利用篮子法进行水稻避旱性鉴定的标准方法研制

李铁梅,陈 亮,楼巧君

(上海市农业生物基因中心,上海 201106)

水稻是我国最主要的粮食作物之一,提高水稻产量对于保障我国粮食安全具有重大意义。但水稻生产消耗了我国农业灌溉总用水量的近70%,目前超过60%的水田受到不同程度的干旱危害[1-2],我国的淡水资源不能完全满足水稻栽培生产的需要。因此,研究水稻抗旱性和培育节水抗旱水稻新品种,是保障水稻产量的有效途径之一[3]。

避旱性和耐旱性构成了作物抗旱性的主体,其中避旱性是作物在干旱条件下增加吸水和减少失水的能力,其强弱基本决定了作物抗旱性的强弱。因此,在水稻节水抗旱研究中,避旱性研究是极为重要的方向。增强水稻根系吸水能力是提高避旱性的重要途径之一[4-7],水稻根系的吸水能力又与深根比密切相关,深层根比例越高,水稻根系吸水能力越强,避旱性越强。为此,Kato等[8]和Uga等[9]率先建立了“篮子法”鉴定深根比的方法;在此基础上,Uga等[10-12]发掘了多个深根比相关的QTL,并首次克隆了深根比基因Dr01,证实该基因能显著提高近等基因系材料的深根比和抗旱能力[13];Lou等[14-15]利用改良的小篮子法进行了深根比QTL定位分析,检测到5个主效QTL和差异显著基因,发现高深根比与抗旱能力呈正相关。

尽管用篮子法进行水稻深根比的鉴定已有较多的报道,但是该方法的具体实施和操作并没有统一的规范和标准,例如种植的操作标准、数根时间、栽培条件、篮子尺寸、生长环境、温度、pH、土壤粒径等,造成研究人员和育种家进行避旱性鉴定时无章可循,易出现各种系统误差和人为误差。为了降低误差,实现鉴定过程标准化和规范化,鉴定结果的可重复性和通用性,本研究通过研制通用鉴定标准,旨在弥补水稻避旱性鉴定标准的缺失,更好地促进水稻抗旱研究和新品种培育。

1 材料与方法

1.1 试验材料

12份水稻材料以及2个参比材料(CK1和CK2)均由上海市农业生物基因中心提供(表1),分成深根比高、中、低3组,每组各4种材料。低深根比参比材料CK1为珍汕97B,是一个在我国广泛应用的籼稻品系;高深根比参比材料CK2为‘IRAT109’,是来自国际热带农业作物研究所的典型旱稻。

表1 14份水稻材料信息Table 1 Information of 14 rice materials

1.2 试验方法

1.2.1 篮子法检测深根比

(1)田间种植分布

2021年分别于海南陵水县、江西高安市、上海奉贤区和上海金山区4地进行试验。所用篮子规格为:顶部直径17 cm,底部直径10 cm,高度7 cm。将篮子以15 cm×20 cm的间距埋在平整田地,篮子表面的土压实,调整位置使篮子的上边沿、篮子内的土面和外面的土面三者齐平,且无明显的石块、土面高低均匀。每行3个篮子,每条间隔50 cm作为走道(图1)。

图1 田间种植分布示意图Fig.1 Schematic diagram of field planting distribution

(2)种植管理

选取饱满的种子浸种发芽,培养两周后,挑选长势一致的幼苗,将其移栽至田间篮子正中央,种植深度为土下2 cm,每个篮子种植1株苗,每个材料12个重复。参比材料珍汕97B(CK1)和‘IRAT109’(CK2)间隔插种在试验材料中,共24个重复。采用常规的水稻种植管理措施,保持土壤湿润,定期去除篮子内外杂草。

(3)深根比的检测

2021年3—5月在海南陵水基地于3个田块分别进行深根比试验。具体操作为:3月21日浸种催芽;4月4日移栽至预埋在田中的篮子里;移栽到篮子后30 d、40 d及50 d对3块水田的14个材料进行数根。

