水稻种子耐淹特性研究

陈 依,彭归艳,伍 艳,王思瑶,赵婉玲,刘 敏,陈慧玲,陈良碧

(湖南师范大学生命科学学院作物不育资源创新与利用湖南省重点实验室，中国湖南长沙410081)

随着我国经济快速发展,从事农业生产的劳动力越来越少,轻型化和机械化已成为农业产业发展的必然方向[1]。水稻直播由于其低成本、省力等优势[2～3],直播面积呈逐年增加趋势。但是,目前水稻直播主要存在以下3个问题:一是直播前需排干田间水,导致基肥大量流失,污染环境；二是水稻种子不耐淹,田面未整平的渍水区因缺苗而影响产量；三是排水后稻田杂草种子与稻种同时发芽生长,故需多次使用除草剂,不利于农业环境生态建设。因此,选育水稻种子耐淹品种,研究无需排水、免施或少施除草剂的淹水直播技术已成为水稻生产的迫切需求。

稻田长期淹水导致土壤通气不良,有毒还原性物质显著升高[4～5],直播后的水稻种子受到淹水、缺氧等逆境胁迫,造成了成苗率低等后果,严重限制了水稻淹水直播技术的发展。因此,挖掘适合在淹水条件下直播的水稻种质资源,分析水稻种子耐淹特性,选育水稻耐淹性品种,已成为亟需解决的问题。目前,有关水稻种子耐淹发芽的研究少有报道。

本研究利用本实验室提供的丰富种质资源构建自然群体,鉴定田间与量筒环境中水稻发芽期的耐淹表型,并筛选具有较强耐淹发芽能力水稻品种,为水稻淹水直播栽培技术的形成提供理论依据和材料支撑。

1 材料方法

1.1 实验材料

供试材料来源于本实验室保存的种质资源,于海南实验基地和长沙繁种,包括445份水稻品种。

1.2 实验方法

1.2.1 正常条件下水稻种子的萌发

依据GB3453-95《农作物种子检验规程》国家标准对实验所需不同品种的水稻种子进行萌发实验。每个材料随机选取50×3粒成熟饱满的种子,使用3%次氯酸钠溶液浸泡20 min后,无菌水漂洗数次,置于铺有滤纸的9 cm培养皿内,加入适量无菌水,常温下浸种12 h后,37℃培养7 d,检测第7天种子的发芽率。

1.2.2 田间泥土覆盖条件下水稻种子耐淹发芽测试

每个材料随机选取100×3粒成熟饱满的种子,将种子撒播在大小为20 cm×30 cm的田间小格内,覆盖泥土厚约1 cm,然后淹水5 cm,第15天统计成苗率,以根系和叶片发育正常的幼苗为计数标准。

根据以下公式进行相对成苗率统计:

1.2.3 深水淹没条件下水稻种子耐淹发芽测试

每个材料随机选取50×3粒成熟饱满的种子,分装在3个量筒内,量筒内注满无菌水,置于(28±1)℃恒温恒湿培养室中,每天向量筒内补充无菌水,保持水深30 cm至实验结束,分别于7 d和15 d观察不同水稻种子在深水淹没条件下的发芽情况。

2 结果与分析

2.1 田间泥土覆盖淹水条件下水稻成苗率差异比较

较高的成苗率是水稻直播高产稳产的首要保障。一般认为三叶期成苗数达到落田稻粒数70%以上,即基本达到全苗目标,但生产上往往达不到50%[6]。Frantz等[7]提出用5 cm深静止的水即可保持缺氧条件,水中微量的溶解性氧对研究缺氧发芽无影响,并且4～6 cm的水深还可抑制杂草与水稻秧苗的竞争。本实验供试的445份水稻材料在正常萌发条件下发芽率在80%以上的占比93%(图1A),田间泥土覆盖并淹水5 cm条件下相对成苗率大于50.00%的耐淹材料有Kang116、18Yue719、D204、D203 等21 份,其中 4249H、D204和WJGA26这3个材料相对成苗率达到60.00%以上,表现为强耐淹特性。相对成苗率为30.01%～50.00%的较耐淹材料有 You6-4、WJGD30、D156、KangBai-7、Huang5-6等172份；相对成苗率为10.00%～30.00%的淹水较敏感材料有HanYan111、NY5、Huang8-26、WJGD04、12-2 等 185 份；相对成苗率＜10.00%的淹水极敏感材料有Yue51、W56、18Yue368、Yue-62等 77份,其中 W56为最不耐淹材料,相对成苗率为0(图1B、表1)。

表1 不同水稻材料大田耐淹特性比较Table 1 Comparison of submergence resistance of different rice materials in field

（接上表）

图1 水稻种子耐淹成苗比较(A)37℃条件下水稻种子发芽率；(B)大田淹水5 cm处理下水稻相对成苗率的频次分布。Fig.1 Comparison of submergence tolerance of different rice seeds(A)Germination rates of seeds at 37℃；(B)Frequency distribution of relative seedling rates of rice seeds in field under waterlogging conditions of 5 cm depth.

