水稻雄性不育系異交性狀的相關(guān)與通徑分析

周秀生

(福建省建甌市水源鄉(xiāng)農(nóng)技站,福建 南平 352124)

2020年我國稻谷總產(chǎn)量高達2.119億t,水稻播種面積達0.3億hm2,其中雜交稻種植總面積達1 050.73萬hm2[1]。雜交水稻新品種選育及其良種繁育與水稻優(yōu)異雄性不育系的種質(zhì)創(chuàng)新密切相關(guān)[2]。制種產(chǎn)量是大面積推廣雜交水稻的關(guān)鍵因素[3],產(chǎn)量高低取決于水稻雄性不育系的異交特性[4]。水稻雄性不育系的異交特性與植株形態(tài)、開花習(xí)性和柱頭特性等性狀密切相關(guān),這些性狀直接影響母本對父本花粉的接受程度[5],其中不育系異交結(jié)實率和柱頭活力對制種產(chǎn)量影響較大[6-7]。水稻雄性不育系的異交特性主要受親本基因型控制,還與大田管理、氣候條件等因素密切相關(guān)[8-9]。因此,本研究以8個水稻雄性不育系為試材,比較其主要異交性狀,并進行相關(guān)與通徑分析,以期為水稻雄性不育系的選育及雜交水稻的制種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料包括榕21S、恒豐A、泰豐A、RGD-7S、1892S、廣8A、廣占63S、272S等8個兩系或三系雄性不育系,以福恢366為父本進行人工授粉和趕粉制種。以上材料均由福建農(nóng)林大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。

1.2 田間設(shè)計

試驗于2020年4月至10月在福建省建甌市水源鄉(xiāng)大戶自然村制種田進行。該區(qū)屬亞熱帶濕潤性氣候,晝夜溫差大,年均氣溫18 ℃,年均降水量1 800 mm,年均日照時數(shù)1 667 h。試驗地平整、肥沃,排灌方便。采用水稻制種方式進行田間試驗,父本?；?66分4期播種(4月25日首次播種,之后每期間隔7 d),行距為23 cm×23 cm,種植于母本兩側(cè),秧齡25 d。不育系分2期播種(5月20日和5月30日),插植規(guī)格為每行7株,共5行,行距為21 cm×21 cm,秧齡25 d。田間管理與一般制種大田一致。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 柱頭外露率 抽穗后5 d,各不育系隨機選取5個穎花完全開放的單穗,調(diào)查每個單穗的總穎花數(shù)及柱頭外露情況,并計算柱頭單邊外露率、雙邊外露率和總外露率[10]。在開花高峰期,各不育系隨機選取3個單穗,每個單穗取5朵開放穎花,觀察穎花開穎角度。水稻柱頭面積和體積的計算參考文獻[11]。

1.3.2 柱頭活力 各不育系在盛花期隨機選取2個單株,選擇21個穎花已開放1/3左右的單穗。采用CO2充氣法促進開花,剪除已經(jīng)開過的穎花和未開放的幼嫩穎花,留下具有柱頭單邊或雙邊外露的穎花,分別進行套袋,每個套袋3穗,共計7個套袋。套袋后1～7 d,每天隨機人工飽和授粉1個套袋,并掛牌標(biāo)識。完成授粉后20 d考察各不育系異交結(jié)實率,并評價柱頭活力。異交結(jié)實率/%=(單穗結(jié)實粒數(shù)/單穗總粒數(shù))×100;柱頭活力系數(shù)為穎花開花后第2～4天的異交結(jié)實率總和與開花當(dāng)天異交結(jié)實率的比值[11]。

1.3.3 花時動態(tài) 各不育系在盛花期隨機選擇1個單株,并選取單株上的3個單穗,掛牌標(biāo)記。次日上午8:30～13:30,每30 min記錄1次開放穎花數(shù)量,共計10次,取3穗平均值計算花時動態(tài)。選取8:30開放的5朵穎花統(tǒng)計穎花開放持續(xù)時長,取平均值。開花集中率為上午9:00～10:30的穎花開花數(shù)量與當(dāng)天穎花總開花數(shù)量的比值。

