育種工廠的建設及其在節水抗旱稻種質創新中的應用

王飛名,張安寧,劉 毅,孔德艷,劉國蘭,余新橋,羅利軍

(上海市農業生物基因中心,上海 201106)

水稻是世界最主要糧食作物之一,培育優質、高產、多抗、適應性廣的水稻品種是水稻育種的首要目標。育種加代是育種工作不可或缺的環節,水稻新品種的育成需要進行多次加代與篩選鑒定。節水抗旱稻[1]是指既具有水稻的高產優質特性,又具有旱稻的節水抗旱特性的一種新的栽培稻類型,培育節水抗旱稻是解決水稻生產大量耗水與我國水資源短缺矛盾的有效手段[2]。節水抗旱稻的育種過程與一般的水稻育種類似,但其中還需進行多次抗旱性篩選和鑒定,以保證節水抗旱基因的聚合。

從品種純化到品種穩定,再到新品種審定,至少需要繁殖10—12個世代。傳統的水稻育種均是在室外田間進行,將種子播撒入土壤并移栽到大田中,通過合適的季節保證一定的光照、溫度等條件,借助自然降雨和人工灌溉保證足夠的水分條件,但這種方式易受季節的影響。目前北方稻區每年只能完成1個世代,為了加快育種進程,育種工作者選擇每年到熱帶地區進行水稻異地加代,但此法耗時長,工作量大[3]。因此,建立溫度、光照、水分等條件可控的設施來保證快速加代與繁殖,并進行多次精準篩選與鑒定,具有重要的科學意義與應用價值。

現代植物工廠技術為育種工作者帶來了希望,植物工廠是通過設施內高精度環境控制實現農作物全年連續生產的高效農業系統[4-5],能實現溫度、濕度、光周期、水肥等自動精準控制;在最優化的光源配方條件下,能縮短植物的生長發育全過程所需的時間,已成為加快育種的最佳選擇之一。丹麥約克里斯頓農場于1957年建造了用于生產水芹的太陽光利用型植物工廠,是世界上首個植物工廠[6]。我國植物工廠研究始于2002年,國內首個人工光型植物工廠于2006年在中國農業科學院建造,在隨后的幾年間,北京通州、吉林長春、山東壽光等地相繼建成20多座不同類型的植物工廠[7-8]。盡管國內外各類植物工廠的研究已取得了豐碩的成果,但其應用主要集中于蔬菜和水果生產[9-10]。

近年來,快速育種技術已被用于縮短作物世代周期,推動了多種作物的基因組學和育種的研究進展[11-14]。快速育種方法已應用于6種主要農作物,如春小麥(Triticum aestivum)、硬質小麥(Triticum durum)、大麥(Hordeum vulgare)、鷹嘴豆(Cicer arietinum)、豌豆(Pisum sativum)和油菜(Brassica napus),通過延長光周期來縮短生育周期[14-15]。快速育種技術也已用于水稻的遺傳改良研究中,如重組自交系構建、回交育種等[12-13,16]。

在黑龍江和新疆等北方地區,水資源缺乏已經成為水稻生產的重要限制因素,節水抗旱稻及“旱種旱管”種植模式為寒地水稻產業的發展提供了新的思路。在寒地發展節水抗旱稻,可有效緩解水稻生產對地下水資源的過度開采,從而保護黑土層。同時,在生產上減少灌溉用水量,可以減少水稻生產過程中的面源污染,實現優質稻米的生態種植。筆者團隊多年來一直致力于選育和創制適合北方寒地的早粳稻新品種與新材料。在此背景下,針對節水抗旱稻育種中“材料在自然條件下加代慢、穩定周期長”這一突出問題,研究設計出一套節水抗旱稻的工廠化育種系統[17],并通過對育種工廠內環境因素的設置,確保不同生長時期對溫度、濕度、光照等生長環境的需求,使節水抗旱稻材料的加代與篩選不受季節等自然條件的制約。本研究以節水抗旱稻育種工廠的建設和‘滬旱6220’的創制為例,綜述在育種工廠內進行種質創新的方法,介紹‘滬旱6220’的應用情況,并對育種工廠快速創制新材料進行展望,旨在為節水抗旱稻新種質的快速創制提供參考。

