杂种优势的利用是提高作物产量和品质的主要途径,在玉米、大豆、水稻、油菜等作物上已经被广泛应用[1,2,3,4]。我国杂交小麦研究从20世纪50年代开始至今约有70年历史,取得了许多重要研究成果,但杂交小麦在大面积推广应用方面还面临巨大困难[5,6]。杂交小麦的研究主要有“三系法”、“两系法”和“化学杀雄法”。在以“三系法”为主的细胞质雄性不育系应用方面,T型雄性不育系恢复源少,K和V型雄性不育系及其测交后代容易产生单倍体,恢复源少,恢复性复杂,杂种优势不明显[7,8];化学杀雄法受到化学杀雄剂生产、花药敏感性及强优势杂交组合较少等因素制约[9,10],难以大面积应用。光温敏两系法（BNS型和BS型）不育系的稳定性受到光照和温度影响,在年度间变化较大,制种纯度难以保障。这些不利因素制约了杂交小麦的发展[11,12]。我国小麦杂种优势利用仍处于初级阶段,还需要继续研究探索。
许多学者从形态结构、细胞学、基因组学等方面对T、K、V、BNS和BS型等小麦雄性不育系进行了大量研究[13]。F型小麦雄性不育系作为运城蓝红杂交小麦研究中心创制的新型细胞质雄性不育系,具有旗叶披散、高感白粉病、含有显性矮秆基因[14]和恢复源广等特点,已从农艺性状、细胞学、遗传机制、杂种优势利用等方面对其进行了研究。利用化学杀雄剂SQ-1诱导小麦雄性不育,其持续时间长、杀雄彻底、无环境污染,且杀雄率达95%以上,已在小麦杂种优势利用中被广泛应用[15]。但关于F型不育系和SQ-1诱导的不育植株花粉粒形态方面研究较少。本试验通过对正常发育、F型不育系以及SQ-1化学杀雄诱导的不育株的花粉粒进行电镜扫描,观察花粉粒大小、形态、萌发孔形状等特征,揭示其在发育过程中的败育特性,为两者在花粉粒不育特征方面提供补充。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试小麦雄性不育系FA37-1、FA99-2和FA128-2由运城蓝红杂交小麦研究中心提供。小麦品种舜麦1718和晋麦84由山西农业大学（山西省农业科学院）棉花研究所提供。SQ-1由中国农业大学提供。小麦于2019年10月种植在山西省农业科学院棉花研究所杨包农场。
1.2 试验方法
1.2.1 花粉的采集及测量 在上午8:00-10:00,通过田间观察,选取中部有1~2朵小穗开花的麦穗,在小穗中挑选2个未开花的成熟花药（颜色为浅黄色）,解剖获得正常花粉粒。在舜麦1718和晋麦84旗叶伸长为倒二叶的1/2时,按4.0kg/hm2喷洒SQ-1。抽穗后7d左右,在上午8:00-10:00,通过田间观察,选取中部1~2个小穗开颖的麦穗,在小穗中选取2个成熟的花药,解剖获得SQ-1诱导花粉粒。用同样方法获取F型不育系的花药。选取不重复的花粉20粒,测量花粉粒的极轴长、赤道轴长、萌发孔长和宽。
1.2.2 花粉电镜扫描观察 将采集到的花粉粒分别放入FAA固定液（100mL体系：38%甲醛5mL,冰醋酸5mL,50%酒精90mL）中固定24h。用蒸馏水清洗3次,每次30min。再分别用50%、70%、80%和90%乙醇进行脱水,每次15min。之后用100%乙醇脱水4次,每次15min。将样品装在样品笼内,使用CO2临界点干燥法进行干燥。花粉粘在样品台上,用EIKO离子溅射仪在其表面进行真空喷金镀膜处理,用Hitachi S530型电镜进行扫描观察和拍照。
1.3 数据处理
利用电镜增配联机图像处理分析系统采集图像。利用Excel和SPSS 18.0软件进行数据统计分析[16],采用Duncan’s法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 花粉粒大小比较
由表1可知,正常发育、SQ-1诱导和F型不育系花粉粒大小有较大差异。其中正常发育花粉粒大小一般为（65.02±5.81）μm×（50.13±4.16）μm,SQ-1诱导的舜麦1718花粉粒大小约为（46.53±3.95）μm×（40.40±3.18）μm,而F型不育系FA99-2花粉粒大小约（56.93±5.12）μm×（47.44±3.62）μm,表现为正常花粉粒>F型不育系花粉粒>SQ-1诱导花粉粒。且三者之间极轴长差异均达到极显著水平。而赤道轴长方面,SQ-1诱导与其他二者之间达到极显著水平。说明花粉粒的大小与育性具有一定的相关性。
表1 正常发育、F型不育系及SQ-1诱导的小麦花粉粒比较
Table 1
| 类型 Type | 花粉粒大小Pollen grain size (μm) | 萌发孔大小 Germinal aperture size (μm) | 萌发孔孔盖特征 Characteristic of germinal aperture cap | |
|---|---|---|---|---|
| 极轴长 Polar axis length | 赤道轴长 Equatorial axis length | |||
| 正常发育 Normal development | 65.02±5.81aA | 50.13±4.16abA | （8.60±0.68）×（8.18±0.54） | 圆润饱满挺直,向上凸起,高于孔环 |
| 舜麦1718 Shunmai 1718 （SQ-1诱导） | 46.53±3.95cC | 40.40±3.18cB | （8.04±0.56）×（7.22±0.51） | 向下凹陷,低于孔环 |
