水稻自然變異群體淹水發芽相關特性鑒定

陳振挺,馮芳君,嚴 明,范佩清,馬孝松,吳金紅,梅捍衛,?

(1 上海海洋大學水產與生命學院,上海201306;2 上海市農業生物基因中心,上海201106;3農業農村部作物基因資源與種質創制上海科學觀測實驗站,上海201106)

水稻是世界上最重要的糧食作物之一,目前我國和亞洲稻作國家主要采用育秧移栽的種植方式,需要消耗大量的勞動力資源[1]。 水稻水直播技術可以大幅減少勞動力成本,同時還能有效抑制田間雜草,減少除草劑的使用[2-3]。 但是,由于土表不平整或存在水平落差等原因,降雨或者灌溉時水直播大田容易出現整體或局部積水問題,大部分水稻推廣品種的種子在薄層泥漿和水層覆蓋條件下無法出苗或者出苗延遲,容易造成播種失敗或者局部缺苗問題。 水稻耐淹品種的種子具有更強的胚芽鞘快速延長潛力,能夠伸出水面吸收氧氣,有助于快速、整齊出苗,提高秧苗素質[4-6]。 稻種資源中胚芽鞘延長能力強的品種較少,按照育秧移栽要求選育的推廣品種往往不具備這一重要特性。 因此,鑒定篩選胚芽鞘延長能力強、淹水發芽時能快速整齊出苗的水稻種質資源,可為選育適應水直播栽培方式的水稻新品種提供優良親本,保障新品種水直播栽培的安全性,促進機械化水直播技術的推廣。

水稻幼苗的胚芽鞘長度存在品種間差異,在淹水造成缺氧的條件下,幼苗胚芽鞘的長度普遍增加。部分水稻品種的胚芽鞘能夠快速、大幅度延長,這一性狀與淹水條件下水稻成苗能力顯著相關[7]。 本試驗擬建立一種簡便、易操作的試驗方法,在正常和淹水條件下鑒定250 個水稻品種的發芽率并測量幼苗的胚芽鞘長度,分析水稻淹水發芽相關性狀的遺傳變異,比較秈粳亞種間差異程度,篩選出胚芽鞘延長和耐淹水發芽能力強的稻種資源,以用于改良水稻品種適應水直播栽培的相關特性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據國家水稻數據中心(http:∕∕www. ricedata. cn∕variety)和國際水稻信息系統(http:∕∕www. iris. irri.org∕germplasm2)等數據庫提供的登記信息,同時參考全基因組SNP 標記數據的聚類分析結果,選取一套由250 份水稻品種組成的自然變異群體為試驗材料。 參試品種分屬栽培稻的3 個亞種,其中秈稻品種145 份、粳稻品種101 份、aus 品種4 份[8]。 2017 年12 月在上海市農業科學院海南南繁基地(陵水縣光坡鎮)種植該套群體,采用常規田間管理,2018 年5 月收獲種子,曬干后在50 ℃烘箱中處理5 d 以破除休眠,室溫儲存備用。 參試水稻品種編號和名稱見表1。

表1 水稻自然變異群體品種Table 1 Varieties of rice natural variation population

(續表1)

1.2 試驗方法

1.2.1 淹水發芽和模擬直播淹水成苗試驗

1.2.1.1 淹水萌發胚芽鞘長度動態觀測

從參試品種中隨機選取30 個水稻品種,包括秈稻、粳稻及aus 3 種類型。 每個品種取50 粒飽滿種子,放入內徑5 cm、深度10.5 cm 的不銹鋼茶籃中,將茶籃放于長×寬×高為30 cm ×12 cm ×12 cm 的黑色塑料培植盒內,用2.5%的次氯酸鈉溶液消毒15 min,蒸餾水沖洗干凈,再加水至10 cm 深度。 將培植盒放置在智能光照培養箱中(GXZ 型,寧波江南儀器廠),參照侯名語等[9]的最適宜發芽條件,設定光照16 h、32 ℃,黑暗8 h、28 ℃。 每天隨機取3 株幼苗,用直尺測量胚芽鞘長度并取平均值,連續測量8 d,重復3 次。

1.2.1.2 群體淹水發芽能力和幼苗相關特性測定

播種前將種子和周轉箱用2.5%的次氯酸鈉溶液浸泡15 min 消毒,自來水沖洗干凈,周轉箱底部放置一薄層海綿,利用梳狀柵條交叉形成小方格,每個小方格內剛好可放入1 個不銹鋼茶籃(內徑5 cm,深度10.5 cm),作為快速進行大批量水稻種質資源耐淹發芽試驗的裝置。 在每個不銹鋼茶籃中放置飽滿的水稻種子15 粒,對照組的茶籃內始終保持剛剛浸沒種子的淺層水;淹水發芽組的周轉箱中灌水使得茶籃內水層高度達到約10 cm,發芽過程中按照預留的標線適當補充水分。 試驗在人工氣候室中進行,環境參數設置為光照16 h、32 ℃,黑暗8 h、28 ℃。 從浸種開始發芽生長7 d 后統計發芽率,測量幼苗的胚芽鞘長度(精確到1 mm),重復3 次。

