水稻抗旱性鑒定研究進展及其展望

杜 娟，鐘巧芳，殷富有，劉 麗，張敦宇，李松強，付慧仙，楊得正，江 慧，鄭洪健，肖素勤*

（1.云南省農業科學院 生物技術與種質資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南農業大學，云南 昆明 650201；3.元江哈尼族彝族傣族自治縣鄉村產業發展中心，云南 元江 653300；4.會澤縣農業技術推廣中心，云南 會澤 654200；5.云南大學，云南 昆明 650500；6.昆明學院，云南 昆明 650214）

0 引言

人類的生產生活已經對地球生態環境造成了嚴重的破壞，且仍在不斷加劇。當前，全球氣溫仍在緩慢地升高，未來極端高溫極有可能成為常態化事件［1-2］。全球氣候變暖導致干旱正在席卷多國，據聯合國最新發布的《2022年干旱數字》報告，2000年以來全球干旱出現的次數和持續時間增加了29%。中國是世界13個水源匱乏的國家之一，淡水資源不到世界人均水量的1/4。水資源的不平衡分布限制了我國農業的可持續性發展，同時也讓我國的糧食安全面臨嚴峻挑戰［3］。水稻作為我國主要糧食作物之一，播種面積居世界第2位，單產居世界前列，總產量列全球第1位，約占全球產量的 1/3［4］。目前農業用水量占我國用水總量的80%，水稻用水占農業用水的70%左右，主要為灌溉用水［5-6］。在干旱條件下提高糧食產量的途徑主要有：一是改善農田水分條件，使之符合生長發育的需求；二是對其自身進行改良，使之適合在干旱條件下生長［7］。對作物進行改良的前提是有一套對作物進行科學有效鑒定的體系，以了解其自身的抗旱特性。

1 水稻抗旱性及抗旱機制概述

作物的抗旱性是由多個基因控制的，也是多途徑的。不同研究者對作物抗旱性的概念理解不同。金善寶［8］指出一個品種在特定地區的抗旱性表現是由自身的生理抗性和結構特性、生長發育進程的節奏與農業氣候因素變化相配合的程度決定的。Turner［9-10］認為作物的抗旱性是指在周期性缺水時仍能正常生長并結實的能力，以及在干旱條件下能獲得足夠產量的能力。水稻的抗旱性綜合性強，除自身含多種抗旱機制外，還與生長環境互作。水稻抗旱通常是以某一種機制為主，協同多種機制來降低干旱脅迫造成的損失［6］。胡標林［11］認為水稻抗旱性是指在大氣干旱和土壤干旱條件下仍可正常生長發育、結實并能獲得一定產量的能力，是基因遺傳、生長環境因子以及兩者相互作用的結果，是一個極其復雜的性狀。

水稻的抗旱機制大體可分4類，即逃旱機制、避旱機制、耐旱機制和復原抗旱機制［6，12-15］。逃旱機制指水稻在長期的自然選擇與進化過程中形成的逃避干旱的能力，如缺水前快速開花并完成生殖生長（提前抽穗揚花）［8,16］；避旱機制指水稻在干旱環境下通過強壯發達的根系吸取水分或關閉氣孔來降低水分損失、保持高水勢的能力；避旱機制指水稻具有忍受長期輕度或短期嚴重缺水的能力，可通過改變滲透調節能力等方式來維持低水勢下水稻的膨壓；復原抗旱機制指水稻在經過短期干旱脅迫后的恢復能力，可通過測定水稻幼苗葉片離體24 h后的含水量變化和統計短期內秧苗經嚴重水分脅迫再復水后的存活率來評估［17-18］。

2 水稻抗旱性鑒定時期

水稻起源于沼澤地帶，根據水稻生長發育過程可將其分為營養生長期與生殖生長期2個階段，前者包括種子發芽、分蘗以及根、莖、葉的發育；后者包括幼穗分化、孕穗、抽穗開花、灌漿結實，其中穗分化、孕穗和抽穗期是營養生長期與生殖生長期的并進階段［19-21］。前人研究表明，在發芽期、苗期、分蘗與孕穗期、抽穗期、開花期及整個生育期都可以對水稻抗旱性進行鑒定。

