水稻自然变异群体淹水发芽相关特性鉴定

陈振挺,冯芳君,严 明,范佩清,马孝松,吴金红,梅捍卫,∗

(1 上海海洋大学水产与生命学院,上海201306;2 上海市农业生物基因中心,上海201106;3农业农村部作物基因资源与种质创制上海科学观测实验站,上海201106)

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,目前我国和亚洲稻作国家主要采用育秧移栽的种植方式,需要消耗大量的劳动力资源[1]。 水稻水直播技术可以大幅减少劳动力成本,同时还能有效抑制田间杂草,减少除草剂的使用[2-3]。 但是,由于土表不平整或存在水平落差等原因,降雨或者灌溉时水直播大田容易出现整体或局部积水问题,大部分水稻推广品种的种子在薄层泥浆和水层覆盖条件下无法出苗或者出苗延迟,容易造成播种失败或者局部缺苗问题。 水稻耐淹品种的种子具有更强的胚芽鞘快速延长潜力,能够伸出水面吸收氧气,有助于快速、整齐出苗,提高秧苗素质[4-6]。 稻种资源中胚芽鞘延长能力强的品种较少,按照育秧移栽要求选育的推广品种往往不具备这一重要特性。 因此,鉴定筛选胚芽鞘延长能力强、淹水发芽时能快速整齐出苗的水稻种质资源,可为选育适应水直播栽培方式的水稻新品种提供优良亲本,保障新品种水直播栽培的安全性,促进机械化水直播技术的推广。

水稻幼苗的胚芽鞘长度存在品种间差异,在淹水造成缺氧的条件下,幼苗胚芽鞘的长度普遍增加。部分水稻品种的胚芽鞘能够快速、大幅度延长,这一性状与淹水条件下水稻成苗能力显著相关[7]。 本试验拟建立一种简便、易操作的试验方法,在正常和淹水条件下鉴定250 个水稻品种的发芽率并测量幼苗的胚芽鞘长度,分析水稻淹水发芽相关性状的遗传变异,比较籼粳亚种间差异程度,筛选出胚芽鞘延长和耐淹水发芽能力强的稻种资源,以用于改良水稻品种适应水直播栽培的相关特性。

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据国家水稻数据中心(http:∕∕www. ricedata. cn∕variety)和国际水稻信息系统(http:∕∕www. iris. irri.org∕germplasm2)等数据库提供的登记信息,同时参考全基因组SNP 标记数据的聚类分析结果,选取一套由250 份水稻品种组成的自然变异群体为试验材料。 参试品种分属栽培稻的3 个亚种,其中籼稻品种145 份、粳稻品种101 份、aus 品种4 份[8]。 2017 年12 月在上海市农业科学院海南南繁基地(陵水县光坡镇)种植该套群体,采用常规田间管理,2018 年5 月收获种子,晒干后在50 ℃烘箱中处理5 d 以破除休眠,室温储存备用。 参试水稻品种编号和名称见表1。

表1 水稻自然变异群体品种Table 1 Varieties of rice natural variation population

(续表1)

1.2 试验方法

1.2.1 淹水发芽和模拟直播淹水成苗试验

1.2.1.1 淹水萌发胚芽鞘长度动态观测

从参试品种中随机选取30 个水稻品种,包括籼稻、粳稻及aus 3 种类型。 每个品种取50 粒饱满种子,放入内径5 cm、深度10.5 cm 的不锈钢茶篮中,将茶篮放于长×宽×高为30 cm ×12 cm ×12 cm 的黑色塑料培植盒内,用2.5%的次氯酸钠溶液消毒15 min,蒸馏水冲洗干净,再加水至10 cm 深度。 将培植盒放置在智能光照培养箱中(GXZ 型,宁波江南仪器厂),参照侯名语等[9]的最适宜发芽条件,设定光照16 h、32 ℃,黑暗8 h、28 ℃。 每天随机取3 株幼苗,用直尺测量胚芽鞘长度并取平均值,连续测量8 d,重复3 次。

1.2.1.2 群体淹水发芽能力和幼苗相关特性测定

播种前将种子和周转箱用2.5%的次氯酸钠溶液浸泡15 min 消毒,自来水冲洗干净,周转箱底部放置一薄层海绵,利用梳状栅条交叉形成小方格,每个小方格内刚好可放入1 个不锈钢茶篮(内径5 cm,深度10.5 cm),作为快速进行大批量水稻种质资源耐淹发芽试验的装置。 在每个不锈钢茶篮中放置饱满的水稻种子15 粒,对照组的茶篮内始终保持刚刚浸没种子的浅层水;淹水发芽组的周转箱中灌水使得茶篮内水层高度达到约10 cm,发芽过程中按照预留的标线适当补充水分。 试验在人工气候室中进行,环境参数设置为光照16 h、32 ℃,黑暗8 h、28 ℃。 从浸种开始发芽生长7 d 后统计发芽率,测量幼苗的胚芽鞘长度(精确到1 mm),重复3 次。

