不同氮肥水平对不育系HD2086s开花习性及制种产量的影响

樊晓磊,杜雪竹,向甘驹,盛锋

(省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室,湖北大学生命科学学院,湖北 武汉 430062)

0 引言

水稻是我国重要的粮食作物,依靠相应的栽培技术来提高其产量是保障我国粮食安全和社会稳定的重要研究方向[1-2].面对当前国际形势和其带来的挑战,保持我国水稻的稳产、增产具有重要的现实意义.因此,如何提高杂交水稻不育系异交结实率并提高制种产量是一项重要的研究课题[3].杂交水稻制种依赖于父本和母本的异花授粉过程,其异交结实率会受到开花习性的影响,从而影响制种产量[4].花期不遇是杂交水稻在制种过程中需要解决的问题.同时,杂交水稻的柱头外露率也会直接影响制种产量[5].柱头外露率高的亲本可以克服颖壳对花粉的遮蔽使柱头获得更大的与花粉接触的面积,从而有更高的制种产量.在水稻种植过程中,氮肥是重要的投入品,其用量会影响水稻的产量[6].有研究表明,施加氮肥能够显著提高水稻柱头外露率和异交结实率[7],合适的氮肥水平有助于提升制种产量.

稻瘟病是水稻的主要病害,在流行年份可引起大幅度减产,甚至颗粒无收,造成巨大的经济损失[8].目前,稻瘟病在生产过程中还不能完全得到控制,2019年在我国的发病面积就高达3 333 km2[9].有效预防水稻稻瘟病的发生,并降低其造成的损失是具有重要意义的研究方向.在生产过程中使用具有抗稻瘟病性状的水稻品种能够有效减少该病所带来的负面影响.HD2086s是由本实验室选育的具有抗稻瘟病特性的不育系.该不育系具有较大的市场价值和开发潜力.提高其制种产量对该不育系推广应用有重要意义.目前,已有很多文献研究了水稻氮素吸收利用特性、品种差异以及氮高产高效机制[6],但单独将抗稻瘟病不育系水稻作为试验对象,探讨如何利用合适的氮肥水平来提升制种产量的研究较少.为了探讨氮肥对不育系HD2086s异交结实率和制种产量的影响,本研究在5个不同的氮肥水平下,比较HD2086s的开花习性、柱头外露率、柱头活力、异交结实率和制种产量,旨在明确合适的氮肥水平提升该不育系的异交结实率和制种产量,为生产实际提供有效指导.

1 材料与方法

1.1 试验地点及试验材料试验于2021年5月至11月在湖北省孝感市卧龙乡卧龙潭村试验基地开展.水稻移栽前测定土壤指标(表 1).试验所用材料为本实验室选育的抗稻瘟病水稻不育系HD2086s和恢复系R209.其中,HD2086s是以深08s为母本、N06CR36为父本,经多代选育成的水稻抗稻瘟病不育系.恢复系R209则是利用系谱法以湘900做母本,经系谱法选育而成.

表1 试验地土壤理化性质

1.2 试验设计本试验设置了5组氮肥处理,分别为T0,T1,T2,T3和 T4,其对应氮肥水平为0、90、180、270和360 kg/hm2.氮肥中氮源为尿素(N含量46%),且每组中都使用相同水平的磷源和钾源,磷源为过磷酸钙(P2O5含量16%);钾源为KCl(其中K2O含量60%);氮肥按基肥∶分蘖肥∶穗肥=2∶1∶1进行施用(表 2).不育系HD2086s于2021年6月2日播种,2021年6月21日移栽,秧龄19 d;恢复系R209于2021年5月18日播种,2021年6月21日移栽,秧龄29 d.人工插秧,种植密度375 000株/hm2,每穴一苗.试验采用完全随机区组排列,3次重复,小区为长方形,面积为19.5 m2,每个小区交接处空出一行留作走道,田块四周各设1 m保护行,水分管理采用单排单灌方式,防止各处理间相互影响,其他管理同常规.

表2 各试验组的基础肥力 kg/hm2

1.3 试验方法

1.3.1 不同氮肥水平下HD2086s的开花动态 在以下3个角度,调查了不同氮肥水平下杂交水稻的开花习性：

逐日开花动态：在始穗期时(2021年8月13日),每个材料随机抽取同期开花的3个单株,每株选取1个单穗挂牌,次日起每天下午开花结束后根据颖花内花药的有无或排列状况,记录各穗当天开花数目,并剪去已开颖花,直至单穗开花结束,统计逐日开花百分率和逐日累计开花率.

