直播早籼稻品种苗期耐冷性鉴定

武志峰,唐双勤,李祖军,李辉婕*,曾研华,曾勇军,潘晓华,石庆华,吴自明

(1.作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西农业大学,江西 南昌 330045;2.江西省农业技术推广总站,江西 南昌 330046;3.湖南中医药高等专科学校,湖南 株洲 412012)

近年来,水稻直播栽培方式因其省工、省力、节省成本等特点而得到了迅猛的发展,在生产上已不推自广,应用面积和区域不断扩大[1]。但直播早稻幼苗易遭受倒春寒的影响,在受影响后幼苗往往分蘖下降、叶片褪色,且易感染绵腐病、立枯病和青枯病等疾病,严重时甚至出现烂秧死苗[2];同时,早稻苗期遭遇低温后会影响水稻的籽粒产量,也会影响籽粒灌浆持续时间,继而导致稻米品质的下降[3]。目前水稻苗期耐冷性评价主要采用个体形态特征和生理生化指标两种方法,采用形态特征分级鉴定法较经济、快速、简单、及时,但准确性较低,如有些品种以叶片萎蔫、卷曲等形态变化的方式来适应低温胁迫,受胁迫后又恢复正常生长,因此往往受人为及基因型等因素的限制;生理生化指标适用于小范围的比较,结果较为可靠,可准确反映作物的生长状况,但测定方法较为繁琐,大规模品种鉴定及筛选难以应用[4-6]。建立一套快速、准确的评价水稻耐冷性体系方法,科学地评价水稻的耐冷能力,获得耐冷品种,对于直播早稻的安全生产具有现实意义。本试验通过人工模拟低温的方法,分析了水稻幼苗生长对不同温度的响应特点,研究探讨了各指标与耐冷性的关系。同时,利用因子分析方法筛选出有效的耐冷性评价指标,并通过隶属函数结合聚类分析的方法评价了水稻苗期的耐冷性,探索出一套方便、快捷、准确、科学的耐冷性鉴定及评价方法,可为直播稻品种选育与栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为长江中下游地区主栽的早籼稻品种：株两优6108、Y两优5867、两优287、中早33、优I651、陵两优611、株两优1号、陵两优211、中嘉早17、中佳早66、陵两优7717、株两优829、株两优819、陆两优996、潭两优83、株两优101、株两优30、吉优353、煜两优4156、鄱优364、陵两优、庆丰优306、中佳早29、中组3号、优I125、五优308、中两优206、温229、冰两优401、优I2009、陵两优0516、优I2058、株两优22、湘早籼6号、株两优35、五丰优623、陵两优32、陵两优942、陵两优7108、五优157、五丰优286、中早25、淦鑫203、锦两优816、荣优585，共45份早稻品种，其中8个常规稻、37个杂交稻。

1.2 试验方法

试验于2017年在江西农业大学作物生理生态与遗传育种重点实验室进行。将45个早稻品种的种子用强氯精消毒10 h后,用清水浸种24 h,在37 ℃下催芽48 h后再用清水洗净。选取破胸一致的种子，将其均匀置于塑料盆中,每个品种播24盆,每盆15粒。供试土壤为江西农业大学试验田水稻土,其有机质含量为28.4 g/kg,碱解氮含量为107.2 mg/kg,速效磷含量为11.0 mg/kg,速效钾含量为52.1 mg/kg, pH值为5.7。在人工气候箱(由宁波江南仪器厂生产,产品型号GXZ280c)常温(25.0 ℃±1.0 ℃)条件下培养,待水稻幼苗生长至2叶1心时,分别在25 ℃±1 ℃(CK)、5 ℃±1 ℃、8 ℃±1 ℃、11 ℃±1 ℃的光照培养箱中处理2 d。在处理期间每天7:00～19:00光照12 h,光照强度为22000 lx,相对湿度为60%。在处理结束后,在常温下恢复生长2 d后取样调查。

