“三系”雜交棉組合F1花粉育性與產(chǎn)量和品質(zhì)的相關(guān)性研究

李雪 ，郭立平 ，劉華林 ，戚廷香 ，王海林 ，唐會妮 ，張學(xué)賢 ，喬秀芹 ，吳建勇 *，邢朝柱 *

（1.棉花生物學(xué)國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南安陽455000；2.安徽天長市農(nóng)業(yè)委員會，安徽天長239300）

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物，與人民生活息息相關(guān)，棉花產(chǎn)量雜種優(yōu)勢可達到10%以上[1-3]。棉花雜種優(yōu)勢利用對于提高棉花產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入、提高棉花產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟效益具有十分重要的作用[3-4]。棉花細胞質(zhì)雄性不育“三系”（不育系、保持系和恢復(fù)系）制種因其能夠簡化制種，節(jié)約勞動力成本而備受歡迎，然而棉花恢復(fù)系來源狹窄，恢復(fù)力較弱等問題使其育種周期較長，缺少能夠在早期預(yù)測雜種表現(xiàn)的方法。研究表明，與恢復(fù)系及正常雜交種相比，棉花不育系與恢復(fù)系雜交所得F1的花粉育性有下降的趨勢，最終可能會影響到棉花的產(chǎn)量[3，5-7]。研究結(jié)果表明水稻、小麥的花粉育性與結(jié)實率有一定的相關(guān)性[8-12]，而棉花中較少有報道。可育花粉率是花粉育性的一個重要指標(biāo)。本研究利用聯(lián)苯胺-甲萘酚法測定花粉育性，計算棉花可育花粉率，明確“三系”制種的F1花粉育性及其與產(chǎn)量、品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性，以期為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)“三系”品種篩選提供依據(jù)，探索在早期預(yù)測三系雜交棉產(chǎn)量品質(zhì)，提高育種效率的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

本研究所用的12個哈克尼西棉細胞質(zhì)雄性不育系及4個恢復(fù)系及對照材料中棉所97見表1。2015年利用不完全雙列雜交設(shè)計 （North Carolina Mating Design Ⅱ design，NCⅡ）產(chǎn)生 48 個 F1，2016年4月下旬將F1及其親本材料植于河南省安陽縣中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場試驗地，田間管理同普通大田管理。

1.2 試驗方法

8月5日上午9:00―10:00，隨機取中棉所97當(dāng)日即將開放的花5朵，保存于－20℃冰箱，分別于取花后 4 h，8 h，14 h，25 h，37 h 和 51 h 用聯(lián)苯胺-甲萘酚法[13-17]測定花粉育性，研究其可育花粉率隨時間變化的情況。測定方法:用鑷子隨機取每朵花中部花藥5粒放載玻片上，用聯(lián)苯胺-甲萘酚試劑染色后在顯微鏡下觀察，生活力強的花粉染成深紅色，生活力弱的染成淺紅色，無生活力的則不著色。隨機取3個視野（觀察總花粉數(shù)約200個）進行拍照記錄，計算每朵花的可育花粉率（可育花粉率＝深色和淺色花粉個數(shù)/總觀察個數(shù)×100%），測定后繼續(xù)在－20℃冰箱保存。

表1 試驗材料

8月8日，9日上午9:00―10:00隨機取F1，恢復(fù)系及中棉所97當(dāng)日即將開放的花5朵，保存于－20℃冰箱待測，當(dāng)天用聯(lián)苯胺-甲萘酚法測定花粉育性，測定時用鑷子隨機取每朵花中部花藥5粒放載玻片上，用聯(lián)苯胺-甲萘酚試劑染色后顯微鏡下觀察，隨機取5個視野（觀察總花粉數(shù)500個左右），拍照記錄后計算每朵花的可育花粉率。

1.3 田間數(shù)據(jù)收集

9月中旬吐絮期前調(diào)查小區(qū)內(nèi)株數(shù)、鈴數(shù)，以是否出苞葉為標(biāo)準計數(shù)，單株鈴數(shù)＝鈴數(shù)/株數(shù)。10～11月收50鈴，考種計算棉花衣分，根據(jù)衣分和小區(qū)籽棉產(chǎn)量計算小區(qū)皮棉產(chǎn)量:皮棉產(chǎn)量＝小區(qū)籽棉產(chǎn)量×衣分，纖維品質(zhì)由（原）農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心檢測，用HVI900B纖維檢測儀檢測纖維品質(zhì)5項指標(biāo):纖維上半部平均長度、整齊度指數(shù)、馬克隆值、伸長率和斷裂比強度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本實驗數(shù)據(jù)用MSExcel整理、制表和繪圖，并進行方差分析 （百分比數(shù)據(jù)已反正弦轉(zhuǎn)換），IBM SPSSstatistics 19.0進行簡單相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 －20℃貯藏溫度下花粉活力隨時間變化分析