逐时开花动态：在盛花期时(2021年8月23日),每个处理组随机抽取同期开花的5个单株进行调查.按9：01—9：30、9：31—10：00、10：01—10：30、10：31—11：00、11：01—11：30、11：31—12：00、12：01—12：30、12：31—13：00、13：01—14：00、14：01—15：00、15：01—16：00和16：01—17：00共12个时段,采用剪颖计数法,分别调查张开的颖花数,取5穗平均值并计算逐时平均开花百分率和逐时累计开花率.

父母本花遇指数(index of flowers meeting,IFM)：计算花遇指数,反映父母本整个花期相遇的优劣,计算公式为：

式中i为母本始花至终花的天数,fi、mi分别为母本开花第i天母本和父本的开花数．F、M分别为母本和父本的开花总数．花遇指数的值域[0,1],当父母本完全不遇时取值为0,当开花期完全吻合时取值为1．花期不完全相遇时取值在0与1之间．当花遇指数达到0.80 ～0.90时,说明父母本花期已达到理想相遇的程度[10]．

1.3.2 不同氮肥水平下HD2086s的柱头活力和柱头外露率 对每组进入盛花期的材料随机抽取同期开花的7个单株,其中每株选取2个已抽出1/3左右的单穗,剪去已经开花和下部幼嫩的颖花,留下当天开花的200个颖花,剪颖并套袋防止外来花粉异交,自当天起,每天上午对各不育系充分大量饱和授粉,连续授粉7d,在25d后获得不同时间授粉稻穗的异交结实率,以此代表柱头活力的差异.同时,每个处理组还被随机选取5个进入末花期的稻穗来计算包颈率和柱头外露率.先将稻穗上的颖花分成伸出剑叶叶鞘外和包在叶鞘内的两部分,测定包颈长度,以包在叶鞘内的颖花数除以颖花总粒数来计算包颈率.并记录叶鞘外的颖花柱头单露数、柱头双露数,从而计算柱头双露率、柱头单露率和柱头总外露率(双露率+单露率).使用单因素方差分析(one-wayANOVA)来检验不同处理对包颈率、柱头单露率、柱头双露率和柱头总外露率的差异.

1.3.3 不同氮肥水平下HD2086s的制种产量 为了弄清不同氮肥处理对杂交水稻制种产量的影响,我们调查了收获前2～3d所有试验组的有效穗数、着粒密度、结实率和千粒重.每个试验组都随机选取10株进行调查.制种产量每个试验组收取3m2水稻进行测产．

所得数据均经过以下步骤：①通过描述性统计检验原始数据处理异常值.②检验是否符合正态分布以及方差齐性.③单因素方差分析进行组间差异比较.④对产量因子数据进行Pearson相关分析.⑤对具有相关关系的数据进行回归分析．本文的显著性水平为0.05,平均数值展示为平均值±标准误.

2 结果与分析

2.1 不同处理对HD2086s、R209开花习性的影响

2.1.1 不同处理对逐日开花动态的影响 研究数据表明,除对照组外,其他氮肥水平下恢复系在整个开花历程中盛花期早于不育系,且在氮肥用量为90～270 kg/hm2时,可使恢复系盛花期相较于对照组提前2 d;继续增施至360 kg/hm2时,盛花期相较于对照组提前1 d．当氮肥用量为270、360 kg/hm2时,不育系盛花期相较于对照组分别提前1 d和2 d．除对照组外,其恢复系和不育系相遇最好的为270、360 kg/hm2试验组,不育系和恢复系都在开花后第5、6天(8月17日、8月18日)盛花期相遇(图1)．

图1 不同氮肥水平对HD2086s和R209逐日累计开花率的影响

综上所述,除对照组外施氮量为270、360 kg/hm2花期相遇最好,在一定的氮肥水平下,随着施氮量的增加,父母本盛花期都可提前1～2 d．

2.1.2 不同处理对花遇指数的影响 利用单因素方差分析去研究氮肥水平对于花遇指数共1项的差异性,研究数据表明：不同氮肥水平样本对于花遇指数均不会表现出显著性(p>0.05),意味着不同氮肥水平样本对于花遇指数均表现出一致性,并没有差异性．表明在不同的氮肥水平下,HD2086s和R209花期都基本相遇(表4).

