谷子是北方旱作农业区重要的制米作物,由于高产、优质又适合加工的品种有限,需要不断创制出新材料以满足育种工作和市场需求。谷子因其花器小、开花不一致等特点,杂交育种研究进展比较缓慢。我国谷子杂交育种有三系法、两系法。智慧等[1]利用野生青狗尾草N10（雌）与农家品种大青秸（雄）杂交获得了谷子质核互作雄性不育材料,该不育系材料的获得为实现谷子三系配套杂交育种奠定了基础。赵治海等[2]经过多年研究,培育出了温光敏两系杂交谷张杂1号及一系列张杂谷。但温光敏不育系[3,4]和显性核不育系育种在生产实践上应用还比较窄[4]。目前我国谷子去雄的主要方法是水浸人工去雄法、温汤去雄法[5]、太阳能杀雄法[6]等,但存在假杂种率高、杂交效率低且育性转换受外界因素影响较大不能人为控制等问题,而化学杀雄以其特有的优点为谷子育种提供了一种新的途径。Moore[7]和Naylor[8]分别报道了马来酰胼（MH）能诱导玉米产生雄性不育株;刘宏伟等[9]研发出了小麦化学杀雄剂SQ-1;官春云等[10,11]筛选出很多高效低毒的油菜化学杀雄剂。除此之外,化学杀雄剂在其他作物如糜子[12,13]、水稻[14,15]等作物上的应用也有报道。史关燕等[16]探讨了水稻杀雄剂Ⅱ对谷子3个品种的杀雄效果。本试验利用5种不同的化学试剂诱导谷子雄性不育,旨在筛选适宜的谷子化学杀雄剂,简化杀雄程序,提高育种效率,形成一套有效的谷子化学杀雄技术,应用于科研与生产。
1 材料和方法
1.1 试验材料
2017年供试谷子品种为大同34号和大同27号,均为当地主栽品种。试验选用5种试剂,试剂及其施用浓度见表1。2018年试验主要对上一年初步筛选出的化学杀雄剂草甘膦铵盐,进行适宜施用浓度的确定,供试谷子品种为大同34号、大同27号和大白谷。
表1 化学试剂及施用浓度
Table 1
| 化学杀雄剂 Chemical male killing agent | 施用浓度(mg/L) Working concentration | ||
|---|---|---|---|
| 草甘膦铵盐(75.7%) Glyphosate ammonium salt | 2.5 | 5.0 | 10.0 |
| 乙烯利(40%) Ethrel | 2 500 | 5 000 | 10 000 |
| 单嘧磺隆(10%) Monosulfuron | 0.25 | 0.50 | 1.00 |
| 咪唑乙烟酸(5%) Imidazolinic acid | 2.5 | 5.0 | 10.0 |
| 赤霉素(90%) Gibberellin | 100 | 200 | 400 |
1.2 试验方法
本试验于2017-2018年分两部分在山西省大同市高寒区作物研究所毛皂试验基地进行。采用完全随机区组设计,3次重复。2017年化学杀雄剂筛选试验中,5种不同试剂以推荐剂量作为基准质量浓度配制原始母液,使用前每种试剂按原始母液的0.5、1.0和2.0倍分别配制3个施用浓度。2018年草甘膦铵盐适宜施用浓度筛选试验中,供试谷子品种3个,草甘膦铵盐设5个浓度,分别为2.50、3.75、5.00、7.50、10.00mg/L,共15个处理。两部分试验喷施时期均为抽穗始期,用小型喷雾器喷施,均匀喷湿花序,单穗施用量为9~10mL,不喷施试剂作为对照（CK）。在抽穗后开花前,每个处理标记长势整齐一致的30穗。对其中10个穗子喷施并套袋自交,另外10穗喷施并套袋饱和授粉,另外10个穗不喷施套袋自交作为CK,每个处理3次重复。成熟期收获,进行室内数据调查。根据公式计算每处理的相对不育率和相对结实率。
相对不育率=（1-B/K）×100%
相对结实率=1-相对不育率
B为处理套袋穗平均结实粒数,K为CK套袋穗平均结实粒数。
2 结果及分析
2.1 不同化学试剂处理对谷子植株自交相对不育率的影响
由表2可知,对大同27号而言,喷施浓度为400mg/L的赤霉素和10.0mg/L的咪唑乙烟酸,植株自交相对不育率较高,分别为99.90%和99.46%,极显著高于其他试剂处理,其次为喷施10.0mg/L的草甘膦铵盐,自交相对不育率可达93.04%。大同27号在除赤霉素、咪唑乙烟酸以外的3种试剂喷施处理,自交相对不育率均随喷施浓度增加而提高,且表现为差异极显著。喷施0.25mg/L单嘧磺隆植株自交相对不育率最低,为25.52%。对大同34号而言,喷施浓度为10.0mg/L的咪唑乙烟酸和浓度为10.0mg/L的草甘膦铵盐,植株自交相对不育率较高,均可达到98%以上,极显著高于其他试剂处理,其次为喷施浓度5.0mg/L的咪唑乙烟酸,植株自交相对不育率为77.82%。喷施浓度为2.5mg/L的草甘膦铵盐植株自交相对不育率最低,为24.91%。
