耐鹽堿節(jié)水抗旱稻的種質(zhì)創(chuàng)新

劉國(guó)蘭,陳之豪?,張 珍,王加紅,余新橋,羅利軍??

(1上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106;2上海市浦東新區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,上海 201201)

我國(guó)現(xiàn)有內(nèi)陸鹽堿地面積近1億hm2,灘涂面積234萬(wàn)hm2。鹽堿地是我國(guó)不可多得的后備耕地資源,開(kāi)發(fā)利用好沿海灘涂以及內(nèi)陸的鹽堿地資源是保障耕地面積的有效途徑[1]。同時(shí),由于受氣候變化、不合理的施肥和灌溉以及工業(yè)污染等因素的影響,全球有近30%的耕地會(huì)進(jìn)一步鹽漬化[2],日益嚴(yán)重的土壤鹽漬問(wèn)題已成為水稻生產(chǎn)的嚴(yán)重障礙[3]。中國(guó)是水稻大國(guó),是世界上最大的稻米生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[4],通過(guò)引用淡水沖洗和深水壓鹽,實(shí)現(xiàn)了在部分鹽堿地進(jìn)行水稻生產(chǎn),但一旦干旱發(fā)生、鹽堿地缺水時(shí),鹽分就會(huì)上升至地表,水稻植株同時(shí)受到鹽漬和干旱的雙重影響,導(dǎo)致大幅減產(chǎn)甚至絕收。

節(jié)水抗旱稻是指既具有水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特性,又具有旱稻節(jié)水抗旱特性的一種新的栽培稻類(lèi)型,其抗旱性包括避旱性和耐旱性[5]。耐旱性與耐鹽堿之間存在著明顯的生理和遺傳重疊,將耐鹽堿基因與抗旱基因聚合,培育耐鹽堿節(jié)水抗旱稻新品種并推廣應(yīng)用,是擴(kuò)大水稻種植面積,實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn),保障我國(guó)糧食安全的有效途徑。本研究以耐鹽堿資源‘海稻86’為主要耐鹽堿供體親本,采用常規(guī)雜交和基于顯性核不育系為媒介的輪回選擇技術(shù),將耐鹽堿特性導(dǎo)入到節(jié)水抗旱稻親本中,實(shí)現(xiàn)耐鹽堿基因與抗旱基因重組,創(chuàng)制耐鹽堿的節(jié)水抗旱新種質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 材料

供體親本:優(yōu)異耐鹽種質(zhì)‘海稻86’。受體親本:‘滬旱3號(hào)’、‘滬旱19’、‘早玉香粳’、‘WDR48’、WDR56、WDR61等不同類(lèi)型節(jié)水抗旱稻,‘佳輻占’顯性核不育系[6],江西東鄉(xiāng)野生稻資源等。

1.2 方法

1.2.1 雜交改良

2014年冬季,在海南利用耐鹽種質(zhì)‘海稻86’分別與‘滬旱3號(hào)’、‘早玉香粳’、‘滬旱19’等不同類(lèi)型節(jié)水抗旱稻進(jìn)行雜交,接著兩次回交,得到BC2F1進(jìn)行混合種植,繼續(xù)在上海和海南收取自交種子,在BC2F3開(kāi)始分別在崇明東灘濕地、海南陵水及奉賢海灣鹽脅迫下(沿海灘涂地)種植,通過(guò)系統(tǒng)選育獲得BC2F5株系(圖1)[7],對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)良株系繁種并進(jìn)行試種示范。

