大田模擬環(huán)境下水稻種子耐缺氧能力遺傳研究

劉 艷，宋兆強(qiáng)，夏祥華，王寶祥，周振玲，盧百關(guān)，李 健，秦德榮，徐大勇 *

(1.江蘇徐淮地區(qū)連云港農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 連云港 222006；2.安徽袁糧水稻產(chǎn)業(yè)有限公司，安徽 蕪湖 241003)

大田模擬環(huán)境下水稻種子耐缺氧能力遺傳研究

劉 艷1，宋兆強(qiáng)1，夏祥華2，王寶祥1，周振玲1，盧百關(guān)1，李 健1，秦德榮1，徐大勇1 *

(1.江蘇徐淮地區(qū)連云港農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 連云港 222006；2.安徽袁糧水稻產(chǎn)業(yè)有限公司，安徽 蕪湖 241003)

為了模擬水稻試驗(yàn)田的生長環(huán)境，設(shè)計了土壤介質(zhì)幼苗耐缺氧能力測定試驗(yàn)，對92份品種資源的種子缺氧萌發(fā)時芽鞘長度和直播成苗率進(jìn)行了研究，并分析了缺氧芽鞘長度和直播成苗率的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)：水稻缺氧萌發(fā)時其胚芽鞘長度在不同品種之間存在廣泛變異，其中遲熟中粳生態(tài)型變異系數(shù)最大，變異系數(shù)為12.6 %。缺氧條件下芽鞘萌發(fā)長度與水稻直播14 d后的出苗率呈顯著正相關(guān)。從中熟中粳和遲熟中粳兩個生態(tài)類型中篩選到泗稻12號、早豐9號、鹽糯12、鹽粳5號、南粳45綜合耐淹能力較強(qiáng)的品種資源，為直播稻新品種選育提供優(yōu)異育種材料。

水稻；土壤介質(zhì)；耐缺氧；遺傳變異

水稻直播技術(shù)具有輕型、高效、節(jié)水、省工的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中水稻輕簡高效栽培的重要方式，為歐美等許多發(fā)達(dá)國家和地區(qū)廣泛采用；并且隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和農(nóng)村人口城市化的持續(xù)進(jìn)行，務(wù)農(nóng)勞動力持續(xù)流失，從而省工省力的水稻直播栽培面積呈逐年上升的趨勢。然而，直播稻的順利成苗是水稻直播栽培技術(shù)成功的首要問題和影響直播稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的首要難關(guān)。直播稻萌發(fā)時拮抗田間各種不良生態(tài)環(huán)境的脅迫是直播稻品種選育的重要目標(biāo)，而直播稻播種期間淹澇造成田間積水、種子處于水淹環(huán)境又是直播稻成苗中最常遇見而影響最嚴(yán)重的因素[1-3]。

水稻處于缺氧環(huán)境下時，胚芽鞘的伸長在不同品種間存在廣泛變異，是典型的數(shù)量性狀[4-9], 且國內(nèi)外學(xué)者已定位到多個耐淹性QTL基因[9-13]。本研究為更加準(zhǔn)確地模擬大田直播環(huán)境下稻谷播種后遭遇水淹環(huán)境下的萌發(fā)狀態(tài)，我們在室內(nèi)設(shè)計了土壤介質(zhì)幼苗耐淹能力測定試驗(yàn)，對不同生態(tài)型水稻品種資源進(jìn)行了種子萌發(fā)耐淹性篩選，并以此基礎(chǔ)上設(shè)計水稻直播成苗試驗(yàn)，對水稻品種的耐淹能力的遺傳變異與成苗指數(shù)的相關(guān)性做了研究，為培育適于直播的水稻品種提供種質(zhì)資源和相關(guān)遺傳信息。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種資源為92個按照在淮北地區(qū)栽培抽穗期的早晚分為4個生態(tài)型的水稻品種。生態(tài)型Ⅰ為中熟中粳，生態(tài)型Ⅱ?yàn)檫t熟中粳，生態(tài)型Ⅲ為早熟晚粳，生態(tài)型Ⅳ為中熟晚粳。各生態(tài)型及對應(yīng)的品種名稱見表1。

表1 92個水稻品種資源名稱芽鞘長度代號

注：芽鞘長代號與表2中組代號意義相同。

Note:Codes of cole length have the same meaning as number of class limits in table 2.

