不同水稻种质资源重要农艺性状与发芽期耐寒性鉴定研究

潘晓雪 胡明瑜 王忠伟 吴 红 雷开荣

（重庆市农业科学院生物技术研究中心/逆境农业研究重庆市重点实验室，401329，重庆）

水稻（Oryza sativa L.）种质资源是水稻新品种选育的重要物质基础，简单易于操作的农艺性状评价是研究种质资源的基本方法。截至2018年底，国家水稻资源中期库共保存野生稻资源6 694份，各类水稻资源79 468份[1]。朱文东[2]对125份日本水稻品种在四川雅安生态条件下的农艺性状开展研究，鉴定出24份田间表型优异的水稻材料。熊玉珍等[3]对210份江西地方水稻品种资源的15项农艺指标进行测定，筛选出一批可作为育种亲本的优异种质资源。肖佳雷等[4]通过综合评价273份黑龙江地区水稻品种的主要农艺性状，获得33份综合性状优良的材料。水稻种质资源农艺性状指标的鉴定和筛选有利于拓宽水稻种质资源的遗传基础。

近年来，由于育种家选育时的偏爱和水稻育种中骨干亲本选择的单一化，导致遗传一致性增强，普通栽培稻的抗逆性越来越弱[5]。因此，充分挖掘现有种质资源的遗传变异和优良性状，可为水稻单产、品质特性及其抗逆性的提升改良提供选择依据。低温是最为常见的环境胁迫因子之一，严重影响植物生长发育和地理分布[6]。水稻是喜温植物，一般低于10℃便会遭受冷害。水稻秧田和直播田种子若在发芽期遇到低温，将会导致发芽势降低和发芽不齐，甚至影响后期有效分蘖数和籽粒饱满度，严重影响水稻产量[7-9]。因此，培育优质耐寒新种质可以提高水稻的生产安全性。本研究通过对106份水稻种质资源主要农艺性状的综合评价和发芽期耐寒性的鉴定，为进一步创制综合性状优异和耐寒新种质资源提供研究基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为不同遗传背景的106份水稻材料，由本课题组收集和保存（表1）。

表1 重庆水稻种质资源名称、综合评价值、排名及耐寒等级Table 1 Names of Chongqing rice germplasms and their D-values, comprehensive rankings and cold resistance levels

1.2 田间农艺指标考察

1.2.1 试验设计 2018-2019年夏季将106份供试水稻材料种植于重庆现代农业高科技园区试验基地（29°27′25″N，106°21′45″E）。每年 3 月 10 日播种，薄膜育秧，4月20日单本移栽，每个材料种植10行，每行10株，行距0.2m，株距0.2m[10]。田间管理同常规水稻栽培管理方式。

1.2.2 农艺性状测定 记录2018和2019年所有材料的评价指标。成熟后，在田间选取生长一致的10个单株，统计每个品种的有效穗数，用直尺测量株高和主穗长，用游标直尺测量倒二节茎秆宽度（简称“茎粗”），而后人工脱粒考察单株产量、千粒重、每穗总粒数（实粒、空瘪粒和落粒的总数）、每穗实粒数、结实率、谷粒长、谷粒宽和谷粒长宽比8项指标。

1.3 水稻发芽期耐寒性试验

1.3.1 试验设计 试验在人工气候箱（型号：Climacell 222，德国MMM）中进行，种子在50℃恒温箱内处理48h，然后随机选取106份水稻材料中健康饱满且无病虫害的种子分批次播种，用0.1% HgCl2消毒10min，用自来水洗涤种子3～4次，加入少量水，室温浸种24h后放入14℃人工气候箱中，9d后开始统计发芽率，15d时结束。发芽标准：当芽长达到种子长度的一半、根长达到种子长度时记为发芽。

1.3.2 测定指标 评价方法参考《水稻种质资源描述规范和数据标准》[11]，将低温处理下种子的发芽率作为水稻发芽期耐寒性的评价指标，分1～9级评价。将发芽率≥80%定为1级，为强耐寒品种；发芽率60%～80%为5级，为中度耐寒品种；发芽率≤60%为9级，为不耐寒品种。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据分析，利用R语言软件（3.6.1）进行聚类分析，利用SPSS 20.0进行相关性和主成分分析，利用隶属函数值和权重计算农艺性状的综合得分，参照文献[12-13]计算相关指标。