1.2.2 利用顯性核不育系為介質(zhì),構(gòu)建抗旱耐鹽堿混合群體

首先,以‘佳輻占’顯性核不育系與節(jié)水抗旱稻親本(如恢復(fù)系旱恢3號(hào)、‘滬旱15號(hào)’、‘早玉香粳’等)雜交和連續(xù)回交,獲得節(jié)水抗旱顯性核不育系;其次,以節(jié)水抗旱核不育系為媒介,與‘海稻86’、東鄉(xiāng)野生稻資源群體進(jìn)行雜交,獲得的65份F1米樣,構(gòu)成輪回選擇基礎(chǔ)群體。將米樣混合于2015年在上海播種,在開(kāi)花前,將表現(xiàn)特別差的單株割掉,開(kāi)花時(shí)進(jìn)行人工趕粉。因?yàn)轱@性核不育是由顯性單基因控制,因此后代群體中會(huì)出現(xiàn)不育株與可育株1∶1的分離,成熟期混收不育株上的種子,同時(shí),根據(jù)群體中單株表現(xiàn),選擇優(yōu)異可育株上的種子進(jìn)行穗選,穗選材料混合播種進(jìn)行加代。2015年在海南混收不育株上的種子繼續(xù)進(jìn)行混種混收,同時(shí)在混合群體中對(duì)可育株進(jìn)行單穗選擇,以此類(lèi)推。2017年,將已輪回2次的群體和優(yōu)選單株種子直播于崇明東灘濕地,利用潮汐進(jìn)行耐鹽堿性篩選(圖2)。因鹽脅迫本身也易導(dǎo)致植株結(jié)實(shí)差,難以區(qū)分不育株和鹽害導(dǎo)致的不育,選擇時(shí)只優(yōu)選了可育單株。2018年春季和夏季分別在海南陵水和上海奉賢海灣進(jìn)行篩選加代(圖3)。

圖2 耐鹽堿材料崇明東灘濕地篩選Fig.2 Screening of saline-alkaline tolerance materials in Chongming Dongtan wetland

圖3 利用顯性核不育改良節(jié)水抗旱稻材料Fig.3 Improvement of water-saving and drought-resistance rice materials by dominant genic male sterility

1.3 耐鹽篩選評(píng)價(jià)方法

1.3.1 芽期耐鹽篩選

2018年在上海進(jìn)行芽期耐鹽篩選,每份材料隨機(jī)挑選飽滿(mǎn)的種子,置于50℃烘箱中高溫處理48 h破體眠,每份選30粒種子,均勻置于墊濾紙直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中,6份節(jié)水抗旱稻親本和‘海稻86’分別加入0(CK)、100 mmol∕L、150 mmol∕L、200 mmol∕L等4個(gè)不同濃度的NaCl溶液中進(jìn)行浸種處理,創(chuàng)制的新種質(zhì)則以0(CK)和200 mmol∕L NaCl溶液中進(jìn)行浸種處理,每個(gè)處理設(shè)2次重復(fù),放入30℃人工氣候箱中發(fā)芽,每日更換相應(yīng)的鹽溶液以保證穩(wěn)定的NaCl濃度。每日統(tǒng)計(jì)各培養(yǎng)皿中的發(fā)芽個(gè)數(shù),至末次計(jì)數(shù)日結(jié)束,發(fā)芽以芽長(zhǎng)達(dá)種子長(zhǎng)度的一半、根長(zhǎng)達(dá)種子長(zhǎng)度為準(zhǔn),脅迫4 d調(diào)查發(fā)芽勢(shì),脅迫7 d后調(diào)查種子發(fā)芽率,并計(jì)算不同鹽濃度處理下的相對(duì)鹽害率、植株存活率和鹽脅迫指數(shù),并進(jìn)行級(jí)別劃分(表1)。

表1 耐鹽評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table1 Grading standard of salt tolerance

1.3.2 苗期耐鹽性篩選

對(duì)節(jié)水抗旱稻改良品系和節(jié)水抗旱稻親本進(jìn)行苗期耐鹽處理,周轉(zhuǎn)箱裝土進(jìn)行條播,每條穴播30粒,保持濕潤(rùn),待苗長(zhǎng)至1葉1心時(shí),配制水培營(yíng)養(yǎng)液[8]。苗長(zhǎng)至2葉1心時(shí),用含0.6%NaCl的水稻營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行鹽脅迫處理。每3 d更換一次含鹽的營(yíng)養(yǎng)液,在鹽脅迫處理21 d后,統(tǒng)計(jì)鹽脅迫處理前總苗數(shù)及處理后存活苗數(shù),以存活率作為指標(biāo),以20%的級(jí)差分為5個(gè)級(jí)別進(jìn)行水稻種質(zhì)苗期耐鹽性鑒定評(píng)價(jià)。