1.2 試驗(yàn)方法

從92個待測水稻品種資源中，每個品種取200粒種子放人直徑9 cm的培養(yǎng)皿，加入0.6 %次氯酸鈉溶液浸泡15 min進(jìn)行滅菌。滅菌后用超純水沖洗3次，然后在超純水中25 ℃條件下浸泡48 h。吸足水分的種子用于耐淹能力測定試驗(yàn)。

土壤介質(zhì)下種子缺氧萌發(fā)試驗(yàn)：塑料培養(yǎng)盤底部均勻布有直徑為0.4 cm密集分布的通水孔。塑料培養(yǎng)盤上鋪上一層報紙，報紙上鋪上約5 cm厚的土壤層，浸水打濕，抹平整均勻。用條狀塑料板將塑料培養(yǎng)盤分割成大小均勻一致的方槽，方槽的長、寬、深分別為4、4、6 cm，用做好的方槽將濕土分割成固定大小的格子。每個方格播1個水稻品種，每個品種播16粒，播種后均勻覆土約1 cm，然后把塑料培養(yǎng)盤置于作物昆蟲共育箱(專利號：ZL 2012100557849)內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)條件控制為光14 h/暗10 h，光照強(qiáng)度3.1萬lx左右，濕度80 %左右，溫度25 ℃。作物昆蟲共育箱內(nèi)通水，直尺測量土層上部5 cm處標(biāo)記刻度，通水到達(dá)該水位，靜置2 h后，補(bǔ)足水位至刻度線，以后每天補(bǔ)水2次，維持土層5 cm水淹狀態(tài)。第7天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，并測量芽鞘長度，求出10株芽鞘長度的平均值。

水稻直播成苗試驗(yàn)：播種方式與培養(yǎng)方式同種子缺氧萌發(fā)試驗(yàn)一樣，同樣設(shè)置土層距離水面5 cm水淹狀態(tài)，水淹處理15 d后以芽鞘出水面為直播成苗成活標(biāo)記，計算水稻各個品種的直播成苗率(P)。

1.3 性狀調(diào)查

種子缺氧萌發(fā)試驗(yàn)：以距離土壤層水淹5 cm深、種子覆土1 cm的水淹環(huán)境下生長7 d的芽鞘長度為衡量指標(biāo)，精確到1 mm。

水稻直播成苗試驗(yàn)：測量距離土壤層水淹5 cm深、種子覆土1 cm的水淹環(huán)境下生長15 d的芽鞘長度，精確到1 mm，計算水稻直播成苗成活率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每組數(shù)據(jù)的次數(shù)分布統(tǒng)計、方差分析及相關(guān)分析按照文獻(xiàn)[14]在Excel軟件上進(jìn)行。

圖1 個生態(tài)類型品種土壤介質(zhì)幼苗耐淹能力測定試驗(yàn)中芽鞘長度的次數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of coleoptile length under anoxia in soil in the 5 ecotypes

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻種子缺氧萌發(fā)遺傳變異分析

種子缺氧萌發(fā)能力測定試驗(yàn)中，92個品種在缺氧條件下都可以萌發(fā)，平均芽鞘長度是(2.66±0.33) cm。缺氧條件下芽鞘最短的是武運(yùn)粳7號為1.93 cm，最長的是連粳9號為3.31 cm，表明所選擇的水稻品種群體中耐淹能力存在較大的變異范圍。

方差分析結(jié)果顯示品種間缺氧條件下芽鞘長度差異極顯著，總?cè)后w的遺傳變異系數(shù)為12.5 %。生態(tài)型I～Ⅳ芽鞘長度的次數(shù)分布見圖1，遺傳變異系數(shù)分別為12.4 %、12.6 %、12.2 %、12.2 % (表2)。4個生態(tài)型群體中生態(tài)型Ⅱ(遲熟中粳)幼苗耐淹能力遺傳變異度略高于其他生態(tài)型群體。從不同生態(tài)型品種的芽鞘長度次數(shù)分布圖(圖1)可看出，遲熟中粳和中熟中粳兩種類型的芽鞘長度主要集中在2.5～3.0 cm之間，在一定程度上顯現(xiàn)出這兩個生態(tài)類型比其他生態(tài)類型的品種具有較高的耐淹力。

