水稻早代跟踪叶绿素b含量创制耐寡照不育系初探

朱子超 何永歆 欧阳杰 蒋刚 王楚桃 李贤勇

摘   要   四川盆地是我国水稻生产重度寡照区，寡照不仅影响水稻产量，还使米质变差。捕光色素——叶绿素b对水稻耐寡照有重要作用，提高叶绿素b含量，能够提高寡照下水稻的生物产量和经济产量，降低垩白粒率。试验将高叶绿素b材料58B与一个性状互补的广东常规稻杂交，利用自然寡照条件下早代跟踪叶绿素b含量方法辅以必要的垩白、配合力、农艺性状筛选技术筛选出了4个不育系株系，经测交组合的产量、垩白等配合力检测，定型了一个综合性状较好的不育系5A。该不育系目前已经通过重庆市农作物品种审定委员会技术鉴定，说明利用该方法创制耐寡照不育系是可行的。相关性分析发现叶绿素b含量与经济产量呈正相关，与垩白粒率呈负相关。

关键词   水稻;育种;叶绿素b;产量;垩白;耐寡照不育系

中图分类号：S511    文献标志码：A    DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.34.019

光对植物生长十分重要，它是植物生长的能量来源，还作为信号因子调节植物的生长发育[1]。植物对寡照有“躲避”和“忍耐”两种应激保护机制。植物通过“躲避”提高光合效率的具体表现有：叶面积增大（叶片变薄），叶绿素、氮和蛋白质含量升高[2-5]，株高增加，节间伸长[6]，分蘖（枝）减少，茎叶生长速度加快，这些反应称为“避荫综合症”[7-8]。“忍耐”机制则通过降低光消耗和呼吸速率以减少植物体能量消耗。

不同生育阶段的寡照对水稻有不同程度的影响。分蘖期和幼穗分化期弱光导致有效穗[9]、每穗粒数及结实率减少，最终产量降低;灌浆期弱光使水稻叶片净同化率降低[10]，结实率和千粒重下降，产量降低[11-12];抽穗后寡照还使稻米碾磨品质、外观品质、营养品质和食味品质均有所下降[13]，垩白粒率和垩白度显著增加[14-15]。

四川盆地是我国光照重度匮乏区，年日照时数和年总辐射量分别较同纬度东部地区少30%～40%和20%～30%，且年辐射总量的50%～70%属于散射辐射[16]。水稻是该区域的主要粮食作物，选育适合该地区的水稻品種对保障粮食安全和提升人民生活水平具有重要意义。

叶绿素b是PSⅡ捕光色素蛋白复合体的重要成分。研究发现，提高叶绿素b含量，能够提高寡照下水稻的生物产量和经济产量，降低垩白粒率[17]。在此思路启发下，我们将高叶绿素b材料和骨干亲本杂交，在叶绿素b含量早代跟踪及配套筛选方法辅助下，进行了耐寡照不育系水稻的创制工作。

1 材料与方法

1.1 试验材料

耐寡照不育系亲本采用广东常规稻材料（田间编号为20001，以下简称为20001）和58B。20001是广东优质常规稻，该品种稻瘟病抗性较强，据重庆市农业科学院水稻所2011—2013年在南川稻瘟病鉴定基地的鉴定结果，该品种综合抗性指数分别为2.1、3.0、2.9;但其叶绿素b含量较低，为0.20 mg·g-1。58B是重庆市农业科学院水稻所自育的三系籼稻保持系，该保持系耐寡照[17]、一般配合力好，品质和稻瘟病抗性还有待进一步提高，其叶绿素b含量为1.05 mg·g-1。

