利用水稻莖稈充實突變體創建新材料的抗倒伏評價

姜潔鋒楊歐江冰唐文東

(1.寧波市農業科學研究院，浙江 寧波 315101；2.長江大學，湖北 荊州 434000;3.中化農業MAP糧經事業部，北京 100031)

倒伏是影響水稻高產、穩產和優質的重要因素之一。水稻發生倒伏的原因，隨著水稻逐漸成熟其重心向上部轉移，使得莖稈基部承受的壓力增大；水稻莖稈的生長發育減弱加之貯藏物質轉移，導致其基部莖稈的組成成分及結構發生改變，從而導致支持其上部重量的能力減弱。研究表明，水稻的莖稈性狀與抗倒伏性密切相關，包括各節間長度、莖粗、莖壁厚度、機械組織、充實程度、葉鞘包莖度及生物產量等方面[1-3]。

水稻抗倒伏研究表明，抗倒伏性與基部第2節間有著密切關系。基部節間壁厚越厚、節間充實度越高、節間越粗、抗折力就越大，倒伏指數隨之就越小，植株的抗倒伏能力就越強；水稻抗倒伏品種的基本特征一般是莖稈強度大、基部第2節間莖間短而韌、根系發達等；莖稈節間直徑或莖粗、稈壁厚度等與倒伏指數呈正相關[4,5]。在水稻育種中，篩選抗倒伏資源，利用材料自身的抗倒性培育抗倒伏品種是最為經濟有效的措施[6]。本研究利用實心稈突變體st1與易倒伏材料R86雜交，在F2分離群體中對后代的莖稈性狀、農藝性狀等進行鑒定，篩選出對育種有利用價值的抗倒伏新種質資源。

1 材料方法

1.1 供試材料

R86為本實驗室創建的水稻抗病、優質、配合力高的恢復系，配制的多個雜交稻組合通過省級和國家品種審定委員會審定，該恢復系莖稈較細，易倒伏。突變體st1是通過60Coγ射線輻射處理秈稻9311種子，在后代群體中獲得1個可以穩定遺傳的實心稈突變體。兩系不育系科09S由安徽瑞和種業有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 雜交創建新材料

本試驗以R86為母本，st1為父本，經過1次雜交、1次自交得到F2分離群體，種植20000株，對分離群體的單株進行農藝性狀和莖稈性狀考查。第1次選擇中淘汰了結實率在55%以下的植株，選擇結實率在75%以上的莖稈明顯充實的單株進行自交，結實率在55%～75%的單株與R86進行一次回交，最終選擇結實率在75%以上的單株連續自交6代，穩定后決選了4個新株系。暫命名為R86-1、R86-2、R86-3和R86-4。

1.2.2 田間種植及主要農藝性狀調查

R86、st1和4個新株系于2020年5月1日在荊州種植，所有材料單本種植，種植5行，每行12株，3次重復，株行距20cm×20cm。從抽穗期開始觀察莖稈充實情況，成熟期測定株高、單株有效穗數、穗長、每穗粒數、結實率、千粒重等主要農藝性狀。

1.2.3 莖稈形態指標測定

水稻抽穗15d，每個材料隨機各選取15株，分別測量重心高度、基部第1、2、3節的節間長、節粗及節厚。

重心高度，將新鮮植株放在食指尖，調整支點位置使植株保持平衡，水稻基部至支點的距離為重心高度。節粗，利用數顯游標卡尺選取節間上中下3點測量莖稈短軸、長軸所求平均值；節厚，將莖稈中部縱切后，利用數顯游標卡尺均勻選取3點測量求得的平均值。

1.2.4 植株鮮干重和莖稈密度的測定

抽穗15d，每個材料各選取10株，迅速稱量鮮重后在105℃下殺青30min，再轉為65℃烘干至恒重。稱得剝去葉鞘前后的莖稈的鮮重和干重(烘干至恒重)，計算得到莖稈密度(以鮮重和干重為指標)：

莖稈密度=莖稈的鮮重和干重/莖高(根部與穗頸節之間的距離)

1.2.5 基2節間抗折力和倒伏指數測定

節間抗折力測定方法是水稻抽穗15d，截取水稻主莖基部第2節間(莖稈未失水)置于自制測定器上，節間中點與測定器中點對應(兩端支點與中點間距均為5cm，在節間中點處掛一盤子)，緩慢加砝碼至莖稈剛好斷裂時砝碼及盤子的質量和即為該節間的抗折力。

彎曲力矩=節間基部至穗頂長度(cm)×該節間基部至穗頂鮮重(g)

倒伏指數=彎曲力矩(cm·g-1)/抗折力(g)×100

1.2.6 數據分析

應用Excel錄入和處理數據，利用DPS軟件比較樣本平均數的差異顯著性。

2 結果分析

2.1 不同材料的莖稈形態指標

抽穗15d，對所有材料莖稈性狀進行測定，見表1。研究表明，突變體st1重心高度45.93cm，顯著小于R86，基1節間長和基3節間長顯著低于R86，基2節間厚、基3節間厚和穗莖厚均顯著高于R86。3個新株系R86-1、R86-2和R86-3的重心高度顯著低于R86，變化幅度為46.63～48.58cm，株系R86-4重心高度與R86無顯著差異。4個新株系的基1節間長和基3節間長顯著縮短，基2節間和穗莖節長與R86無顯著差異。新株系R86-2與R86基1節間厚度顯著增加。4個新株系基2節間厚、基3節間厚和穗莖厚顯著高于R86，變化幅度分別為1.15～1.43mm、0.85～1.15mm和0.56～0.70mm，株系R86-2表現最為顯著，基2節間厚、基3節間厚和穗莖厚分別達到1.43mm、1.15mm和0.70mm。

