水稻不同胞质不育系异交能力对氮肥调控的响应研究

钟 颖，刘 蓉，黄 苗，宋 翔，朱美霖，李纯华，胡运高

（1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川 绵阳 621010；2.绵阳市农畜产品质量安全检验检测中心，四川 绵阳 621010）

【研究意义】我国杂交水稻研究位于世界领先水平。不管是两系还是三系杂交水稻，提高杂交水稻制种产量是杂交水稻大面积推广的基础。水稻不育系的柱头外露特性是异交结实的基础，研究发现不育系柱头大、外露率高能接受更多的花粉，且柱头外露越多，柱头活力越强［1］。不育系的柱头性状受基因型控制［3-4］，还会受气候因素的显著调节作用［5-6］，在气候环境相同的条件下柱头性状主要受激素和肥水调节的影响［7-8］。同时研究也证明不育系细 胞质对杂种F1代主要性状具有明显的遗传效应［9-12］。【前人研究进展】有关不育胞质对柱头性状的研究表明，胞质对水稻开花影响效应明显，不育系与保持系相比柱头外露率明显降低，开花时间延迟30～50 min左右［13-14］。有关不同胞质效应对杂交水稻核质互作不育系柱头性状的影响未见研究。氮素是水稻生长中必不可少的主要营养之一，也是植物个体乃至自然生态系统和人工生态系统生长最常见的限制因子［15-16］。水稻叶片含氮量与其叶片光合生产能力密切相关，在一定含氮量水平条件下，水稻叶片含氮量高有利于提高其单叶光合速率［17］，因而能增加物质积累，为产量作贡献。魏永华等［18］研究表明，氮肥对水稻的叶面积起到主导作用，氮肥用量增加，叶面积随之增加，反之减少；顶部3 叶作为高效功能叶面积，其适当增长使冠层的高效叶片空间配置更加合理有序［19］。鲁伟林等［20-21］研究表明，合理施用穗肥可以提高顶部3 叶的性状，增强光合作用，同时提高氮肥的吸收利用效率，促进结实率和千粒重的增加，从而达到增产目的。目前，我国培育的不同细胞质源的水稻雄性不育类型较多，但其中多为普通野生稻细胞质来源种和籼稻细胞质来源，且仅少数不育胞质在生产上被利用。【本研究切入点】我们前期研究也发现细胞质效应对杂交水稻产量、有效穗数等方面存在显著影响，在相同条件下表现出的氮素利用方面的配合力也存在明显差异［22］。因此本研究以不同的同核异质不育系为研究材料，研究胞质效应对氮肥的响应差异。【拟解决的关键问题】通过本研究，获得不同杂交水稻不育胞质对氮肥的响应差异，特别是不育系异交习性对氮肥的响应差异机制，研究结果对指导不同胞质类型不育系高产高效繁殖制种中的氮肥调控技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

杂交水稻同核异质不育系JW803A（爪哇型）、W803A（野败型）、G803A（冈型）、K803A（K 型）、印水803A（印水型）至2019 年已回交转育18 代，细胞核供体保持系：803B。不育系和保持系种子均由西南科技大学水稻研究所提供。

1.2 试验方法

试验于2019 年在西南科技大学水稻研究所青莲试验基地进行。定位试验田不同处理间采用薄膜包坎，防止水肥渗漏；土壤为壤土，试验田基础肥力为全氮1.98 g/kg、速效氮80.3 mg/kg、速效磷43.3 mg/kg、速效钾76.2 mg/kg，分别设置3个氮水平，即N1（低氮，6 kg/667 m2）、N2（中氮，10 kg/667 m2）、N3（高氮，18 kg/667 m2）。氮肥施用比例为基肥：分蘖肥：穗肥=5 ∶3 ∶2，磷肥8 kg/667 m2、钾肥4.3 kg/667 m2，作为底肥一次性施入。氮肥为尿素，含氮量46%；磷肥为过磷酸钙，P2O5含量15%；钾肥为氯化钾，K2O含量62%。分蘖动态、株高、叶片长宽、穗颈包颈、柱头外露情况在盆栽系统中进行，每个处理5 盆，每盆1 株，平行排放。