1.3 考察指标及考察方法

从每个处理中选取10株长势均匀一致的水稻幼苗进行调查,3次重复。取样时尽量保留完整根系,用直尺直接测量苗高、叶片长度及茎基宽,测定根系体积、最长根长和根数,然后将测量后的叶片、茎鞘和根系用纱布擦干净表面后用报纸包好,分别在105 ℃下杀青30 min,再在80 ℃下烘干至恒重,待冷却至室温后用分析天平称量干重，取平均值。

1.4 评价方法

为了消除品种(系)间基础性状的差异,本试验采用性状相对值进行低温耐受性评价。各指标的胁迫系数=低温胁迫下性状测定值/对照性状测定值。

采用隶属函数法计算各指标的隶属函数值,以其平均值综合评价水稻的耐低温性能。计算低温耐受性隶属函数值的公式为：Yij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),式中Yij表示第i品种第j评价指标的低温耐受性隶属函数值;Xij表示第i品种第j评价指标的测定值;Xjmin、Xjmax分别表示第j评价指标的最小值和最大值[6]。

1.5 数据分析方法

用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0统计分析试验数据,采用最大方差法正交旋转得出主成分因子,采用Heml 1.0 Heatmap Illustrator进行聚类热图分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫处理对不同早稻品种幼苗生长的影响

经不同温度处理后45份水稻材料幼苗生长性状的总体表现见表1,可以发现,经不同低温处理后水稻幼苗苗高、最长根长、茎基宽、根体积、根数、叶片长度和生物量的极值和均值较对照均明显降低。其中,5 ℃处理的各指标变异系数均高于8 ℃与11 ℃低温处理,而8 ℃与11 ℃低温处理虽对水稻幼苗生长产生了一定的影响,但最长根长、生物量及茎基宽与常温条件下相比并未明显降低,表明在5 ℃处理下各品种的指标能较好地反映不同品种间耐冷性的差异,适合作为耐低温筛选温度。在5 ℃低温胁迫下,各指标的变异系数表现为生物量>最长根长>茎基宽≥根数>苗高>倒一叶长度≥倒三叶长度>倒二叶长度≥根系体积,变异系数范围为0.06～0.21,表明幼苗苗高、最长根长、根系体积、根数、生物量、倒一叶叶长、倒二叶叶长及倒三叶叶长在5 ℃低温胁迫条件下灵敏度较高。在正常温度下各指标的变异系数表现为生物量>根系体积>苗高>最长根长>根数>倒一叶长度≥茎基宽>倒二叶长度>倒三叶长度,变异系数范围为0.07～0.19,表明生物量、根系体积、苗高、最长根长、根数、倒一叶叶长、茎基宽、倒二叶叶长及倒三叶叶长在正常温度条件下灵敏度较高,基本上与低温条件下的表现类似,说明水稻幼苗苗高、最长根长、根系体积、根数、生物量及叶片长度可以作为不同早稻品种耐低温的筛选指标。

表1 在不同温度胁迫下早稻苗期农艺性状指标的变化情况

2.2 早稻品种在低温条件下主要农艺性状的主成分分析

通过对5 ℃低温条件下9个与苗期耐冷性显著相关的鉴定指标的相对值进行主成分分析可以发现(表2),提取出的3个主成分总解释方差为70.024%,由3个新的相互独立的综合指标来代表原始9个指标携带的绝大部分信息,其中第1主成分的方差贡献率为41.759%,第2主成分的方差贡献率为16.309%,第3主成分的方差贡献率为11.956%。因此,根据各主成分的贡献率以及特征向量,得知苗高和生物量所占比例居前2位,表明在低温胁迫下苗高和生物量最能代表不同早稻品种苗期对低温的响应状况。

2.3 耐低温早稻品种的筛选

根据水稻苗期性状指标的描述统计和主成分分析结果,可确定苗高和生物量作为水稻幼苗的耐低温筛选指标。不同水稻品种在5 ℃和正常温度下的苗高及生物量胁迫系数(相对值)见表3,结果表明,苗高相对值的变幅为0.53～0.96,均值为0.83,其中株两优30的胁迫系数最大,为0.96。生物量相对值的变幅为0.53～0.89,均值为0.76,其中株两优35的胁迫系数最大,为0.89。

