小麦温敏雄性不育系BNS的遗传稳定性及恢复性

【目的】研究小麦温敏雄性不育系BNS的遗传稳定性和恢复性。【方法】采用BNS分期播种(2011-10-08、10-28、11-11及2012-02-13、03-12)、BNS与常规品种(680个)测交、BNS与YS型温敏雄性不育系732A正反交等方法,研究BNS的遗传稳定性、可恢复性及其与其他温敏不育系的关系。【结果】(1)随播期的延迟BNS自交结实率逐渐提高,国际法、国内法计算的自交结实率分别为18%~126%和7%~79%,但晚春播(2012-03-12)小麦育性较早春播(2012-02-13)下降;不同播期的自交种正常秋播,自交结实率均很低且保持稳定,国际法、国内法计算的自交结实率分别为11%~18%和3%~6%;随着播期的延后,孕穗期至抽穗期缩短明显,由19d缩短为9d。(2)在正常秋播的BNS小麦中发现的3株完全可育株(BNSB1、BNSB2和BNSB6),单株收获并正常秋播,各群体均为完全可育株,自交结实率与小偃22接近。(3)测交的680个组合的杂种F1中,16个组合自交结实率(国际法)达到90%以上,占总组合的2.35%,其中7个组合自交结实率达到100%(国际法)以上,且超过对应父本的自交结实率。(4)BNS与732A的正反交F1均自交可育,自交结实率(国际法)分别为38.89%和40.63%,且732A的强恢复系均不能成为BNS的恢复系。【结论】小麦的温敏雄性不育系BNS的温敏不育特性可稳定遗传,是非K型细胞质的不育类型小麦。

温敏核雄性不育小麦BNS的育性转换规律初探

为探讨低温雄性不育小麦BNS的育性转换规律,2007-2009年通过分期播种试验,对BNS育性转换特性进行了初步研究。结果表明,BNS具有不育彻底、育性转换彻底的特性,育性变化趋势为：完全败育-半不育-完全可育。低温是影响BNS育性转换的主要原因,表现低温不育,高温可育。BNS感受低温的敏感部位为发育的幼穗;BNS育性转换敏感期在抽穗前5~18 d,即雌雄蕊分化期至四分体形成期;在温度敏感期内,温度低于8℃时表现彻底不育,8~12℃是育性转换温度,温度高于12℃时表现完全可育。在豫北地区,9月23日-10月17日播种,表现彻底不育,可用于生产杂交种;11月18日以后播种均表现完全可育,可以自交繁殖不育系种子。

播期、密度和行距对BNS型杂交小麦光合及产量的影响

为筛选BNS型杂交小麦的适宜播期、密度和行距配置,设置了3个播期[10月5号(A1)、10月15号(A2)、10月25号(A3)]、3个密度[基本苗150×104株·hm^(-2)(B1)、225×104株·hm^(-2)(B2)、300×104株·hm^(-2)(B3)]和3个行距[18.3cm(C1)、23cm(C2)、宽窄行13.3/23cm(C3)],研究了播期、密度和行距配置对小麦光合特性及产量的影响。结果表明,杂交小麦旗叶净光合速率在所有测定时期均以A2B1C2处理最高,A2B3C1处理次之;通过极差分析可知,旗叶叶绿素a和叶绿素b含量的最佳处理为A2B3C2;三因素对小麦冠层透光率的影响程度因时期和部位而不同;A2B3C1和A3B3C2处理的产量显著高于其余处理。因此,在本试验条件下,杂交小麦适宜的播期、基本苗和行距分别为10月15号、300×104株·hm^(-2)和18.3cm。