2.1.3 不同处理对逐时开花动态的影响 在不同氮肥水平下,于2021年8月30日统计了不育系HD2086s的日开花数量,于2021年8月23日至25日统计了恢复系R209的开花动态．结果如下：

研究数据表明,对照组父母本在11：01—11：30盛花时相遇,90 kg/hm2试验组在11：01—12：00盛花时相遇,180 kg/hm2试验组在10：31—11：30盛花时相遇,270、360 kg/hm2试验组在11：31—12：00盛花时相遇(图2)．对照组、270、360 kg/hm2试验组父母本盛花时相遇间隔时间更短,所以花时相遇更好．又因为在实际生产过程中,当天开花的情况母本需早于父本开花才更有利于完成异花授粉过程,所以除对照组外270 kg/hm2试验组(母本11：30、父本12：00),花时相遇最好(图2)．

2.2 氮肥对HD2086s柱头活力及柱头外露率的影响

2.2.1 氮肥对HD2086s柱头活力的影响 利用单因素方差分析去研究氮肥水平对于柱头活力day1至day7共7项的差异性(表6),从表中可以看出：不同氮肥水平样本对于柱头活力day1至day7均不会表现出显著性(p>0.05)．意味着不同氮肥水平不会显著影响开花后水稻任何一天的柱头活力．

研究氮肥和开花天数对柱头活力的影响,随着开花天数的增加,5个试验组的柱头活力均呈现下降趋势,在第6、7天,T0、T1和T3依旧有部分柱头可受粉结实(图3)．但T3相较于其他试验组,下降较为平缓,在开花前4天,柱头授粉结实率都维持在20 %以上(表7、表8),说明当施氮量为270 kg/hm2时,HD2086s的柱头活力较为稳定,且在开花后第6天部分柱头依旧保持着活力．

图3 不同氮肥水平对HD2086s柱头活力的影响

2.2.2 氮肥对HD2086s包颈率和柱头外露率的影响 利用单因素方差分析去研究氮肥水平对于包颈率、单边外露率、双边外露率、总外露率共4项的差异性(表7),数据表明：在不同的氮肥水平下,虽然不育系HD2086s展现出不同的包颈率和柱头外露率,但方差分析显示不同处理下包颈率和柱头外露率差异并不显著(p>0.05).

2.3 氮肥对制种产量的影响

2.3.1 氮肥对HD2086s产量因子的影响 利用单因素方差分析去研究氮肥水平对于有效穗、着粒密度、结实率、千粒重、实测产量共5项的差异性,从中可以看出：不同氮肥水平样本对于产量共1项不会表现出显著性(p>0.05),另外氮肥水平样本对于有效穗、着粒密度、结实率、千粒重共4项呈现出显著性(p<0.05),意味着不同氮肥水平样本对于有效穗、着粒密度、结实率、千粒重有着差异性(表8)．

分析结果表明：在不同的氮肥水平下,不同处理组间有效穗(F=60.433,p=0.000)、粒密度(F=16.998,p=0.000)、结实率(F=34.324,p=0.000)、千粒重(F=45.461,p=0.000)都呈现出显著性差异.对比具体差异可知,当施氮量为180、270 kg/hm2时,有着最高的有效穗数;不施氮试验组有着最高的着粒密度;施氮量为270 kg/hm2时有着最高的结实率;施氮量为180、270 kg/hm2时,有着最高的千粒重．

2.3.2 氮肥水平与产量因子的相关性分析 利用相关分析去研究氮肥水平分别和有效穗数、着粒密度、结实率、千粒重、产量共5项之间的相关关系,使用Pearson相关系数去表示相关关系的强弱(表9)．具体分析可知：氮肥水平与千粒重和产量之间的相关系数值分别为0.123、0.142,接近于0,并且p值为0.674、0.614,因而说明氮肥水平与千粒重和产量之间并没有相关关系．

氮肥水平与有效穗数、着粒密度和结实率之间的相关系数值分别为0.794、-0.893、0.815,并且呈现出0.01水平的显著性,因而说明氮肥水平,与有效穗数和结实率之间有着显著的正相关关系,与着粒密度之间有显著的负相关关系．因此对其进行回归分析．

2.3.3 氮肥水平与产量因子的回归分析 有效穗数回归分析：对有效穗数进行回归分析,线性回归(R2=0.630,p=0.00),二次曲线(R2=0.896,p=0.00),因此选择二次曲线拟合．

本次研究氮肥与有效穗数之间的二次曲线关系拟合,从曲线拟合图(图4)上可以看出氮肥与有效穗数之间呈现明显的曲线拟合关系,同时模型R2值为0.896,意味着模型拟合中有89.6 %的数据基本都呈现出二次曲线拟合关系．并且模型通过ANOVA检验,p值为0.000,意味着曲线拟合模型具有统计学意义．