表2 不同化学试剂处理对大同27号和大同34号自交相对不育率的影响
Table 2
| 处理 Treatment | 试剂 Reagent | 浓度(mg/L) Concentration | 大同27号Datong 27 | 大同34号Datong 34 | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | 均值Mean value | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | 均值Mean value | ||||
| 1 | 草甘膦铵盐 | 2.5 | 41.47 | 44.06 | 41.36 | 42.30Gg | 25.14 | 25.86 | 23.73 | 24.91Hi | |
| 2 | Glyphosate ammonium salt | 5.0 | 69.89 | 69.02 | 71.11 | 70.01Dd | 70.38 | 71.10 | 69.80 | 70.43CDcd | |
| 3 | 10.0 | 93.30 | 93.46 | 92.37 | 93.04Bb | 98.50 | 98.14 | 98.50 | 98.38Aa | ||
| 4 | 乙烯利Ethrel | 2 500 | 44.03 | 44.09 | 46.78 | 44.97Ff | 44.18 | 33.31 | 39.54 | 39.01FG | |
| 5 | 5 000 | 69.90 | 70.84 | 68.48 | 69.74Dd | 30.52 | 29.65 | 21.85 | 27.34Hi | ||
| 6 | 10 000 | 84.16 | 83.83 | 84.48 | 84.16Cc | 69.84 | 68.14 | 62.03 | 66.67Dd | ||
| 7 | 单嘧磺隆Monosulfuron | 0.25 | 24.86 | 24.18 | 27.51 | 25.52Ii | 42.03 | 42.37 | 46.93 | 43.78Ff | |
| 8 | 0.50 | 38.62 | 38.62 | 37.93 | 38.39Hh | 32.69 | 33.49 | 32.71 | 32.96Gh | ||
| 9 | 1.00 | 59.35 | 58.39 | 60.00 | 59.25Ee | 74.36 | 73.27 | 74.52 | 74.05BCbc | ||
| 10 | 咪唑乙烟酸 | 2.5 | 83.76 | 84.57 | 83.71 | 84.01Cc | 76.58 | 74.63 | 74.66 | 75.29BCb | |
| 11 | Imidazolinic acid | 5.0 | 84.01 | 84.22 | 83.76 | 83.99Cc | 77.54 | 77.74 | 78.19 | 77.82Bb | |
| 12 | 10.0 | 99.56 | 99.45 | 99.37 | 99.46Aa | 99.91 | 99.81 | 99.66 | 99.80Aa | ||
| 13 | 赤霉素Gibberellin | 100 | 68.65 | 69.54 | 68.85 | 69.01Dd | 68.07 | 68.19 | 67.92 | 68.06Dd | |
| 14 | 200 | 43.51 | 41.75 | 43.65 | 42.97FGg | 52.92 | 53.91 | 55.90 | 54.24Ee | ||
| 15 | 400 | 99.93 | 99.91 | 99.87 | 99.90Aa | 67.20 | 68.01 | 67.18 | 67.46Dd | ||
Note: Different lowercase and uppercase letters indicate significant and extremely significant levels of 0.05 and 0.01, respectively. The same below