小麦BNS雄性不育系及其转换系花药差异蛋白鉴定与分析

BNS是一个新发现的温敏核型小麦雄性不育系,它有良好的不育性和转换性,被认为在小麦杂种优势利用上有重要价值。为探讨BNS的不育机制,以不育系及其转换系的单核早期、单核晚期到二核期花药为材料,用2-DE和MALDI-TOF-MS方法分离鉴定2个系的差异蛋白。结果发现,在转换系中,ATP合酶α和β亚基、胞质苹果酸脱氢酶、线粒体醛脱氢酶亚基、Rubisco亚基等呼吸、光合能量代谢蛋白表达丰富,但在不育系中这些蛋白缺失或下调。在不育系中还分离出山梨醇脱氢酶、组蛋白H2B.2、Harpin诱导子1、延伸因子TU等非小麦正常代谢蛋白。根据这些差异蛋白的功能,推测ATP合酶α、β亚基蛋白最可能是BNS不育的源头蛋白,它的表达可能受其上游的温度感应子调控。BNS的温度感应子隐性突变后转录启动温度阈值上调,在较低温下,α、β亚基基因不表达或表达量小,导致ATP合酶数量减少,继而影响ATP合成。ATP数量减少,使小孢子ATP供应短缺,进一步影响到小孢子的发育,使代谢异常,花粉败育。

BNS小麦穗分化进程与其雄性不育性的表现

本研究以BNS小麦为试材,采用分期播种和春季播种试验,研究BNS不同播期的幼穗分化进程及其温光与育性的关系,旨在进一步明确BNS育性转化的穗分化敏感时期。结果表明:(1)随播期推迟,BNS二棱期至药隔期的穗分化天数和不育度均逐渐减小,且二者呈极显著正相关(r=0.940～0.942>r0.05/0.01=0.658/0.765)。10月1日～10月9日播种,穗分化天数为52～59d,不育度99%～100%。春播试验天数为19～22d,自交结实率为63%～78%。(2)BNS温度敏感期为雌雄蕊原基分化期和药隔期,日均温与不育度相关密切(r=-0.915～-0.818>r0.05/0.01=0.658/0.765),高度不育时平均温度为8.4～12.6℃。(3)BNS光照敏感期为药隔期,日均光长和总光照与不育度相关极显著(r为-0.799,-0.784,0.854,0.954>r0.05/0.01=0.658/0.765),高度不育时日均光照长度为6.6～6.8h。(4)春播试验中雌雄蕊分化期和药隔期的日均温、光(14.2～16.0℃、7～8h)高于诱导高度不育的温光条件,故表现可育。因此BNS温度敏感期为雌雄蕊原基分化至药隔期,光照敏感期为药隔期,是温敏为主的低温短日生态雄性不育小麦。

BNS小麦雄性不育性表现及其恢复性的研究

为研究来自河南的小麦温光敏雄性不育材料BNS在陕西关中地区用于杂交小麦育种的可能性,在陕西杨凌进行了BNS连续四年的分期播种试验和杂种F1育性恢复测验。结果表明,BNS在10月17日以前播种的自交结实率平均值为1.41%,变幅为0.07%-4.96%,呈全不育至高不育,可进行BNS杂交种制种;11月18日以后播种的自交结实率平均值为68.23%,变幅为42.91%-98.96%,育性得到恢复,可进行BNS繁种;10月25日至11月10日之间播种BNS的自交结实率为17.48%-46.77%,表现为半不育特性。BNS的育性随播期的上述变化趋势年度间较稳定。测恢试验的78个杂种F1组合中,3个组合的育性得到恢复,分别为BNS/9833、BNS/SN055525和BNS/CL0442,其自交结实率分别为118.54%、104.564%和102.021%,说明9833等三个材料携带对BNS的育性恢复基因。综上,BNS在陕西关中地区可同时实现繁种和制种,在普通小麦中亦能找到恢复源,因此在该地区具备应用于杂交小麦育种的潜力。