以上实验结果表明,在大田淹水条件下,不同水稻成苗率差异显著,强耐淹材料占比低,较耐淹和淹水较敏感的中间类型占比80.2%。

2.2 淹深水条件下不同水稻种子发芽差异分析

2.2.1 淹深水条件下不同水稻种子发芽差异比较

干燥种子从吸水萌发至长成新的植株需要经历吸胀,酶系统的形成,细胞修复、活化,胚根的出现等过程[8]。其中任何一个环节受阻都会影响种子的萌发,适宜的水分是种子萌发过程中的必要条件。在淹水30 cm条件下各水稻材料的胚芽鞘长度均比对照组长(图2、图3)。 HanYan106和1783Yue-59等耐淹材料第3天时长出根和叶,形成完整幼苗；Chi33和720-102You等淹敏感材料的胚芽鞘极度伸长,胚根和芽生长完全被抑制。以上结果说明:淹深水条件下,不同水稻种子发芽差异显著,耐淹水稻材料虽然胚芽鞘比正常条件下有所伸长,但能发育成有根和叶的正常幼苗；对淹水敏感的水稻材料仅形成没有根和叶的畸形苗。

图2 淹水30 cm条件下不同水稻发芽比较(标尺=1 cm)Fig.2 Comparison of germination of different types of rice under waterlogging conditions of 30 cm depth(Bars=1 cm)

图3 淹水30 cm条件下不同水稻种子胚芽鞘长度与根长比较(A)耐淹材料胚芽鞘长度比较；(B)淹敏感材料胚芽鞘长度比较；(C)耐淹材料根长比较；(D)淹敏感材料根长比较。**:极显著水平 P＜0.01。Fig.3 Comparison of coleoptile and root lengths of different rice seeds under waterlogging conditions of 30 cm depth(A)Comparison of coleoptile length of flood-resistant materials；(B)Comparison of coleoptile length of flood-sensitive materials；(C)Comparison of root length of flood-resistant materials；(D)Comparison of root length of flood-sensitive materials.**:P＜0.01.

2.2.2 淹深水条件下不同水稻材料成苗率比较

淹水至第7天,对淹水敏感的HanYan60、18Yue14等材料仅有白色胚芽鞘极度伸长(图4A),淹水至15 d,胚芽鞘开始坏死,水溶液变浑浊(图 4B)。耐淹材料18Yue310、Kang116等的根和叶发育基本正常,在光照条件下能看到叶片光合作用排出的氧气泡。成苗率的统计分析结果显示,耐淹的品种占比近72.2%,淹水敏感品种占比约 27.8%(表 2)。

表2 不同水稻材料淹深水条件下耐淹特性比较Table 2 Comparison of waterlogging tolerance traits of different rice materials under deep-water waterlogging conditions

图4 淹水30 cm条件下不同水稻材料成苗比较(A)淹深水第7天生长情况比较；(B)淹深水第15天生长情况比较(标尺=1 cm)。Fig.4 Comparison of seedling formation of different rice materials under waterlogging conditions of 30 cm depth(A)Comparison of growth on the 7th day of deep water submergence；(B)Comparison of growth on the 15th day of deep water submergence(Bars=1 cm).

以上结果表明,淹30 cm深水条件下不同水稻材料发芽和成苗差异显著,耐淹的品种能够长出根、叶,并进行光合作用；对淹水敏感的水稻材料不能正常发芽。

3 讨论

水稻直播后若遭遇低温、暴雨等恶劣天气,成苗率就会受到较大影响,尤其是播种后水稻种子如处于淹水条件下,极易引起发苗不整齐、烂芽、坏苗等后果,影响直播稻稳产高产[9]。因此,直播的水稻品种应当具有耐淹水胁迫和拮抗田间不良生态环境的能力。

王洋等[10]采用5 cm水深条件下生长7 d的芽鞘长度作为幼苗耐低氧能力的衡量指标,来预测直播成苗的优劣；钟艳平等[11]在5 cm淹水处理下,通过存活率、胚芽鞘、苗高、根长、根数等指标计算耐淹系数来综合评价种子的耐淹性。孙凯等[12]利用来源广泛的200份水稻种质,研究种子活力、芽鞘长度等性状与耐淹成苗率之间的关系,结果表明种子活力、芽鞘长度与耐淹成苗率密切相关。依据直播稻的栽培要点,淹水发芽时相对成苗率更高的水稻品种在耐淹能力上更有优势,因此在评估耐淹发芽特性时,可以用相对成苗率作为鉴定耐淹品种的标准。

本研究采用田间泥土覆盖并淹水5 cm处理,以相对成苗率作为种子耐淹或淹水敏感指标来鉴定耐淹品种,该方法能真实反映水稻种子在大田环境下遇到淹水胁迫时所形成的拮抗淹水胁迫的生态表现。

淹30 cm深水实验表明,淹水胁迫与有氧的对照水稻种子,其发芽的形态特征区别较大,主要表现为:在有氧情况下,水稻种子萌发由胚根率先突破种皮,而在淹水情况下水稻种子萌发最先表现为胚芽鞘的快速伸长。对淹深水敏感的品种形成胚芽鞘极度伸长的畸形苗,种子中有机物外溢,导致水体浑浊；耐淹的品种根系较发达,1～3片叶发育较正常,光照条件下可见光合作用释放的氧气泡。本研究发现,有些田间淹水条件下成苗率低的材料,在量筒淹深水的条件下能正常发芽和成苗,故总体成苗率要高于田间淹水的成苗率,表明覆盖1 cm土、淹水5 cm的田间环境更不利于种子的发芽和成苗。因此我们推测水稻种子适应田间淹水胁迫与淹深水胁迫的调控机制不同,在后续实验中可以从分子生物学等角度进行探讨。

水稻直播是种粮大户节本增效的种植方式。但由于成苗率低和除草剂用量大,农业管理部门一直不提倡。本实验筛选到一批耐淹水稻种质资源,可为培育耐淹的优良品种提供材料基础,同时可为促进水稻淹水直播栽培技术的形成提供理论依据与技术支撑。