1.2.1.3 模擬大田水直播淹水發芽成苗試驗

綜合考察胚芽鞘長度和發芽率表型數據,篩選獲得淹水條件下發芽率高、胚芽鞘延長明顯、幼苗相對健壯的品種資源20 份,以及對淹水發芽敏感的品種20 份。 參考劉艷等[10]的方法并稍作調整,把塑料發芽盒(10 cm×10 cm)排列于周轉箱內,每個發芽盒底部播入50 粒種子,覆蓋約2 cm 厚度的沙子,周轉箱內緩慢加水直至沙層表面之上形成約5 cm 的水層。 試驗于2018 年10 月在上海市農業科學院華漕院區塑料大棚中進行,以幼苗葉片頂端伸出水面為依據,在第15 天統計成苗率,測量已成苗的幼苗長度和最大根長,未能伸出水面的幼苗不做幼苗形態測量。

1.2.2 幼苗性狀鑒定和數據分析方法

參照農作物種子檢驗規程的發芽試驗方法(GB∕T3 543.4—1995)[11],按照胚芽鞘長度超過種子自身長度1∕2 的標準統計正常發芽種子的數量,計算正常發芽種子的百分比。 需要說明的是水稻種子正常萌發還要求其根長達到籽粒長度,由于淹水抑制了幼苗根的生長,本試驗統計已發芽種子數量時未考慮根長因素。 用直尺測量胚芽鞘基部到頂端的距離,精確到1 mm,逐粒測量。 模擬水直播淹水發芽試驗中,播種15 d 后統計露出5 cm 水層表面的幼苗數量,計算成苗率;取出已成苗的水稻幼苗,用直尺測量幼苗基部到頂端的距離和根系基部到最長根頂端的距離,精確到1 mm,分別作為幼苗長度和最大根長,逐粒測量。

利用Excel 2016 和GraphPad Prism 7.02 軟件整理、呈現表型數據并進行頻次分布、方差分析、相關系數和線性回歸等統計分析。

2 結果與分析

2.1 水稻種子淹水萌發時胚芽鞘長度動態觀測

參試的30 個水稻品種中4 個秈稻和4 個粳稻品種的淹水發芽胚芽鞘延長情況如圖1 所示。 可以看出,胚芽鞘長度隨時間呈現S 型曲線的變化趨勢,其延長速率在發芽起始階段由慢變快,在第3—4 天達到最快,之后逐漸趨于平緩,大部分品種在第7 天基本達到胚芽鞘長度最大值。 在第2—3 天時,秈稻品種的胚芽鞘長度略高于粳稻品種,但在第3—4 天時粳稻品種的胚芽鞘長度開始超過秈稻品種,第4 天后粳稻品種的胚芽鞘長度始終高于秈稻品種,表明粳稻品種可能有更強的耐淹水發芽能力。

2.2 水稻品種群體淹水發芽胚芽鞘長度變異分析

如圖2 所示,‘黃殼早廿’‘隆化毛葫’‘鐵稈烏’‘葡萄黃’‘WH39’和‘齊頭谷’6 個水稻品種的幼苗有明顯延長的胚芽鞘;‘BALA’‘SADU-CHO’‘BALAWAN’‘IAC5100’‘SML81B’和‘旱恢3 號’等水稻品種的幼苗僅有比較短的胚芽鞘,或者幼苗停滯在剛剛破胸后的形態,并且胚芽鞘出現頂端皺縮彎曲等壞死前的癥狀,表明不同水稻品種在淹水條件下的發芽率和幼苗形態具有一定差異。

淹水對水稻種子萌發能力影響表現為淹水條件下發芽率的降幅。 如圖3 所示,發芽率降幅在不同品種間有較大的變化。 大部分水稻品種的種子在淹水條件下仍然能夠萌發,其中有80 個品種的發芽率降幅在5%以內,85 個品種的發芽率出現10%—30%的降低,有19 個品種的發芽率降幅超過40%,其中‘DALAWAN’‘包協-7B’的發芽率降幅高達67%。

在正常條件下發芽時,水稻幼苗胚芽鞘的長度普遍較短。 本套群體中水稻幼苗胚芽鞘長度變幅為0.35—1.07 cm,平均值為0.62 cm;而在淹水條件下,不同品種的胚芽鞘長度均顯著增加,分布在0.82—4.18 cm,平均值達到2.77 cm(圖4),表明水稻種子在淹水條件下發芽后,其胚芽鞘出現了明顯延長,該延長能力在品種間存在廣泛的變異。 以淹水條件下發芽的胚芽鞘長度與對照條件下胚芽鞘長度的差值為指標,本套群體的變異系數達到28.5%。