不育系测交组合父本用辐恢838、Q恢28、Q恢52。这3个恢复系的米质、产量和稻瘟病抗性配合力均为辐恢838

1.2 寡照处理及田间管理

整个试验于2013—2019年在重庆市农业科学院巴南试验基地进行。根据重庆近30年气象数据，5—6月为光照不足期。为将水稻整个分蘖期和幼穗分化期置于寡照阶段，将材料安排于3月25号左右播种，4月30号前后移栽，株行距为16.67 cm×26.66 cm，每行10穴，单本种植。F2世代栽30行，F3及以上保持系、杂交组合栽5行，不育系栽1行。其他管理措施同一般大田。

1.3 叶绿素b含量测定

叶绿素b含量测定参照Lichtenthaler[18]的方法进行。在F2～F4世代，材料经寡照处理始穗后，称取0.05 g剑叶中部叶片，剪碎装入总体积25 mL的丙酮∶无水乙醇（1∶1，v/v）离心管中，暗处理48 h，至叶片完全失绿变白。利用分光光度计测定叶绿素b含量。在F5及以上世代，始穗后测量保持系回交单株剑叶的叶绿素b含量。

1.4 米质跟踪筛选

保持系材料从F2代开始，系选单株黄熟后收取100粒左右种子，室内阴干后用万深SC-E大米外观品质检测仪进行稻米外观品质检测，淘汰垩白粒率>30%的株系。测交组合稻米外观品质也采用上述方法判定。

1.5 产量调查

测交组合黄熟后，割取第3行第3～7位单株共5株有效穗，装入网袋并编号，37 ℃下烘48 h，烘干后测量实粒重。

1.6 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 F2代叶绿素b含量分布

20001和58B经杂交又自交1代后，F2代单株叶绿素b含量开始分离。对自然寡照处理下的300个F2代单株叶绿素b含量测试，发现单株之间差异较大。叶绿素b含量变幅从0.05～0.98 mg·g-1，多数集中在0.85～0.9 mg·g-1附近（见图1）。从叶绿素b频率分布看，该叶绿素b性状可能受1对基因控制，其中高对低是显性。

2.2 测交组合叶绿素b含量

在寡照下，经过对F2～F5世代的叶绿素b含量逐代跟踪选择，结合株叶型、生育期、经济产量的表现，得到4个备选株系，分别命名为2A、3A、4A、5A，其叶绿素b含量分别为0.72、0.81、0.90、0.93 mg·g-1。CK为Ⅱ-32A，叶绿素b含量为0.64 mg·g-1。

将包含对照不育系的5个不育株系与辐恢838、Q恢28和Q恢52两两测交，发现不育系因素对测交组合的叶绿素b含量影响极显著（P=0.69×10-6<0.01）。随不育系叶绿素b含量升高，测交F1代的叶绿素b含量也逐步升高（见表1、表2），其中5A/Q恢52组合的叶绿素b含量最高，达到0.98 mg·g-1。5个不育系叶绿素b含量配合力顺序为：5A>4A>3A>2A>Ⅱ-32A。

2.3 测交组合产量

将包含对照Ⅱ-32A的5个不育系与3个测交恢复系两两杂交配制的测交组合单本种植在重庆市农业科学院水稻所巴南试验基地，经自然寡照处理生长成熟后，割取第3行中间5株并统计其经济产量，结果见表3。除2A所配组合外，3A、4A、5A测配组合的经济产量均超过Ⅱ-32A与相应测交父本配组的组合产量。方差分析发现，不育系因素对测交组合经济产量的影响达到极显著水平（P=0.66×10-6<0.01）。

2A与3个恢复系配制的测交组合与Ⅱ-32A所配组合相比，平均单株经济产量低0.743 3 g，但没有达到显著水平（P=0.08>0.05）;其他3个不育株系所配组合与Ⅱ-32A相比，均超过对照达到极显著水平（见表4）。5A所配组合产量最高，均高于Ⅱ-32A、2A、3A、4A所配组合。从表4来看，5个不育系的产量一般配合力大小顺序为：5A>4A>3A>Ⅱ-32A>2A。