1 育種工廠的建設

1.1 育種工廠的整體構造

整個節水抗旱稻育種工廠在一座鋼結構搭建的玻璃溫室里實現,其尺寸規格為:長12 m,寬9.6 m,有效利用高度4.25 m,其外觀如圖1所示。育種工廠內部(圖2)為依次連通的播種育苗室、人工光溫控制室和抗旱鑒定篩選室,3間分室均使用多層培育架單元進行立體栽種以提高空間利用率。在育種工廠內,結合密直播、旱種、人工光溫處理、自然補光等技術,利用LED補光燈、自動控濕等設施設備對節水抗旱稻生長所需的溫度、光照、濕度等環境因子進行自動化控制,以達到實現節水抗旱稻一年3—4次的加代工作,并在加代的過程中進行抗旱性篩選。

圖1 節水抗旱稻育種工廠外觀Fig.1 External views of water-saving and drought-resistance rice factory

圖2 節水抗旱稻工廠化育種系統整體結構Fig.2 Schematic diagram of the overall structure of water-saving and drought-resistance rice factory breeding system

1.2 育種工廠的內部環境

3間分室分別設置有多層不銹鋼培養架,每層培養架的頂端安裝一套燈組,燈組由LED白光燈及LED紅、藍光燈組成(比例為4∶1∶1),距燈組20 cm內LED光照強度為30 000—40 000 lx。每層培養架放置3個不銹鋼培養盆,每盆里放置1個育秧盤。抗旱鑒定篩選室的光源包括但不限于培養架光源,還包括距離地面3.5 m的位置安裝的一套泛光燈支架,支架上安裝7個植物鈉燈和7個金屬鹵化燈,進行額外補光。

3間分室安裝有獨立的空調制冷機組、加熱設備以及加濕除濕設備,分別與每間室的濕度、溫度探頭和主控器連接,通過與主控器連接的控制面板可以觀測并手動設置溫室里的溫度和濕度。3間分室的培養架光照燈組直接與主控器連接,通過控制面板操作設置光照時間;抗旱鑒定篩選室的頂部補光燈組通過外置定時器設置,自動控制光照時間。

播種育苗室:溫度設28℃(6:00—19:00)和25℃(19:00—次日6:00)兩種模式,濕度80%。人工光溫控制室:溫度設32℃(6:00—19:00)和28℃(19:00—次日6:00)兩種模式,濕度80%。人工補光光照設為8:00—17:00,其余時間段為暗處理。抗旱鑒定篩選室:溫度設35℃(6:00—19:00)和28℃(19:00—次日6:00)兩種模式,濕度80%。人工補充光照設置于6:00—19:00開啟。

本研究建設的節水抗旱稻育種工廠最終的組裝效果見圖3。在工廠建設過程中,將溫度、濕度開關以及主控器集成在配電箱中,并通過與主控器連接的控制面板設置工廠內的環境參數。

圖3 節水抗旱稻工廠化育種系統組裝效果Fig.3 Installation effect diagram of the factory system of WDR breeding

2 育種工廠在種質創新中的應用

目前,中國農業科學院、中國科學技術大學等研究機構利用育種工廠技術在密封的空間培育出各種蔬菜。武漢多倍體生物科技有限公司聯合武漢雙綠源創新科技研究院有限公司開展利用智能育種工廠輔助選育優良水稻品種[18]。一般來講,水稻新品種的育成需要5—8代的系統選育才會趨于穩定,節水抗旱稻品種的選育與一般的水稻育種類似,但其中還需進行多次抗旱性篩選,以保證節水抗旱基因的聚合。受自然氣候條件的限制,在上海及黑龍江等地水稻每年只能種植一代,節水抗旱稻的選育周期長,即使結合南繁加代,一年兩代的加代對于節水抗旱稻的種質創新來說也是緩慢的,而育種工廠的建設正好解決了這一問題[19]。育種工廠通過對光質、光照強度、光照時間、溫度、濕度的調節,結合密直播、“一粒傳”等多項措施,能有效縮短水稻的整個生長周期,達到快速創制新材料的目的。