1.3.4 其他農(nóng)藝性狀 在種子成熟期,分別調(diào)查不育系株高、主穗長,并測量種子粒長、粒寬、長寬比、千粒重等農(nóng)藝性狀。

1.3.5 制種異交結(jié)實率 授粉結(jié)束后20 d,各不育系分別選取10個單穗,考察制種異交結(jié)實率。

1.4 統(tǒng)計與分析

采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件[12],以制種異交結(jié)實率為因變量,柱頭總外露率、柱頭長寬比、柱頭面積、柱頭體積、柱頭活力系數(shù)、開穎角度、開穎時長和開花集中度等17個性狀為自變量,通過逐步回歸方法分析性狀間的相關(guān)性,并對影響制種異交結(jié)實率的性狀進行通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不育系的穎花特性

2.1.1 柱頭特性 8個不育系柱頭特性見表1。由表1可知,不育系柱頭總外露率變幅為52.85%～82.26%,依次為:泰豐A>1892S>廣8A>恒豐A>272S>RGD-7S>廣占63S>榕21S。1892S的柱頭雙邊外露率最高,達29.31%,恒豐A次之,廣占63S最低,僅20.81%。8個不育系的柱頭面積依次為:RGD-7S>廣占63S>泰豐A>1892S>廣8A>榕21S>恒豐A>272S,柱頭體積依次為:廣占63S>泰豐A >RGD-7S>1892S>廣8A>榕21S>恒豐A>272S。其中,RGD-7S的柱頭較大,柱頭長和寬分別為1.51 mm和0.41 mm,面積和體積分別達0.619 mm2和0.266 mm3;而272S的柱頭最小,柱頭面積和體積分別為0.375 mm2和0.110 mm3。8個不育系的開穎角度均超過20°,開穎持續(xù)時長均超過2 h。其中,廣8A開穎角度最大,達34.2°,榕21S最小,為20.3°。泰豐A開穎時長最長,達3.3 h,其次為廣8A(3.1 h),廣占63S的開穎時長最短,僅2.1 h。

表1 8個水稻雄性不育系的主要性狀及其制種異交結(jié)實率Table 1 Main traits and outcrossed seed-setting rate of 8 male sterile lines of rice

2.1.2 花時動態(tài) 各不育系的開花集中度為43.3%～68.0%,其中泰豐A集中度最高,其次為1892S和RGD-7S(表1)。由圖1可知,泰豐A、1892S和RGD-7S 的開花高峰期均在上午10:00～10:30,花時早,宜在10:30前完成制種趕粉,以提高授粉效率。8個不育系的穎花開放數(shù)量均隨時間延長呈先升高后降低的趨勢。其中,廣占63S和272S的當(dāng)日穎花開放總數(shù)最多,榕21S最少。廣8A、廣占63S和榕21S的開花高峰主要集中在上午的9:30至11:00之間,在13:00～13:30間仍有少量穎花開放,說明該3個不育系開花分散。由上可見,在制種中應(yīng)根據(jù)花時情況酌情增加授粉次數(shù)。

圖1 8個水稻雄性不育系的日花時動態(tài)Figure 1 Daily flowering dynamics of 8 male sterile lines of rice

2.1.3 柱頭活力系數(shù) 8個不育系的柱頭活力系數(shù)見表2。隨著抽穗開花時間的延長,各不育系的異交結(jié)實率均呈下降趨勢,說明其柱頭活力逐漸減弱。8個不育系的柱頭活力系數(shù)具有明顯差異,變幅為1.670～2.905,依次為:1892S>泰豐A>RGD-7S>恒豐A>榕21S>廣8A>廣占63S>272S。其中,榕21S、泰豐A、RGD-7S、1892S和廣8A等5個不育系在第7天授粉時仍有結(jié)實,說明該5個不育系具有較好的柱頭活力;恒豐A、廣占63S、272S等3個不育系在第7天授粉時異交結(jié)實率為0,柱頭活力完全喪失。從表2還可看出,第7天授粉時,泰豐A 和1892S的異交結(jié)實率均≥10%,榕21S和RGD-7S的異交結(jié)實率分別為5.13%和3.75%;恒豐A異交結(jié)實率在第4次授粉后出現(xiàn)驟降,RGD-7S、廣8A和廣占63S在第6次授粉后均出現(xiàn)驟降,其他不育系異交結(jié)實率則呈穩(wěn)定下降趨勢。