2.2 水稻直播成苗試驗(yàn)

對92個水稻品種資源進(jìn)行水稻直播成苗篩選，直播成苗成活率結(jié)果按照生態(tài)型統(tǒng)計如表3。在水稻直播成苗試驗(yàn)中，水稻直播成苗率最高的是鹽粳5號、泗稻12號和早豐9號，成苗率分別達(dá)到了65%、63 %、62 %(其他品種的出苗率數(shù)據(jù)未列出)；92個品種中80個品種成苗率<20 %，表明淮北及周邊地區(qū)水稻品種直播成苗能力存在較大的變異范圍。直播出苗試驗(yàn)篩選到的3個最優(yōu)品種中，中熟中粳生態(tài)型占了2個(泗稻12號和早豐9號)。

表2 5個生態(tài)類型品種土壤介質(zhì)幼苗耐淹能力測定試驗(yàn)中芽鞘長度的遺傳變異

表3 92個水稻品種缺氧直播成苗統(tǒng)計分析

2.3 水稻種子芽鞘長度與直播成苗率的相關(guān)性分析

將土壤介質(zhì)幼苗耐淹試驗(yàn)指標(biāo)芽鞘長度和水稻直播成苗試驗(yàn)總?cè)后w成苗率進(jìn)行相關(guān)性分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，總?cè)后w在土壤介質(zhì)幼苗耐淹試驗(yàn)與水稻直播成苗試驗(yàn)相關(guān)指數(shù)為0.2076，從總?cè)后w表現(xiàn)看，水淹7 d后芽鞘的伸長量與15 d水稻直播成苗呈現(xiàn)一定程度的正相關(guān)性，表明水淹后短期的芽鞘快速伸長有利于水稻直播成苗，與前人的研究結(jié)論一致[8]。

2.4 水稻品種資源耐淹性分析

土壤介質(zhì)幼苗耐淹能力測定試驗(yàn)中，7 d水淹處理后芽鞘伸長量排名前4位的品種依次為連粳9號、鹽粳7號、連粳7號、徐稻4號，芽鞘伸長量分別為3.31、3.27、3.21、3.20 cm，4個品種前7 d芽鞘生長較快，而后期成苗率卻相對較低，這可能是在缺氧脅迫下胚芽鞘伸長加速，無氧呼吸增強(qiáng)，產(chǎn)生一系列有害代謝產(chǎn)物影響了植株的成苗；而在水稻成苗試驗(yàn)中，鹽粳5號、泗稻12號和早豐9號3個品種的出苗率較高，分別為65 %，63 %，62 %。但水淹7 d后芽鞘長度并無明顯優(yōu)勢，表明這些水稻品種種子具有持久的萌發(fā)活力，保證胚芽鞘的持續(xù)生長。

圖2 水淹7 d后芽鞘長度與直播15 d的直播成苗率相關(guān)性Fig.2 Correlation between coleoptile length and percentage of seedlings establishment by direct sowing

3 討論與結(jié)論

水稻直播是一種輕型、高效、節(jié)水的栽培方式，直播稻種拮抗田間各種不良生態(tài)環(huán)境成苗的好壞是直播栽培成功與否的第一關(guān)。因此，本實(shí)驗(yàn)為了更好地模擬水稻種子在大田環(huán)境下遭遇水淹時所處的脅迫環(huán)境，設(shè)計了土壤介質(zhì)幼苗耐淹能力測定試驗(yàn)，相較于前人實(shí)驗(yàn)室內(nèi)在培養(yǎng)皿、周轉(zhuǎn)箱、發(fā)芽盒內(nèi)采用水、江砂、蛭石等作為幼苗萌發(fā)環(huán)境，本試驗(yàn)更能直觀地模擬大田直播環(huán)境。通過對在土壤介質(zhì)條件下水稻品種資源缺氧萌發(fā)芽鞘長度的分析發(fā)現(xiàn)，中熟中粳和遲熟中粳2個生態(tài)型的芽鞘平均長度較長，且變異系數(shù)為12.4 %和12.6 %，比其他生態(tài)型也較高，說明這兩個生態(tài)型品種有豐富的變異資源；直播成苗實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示整個群體的成苗率低下，出苗率在20 %以上的水稻品種僅12個；在對不同生態(tài)型水稻品種資源的缺氧萌發(fā)力的測定中發(fā)現(xiàn)4個芽鞘伸長速度較快的水稻品種在直播成苗實(shí)驗(yàn)中成苗率偏低，而在水稻直播成苗實(shí)驗(yàn)中出苗率較高的水稻品種在前7 d的芽鞘伸長實(shí)驗(yàn)中并不具有明顯優(yōu)勢。但是，通過對水稻幼苗缺氧萌發(fā)力指數(shù)與直播成苗率的相關(guān)性分析，結(jié)果表明兩者具有一定的正相關(guān)性。