敬禮恒等［22］在種子萌發期以12個抗旱性不同的水稻品種為材料，采用20% PEG溶液人工模擬干旱處理，在萌發期以種子萌發抗旱指數為抗旱性鑒定的主要指標，對參試材料進行鑒定后發現陵兩優211的抗旱性最強。胡標林等［23］在苗期對包括東鄉野生稻及其滲入系在內的66份水稻材料進行抗旱性鑒定，利用主成分分析和逐步回歸分析法進行苗期抗旱性綜合評價，結果表明株系1949最為抗旱，并提出東鄉野生稻可作為水稻抗旱遺傳改良的寶貴資源。周廣生［13］在分蘗期與孕穗期對水稻的不同品種進行干旱處理，計算抗旱系數，并結合主成分分析、隸屬函數分析、權重的確定等方法，結果表明抗旱性綜合評價值D越大，不同品種在分蘗期與孕穗期的抗旱性越強。張燦軍等［24］提出抽穗期卷葉程度越小，抗旱性越強。王賀正等［25］在開花期對10個水、旱稻品種（組合）進行水分脅迫并測定，根據抗旱系數大小對10個試驗品種進行排序，發現巴西陸稻的抗旱性最強，其次為岡優527、楊旱1號、汕優63等。胡運高等［26］在水稻幼苗期和全生育期進行耐旱鑒定，最后提出了苗期和全生育期耐旱性鑒定的分級標準。

3 水稻抗旱鑒定常用方法

進行水稻抗旱性鑒定時通常需要人為創造條件，適宜的干旱脅迫環境是準確鑒定抗旱性的基礎［27］。當前水稻抗旱性鑒定方法主要包括自然環境鑒定法、人工模擬干旱環境法（盆缽栽法、生長箱或人工氣候箱法及實驗室鑒定法等）和分子生物學法，每種方法各有其優缺點，可根據研究目的的不同選取適宜的鑒定方法進行抗旱性的精準評價。

3.1 自然環境鑒定法

自然環境鑒定法即田間鑒定法。通常將待鑒定的材料直接種植于大田，以自然降雨為主、人工灌溉為輔，營造不同的干旱脅迫環境，分析其對水稻生長或產量性狀的影響，用以評價品種的抗旱性［28］。該方法簡單易行，可以真實地反映作物在不同干旱脅迫下的生長狀況和產量指標，不需要特殊設備，不受場地限制，可進行大規模鑒定，鑒定結果與田間表現基本一致，符合育種實踐和水稻品種抗旱性篩選需求，常受到育種家們的青睞。但大田易受環境條件（降雨量、濕度、溫度等）變化的影響，年際間重復性較差，需要多年鑒定才能評價出材料的抗旱性，因而存在工作量大、耗時、結果重復難、可比性差等缺點。

3.2 人工環境間接鑒定法

3.2.1 干旱棚、生長箱或人工氣候溫室法 將鑒定材料種植于可人為控制光照、溫度、水分和濕度的生長箱、干旱棚或人工氣候室內，通過控制土壤水分含量和空氣濕度來創造不同的干旱脅迫環境，再測定不同干旱脅迫處理下植株的農藝性狀、生理生化指標和產量性狀，借此來評價其抗旱性［29］。該方法的優點是不受環境影響，數據重演性好，可進行不同年份的比較，干旱程度也可自行選擇，結果簡單可靠，適宜對少量材料進行系統深入的抗旱研究；缺點是因干旱棚、生長箱或人工氣候室內的面積有限，設施設備要求高，只能對少量材料進行研究，離實際生產也有一定差距，不能反映大田試驗的真實結果。經該方法鑒定的材料若要進行推廣，仍需要進行大田驗證，因此該法一般用于抗旱生理研究。

3.2.2 盆缽栽鑒定法 按照培養基質的不同可分為沙培、水培、土培3類，且在自然條件下旱棚或人工氣候室都可實施。盆栽法多采用反復干旱法，選擇長勢一致的材料進行干旱脅迫處理，當部分幼苗永久萎蔫時進行復水，存活后再繼續干旱脅迫使之萎蔫，設置2~3次重復后，以幼苗葉片或分蘗葉片轉為鮮綠色為存活標志，調查植株的存活率［23］。此方法的重復性好，但因根系生長受限與大田試驗有差異，常見于苗期抗旱性鑒定。