水稻同核异质不育系JW803A（爪哇型）、W803A（野败型）、G803A（冈型）、K803A（K 型）、印水803A（印水型）及其对应保持系803B，经浸种催芽，4 月18 日播种，5 月10 日移栽，按照杂交水稻不育系高产繁殖栽插模式，不育系和保持系行比8 ∶2，不育系每667 m2栽插30 000 株。其他日常管理按不育系繁殖大田生产水平进行花期预测、九二零处理、赶粉收获等。

1.3 测定项目及方法

自移栽后5 d 开始，每隔5 d 观察记载各不育系分蘖数，每个处理统计5 株，于齐穗期测定叶片叶长、叶宽、株高、穗颈包颈、柱头外露情况。田间处理于赶粉成熟后每个处理收获100 株计产，并选取有代表性植株调查不育系的异交结实率。

试验数据采用Excel 2017 进行整理，采用SPSS19.0、Origin8.5 等软件进行统计分析和作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥水平对水稻不育性分蘖特性的影响

由图1 可知，氮肥施用可以显著促进各胞质水稻不育系的分蘖产生，中高氮（N2、N3）处理不育系最大分蘖数和分蘖速度均高于低氮（N1）处理；中高氮（N2、N3）处理最大分蘖数较低氮（N1）处理分别增加11.68%、86.45%。在相同氮肥条件下不同胞质之间分蘖速度差异显著，最大分蘖数在中低氮（N2、N1）处理差异相对较小，高氮（N3）处理差异相对较大。中低氮（N2、N1）处理不同胞质不育系之间的分蘖速度差异大于高氮（N3）处理，低氮（N1）处理不同胞质不育系之间分蘖速度为WA ＞KA ＞JWA ＞YSA＞GA；中氮（N2）处理不同胞质不育系之间的分蘖速度为WA ＞KA ＞YSA ＞JWA ＞GA；高氮（N3）处理不同胞质不育系之间的分蘖速度为JWA 大于其他胞质不育系，高氮处理WA、KA、YSA、GA 分蘖速度差异不大。

图1 不同氮肥水平水稻不育系的分蘖动态Fig.1 Tillering dynamics of rice CMS lines under different nitrogen levels

2.2 影响水稻不育系主要农艺性状（异交习性）的因素

由表1 可知，胞质效应对水稻不育系株高、叶片长宽、结实率和千粒重影响不显著，对单位面积有效穗数、包颈率、产量和柱头外露性产生显著影响；氮肥处理除对柱头单露率无显著影响外，对其他农艺性状及异交习性均产生显著或极显著影响；氮肥和胞质效应之间的互作对除叶长外的其他农艺性状及异交习性均有显著或极显著影响。不育系繁殖产量受胞质、氮肥水平及其互作效应的显著影响。

表1 水稻不育系主要农艺性状及异交习性影响因素方差分析Table1 Analysis of variance of factors influencing main agronomic characters and outcrossing habits of rice CMS lines

2.3 氮肥及胞质效应对水稻不育系对农艺性状的影响

随着氮肥施用量增加，水稻不同胞质不育系的株高、叶片长宽、有效穗数和千粒重多呈增加趋势，不同农艺性状对氮肥的响应因胞质效应的不同而存在明显差异（表2）。

表2 水稻不育系主要农艺性状对氮肥的响应Table 2 Response of main agronomic characters of rice CMS lines to nitrogen fertilizer

随着氮肥施用量增加，株高分别较低氮（N1）处理增加3.76%（N2）和7.30%（N3），叶长分别较低氮（N1）处理增加3.90%（N2）和8.58%（N3），叶宽分别较低氮（N1）处理增加11.90%（N2）和22.52%（N3），有效穗数分别较低氮（N1）处理增加36.83%（N2）和39.86%（N3），千粒重分别较低氮（N1）处理增加4.36%（N2）和5.07%（N3）。可见叶片宽度和单位面积有效穗数对氮肥的反应较敏感，株高、叶长和千粒重对氮肥的反应相对较弱。胞质效应在不同性状之间存在显著差异，不育系较保持系的株高和千粒重降低，单位面积有效穗和穗长增加，叶宽多数无显著差异。其中不育系千粒重较保持系降低最大，降幅在6.33%～7.71%，G 型胞质不育系（GA）千粒重降低幅度显著小于其他胞质不育系；单位面积有效穗数方面K 型（KA）的增幅最大、达到11.43%。

