三裂棉不育胞質雜交組合F1、F2 產量優勢分析

唐會妮，張夢，王舜，戚廷香，吳建勇，郭立平，張學賢，陳亮亮，王海林，喬秀琴，梅擁軍，邢朝柱

（1.塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾 843300；2.中國農業科學院棉花研究所/ 棉花生物育種與綜合利用全國重點實驗室/ 農業農村部棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，河南 安陽 455000；3.商丘市睢陽區鄉村產業發展服務中心，河南商丘 476000）

雜種優勢是自然界中普遍存在的一種生物學現象，其利用已被證明可顯著提高棉花產量、改善纖維品質以及增強抗病蟲性等[1]。 目前，生產上大面積推廣種植的棉花雜交種主要是由人工去雄授粉獲得的。 隨著勞動力成本日益上漲，通過人工去雄實現雜種一代大規模生產難以為繼。為解決這一問題，基于“三系”（不育系、保持系和恢復系）的細胞質雄性不育系（cytoplasmic male sterility, CMS）雜交制種技術由于操作簡單、節約成本和制種純度高等優點，已成為棉花雜種優勢利用的重要手段[2]。近年來，國內育種家已成功選育出一系列強優勢棉花胞質不育“三系”雜交種，如邯雜301[3]、中棉所99[4]和魯雜2138[5]等。 然而，由于所用的陸地棉胞質和哈克尼西棉胞質不育系均為孢子體不育類型，其雜種F2會出現1/4 的不育株[6]，從而導致產量顯著降低，因此無法在生產上大面積利用。

三裂棉CMS（CMS-D8）系是新的棉花配子體不育類型，目前也已實現了“三系”配套，其與恢復系雜交產生的雜種F1自交所得F2群體中無任何配子不育或育性特征的分離[6]。 因此，將CMS-D8 系應用于棉花三系雜交種子生產，不僅能夠免去人工去雄成本，而且可以大大提高D8 不育胞質雜種二代制種產量[7-8]。 關于CMS-D8 胞質對棉花主要經濟性狀的影響，目前已有一些研究報道。王江林等[9]研究發現D8 不育胞質對雜交種F1產量性狀具有極顯著的負效應；對纖維長度和長度整齊度則無明顯影響，可使斷裂比強度提高1.0～1.1 cN·tex-1，降低馬克隆值1.4～1.5， 并增加斷裂伸長率0.4 百分點。 Zhang 等[10]認為與D2 不育胞質相比，D8 不育胞質對棉花產量性狀尤其是皮棉產量具有更大的負效應。 另有研究表明，一些陸地棉人工去雄雜交F2的產量仍保持了一定的剩余優勢[11]，說明繁殖簡單、 種子成本低廉的F2在當前新疆主產棉區機械化密植條件下具有潛在的應用價值[7,11]。 然而，D8不育胞質雜種二代能否在生產上利用目前還未見相關報道。

本研究結合強優勢雜交棉品種選育實踐，通過在2 個不同的生態點對7 個棉花CMS-D8 胞質雜交組合F1、F2的產量優勢表現進行系統分析， 旨在為生產上利用D8 不育胞質雜種二代提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以7 個細胞核背景不同的CMS-D8 不育系（多代回交創制） 為母本、1 個綜合性狀優良且具有強恢復力的哈克尼西棉雄性不育（CMS-D2）恢復系ZHR142 （含Rf1基因的恢復系可同時恢復棉花CMS-D2 和CMS-D8 的育性[8]）為父本，配制了7 個雜交組合，編號為1～7（表1）。

表1 CMS-D8 胞質雜交組合親本與代號

2020 年4 月下旬， 將7 個CMS-D8 系和恢復系ZHR142 材料種植于河南安陽白璧鎮中國農業科學院棉花研究所東場試驗基地， 雜交獲得F1種子。 同年10 月份將7 個F1材料種植于海南三亞中國農業科學院棉花研究所崖城試驗基地，自交獲得F2種子。 2021 年4 月下旬，將7 個F1、F2及其親本（由于不育系無法自交結鈴， 在本研究中使用其同核異質保持系SJ48B、AHB、2015QYB、16SYB、SJ48-GGKB、901B 和SJ48- 中超B 的產量性狀數據來代替對應的不育系計算中親和超親優勢）和對照品種分別種植在西北內陸棉區的新疆阿拉爾 （E1）和黃河流域棉區的河南安陽（E2）2 個生態點。 其中，阿拉爾點和安陽點分別選用國家區域試驗對照品種中棉所49（CK1）和瑞雜816（CK2）。

1.2 試驗設計

采用隨機區組設計，3 次生物學重復。 其中，安陽點采用裸地直播，每個材料3 行區，行長9 m，行距0.8 m；阿拉爾點采用覆膜直播，每個材料1 膜3行，每個小區面積約為9.6 m2，均設置保護行。 種植密度按照不同生態區設置，其中安陽生態點為每666.7 m23 000 株，阿拉爾生態點為每666.7 m210 000 株。試驗材料管理措施與當地普通大田一致。