1.2.1.3 模拟大田水直播淹水发芽成苗试验

综合考察胚芽鞘长度和发芽率表型数据,筛选获得淹水条件下发芽率高、胚芽鞘延长明显、幼苗相对健壮的品种资源20 份,以及对淹水发芽敏感的品种20 份。 参考刘艳等[10]的方法并稍作调整,把塑料发芽盒(10 cm×10 cm)排列于周转箱内,每个发芽盒底部播入50 粒种子,覆盖约2 cm 厚度的沙子,周转箱内缓慢加水直至沙层表面之上形成约5 cm 的水层。 试验于2018 年10 月在上海市农业科学院华漕院区塑料大棚中进行,以幼苗叶片顶端伸出水面为依据,在第15 天统计成苗率,测量已成苗的幼苗长度和最大根长,未能伸出水面的幼苗不做幼苗形态测量。

1.2.2 幼苗性状鉴定和数据分析方法

参照农作物种子检验规程的发芽试验方法(GB∕T3 543.4—1995)[11],按照胚芽鞘长度超过种子自身长度1∕2 的标准统计正常发芽种子的数量,计算正常发芽种子的百分比。 需要说明的是水稻种子正常萌发还要求其根长达到籽粒长度,由于淹水抑制了幼苗根的生长,本试验统计已发芽种子数量时未考虑根长因素。 用直尺测量胚芽鞘基部到顶端的距离,精确到1 mm,逐粒测量。 模拟水直播淹水发芽试验中,播种15 d 后统计露出5 cm 水层表面的幼苗数量,计算成苗率;取出已成苗的水稻幼苗,用直尺测量幼苗基部到顶端的距离和根系基部到最长根顶端的距离,精确到1 mm,分别作为幼苗长度和最大根长,逐粒测量。

利用Excel 2016 和GraphPad Prism 7.02 软件整理、呈现表型数据并进行频次分布、方差分析、相关系数和线性回归等统计分析。

2 结果与分析

2.1 水稻种子淹水萌发时胚芽鞘长度动态观测

参试的30 个水稻品种中4 个籼稻和4 个粳稻品种的淹水发芽胚芽鞘延长情况如图1 所示。 可以看出,胚芽鞘长度随时间呈现S 型曲线的变化趋势,其延长速率在发芽起始阶段由慢变快,在第3—4 天达到最快,之后逐渐趋于平缓,大部分品种在第7 天基本达到胚芽鞘长度最大值。 在第2—3 天时,籼稻品种的胚芽鞘长度略高于粳稻品种,但在第3—4 天时粳稻品种的胚芽鞘长度开始超过籼稻品种,第4 天后粳稻品种的胚芽鞘长度始终高于籼稻品种,表明粳稻品种可能有更强的耐淹水发芽能力。

2.2 水稻品种群体淹水发芽胚芽鞘长度变异分析

如图2 所示,‘黄壳早廿’‘隆化毛葫’‘铁秆乌’‘葡萄黄’‘WH39’和‘齐头谷’6 个水稻品种的幼苗有明显延长的胚芽鞘;‘BALA’‘SADU-CHO’‘BALAWAN’‘IAC5100’‘SML81B’和‘旱恢3 号’等水稻品种的幼苗仅有比较短的胚芽鞘,或者幼苗停滞在刚刚破胸后的形态,并且胚芽鞘出现顶端皱缩弯曲等坏死前的症状,表明不同水稻品种在淹水条件下的发芽率和幼苗形态具有一定差异。

淹水对水稻种子萌发能力影响表现为淹水条件下发芽率的降幅。 如图3 所示,发芽率降幅在不同品种间有较大的变化。 大部分水稻品种的种子在淹水条件下仍然能够萌发,其中有80 个品种的发芽率降幅在5%以内,85 个品种的发芽率出现10%—30%的降低,有19 个品种的发芽率降幅超过40%,其中‘DALAWAN’‘包协-7B’的发芽率降幅高达67%。

在正常条件下发芽时,水稻幼苗胚芽鞘的长度普遍较短。 本套群体中水稻幼苗胚芽鞘长度变幅为0.35—1.07 cm,平均值为0.62 cm;而在淹水条件下,不同品种的胚芽鞘长度均显著增加,分布在0.82—4.18 cm,平均值达到2.77 cm(图4),表明水稻种子在淹水条件下发芽后,其胚芽鞘出现了明显延长,该延长能力在品种间存在广泛的变异。 以淹水条件下发芽的胚芽鞘长度与对照条件下胚芽鞘长度的差值为指标,本套群体的变异系数达到28.5%。