水稻缺氧萌發(fā)是個極其復(fù)雜的生理過程。Lee K. W.等[15]研究表明CIPK15的誘導(dǎo)表達(dá)能引起一系列下游級聯(lián)反應(yīng)，加速水稻無氧呼吸和物質(zhì)的代謝，除了無氧呼吸外缺氧萌發(fā)還涉及亞硝酸鹽、亞鐵離子、血紅素和脂質(zhì)過氧化等生理生化反應(yīng)[16-17]。本研究通過模擬大田環(huán)境對水稻種質(zhì)資源耐淹能力的評價和篩選將為直播稻品種選育提供有效的參考依據(jù)，針對試驗(yàn)中篩選出的芽鞘長度伸長快而出苗率低和芽鞘生長慢但最終出苗的水稻品種資源，其相關(guān)耐淹機(jī)制分析有待進(jìn)一步地研究與探論；但在本研究中，供試品種均為近二、三十年育出的水稻品種，從試驗(yàn)的質(zhì)量看，尚缺少大量不同生態(tài)型水稻品種系統(tǒng)性分析，仍需要對我國水稻資源尤其是原始品種進(jìn)行定位篩選，以期選出更優(yōu)異種質(zhì)資源，為進(jìn)一步揭示水稻耐淹機(jī)制機(jī)理提供很好的研究材料。

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(責(zé)任編輯 李 潔)

Genetic Variation of Seed Tolerance to Anoxia among Rice (OryzasativaL.) Varieties under Simulated Field Environment

LIU Yan1, SONG Zhao-qiang1, XIA Xiang-hua2, WANG Bao-xiang1, ZHOU Zhen-ling1, LU Bai-guan1, LI Jian1, QIN De-rong1, XU Da-yong1 *

(1.Lianyungang Agriculture Science Institute/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Corp Production, Jiangsu Lianyungang 222006, China; 2.Anhui Yuanliang Rice Co., Ltd., Anhui Wuhu 241003, China)

The seed tolerance to anoxia was analyzed under soil-media in order to simulate the field environment. Coleoptile length of seedlings under anoxia situation and seedling establishment index were investigated among 92 rice varieties, correlation between the two traits was also analyzed. Results showed that the coleoptile length among different rice varieties had rich variation, the genetic coefficient of variation was 12.6 % in late maturity medium japonica rice ecotype. Highly significant positive correlation was found between the coleoptile length and 14-day-seedling establishment. Five varieties with high tolerance to anoxia were screened out from medium maturity medium japonica rice ecotype and late maturity medium japonica rice ecotype, they were Sidao12, Zaofeng 9, Yannuo 12, Yanjing 5, Nanjing 45, which supply good varieties suitable for direct seedling technology.

Rice; Soil-media; Tolerance to anoxia; Genetic variation

1001-4829(2016)10-2279-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.005

2015-10-12

連云港市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)項(xiàng)目“中粳水稻品種抗稻瘟病資源遺傳分析及種質(zhì)創(chuàng)新”(CN1502)； 江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程項(xiàng)目“適于機(jī)插中粳水稻種質(zhì)資源鑒定、篩選及應(yīng)用”(SXGC[2015]138)； 江蘇省科技支撐計劃“優(yōu)質(zhì)多抗超高產(chǎn)中粳稻新品種選育”(BE2014314)；連云港市科技攻關(guān)項(xiàng)目“利用分子標(biāo)記聚合育種技術(shù)改良水稻品種抗病性”(CN1415)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-01-46)

劉 艷(1982-)，女，山西高平人，博士，主要研究方向?yàn)樗居N，E-mail:ly516.bester@163.com，Tel：15996112982，*為通訊作者：徐大勇，E-mail:xudayong3030@sina. com。

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