以‘滬旱6220’的創制為例,詳細介紹節水抗旱稻育種工廠在種質創新中的應用。自2014年8月起,進行了4批次的節水抗旱稻工廠化育種加代篩選試驗。為了驗證快速加代的效果,在上海夏季試驗期間,在工廠外圍水田直播相同試驗材料,比較材料的生育期。

2.1 試驗材料

‘空育131’∕‘早玉香粳’組合的分離世代F2—F5。

2.2 試驗方法

利用節水抗旱稻育種工廠進行快速加代,創制新種質,具體方法參照文獻[20],將F2種植于育種工廠,快速加代并通過“一粒傳”到F3,再將得到的F3種子按上述方法得到F4種子,依此進行重復,直至得到F6種子。

利用海南冬繁種植F6,成熟期進行產量性狀選擇,選出產量表現好的單株,并按單株收種編號H1—H26。

入選單株在黑龍江省農墾科學院水稻研究所佳南試驗站進行品比試驗,以‘龍粳46’作為對照,觀察整齊度并進行產量比較。將這26個株系在上海市農業生物基因中心節水抗旱鑒定中心的抗旱鑒定設施內進行抗旱性鑒定[21],以‘龍粳46’作為敏感對照。

將選出的產量高、抗旱性好的株系,送交農業部谷物及制品質量檢測中心(武漢)進行稻米米質檢測。

2.3 結果與分析

2.3.1 節水抗旱稻快速加代效果

表1為本研究4批次節水抗旱稻材料的加代試驗情況。2014年8月3日開始第一批F2材料播種,共播種5 400粒種子,2015年7月21日收種并獲得F6的種子508粒,整個加代試驗共用時356 d。

表1 節水抗旱稻加代試驗情況Table 1 Adding generation experiment condition of the test WDR materials

從播種該組合F5到得到F6的種子,只需要85 d,比同期播種但不采用該方法加代時間縮短了24 d。

2.3.2 高世代品系產量、抗旱性表現

2015年冬繁,將收獲得到的508粒F6在海南陵水進行正常水田種植,經過結實率等產量性狀選擇,初選26個產量表現好的單株。

2016年在黑龍江佳木斯進行品比試驗,結果顯示:26個株系中有4個株系(編號:H2、H5、H11、H16)產量超過‘龍粳46’。抗旱性鑒定結果表明,4個參試株系的抗旱性均超過對照‘龍粳46’(表2)。

2.3.3 優選株系米質、農藝性狀表現

將這4個株系的種子清選后,進行稻米品質檢測,其中H5株系米質達到部頒優3等級。H5米質主要性狀表現:糙米率為81.3%,精米率為73.2%,整精米率為68.7%,堊白率為22%,堊白度為2.4%,直鏈淀粉含量為15%,膠稠度為78 mm,堿消值6.8級,透明度1級,有香味(表3)。

表3 優選株系的米質Table 3 Comparison of rice quality of H2,H5,H11 and H16

H5綜合農藝性狀好,田間表現出苗整齊,分蘗中等,群體協調好;株型緊湊,葉片短、挺;穗層整齊,后期轉色好,熟相好,生育期短,適合黑龍江第二、三積溫帶種植,2017—2018年連續兩年在黑龍江省農墾科學院佳南基地種植表現優異,2018—2019連續兩年在黑龍江紅興隆地區大面積“旱直播旱管”示范種植表現優異,定名為‘滬旱6220’,并獲得植物新品種權(品種權號:CNA20191006260)。

