周秀生

(福建省建瓯市水源乡农技站,福建 南平 352124)

2020年我国稻谷总产量高达2.119亿t,水稻播种面积达0.3亿hm2,其中杂交稻种植总面积达1 050.73万hm2[1]。杂交水稻新品种选育及其良种繁育与水稻优异雄性不育系的种质创新密切相关[2]。制种产量是大面积推广杂交水稻的关键因素[3],产量高低取决于水稻雄性不育系的异交特性[4]。水稻雄性不育系的异交特性与植株形态、开花习性和柱头特性等性状密切相关,这些性状直接影响母本对父本花粉的接受程度[5],其中不育系异交结实率和柱头活力对制种产量影响较大[6-7]。水稻雄性不育系的异交特性主要受亲本基因型控制,还与大田管理、气候条件等因素密切相关[8-9]。因此,本研究以8个水稻雄性不育系为试材,比较其主要异交性状,并进行相关与通径分析,以期为水稻雄性不育系的选育及杂交水稻的制种提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料包括榕21S、恒丰A、泰丰A、RGD-7S、1892S、广8A、广占63S、272S等8个两系或三系雄性不育系,以福恢366为父本进行人工授粉和赶粉制种。以上材料均由福建农林大学农学院提供。

1.2 田间设计

试验于2020年4月至10月在福建省建瓯市水源乡大户自然村制种田进行。该区属亚热带湿润性气候,昼夜温差大,年均气温18 ℃,年均降水量1 800 mm,年均日照时数1 667 h。试验地平整、肥沃,排灌方便。采用水稻制种方式进行田间试验,父本福恢366分4期播种(4月25日首次播种,之后每期间隔7 d),行距为23 cm×23 cm,种植于母本两侧,秧龄25 d。不育系分2期播种(5月20日和5月30日),插植规格为每行7株,共5行,行距为21 cm×21 cm,秧龄25 d。田间管理与一般制种大田一致。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 柱头外露率 抽穗后5 d,各不育系随机选取5个颖花完全开放的单穗,调查每个单穗的总颖花数及柱头外露情况,并计算柱头单边外露率、双边外露率和总外露率[10]。在开花高峰期,各不育系随机选取3个单穗,每个单穗取5朵开放颖花,观察颖花开颖角度。水稻柱头面积和体积的计算参考文献[11]。

1.3.2 柱头活力 各不育系在盛花期随机选取2个单株,选择21个颖花已开放1/3左右的单穗。采用CO2充气法促进开花,剪除已经开过的颖花和未开放的幼嫩颖花,留下具有柱头单边或双边外露的颖花,分别进行套袋,每个套袋3穗,共计7个套袋。套袋后1～7 d,每天随机人工饱和授粉1个套袋,并挂牌标识。完成授粉后20 d考察各不育系异交结实率,并评价柱头活力。异交结实率/%=(单穗结实粒数/单穗总粒数)×100;柱头活力系数为颖花开花后第2～4天的异交结实率总和与开花当天异交结实率的比值[11]。

1.3.3 花时动态 各不育系在盛花期随机选择1个单株,并选取单株上的3个单穗,挂牌标记。次日上午8:30～13:30,每30 min记录1次开放颖花数量,共计10次,取3穗平均值计算花时动态。选取8:30开放的5朵颖花统计颖花开放持续时长,取平均值。开花集中率为上午9:00～10:30的颖花开花数量与当天颖花总开花数量的比值。

1.3.4 其他农艺性状 在种子成熟期,分别调查不育系株高、主穗长,并测量种子粒长、粒宽、长宽比、千粒重等农艺性状。

1.3.5 制种异交结实率 授粉结束后20 d,各不育系分别选取10个单穗,考察制种异交结实率。

1.4 统计与分析

采用DPS数据处理软件[12],以制种异交结实率为因变量,柱头总外露率、柱头长宽比、柱头面积、柱头体积、柱头活力系数、开颖角度、开颖时长和开花集中度等17个性状为自变量,通过逐步回归方法分析性状间的相关性,并对影响制种异交结实率的性状进行通径分析。

