氮素高效利用高产优质水稻新品种选育及其应用基础研究

苏泽胜 罗志祥 施伏芝 阮新民

(安徽省农业科学院水稻研究所，安徽省水稻遗传育种重点实验室，安徽 合肥 230031)

从20世纪60至70年代培育和推广半矮秆耐肥型常规水稻品种和杂交稻新组合以来，特别是近年来大面积推广超级杂交稻，使我国的水稻产量水平有了大幅度提高，但随之带来了氮肥施用量的急剧增加。据统计，1971至1972年全世界氮肥使用总量为3 349万t，1999至2000年度增加至8 730万t，氮肥使用量增长161%。不仅如此，氮肥在化肥中的比率还呈明显增加趋势。1971至1972年世界化肥 N∶P2O2∶K2O 为 1∶0.67∶0.51;1999 至2000年则为1∶0.39∶0.26。在水稻生产中，1980至1995年的15年间，我国早籼稻和粳稻化肥 (主要是氮肥)施用量平均年增长率分别为7.0%和8.8%，而同期水稻单产的年平均增长率低于6%。据估计，亚洲2025年的水稻产量将比1991年增加64%，施氮量将增加180%，而每公斤氮素生产的稻谷由51.7 kg下降为30.2 kg。水稻氮素利用效率随着氮肥用量的增长明显下降。生产上，一般稻田施纯氮120～140 kg/hm2。施用量高的田地如我国苏南地区则高达600～700 kg/hm2［1］。过量施用氮肥不仅降低了氮素的利用效率，造成能源的巨大浪费，而且提高了作物的生产成本，挫伤了农民的生产积极性。据报道，目前我国水稻氮肥利用率仅为28%～40%，其余的氮素则通过淋溶、挥发和冲洗等以NH3、NO3-N等形式排入环境而损失，并污染地下水、土壤、河流和大气，进而影响人体健康。在我国，由于人口众多所带来粮食安全问题以及粮食自给问题面临的挑战，水稻育种一直把高产放在品种改良的首要位置。因此，在某种程度上忽视了氮素对整个农业生态环境的影响。低耗、高效、农业生态环境保护是当前我国乃至世界农业发展的大趋势。因此，加强氮高效利用水稻新品种选育，充分挖掘氮高效水稻种质资源，进一步研究氮高效种质的遗传和生理生化基础是当前急需开展的重要课题。

1 氮高效利用水稻新品种选育工作研究进展

通过培育和推广氮素利用效率较高的氮高效水稻新品种来减少氮肥对环境的污染，是当前人们非常关心的课题。近几年，国际水稻研究所和韩国对水稻品种高氮素吸收利用率的育种方法和遗传规律进行研究的同时，试图从目前收集到的地方品种和推广品种资源中，筛选出在较低的氮肥水平下保持高产和稳产的氮肥高效利用水稻种质，并通过育种手段来培育氮素利用率较高的环境保护型高产稳产新品种。大量研究指出，水稻品种的氮素需求量和利用效率在籼粳稻之间有较大的差异，即使是同一类型的品种间，也存在较大的氮素利用率差异，并因土壤不同对氮素的吸收反应也不一样。由此可以看出，利用育种手段来筛选和培育氮素吸收利用率高的水稻新品种是可行的。为此，我们对安徽省育成的4个中籼水稻新品种以及从韩国引进的1个偏籼水稻品种和汕优 63在 0、75、150、225、300 kg/hm2五个氮肥水平下进行了小区产量比较试验 (见表1)［2］，五个氮肥水平分别用 N1-0、N2-75、N3-150、N4-225、N5-300表示。

表1 不同品种在不同施氮水平下的产量及农学利用率

结果表明，不同施肥水平对氮肥的农学利用率不同。施氮75 kg/hm2氮和施氮150 kg/hm2利用率较高，为4 kg稻谷/kg-N。随着施氮量的增加，氮肥的利用率下降;在施氮225 kg/hm2和施氮300 kg/hm2下，分别为2.8 kg稻谷/kg-N和2.25 kg稻谷/kg-N。不同品种在不同的氮肥水平下表现也不相同。协优57在施氮75 kg/hm2水平下的农学利用率最高，达14.6 kg。产量以施氮300 kg/hm2水平下最高，但此水平下的农学利用率已下降到5.75 kg稻谷/kg-N。中籼898和协优8019在施氮225 kg/hm2水平时产量最高，分别为7.01 t/hm2和7.65 t/hm2;多产稻和汕优63在施氮300 kg/hm2水平时产量最高，分别为6.79 t/hm2和7.39 t/hm2，其它施肥水平 (含未施肥)产量差异均不显著。唯独协优9019随着施肥量的增加，产量也随之增高。在施氮300 kg/hm2水平时产量高达8.89 t/hm2。为此更进一步验证该品种对氮肥的利用效果，我们在安徽省肥东县对氮肥农学利用率高的杂交中籼稻新组合协优9019进行了减少氮肥使用量的试验示范。示范田施氮127.5 kg/hm2，平均产量8.13 t/hm2;而邻近对照汕优63按施氮150 kg/hm2水平施用，平均产量7.73 t/hm2。结果氮肥用量减少15%，而产量却增加5.24%。该品种参加安徽省两年区试，平均产量9.02 t/hm2，比对照汕优63增产8.9%，居第一位。安徽省生产试验，平均9.06 t/hm2，比对照汕优63增产12.8%，居14个参试组合 (品种)的第一位。参加长江中下游高产组区域试验，平均7.77 t/hm2，比汕优63增加5.35%，居第三位，在新推荐的组合中居第一位。因生育期较短，产量最高，同时，其产量变异系数较小，因而稳产性好，在生产上应用风险较小。