為確定冰上取樣、－20℃保存對花粉育性是否有顯著影響，本研究測定了取樣后51 h內(nèi)花粉育性（圖1）。由圖1可以看出－20℃貯藏花粉，花粉育性隨著貯藏時間的增加而減弱，在取樣后8 h內(nèi)花粉育性下降較快，8～25 h花粉育性變化趨于平緩，25～37 h下降速度加快，取樣后51 h花粉育性依然保持在88%以上。方差分析結(jié)果表明:隨機取得的5朵花的花粉育性無顯著性差異，且－20℃保存51 h內(nèi)花粉育性無顯著差異。所以后續(xù)實驗樣品在當(dāng)天測定花粉育性。

圖1 －20℃保存條件下可育花粉率隨時間變化

2.2 “三系”雜交F1可育花粉率分析

2.2.1恢復(fù)系恢復(fù)力分析。表2所示為“三系”雜交組合F1的可育花粉率，及與恢復(fù)系和中棉所97的比較。結(jié)果表明:48個F1的可育花粉率為42.9%～92.37%，大部分為75%～90%，本研究中一半以上組合的可育花粉率達80%，說明4個恢復(fù)系可恢復(fù)大部分不育系的育性。與恢復(fù)系相比，F(xiàn)1的可育花粉率低－0.02～48.22百分點；與中棉所97相比，F(xiàn)1的可育花粉率低1.9～51.37百分點；除A12×R4外，其他組合F1的可育花粉率均低于其恢復(fù)系及中棉所97，大部分在20百分點以內(nèi)，極個別達到40百分點以上，說明“三系”雜交F1可育花粉率降低且普遍低于恢復(fù)系與普通雜交種。4個恢復(fù)系與不育系雜交的F1可育花粉率平均值R4＞R3＞R1＞R2，說明不同恢復(fù)系對不育系的恢復(fù)力有明顯的差異。除 R4×A6，R4×A10外，R4所配組合可育花粉率均較高，說明其恢復(fù)力較強，育種中可多選用R4進行配組。

表2 “三系”雜交F1可育花粉率及與恢復(fù)系與對照中棉所97的比較

2.2.2不育系花粉被恢復(fù)系恢復(fù)潛力分析。表3所示，不同不育系組配的的F1平均可育花粉率A8＞A2＞A3＞A12＞A7＞A5＞A4＞A1＞A6＞A9＞A10＞A11；除 A6、A9、A10、A11外，其它不育系組配的 F1的平均可育花粉率均達到80%以上，說明不同不育系被恢復(fù)的潛力表現(xiàn)不同。不育系A(chǔ)2、A8配組的F1可育花粉率達到85%以上，說明這2個不育系容易被本研究中的恢復(fù)系恢復(fù)，在配組中表現(xiàn)優(yōu)秀，可多選用其配組。

2.3 “三系”雜交F1可育花粉率與產(chǎn)量性狀相關(guān)分析

表4所示為F1可育花粉率與產(chǎn)量性狀的Pearson相關(guān)系數(shù)表，結(jié)果表明“三系”雜交F1可育花粉率與單株鈴數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明可育花粉率對棉花成鈴數(shù)具有顯著影響。另外，籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量與鈴重、單株鈴數(shù)呈極顯著正相關(guān)，說明鈴重和單株鈴數(shù)極顯著地影響棉花產(chǎn)量。

表3 各不育系配制的雜交組合的平均可育花粉率及比較

表4 “三系”雜交棉F1組合可育花粉率與產(chǎn)量性狀相關(guān)性

2.4 “三系”雜交F1可育花粉率與品質(zhì)性狀的相關(guān)分析

“三系”雜交F1可育花粉率與品質(zhì)性狀的相關(guān)系數(shù)見表5。結(jié)果表明:可育花粉率與纖維品質(zhì)主要指標(biāo)的相關(guān)性均不顯著，說明可育花粉率對纖維品質(zhì)的影響不大。另外，纖維上半部平均長度與斷裂比強度和伸長率極顯著正相關(guān)，斷裂比強度與馬克隆值呈極顯著負相關(guān)而與伸長率呈極顯著正相關(guān)。