1.3.3 全生育期耐鹽篩選

2019年進(jìn)行全生育期耐鹽篩選,設(shè)置鹽脅迫和對(duì)照共2個(gè)處理。(1)鹽脅迫處理:所有材料在正常田塊育苗,移栽于上海海灣鹽堿基地,每個(gè)材料種20行,每行種6穴,行株距24 cm×20 cm,單本移栽,隨機(jī)排列,移栽10 d內(nèi)采用淡水灌溉,保證秧苗正常返青,之后灌溉采用海水與淡水混合調(diào)配的鹽水(鹽含量為0.5%左右)進(jìn)行全生育期灌溉脅迫,如處理期間遇下雨,雨停后及時(shí)排干水,重新灌溉淹水脅迫。(2)對(duì)照:所有材料正常田塊育苗,移栽種植于奉賢莊行基地,每個(gè)材料種20行,每行種6穴,行株距24 cm×20 cm,單本移栽,隨機(jī)排列,正常栽培管理。對(duì)在鹽脅迫條件下表現(xiàn)較好的株系及其相對(duì)應(yīng)的在正常條件下種植的株系進(jìn)行農(nóng)藝性狀測(cè)定,每個(gè)材料挑選5株典型單株進(jìn)行測(cè)量,考察株高、有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率、單株產(chǎn)量、百粒重等性狀。以鹽脅迫響應(yīng)最敏感性狀的鹽脅迫指數(shù)作為全生育期水稻對(duì)耐鹽性評(píng)價(jià)指標(biāo)。鹽脅迫指數(shù)=(對(duì)照條件性狀值-鹽脅迫條件性狀值)∕對(duì)照條件性狀值×100。

1.4 鹽堿地試種

2021年在山東濰坊昌邑市西北部的豐瑞農(nóng)場(chǎng),靠渤海灣邊,進(jìn)行耐鹽材料的試種,試種材料為NYS5、NYS11和NYS15這3個(gè)編號(hào)品系,對(duì)照為‘鹽豐47’。采用旱直播旱管方式,每個(gè)品種(系)種植800 m2,同一田塊分塊種植。

2021年分別在江蘇南通和江蘇鹽城射陽(yáng)縣進(jìn)行耐鹽堿示范,每個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)品系和對(duì)照均種植3 333.3 m2,試驗(yàn)材料為NYS83,對(duì)照為‘鹽稻12’,采用育苗后插秧移栽方式,田間管理參照國(guó)家耐鹽堿水稻黃淮粳稻組區(qū)域試驗(yàn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本和創(chuàng)制種質(zhì)的芽期耐鹽性評(píng)價(jià)

對(duì)‘海稻86’及節(jié)水抗旱稻親本進(jìn)行芽期耐鹽性鑒定,以200 mmol∕L NaCl鹽濃度下的相對(duì)鹽害率作為耐鹽評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)。由表2可知,‘海稻86’芽期鹽害評(píng)價(jià)為1級(jí),而WDR56鹽害評(píng)價(jià)為2級(jí),‘WDR48’、‘早玉香粳’鹽害評(píng)價(jià)為3級(jí),‘滬旱3號(hào)’、‘滬旱19’、‘WDR48’鹽害評(píng)價(jià)為4級(jí)。

表2 不同鹽濃度下‘海稻86’和節(jié)水抗旱稻親本的發(fā)芽率、鹽害率的差異Table 2 Variation of germination rate and relative salt damage rate under different salinity with‘Haidao 86’and water-saving and drought-resistance rice %