2.3.4 ‘滬旱6220’的應用

節水抗旱稻‘滬旱6220’于2018—2019年在黑龍江省友誼農場進行兩年的“旱直播旱管”示范,每667 m2平均年灌溉用水量僅為53.63 m3,而當地移栽田平均用水量為350 m3,節水抗旱稻“旱直播旱管”種植較移栽田用水量少296.37 m3,節水可達85%。在投入方面,當地水稻移栽種植方式每667 m2的成本為1 100元(人民幣,下同),而“旱直播旱管”種植成本為800元,“旱直播旱管”栽培每667 m2節省成本300元左右。因此,節水抗旱稻“旱直播旱管”栽培能夠減少區域灌溉水的用量,減少灌溉成本,提高生態效益。此外,‘滬旱6220’適合旱直播,比當地移栽方式推遲近1月播種,縮短了生育期,減少了人力投入。

2020—2021年,在上海市科委援疆干部的幫助下,援克指揮部和克拉瑪依市科技局搭建了新疆西部綠洲生態發展有限責任公司與上海市農業生物基因中心的合作橋梁,引種種植節水抗旱稻‘滬旱6220’。經過兩年在新疆的種植,‘滬旱6220’在引種的眾多節水抗旱稻品種中,節水表現突出:每667 m2年用水量僅500 m3,是普通水稻年用水量的1∕3,完全滿足節水的需求,符合低碳環保的理念。綜上所述,該品種的大面積試種與推廣可有效緩解水稻生產對地下水資源的過度開采,保護黑土層,具有較大的利用價值。

3 結論與討論

本研究介紹了育種工廠的建造,并以‘滬旱6220’的創制為例,試驗應用育種工廠快速創制新材料。在育種工廠內,結合立體栽培、密直播、旱種、人工光溫處理、自然補光等技術,對節水抗旱稻生長所需的溫度、光照、濕度等環境因子進行自動化控制,以實現節水抗旱稻育種材料快速加代,同時進行抗旱性篩選。在育種工廠外結合產量、米質等性狀選擇,實現節水抗旱稻快速高效種質創新。自育種工廠建設并投入使用至今,多輪試驗結果表明,在育種工廠內可實現一年3—4代的節水抗旱稻快速加代工作。本研究的4批次節水抗旱稻育種材料的加代試驗表明:利用節水抗旱稻育種工廠及相關技術能夠縮短節水抗旱稻的生育周期,實現節水抗旱稻在上海一年4次的加代工作,最終成功創制了適合寒地旱直播的節水抗旱稻‘滬旱6220’,具有節水、米質優等特點。‘滬旱6220’的大面積應用可有效提高水資源的利用,保護黑土層,實現節能減排。

育種周期長是水稻育種過程中存在的突出問題[3],其原因除了育種材料的純合穩定需要通過連續自交多代,水稻的生育周期長也是一個方面。我國也有一些專家通過短日照誘導的方式加快水稻幼穗分化[22-23],結合播種方式、溫度、肥水調控縮短水稻生育期,一般1年可加代1—3次,或者2年4—5次[24-25],這些研究只是針對快速加代,沒有進行性狀選擇,而在育種工廠內可以同時實現節水抗旱性的篩選,通過高世代產量選擇獲得的4個株系(H2、H5、H11、H16)抗旱性級別達到了中抗及以上水平,表明在育種工廠內進行抗旱性篩選是有效的。快速加代與節水抗旱性篩選的同步進行,節省了育種時間,提高了種質創制效率。

4 展望

育種工廠快速創制新材料的推廣應用,能夠解決節水抗旱稻育種周期長、新材料性狀鑒定困難的難題。隨著農業生產對品種在產量、米質、抗性以及化肥高產利用等方面要求的不斷提高,節水抗旱稻新品種的選育,需要在節水抗旱的基礎上,實現多個有利基因的有效累加[26],育成具有高產、優質、多抗病蟲害和養分高效的綠色超級稻新品種[27]。目前對這些性狀的鑒定篩選,需要在全國不同的水稻生物脅迫與非生物脅迫區域進行,往往只能采取多地穿梭育種的方式,年際間表現差異大,進展比較慢,效率不高。本研究在育種材料加代的同時,進行抗旱性的篩選。下一步工作將在工廠內開展稻瘟病、褐飛虱等病蟲害抗性鑒定的探索性研究,模擬節水抗旱稻的鑒定篩選環境,進一步提高節水抗旱稻的種質創制效率,實現多個綠色性狀的同步篩選。