3.2.3 實驗室間接鑒定法 常采用不同濃度的高滲溶液（如蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇等）對萌發期或苗期種子進行干旱脅迫處理，進而造成其生理干旱。通過測定形態指標、生長發育指標及生理生化指標來評價其抗旱性［22,30-31］。此法可大批量地篩選供試材料，重復性好，且能克服自然環境鑒定法和人工環境鑒定法鑒定周期長、易受環境影響等缺點。因此，研究者們都試圖通過實驗室間接鑒定法對水稻的抗旱性進行評價。然而這些指標會因生育期、環境不同而有所差異，所以任何單一指標都不能全面評價供試材料的抗旱性，必須進行多指標綜合性評價。

3.3 分子生物學鑒定法

隨著分子生物學技術的不斷發展，水稻抗旱性研究成果也在不斷豐富，如利用SLAF-seq、GBS-seq、RAD-seq等簡化測序技術，采用SSR、SNP等分子標記構建圖譜定位抗旱基因，并設計出與之緊密連鎖標記等方法，都已應用于抗旱性鑒定［32-33］。分子生物學鑒定法能夠準確快速地對大批量抗旱材料進行鑒定，但必須建立在已根據相關性狀篩選出抗旱材料的基礎上，并且該方法鑒定成本較高。

4 水稻抗旱鑒定常用指標

目前水稻抗旱性鑒定常用指標大體可分形態與生長狀況指標、生理生化指標、產量指標和綜合指標。

4.1 形態與生長狀況指標

干旱脅迫對水稻最直接的影響表現在形態與生長狀況指標（根、葉、株高等）上。根系起著支撐和汲取養分的作用，強壯發達的根系可以提高植株吸水效率，緩解旱情，對水稻抗旱性起著關鍵性作用。王育紅等［34］對旱稻苗期的10個抗旱指標進行了研究，結果表明根基粗、根干重、根長、根冠比可用于旱稻苗期抗旱性鑒定。石晗［35］對不同類型水稻進行了苗期抗旱性鑒定，結果表明在干旱條件下，存活率與葉片抗衰度、葉片相對含水量、心下倒1葉寬、莖葉鮮重等顯著相關，其中葉片抗衰度可作為水稻苗期抗旱性的關鍵形態指標。目前，形態與生長狀況指標多用于苗期的抗旱鑒定。

4.2 生理生化指標

干旱對水稻的影響會發生在各時期，形態與生長狀況只是明顯的外在表現，但干旱本質上是影響植株的光合作用、呼吸作用、水分和營養的吸收運輸等過程。王澤杰等［36］研究表明，干旱脅迫下光合速率會下降從而導致葉片水勢降低，最終導致光合作用完全停止。在相同條件下，抗旱性強的水稻品種光合速率會增加。程建峰等［37］研究表明，水稻抗旱能力不但與葉綠素含量有關，還與葉綠素a/b的比值有關，比值越大，則抗旱能力越強。王賀正等［38］利用干旱棚對水、旱稻品種開花期進行了抗旱性鑒定，結果表明游離氨基酸、丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性相對值可作為抗旱鑒定指標。但由于生理生化指標受脅迫時間、脅迫強度、測定時間、測定所用儀器設備等因素的影響，因此不同研究者得出的結論會有差異。

4.3 產量指標

水稻抗旱性鑒定的目的在于培育高產、抗旱性強的品種。干旱脅迫會抑制水稻的生長發育，導致產量下降。常用于直接評價水稻抗旱性的產量指標有抗旱指數、抗旱系數和脅迫系數等。干旱造成的水分脅迫會影響水稻的灌漿，從而導致千粒重和結實率下降。王育紅等［39］對11個旱稻的全生育期生理形態指標進行了觀察測定，綜合分析結果表明抗旱指數可作為評價旱稻抗旱性的重要指標；相對株高、相對結實率、葉片萎蔫度(抽穗期)和相對穗粒數與抗旱系數呈極顯著相關。但抗旱系數容易受年度間氣候條件的影響而出現較大波動，重復性較差。因此，水稻的抗旱性強弱可以作為干旱條件下是否穩產高產的依據。

