāi)害天氣，近些年在黃淮小麥產(chǎn)區(qū)頻發(fā)，因此鑒定小麥材料的抗低溫特性有重要意義。研究表明，小麥對(duì)晚霜凍的抗性存在品種差異[9-10]，同時(shí)，穗發(fā)育時(shí)期、營(yíng)養(yǎng)水平和栽培條件等因素也是凍害發(fā)生程度的重要因子[11-12]。從觀察結(jié)果看，品種鄭麥366達(dá)3級(jí)凍害程度(1/2～3/4[7])，該品種的弱低溫抗性已有報(bào)道[10]，說(shuō)明是品種特性；而B(niǎo)NS凍害則較輕，為一級(jí)凍害(<1/3[7])，且處在較低水平。從BNS與鄭麥366的正反交F1表現(xiàn)看，凍害在二級(jí)程度，BNS做母本時(shí)凍害程度更低，說(shuō)明BNS是一個(gè)抗晚霜凍的不育系材料，且其抗性是可遺傳的，作母本時(shí)抗性效果更好，這是特殊氣象條件發(fā)現(xiàn)的BNS的又一優(yōu)良農(nóng)藝特性。

3.2 藥隔期至減數(shù)分裂期是晚霜凍的低溫敏 感期

劉平湘等[12]和鐘秀麗等[13]利用人工模擬方法觀察冬小麥幼穗抗霜凍力隨發(fā)育期的變化規(guī)律，認(rèn)為小麥晚霜凍的溫度敏感期是雌雄蕊分化期至藥隔期。胡 新等[14]觀察1998年河南商丘地區(qū)在3月20至24日小麥晚霜凍結(jié)果，認(rèn)為小麥晚霜凍的溫度敏感期是藥隔期，本研究觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，10月9日播種的鄭麥366凍害嚴(yán)重，低溫來(lái)臨時(shí)正處于減數(shù)分裂期，11月18日播種的鄭麥366，低溫來(lái)臨時(shí)正處于藥隔初期；BNS在7個(gè)播期中，10月1日和11月18日播期未受凍害，期間的5個(gè)播期均出現(xiàn)輕度凍害，且這5個(gè)播期穗分化時(shí)期是藥隔期至減數(shù)分裂期，說(shuō)明小麥晚霜凍害發(fā)生的溫度敏感期是藥隔期至減數(shù)分裂期。這與前人的觀察結(jié)果不一致。而胡 新等[14]的觀察結(jié)果認(rèn)為，僅藥隔期是敏感期，可能是3月下旬初商丘地區(qū)大田生產(chǎn)中，穗分化進(jìn)程一般僅發(fā)育到藥隔期。

3.3 小麥晚霜凍凍傷組織是整小穗

從凍害穗子形態(tài)看，受凍穗子有兩種類型，一種是“白穗”，整穗完全凍死；一種是“半截穗”，部分凍死。不論是“白穗”還是“半截穗”，觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)凍害的組織是小穗，而非小花，即凍害發(fā)生后，整小穗退化，較少在一個(gè)小穗上有不實(shí)小花，有結(jié)實(shí)小花現(xiàn)象。整小穗凍傷現(xiàn)象還表明，小穗凍傷是小穗與主軸完全失去營(yíng)養(yǎng)聯(lián)系的結(jié)果，因此推測(cè)，“白穗”其小穗基部的輸導(dǎo)組織被破壞；而“半截穗”其穗主軸的輸導(dǎo)組織是正常的，凍傷與輸導(dǎo)組織中流體的滲透壓沒(méi)有必然聯(lián)系。張文靜等[15]發(fā)現(xiàn)，越冬凍害小麥分蘗節(jié)組織胞間結(jié)冰，導(dǎo)管和篩管破裂導(dǎo)致輸導(dǎo)組織崩潰，但晚霜凍的組織結(jié)構(gòu)變化罕見(jiàn)報(bào)道，還有待今后進(jìn)一步深入研究。

3.4 BNS的不育誘導(dǎo)溫度敏感期是雌雄蕊分 化期

BNS是一個(gè)對(duì)低溫敏感的雄性不育系，有良好的農(nóng)藝性狀。BNS的溫度敏感期有較多報(bào)道，李羅江等[2]用滑動(dòng)積溫法，發(fā)現(xiàn)BNS溫度敏感期是小花原基分化期至雌雄蕊原基分化期；張自陽(yáng)等[4]用同樣方法認(rèn)為，BNS溫度敏感期是雌雄蕊分化期至四分體期；王茂婷等[16]和秦志英等[5]分析穗分化進(jìn)程，認(rèn)為BNS溫度敏感期是雌雄蕊原基分化期至藥隔期；周美蘭等[17]分析溫度和穗分化，認(rèn)為BNS溫度敏感期是小花原基分化期到藥隔形成期。本研究分析凍害、穗分化進(jìn)程、溫度和自交結(jié)實(shí)率之間的關(guān)系，推斷感溫始期是雌雄蕊原基分化期。由于穗分化時(shí)期的劃分一般指該時(shí)期典型特征的出現(xiàn)，而實(shí)際該時(shí)期要持續(xù)3～20 d，因此對(duì)BNS溫度敏感期的觀察，不同文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果實(shí)際上基本一致，即BNS的感溫過(guò)程發(fā)生在雌雄蕊分化期。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BNS的感溫過(guò)程5～7 d即可完成，持續(xù)低溫可誘導(dǎo)完全不育，遇到較高溫度可使部分小花育性轉(zhuǎn)換，溫度越高，轉(zhuǎn)換越多。

3.5 BNS的育性誘導(dǎo)不可逆

BNS的觀察結(jié)果還表明，其育性誘導(dǎo)是不可逆的。10月9日播期的BNS，3月15日進(jìn)入溫度敏感期，到3月21日，8～10 ℃低溫誘導(dǎo)(不育誘導(dǎo))僅6 d，此后12 d 平均溫度在15 ℃以上，已達(dá)到完全可育臨界溫度[3,5]，但并未改變不育方向，最終的結(jié)實(shí)率僅10.41%；10月25播期的BNS，3月22日高溫時(shí)已進(jìn)入雌雄蕊分化期，低溫僅2 d，因此是可育誘導(dǎo)，結(jié)實(shí)率為44.27%，達(dá)最高結(jié)實(shí)率55.98%的79.1%。從中可看出，10月9日播期BNS的不育誘導(dǎo)，不因此后12 d高溫改變不育性質(zhì)；10月25播期的BNS，也不因后來(lái)的霜凍強(qiáng)低溫而改變可育性質(zhì)，說(shuō)明BNS最初的感溫誘導(dǎo)是決定性的，后期的高溫或低溫只能對(duì)前期結(jié)果修飾，不能完全逆轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 論

小麥晚霜凍抗性強(qiáng)弱是品種特性，受遺傳控制，但晚霜凍的發(fā)生存在溫度敏感期，該敏感期從藥隔期持續(xù)到減數(shù)分裂期。2018年小麥晚霜凍凍傷的組織是整小穗，而非小花。BNS是一個(gè)具有高晚霜凍抗性的不育系材料。對(duì)晚霜凍抗性與不育低溫誘導(dǎo)非同一性狀。BNS的不育性誘導(dǎo)始于雌雄蕊分化始期，5～7 d即可完成，此后的溫度改變，無(wú)論高溫和低溫，對(duì)育性僅產(chǎn)生修飾影響，不改變發(fā)育方向。