對(duì)150份創(chuàng)新種質(zhì)的品系以200 mmol∕L NaCl進(jìn)行芽期耐鹽性鑒定,鹽害級(jí)別為1級(jí)、2級(jí)、3級(jí)、4級(jí)和5級(jí)的品系份數(shù)分別為16、27、45、39和23,分別占總品系數(shù)的10.7%、18.0%、30.0%、26.0%和15.3%(圖4)。相對(duì)鹽害率變幅為0—100%,鹽害級(jí)別為1級(jí)的16份材料其耐鹽性明顯高于節(jié)水抗旱稻親本。其中有2份材料的相對(duì)鹽害率分別為3.3%和0,耐鹽性較‘海稻86’更好,大田表現(xiàn)生育期事宜,株高110 cm,單株有效穗12個(gè),株葉型適中,莖稈粗壯抗倒,后期轉(zhuǎn)色好、產(chǎn)量高。

圖4 創(chuàng)新種質(zhì)品系芽期耐鹽級(jí)別分布Fig.4 Level distribution of salt tolerance for innovative germplasm lines at germinating stage

2.2 苗期耐鹽性鑒定

2019年在海南對(duì)150個(gè)節(jié)水抗旱稻改良品系和親本進(jìn)行苗期鹽脅迫處理,以存活率作為苗期鹽害評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)(圖5)。‘海稻86’苗期存活率為84.67%,鹽害評(píng)價(jià)為1級(jí)。‘滬旱3號(hào)’、WDR56存活率分別為57.67%、41.37%,鹽害評(píng)價(jià)為3級(jí)。‘滬旱19’、‘WDR48’、WDR61、‘早玉香粳’存活率分別30.13%、35.44%、29.83%、32.41%,鹽害評(píng)價(jià)為4級(jí)。改良品系中1級(jí)鹽害10份,2級(jí)鹽害17份,3級(jí)鹽害41份,4級(jí)鹽害26份,5級(jí)鹽害56份。其中有4份品系苗期存活率在85%以上,高于親本‘海稻86’。節(jié)水抗旱稻親本苗期未出現(xiàn)鹽害級(jí)別為1級(jí)和2級(jí)的材料,通過(guò)改良獲得了節(jié)水抗旱稻苗期耐鹽性提高甚至高于耐鹽品種‘海稻86’的品系。

圖5 改良品系苗期鹽脅迫篩選Fig.5 Screening of improved lines under salt stress at seedling stage

2.3 全生育期耐鹽性鑒定

全生育期在鹽含量0.5%左右的海水脅迫下,改良品系及親本均出現(xiàn)不同程度的鹽害癥狀,材料間差異明顯。以單株產(chǎn)量脅迫指數(shù)來(lái)看,‘海稻86’單株產(chǎn)量脅迫指數(shù)為18.80。‘滬旱3號(hào)’、WDR61單株產(chǎn)量脅迫指數(shù)為42.60、58.18,鹽害評(píng)價(jià)為3級(jí)。‘滬旱19’、‘WDR48’、WDR56、‘早玉香粳’單株產(chǎn)量脅迫指數(shù)分別為70.10、68.33、73.74、64.69,鹽害評(píng)價(jià)為4級(jí)。

依據(jù)鹽脅迫條件下植株表現(xiàn),從150份品系中目選耐鹽表現(xiàn)較好的20份進(jìn)行考種(表3),在鹽脅迫下,改良品系的株高、有效穗數(shù)、穗長(zhǎng)、單株產(chǎn)量、百粒重等農(nóng)藝性狀均受到抑制,與正常水田相比,存在不同程度的降低,單株產(chǎn)量在鹽脅迫下受到的影響最大,結(jié)實(shí)率、百粒重、有效穗、株高的受鹽脅迫影響次之,穗長(zhǎng)受鹽脅迫的影響相對(duì)較小。耐鹽性極強(qiáng)的品系有NYS5、NYS117,鹽脅迫指數(shù)分別為17.2和18.2;耐鹽性強(qiáng)的品系有NYS6、NYS8、NYS10、NYS11、NYS15、NYS17、NYS39、NYS55、NYS83、NYS87、NYS92、NYS105等12個(gè)品系。