胞质与氮肥水平的互作效应在各农艺性状之间存在明显差异，JWA、KA 和YSA 随氮肥施用量的增加株高增加不显著，WA 增加幅度最大，在中高氮（N2、N3）处理分别较低氮（N1）处理增加9.14%（N2）和13.97%（N3）；叶长不同氮肥处理对相同胞质不育系影响不显著；各胞质不育系的叶片宽度随氮肥施用量的增加而增加，高氮（N3）处理的叶宽显著高于低氮（N1）处理，中低氮（N2、N1）和中高氮（N2、N3）处理之间差异不显著，单位面积有效穗数也表现出相似规律；除WA 和YSA 外其他胞质不育系的千粒重均随氮肥施用量的增加而增加，中高氮（N2、N3）处理的千粒重显著高于低氮（N1）处理。

2.4 氮肥及胞质效应对水稻不育系异交能力影响

随着氮肥施用量的增加，水稻不同胞质不育系柱头双外露率和总外露率增加，结实率和产量增加，柱头单外露率降低，穗颈包颈率呈先增加后降低趋势；异交习性对氮肥的响应因胞质效应的不同而存在明显差异（表3）。

表3 水稻不育系异交习性对氮肥的响应Table 3 Response of outcrossing habit of rice CMS lines to nitrogen fertilizer

803B 保持系穗颈无包颈，其各同核异质不育系均存在不同程度的包颈现象，中氮（N2）处理不育系包颈率显著增加，较低氮（N1）处理增加11.90%，高氮（N3）处理不育系包颈率较低氮（N1）处理降低9.55%。随着氮肥施用量的增加不育系柱头外露降低，增施氮肥后不育系柱头单露率较低氮（N1）处理分别降低0.55%（N2）和5.20%（N3），双露率较低氮（N1）处理分别增加2.01%（N2）和12.44%（N3），总外露率也明显高于低氮（N1）处理。中高氮（N2、N3）处理不育系异交结实率较低氮（N1）处理分别增加11.13%（N2）和10.68%（N3），繁殖产量较低氮（N1）处理分别增加17.86%（N2）和21.05%（N3）。可见在本试验条件下适当增施氮肥可以提高水稻不育系的繁殖产量，但过量施氮对产量增加不显著。胞质效应在不同性状之间存在显著差异，各不育系包颈程度均存在一定差异，其中WA 的包颈率最低（平均16.26%），YSA 的包颈率最大（平均21.48%）。多数不育系的柱头单露率显著低于803B，其中YSA 最低，较803B低18.11%；各胞质不育系中GA 的柱头单露率最高，与803B 差异不大。各胞质不育系的柱头双露率均是保持系的2～3 倍，最终的总外露率较保持系高35.39%～54.37%，其中WA 的柱头总外露率最高。各胞质不育系的结实率均低于保持系，且不同胞质不育系之间差异不大，最终繁殖产量也相差不大，但在产量方面胞质与氮肥的互作效应较强。

JWA 和KA 的包颈粒率随氮肥施用量的增加呈先增加后降低趋势，GA 和YSA 随氮肥施用量的增加呈降低趋势，WA 的包颈粒率受氮肥影响不显著；柱头总外露方面JWA 和YSA 受氮肥影响不显著，过量施氮会显著降低WA、GA 的柱头总外露率，KA 的柱头总外露率随氮肥施用的增加而增加；不育系的结实率多随氮肥施用量的增加而增加，但高氮（N3）处理对结实率的增加不显著，或者会出现结实率小幅降低的现象；JWA、WA 的繁殖产量随氮肥施用量的增加呈先增加后降低变化，GA 和KA 的繁殖产量随氮肥施用量的增加而增加，YSA 的繁殖产量受氮肥施用量的影响不显著。

2.5 影响水稻同核异质不育系繁殖产量的因素

不育系繁殖产量与农艺性状和异交习性显著相关（表4），其中繁殖产量与结实率、千粒重、单位面积有效穗数、叶宽、柱头双外露率和总外露率均呈显著或极显著正相关性；各农艺性状之间存在显著或极显著的正相关性，穗颈包颈率与柱头外露率之间呈负相关性，其中与柱头单露率和总外露率呈极显著负相关性。通过逐步回归分析构建影响不育系繁殖产量的回归方程为：y（产量）=52.47+6.01x1+3.85x2-4.18x3，其中x1为单位面积有效穗、x2为结实率、x3为叶长。可见保证充足的单位面积有效穗数，增加结实率，控制叶片长度是提高不育系繁殖的重要因素。