采用模糊数学的隶属函数方法,以苗高和生物量胁迫系数为指标计算隶属函数值,再将各项指标隶属函数值的平均值作为反映水稻苗期耐低温能力的综合指标,隶属函数值的平均值越大,说明耐低温能力越强。以隶属函数值的平均值作为指标,利用平方欧式距离法对45个早稻品种进行聚类热图分析,用颜色变化梯度直观地反映数据的大小及差异(图1)。通过分析聚类热图及隶属函数值的平均值,可以将不同早稻品种分成3类：第Ⅰ类包括五丰优623、湘早籼6号、淦鑫203、株两优1号及陆两优996等15个品种,表现为隶属函数值较大(>0.50),初步认定为耐冷性品种;第Ⅱ类包括陵两优661、陵两优7717、陵两优0516、株两优35及株两优101等17个品种,其隶属函数值高于0.48,低于0.50,初步认定为中等耐冷性品种;第Ⅲ类包括两优287、中嘉早17及株两优819等13个品种,表现为隶属函数值较低(<0.48),初步认定为冷敏感品种。

图1 不同早稻品种隶属函数聚类图

3 讨论与结论

直播早稻幼苗在遭受低温危害后,植株生长放缓,叶片萎蔫失绿,叶面积减小,干重变轻,根系体积明显降低,严重时甚至出现烂秧死苗等症状[8]。尽管水稻在遭遇低温后存活率是衡量水稻幼苗耐低温胁迫能力的一个重要而直观的指标,但它只针对冷害致死的情况,在低温只造成水稻秧苗受伤害、不致其死亡的情况下,早稻幼苗的耐低温胁迫能力会通过幼苗的生长状况变化体现出来,且不同指标存在一定的关联性[9]。

低温对早稻幼苗的影响较为复杂,因此幼苗的耐冷性是多种因素共同作用的结果,单独用某一个指标或某项机理来衡量水稻的耐冷性具有一定的局限性,无法准确评价其耐冷性[2]。为了全面评价早稻幼苗的耐冷性,本研究设置不同温度梯度进行观察,发现在5 ℃处理下直播早稻苗期各项指标的变异幅度较大,有利于鉴别品种的耐冷性；同时,从多个形态指标中筛选出对低温响应最为明显的指标,对幼苗的农艺性状进行综合分析判别,结合多种分析方法确定了水稻幼苗期的耐低温指标,而且在分析各指标时,采用的不是各指标的原始观察值,而是各指标间的胁迫系数(相对值),消除了品种之间固有的差异,可以真正比较出不同早稻品种苗期耐冷性的差异。

耐冷性不仅包括植物对低温胁迫的耐受能力,也包括逆境解除后迅速恢复生长的能力[10]。相关研究的结果[11-12]表明,经低温胁迫后水稻地上部和地下部的受损导致水稻生理代谢迟缓,后期库容量减少,影响根部的生长和发育,导致根部吸收能力降低。因此,本试验就低温胁迫后恢复生长2 d的幼苗生物量、最长根长、茎基宽、根数、苗高、倒一叶长度、倒三叶长度、倒二叶长度、根系体积等指标进行了分析,低温胁迫的后效应能更好地反映水稻的生长状态,能提高苗期耐冷性鉴定的准确性。另外,水稻幼苗期低温胁迫明显降低了直播早稻秧苗的叶片长度、根数、根系体积、最长根长和生物量,还显著降低了水稻幼苗的苗高及茎基宽。通过对秧苗形态进行描述统计和主成分分析,将9个单项指标降维为3个彼此独立的综合指标,分析表明生物量与苗高在主成分分析中贡献最大,最能代表水稻幼苗期遭遇低温后的响应状况,可以较为准确地反映其低温适应性;利用隶属函数法和聚类分析可以初步将供试早稻品种分为3类：第Ⅰ类包括五丰优623、湘早籼6号、淦鑫203、株两优1号及陆两优996等15个品种,为耐冷性品种;第Ⅱ类包括陵两优661、陵两优7717、陵两优0516、株两优35及株两优101等17个品种,为中等耐冷性品种;第Ⅲ类包括两优287、中嘉早17及株两优819等13个品种,为冷敏感品种。

表3 不同早稻品种苗高及生物量的隶属函数值