表1 不同材料的莖稈形態指標(荊州，2020)

2.2 不同材料的莖稈密度測定

抽穗15d，測定不同材料的莖稈和裸莖鮮重、干重，計算莖稈密度，見表2。由表2可知，突變體st1含葉鞘莖稈和裸莖的鮮密度及莖稈密度極顯著大于R86。4個新株系的莖稈密度均與R86有不同程度的增加，表明新株系在莖稈充實度方面表現突出。

2.3 基2節間抗折力和倒伏指數測定

水稻基2節間的性狀與抗倒伏關系密切。在抽穗15d，測定基2節間的抗折力，見表3。由表3可知，突變體st1基2節間的抗折力顯著大于R86，倒伏指數極顯著低于對照，表現出更強的抗倒能力。基部第2節間的莖粗顯著高于R86，裸莖粗與R86無顯著差異。4個新株系中，基部第2節間的莖粗顯著高于R86，4個新株系的基2節抗折力顯著大于R86，倒伏指數顯著低于R86，表明通過鑒定選擇，育成的4個新株系在抗倒伏性狀上均優于R86。

2.4 不同材料的主要農藝性狀

成熟期的主要農藝性狀見表4，突變體st1生育期、株高均顯著小于R86，結實率顯著降低，但千粒重極顯著增加。4個新株系生育期顯著早于R86，株高顯著降低，單株有效穗數、穗長與R86表現一致。株系R86-1和R86-3結實率顯著低于R86，4個新株系千粒重與R86無顯著差異。農藝性狀研究結果表明，構建的4個新株系在抗倒伏性能提升的同時，農藝性狀沒有下降，尤其是R86-2株系綜合性狀優良，可以作為育種材料進行應用。

表4 成熟期不同材料的主要農藝性狀(荊州，2020)

2.5 雜交組合的抗倒伏性鑒定和主要農藝性狀

為了研究育成的新株系與R86在雜交組合配制方面有無差異，用不育系科09S與恢復系R86和R86-2配制雜交組合(不育系科09S與恢復系R86所配雜交稻組合“科兩優0986”，于2020年通過國家品種審定委員會審定)。2個雜交組合在抗倒伏性、主要農藝性狀和外觀品質鑒定結果見表5、表6，新組合科06S×R86-2株高比對照組合科06S×R86矮5.03cm，生育期縮短3d，單株有效穗、每穗總粒數、結實率和千粒重與對照無顯著差異。新組合的基2節間粗度和厚度比對照組合均顯著增加，抗倒伏指數顯著低于對照組合，表現良好的抗倒伏性。表6的外觀品質鑒定結果表明，新組合整精米率低于對照1.8%，堊白度高于對照組合0.9%，品質符合國家三級米標準。育成新株系R86-2所配組合可以作為替代組合在生產中推廣應用。

表5 成熟期雜交組合的主要農藝性狀和抗倒伏性(荊州，2020)

表6 雜交組合的外觀品質性狀(荊州，2020)

3 討論

近年來，隨著水稻輕簡化栽培的普及，水稻倒伏現象日趨嚴重。水稻株型、莖稈結構和化學成分、根系生長狀況等因素與水稻倒伏密切相關，培育抗倒伏品種是解決水稻倒伏最為經濟有效的措施。在水稻倒伏問題中，從遺傳學到分子生物學研究眾多。科學家通過發掘抗倒伏的QTL，篩選抗倒伏種質資源，開展水稻抗倒伏育種。水稻的抗倒伏育種經歷矮化育種，通過選育矮稈品種提高水稻的抗倒伏性。隨著現代農業的發展，水稻的抗倒伏性與莖稈和根系的結構和化學成分密切相關[6]，所以研究水稻莖稈的結構和化學成分成為水稻抗倒伏研究的重點。

在抗倒伏材料的篩選過程中，利用自然條件下篩選具有抗倒伏性能的水稻材料有很大的困難，通過鑒定植株莖稈的相關性狀對于研究水稻倒伏具有重要意義[7]。本研究利用1個實心稈突變體st1作為親本材料，進行抗倒伏株系的創建，st1是一個莖稈完全充實的突變體，株高降低，基部第5、6節間退化，基2節間長度正常，厚度和粗度顯著高于野生型。但突變體結實率偏低。試驗利用R86和st1構建的F2分離群體，在20000株中進行篩選，對每一個單株都進行莖稈相關性狀測定和農藝性狀分析，研究中發現，單株中莖稈充實度呈現不同級別，但沒有發現全部為實心稈的單株，由于突變體st1結實率低，篩選過程嚴格選擇抗倒伏性和優良農藝性狀的單株，保證新株系可以直接作為育種材料進行利用。

國內外研究普遍利用節間抗折力和倒伏指數評價水稻倒伏性能。基部節間的抗折力反映了莖稈的硬性和韌性，是表示莖稈強度的指標；抗折力越大，莖稈抗倒伏的能力就越強。本研究發現抗倒伏性與植株的莖稈的基2節間粗、基2節間厚等顯著相關，這與其它研究相一致[8-10]。綜合來看，對于水稻抗倒伏育種而言，需要將播期、株型、莖稈結構和莖稈化學成分等各個因素綜合考慮，使水稻抗倒伏達到最優，且能保持水稻的高產和穩產性。本研究也進一步說明，利用誘變篩選抗倒伏資源，通過傳統雜交技術創建抗倒伏材料是可行的。