4.4 綜合指標

水稻的抗旱性是由多基因控制的復雜數量性狀。Lveitt［40］指出：抗旱性是植物各種環境脅迫的抗性鑒定中最難測定的，并且沒有一種方法能準確測出植物的各種抗旱性。因此，近年來研究者們多利用綜合評價法進行抗旱性鑒定［13,41］。胡標林等［42］研究表明單株分蘗數、單株有效穗數、穗實粒數、千粒重、株高、葉片相對含水量等性狀可作為全生育期抗旱性鑒定的綜合指標。張軍等［29］測定了7份喀麥隆水稻種質資源在干旱脅迫下萌發期的發芽勢、發芽率、芽鞘長、芽長、根數目和根鮮重，并用加權隸屬函數法進行抗旱性綜合評價，結果表明以上指標可用于篩選水稻抗旱育種的種質資源。綜上所述，在對水稻進行抗旱性鑒定時，應對產量、形態和生理生化等指標進行綜合分析，才能科學有效地評價材料的抗旱性，使之與實際情況更為接近。

5 水稻抗旱性鑒定常用的分級方法

5.1 抗旱總級別法

抗旱總級別法是將每個鑒定指標的測定數據分為4~5級，再將同品種的各指標級別值累加，通過累加值來辨別品種間的抗旱性強弱［43］。王育紅等［34］測定了旱稻苗期反復干旱脅迫后幼苗的存活率、株高、葉片萎蔫度及根部性狀等10項抗旱指標，通過抗旱總級別法對9個旱稻品種進行抗旱性比較鑒定，得出的結論與生產實際情況相符。

5.2 抗旱隸屬值法

實際上，抗旱隸屬值法就是把測量的各個單項指標轉化成少數新的綜合指標，即將各個品種各指標的抗旱隸屬值進行累加，計算加權平均值，加權平均值越大，說明該品種的抗旱性越強［44］。石晗［35］以不同國家不同地區的水稻為研究材料，測定了與苗期抗旱性相關的21個形態指標，并進行綜合分析，然后以抗旱平均隸屬度進行分類，篩選出4份強抗旱性材料，47份中抗旱性材料。

5.3 灰色關聯度分析法

可以利用灰色關聯度對鑒定指標進行篩選，以高效的抗旱指標來評價植株抗旱性的強弱。孟憲梅等［45］測定并綜合分析了不同水稻品種苗期的淀粉酶的活性、游離脯氨酸含量、葉綠素含量、細胞膜透性、根系吸收面積等生理生化指標，并利用灰色關聯分析法初步確定了品種間抗旱性的強弱。

5.4 抗旱性聚類分析法

根據多項指標所測數據對供試材料進行系統聚類。根據聚類圖將參試材料分成不同等級，如抗旱性強、抗旱性中等、抗旱性弱［46］。于艷敏等［47］比較了黑龍江省主栽粳稻品種苗期的抗旱性，采用歐氏—最長距離法對24個水稻品種幼苗在干旱脅迫下的反復干旱平均存活率進行系統聚類分析，得出9份材料抗旱性較強，8份抗旱性中等，7份抗旱性弱。

6 水稻抗旱性研究展望

現今，水稻新品種的選育因定向選擇已過濾掉大量潛在的優良基因，不僅造成現代栽培稻品種遺傳基礎狹窄，同時也缺乏對各種病蟲害及非生物脅迫的抗性或耐性，加之近些年極端氣候事件出現頻率上升，且呈無規律變化，因此，由干旱造成的水稻產量損失日益嚴重［48-49］。干旱脅迫影響水稻發育的各個生育期，嚴重時甚至導致水稻死亡。近些年，在極端氣候和水資源匱乏的雙重影響下，干旱已成為影響我國水稻產量的主要非生物因素之一。因此，現今培育抗旱水稻品種的主要思路是在提高抗旱性的基礎上增加產量。全面了解水稻抗旱性鑒定方法，確定可行的抗旱篩選指標及評價體系，再結合當地旱災發生的大致時間，總結出水稻不同生育時期的抗旱規律，選育出抗旱性強的水稻品種，合理有效地對水分供給進行調配，是培育抗旱水稻品種的有效途徑。也有育種者通過人工雜交轉育或將遠緣物種的抗旱基因導入栽培稻中，以此來在保持水稻高產的基礎上增強抗旱能力［50］。此外，研究者們歷經多年實踐，證明野生稻51歷經各種災害和不良環境后具有抗多種非生物脅迫（比如干旱）的優良特性，可加強對野生稻優良抗旱基因進行發掘利用，再結合分子標記輔助選擇和轉基因的方法來提高主栽品種的抗旱性，以期為水稻抗旱育種提供有力支撐。