2 结果与分析

2.1 不育系的颖花特性

2.1.1 柱头特性 8个不育系柱头特性见表1。由表1可知,不育系柱头总外露率变幅为52.85%～82.26%,依次为:泰丰A>1892S>广8A>恒丰A>272S>RGD-7S>广占63S>榕21S。1892S的柱头双边外露率最高,达29.31%,恒丰A次之,广占63S最低,仅20.81%。8个不育系的柱头面积依次为:RGD-7S>广占63S>泰丰A>1892S>广8A>榕21S>恒丰A>272S,柱头体积依次为:广占63S>泰丰A >RGD-7S>1892S>广8A>榕21S>恒丰A>272S。其中,RGD-7S的柱头较大,柱头长和宽分别为1.51 mm和0.41 mm,面积和体积分别达0.619 mm2和0.266 mm3;而272S的柱头最小,柱头面积和体积分别为0.375 mm2和0.110 mm3。8个不育系的开颖角度均超过20°,开颖持续时长均超过2 h。其中,广8A开颖角度最大,达34.2°,榕21S最小,为20.3°。泰丰A开颖时长最长,达3.3 h,其次为广8A(3.1 h),广占63S的开颖时长最短,仅2.1 h。

表1 8个水稻雄性不育系的主要性状及其制种异交结实率Table 1 Main traits and outcrossed seed-setting rate of 8 male sterile lines of rice

2.1.2 花时动态 各不育系的开花集中度为43.3%～68.0%,其中泰丰A集中度最高,其次为1892S和RGD-7S(表1)。由图1可知,泰丰A、1892S和RGD-7S 的开花高峰期均在上午10:00～10:30,花时早,宜在10:30前完成制种赶粉,以提高授粉效率。8个不育系的颖花开放数量均随时间延长呈先升高后降低的趋势。其中,广占63S和272S的当日颖花开放总数最多,榕21S最少。广8A、广占63S和榕21S的开花高峰主要集中在上午的9:30至11:00之间,在13:00～13:30间仍有少量颖花开放,说明该3个不育系开花分散。由上可见,在制种中应根据花时情况酌情增加授粉次数。

图1 8个水稻雄性不育系的日花时动态Figure 1 Daily flowering dynamics of 8 male sterile lines of rice

2.1.3 柱头活力系数 8个不育系的柱头活力系数见表2。随着抽穗开花时间的延长,各不育系的异交结实率均呈下降趋势,说明其柱头活力逐渐减弱。8个不育系的柱头活力系数具有明显差异,变幅为1.670～2.905,依次为:1892S>泰丰A>RGD-7S>恒丰A>榕21S>广8A>广占63S>272S。其中,榕21S、泰丰A、RGD-7S、1892S和广8A等5个不育系在第7天授粉时仍有结实,说明该5个不育系具有较好的柱头活力;恒丰A、广占63S、272S等3个不育系在第7天授粉时异交结实率为0,柱头活力完全丧失。从表2还可看出,第7天授粉时,泰丰A 和1892S的异交结实率均≥10%,榕21S和RGD-7S的异交结实率分别为5.13%和3.75%;恒丰A异交结实率在第4次授粉后出现骤降,RGD-7S、广8A和广占63S在第6次授粉后均出现骤降,其他不育系异交结实率则呈稳定下降趋势。

表2 8个水稻雄性不育系柱头活力系数比较Table 2 Stigma vitality coefficient of 8 male sterile lines of rice

2.2 不育系制种异交结实率

不育系的制种异交结实率是决定组合制种产量高低的关键因素。因自身的异交特性不同,8个不育系的制种异交结实率存在明显差异(表1)。由表1可知,8个不育系的制种异交结实率变幅为43.12%～67.03%,其中泰丰A的制种异交结实率最高,1892S(58.01%)次之,广占63S最低。

2.3 不育系其他农艺性状

由表1可知,RGD-7S、272S的平均株高最高,分别为76.8和74.3 cm,而榕21S株高最矮,仅59.8 cm。1892S、广8A、广占63S的主穗长无明显差异,变幅为26.4～26.9 cm,RGD-7S的主穗长最短,仅19.6 cm。在籽粒性状上,8个不育系千粒重变幅较大,其中RGD-7S的千粒重最大,为28.6 g,泰丰A最小。在粒型性状上,泰丰A的粒长最长,达10.5 mm,广8A最短,仅8.2 mm。恒丰A的粒宽最大,为2.7 mm;泰丰A的粒宽最小,为2.2 mm,属于细长型的水稻雄性不育系。

