籼粳交水稻重组自交系苗期耐冷材料的鉴定与筛选

(宁夏农林科学院农业生物技术研究中心, 宁夏 银川 750002)

水稻是仅次于小麦的世界第二大粮食作物，年播种面积约1.8亿hm2，产量约占世界粮食总产的1/3。作为一种喜温作物，它对温度非常敏感，我国一般每4～5年就会发生1次较大规模的水稻冷害。从遗传背景上看，东乡野生稻苗期耐冷性强于粳稻品种，籼稻品种的耐冷性一般明显弱于粳稻品种, 但不能排除籼稻所具有的某些耐冷基因的效应比粳稻耐冷基因的效应更强的可能性[1]。在鉴定指标上，大量研究以形态指标如死苗率、死叶率、叶片赤枯度、叶片卷曲度、萎蔫率、地上部生物量、根系生物量和根冠比等，生理指标如ABA、脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、电导率、叶片渗透势、抗坏血酸、还原性谷胱甘肽和可溶性糖含量等去衡量水稻苗期的耐冷性的强弱，都因取材、指标和处理方法的不同而导致结果略有差别[2-6]。在鉴定评价方法上，研究人员多利用人工气候室进行室内鉴定，多借助深冷水池、云贵等冷害频发的地理条件以及调整播期的措施进行苗期耐冷性自然鉴定，多运用主成分分析法、隶属函数法或聚类分析法进行综合评价[7-14]。水稻耐寒性的生理研究，主要集中在膜脂相变、自由基清除系统、低温信号转导、低温碳同化、光合影响等方面[2-6]；水稻耐冷遗传研究，多集中在QTL的定位和个别主效基因的克隆上，已定位的QTL遍及其12条染色体[15-17]。

苗期耐冷性是南方早籼稻和高纬度及高海拔地区水稻育种应重视的性状[18]。近年来，为提高水资源利用效率以及节省成本，宁夏水稻主要的种植方式由插秧改为直播，但直播苗常遭受延迟性冷害的威胁，表现为出芽慢或烂秧，成苗率低，苗期失绿、枯萎，少分蘖、生长缓慢等，重要原因是本土耐冷遗传资源的匮乏。加快苗期耐冷资源的鉴定、筛选和利用成为改善这一状况的有效手段。本研究利用含东乡野生稻遗传背景的重组自交系群体材料，分析冷胁迫对水稻幼苗的形态的影响，选择与该群体苗期耐冷性相关性较强的形态指标，并运用聚类分析的方法筛选耐冷性强的材料，以期丰富宁夏水稻的耐冷资源，为宁夏水稻耐冷品种选育和实践提供参考。

表1 死叶率、叶片赤枯度和卷曲度分级标准[19-20]

死叶率分级标准 叶片赤枯度分级标准 叶片卷曲度分级标准 死叶率等级特征等级特征等级相应耐冷水平0%～20.0%1级所有叶青绿或接近青绿1级所有新叶正常伸展1级极强20.1%～40.0%3级叶子有一点脱色或黄色3级新展叶叶尖至 1/2 以下卷曲(心叶正常)2级强40.1%～60.0%5级叶子大部分黄化5级新展叶叶尖至1/2～2/3卷曲(心叶正常) 3级中60.1%～80%7级50%叶子干枯,有些苗死亡7级新展叶、次新展叶全卷(心叶正常)或新展叶全卷4级弱80.1%～100.0%9级大部分或全部苗死亡9级全部叶片卷成筒状或萎蔫5级极弱

表2 水稻待测性状编号

变量X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12相对性状死叶率赤枯度卷曲度苗高鞘长最长根长主根数侧根数总根数苗干重根干重干物质重

图1 苗期水稻冷处理后各性状变化情况

1 材料和方法

1.1 材 料

以稳定的ZD 15×IR 29籼粳交重组自交系群体F9子代及亲本共122份材料为供试材料,均由宁夏农林科学院李树华研究员提供。ZD 15是宁粳16号与东乡野生稻杂交选育的稳定品系，具有耐冷、耐旱特性，IR 29为国际水稻所(IRRI)籼稻品种，具有优质、抗病、冷敏感的特点。

1.2 试验方法

试验在宁夏农林科学院农业生物技术重点实验室进行。首先挑选整齐一致的两叶一心期幼苗30株于光照培养箱8 ℃ 4 d冷处理，于20～30 ℃恢复生长6 d，以28 ℃白天 24 ℃黑夜的光照条件下正常生长的水稻苗作为对照，测量死叶率，叶片赤枯度、叶片卷曲度、苗高、根长(最长不定根的长度)、侧根长、主根数(大于4 cm的不定根)、侧根数(小于4 cm的不定根)、苗干重及根干重，并进一步计算相对性状的值。每个处理设3次重复，以平均值作为统计单位。其中死叶率、叶片赤枯度和卷曲度分别按相应标准调查记载(表1)，某性状的相对值是指耐冷处理再恢复温度后的表型值与同一时间对照表型值的比值，为便于统计计算，对各相对性状进行编号，详见表2。

