施氮水平对水稻DUS 测试标准品种形态性状 表达稳定性的影响

唐浩

(农业部科技发展中心，北京100122)

在不同的环境条件下特异性、一致性、稳定性(DUS)测试性状表达稳定性程度不一。在影响植物性状表达稳定性的众多环境因素中，既包括温度、光照、水分及土壤肥力等自然环境因素，也包括肥料施用和病虫害防治等栽培因素[1]。在栽培因素中，肥料施用特别是氮肥施用是影响水稻生长发育的最重要的因素。前人就氮肥对水稻产量及其植株生物学性状的影响进行了大量研究[2–8]，结果表明，水稻产量对氮素水平表现出抛物线的变化趋势，即在一定范围内，产量随施氮量增大而增加，但超过一定范围后，随施氮量的进一步增加而下降。氮素施用量和施用时期对水稻产量性状也有显著影响，一般认为，施氮有利于增加有效穗数，而其他产量构成因素随施氮量增加而下降[4,9–10]；也有在一定范围内施氮可使有效穗数和穗粒数协同增加的报道[8]。

迄今有少数关于氮素对水稻某些农艺性状影响的报道。张文香等[8]研究发现，氮肥用量为0～200 kg/hm2时，水稻一次枝梗数、二次枝梗数、植株高度、穗颈长、穗长、着粒密度随施氮量增大而增加。周有炎等[9]研究表明，随施氮量增大，水稻株高增高，上三叶叶长、叶宽增大，穗下节长度增加，穗长变化不明显。戈长水等[11]研究发现，施氮量对水稻叶片生长及其光合能力影响很大，在施氮量为0～300 kg/hm2时，随施氮水平的提高，叶片逐渐变宽、变长，且叶片叶绿素含量明显提高。潘博等[5]对寒地水稻的研究表明，增施氮肥对穗长和剑叶的长度无显著影响，随着施氮量的增加，平均穗粒数具有显著增加趋势。殷春渊等[12]研究表明，水稻上三叶的形态特征中，受氮肥影响较大的是倒一叶叶宽和倒二叶叶长，倒一叶叶长、倒三叶叶宽受氮肥影响较小。刘丽霞等[13]研究表明，增施氮肥使水稻叶面积增加、叶绿素含量显著增大，但气孔密度明显减小。包灵丰等[14]研究表明，氮肥用量增大，生育期变长，水稻有效穗显著提高，结实率下降，而株高、穗长、千粒重和穗粒数变化不显著。上述研究均表明，水稻产量性状与生物学性状受到氮肥用量的显著影响。

目前关于氮素对水稻农艺性状的影响，在产量性状上多限于产量及其构成因素(有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重)，在生物学性状上多限于株高、穗长、叶长、叶宽等方面的研究，对水稻其他农艺性状的影响鲜见报道。笔者以当前中国水稻品种DUS 测试用的44 个标准品种为材料，调查不同施氮水平下的水稻新品种DUS 测试指南中的51 个测试性状表达的变化，探讨氮素水平对水稻DUS 测试性状表达稳定性的影响，以期为DUS 测试性状选择以及栽培技术的规范提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

采用水稻DUS 测试指南中列出的44 份水稻标准品种为材料，其中籼稻品种16 个，粳稻品种28个，分别来自中国、日本、韩国、俄罗斯和国际水稻研究所(IRRI)[15](表1)。

表1 供试水稻品种及其来源

1.2 材料种植及形态性状鉴定

1.2.1 材料种植

所有参试材料均于2009年种植在农业部植物新品种测试成都分中心的DUS 测试试验基地(四川省成都市郫县)。试验地土质均为黏土，前作冬闲田，土壤肥力水平中等偏上。4月8日播种，5月16日移栽。试验地磷钾肥按照常规方法施用。氮肥施用量设5 个处理，分别为150 kg/hm2(处理1)，112.5 kg/hm2(处理2)，37.5kg/hm2(处理3)，0 kg/hm2(处理4)，75 kg/hm2(处理5)。田间试验采用无重复的完全随机试验设计，小区行长3.54 m，行距0.24 m，株距0.17 m，每行22 株，每个水平1 个小区，每小区种植44 个标准品种，每个材料种植1 行，小区间筑小埂隔开，并用薄膜覆盖小埂阻隔肥水，各小区单独排灌。试验地四周设保护行。田间管理与当地大田生产基本相同，试验期间未遭受明显病、虫和鸟害。