隶属函数值计算公式：u(Xij)=(Xij–Xjmin)/(Xjmax–Xjmin)，（j=1，2，…，n）；权重计算公式：wj=Pj/∑n j=1Pj，（j=1，2，…，n）；综合评价值计算公式：[u(Xij)×Wj]，（j=1，2，…，n）。

其中，Xij表示第i个材料的第j个指标，Xjmin为第j个指标的最小值；Xjmax为第j个指标的最大值；Pj表示经主成分分析所得到的第j个综合指标的贡献率；Di值越大，表明第i个材料通过12个数量性状指标评价的综合得分越高。

2 结果与分析

2.1 重庆生态条件下水稻种质资源农艺性状评价

由表2可知，2018-2019年106份水稻种质资源在重庆生态条件下，12个农艺性状的变异系数分布在7.90%～22.25%之间，有效穗数、每穗总粒数、每穗实粒数和单株产量的变异系数都在15.00%以上，分别是15.31%、21.89%、22.25%和22.08%。每穗实粒数的遗传变异最丰富，其变异幅度在84.50～325.90之间，平均163.31。参照董昕等[14]的方法计算供试水稻品种的遗传多样性指数，12个农艺性状中，茎粗的遗传多样性指数最大，为2.06，千粒重和每穗总粒数的遗传多样性指数分别为2.02和2.01，其余9个性状的遗传多样性指数均小于2.00。可见，供试水稻品种在重庆生态条件下农艺性状方面差异较明显，蕴藏着较丰富的遗传变异。

表2 2018和2019年重庆水稻材料农艺性状测定结果Table 2 Evaluation on agronomic traits of rice collected from Chongqing in 2018 and 2019

2.2 特异水稻种质资源筛选

针对供试材料籽粒性状进行鉴定，共筛选出23份特异种质资源，其中每穗总粒数大于250的大穗型品种9个，占比8.5%；单株产量大于50g的品种4个，分别是N69-3、宜恢1313、丰788和涪引1号；籽粒长宽比大于3.5的细长型品种10个，占 比9.4%（表3）。

表3 重庆水稻材料的特异种质资源Table 3 Special germplasm resources of rice collected from Chongqing

2.3 供试水稻种质表型性状的综合评价

2.3.1 相关性与主成分分析 供试水稻品种的12个农艺性状指标相关性分析表明，各指标间存在不同程度的相关性（表4）。单株产量与穗长、有效穗数、千粒重、每穗实粒数和结实率呈显著或极显著正相关。每穗实粒数与每穗总粒数的相关系数在极显著正相关中最大（R=0.912），有效穗数与穗长的相关系数在显著负相关中最小（R=–0.175）。

表4 12个数量性状的相关系数Table 4 Correlation coefficients of 12 quantitative traits

主成分分析结果显示，可将12个农艺性状指标转换为5个主成分因子（PC1～PC5），其初始特征值都大于1，累计贡献率达84.19%（表5）。其中，PC1初始特征值为3.25，累计贡献率为27.10%，载荷绝对值均在0.4以上的株高（X1）、穗长（X2）、有效穗数（X3）、茎粗（X6）、每穗总粒数（X7）、每穗实粒数（X8）、谷粒长（X10）和谷粒长宽比（X12）是PC1中的主要作用因子；PC2的初始特征值为2.54，贡献率为21.17%，每穗实粒数（X8）和谷粒长宽比（X12）载荷绝对值较高，分别为0.769和–0.635；PC3的主要作用因子是单株产量（X4）、千粒重（X5）和结实率（X9），其贡献率为15.54%；PC4的贡献率为11.71%，每穗实粒数（X8）有最小正特征值0.418，株高（X1）有最大负特征值–0.585；PC5的贡献率为8.67%，穗长（X2）有最大的正特征值0.493（表6）。综上所述，PC1～PC5这5个相互独立的综合指标包括的12个性状，可作为重庆生态条件下水稻材料鉴定评价的主要指标。

表5 各综合指标的特征值及贡献率Table 5 Eigen values and proportion of comprehensive indexes

表6 各因子载荷矩阵Table 6 Loading matrix of each component

2.3.2 综合评价 利用主成分分析得到的载荷因子矩阵和相关公式分别计算各水稻材料的隶属函数值u(Xij)，求出PC1～PC5的权重，分别为0.322、0.251、0.185、0.155和0.103。根据各水稻材料的隶属函数值u(X1)～u(X5)和综合指标所对应的权重，计算各水稻材料的D值（表1），综合性状越好的材料其D值也越高。D值排名前5名的种质资源为77D、万恢355-2、宜恢1577、南恢533和176-15，D值范围为0.747～0.796；D值排名后5名的种质资源为537-12、丝苗香、丽江、R337和537-14，D值范围为0.133～0.242。