注：不同小写和大写字母分别表示达到0.05和0.01的显著或极显著水平。下同
2.2 不同化学试剂处理对谷子植株饱和授粉相对结实率的影响
由表3结果可以看出,用5种不同化学试剂喷施大同27号谷子以后,浓度为2.5mg/L的草甘膦铵盐处理饱和授粉相对结实率最高,达到97.81%,最低为10.0mg/L咪唑乙烟酸处理,饱和授粉相对结实率为0.58%。用5种不同化学试剂处理大同34号谷子以后,浓度为2.5mg/L的草甘膦铵盐处理饱和授粉相对结实率最高,达到75.97%,其次为浓度5 000mg/L的乙烯利处理,最低为10.0mg/L咪唑乙烟酸处理,饱和授粉相对结实率为0.21%。
表3 不同化学试剂对大同27号和大同34号饱和授粉相对结实率的影响
Table 3
| 处理 Treatment | 试剂 Reagent | 浓度 Concentration (mg/L) | 大同27号Datong 27 | 大同34号Datong 34 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 饱和授粉相对不育率 Relative sterility rate after saturated pollination | 饱和授粉相对结实率 Relative seed setting rate after saturated pollination | 饱和授粉相对不育率 Relative sterility rate after saturated pollination | 饱和授粉相对结实率 Relative seed setting rate after saturated pollination | ||||||||||
| Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | 均值 Mean value | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | 均值 Mean value | ||||||
| 1 | 草甘膦铵盐 | 2.5 | 1.17 | 4.76 | 0.63 | 2.19 | 97.81 | 23.70 | 24.83 | 23.56 | 24.03 | 75.97 | |
| 2 | Glyphosate | 5.0 | 35.71 | 34.47 | 37.02 | 35.73 | 64.27 | 60.84 | 60.99 | 61.88 | 61.24 | 38.76 | |
| 3 | ammonium salt | 10.0 | 93.14 | 93.27 | 92.11 | 92.84 | 7.16 | 90.64 | 89.86 | 91.14 | 90.54 | 9.46 | |
| 4 | 乙烯利Ethrel | 2 500 | 46.93 | 43.63 | 44.97 | 45.18 | 54.82 | 44.04 | 33.22 | 37.35 | 38.20 | 61.80 | |
| 5 | 5 000 | 53.61 | 55.85 | 52.88 | 54.11 | 45.89 | 30.05 | 27.77 | 22.33 | 26.72 | 73.28 | ||
| 6 | 10 000 | 85.64 | 82.79 | 84.46 | 84.30 | 15.70 | 69.61 | 67.90 | 65.64 | 67.72 | 32.28 | ||
| 7 | 单嘧磺隆 | 0.25 | 17.37 | 17.16 | 25.31 | 19.94 | 80.06 | 41.11 | 41.93 | 45.37 | 42.80 | 57.20 | |
| 8 | Monosulfuron | 0.50 | 29.30 | 27.37 | 29.70 | 28.79 | 71.21 | 29.60 | 32.68 | 30.45 | 30.91 | 69.09 | |
| 9 | 1.00 | 58.50 | 55.32 | 60.12 | 57.98 | 42.02 | 67.38 | 65.19 | 67.56 | 66.71 | 33.29 | ||