2.4 不育系各性状与制种异交结实率的相关性分析

8个水稻雄性不育系各性状相关性分析见表3。由表3可知,考察的17个性状中有13个性状与制种异交结实率呈正相关,仅主穗长、粒宽、柱头长宽比及开颖角度与制种异交结实率呈负相关。其中,柱头双边外露率、柱头总外露率、柱头活力系数、开颖角度及开花集中度与制种异交结实率呈显著或极显著相关,开花集中度的相关系数最大,为0.96。开颖角度与制种异交结实率呈显著负相关,说明开颖角度越大,制种异交结实率越低,这可能是开颖角度增大更易导致种子裂颖,使得制种异交结实率下降。此外,各异交性状之间也存在一定的相关,这些性状共同影响了不育系制种异交结实率。其中,柱头双边外露率、柱头总外露率、柱头活力及开花集中度等是提高制种异交结实率的关键性状,在不育系性状的选择上应加以关注。

表3 8个水稻雄性不育系各性状与制种异交结实率的相关性1)Table 3 Correlation analysis of main traits and outcrossed seed-setting rate of 8 male sterile lines of rice

2.5 不育系制种异交结实率的回归方程及通径分析

进一步以上述17个性状为自变量(X),以制种异交结实率为因变量(Y)进行回归分析,决定系数R2为1.000 00,剩余通径系数为0.000 82,表明不育系的17个性状基本包含了制种异交结实率的变异表型。经逐步回归分析,剔除不显著的变量,得到最优回归方程: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,开花集中度与制种异交结实率的直接通径系数最大,达0.587 3,说明不育系花时早、集中,有利于父母本的花时相遇,是提高制种异交结实率的关键因素。此外,制种异交结实率与粒长和粒宽的直接通径系数分别为0.369 2和0.147 2;与柱头双边外露和柱头总外露率也存在密切相关,直接通径系数分别为0.074 1和0.200 9,表明柱头总外露率是决定不育系制种异交结实率的关键性状。从表4还可以看出,柱头活力的直接通径系数为0.094 4,说明该性状在一定程度上也会对制种异交结实率造成影响。因此,在水稻不育系选育上,应关注不育系的粒型、柱头外露率、柱头活力以及开花集中度等,这些性状共同影响不育系的制种异交结实率。

表4 各性状与制种异交结实率的通径系数1)Table 4 Path coefficient between main traits and outcrossed seed-setting rate

3 讨论

杂交水稻通常根据父母本品种生育特性进行错期播种,确保父母本花期相遇,以提高制种产量[13]。制种产量还取决于不育系的异交特性,而不育系异交性状是一个复杂的农艺性状,涉及了诸多性状因素,且部分性状受主基因+多基因控制[14]。林强等[15]认为,不育系的有效授粉时间通常取决于柱头活力大小和柱头外露率高低。吴健等[16]、张克勤[17]研究表明,不育系开花当天的异交结实籽粒数占总异交结实籽粒数的60%以上。舒志芬[18]则认为柱头长度也显著影响制种的异交结实率。赵锦龙等[19]研究发现,开颖角度和开花集中度是决定粳稻不育系制种异交结实率高低的关键性状。谢留杰等[20]研究认为,开颖持续时间对异交结实率有显著影响。陈惠清等[5]认为,不育系的花时集中、午前花率高,其制种异交结实率也较高。本研究表明,粒型、柱头外露率、柱头活力及开花集中度是决定制种异交结实率的主要性状,且以柱头总外露率和开花集中度为主,该结论与前人的研究结果相近。本研究中,柱头双边外露率和柱头活力系数的直接通径系数偏低,而与粒型的直接通径系数较高,粒型通过影响柱头外露率、柱头活力以及开花集中度等的间接通径系数,从而影响制种异交结实率,该结果可能与供试材料及观察季节等因素有关。

杂交稻制种产量主要受不育系异交特性影响,育种上可通过遗传改良来改善不育系的异交特性,提高制种产量,降低种子成本,以推动杂交稻大面积推广应用[21]。杂交稻制种产量还与开花授粉时的风向、昼夜温差、空气湿度等外界环境有关,生产上可通过优化制种大田管理技术,如合理调整父母本行比、酌情增施磷酸二氢钾等叶面肥、适时喷施“九二〇”(赤霉素)等以提高不育系柱头活力与开花习性,从而提高杂交稻制种产量[22]。此外,掌握父母本花时动态,科学及时进行人工授粉也有利于提高制种异交结实率[23]。