2.4 供试水稻材料的聚类分析

参照田蕾等[15]的方法将12个数量性状数据进行系统聚类分析，可将106份水稻种质资源分为三大类群（图1）。类群Ⅰ包括16个材料，占供试水稻品种的15.1%，D值排名后5名的种质资源都在此类群中；类群Ⅱ包括50个材料，占总数的47.2%，此类种质中秆，结实率在85%左右；类群Ⅲ包括40个材料，占总数的37.7%，D值排名前10的种质资源都在此类群中，整体表现为除有效穗数外，其他各项农艺指标都高于平均值。

2.5 低温处理下种子的发芽率

在遭受低温胁迫后，不同水稻材料发芽率存在显著差异，发芽率≥80%的材料有4份，分别为桂99、176-6、176-15和糯稻89-1，为强耐寒品种，占比3.8%；发芽率在60%～80%的有8个，为中度耐寒品种，占总数的7.5%；绝大多数的发芽率≤60%，为不耐寒品种，占总数的88.7%（表1）。

3 讨论

水稻原产我国，在长期的自然选择和人工驯化过程中形成了丰富的地方种质资源[16-18]。水稻种质资源的鉴定和评价可以拓宽现有水稻育种的遗传基础。研究人员对我国不同地区品种进行了大量表型性状鉴定及评价[2-4]，株高、谷粒长宽比和千粒重被认为是评价水稻种质资源表型的关键指标[5，19]。通过主成分分析和各载荷因子系数比较，除了株高、谷粒长宽比和千粒重外，本研究认为主穗长、有效穗数、茎粗、每穗总粒数、每穗实粒数和结实率也可作为重要指标用于水稻种质资源的综合评价。在表型性状数据基础上，根据各水稻材料的隶属函数值和对应的权重得到综合评价的D值可更直观地提供评判标准。综合排名前10名的种质资源为77D、万恢355-2、宜恢1577、南恢533、176-15、丰788、万恢86、杨福6号、蜀恢527和176-6，这10个材料在聚类分析中属于类群Ⅲ。此外，部分材料属于特异种质资源，如丰788单株产量突出，万恢86籽粒细长，77D和南恢533属于大穗种质，宜恢1577每穗总粒数大于250粒，且籽粒细长。

近年来我国水稻直播技术的推广使其应用面积不断扩大[20]，而直播田种子若在发芽期遇到长期低温将会严重影响水稻的生产，因此发芽期耐寒水稻种质的筛选将有利于直播水稻的规模化发展。Brandolini等[21]研究表明，低温处理下的发芽率、出苗率和发芽指数可作为玉米种质资源耐寒性的评价指标。Fujino等[22]对回交重组自交系材料开展耐寒性试验，认为种子在15℃低温4d后的发芽率可以作为种质资源耐寒性的评价标准。李霞等[23]认为低温处理下用水稻发芽期存活率来评价水稻耐寒性是可靠的。郭涛等[24]在114个水稻品种中筛选到8份发芽能力强的耐低温种质材料。本研究通过比较供试水稻材料在14℃低温处理9d后的发芽率，发现4份强耐寒材料（桂99，176-6，176-15和糯稻89-1），种子发芽率≤60%的占总数的88.7%，表明大部分供试水稻材料为不耐寒材料。糯稻89-1具有较强的发芽期和苗期耐寒性[25-26]，有研究表明糯稻89-1和万恢86构建的渗入系S176具有较强的苗期耐寒性[27]。综合排名第5位的176-15和排名第10位的176-6是糯稻89-1和万恢86的回交重组自交系，同时176-6和176-15又是发芽期1级的强耐寒材料。

4 结论

综合评价D值排名前10名的种质资源中丰788、万恢86、77D、南恢533和宜恢1577具有特异性，综合得分较高，同时与属于类群Ⅰ的糯稻89-1亲缘关系较远，可将其作为轮回亲本，以耐寒水稻种质糯稻89-1为供体，培育高世代回交群体，通过分子标记辅助选择和鉴定，获得可用于育种和生产利用的耐寒资源。因此，综合考虑种质资源特性，有目的地聚合有利基因，可以培育和创造优良品种或资源，如本研究筛选到的176-6和176-15。