温敏雄性不育小麦BNS366花粉败育的细胞学观察

为了明确温敏雄性不育小麦BNS366雄性败育的细胞学机理,采用醋酸洋红染色法观察减数分裂和小孢子发育过程,用1%I2-KI溶液染色进行花粉育性统计;以温敏不育系BNS和常规品种扬麦13作为对照。结果表明,BNS366的减数分裂和小孢子发育过程与BNS完全一致,即:在减数分裂过程中,中期Ⅰ染色体出现滞后现象,在形成二分体和四分体时细胞质分裂不均匀,出现三孢现象;小孢子发育过程中,只观察到单核靠边期,最后核物质解体出现空孢现象。而扬麦13在减数分裂过程中染色体表现正常,小孢子发育过程中,观察到单核期→双核期→三核期。开花期,BNS366和BNS花粉均表现典败和圆败,扬麦13可育。减数分裂表现出的异常行为是导致BNS366花粉败育的原因之一,单核靠边期是其败育的关键时期。

小麦温光敏雄性不育系BNS育性恢复性测定及杂种优势

以小麦温光敏雄性不育系BNS为母本,480个常规品种(系)为父本配制组合,研究BNS育性的恢复性。结果表明,BNS不育系具有可恢复性,但恢复源很窄。在480个组合中筛选出自交结实率达50%以上的组合22个,对这22个组合杂种F1自交结实率和7个农艺性状的杂种优势进行分析,发现22个杂种F1组合恢复幅度为53.47%～93.81%(国际法)、42.42%～76.43%(国内法),其中3个组合的育性得到较好恢复,分别是BNS/西农9062、BNS/N9209选、BNS/K460,其自交结实率(国际法)分别为93.81%、91.67%和91.38%,说明这3个材料携带有BNS的育性恢复基因。22个组合杂种F1普遍存在一定的杂种优势,7个农艺性状大都表现出正向优势,组合BNS/西农9062、BNS/N9209选和BNS/K460杂种F1,除千粒质量正向优势不明显外,其余性状都表现出一定的正向优势,这3个组合杂种优势表现强,具有应用于生产的潜力。

ATP合成相关基因在小麦BNS不育系育性转换中的差异表达

为了探讨ATP合酶α亚基和腺嘌呤磷酸核糖基转移酶(APRT)与温敏雄性不育系BNS育性的联系,利用荧光实时定量PCR方法,在花药发育的4个重要时期(四分体期、单核期、二核期和三核期),定量检测ATP合酶α亚基和APRT相关基因在不育及可育条件下花药中的mRNA表达水平。不育条件下,ATP合酶α亚基基因从四分体到二核期表达量持续下降,与可育株相比在单核期表达量显著下降;APRT1在4个时期的表达量低于其在相应可育条件下的表达量,而APRT2基因在BNS不育和可育条件下维持较低的表达水平。APRT相关基因表达量在三核期均有较显著提高,且可育条件下比不育条件下提高更明显。因此认为,ATP合酶α亚基基因与BNS育性转换密切正相关,APRT基因在三核期转录水平的变化与BNS育性转换有一定关系。

小麦光温敏雄性不育系BNS育性转换与内源激素的关系研究

BNS是一种光温敏型小麦不育新类型,具有不育彻底、育性转换稳定等特性,对小麦杂种优势研究有重要价值。为研究内源激素在BNS育性调控中的作用,以秋播与春播BNS花粉发育的四分体期至三核期4个关键时期幼穗为实验材料,采用间接酶联免疫(ELISA)法分别测定了BNS不育和可育幼穗中生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3)和玉米素核苷(ZR)4种内源激素的含量变化。结果显示:(1)BNS在陕西关中地区正常秋播雄性不育、早春播雄性育性正常。(2)单核期和三核期是BNS温度敏感期,单核期均温高于15.35℃、三核期均温高于18.64℃时,BNS育性发生转换,雄性不育度随温度升高逐渐降低。(3)BNS在敏感期响应外界温度,4种内源激素的含量发生显著变化,调控育性表达;单核期不育幼穗中IAA、GA3和ZR含量比可育幼穗低21.9%、33.6%和30.2%,ABA含量反而增加23.4%;三核期不育幼穗ABA和ZR含量分别比可育幼穗高59.7%和31.4%,GA3则低44.0%。(4)与雄性可育幼穗相比,BNS雄性不育幼穗在单核期的IAA/GA3、ABA/GA3值偏高;二核期IAA/ABA值较低;三核期的IAA/GA3、ABA/GA3值较高,IAA/ABA值偏低。3个时期的IAA、ABA和GA3比例失调,阻碍了小孢子正常发育,导致BNS雄性败育。研究认为:BNS在花粉发育的单核期和三核期对外界温度变化敏感,通过内源激素代谢调控自身育性转换。