表5 “三系”雜交棉F1組合可育花粉率與品質(zhì)性狀相關(guān)系數(shù)表

3 討論

3.1 貯藏時間及測定方法對花粉育性的影響

離體花粉在一定的溫度下隨時間的加長花粉育性有下降的趨勢，對其保存時間，不同研究者有不同的看法。胡磊等[15]認為離體花粉在4℃和－20℃下保存1～3 d花粉育性沒有顯著性差異；王剛等的[17]研究結(jié)果認為花粉貯藏溫度以5℃最佳，1～3 d內(nèi)花粉育性都在90%以上；而景憶蓮等[18]的研究結(jié)果表明自然花粉育性可維持1 d，以9:30―10:30的育性較強，隨后隨時間推后大幅度衰減，低溫保存可維持其花粉活性。本研究中花粉在－20℃保存51 h的花粉育性無顯著差異，與胡磊等[15]的研究結(jié)果一致。本實驗在當(dāng)天測完所有F1的花粉育性盡可能地減小了實驗誤差。本研究中可育花粉率隨時間變化的趨勢可為制種過程中人工授粉提供參考，解決花期不遇、異時異地授粉的問題，提高授粉效率。已知的花粉育性測量方法很多[19]，聯(lián)苯胺-甲萘酚法在棉花花粉育性測定方法中高效且常用，但其染色界限不夠明確，會有一定的實驗誤差[14-15，17，19，25]。本實驗是對花粉育性與產(chǎn)量品質(zhì)關(guān)系的初步探索，仍需采用更精確的方法進一步研究。

3.2 “三系”雜交組合花粉育性表現(xiàn)

王學(xué)德等[20]的研究結(jié)果表明當(dāng)含有育性增強基因時，F(xiàn)1的花粉育性平均值與恢復(fù)系僅相差3.19百分點，差別不大；無育性增強基因時其育性低于恢復(fù)系，相差12.24百分點。韋貞國等[21]的研究表明不育系與恢復(fù)系雜交所得F1的育性存在差別，且育性較恢復(fù)系低，本實驗結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。本實驗中F1的可育花粉率為42.9%～92.37%，除1個組合外均低于恢復(fù)系的育性水平，與恢復(fù)系可育花粉率相差－0.02～48.22百分點。這可能是同一恢復(fù)基因在不同不育系的遺傳背景下表達強弱不同從而導(dǎo)致恢復(fù)力不同，也可能與育性增強基因的表達有關(guān)。H46（R4）組配的大部分F1可育花粉率高于85%，表明該恢復(fù)系較其他三個恢復(fù)系的恢復(fù)力強。同一恢復(fù)系在不同不育系遺傳背景下表現(xiàn)也不同，12個不育系中DTYA（A2），ZBA（A8）可育花粉率達到85%以上，說明這2個不育系在配組中育性恢復(fù)表現(xiàn)優(yōu)秀，育種中可多選用該恢復(fù)系和不育系配組選育品種，也可進一步研究其恢復(fù)優(yōu)勢的形成和不育胞質(zhì)的遺傳背景。

3.3 “三系”雜交組合花粉育性與產(chǎn)量品質(zhì)關(guān)系

由于棉花存在恢復(fù)系源狹窄、強恢復(fù)系較少、恢復(fù)力較弱等因素限制，研究者在花粉發(fā)育、恢復(fù)基因定位、恢復(fù)機理等方面做了大量研究旨在提高恢復(fù)系的恢復(fù)力、育性以求最終提高棉花產(chǎn)量[22-26]。對可育花粉率與產(chǎn)量品質(zhì)關(guān)系的研究還停留在感性認識上，深入的研究較少。在以往的研究中余鄭軍等[27]曾探索過不同時期花粉萌發(fā)率和花粉管生長長度的最大值與結(jié)鈴數(shù)和成鈴率的相關(guān)關(guān)系，黃雙領(lǐng)等[28]曾在研究中將不同的授粉時間和方法與成鈴率進行分析，倪密等[29]也在研究中提到花粉可育率與自交結(jié)鈴率的變化趨勢一致，崔艷利等[30]的研究結(jié)果表明棉花籽棉產(chǎn)量與F1的多粉花率的顯性與環(huán)境互作相關(guān)達顯著水平。這些研究結(jié)果說明:滿足授粉需求的花粉粒和適宜的環(huán)境對棉花產(chǎn)量形成起關(guān)鍵作用。本研究結(jié)果表明F1可育花粉率與單株成鈴數(shù)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，這說明提高花粉活力在一定程度上可提高單株結(jié)鈴數(shù)，進而提高棉花產(chǎn)量，但其與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)較小，還不足以直接高效準確地預(yù)測雜種F1的產(chǎn)量。產(chǎn)量與鈴重和單株鈴數(shù)有極顯著的相關(guān)關(guān)系，說明產(chǎn)量受其他一些產(chǎn)量相關(guān)性狀的影響更大，可育花粉率可以作為一個參考指標(biāo)指導(dǎo)篩選單株鈴數(shù)。

4 結(jié)論

棉花花粉在－20℃保存51 h，其花粉育性依然保持在88%以上且無顯著差異。“三系”雜交組合F1的花粉育性普遍低于恢復(fù)系及常規(guī)雜交種，恢復(fù)系H46恢復(fù)力較強，不育系DTYA和ZBA所配組合花粉育性較強?！叭怠彪s交F1的可育花粉率與單株成鈴數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。