近年来，我们通过国际合作和国家“863”项目的支持，培育出具有自主知识产权的氮高效利用水稻新品种协优9019和皖稻125，通过国家农作物品种审定，并成功示范推广。

另外，我们用氮素的吸收总量和氮素利用率高的水稻品种Dasanbyeo作母本与高产常规品种中籼898等杂交配制10个杂交种，在合肥正季种植，并在海南进行加代，现已对后代进行大群体种植，对产量群体在不同氮素水平下进行分段选择。已初步构建了F8代180个重组自交系群体。并对分离后代的氮素利用率进行了初步分析。已筛选了30多份氮高效利用水稻新品系和新材料。

2 氮高效利用应用基础研究

2.1 水稻根系活力与根系吸氮速率关系的研究

水稻根系是水稻吸收养分的主要器官。水稻根系的NH4+-N和NO3-N的吸收机理不同，对NH4+的吸收是通过与 ［H+］交换进行的。与根细胞色素氧化酶有关;对NO3-的吸收是通过根细胞转移的，它包括NO3-在根细胞膜上转移、NO3-的还原及同化等过程，与根细胞内的黄酶有关。过去曾认为，水稻是嗜铵作物，整个生育期的氨素氮吸收较多，但近年来研究认为，水稻吸收不同形态的氮量同环境的pH值、2种形态氨的比例、不同基因型、不同生育时期等多种因素有关［3］。我们用水培法对水稻秧苗根系活力及其吸氮能力进行了分析研究。结果表明，不同基因型水稻秧苗根系活力对氮的吸收能力存在差异。单位鲜根对氮的吸收速率与根系的活力密切相关。

在本项研究的6个不同基因型的水稻品种中，秀水11的根系活力最强，为37.4 mg(a-NA)/h，其根系对NH4+-N和NO3-N的吸收速率分别为6.25和9.79 μg/(g·h);安多稻根系活力次之，为31.2 μg/(g·h)，其根系对 NH4+-N和NO3-N的吸收速率分别为5.22和6.64 μg(a-NA)/h;其余品种根系活力及对氮的吸收速率均低于秀水11和安多稻。经测定，根系活力与NH4+-N和NO3-N的吸氮速率之间的相关系数分别为r1=0.7783和r2=0.8641，均达显著正相关，这种显著相关性，可以从根对氮的吸收是一个主动运输过程，需要ATP提供能量。根系活力高，供给的ATP最多，同时根细胞内与根吸收氮素有关的酶活性也高，因此其单位鲜根对氮的吸收速率也随之加快。

表2 根系活力与根系对氮的吸收速率

2.2 水稻品种在不同生育时期氮素吸收量的差异

朴钟泽等对供试的9个水稻品种各生育时期水稻氮素吸收量及其占整个生育时期氮素吸收总量进行了分析研究［4］(见表3)。

结果表明，移栽期至最高分蘖期，最高分蘖期至孕穗期所吸收的氮素量在水稻品种间未见显著差异;但孕穗期至黄熟期的氮素吸收量在水稻品种间呈显著差异;各生育时期氮素吸收量在施氮与未施处理间有着显著差异。说明从水稻整个生长进程看，水稻品种氮素吸收量的差异主要表现在孕穗期至黄熟期，氮素水平对各生育时期氮素吸收程度的影响较大。在施氮条件下移栽期至最高分蘖期、最高分蘖期至孕穗期、孕穗期至黄熟期氮素吸收量分别占全生育期的46.45%、18.75%和34.80%;而在未施氮条件下这3个时期吸收氮量分别占全生育期的20.33%、16.71%和62.96%。在施氮条件下前期吸收氮量较多，而未施氮条件下多数在孕穗期后吸收积累。在施氮条件下，氮素吸收量较多的水稻品种依次为Guichow、Milyang23、Dasanbyeo;而在未施氮条件下，氮素吸收量较多的水稻品种依次为Dasanbyeo、Guichow、Milyang23。这3个水稻品种在施氮条件下孕穗期后氮素吸收量为37%～49%，而在未施氮条件下孕穗期后氮素67%～70%。