1.3 数据处理

表格和柱状图采用Excel 2007软件进行整理和绘制，聚类热图借助R语言完成。

2 结果与分析

2.1 苗期水稻冷处理后各性状的表现

冷处理再恢复后，与对照相比较，死叶率、赤枯度、卷曲度均增大，其中死叶率平均增加7.16倍，赤枯度平均增加4.15倍，卷曲度平均增加3.43倍。除了胚芽鞘长度没有变化以外，其余性状的值都不同程度地减小，降幅从大到小依次为根干重>总干重>苗干重>侧根数>总根数>主根数>苗高>最长根长(图1)。总之，水稻在两叶一心期受到冷害，与对照相比，除了叶部形态和颜色的明显变化外，根干重和总干重也明显降低。

正常条件下，IR 19在苗高、最长根长、苗干重等性状上高于ZD 15，ZD 15在主根数、侧根数、总根数、根干重等性状上高于IR 19，冷处理后，IR 19死叶率、赤枯度、卷曲度等较ZD 15明显增大，最长根长较ZD 15变短(图2)。正常条件下，子代各性状变异系数范围在17%～50%，各性状变异系数从大到小为苗高>芽鞘长>最长根长>主根数>侧根数>总根数>苗干重>根干重>总干重，冷处理条件下，子代各性状变异系数范围在16.8%～75.0%，各性状变异系数从大到小为死叶率>赤枯度>卷曲度>苗高>芽鞘长>最长根长>主根数>侧根数>总根数>苗干重>根干重>总干重；与对照相比较，冷处理后子代的侧根数、总根数、苗干重、根干重、总干重变异系数增大，苗高、芽鞘长、最长根长、主根数变异系数减小；籼粳交重组自交系各家系性状上的遗传分离较大，不论在正常条件还是冷处理条件下，都不同程度出现超亲分离的现象(表3)。

图2 苗期水稻冷处理后子代与亲本各性状的比较

表3 不同条件下重组自交系亲本及后代各性状的分布情况

性状IR29均值ZD15均值后代最小值最大值极差均值标准差变异系数偏度峰度正常条件苗高16.1 13.8 8.3 23.6 15.3 13.5 2.3 17.0 0.923.03芽鞘长1.9 1.8 0.9 3.3 2.4 1.8 0.4 22.2 0.270.64最长根长20.8 18.3 10.2 29.1 18.9 19.7 3.8 19.3 0.18-0.19主根数2.4 3.9 2.0 7.3 5.3 4.1 0.9 22.0 0.360.64侧根数1.3 2.1 0.0 5.8 5.8 2.4 1.2 50.0 0.35-0.40总根数3.7 6.0 3.5 12.4 8.9 6.5 1.8 27.7 0.870.44苗干重1.4 1.0 0.4 1.6 1.2 1.0 0.2 20.0 0.250.26根干重0.4 0.5 0.3 1.1 0.8 0.5 0.1 20.0 1.645.17总干重1.8 1.5 0.9 2.3 1.4 1.5 0.3 20.0 0.520.25冷处理条件死叶率1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.4 0.3 75.0 0.58-0.86赤枯度9.0 1.0 1.0 9.0 8.0 4.2 2.6 61.9 0.37-1.09卷曲度4.5 2.1 1.0 5.3 4.3 3.4 1.1 32.4 -0.35-0.64苗高12.7 12.6 6.4 22.3 15.9 12.6 2.2 17.5 0.884.57芽鞘长1.9 1.8 0.7 3.4 2.7 1.8 0.4 22.2 -0.131.17最长根长17.5 18.0 8.4 26.6 18.2 19.0 3.2 16.8 -0.430.83主根数1.8 3.6 1.6 6.3 4.7 3.5 0.8 22.9 0.630.87侧根数1.2 2.2 0.3 5.0 4.7 1.9 0.9 47.4 0.861.13总根数3.1 5.8 3.0 11.3 8.3 5.4 1.4 25.9 1.442.96苗干重1.0 0.8 0.1 1.1 1.0 0.7 0.2 28.6 -0.762.46根干重0.4 0.5 0.2 0.6 0.5 0.4 0.1 25.0 0.450.49总干重1.3 1.3 0.5 1.6 1.1 1.1 0.2 18.2 -0.130.34

2.2 苗期水稻冷处理后各性状的相关关系

从表4可知，X1、X2、X3之间均极显著正相关，其中X1与X2相关系数最高，为0.9，X1分别与X11和X12显著负相关，X2分别与X11和X12显著负相关，X3分别与X4和X9显著负相关。表明死叶率、相对赤枯度、相对卷曲度三者显著正相关，死叶率与相对根干重及相对总干重显著负相关，相对赤枯度亦与相对根干重及相对总干重显著负相关，卷曲度与相对苗高及相对总根数显著负相关。结合苗期水稻冷处理后各性状的表现，选定死叶率、赤枯度、卷曲度、根干重、总干重、苗高和总根数作为水稻耐冷相关的主要表型性状。