通過前述對秈稻、粳稻品種的動態觀測,發現粳稻品種淹水發芽的胚芽鞘長度高于秈稻品種。 對群體中秈稻和粳稻品種分組統計淹水發芽的胚芽鞘長度,發現粳稻亞種的胚芽鞘延長能力總體極顯著高于秈稻亞種(P≤0.01),表明秈粳亞種間的萌發耐淹性存在差異,粳稻可能具有更強的缺氧萌發能力。 同時,亞種內均存在淹水后胚芽鞘較短或者較長的品種,且分布范圍大致相當,表明秈粳稻各自存在萌發耐淹性的優異資源。

2.3 淹水發芽胚芽鞘長度與直播淹水成苗能力相關性分析

采用“2 cm 沙土加5 cm 水層”模擬水直播淹水條件對淹水發芽所選取的極端材料進行進一步鑒定,結果表明:淹水發芽試驗中鑒定的短胚芽鞘水稻品種的成苗率普遍很低,僅1 個品種(‘SADU-CHO’)達到28%,5 個品種(‘TAITUNG 16’‘BALA’‘DULAR’‘N22’‘滬旱7B’)有2%—6%的成苗率,其他品種全部幼苗不能伸出水面;而胚芽鞘較長的水稻品種的成苗率有較大變幅,其中12 個品種的成苗率低于12%,4 個品種成苗率為26%—60%,4 個品種成苗率高于70%,分別為‘黃皮糯’(70%)、‘高陽淀稻’(74%)、‘麗江新團黑谷’(80%)、‘隆化毛葫’(94%)。

淹水發芽胚芽鞘長度與模擬直播淹水成苗率以及幼苗形態指標之間存在一定的相關關系(圖5),但胚芽鞘長度與成苗率的線性相關決定系數不高(r2=0.270),淹水發芽胚芽鞘長度與模擬直播幼苗長度以及最大根長之間的決定系數分別為r2=0.458 和r2=0.433。

3 討論

在水稻育秧和水直播生產實踐中,處于濕潤土壤表層的種子能夠快速整齊地萌發、扎根并長成健壯的幼苗。 一旦種子陷入較深的泥漿之下并被水層覆蓋時,絕大多數推廣品種的種子萌發和幼苗生長會因缺氧造成出苗延遲或者缺苗等問題。 為了鑒定水稻品種耐缺氧發芽成苗能力,比較可靠的篩選方法是模擬大田直播后表面積水的環境條件,即“土層+水層”覆蓋造成較為嚴重的缺氧脅迫,可以是0.5 cm、1 cm、2.5 cm 土層與2.5 cm、3—5 cm、10 cm 水層之間組合而成的具體方案[4-5,7,12-13];還有一些試驗把種子放在加滿水并密封的離心管中,或者放在玻璃試管中并加5 cm 水層(未指明是否密封)進行缺氧發芽試驗[14-15]。 本試驗借用不銹鋼茶籃和帶柵格的周轉箱等器具,直接用10 cm 水層形成缺氧發芽的環境,由于不同種子樣品處于一個互相連通的淹水條件下,可以保證環境條件的一致性,并且操作簡便,適用于大批量種質資源或者育種材料的淹水發芽初步篩選試驗。 用簡單淹水發芽方法進行大批量材料的初步篩選,再用模擬直播條件對入選的種質資源進行復篩和驗證,可能是提高大群體鑒定篩選工作效率和準確性的優化試驗方案。

多個批次的篩選結果表明,水稻種質資源中僅有少數品種具有耐淹水萌發并且成苗的能力,主要來自水稻種質資源庫中保存的地方品種。 如來自國際水稻研究所種質庫(IRGC)的256 份品種中有8%,來自國際水稻種質資源遺傳評價網絡(INGER)的404 份品種中僅有2%的材料具有該特性[5];另一項大規模篩選試驗發現,8 114 份水稻材料中僅有19 份淹水發芽生存率超過70%,占總數的0.23%,不同類型材料中芽期耐淹水種質的比例依次為:3 558 份種質庫保存材料0.42%、1 714 份育成品種0.06%、200 份IR64 突變體0.05%、842 份水稻分子育種導入系0.24%[12]。 本次試驗材料主要是中國水稻微核心種質,大部分為地方品種,有少量改良品種,淹水發芽試驗篩選發現約10%的品種具有胚芽鞘延長能力,而能在模擬直播淹水條件下成苗率達到70%以上的品種只有4 份,僅占總數的0.16%。