BNS小麦雄性不育系育性的稳定性和波动性

BNS是一个对低温敏感的小麦雄性不育系,多年观察研究表明,该不育系具有稳定的不育性和转换性。但2012年对7个播期的BNS育性观察发现,与已报道的2008、2009年资料相比,各分期播种的花粉可育率上升0.46%～19.94%,部分达显著水平;自交结实率提高2.74%～34.59%,达显著或极显著水平。将开花前32d每4d设1个温度子阶段,对各播期子阶段的滑动积温与花粉可育率和自交结实率做相关分析,发现温度对育性影响可覆盖花粉发育绝大部分时期,开花前4d的温度影响仍达显著水平。气象资料调查表明,2012年是一个温度相对较高的年份,材料种植地区4月份最低气温较近5a高,正是该高温导致2012年BNS不育性下降,可育率提高。可见,确定BNS的安全不育播期应充分考虑当地可能出现的特殊气象温度。

冬春温度变化对小麦温敏雄性不育系BNS的育性转换影响

BNS是一个主体受温度控制的新型小麦雄性不育系,表现为花粉发育在低温下(<8℃)不育,高温下(>12℃)可育。BNS不育性稳定,但年份间常有波动,一些年份自交结实率上升显著。为了弄清楚BNS育性波动的原因,连续3a观察不同播期的BNS穗分化过程,分析连续6a调查的BNS自交结实率与对应年份的冬春温度变化,结果发现,冬季和春季温度的改变显著影响BNS的自交结实率。一般规律是,暖冬年份自交结实率低,寒冬较高,暖春年份自交结实率高,寒春较低。该现象的形成主要是BNS冬季生长发育速度所致,暖冬年份BNS冬季仍保持生长,到春季时完成温度敏感期前的发育,较早进入温度敏感期,此时的春季温度较低,因此BNS不育;然而在寒冬年份,BNS停止生长,春季需生长一定时间才进入温度敏感期,进入时气温已较高,因此诱导育性转换,自交结实率增高。BNS冬季生长发育速度在穗分化观察中得到验证。该机理解释了不同年份BNS自交结实率的波动,并根据冬春温度可预测BNS的育性转换。

播量对BNS型杂交小麦群体光合特性、物质积累和产量的影响

为给BNS型杂交小麦生产应用提供最佳的种植密度,在大田条件下,研究了播量对BNS型杂交小麦群体光合特性、物质积累和产量的影响。结果表明:播量对BNS型杂交小麦群体光合速率、透光率以及群体光能吸收利用能力具有一定的调控效应。其中S3(270×10^4株/hm^2)处理在花后灌浆期光合特性表现出显著优势,小麦群体透光率态势良好,光反射率较低,光合速率降幅较小,光能吸收利用能力较强,最终使得群体干物质积累量和产量显著高于其他处理。S1(180×10^4株/hm^2)和S2(225×10^4株/hm^2)处理的群体中部和底端透光率在整个生育期均表现出明显优势,但群体较小,漏光严重,群体光合速率较低,干物质积累量和实测产量显著低于其他处理。S4(315×10^4株/hm^2)和S5(360×10^4株/hm^2)处理群体相对较大,在整个生育期群体光合速率较高,但群体中部和底端透光率较小,光反射率较强,光能利用率较低,穗粒数和千粒质量明显低于其他处理,最终导致了群体干物质积累量和产量的降低。综合以上结果可知,BNS杂交小麦在播量为S3(270×10^4株/hm^2)时冠层结构最优,产量最高,为BNS杂交小麦的推广应用提供了理论基础。