2.3 耐冷材料的筛选

将冷处理后获得的群体表型数据进行标准化处理，再对与耐冷性状联系密切的7个耐冷表型指标及群体观测值进行双向系统聚类。耐冷相关指标上：从左向右，将卷曲度、死叶率、卷曲度聚为第Ⅰ类，代表了幼苗叶部形态的变化，将总根数、苗高、根干重、总干重聚为第Ⅱ类，代表了幼苗素质在数量和质量的变化。耐冷性状观测值上：自上而下，群体可分为耐冷(Ⅰ)和不耐冷(Ⅱ)两大类，分别包含46个样本和76个样本，耐冷材料总数约为不耐冷材料的0.61倍。

再将耐冷材料划分为2个小类，其中I-1包含40份材料，高值亲本ZD 15也在其内，它们的叶片和根生长对冷不敏感，代表耐冷型分组，Ⅰ-2包含6个材料，它们的幼叶和根生长对冷极不敏感，代表强耐冷型分组；不耐冷材料又划分为3个小类，其中Ⅱ-1具有总根数不足的特征，共包含14份材料，代表较不耐冷型分组，Ⅱ-2具有苗弱或根弱的特征，共包含26份材料，代表不耐冷型分组，Ⅱ-3具有苗受损、根冷适应不足、总根数减少等综合特征，低值亲本IR 29也在其内，共包含36份材料，代表极不耐冷型分组(图3)。由此选择Ⅰ-2强耐冷性的分组，它包含编号为23、117、139、177、186、187共6份优良耐冷家系。

表4 苗期水稻耐冷相对性状的相关系数

相对性状X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X11.00X20.90∗∗1.00X30.81∗∗0.85∗∗1.00X4-0.11-0.16-0.17∗1.00X5-0.12-0.10-0.040.23∗∗1.00X6-0.03-0.05-0.100.49∗∗0.071.00X7-0.04-0.05-0.140.130.110.001.00X8-0.02-0.04-0.080.26∗∗0.070.140.031.00X9-0.07-0.08-0.18∗0.24∗∗0.120.070.76∗∗0.56∗∗1.00X10-0.10-0.12-0.150.50∗∗0.24∗∗0.28∗∗0.130.070.18∗1.00X11-0.19∗-0.20∗-0.120.33∗∗0.090.40∗∗0.130.130.22∗0.061.00X12-0.18∗-0.21∗-0.170.61∗∗0.26∗∗0.44∗∗0.130.130.23∗∗0.79∗∗0.58∗∗1.00

注:“*”，“**”分别表示在ɑ=0.05和ɑ=0.01水平的差异显著性。

图3 群体耐冷表型系统聚类热图

3 结论与讨论

3.1 讨 论

水稻苗期耐冷性受数量遗传位点控制，其表达受遗传背景和环境的共同作用。吴立群等研究发现，耐敏感水稻品种较耐冷水稻品种根系根尖薄壁细胞形状不规则，排列疏松，细胞间隙大，维管束结构不清晰，木质部排列紊乱，总根数、最长根长、根干重根系总吸收面积、活跃吸收面积和根系活力下降[21]。本研究中，冷敏感品系的总根数和根干重、苗高都较耐冷品系明显降低。Jia Y等研究表明，苗期低温处理导致水稻植株鲜重及干物质重均下降，水稻无物质积累，生长停滞[22]。本研究发现，根系发达的水稻材料在遭受冷害时其总干物质重下降相对缓慢，耐冷性较好，即根系的繁茂程度直接影响水稻苗期的耐冷性，但相关结论需要自然群体材料进一步研究加以验证。武志峰等研究发现，苗期5.0 ℃低温胁迫处理，水稻存活率、地上部干重、根数、根系体积、叶面积等性状都发生显著变化，其中存活率和地上部干重最能代表幼苗对低温的响应，可作为籼稻苗期耐冷性鉴定的评价指标[23]。这与本研究结果并不矛盾，一般地上部干重高的材料地下根系也比较发达，只是材料的背景差异，指标的选取范围不一，筛选方法的不同，使得研究结果略有差别。由于室外冷害的环境条件远比室内环境模拟条件复杂，所以本文苗期耐冷性鉴定结果，还需在大田环境条件下进一步验证。

耐冷性是由遗传基因控制的对低温反应的一种适应性，东乡野生稻具有极强的耐寒性，其耐寒性比其它野生稻强，更比栽培稻强[24]。ZD 15作为东乡野生稻背景的耐冷亲本材料，与IR 29品种杂交后代中耐冷材料和不耐冷材料的分离比约为3∶5，但聚类分析反映后代有超亲家系的出现，这有利于耐冷材料的鉴选和利用。今后在东乡野生稻背景的粳稻资源上应加强综合利用，为选育耐冷直播品种做好材料储备，为宁夏直播水稻的安全种植提供有益的探索和参考。

3.2 结 论

采用人工气候室对水稻重组自交系幼苗进行了耐冷性鉴定，选择变异程度较大的死叶率、赤枯度和卷曲度以及与其显著相关的根干重、总干重、苗高、总根数等相对性状作为该群体耐冷性鉴定的指标，通过层次聚类的方法，将材料细分成5个小类，并从中筛选出了耐冷性状突出的6份家系。