1.3 性狀調查

于吐絮前（9 月下旬），分別在2 個生態點進行單株結鈴數調查，具體計算方法參照前人的研究[12]。于吐絮期（10 月上旬），在安陽點從每個小區隨機收取棉株中部正常吐絮的30 個鈴； 在新疆阿拉爾點從每個小區收取棉株中部完全吐絮的50 個棉鈴，進行室內考種，計算鈴重、衣分等產量性狀。 之后，計算每個小區的籽棉產量，并按小區面積換算成每666.7 m2籽棉產量，根據衣分計算每666.7 m2皮棉產量。

1.4 數據處理

本試驗調查數據用Microsoft Excel 2016 進行整理與分析。 按下列公式計算中親優勢（mid-parent heterosis,MPH）、超親優勢（better-parent heterosis,BPH）、競爭優勢（competitive heterosis,CH）和優勢衰退率（heterosis decline rate,HDR）：MPHi（%）＝（X1，i或X2，i-MPi）/MPi×100；BPHi（%）＝（X1，i或X2，i-BPi）/BPi×100；CHi（%）＝（X1，i或X2，i-CKi）/CKi×100；HDRi（%）＝（X1，i-X2，i）/X1，i×100。其中，X1，i是雜 種 一代產量 性 狀i的 平 均 值，X2，i是 雜 種二代產量性狀i的平均值，MPi是雙親產量性狀i的平均值，BPi為雙親中表現較好親本的產量性狀i的平均值，CKi為生態點相應對照品種產量性狀i的平均值。

2 結果與分析

2.1 中親和超親優勢分析

對阿拉爾點7 個CMS-D8 胞質雜交組合不同世代F1、F2的產量及其構成因素中親及超親優勢進行分析，結果（表2）顯示：F1鈴重、籽棉產量和皮棉產量的平均中親和超親優勢均為正值；F2鈴重的平均中親和超親優勢分別為11.21%和9.62%， 籽棉產量表現出0.37%的平均中親優勢，其他產量性狀的平均中親和超親優勢均為負值。在籽棉產量和皮棉產量方面，除組合2 外，其他組合F1均具有正向中親和超親優勢； 組合3、6 和7 的F2中親和超親優勢仍為正值（表2）。 上述結果說明這3 個組合的雜種二代在阿拉爾點仍具有一定的產量剩余優勢。

表2 阿拉爾點7 個組合F1 和F2 產量性狀中親和超親優勢表現 %

在安陽點，F1鈴重、 籽棉產量和皮棉產量的平均中親優勢為正值； 除鈴重外，F1其他產量性狀的平均超親優勢均為負值（表3）。 F2單株結鈴數的平均中親優勢為0.60%，其他產量性狀平均中親優勢和超親優勢均為負值。 就籽棉產量和皮棉產量而言，組合1、6 和7 的F1和F2中親優勢均為正值，但僅組合6 的F1和F2籽棉產量具有正向超親優勢，分別為4.01%和3.25%（表3）。 綜合來看，組合6 和7 的F1、F2在2 個生態點較親本仍具有一定產量優勢。

表3 安陽點7 個組合F1 和F2 產量性狀中親和超親優勢表現 %

2.2 競爭優勢分析

對阿拉爾點7 個CMS-D8 胞質雜交組合F1、F2和對照品種CK1（中棉所49）的產量及其構成因素進行差異比較分析，結果見表4。 在鈴重上，所有7個組合的F1均表現為正向競爭優勢， 其中組合3、4、6 和7 的鈴重較對照差異達顯著或極顯著水平；各組合F2鈴重均較F1有所降低， 但除組合2 和4外，其他組合仍具有正向競爭優勢，尤其是組合3和7 的鈴重顯著或極顯著高于對照。就單株結鈴數而言，7 個雜交組合的F1、F2均表現為負向競爭優勢，其中組合2 的F1、F2以及組合3 和7 的F1單株結鈴數顯著少于對照。 所有組合的F1衣分均具有正向競爭優勢， 其中組合1 極顯著高于對照；F2除組合5 的衣分顯著低于對照外，其余組合均表現為正向競爭優勢。 對于籽棉產量和皮棉產量來說，除組合2 的F2顯著低于對照外， 其余組合在不同世代與對照無顯著性差異， 組合6 和7 的F1、F2均表現為正向競爭優勢（表4）。

表4 阿拉爾點7 個組合F1 和F2 產量性狀競爭優勢分析

在安陽點，就鈴重來看，各雜交組合不同世代F1、F2均表現出不同程度的負向競爭優勢， 其中組合4 和5 的F1以及組合2、3、4、5、7 的F2與對照瑞雜816 差異達顯著水平（表5）。 除組合2 和3 外，其他組合F1的單株結鈴數均多于對照，但僅組合6達到差異顯著水平； 組合4、5、6 和7 的F2單株結鈴數表現為正向競爭優勢， 同時多于對應的F1，其中組合6 的F2單株結鈴數顯著多于對照。 對于衣分性狀，除組合1 的F1呈顯著的正向競爭優勢外，其余組合不同世代與對照相比無顯著差異。在籽棉產量和皮棉產量方面， 只有組合1、6 和7 的F1表現為正向競爭優勢，但差異均不顯著；除組合6 的F2籽棉產量高于對照外， 其余組合均低于對照，但僅組合2 的籽棉產量和皮棉產量較對照差異達顯著或極顯著水平（表5）。 由此可見，在安陽點，組合1、6 和7 的F1產量具有一定的競爭優勢，F2與對照相比差別不大； 大部分F2產量競爭優勢減退主要是由于鈴重的降低。