表2 8個水稻雄性不育系柱頭活力系數(shù)比較Table 2 Stigma vitality coefficient of 8 male sterile lines of rice

2.2 不育系制種異交結(jié)實率

不育系的制種異交結(jié)實率是決定組合制種產(chǎn)量高低的關(guān)鍵因素。因自身的異交特性不同,8個不育系的制種異交結(jié)實率存在明顯差異(表1)。由表1可知,8個不育系的制種異交結(jié)實率變幅為43.12%～67.03%,其中泰豐A的制種異交結(jié)實率最高,1892S(58.01%)次之,廣占63S最低。

2.3 不育系其他農(nóng)藝性狀

由表1可知,RGD-7S、272S的平均株高最高,分別為76.8和74.3 cm,而榕21S株高最矮,僅59.8 cm。1892S、廣8A、廣占63S的主穗長無明顯差異,變幅為26.4～26.9 cm,RGD-7S的主穗長最短,僅19.6 cm。在籽粒性狀上,8個不育系千粒重變幅較大,其中RGD-7S的千粒重最大,為28.6 g,泰豐A最小。在粒型性狀上,泰豐A的粒長最長,達10.5 mm,廣8A最短,僅8.2 mm。恒豐A的粒寬最大,為2.7 mm;泰豐A的粒寬最小,為2.2 mm,屬于細(xì)長型的水稻雄性不育系。

2.4 不育系各性狀與制種異交結(jié)實率的相關(guān)性分析

8個水稻雄性不育系各性狀相關(guān)性分析見表3。由表3可知,考察的17個性狀中有13個性狀與制種異交結(jié)實率呈正相關(guān),僅主穗長、粒寬、柱頭長寬比及開穎角度與制種異交結(jié)實率呈負(fù)相關(guān)。其中,柱頭雙邊外露率、柱頭總外露率、柱頭活力系數(shù)、開穎角度及開花集中度與制種異交結(jié)實率呈顯著或極顯著相關(guān),開花集中度的相關(guān)系數(shù)最大,為0.96。開穎角度與制種異交結(jié)實率呈顯著負(fù)相關(guān),說明開穎角度越大,制種異交結(jié)實率越低,這可能是開穎角度增大更易導(dǎo)致種子裂穎,使得制種異交結(jié)實率下降。此外,各異交性狀之間也存在一定的相關(guān),這些性狀共同影響了不育系制種異交結(jié)實率。其中,柱頭雙邊外露率、柱頭總外露率、柱頭活力及開花集中度等是提高制種異交結(jié)實率的關(guān)鍵性狀,在不育系性狀的選擇上應(yīng)加以關(guān)注。

表3 8個水稻雄性不育系各性狀與制種異交結(jié)實率的相關(guān)性1)Table 3 Correlation analysis of main traits and outcrossed seed-setting rate of 8 male sterile lines of rice