表4 不同氮肥水平下影响水稻不育系繁殖产量的因素相关分析Table 4 Correlation analysis of factors influencing reproductive yield of rice CMS lines under different nitrogen fertilizer conditions

3 讨论

3.1 水稻不同胞质不育系农艺性状和异交习性差异显著

水稻的主要农艺性状受细胞核基因控制，已有越来越多参与调控水稻主要农艺性状的QTL 或基因被相继克隆，如叶型、叶片卷曲特性［23］、宽度［24］、分蘖数［25］、株高［26］、穗部性状［27］等方面的相关QTL 或基因。水稻的柱头外露、包颈等异交习性也受核基因控制［28-30］，研究发现不育系的异交习性与胞质效应存在一定关系［31］。

本试验中，4 个水稻同核异质不育系普遍存在穗颈包颈现象，而保持系803B 无包颈。导致各胞质不育系的株高均低于保持系；同时不育系的结实属于异交结实，虽然柱头外露率显著高于保持系，但因柱头接受外界花粉的数量及柱头活力的影响，导致其结实率和千粒重显著低于保持系；由于不育系的低结实率和籽粒充实度，导致植株吸收的营养物质过剩，因此分蘖数较保持系增加，但因繁殖田的不育系栽插密度较大（每667 m2栽插30 000 株），显著高于保持系的栽插密度（每667 m2栽插10 000 株左右），因此不育系与保持系的单位面积有效穗数之间差异不大；但不同胞质之间也存在明显差异，胞质效应会对不育系繁殖的单位面积有效穗数、穗颈包颈率和柱头外露性产生显著影响。其中G 型胞质不育系（GA）的千粒重最大，但单位面积有效穗数最低；KA 的单位面积有效穗数的增幅最大，但结实率相对较低，可能与其叶片长度较大，对花粉的遮挡作用强，使得父本花粉落到柱头上的数量减少有关。

3.2 水稻不同胞质不育系对氮肥的响应差异显著

氮肥是影响杂交水稻产量的重要因素，随着氮肥施用量的增加，分蘖能力和生物量均显著提高，进而提高水稻产量［32-33］。但过量施用氮肥会引起群体小气候、植株理化性质的改变都会使得稻瘟病、纹枯病的发病程度增加［34］。本试验中不育系的各种农艺性状受胞质效应和氮肥水平的显著影响，不同胞质不育系之间的最高分蘖数差异不大，但分蘖速度存在明显差异，且分蘖速度受胞质和氮肥处理的互作效应影响显著，WA和KA 在低氮条件下快速分蘖的能力强于其他胞质。株高、叶片长宽、结实率、千粒重等主要农艺性状主要受氮肥效应的影响，增施氮肥能提高不育系柱头外露率，从而提高其异交能力，提高制种产量。胞质与氮肥的互作效应主要影响不育系的柱头外露等异交习性，进而影响最终产量。

3.3 水稻不同胞质不育系的高产繁殖技术

最终产量受氮肥和胞质响应的双重影响，氮肥效应远大于胞质之间的差异。而氮肥主要影响水稻不育系的农艺性状，因此总体的繁殖产量受单位面积有效穗数和结实率控制，适当增加不育系繁殖田的穗容量，提高结实率是增加产量的重要途径。而叶片长度的增加会增加对父本花粉的遮挡作用，因此生产上存在对不育系适当割叶来提高结实率的操作技术。由于不同胞质不育系异交习性和有效穗对氮肥的响应不同，导致适应不同胞质不育系高产制种的最终氮肥调控措施存在差异。JWA、WA 施用10 kg/ 667 m2的产量最高；而GA、KA 和YSA 则应适当提高氮肥施用量，氮肥施用量增加又会导致群体纹枯病、稻瘟病的发生增加，因此应注意病害的防治。

4 结论

胞质效应和氮肥水平均会显著影响杂交水稻不育系的异交习性，同时胞质和氮肥之间在不育系异交习性方面存在显著的互作效应。氮肥水平对水稻农艺性状和繁殖产量的影响大于胞质效应。在本试验条件下适当增施氮肥可以提高柱头外露率、增加单位面积穗容量进而提高繁殖产量；不育系的柱头外露率显著高于保持系，WA 型胞质的柱头外露率相对较高。JWA 和WA 在中氮条件下可以获得较高的繁殖产量。