图4 氮肥水平与有效穗数拟合曲线

具体分析氮肥水平对于有效穗的影响情况来看,自变量氮肥水平呈现出0.01水平的显著性(t=11.875,p<0.01),意味着氮肥水平会对于有效穗产生二次关系的影响,同时回归系数值为3.062,也即说明氮肥水平与有效穗之间具有正向的二次关系拟合,随着氮肥水平的升高,有效穗呈现出二次曲线升高．

着粒密度回归分析：对着粒密度进行回归分析,线性回归(R2=0.789,p=0.00),二次曲线(R2=0.820,p=0.00),因此选择二次曲线拟合．

本次研究氮肥与着粒密度之间的二次曲线关系拟合,从曲线拟合图(图5)上看,可以看出氮肥与着粒密度之间呈现明显的曲线拟合关系,同时模型R2值为0.820,意味着模型拟合中有82.0%的数据基本都呈现出二次曲线拟合关系．并且模型通过ANOVA检验,p值为0.000,意味着曲线拟合模型具有意义．

图5 氮肥水平与着粒密度拟合曲线

具体分析氮肥水平对于着粒密度的影响情况来看,自变量氮肥水平呈现出0.01水平的显著性(t=-4.983,p<0.001),意味着氮肥水平会对于着粒密度产生二次关系的影响,同时回归系数值为-0.134,也即说明氮肥水平与着粒密度之间具有负向的二次关系拟合,随着氮肥水平的升高,着粒密度呈现出二次曲线下降．

结实率回归分析：对结实率进行回归分析,线性回归(R2=0.664,p=0.000),二次曲线(R2=0.731,p=0.000),因此选择二次曲线拟合．

本次研究氮肥与结实率之间的二次曲线关系拟合,从拟合曲线图(图6)上看,可以看出氮肥与结实率之间呈现明显的曲线拟合关系,同时模型R2值为0.731,意味着模型拟合中有73.1%的数据基本都呈现出二次曲线拟合关系．并且模型通过ANOVA检验,p值为0.000,意味着曲线拟合模型具有意义．具体分析氮肥水平对于结实率的影响情况来看,自变量氮肥水平呈现出0.01水平的显著性(t=3.201,p=0.008),意味着氮肥水平会对于结实率产生二次关系的影响,同时回归系数值为0.063,也即说明氮肥水平与结实率之间具有正向的二次关系拟合,随着氮肥水平的升高,结实率呈现出二次曲线上升．

图6 氮肥水平与结实率拟合曲线

3 讨论

3.1 适宜的氮肥水平有助于促进不育系HD2086s和恢复系R209盛花期相遇杂交稻制种过程中,父本和母本的开花动态是否能够相遇可以直接影响到制种产量的高低[3].杂交水稻父母本花期相遇,是保证不育系异交结实的前提条件.在繁殖制种过程中,花期安排适当类型的父母本相较于父本早于母本开花类型的父母本有利于提高异交结实率,从而提高制种产量[11].水稻是开花期较短的作物,一般为10～15 d．杂交水稻制种要在如此短的花期内完成异交结实,就必使父母本花期相遇．父母本花期相遇的程度决定制种产量,确保父、母本花期相遇是制种的核心技术[10]．田大成[18]将父母本的花时差异分成三种类型：父早母迟型、父母同步型和母早父迟型,对于柱头活力不高的不育系来说,父早母迟型的花时是制约制种产量的关键因素．对于母本柱头外露率不高的杂交组合而言,花时是否相遇以及相遇时间长短是决定制种异交结实率高低的重要因素[19]．

在试验中,对于花遇指数的研究,我们发现不同氮肥用量父母本花期相遇指数无明显差异,说明只要父母本播差期安排合适,父母本整个开花期基本可以相遇,氮肥用量对父母本整体花期无显著的影响．

对于逐日开花动态的研究,我们发现在一定的氮肥用量范围内,氮肥用量为90～270 kg/hm2时,可使恢复系盛花期相较于对照组提前2 d;继续增施至360 kg/hm2时,盛花期相较于对照组提前1 d．不育系当氮肥用量为270、360 kg/hm2时,盛花期相较于对照组分别提前1 d和2 d．这说明在生产过程中施加相应的氮肥可以适当调节父母本的盛花期以达到盛花期相遇的目的,本研究中除对照组外270、360 kg/hm2试验组盛花期相遇更好(父母本盛花期相隔1 d)．除此之外,隗溟等[12]的研究表明：父母本日开花率大于10%的盛花期是当天结实与非当天结实构成的主体．即父母本日开花率大于10%是构成后期结实的主体,在此条件下,我们再次分析数据发现：父、母本日开花率同时大于10%的天数最多的是270 kg/hm2试验组,天数为3 d(表3)．综合以上因素本研究中盛花期相遇最好的为270 kg/hm2试验组．