小麦温敏雄性不育系BNS366小孢子发育和花粉育性检测方法研究

为了建立温敏雄性不育小麦BNS366小孢子发育和花粉育性的检测方法,以郑麦366作为对照,采用I2-KI法、醋酸洋红法、苏木精法和改良苯酚品红法染色观察小孢子发育过程,进行花粉可育率和自交结实率统计。结果表明,BNS366小孢子败育时期为单核靠边期至二核期。I2-KI法能清晰反映淀粉积累情况,但郑麦366在三核期和开花期看不到细胞核,其花粉可育率极显著高于自交结实率,操作最简便。醋酸洋红法能清晰显示细胞核,郑麦366花粉可育率与自交结实率一致,能够看到内容物的积累,但不清晰,操作简便。苏木精法在单核期和二核期染色效果最好,操作较复杂。改良苯酚品红法对细胞核和内容物的染色效果均不理想。因此,观察淀粉的积累情况以I2-KI法最好,观察细胞核的变化和检测花粉育性均以醋酸洋红法最好。

小麦温敏不育系BNS366育性转换的敏感期研究

为了确定BNS366育性转换的敏感时期和温光阈值,探寻杂交制种最佳时空区域,2011-2013年度在长沙进行了分期播种,研究了BNS366群体不同生育时期的气象因子与花粉败育率、自交不育度和自交实粒数等性状的相关关系。结果表明,播种-分蘖盛期的气温与育性呈极显著相关;拔节始期-孕穗始期的日平均气温、日最低气温和日长也与育性呈极显著相关。即BNS366育性受到播种-分蘖盛期和拔节始期-孕穗始期温光因子的影响。播种-分蘖盛期的日平均气温为17.1-21.7℃不育,日平均气温为14.0-16.2℃育性转换,日平均气温为5.5-6.2℃可育。BNS366育性转换的敏感时期为群体拔节始期-孕穗始期,即小花原基分化期-药隔形成期。育性转换的温光阈值：日平均气温6.6-8.10℃,日长10.92-11.18h不育;日平均气温8.13-10.72℃,日长11.40-11.53h育性转换;日平均气温15.5-18.4℃,日长11.75-12.33h完全可育。

两系小麦BNS花粉育性与气象因子的关系

为探讨小麦温光敏不育系BNS花粉育性转化规律,2009年9月至2010年5月采用分期播种试验,测定了不同播期的小麦花粉育性,同时对其花粉育性与气象因子的关系进行了分析。结果表明:BNS花粉育性随播期的推迟而变化,出现了从完全不育到可育的育性转换过程,11月10日前播种花粉败育率为95%以上,表现为高度不育,11月10日、11月18日和11月26日播种,育性处在转换期,随播期推迟花粉败育率逐渐降低;BNS的花粉败育率与抽穗前10～15 d的平均温度和抽穗前7～15 d的平均最低温度呈极显著负相关;低温是影响BNS育性转换的主要因素,表现低温不育,高温可育,当温度低于8.9℃时表现彻底不育,此后随着温度的升高花粉败育率逐步降低;BNS的花粉败育率与抽穗前10～15 d的日照时数呈极显著负相关。BNS花粉育性与温度和日照时数有极显著相关性,且其温度的影响大于日照时数的影响。