通过前述对籼稻、粳稻品种的动态观测,发现粳稻品种淹水发芽的胚芽鞘长度高于籼稻品种。 对群体中籼稻和粳稻品种分组统计淹水发芽的胚芽鞘长度,发现粳稻亚种的胚芽鞘延长能力总体极显著高于籼稻亚种(P≤0.01),表明籼粳亚种间的萌发耐淹性存在差异,粳稻可能具有更强的缺氧萌发能力。 同时,亚种内均存在淹水后胚芽鞘较短或者较长的品种,且分布范围大致相当,表明籼粳稻各自存在萌发耐淹性的优异资源。

2.3 淹水发芽胚芽鞘长度与直播淹水成苗能力相关性分析

采用“2 cm 沙土加5 cm 水层”模拟水直播淹水条件对淹水发芽所选取的极端材料进行进一步鉴定,结果表明:淹水发芽试验中鉴定的短胚芽鞘水稻品种的成苗率普遍很低,仅1 个品种(‘SADU-CHO’)达到28%,5 个品种(‘TAITUNG 16’‘BALA’‘DULAR’‘N22’‘沪旱7B’)有2%—6%的成苗率,其他品种全部幼苗不能伸出水面;而胚芽鞘较长的水稻品种的成苗率有较大变幅,其中12 个品种的成苗率低于12%,4 个品种成苗率为26%—60%,4 个品种成苗率高于70%,分别为‘黄皮糯’(70%)、‘高阳淀稻’(74%)、‘丽江新团黑谷’(80%)、‘隆化毛葫’(94%)。

淹水发芽胚芽鞘长度与模拟直播淹水成苗率以及幼苗形态指标之间存在一定的相关关系(图5),但胚芽鞘长度与成苗率的线性相关决定系数不高(r2=0.270),淹水发芽胚芽鞘长度与模拟直播幼苗长度以及最大根长之间的决定系数分别为r2=0.458 和r2=0.433。

3 讨论

在水稻育秧和水直播生产实践中,处于湿润土壤表层的种子能够快速整齐地萌发、扎根并长成健壮的幼苗。 一旦种子陷入较深的泥浆之下并被水层覆盖时,绝大多数推广品种的种子萌发和幼苗生长会因缺氧造成出苗延迟或者缺苗等问题。 为了鉴定水稻品种耐缺氧发芽成苗能力,比较可靠的筛选方法是模拟大田直播后表面积水的环境条件,即“土层+水层”覆盖造成较为严重的缺氧胁迫,可以是0.5 cm、1 cm、2.5 cm 土层与2.5 cm、3—5 cm、10 cm 水层之间组合而成的具体方案[4-5,7,12-13];还有一些试验把种子放在加满水并密封的离心管中,或者放在玻璃试管中并加5 cm 水层(未指明是否密封)进行缺氧发芽试验[14-15]。 本试验借用不锈钢茶篮和带栅格的周转箱等器具,直接用10 cm 水层形成缺氧发芽的环境,由于不同种子样品处于一个互相连通的淹水条件下,可以保证环境条件的一致性,并且操作简便,适用于大批量种质资源或者育种材料的淹水发芽初步筛选试验。 用简单淹水发芽方法进行大批量材料的初步筛选,再用模拟直播条件对入选的种质资源进行复筛和验证,可能是提高大群体鉴定筛选工作效率和准确性的优化试验方案。

多个批次的筛选结果表明,水稻种质资源中仅有少数品种具有耐淹水萌发并且成苗的能力,主要来自水稻种质资源库中保存的地方品种。 如来自国际水稻研究所种质库(IRGC)的256 份品种中有8%,来自国际水稻种质资源遗传评价网络(INGER)的404 份品种中仅有2%的材料具有该特性[5];另一项大规模筛选试验发现,8 114 份水稻材料中仅有19 份淹水发芽生存率超过70%,占总数的0.23%,不同类型材料中芽期耐淹水种质的比例依次为:3 558 份种质库保存材料0.42%、1 714 份育成品种0.06%、200 份IR64 突变体0.05%、842 份水稻分子育种导入系0.24%[12]。 本次试验材料主要是中国水稻微核心种质,大部分为地方品种,有少量改良品种,淹水发芽试验筛选发现约10%的品种具有胚芽鞘延长能力,而能在模拟直播淹水条件下成苗率达到70%以上的品种只有4 份,仅占总数的0.16%。