2.4 测交组合的米质

垩白粒率是水稻寡照区米质提升的重要限制因素，也是该区域稻米品质提升的难点[19-21]。因此，本试验选取了垩白粒率这一检测指标来衡量测配组合的米质。经检测，2A～5A所配组合的垩白粒率与Ⅱ-32A同一父本组合相比均大幅下降（见表5），降幅为8.02%～79.38%。方差分析发现，本试验中不育系因素对测交组合的垩白粒率影响达到显著水平（P=0.03<0.05）。

多重比较发现（见表6），2A～5A所配组合的平均垩白粒率比Ⅱ-32A的显著降低，降幅为19.44%～28.40%，除2A为显著水平外（P=0.03<0.05），其他均達到极显著水平。这说明新选育的不育株系较传统不育系米质有重要提升。2A、3A、4A和5A所配组合的平均垩白粒率依次降低，但是它们的差异没有达到显著水平。包含Ⅱ-32A在内的5个不育株系垩白粒率配合力为：Ⅱ-32A>2A>4A>3A>2A。

2.5 叶绿素b含量与经济产量、米质相关性

经双因素相关性检测，组合叶绿素b含量与经济产量呈正相关，pearson相关系数为0.952，达极显著水平（P=0.48×10-9<0.01）;组合叶绿素b含量与垩白粒率呈负相关，pearson相关系数为-0.722，极显著（P=0.002 4<0.01）。

3 讨论

水稻在寡照胁迫下，不仅产量会降低[11-12]，米质也会变差[13-14]。四川盆地是我国水稻生产寡照区，在该地区开展水稻耐寡照不育系创制工作有十分重要的意义。

叶绿素b是PSⅡ捕光色素蛋白复合体的重要成分。研究发现叶绿素b含量升高的突变体在寡照下的生物产量、经济产量和米质均有提升[17]。我们将该高叶绿素b突变体与性状互补的一个广东常规稻材料杂交，构建了F2代分离群体。分别测量300个F2代分离群体的单株，发现叶绿素b含量分布呈偏态分布，受1对基因控制，高叶绿素b含量对低含量是显性。这个显性性状对杂交水稻品种选育有重要意义，因为只要杂交品种的其中1个双亲含有该高叶绿素b基因，则杂交品种就会表现出高叶绿素b表型，品种也比较耐寡照。后面的测交组合方差分析叶绿素含量结果也证实了这一点，不育系的叶绿素b含量对测交组合的影响显著。

从F2～F5代，我们在自然寡照条件下，对每一个入选单株的叶绿素b含量进行跟踪，淘汰含量低的株系。同时，辅以垩白粒率、农艺性状的筛选。最终，筛选出了4个不育株系（2A、3A、4A、5A），其叶绿素b含量分别为0.72、0.81、0.90、0.93 mg·g-1。从测交组合的产量、垩白等检测结果来看，这4个不育株系以5A的综合表现最好，其所配的3个测交组合米质都达到国家二级以上标准，产量也显著高于Ⅱ-32A所配组合。目前，该不育株系通过了重庆市农作物品种审定委员会鉴定。这证明通过水稻早代跟踪叶绿素b含量创制耐寡照不育系是可行的。

尽管叶绿素b含量适当升高对水稻耐寡照有重要意义，但也不是越高越好。研究发现，叶绿素b含量过高的水稻植株在高光强下，叶片过量吸收光，从而阻碍活性氧产生导致光抑制，使得水稻群体发生光合“午休”现象[22-24]。本试验中通过测交组合的叶绿素b含量与产量、垩白的相关性分析发现：叶绿素b含量与产量呈极显著正相关，pearson系数为0.952;与垩白粒率呈极显著负相关，相关系数为-0.722。我们在育种实践中要将亲本的叶绿素b含量控制在适宜水平，在求得杂交组合产量和米质最优的同时，避免使水稻群体在强光下产生“午休”现象。

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（责任编辑：易  婧）