氮素高效利用高產優質水稻新品種選育及其應用基礎研究

蘇澤勝 羅志祥 施伏芝 阮新民

(安徽省農業科學院水稻研究所，安徽省水稻遺傳育種重點實驗室，安徽 合肥 230031)

從20世紀60至70年代培育和推廣半矮稈耐肥型常規水稻品種和雜交稻新組合以來，特別是近年來大面積推廣超級雜交稻，使我國的水稻產量水平有了大幅度提高，但隨之帶來了氮肥施用量的急劇增加。據統計，1971至1972年全世界氮肥使用總量為3 349萬t，1999至2000年度增加至8 730萬t，氮肥使用量增長161%。不僅如此，氮肥在化肥中的比率還呈明顯增加趨勢。1971至1972年世界化肥 N∶P2O2∶K2O 為 1∶0.67∶0.51;1999 至2000年則為1∶0.39∶0.26。在水稻生產中，1980至1995年的15年間，我國早秈稻和粳稻化肥 (主要是氮肥)施用量平均年增長率分別為7.0%和8.8%，而同期水稻單產的年平均增長率低于6%。據估計，亞洲2025年的水稻產量將比1991年增加64%，施氮量將增加180%，而每公斤氮素生產的稻谷由51.7 kg下降為30.2 kg。水稻氮素利用效率隨著氮肥用量的增長明顯下降。生產上，一般稻田施純氮120～140 kg/hm2。施用量高的田地如我國蘇南地區則高達600～700 kg/hm2［1］。過量施用氮肥不僅降低了氮素的利用效率，造成能源的巨大浪費，而且提高了作物的生產成本，挫傷了農民的生產積極性。據報道，目前我國水稻氮肥利用率僅為28%～40%，其余的氮素則通過淋溶、揮發和沖洗等以NH3、NO3-N等形式排入環境而損失，并污染地下水、土壤、河流和大氣，進而影響人體健康。在我國，由于人口眾多所帶來糧食安全問題以及糧食自給問題面臨的挑戰，水稻育種一直把高產放在品種改良的首要位置。因此，在某種程度上忽視了氮素對整個農業生態環境的影響。低耗、高效、農業生態環境保護是當前我國乃至世界農業發展的大趨勢。因此，加強氮高效利用水稻新品種選育，充分挖掘氮高效水稻種質資源，進一步研究氮高效種質的遺傳和生理生化基礎是當前急需開展的重要課題。

1 氮高效利用水稻新品種選育工作研究進展

通過培育和推廣氮素利用效率較高的氮高效水稻新品種來減少氮肥對環境的污染，是當前人們非常關心的課題。近幾年，國際水稻研究所和韓國對水稻品種高氮素吸收利用率的育種方法和遺傳規律進行研究的同時，試圖從目前收集到的地方品種和推廣品種資源中，篩選出在較低的氮肥水平下保持高產和穩產的氮肥高效利用水稻種質，并通過育種手段來培育氮素利用率較高的環境保護型高產穩產新品種。大量研究指出，水稻品種的氮素需求量和利用效率在秈粳稻之間有較大的差異，即使是同一類型的品種間，也存在較大的氮素利用率差異，并因土壤不同對氮素的吸收反應也不一樣。由此可以看出，利用育種手段來篩選和培育氮素吸收利用率高的水稻新品種是可行的。為此，我們對安徽省育成的4個中秈水稻新品種以及從韓國引進的1個偏秈水稻品種和汕優 63在 0、75、150、225、300 kg/hm2五個氮肥水平下進行了小區產量比較試驗 (見表1)［2］，五個氮肥水平分別用 N1-0、N2-75、N3-150、N4-225、N5-300表示。