表3 節(jié)水抗旱稻品系全生育期耐鹽性鑒定結(jié)果Table 3 Identification results of salt tolerance of water-saving and drought-resistance rice lines in the whole growth period

2.4 試種表現(xiàn)

在山東昌邑市灘涂地示范展示,以‘鹽豐47’為對(duì)照,種植了3個(gè)材料,每個(gè)品種(系)種植800 m2,旱直播全程旱管,成熟后進(jìn)行田間實(shí)收測(cè)產(chǎn),NYS5、NYS15和NYS11田間實(shí)收產(chǎn)量分別為234.0 kg、372.2 kg和213 kg,對(duì)照‘鹽豐47’的產(chǎn)量為259.6 kg(表4)。其中NYS15的產(chǎn)量顯著高于對(duì)照,每667 m2產(chǎn)量達(dá)310 kg,比對(duì)照‘鹽豐47’增產(chǎn)43.3%。

表4 節(jié)水抗旱稻耐鹽品系在山東試種的產(chǎn)量及主要農(nóng)藝性狀Table 4 Yield and agronomic characters of salt-tolerant lines for water-saving and drought-resistance rice in Shandong

品系NYS83在江蘇南通和江蘇鹽城射陽(yáng)縣進(jìn)行耐鹽堿試種,移栽水管,每個(gè)點(diǎn)均種植3 333.3 m2,NYS83比對(duì)照早熟3 d,株高87.2 cm,穗長(zhǎng)15.3 cm,每667 m2有效穗為20.1萬(wàn)穗,每穗實(shí)粒數(shù)為122粒,結(jié)實(shí)率85.4%,千粒重25.2 g。NYS83在南通和鹽城每667 m2產(chǎn)量分別為488 kg和452 kg,分別比同期種植的對(duì)照‘鹽豐12’增產(chǎn)4.7%和3.2%。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同生育期的耐鹽性

本研究通過(guò)雜交和顯性核不育為媒介的輪回選擇技術(shù)獲得了一批優(yōu)異耐鹽節(jié)水抗旱稻品系,同時(shí)對(duì)不同生育期耐鹽性進(jìn)行鑒定,獲得了16份芽期耐鹽級(jí)別為1級(jí)的品系,10份苗期耐鹽級(jí)別為1級(jí)的品系和14份全生育期耐鹽極強(qiáng)或強(qiáng)的品系。這些品系的耐鹽性較節(jié)水抗旱稻親本有明顯提高,在不同生育期同樣也出現(xiàn)了優(yōu)于‘海稻86’耐鹽性的品系。

同時(shí),不同生育期的耐鹽性表現(xiàn)也不完全一致,發(fā)芽期、幼苗期和全生育期的耐鹽性之間無(wú)直接的相關(guān)性,這與前人研究結(jié)果一致[9],不同生育期可能耐鹽機(jī)制有所不同。對(duì)于某些品系,在各個(gè)時(shí)期進(jìn)行獨(dú)立的耐鹽性篩選比較適宜,在選育品系時(shí)選擇具有多個(gè)不同生育期耐鹽表型的品種。由于鹽堿地水稻的整個(gè)生長(zhǎng)季都可能遭遇鹽脅迫,因此,要培育全生育期耐鹽水稻,很有必要針對(duì)不同時(shí)期分別進(jìn)行耐鹽篩選,篩選綜合抗性強(qiáng)的材料,更利于品種的應(yīng)用。

鹽堿地種植作物的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn),選擇耐鹽品種時(shí),除了考慮不同生育期的耐鹽性,對(duì)于全生育期的耐鹽性,不僅要考慮鹽脅迫指數(shù),更要考慮鹽堿條件下植株產(chǎn)量,并不是鹽脅迫指數(shù)最高的品系其產(chǎn)量就最高,如品系NYS5和NYS117鹽脅迫指數(shù)最低,耐鹽表現(xiàn)最好,但其鹽脅迫下的單株產(chǎn)量卻不是最好,因此選育品種更要以單株產(chǎn)量為指標(biāo),這對(duì)耐鹽水稻的選育具有實(shí)際的生產(chǎn)意義。