表5 安陽點7 個組合F1 和F2 產量性狀競爭優勢分析

2.3 優勢衰退分析

對7 個CMS-D8 胞質雜交組合F2的5 個產量性狀在2 個生態點進行優勢衰退分析，結果（表6）表明：F2除單株結鈴數外其他產量性狀在2 個生態點均表現出一定程度的優勢衰退，整體上阿拉爾點優勢衰退率高于安陽點。在阿拉爾點，鈴重、籽棉產量和皮棉產量的平均優勢衰退率分別為5.37%、5.33%和8.33%；在安陽點，鈴重和皮棉產量的優勢衰退表現較為明顯，平均優勢衰退率分別為3.43%和3.08%。

表6 在2 個生態點F2 產量性狀優勢衰退表現%

具體來看，各雜交組合大部分產量性狀表現在F2中有所衰退， 且不同性狀的優勢衰退程度不同，其中籽棉產量和皮棉產量優勢衰退率相對較大，分別為-9.80%～12.26%和-8.55%～16.71%。 組合3、6 和7 的F2在2 個試點的籽棉產量和皮棉產量優勢衰退不明顯，衰退率相對較?。ū?）。 說明這些D8 不育胞質F2在產量方面可能仍具有一定的剩余優勢。

3 討論與結論

3.1 棉花CMS-D8 胞質雜交組合不同世代產量優勢表現

棉花具有明顯的雜種優勢，一般來說雜交棉相比常規棉的產量更高、品質更優[1]。雖然已有學者研究發現CMS-D8 胞質對棉花主要產量性狀具有一定的負效應[9-10]，但目前關于D8 不育胞質F1、F2的產量優勢表現仍缺乏系統研究，其雜種二代的潛在育種價值也未受到足夠重視。 本研究發現，組合1、3、6 和7 的不同世代F1、F2在2 個生態點相比親本來說具有一定產量優勢（表2、表3），尤其組合6和7 的F1、F2產量在阿拉爾點均表現為正向競爭優勢（表4），說明這2 個組合的F2在產量方面具有一定的剩余優勢，可以利用其F2的雜種優勢。 大部分D8 不育胞質雜交F2產量競爭優勢減退主要是由于鈴重的降低（表4、表5），這與裴小雨等[13]以及Chen 等[11]關于人工去雄授粉雜交F2產量競爭優勢的研究結果基本一致。 此外，F2單株結鈴數在2 個生態點平均表現為無優勢衰退（表6），這可能是由于D8 不育胞質F2群體中完全可育株的花粉育性好于部分可育的F1，最終導致成鈴數表現出一定程度的增加[6]。

3.2 D8 不育胞質雜種二代育種應用前景初步探討

陸地棉屬于異源四倍體， 其F2分離現象不如二倍體作物水稻、玉米那么嚴重，而且棉花的收獲期比較長，F2株型及熟性分離對產量和纖維品質不構成直接影響，為棉花雜種二代利用提供了可能[7]。與常規棉品種相比， 優勢表現顯著的雜種F1單產能提高10%～30%，而一些F2產量仍可提高5%～10%[11,14-15]。目前，新疆已成為我國棉花主產區，國家統計局數據顯示2022 年新疆棉花產量為539.1 萬t，占全國棉花總產量的90.2%。 然而，由于西北內陸棉區主要采用機械直播方式，用種量大，大面積推廣利用人工去雄獲得的雜交種，成本高昂，難以實現[8]。 利用CMS-D8 配子體不育系選育強優勢“三系”雜交棉品種應用于生產可以很好地解決這一問題，不僅能省去人工去雄成本、提高雜交F1純度，而且能顯著提高D8 不育胞質F2制種產量。在本研究中，盡管大部分D8 不育胞質雜交組合F2產量優勢較F1有所衰退， 但仍有部分組合如3、6 和7 的F2籽棉產量和皮棉產量優勢衰退不明顯，衰退率較?。ū?），且組合6 和7 的F2產量在阿拉爾點具有一定的正向競爭優勢（表4），說明部分D8 不育胞質F2仍具有一定的產量剩余優勢， 理論上可利用其F2的雜種優勢。 有研究報道，D8 不育胞質對纖維品質性狀無明顯不利影響，在一定程度上還可以明顯改善棉花品種的纖維細度[9]。 因此，通過對棉花CMS-D8“三系”親本進行回交改良和合理選配，并結合多年、多生態點交叉選擇，選育出一些產量性狀衰退較小或無衰退的D8 不育胞質雜種二代在我國主產棉區推廣應用是切實可行的[7]。