| 晋麦84 Jinmai 84 （SQ-1诱导） | 43.81±3.55cC | 39.62±2.82cB | （7.88±0.58）×（7.05±0.61） | 周围向下凹陷,孔盖凸起,高度平行于孔环 |
| FA37-1 | 53.92±4.76bB | 49.54±3.35bA | （8.16±0.65）×（7.13±0.49） | 向下凹陷,低于孔环 |
| FA99-2 | 56.93±5.12bB | 47.44±3.62bA | （8.35±0.71）×（7.26±0.58） | 向下凹陷,低于孔环 |
| FA128-2 | 54.84±4.64bB | 48.54±3.17bA | （8.28±0.63）×（6.94±0.50） | 向下凹陷,低于孔环 |
同列中不同小写字母表示差异显著（P<0.05）,不同大写字母表示差异极显著（P<0.01）
Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P < 0.05), different capital letters indicate extremely significant difference (P < 0.01)
2.2 花粉粒数量比较
图1
图1
正常花粉粒和萌发孔的形态特征
a和b分别代表花粉粒100×和500×形态,c代表萌发孔10000×形态。下同
Fig.1
The morphological characteristics of the normal pollen grains and germinal aperture
a and b represent the morphological characteristics of the pollen grains at 100× and 500×, respectively, c represents the morphological characteristics of germinal aperture at 10000×. The same below
图2
图2
SQ-1诱导的舜麦1718和晋麦84花粉粒和萌发孔形态特征
Fig.2
The morphological characteristics of the pollen grains and germinal aperture of Shunmai 1718 and Jinmai 84 induced by SQ-1
图3
图3
雄性不育系FA37-1、FA99-2和FA128-2花粉粒和萌发孔形态特征
Fig.3
The morphological characteristics of the pollen grains and germinal aperture of FA37-1, FA99-2, and FA128-2 male sterile lines
2.3 花粉粒形态特征比较
2.4 花粉萌发孔孔盖形态比较
2.5 萌发孔孔盖脱落与厚度
图4
图4
正常花粉粒萌发孔孔盖脱落形态
a代表花粉粒500×形态特征,b代表萌发孔5000×形态特征
Fig.4
The cap of germinal aperture felling off morphological characteristics of the normal pollen grains
a represents the morphological characteristics of the pollen grains at 500×, b represents the morphological characteristics of germinal aperture at 5000×
3 讨论
SQ-1诱导和F型不育系花粉粒萌发孔孔盖周围都不同程度向下凹陷,呈现不同形状的畸形孔盖,且孔盖高度一般低于孔环。F型3个不育系的孔盖特征基本相似。但SQ-1诱导的舜麦1718和晋麦84孔盖形态则完全不同,说明不同品种孔盖形态有区别。这与姚雅琴等[21]研究结果一致,其认为萌发孔孔盖的突出程度与花粉粒败育相关,孔盖与孔环接触程度与不育系恢复度有关。通过花粉粒形态、孔盖特征等基本可以判断花药的败育特性。
4 结论
F型小麦雄性不育系作为新的不育系,已从细胞学方面对其不育特征进行了一些初步研究,观察到其花粉粒具有典型的败育特征,萌发孔凹陷,花粉粒呈三角形等不规则形状等,其不育性的稳定性还需进一步提高。利用化学杀雄剂SQ-1诱导的花粉粒也具有典型的败育特征。
参考文献
油菜细胞质雄性不育与育性恢复机理的研究进展
DOI:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.09.004
[本文引用: 1]
油菜细胞质雄性不育不仅是研究核质互作的理想材料,同时也是杂种优势利用的最有效方式之一。目前对油菜细胞质雄性不育的研究主要包括不育基因的来源、不育基因的结构特征、不育基因的作用机理以及育性恢复的分子机制等。对目前国际上主要的油菜细胞质雄性不育类型(pol CMS、nap CMS、kos CMS、ogu CMS和tour CMS)在分子水平上的研究进展进行了综述。包括线粒体不育基因相关区域的确定和结构特点,不育形成的分子机理以及恢复基因的定位和作用机制等。