1.2.2 形态性状调查鉴定

所调查性状选自水稻新品种DUS 测试指南中列出的51 个测试性状(表2)，性状鉴定方法和程序按水稻新品种DUS 测试指南(2007 版)要求进行。

1.3 统计分析方法

采用AMMI 模型分析目测性状，采用方差分析及多重比较的方法分析量测性状。

1.3.1 AMMI 模型分析

采用SAS 软件[16]进行AMMI 模型分析。首先进行联合方差分析，在基因型与环境(施氮处理)互作效应显著的基础上，按AMMI 模型进行稳定性分析，其数学模型为：

式中：，yijk是第i 基因型(视测试性状为基因型)在第j 个生长环境(即不同施氮量)的第k 次重复(视标准品种为重复)的观察值；μ 是所有施氮量所有基因型的平均表型值；gi是第i 个基因型的主效应；ej是第j 个环境的主效应；λs 是第s 个主成分的特征值；αis是第s 个主成分的基因型得分，γjs是第s 个主成分的环境得分；n 是AMMI 模型中基因型与施氮量交互作用主成分的个数；Rij为提取过n 次iPCA 轴后留下的残差；εijk为随机误差。式右第4 项即为估算的基因型与施氮量交互作用的总和，其中λ0.5sαis为第i 基因型与施氮量交互作用的第s 个主成分值，记为iPCAs。本研究取主成分效应的前3 个iPCA 在多维空间离原点的距离作为基因型稳定性的评价指标，记为Di，其值越小则品种稳定性越高。

1.3.2 方差分析

采用SAS 软件进行方差分析。

表2 测试性状及观测方法

2 结果和分析

2.1 目测性状的稳定性

首先对38 个目测性状AMMI 模型进行联合方差分析，结果表明，该模型在0.001 统计水平上显著(表3)。其次，对AMMI 模型中基因型与施氮量效应进行显著性分析，结果发现AMMI 模型中，第1 个主成分能解释61.03%的基因型与施氮量互作效应，前2 个主成分能解释83.26%的基因型与施氮量互作效应，前3 个主成分能解释93.09%的基因型与施氮量互作效应(表4)。由此，取前3 个iPCA 在多维空间离原点的距离(即Di值)作为性状稳定性的评价指标作图(表5，图1)，结果显示，38 个目测性状的Di值具有一定差异，介于0.033～0.657。其中，Di值最大的是抽穗期(0.657)，其次是叶片绿色深浅(0.642)，再次是茎节花青甙显色(0.426)；此外，Di值为0.2～0.4 的有倒数第二叶叶片茸毛(0.348)、叶片花青甙显色(0.218)、外颖色(0.205)和芒有无(0.204)；Di值为0.1～0.2 的有茎节间花青甙显色(0.196)、颖尖花青甙显色(初期)(0.187)、芒的分布(0.175)、近颖尖部花青甙显色(后期)(0.127)、叶片花青甙分布(0.126)、叶鞘色(基部)(0.11)和剑叶角度(后期)(0.105)；其他各性状的Di值均在0.1 以下，尤其是茎秆角度、糙米形状、种皮色、穗类型、二次枝梗、柱头颜色、倒数第二叶叶舌各性状等的均在0.04 以下(表5，图1)。

可见，在38 个目测性状中，在不同施氮量条件下，抽穗期、叶片绿色深浅与茎节花青甙显色稳定性较差，其他指标稳定性较好，尤其是茎秆角度、糙米形状、种皮色、穗类型、二次枝梗、柱头颜色、倒数第二叶叶舌各性状等稳定性最好。

表3 DUS 测试中目测性状AMMI 模型方差分析

表4 目测性状AMMI 模型中不同主成分的统计参数

表5 目测性状AMMI 模型的主成分及稳定性参数

图1 DUS 测试目测性状与施氮水平互作AMMI交互作用双标图

2.2 量测性状的稳定性

表6 所列为13 个量测性状的方差分析结果。各量测指标(倒二叶长、倒二叶宽、倒二叶舌长、剑叶长度、剑叶宽度、结实率、茎秆长度、茎秆粗细、茎秆茎数、每穗粒数、穗长度、穗伸出度和最长芒长度)在品种间表现出了显著差异；除了最长芒长度外，其他性状在不同施氮量下也表现出了显著差异；同时，基因型与施氮量的互作对各量测指标的影响也达到了显著水平。可见，施氮量对芒长的影响不大，但对其他量测性状有显著影响。