| 10 | 咪唑乙烟酸 | 2.5 | 83.54 | 84.16 | 83.31 | 83.67 | 16.33 | 75.71 | 74.23 | 74.32 | 74.75 | 25.25 | |
| 11 | Imidazolinic acid | 5.0 | 83.72 | 84.07 | 83.47 | 83.75 | 16.25 | 77.43 | 77.57 | 78.15 | 77.71 | 22.29 | |
| 12 | 10.0 | 99.50 | 99.48 | 99.28 | 99.42 | 0.58 | 99.90 | 99.85 | 99.62 | 99.79 | 0.21 | ||
| 13 | 赤霉素 | 100 | 70.32 | 69.48 | 67.17 | 68.99 | 31.01 | 57.22 | 57.93 | 56.92 | 57.36 | 42.64 | |
| 14 | Gibberellin | 200 | 38.11 | 36.63 | 38.39 | 37.71 | 62.29 | 53.38 | 53.73 | 54.79 | 53.97 | 46.03 | |
| 15 | 400 | 98.02 | 97.83 | 97.91 | 97.92 | 2.08 | 63.96 | 66.85 | 68.26 | 66.36 | 33.64 | ||
1-15 treatments are same as table 2, the same below
1~15处理同
2.3 不同化学试剂作为谷子化学杀雄剂的适用性分析
一种理想的杀雄剂,在诱导高的相对雄性不育率的同时,杀雄后人工饱和授粉相对结实率较杀雄后自交相对结实率提高越多越好,这说明其雌蕊正常,没有受到影响。反之,排除机械与人为损伤,在正常雌蕊授粉期,花粉正常,杀雄后饱和授粉相对结实率较杀雄后自交相对结实率提高少,则说明杀雄剂对雌蕊的发育产生了影响。为了进一步比较哪种试剂在杀死雄蕊的同时对雌蕊伤害较小,我们进行了进一步分析。从图1可知,与套袋自交相对结实率相比,大同27号饱和授粉后相对结实率提高最多的是处理1,即2.5mg/L的草甘膦铵盐处理,饱和授粉后相对结实率提高了40.11%;其次是处理2,即5.0mg/L的草甘膦铵盐处理,饱和授粉后相对结实率提高了34.28%;此外5 000mg/L的乙烯利处理饱和授粉后相对结实率提高了15.63%。而套袋自交相对不育率最高的10.0mg/L的咪唑乙烟酸和400mg/L的赤霉素处理,饱和授粉后相对结实率只提高了0.04%和1.98%。
图1
图1
不同处理对大同27号套袋自交和饱和授粉相对结实率的影响
Fig.1
Effects of different treatments on self-cross in bagging and saturated pollination relative seed setting rate of Datong 27
由图2可知,与套袋自交相比,大同34号饱和授粉后相对结实率提高最多的是处理13,即100mg/L的赤霉素处理,饱和授粉后相对结实率提高了10.7%;其次是处理2,即5.0mg/L的草甘膦铵盐处理,饱和授粉后相对结实率提高了9.19%;此外处理3即10.0mg/L的草甘膦铵盐处理,饱和授粉后相对结实率提高了7.84%。而自交相对不育率最高的10.0mg/L的咪唑乙烟酸处理,饱和授粉后相对结实率只提高了0.01%,可见该处理雌蕊受到严重损伤。
图2
图2
不同处理对大同34号套袋自交和饱和授粉相对结实率的影响
Fig.2
Effects of different treatments on self-cross in bagging and saturated pollination relative seed setting rate of Datong 34
根据不同浓度的5种化学试剂处理大同27号和大同34号谷子的结果,虽然在谷子雌雄蕊原基分化期,用10.0mg/L的咪唑乙烟酸试剂喷施植株穗部,可达到99%以上的自交相对不育率,但杀雄后通过饱和授粉提高相对结实率很少,两品种平均提高0.025%,说明在杀死雄蕊的同时,雌蕊也受到损伤。而5.0mg/L的草甘膦铵盐处理大同27号和大同34号谷子,自交相对不育率分别为70.01%和70.43%,经饱和授粉后大同27号谷子相对结实率提高了34.28%,大同34号谷子相对结实率提高了9.19%,可见浓度为5.0mg/L的草甘膦铵盐可以作为谷子的化学杀雄剂进行重点研究。