2.5 不育系制種異交結(jié)實率的回歸方程及通徑分析

進一步以上述17個性狀為自變量(X),以制種異交結(jié)實率為因變量(Y)進行回歸分析,決定系數(shù)R2為1.000 00,剩余通徑系數(shù)為0.000 82,表明不育系的17個性狀基本包含了制種異交結(jié)實率的變異表型。經(jīng)逐步回歸分析,剔除不顯著的變量,得到最優(yōu)回歸方程:Y=42.872 4+3.534 8X4+7.095 9X5+0.200 3X7+0.186 3X8+2.002 7X14+0.469 2X17。由表4可知,開花集中度與制種異交結(jié)實率的直接通徑系數(shù)最大,達0.587 3,說明不育系花時早、集中,有利于父母本的花時相遇,是提高制種異交結(jié)實率的關(guān)鍵因素。此外,制種異交結(jié)實率與粒長和粒寬的直接通徑系數(shù)分別為0.369 2和0.147 2;與柱頭雙邊外露和柱頭總外露率也存在密切相關(guān),直接通徑系數(shù)分別為0.074 1和0.200 9,表明柱頭總外露率是決定不育系制種異交結(jié)實率的關(guān)鍵性狀。從表4還可以看出,柱頭活力的直接通徑系數(shù)為0.094 4,說明該性狀在一定程度上也會對制種異交結(jié)實率造成影響。因此,在水稻不育系選育上,應(yīng)關(guān)注不育系的粒型、柱頭外露率、柱頭活力以及開花集中度等,這些性狀共同影響不育系的制種異交結(jié)實率。

表4 各性狀與制種異交結(jié)實率的通徑系數(shù)1)Table 4 Path coefficient between main traits and outcrossed seed-setting rate

3 討論

雜交水稻通常根據(jù)父母本品種生育特性進行錯期播種,確保父母本花期相遇,以提高制種產(chǎn)量[13]。制種產(chǎn)量還取決于不育系的異交特性,而不育系異交性狀是一個復(fù)雜的農(nóng)藝性狀,涉及了諸多性狀因素,且部分性狀受主基因+多基因控制[14]。林強等[15]認(rèn)為,不育系的有效授粉時間通常取決于柱頭活力大小和柱頭外露率高低。吳健等[16]、張克勤[17]研究表明,不育系開花當(dāng)天的異交結(jié)實籽粒數(shù)占總異交結(jié)實籽粒數(shù)的60%以上。舒志芬[18]則認(rèn)為柱頭長度也顯著影響制種的異交結(jié)實率。趙錦龍等[19]研究發(fā)現(xiàn),開穎角度和開花集中度是決定粳稻不育系制種異交結(jié)實率高低的關(guān)鍵性狀。謝留杰等[20]研究認(rèn)為,開穎持續(xù)時間對異交結(jié)實率有顯著影響。陳惠清等[5]認(rèn)為,不育系的花時集中、午前花率高,其制種異交結(jié)實率也較高。本研究表明,粒型、柱頭外露率、柱頭活力及開花集中度是決定制種異交結(jié)實率的主要性狀,且以柱頭總外露率和開花集中度為主,該結(jié)論與前人的研究結(jié)果相近。本研究中,柱頭雙邊外露率和柱頭活力系數(shù)的直接通徑系數(shù)偏低,而與粒型的直接通徑系數(shù)較高,粒型通過影響柱頭外露率、柱頭活力以及開花集中度等的間接通徑系數(shù),從而影響制種異交結(jié)實率,該結(jié)果可能與供試材料及觀察季節(jié)等因素有關(guān)。

雜交稻制種產(chǎn)量主要受不育系異交特性影響,育種上可通過遺傳改良來改善不育系的異交特性,提高制種產(chǎn)量,降低種子成本,以推動雜交稻大面積推廣應(yīng)用[21]。雜交稻制種產(chǎn)量還與開花授粉時的風(fēng)向、晝夜溫差、空氣濕度等外界環(huán)境有關(guān),生產(chǎn)上可通過優(yōu)化制種大田管理技術(shù),如合理調(diào)整父母本行比、酌情增施磷酸二氫鉀等葉面肥、適時噴施“九二〇”(赤霉素)等以提高不育系柱頭活力與開花習(xí)性,從而提高雜交稻制種產(chǎn)量[22]。此外,掌握父母本花時動態(tài),科學(xué)及時進行人工授粉也有利于提高制種異交結(jié)實率[23]。