在进行深根比表型鉴定时,先小心抓住篮子并左右松动,将篮子带苗从地里拔出,而不是直接拔苗,拔时尽量减少断根。用水冲洗掉篮子外围的泥土,将根系清楚地暴露出来。穿过篮子底部的根为深根,穿过篮子侧面的根为浅根,每拔掉一根数一根,保证计数准确,直径小于0.2 mm的细根不计入。深根比为深根数与总根数的比值。2个参比材料的深根比表型见图2。

图2 参比材料珍汕97B与‘IRAT109’的深根比表型Fig.2 Deep root ratio phenotype of the reference materials Zhenshan 97B and‘IRAT109’

1.2.2 土壤质地检测

每块地随机找3个位置,挖取500 g左右0—15 cm的表层土,混合均匀后送至上海市农业科学院生态环境保护研究所进行土壤质地和pH检测。分类标准参考国际土壤质地分级标准,分别检测黏粒(＜0.002 mm)、粉砂(0.002—0.02 mm)和砂粒(0.02—2 mm)的占比。

2 结果与分析

2.1 避旱性鉴定标准海南初试

2.1.1 不同时间对深根比均值影响

由表2可知,移栽后30 d、40 d和50 d的14个材料深根比均值差异并不显著,但30 d时分蘖和根数都显著少于40 d,表明此时新根生长正旺盛,根数还未稳定,不适合进行数根;40 d和50 d时,总根数量相对稳定,数量也较多,误差较小,因此移栽后40—50 d进行数根更为合适。

表2 不同时间14个材料深根比均值Table 2 The average value of deep root ratio of the 14 varieties at different times

2.1.2 不同土壤质地对深根比的影响

对田块1、田块2和田块3进行土壤质地检测,按照国际标准分别检测黏粒(＜0.002 mm)、粉砂(0.002—0.02 mm)和砂粒(0.02—2 mm)的占比。其中,田块1、田块2和田块3的砂粒占比分别为85.37%、54.74%和67.30%;田块1粉砂占比为6.01%,田块2为18.27%,田块3为10.03%;田块1黏粒占比为8.61%、田块2为27.00%和田块3为22.67%。因三块田水源相同,所以水田的pH均接近于7。比对表2发现,田块1的深根比均值最小,显著低于田块2和田块3,而田块2和田块3之间差异不明显。说明田块1的土壤质地对深根比有显著影响,推测可能是因砂粒比例的增大导致深根比减小。

2.1.3 水、旱处理对深根比的影响

对田块3进行旱处理,生长50 d时进行深根比检测,结果如表3所示。水、旱处理对株高和深根比影响不显著,但是旱种会减少分蘖和根的数量。

表3 在水旱条件下深根比情况Table 3 Deep root ratio under flood and drought conditions

2.1.4 避旱性鉴定标准初探

不同数根时间、不同田块试验材料的深根比值不同。为了使避旱性的鉴定更具有普适性,本试验引入了两个参比材料,每次试验时将参比材料插入到试验材料中,在相同生长环境和相同数根时间进行深根比鉴定,最后以“试验材料深根比∕参比材料深根比”这一相对值作为避旱性判断标准。测试的判断标准为:大于3∕4CK2为深根材料;小于3∕4CK1为浅根材料;大于3∕4CK1小于3∕4CK2为中间材料。30 d数根结果不符合预设标准的最多,有14个,占总量的38.89%,原因可能是此时根生长还不完全,未进入稳定状态,因此,在30 d数根不适用这个标准;40 d数根时,3块田所有试验材料都符合预设标准;50 d数根时,田块2有两个材料不符合(表4)。以上结果说明,40 d数根时,以“大于3∕4CK2为深根材料;小于3∕4CK1为浅根材料;大于3∕4CK1小于3∕4CK2为中间材料”的标准进行避旱性强弱分级是可行的,与预期结果完全吻合。

表4 试验材料与参比材料深根比的比值Table 4 Ratio of deep root ratio of test materials and reference materials