表6 量测性状方差分析结果

量测性状在不同施氮水平下的多重比较结果见表7。各性状在不同施氮水平下表现有显著差异，其中，倒二叶长以处理1 最长，其次是处理5，再次是处理2，处理3 和4 显著低于其他处理；倒二叶宽，除处理1 和2 没有显著差异外，其他处理表现随施氮量下降显著下降趋势；倒二叶舌长以处理5 最长，显著高于其他处理；剑叶长度，处理1、2、5 显著长于处理3，处理3 显著长于处理4；剑叶宽度，除处理2 和5 没有显著差异外，其他处理表现随施氮量增大而变宽的趋势；结实率，处理3、4、5 之间没有显著差异，但施氮量继续增大则导致结实率显著下降；茎秆长度一般随施氮量增大而显著增大，但处理1 和2 没有显著差异；茎秆粗细以处理5 最粗，处理4 最细，其他处理间没有显著差异；茎秆茎数以处理5 最大，其他处理表现施氮量越大茎数越多；每穗粒数以处理5 最大，处理1 居其次，处理2 和4 最少；穗长度，处理1 和5 最长，处理2 居其次，处理3 和4 最短；穗伸出度以处理2 最大，处理1 和3 最小。

表7 量测性状在不同施氮水平下的多重比较结果

整体来看，各性状均受到施氮水平的显著影响，叶片长宽性状(包括倒二叶长、倒二叶宽、剑叶长度、剑叶宽度)、茎秆长度与穗长度表现随施氮量增大而增大的趋势，结实率在施氮量超过75 kg/hm2后呈显著下降趋势，而其他性状变化规律不甚明显。

3 小结与讨论

当前，我国的DUS 测试主要采用DNA 分子标记辅助，田间种植试验集中测试新品种DUS 方式进行，其中田间表型性状的鉴定由不同单位在不同环境条件下实施。不同测试点除了生态环境差异外，在栽培技术上尚不能采用完全一致的水平，测试结果也有一定差异，势必影响测试结果的真实性。本研究以我国水稻DUS 测试指南中的44 个标准品种为材料，就氮素施用量对水稻51 个测试性状的表达稳定性进行了系统研究。结果表明，氮素施用量对目测性状和量测性状均有不同程度的影响。其中，38 个目测性状中，抽穗期、叶片绿色深浅与茎节花青甙显色对氮素的反应较明显，其他指标稳定性相对较好；13 个量测指标中，最长芒长度稳定性较好，其他性状在不同氮素施用水平下均发生显著变化。

水稻氮肥施用是一项非常复杂的技术，除施氮量外，还应考虑土壤基础肥力、氮肥种类、氮肥类型、氮肥运筹、肥料配施(有机无机配施、氮磷钾配施)等问题。不同肥料类型、不同施用量和不同施用时期对水稻的秧苗形态与生理特性[17]、产量与氮肥利用率[18–20]、品质[20]都存在一定影响。高地力稻田氮肥贡献率小、施肥增产的潜力小，低地力稻田氮肥贡献率大、施肥增产的潜力大[21]。氮肥运筹，即氮肥在不同时期的分配明显影响水稻群体质量[22]、产量[22–23]、氮素吸收利用[9,23]、叶长与节间长[24]等。除了以上问题以外，氮肥施用还应考虑其与其他栽培措施(如灌水、种植密度、秸秆还田、土壤耕作等)的互作效应。

基于上述研究，对水稻DUS 测试提出如下建议：(1)在DUS 测试指南制(修)订中，尽可能剔除稳定性差的性状，尽可能选出最合适的标准品种，以便在DUS 测试时起到示例和校正作用；(2)进一步规范DUS 测试单位的栽培技术，特别是对氮素的施用量和施用时期严格规范，以免影响测试结果；(3)除施氮量以外，还应统筹考虑土壤基础肥力、氮肥种类、氮肥类型、氮肥运筹、灌水制度、种植密度等各个方面，尽可能使不同测试环境保持一致。

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