2.4 不同浓度的草甘膦铵盐对谷子雄性不育诱导效果的影响
从表4中可看出,随着草甘膦铵盐浓度的增高,谷子品种的自交相对不育率整体也提高,最高可达到81.09%,杀雄处理后再饱和授粉,大部分植株的相对结实率有不同程度提高。综合考虑试剂处理后植株自交相对不育率与饱和授粉相对结实率提高的情况,草甘膦铵盐诱导大同27号谷子雄性不育最佳喷施浓度为3.75mg/L,自交相对不育率为31.27%,饱和授粉后相对结实率提高了6.60%;其次为喷施浓度5.00mg/L,自交相对不育率为28.15%,饱和授粉后相对结实率提高了2.73%。诱导大同34号谷子雄性不育草甘膦铵盐最佳喷施浓度为5.00mg/L,自交相对不育率为48.05%,饱和授粉相对结实率提高了6.11%;其次为喷施浓度3.75mg/L处理,自交相对不育率为22.65%,饱和授粉相对结实率提高了2.67%。诱导大白谷雄性不育草甘膦铵盐最佳喷施浓度为10.00mg/L,自交相对不育率为81.09%,饱和授粉相对结实率提高了7.38%。诱导不同品种雄性不育,草甘膦铵盐的最佳喷施浓度也有所不同,大同27号与大同34号谷子草甘膦铵盐喷施浓度在3.75~5.00mg/L效果最好,而对于大白谷浓度为10.00mg/L的草甘膦铵盐喷施效果最理想。
表4 草甘膦铵盐不同喷施浓度对不同谷子品种相对不育率的影响
Table 4
| 品种 Variety | 浓度(mg/L) Concentration | 自交相对不育率 Relative self-cross sterility rate | 饱和授粉后相对不育率 Relative sterility rate after saturated pollination | 饱和授粉后提高结实率 Increasing seed setting rate after saturated pollination |
|---|---|---|---|---|
| 大同27号Datong 27 | 2.50 | 21.80bA | 21.71bA | 0.08 |
| 3.75 | 31.27bA | 24.68bA | 6.60 | |
| 5.00 | 28.15bA | 25.42bA | 2.73 | |
| 7.50 | 44.81abA | 45.00abA | -0.19 | |
| 10.00 | 70.92aA | 70.89aA | 0.03 | |
| 大同34号Datong 34 | 2.50 | 8.01cC | 6.95bB | 1.06 |
| 3.75 | 22.65bcB | 19.98bAB | 2.67 | |
| 5.00 | 48.05abAB | 41.95abA | 6.11 | |
| 7.50 | 63.78aA | 63.65aA | 0.14 | |
| 10.00 | 68.18aA | 69.93aA | -1.75 | |
| 大白谷Dabaigu | 2.50 | 20.80cB | 20.51cC | 0.28 |
| 3.75 | 31.27cB | 25.68cC | 5.60 | |
| 5.00 | 41.04bcB | 38.30bcBC | 2.73 | |
| 7.50 | 57.70abAB | 57.89abAB | -0.19 | |
| 10.00 | 81.09aA | 73.71aA | 7.38 |
3 结论与讨论
利用化学杀雄剂对谷子进行化学杀雄处理,相比太阳能杀雄等方法,受外界环境影响小,操作简单,能更好促进谷子杂交育种。目前对谷子化学杀雄的研究主要是利用水稻、小麦等[7,8]作物的杀雄剂对谷子进行杀雄效果研究,生产上仍缺乏专用的谷子杀雄剂。本试验通过不同浓度的5种化学试剂对大同27号和大同34号谷子进行处理,筛选出草甘膦铵盐可以作为谷子化学杀雄剂,并且初步筛选出不同品种谷子草甘膦铵盐最佳施用浓度,为谷子化学杀雄提供理论基础和技术支持。2017和2018两年的试验结果表明,用咪唑乙烟酸处理植株穗部,自交相对不育率可达到99%以上,但饱和授粉相对结实率比套袋自交相对结实率仅提高了0.025%,说明在杀死雄蕊的同时,雌蕊也受到了伤害。同时乙烯利、赤霉素和单嘧磺隆处理植株穗部,饱和授粉相对结实率比套袋自交相对结实率提高较少,因此作为谷子化学杀雄剂均不太理想。谷子化学杀雄效果较好的是草甘膦铵盐,且对不同的谷子品种都有效果,但不同谷子品种的最适施用浓度有所不同。大同27号与大同34号谷子草甘膦铵盐喷施浓度在3.75~5.00mg/L效果最好,而大白谷是浓度为10.00mg/L的草甘膦铵盐喷施效果最理想。草甘膦铵盐最适浓度相关研究数据为2018年试验所得,与2017年相比,喷施各浓度的草甘膦铵盐后谷子植株自交相对不育率有所降低,饱和授粉相对结实率比套袋自交相对结实率提高较少,这可能是由于在试剂喷施期多雨,化学试剂被雨水冲刷,导致杀雄效果不好,且饱和授粉后结实也受影响。