atp1基因在小麦BNS雄性不育系和自身转换系中的差异表达

atp1基因在植物中是线粒体基因组编码,其产物ATP1是线粒体ATP合酶F1的α亚基,在小麦BNS的雄性不育系和它的转换系中差异表达。为了检测该基因的表达丰度,探讨与BNS不育性的联系,以BNS不育系和它的转换系的幼穗、花药和穗轴等组织为材料,利用实时荧光定量PCR方法,测定和比较该基因在不同组织中的表达水平,结果表明,该基因在各组织中的总表达量比内参甘油醛-3-磷酸脱氢酶基因表达量高3-4个数量级;在幼穗及各穗轴营养组织中表达量一致;花药与营养组织比较,在不育系四分体和单核期花药中表达均上调;在不育系中,该基因表达量在单核期花药中显著下调。这些结果说明,线粒体atp1基因在小麦中是一个高水平表达基因,在BNS营养组织中组成型表达,在花药中特异性上调表达,在不育系中表达受到抑制,表现显著下调,表明atp1基因的下调表达与BNS不育性有关。

温敏雄性不育系小麦BNS败育的细胞学观察

[目的]为了明确温敏雄性不育系小麦BNS雄性败育的细胞学机制。[方法]采用醋酸洋红染色对温敏雄性不育系小麦BNS花粉母细胞减数分裂和小孢子发育过程进行细胞学观察,采用浓度1%I2-KI溶液染色法进行花粉育性统计。[结果]BNS不育系在减数分裂过程中异常,中期Ⅰ出现染色体滞后现象;二分体时期细胞质分配不均匀,染色体靠边,没有在细胞中央;四分体时期子细胞大小不一,其子细胞存在落后染色体,有的二分体经过第2次分裂没有形成4个子细胞,而是分成3个子细胞;小孢子发育过程中观察到单核靠边期,未能发育到双核期和三核期,还出现空孢现象;开花期的花粉彻底败育。而扬麦13能形成正常的二核期和三核期,花粉可育。[结论]减数分裂过程中出现的异常行为是导致BNS花粉败育的原因之一。单核期是其败育的关键时期。

小麦BNS雄性不育基因连锁群分析和主效QTLs初步定位

为初步定位小麦温敏雄性不育系BNS中与不育相关的QTL及其所属连锁群,用BNS及其完全保持系郑麦366的F2为作图群体,建立自交结实率和花粉可育率两个表型BSA池,选用均匀分布在小麦染色体上的710个SSR分子标记,在BSA池中筛选连锁标记,并进行QTL定位,同时用连锁标记引物在BNS DNA中重扩增,扩增产物序列在小麦基因组中进行比对,验证标记所属染色体并分子定位。结果表明,在2对BSA池中共筛选到12个连锁标记,涉及8个连锁群。单标记分析发现,5个连锁标记(Xwmc396、Xwmc517、Xbarc55、Xwmc332和Xwmc752)与不育QTL紧密连锁。用区间分析法分析发现,有2个主效不育QTL,分别为2B染色体上的qBS1(紧密连锁Xwmc332和Xbarc55)和7B染色体上的qBS2(紧密连锁Xwmc396和Xwmc517)。两个主效QTL的LOD值均大于5,贡献率均大于13%,且显性效应均大于加性效应。

小麦BNS雄性不育系小孢子发育形态结构的细胞学观察

采用植物花药染色体涂片方法和碘染色方法对BNS不育系、对应的转换系及与恢复系杂交F1的5个花粉发育时期(四分体期、单核早中期、单核晚期、二核期和花粉成熟期)的小孢子进行细胞学观察.结果表明:BNS不育系四分体正常,花粉能进行第一次核分裂,在二核期及以后出现核消融和空孢,成熟期的不育花粉主要为染败和园败型,转换系可育花粉达50%以上,但典型不育系花药内也有1%左右的可育花粉.这些结果说明BNS属孢子体不育的花粉败育型,不育基因并非绝对控制不育发生.观察结果为BNS败育机制研究提供了重要的败育现象和特征.