表3 不同氮肥水平对HD2086s和R209逐日开花率的影响

表4 不同氮肥水平对HD2086s和R209花期相遇指数的影响

表5 不同氮肥水平对HD2086s和R209逐时开花率的影响

对于逐时开花动态的研究,我们发现当氮肥用量为270 kg/hm2时,父母本花时相遇最好(当日父母本盛花时间隔时间最短,且花时为母早父迟型),在实际生产过程中这更有利于不育系HD2086s完成异交．

3.2 适宜的氮肥水平可较好保持不育系HD2086s的柱头活力在生产过程中,使用高柱头外露率的不育系作为母本可以有效得到更高的杂交种产量[5].这是因为柱头外露率高的母本可以克服颖壳对花粉的遮蔽作用,使柱头获得与花粉接触的更大机率.

在本实验中,柱头活力的变化T3相较于其他试验组下降较为平缓,在开花前4 d,柱头授粉结实率都维持在20 %以上(表6,图3),因此其接受花粉的能力更稳定．说明当施氮量为270 kg/hm2时,HD2086s的柱头活力较为稳定,且在开花后第6天部分柱头依旧保持着活力．

表6 柱头活力方差分析结果

表7 不同氮肥水平对HD2086s包颈率及柱头外露率的影响

表8 不同氮肥水平对HD2086s制种产量的影响

表9 氮肥水平与产量因子的相关性分析(Pearson相关)

实验表明不同氮肥处理对HD2086s包颈率、单边外露率、双边外露率和总外露率的差异并不显著．

3.3 适宜的氮肥水平可提高不育系HD2086s的结实率和制种产量通过合理合适的田间措施可以提高杂交水稻的异交结实率及千粒重,从而提升其产量[12].施加氮肥是提升水稻产量的一种有效田间措施[14-16].例如,在120 kg/hm2和210 kg/hm2的氮肥水平下,香型杂交水稻德优4727、德香146和花香7号都能有更高的产量[6].有研究表明,200 kg/hm2水平的氮肥在帮助上海地区单季粳稻提高产量的同时,还有助于减缓耕作土壤酸化,保护土壤微生态结构平衡和物种多样性[17].

在本试验中,不同氮肥水平显著影响有效穗数,且两者是正向的二次曲线回归关系,此外,我们还通过曲线模型预测有效穗数的数值达到最高(638.571万穗/hm2)时的氮肥用量为270 kg/hm2．

不同氮肥水平显著影响着粒密度,且两者是负向的二次曲线回归关系,通过曲线回归模型预测着粒密度最高(94.181粒/10 cm)时的氮肥水平为0 kg/hm2．

不同氮肥水平显著影响异交结实率,且两者为正向的二次曲线回归关系,通过曲线回归模型预测异交结实率最高(19.04 %)时的氮肥水平为360 kg/hm2．

不同氮肥水平显著影响千粒重,但两者无显著的相关关系,方差分析结果显示千粒重最高(27.87 g)时的氮肥水平为180 kg/hm2．

不同氮肥水平下制种产量的差异并不显著,但通过折线图可观察到,制种产量最高(0.96 t/hm2)时的氮肥水平为270 kg/hm2．

4 结论

本研究通过大田试验表明,尽管施加氮肥对不育系HD2086s的柱头外露率影响不大,但270 kg/hm2氮肥水平可以促进恢复系R209与HD2086s的花期和花时相遇．同时,结果显示在不育系花期内,270 kg/hm2氮肥水平下的柱头活力最为稳定,前4 d异交结实率都保持在20%以上.这可以在实际生产过程中指导氮肥的合理使用．除此之外,在高氮水平下(270 kg/hm2),抗稻瘟病不育系HD2086s有更高的有效穗数和制种产量;这可能是因为在高氮水平下,该品种的各产量构成因子之间协调较好,从而获得了较高的产量[6].虽然该水平的氮肥并不具有最高的柱头外露率和异交结实率,但依然有最高的制种产量,其中的机制需要更加深入的研究.

综上所述,施加氮肥可以影响到不育系HD2086s的开花动态、柱头活力和异交结实率.通过施加270 kg/hm2的氮肥可以有效调节开花动态,提高水稻制种的产量.本研究将为该不育系制种栽培管理提供一定参考依据.