由于不同谷子品种基因型不同,草甘膦铵盐对其杀雄效果表现有差异,谷子品种资源丰富,种质材料多样,因此还有待扩大供试品种,进行不同谷子品种对杀雄剂敏感程度的研究,筛选适用不同品种的更适杀雄剂剂量与喷施时期,同时要注意天气对化学杀雄效果的影响。
参考文献
谷子光(温)敏不育系821选育及其不育性与光、温关系的研究
利用谷子光敏不育源292为父本，与不同生态类型的优良品种进行有性杂交，经多代选择，从杂交组合坝谷239×292中，选育出光（温）敏不育系821。研究表明：（1）长日照诱导不育，短日照诱导可育，幼穗生长锥伸长至雌雄蕊分化期为光诱导育性转换敏感期。（2）温度对育性的有效作用时期在四分体时期，短日照下温度作用显著，长日照下温度作用不显著。（3）不育性由一对隐性核基因控制。（4）在张家口为代表的春谷区，长日照15h条件下分期播种821，没有可育期；在河北省南部自然光温环境下，早播为不育期，晚播为可育期。
谷子光敏雄性不育系选育及应用研究
以谷子光敏雄性不育材料“6 83”为不育源 ,选育出 4个新光敏不育系SMPA1～SMPA4 ,与“6 83”相比 ,其农艺性状有明显改善 ,且SMPA2、SMPA3的抽穗期接近本生态区品种类型 ,便于利用 ;光敏不育特性的遗传特点待进一步研究。通过测配 ,筛选出铁谷 1号、98 391等一批光敏不育恢复系 ,以及以SMPA1～SMPA4为不育系初步选出了SMPA1× 98 391等 3个强优组合。
Observations on the effects of maleic hydrazide on the flowering of tobacco,maize and cocklebur
“杀雄剂一号”诱导油菜雄性不育的效果及其原理的研究
利用化学杀雄剂诱导农作物雄性不育，并用来配制杂种，是利用杂种优势的一项新技术，近二十多年来引起了世界各国的广泛重视。特别在水稻、小麦、玉米、棉花、蔬菜等作物上研究较多<sup>[1,2,4]</sup>。但化学杀雄剂诱导油菜雄性不育的问题，则还没有报道。为此于1977-1980年进行了一些初步研究。我们先后共试验了杀雄剂1号、乙烯利、氨基磺酸、甲基砷酸铁胺等11种药物，结果杀雄剂1号对油菜杀雄效果最好<sup>[3]</sup>。为了指导杀雄技术和为寻找新的杀雄剂提供依据，现将有关杀雄剂1号诱导油菜雄性不育的效果及其机理研究结果报道如下。
化学杂交剂SQ-1诱导糜子雄性不育效果研究
DOI:10.3724/SP.J.1006.2008.00106
Magsci
[本文引用: 1]
<P>采用裂区试验设计, 以喷药时期为主区, 喷药剂量为副区, 探讨了用SQ-1诱导产生的雄性不育率、杂交率及自然授粉结实率3项指标评价应用效果。结果表明, 喷药时期、喷药剂量及时期与剂量一级互作显著或极显著影响不育率和杂交率。在雌雄蕊原基分化期, 喷药剂量为4.0和5.0 kg hm<SUP>-2</SUP>时诱导雄性不育率、杂交率都在95％以上; 花粉粒分化形成初期, 喷药剂量为5.0 kg hm<SUP>-2</SUP>时诱导雄性不育率和杂交率都在95％以上。喷药时期对自然授粉结实率影响不显著, 剂量及时期与剂量一级互作影响显著, 自然授粉结实率随着剂量的增加呈降低趋势。SQ-1用于糜子的最佳时期为雌雄蕊原基分化期, 最适剂量4.0 kg hm<SUP>-2</SUP>。</P>
化学杀雄剂Ⅲ号诱导水稻雄性不育过程中幼穗、颖花、花药中核酸和蛋白质代谢研究
在幼穗发育的雌、雄蕊形成期,用化学杀雄剂Ⅲ号(30mg/m2)处理水稻后,研究其幼穗、颖花,花药中蛋白质和核酸的代谢特点.在处理后第5天的幼穗中,核酸和蛋白质含量明显低于对照,而相应水解酶活性明显高于对照.随幼穗发育,这种特点越来越显著,至处理后第15天,花药中核酸总量、DNA、RNA含量和蛋白质含量比对照低40%以上,而相应水解