表1 不同品種在不同施氮水平下的產量及農學利用率

結果表明，不同施肥水平對氮肥的農學利用率不同。施氮75 kg/hm2氮和施氮150 kg/hm2利用率較高，為4 kg稻谷/kg-N。隨著施氮量的增加，氮肥的利用率下降;在施氮225 kg/hm2和施氮300 kg/hm2下，分別為2.8 kg稻谷/kg-N和2.25 kg稻谷/kg-N。不同品種在不同的氮肥水平下表現也不相同。協優57在施氮75 kg/hm2水平下的農學利用率最高，達14.6 kg。產量以施氮300 kg/hm2水平下最高，但此水平下的農學利用率已下降到5.75 kg稻谷/kg-N。中秈898和協優8019在施氮225 kg/hm2水平時產量最高，分別為7.01 t/hm2和7.65 t/hm2;多產稻和汕優63在施氮300 kg/hm2水平時產量最高，分別為6.79 t/hm2和7.39 t/hm2，其它施肥水平 (含未施肥)產量差異均不顯著。唯獨協優9019隨著施肥量的增加，產量也隨之增高。在施氮300 kg/hm2水平時產量高達8.89 t/hm2。為此更進一步驗證該品種對氮肥的利用效果，我們在安徽省肥東縣對氮肥農學利用率高的雜交中秈稻新組合協優9019進行了減少氮肥使用量的試驗示范。示范田施氮127.5 kg/hm2，平均產量8.13 t/hm2;而鄰近對照汕優63按施氮150 kg/hm2水平施用，平均產量7.73 t/hm2。結果氮肥用量減少15%，而產量卻增加5.24%。該品種參加安徽省兩年區試，平均產量9.02 t/hm2，比對照汕優63增產8.9%，居第一位。安徽省生產試驗，平均9.06 t/hm2，比對照汕優63增產12.8%，居14個參試組合 (品種)的第一位。參加長江中下游高產組區域試驗，平均7.77 t/hm2，比汕優63增加5.35%，居第三位，在新推薦的組合中居第一位。因生育期較短，產量最高，同時，其產量變異系數較小，因而穩產性好，在生產上應用風險較小。

近年來，我們通過國際合作和國家“863”項目的支持，培育出具有自主知識產權的氮高效利用水稻新品種協優9019和皖稻125，通過國家農作物品種審定，并成功示范推廣。

另外，我們用氮素的吸收總量和氮素利用率高的水稻品種Dasanbyeo作母本與高產常規品種中秈898等雜交配制10個雜交種，在合肥正季種植，并在海南進行加代，現已對后代進行大群體種植，對產量群體在不同氮素水平下進行分段選擇。已初步構建了F8代180個重組自交系群體。并對分離后代的氮素利用率進行了初步分析。已篩選了30多份氮高效利用水稻新品系和新材料。

2 氮高效利用應用基礎研究

2.1 水稻根系活力與根系吸氮速率關系的研究

水稻根系是水稻吸收養分的主要器官。水稻根系的NH4+-N和NO3-N的吸收機理不同，對NH4+的吸收是通過與 ［H+］交換進行的。與根細胞色素氧化酶有關;對NO3-的吸收是通過根細胞轉移的，它包括NO3-在根細胞膜上轉移、NO3-的還原及同化等過程，與根細胞內的黃酶有關。過去曾認為，水稻是嗜銨作物，整個生育期的氨素氮吸收較多，但近年來研究認為，水稻吸收不同形態的氮量同環境的pH值、2種形態氨的比例、不同基因型、不同生育時期等多種因素有關［3］。我們用水培法對水稻秧苗根系活力及其吸氮能力進行了分析研究。結果表明，不同基因型水稻秧苗根系活力對氮的吸收能力存在差異。單位鮮根對氮的吸收速率與根系的活力密切相關。