3.2 顯性核不育系在種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用

顯性核不育材料是進(jìn)行輪回選擇育種的理想材料,2001年三明市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)顯性核不育[6],通過(guò)多輪回交,將不育基因?qū)氲蕉i稻品種‘佳輻占’中[10],本課題組以‘佳輻占’核不育與節(jié)水抗旱稻親本雜交并經(jīng)多輪回交,育成不同類(lèi)型節(jié)水抗旱稻背景核不育系,并廣泛應(yīng)用于雜交和回交育種中,以此為媒介,雜交不用人工去雄,更為簡(jiǎn)便,對(duì)于大量的雜交以及構(gòu)建群體類(lèi),顯性核不育材料優(yōu)勢(shì)更明顯,可節(jié)省大量人力、物力。本研究利用顯性核不育與野生稻資源進(jìn)行雜交,70%以上雜交袋均有結(jié)實(shí),相對(duì)去雄雜交,增加了結(jié)實(shí)種子量,同時(shí)提高了雜交成功率。部分未結(jié)實(shí)的組合可能是核不育系的遺傳背景是節(jié)水抗旱稻的背景(而非野生稻背景),導(dǎo)致遠(yuǎn)緣雜交不親和。如果要更好地利用顯性核不育系材料,則核不育的遺傳背景需要特別關(guān)注,本課題組側(cè)重節(jié)水抗旱稻研究,引進(jìn)的核不育是‘佳輻占’的遺傳背景,通過(guò)多代回交,將其背景替換成了節(jié)水抗旱稻親本的背景,同時(shí)雜交過(guò)程中粳型核不育與粳型材料雜交,秈型核不育與秈型材料雜交,避免出現(xiàn)秈粳交不育,或者遺傳背景秈粳混雜,改良代數(shù)增加。

本研究中顯性核不育群體在崇明東灘濕地進(jìn)行篩選時(shí),由于群體本身有50%的不育株,同時(shí)耐鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致可育植株也發(fā)生不育,材料就很難選擇,所以盡量不要在核不育混合群體中直接進(jìn)行篩選,而應(yīng)在群體中選擇可育株后再進(jìn)行各種處理。

3.3 耐鹽和抗旱的結(jié)合可提高品種適應(yīng)性

由于鹽脅迫往往伴隨著干旱一起發(fā)生,在節(jié)水抗旱稻中增強(qiáng)品種的耐鹽性,聚合耐鹽與抗旱,選育過(guò)程注重耐鹽性狀和抗旱性狀的交叉選擇,更利于后代中選育出兼具抗旱和耐鹽的新種質(zhì)。植物應(yīng)對(duì)干旱、鹽脅迫時(shí)響應(yīng)的分子和生理機(jī)制上有著相似性,如滲透調(diào)節(jié)、抗氧化脅迫等,本研究在不同生育期均篩選到優(yōu)于親本‘海稻86’耐鹽性的種質(zhì),可能是耐鹽和抗旱疊加,產(chǎn)生了超親優(yōu)勢(shì)。

本研究將耐鹽種質(zhì)和節(jié)水抗旱稻進(jìn)行雜交,在選育過(guò)程中耐鹽性和抗旱性均是品種選育的目標(biāo)性狀,在灘涂地或鹽堿地篩選的種植過(guò)程中,往往也遭遇干旱,在整個(gè)選育過(guò)程雖然沒(méi)有特別強(qiáng)調(diào)干旱的篩選,但其實(shí)抗旱性一直是作者關(guān)注的重點(diǎn)。保持節(jié)水抗旱稻的抗旱性,同時(shí)提高其耐鹽堿性,品種才有更好的適應(yīng)性。

致謝:湖北荊楚種業(yè)股份有限公司段紅波研究員提供耐鹽資源‘海稻86’、福建省三明市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院黃顯波老師提供‘佳輻占’顯性核不育系。