表3 在施氮与未施氮两种水平下水稻品种不同生育时期氮素吸收量的差异

2.3 稻谷产量及氮素利用效率相关性状之间的相关分析

与此同时，朴钟泽等还在施氮和未施氮两种条件下，对稻谷产量及氮素利用效率相关性状之间进行了分析研究 (表4)。结果表明，在两种处理下稻谷产量与氮素吸收总量、收获期生理氮素利用效率和氮素转移效率呈显著的正相关，而与其他性状的相关不显著。在两种条件下收获期生理氮素利用效率与稻谷产量、氮素吸收总量和氮素转移效率呈显著的正相关，而与最高分蘖期生理氮素利用效率只有在施氮条件下呈显著的正相关。说明氮素吸收总量较多，收获期氮素生理利用效率和氮素转移效率较高的水稻品种一般表现较高的稻谷产量;同时，稻谷产量较高，氮素吸收总量较多，氮素转移效率较高的水稻品种一般表现为较高的收获期氮素利用效率。

表4 在施氮和未施氮两种处理下稻谷产量及氮素吸收利用效率相关性状之间的相关系数

2.4 不同施氮水平在各生育时期硝酸还原酶的活性

我们还对协优9019不同施氮水平在各生育时期硝酸还原酶的活性和不同生育时期硝酸还原酶的活性进行了研究。结果表明，在不同施氮水平下，各品种的硝酸还原酶活性不同。在第二水平时达到最高值，后又随之下降。不同品种硝酸还原酶活性存在着明显的差异。杂交水稻比常规水稻要强。协优9019表现出明显的优势 (图1)。

图1 协优9019不同施氮素水平硝酸还原酶的活性

在不同生育时期硝酸还原酶活性也不同。分蘖期硝酸还原酶的活性较低;抽穗时达到最高值。灌浆至结实期活性又明显下降;黄熟期活性又逐渐上升 (图2)。

3 讨论

1)随着超级稻的不断发展，研究培育和推广氮高效超高产水稻新品种，减少氮肥对环境的污染显得尤为重要。国家科技部农村与社会发展司将此项研究已列入国家“863”攻关计划，并取得了显著成果，这是凝聚优势力量，加速推动超级稻育种技术创新的一项重要举措，也是新形势下我国超级稻育种技术研究的方向、目标和重点。

2)该项研究是一项系统工程，今后要加强对现有水稻种质进行氮素高效利用的鉴定与评价，从中选择耐低氮和氮素利用率高的水稻育种亲本材料和特异资源。

3)在筛选和培育水稻高产优质氮高效利用新品种与配套技术的集成上，要进一步加强超高产生理生化特性的研究。结合各种高产栽培技术与化学调控措施及主要病虫害的综合防治技术。通过改善根系生长环境和后期物质生产能力，提高氮素利用效率，降低成本，减少环境污染，确保高产、优质、高效。

4)研究报道指出，Dasanbyeo和Guichow既表现较高的稻谷产量和氮素吸收总量，又表现较高的氮素利用效率，是比较好的氮素高效利用材料。氮素水平对氮素利用效率的影响较大，在未施氮条件下氮素利用效率显著高于施氮的。因此，根据不同的品种特性，适当减少氮肥施用量是提高氮素利用率的有效途径之一。在施氮和未施氮条件下收获期氮素利用效率与氮素吸收总量、氮素转移效率、稻谷产量、穗粒数、结实率和收获指数均呈显著正相关。因而在耐低氮水稻育种中可以把较高的稻谷产量、多穗、高结实率和高收获指数作为氮高效利用水稻品种的参考指标。

5)关于氮素利用效率的研究，近几年有一些研究报道，认为许多农作物不同基因型间氮素利用效率存在显著的差异。De Detta等［5］研究指出，氮素利用效率在不同水稻基因型间存在显著差异，并因年份、季节、栽培条件而表现出相当稳定的大小排序;Wu等［6］研究认为，杂交水稻品种的氮素利用效率比半矮秆和高秆常规水稻品种等高。方萍等［7］对苗期生理氮素利用效率的QTL分析结果表明，在第12条染色体上检出1个QTL与氮素利用率关联，且表现显著的加性和显性效应。又有研究指出，水稻品种的氮素需求量和利用效率在籼稻和粳稻间有较大的差异，即使是同类型品种，也存在较大的氮素利用率差异，并且因土壤性质不同，对氮素的吸收反应也不一样。

［1］江立庚，曹辉.水稻高效利用氮素的生理机制及有效途径［J］. 中国水稻科学，2002，16(3):261-264

［2］罗志祥，苏泽胜，施伏芝，等.氮肥水平对不同水稻品种籽粒产量及米质影响［J］.中国农学通报，2004，20(6):156-158

［3］戴先福，苏泽胜，桂彩虹，等.不同基因型水稻苗期根系吸氮力的研究［J］.安徽农业科学，2003，31(5):713-714

［4］朴钟泽，韩龙桂，高熙宗.水稻不同基因型氮素利用效率差异［J］. 中国水稻科学，2003，17(3):233-238

［5］DE DATTA K S，BROAD BEUT F E.Methodology for evaluating nitrogen utilization efficiency by rice genotypes［J］.Agron J，1988，80:793-798

［6］WU P，TAO Q N.Genotype response and selection pressure on nytyogen-use efficieucy in rice under different nitrogen regines［J］.Plant Nutrition，1995，18(3):487-500

［7］方萍，陶勤南，关平.水稻吸氮能力与氮素利用率QTLs及其基因效应分析［J］.植物营养与肥料学报，2001，7(2):159-165