在本項研究的6個不同基因型的水稻品種中，秀水11的根系活力最強，為37.4 mg(a-NA)/h，其根系對NH4+-N和NO3-N的吸收速率分別為6.25和9.79 μg/(g·h);安多稻根系活力次之，為31.2 μg/(g·h)，其根系對 NH4+-N和NO3-N的吸收速率分別為5.22和6.64 μg(a-NA)/h;其余品種根系活力及對氮的吸收速率均低于秀水11和安多稻。經測定，根系活力與NH4+-N和NO3-N的吸氮速率之間的相關系數分別為r1=0.7783和r2=0.8641，均達顯著正相關，這種顯著相關性，可以從根對氮的吸收是一個主動運輸過程，需要ATP提供能量。根系活力高，供給的ATP最多，同時根細胞內與根吸收氮素有關的酶活性也高，因此其單位鮮根對氮的吸收速率也隨之加快。

表2 根系活力與根系對氮的吸收速率

2.2 水稻品種在不同生育時期氮素吸收量的差異

樸鐘澤等對供試的9個水稻品種各生育時期水稻氮素吸收量及其占整個生育時期氮素吸收總量進行了分析研究［4］(見表3)。

結果表明，移栽期至最高分蘗期，最高分蘗期至孕穗期所吸收的氮素量在水稻品種間未見顯著差異;但孕穗期至黃熟期的氮素吸收量在水稻品種間呈顯著差異;各生育時期氮素吸收量在施氮與未施處理間有著顯著差異。說明從水稻整個生長進程看，水稻品種氮素吸收量的差異主要表現在孕穗期至黃熟期，氮素水平對各生育時期氮素吸收程度的影響較大。在施氮條件下移栽期至最高分蘗期、最高分蘗期至孕穗期、孕穗期至黃熟期氮素吸收量分別占全生育期的46.45%、18.75%和34.80%;而在未施氮條件下這3個時期吸收氮量分別占全生育期的20.33%、16.71%和62.96%。在施氮條件下前期吸收氮量較多，而未施氮條件下多數在孕穗期后吸收積累。在施氮條件下，氮素吸收量較多的水稻品種依次為Guichow、Milyang23、Dasanbyeo;而在未施氮條件下，氮素吸收量較多的水稻品種依次為Dasanbyeo、Guichow、Milyang23。這3個水稻品種在施氮條件下孕穗期后氮素吸收量為37%～49%，而在未施氮條件下孕穗期后氮素67%～70%。

表3 在施氮與未施氮兩種水平下水稻品種不同生育時期氮素吸收量的差異

2.3 稻谷產量及氮素利用效率相關性狀之間的相關分析

與此同時，樸鐘澤等還在施氮和未施氮兩種條件下，對稻谷產量及氮素利用效率相關性狀之間進行了分析研究 (表4)。結果表明，在兩種處理下稻谷產量與氮素吸收總量、收獲期生理氮素利用效率和氮素轉移效率呈顯著的正相關，而與其他性狀的相關不顯著。在兩種條件下收獲期生理氮素利用效率與稻谷產量、氮素吸收總量和氮素轉移效率呈顯著的正相關，而與最高分蘗期生理氮素利用效率只有在施氮條件下呈顯著的正相關。說明氮素吸收總量較多，收獲期氮素生理利用效率和氮素轉移效率較高的水稻品種一般表現較高的稻谷產量;同時，稻谷產量較高，氮素吸收總量較多，氮素轉移效率較高的水稻品種一般表現為較高的收獲期氮素利用效率。

表4 在施氮和未施氮兩種處理下稻谷產量及氮素吸收利用效率相關性狀之間的相關系數

2.4 不同施氮水平在各生育時期硝酸還原酶的活性

我們還對協優9019不同施氮水平在各生育時期硝酸還原酶的活性和不同生育時期硝酸還原酶的活性進行了研究。結果表明，在不同施氮水平下，各品種的硝酸還原酶活性不同。在第二水平時達到最高值，后又隨之下降。不同品種硝酸還原酶活性存在著明顯的差異。雜交水稻比常規水稻要強。協優9019表現出明顯的優勢 (圖1)。