2.2 避旱性鉴定标准多点验证

2.2.1 不同土壤质地对深根比的影响

于2021年7—9月江西高安江西省农业科学院实验基地、上海奉贤东海农场和上海金山廊下镇3个不同地点进行深根比标准验证(表5)。同时对3个地点田块的土壤质地和pH进行检测,其中江西高安砂粒占比为18.73%,上海奉贤为62.63%,上海金山为28.96%,上海奉贤东海农场的砂粒占比最大,为砂质黏壤土;江西高安粉砂占比为48.40%,上海奉贤为20.07%,上海金山为46.29%;江西高安黏粒占比为32.87%,上海奉贤为17.31%,上海金山为24.76%,江西高安占比最大,为粉砂质黏土。江西高安土壤pH为5.07,为弱酸性;上海奉贤东海土壤pH为7.97,为碱性;上海金山土壤pH为6.85,为中性。

表5 不同地区土壤质地和p HTable 5 Soil texture and pH value in different regions

参比材料珍汕97B(CK1)和‘IRAT109’(CK2)间隔插种在试验材料中,移栽后40 d进行数根,其株高、分蘖数、浅根和深根数等见表6。不同地点同样材料的深根比表现不同,说明土壤粒径大小和pH对深根比影响显著。在江西酸性红黏土中,参比材料的深根比最大,珍汕97B的均值为43.51%,‘IRAT109’的均值达到72.53%;在上海奉贤东海农场的碱性砂质土中,参比材料的深根比最小,珍汕97B的均值仅为17.50%,‘IRAT109’也仅为39.00%;在金山廊下中性壤土中,参比材料的深根比值介于中间。以上结果与海南试验结果吻合,都是在砂性较重、平均粒径较大的土壤中深根比较小,而在平均粒径较小的黏性土壤中深根比较大。另外,在海南3块试验田为同一灌溉水源,土壤pH几乎相同,不同田块之间种植材料的深根比差异幅度较小。而夏季江西高安和金山廊下之间的土壤质地差异不大,但是同样材料的深根比差异非常大,推测pH是增大这种差异的主要原因,较低的pH会整体提高深根比值。

表6 不同地点参比材料深根比Table 6 The ratio of deep root was compared at different sites

2.2.2 避旱性鉴定标准的验证

不同地点相同试验材料的深根比表现不同,利用预设的避旱性标准对不同地点的数据进行验证。预设判断标准:大于3∕4CK2为深根材料;小于3∕4CK1为浅根材料;大于3∕4CK1且小于3∕4CK2为中间材料。表7显示,3个地点12个材料与各自参比品种的深根比比值与预设标准完全吻合,再次验证了这个避旱性判断标准的可行性、准确性和普适性,可作为未来进行避旱性分类的判断标准。

表7 试验材料与参比材料深根比比值Table 7 Theratio of deep root ratio of test material and reference material

3 结论

本研究利用“篮子法”对水稻深根比进行表型鉴定,评估了不同水稻试验材料的避旱性,研制出了避旱性鉴定的标准。

1)试验材料移栽到篮子后40 d左右,进行深根比表型鉴定最佳。移栽后30 d时,根数量较少,数根造成的误差占比大。移栽后40 d和50 d根数量较为接近,说明移栽后40 d时根数已经稳定。

2)不同的土壤质地对深根比的影响显著。土壤粒径越小黏性越重,深根比越大;土壤的砂性越重粒径越大,深根比越小。

3)土壤的pH也会影响深根比。在江西典型的酸性红黏土中,同样材料的深根比最大;靠近海边的碱性砂土中,同样材料的深根比最小;中性土壤介于前两者之间。

4)由于深根比受环境影响较大,本研究引入了低深根比珍汕97B(CK1)和高深根比‘IRAT109’(CK2)两个参比材料,测定同样生境下试验材料深根比与参比材料深根比的比值作为避旱性判断标准。经过春季海南预试验和夏季多点的验证,按照“高避旱性:H＞3∕4CK2、低避旱性:L＜3∕4CK1、中避旱性:3∕4CK1＜M＜3∕4CK2”的标准判断避旱性强弱与已知结果完全吻合,说明用参比材料进行深根比避旱性鉴定的方法可靠、稳定且具有普适性,可用作未来水稻避旱性强弱判断的标准。