圖1 協優9019不同施氮素水平硝酸還原酶的活性

在不同生育時期硝酸還原酶活性也不同。分蘗期硝酸還原酶的活性較低;抽穗時達到最高值。灌漿至結實期活性又明顯下降;黃熟期活性又逐漸上升 (圖2)。

3 討論

1)隨著超級稻的不斷發展，研究培育和推廣氮高效超高產水稻新品種，減少氮肥對環境的污染顯得尤為重要。國家科技部農村與社會發展司將此項研究已列入國家“863”攻關計劃，并取得了顯著成果，這是凝聚優勢力量，加速推動超級稻育種技術創新的一項重要舉措，也是新形勢下我國超級稻育種技術研究的方向、目標和重點。

2)該項研究是一項系統工程，今后要加強對現有水稻種質進行氮素高效利用的鑒定與評價，從中選擇耐低氮和氮素利用率高的水稻育種親本材料和特異資源。

3)在篩選和培育水稻高產優質氮高效利用新品種與配套技術的集成上，要進一步加強超高產生理生化特性的研究。結合各種高產栽培技術與化學調控措施及主要病蟲害的綜合防治技術。通過改善根系生長環境和后期物質生產能力，提高氮素利用效率，降低成本，減少環境污染，確保高產、優質、高效。

4)研究報道指出，Dasanbyeo和Guichow既表現較高的稻谷產量和氮素吸收總量，又表現較高的氮素利用效率，是比較好的氮素高效利用材料。氮素水平對氮素利用效率的影響較大，在未施氮條件下氮素利用效率顯著高于施氮的。因此，根據不同的品種特性，適當減少氮肥施用量是提高氮素利用率的有效途徑之一。在施氮和未施氮條件下收獲期氮素利用效率與氮素吸收總量、氮素轉移效率、稻谷產量、穗粒數、結實率和收獲指數均呈顯著正相關。因而在耐低氮水稻育種中可以把較高的稻谷產量、多穗、高結實率和高收獲指數作為氮高效利用水稻品種的參考指標。

5)關于氮素利用效率的研究，近幾年有一些研究報道，認為許多農作物不同基因型間氮素利用效率存在顯著的差異。De Detta等［5］研究指出，氮素利用效率在不同水稻基因型間存在顯著差異，并因年份、季節、栽培條件而表現出相當穩定的大小排序;Wu等［6］研究認為，雜交水稻品種的氮素利用效率比半矮稈和高稈常規水稻品種等高。方萍等［7］對苗期生理氮素利用效率的QTL分析結果表明，在第12條染色體上檢出1個QTL與氮素利用率關聯，且表現顯著的加性和顯性效應。又有研究指出，水稻品種的氮素需求量和利用效率在秈稻和粳稻間有較大的差異，即使是同類型品種，也存在較大的氮素利用率差異，并且因土壤性質不同，對氮素的吸收反應也不一樣。

［1］江立庚，曹輝.水稻高效利用氮素的生理機制及有效途徑［J］. 中國水稻科學，2002，16(3):261-264

［2］羅志祥，蘇澤勝，施伏芝，等.氮肥水平對不同水稻品種籽粒產量及米質影響［J］.中國農學通報，2004，20(6):156-158

［3］戴先福，蘇澤勝，桂彩虹，等.不同基因型水稻苗期根系吸氮力的研究［J］.安徽農業科學，2003，31(5):713-714

［4］樸鐘澤，韓龍桂，高熙宗.水稻不同基因型氮素利用效率差異［J］. 中國水稻科學，2003，17(3):233-238

［5］DE DATTA K S，BROAD BEUT F E.Methodology for evaluating nitrogen utilization efficiency by rice genotypes［J］.Agron J，1988，80:793-798

［6］WU P，TAO Q N.Genotype response and selection pressure on nytyogen-use efficieucy in rice under different nitrogen regines［J］.Plant Nutrition，1995，18(3):487-500

［7］方萍，陶勤南，關平.水稻吸氮能力與氮素利用率QTLs及其基因效應分析［J］.植物營養與肥料學報，2001，7(2):159-165