低緯高原梯田兩系雜交稻制種生態適應性分析

2019-01-18 02:50:02陳憶昆董陽均劉曉利辜瓊瑤李華慧盧義宣羅君堯奎麗梅

西南農業學報 2018年12期

涂建,陳憶昆,董陽均,劉曉利,黃平,辜瓊瑤,李華慧,盧義宣，楊久, 張云,張笑,羅君堯,奎麗梅*

(1.云南省農業科學院糧食作物研究所，云南昆明 650205；2.云南金瑞種業有限公司，云南昆明 650317；3.水富縣種子管理站，云南水富 657800)

【研究意義】水稻兩系法育種是繼三系法育種之后的一次技術革新[1-2]，與三系法育種相比較，其優點在于簡化了育種程序，核不育系可一系兩用，不需要保持系，突破了三系法雜交水稻優勢利用的恢保關系限制，而且核不育系的遺傳簡單，獲得更多的強優勢組合幾率更大。此外兩系法育種可選育出具有正常細胞質的核不育系，容易實現雜交水稻細胞質多樣化，消除當前三系雜交稻存在的野敗細胞質單一的潛在威脅，可解除野敗胞質對產量的負面影響，對稻米品質、產量及抗性的改良等方面表現出明顯優勢。經過30余年的攻關，兩系雜交水稻育種取得了重大進展，截止2010年年底，全國育成兩系雜交稻組合427個通過國家或省級品種審定，兩系雜交水稻在全國16個省推廣種植，應用面積多次位居第一，目前兩系雜交水稻推廣面積占全國雜交水稻總面積的20 %左右，在水稻生產和保障糧食安全中發揮了重要作用[3]。在兩系雜交水稻的大面積推廣中，兩系雜交稻制種技術作為其產業化的一項集成轉化技術，即基于三系又不等同于三系，與三系制種相比較，兩系法制種由于核不育系育性在生態環境改變的情況下因光溫條件不同其育性易產生波動，不育系育性恢復自交結實，在制種的安全性上存在很大風險[4-7]，因此，兩系法雜交稻種子的安全生產問題已成為制約兩系雜交水稻發展的瓶頸。【前人研究進展】國內有對兩系雜交稻安全制種基地和時段選擇方面的研究和報道[8-12]，但有關研究大部分局限于某些地域，與低緯高原地區兩系雜交稻安全制種研究的相關報道較少。【本研究切入點】通過對不同秈型和粳型兩用核不育系在低緯高原梯田不同海拔生態條件下的育性表達規律研究，分析兩用核不育系品種、海拔、播期與不育率的關系，并進行了不育系育性穩定性分析。【擬解決的關鍵問題】為明確低緯高原梯田兩系雜交稻適宜的制種區域和播種期，為兩系雜交稻在低緯高原地區安全制種生產提供有價值的數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

秈型核不育系：云軟201S、2301S、蜀光357S、蜀光612S；粳型核不育系：N5088S、N95076S、云粳202S。

1.2 方法

1.2.1 試驗點選擇試驗點選在云南省水富縣向家壩鎮的上壩(海拔300 m)、香泉(海拔500 m)、永安(海拔700 m)3個農業社，地形屬山區梯形田塊。隨著梯形田塊的層疊上升，海拔逐漸升高。

1.2.2 試驗設計 2013-2016年，在3個試驗點共設8個播期，每期間隔10 d，自3月25日至6月3日止；全部材料統一在300 m海拔試點處播種育秧，4～5葉時同期材料同步移栽到3個試驗點的大田，每個試驗點每期每個材料栽插50苗，單苗移栽，栽插規格株行距為16.7 cm×20.0 cm。進入始穗期每2 d套1次隔離袋，套袋分布于整個群體的主穗和分蘗穗之中，每個試驗點每期材料套袋數量不低于50個。成熟后，采集套袋穗考種，分析各核不育系在在不同海拔下的自交結實率，并作同一海拔不同材料、不同播期間的橫向比較以及同一播期不同海拔間的縱向比較。本試驗所涉方差、相關、回歸等統計分析，均使用SPSS 12.0軟件。

2 結果與分析

2.1 核不育系在不同生態條件下的育性表達

2.1.1 不同生態條件下分期播種的育性轉換規律分析 7個核不育系在不同生態條件下經過4年的分期播種試驗，各核不育系的自交不育率統計如表1所示。同一品種在同一水平條件下育性轉換規律具有自身特性，當環境因素改變，其育性轉換表現出一定規律性，海拔上升，不育率在下降，而播期推遲，不育率變化因不育系品種不同出現差異。

續表1 Continued table 1

不育系Varieties of rice PTGMS海拔(m)Altitude播期(月/日,%)Sowing dates(Month/Day)平均自交不育率(%)The average rate of self-crossing sterility3/254/44/144/245/45/145/246/3平均值(%)Average50099.35 99.71 99.21 99.35 99.15 97.59 97.49 92.35 99.76 70088.36 93.98 97.39 97.35 96.72 92.58 95.32 99.95 95.21 平均值Average94.93 96.02 98.58 98.57 98.49 96.60 96.98 93.78 96.74 N5088S30099.96 99.93 99.85 99.89 99.82 97.10 97.31 89.04 97.86 50099.90 99.89 99.62 99.43 98.40 97.71 82.39 93.71 96.38 70099.24 98.81 98.47 97.92 98.57 94.84 87.22 98.19 96.66 平均值Average99.70 99.54 99.31 99.08 98.93 96.55 88.97 93.65 96.97 N95076S30099.87 99.96 99.92 99.89 99.70 99.47 98.26 96.60 99.21 50099.91 99.71 99.74 99.70 98.55 96.83 92.78 89.17 97.05 70099.28 99.35 99.48 98.75 97.77 92.92 83.66 75.06 93.28 平均值Average99.69 99.67 99.71 99.45 98.67 96.41 91.56 86.94 96.51 云粳202S30099.94 99.99 99.99 100 99.98 99.87 99.26 99.72 99.84 50099.92 99.83 99.89 99.78 99.54 98.86 97.38 94.68 98.73 70099.86 99.61 99.69 99.11 99.09 97.73 94.55 90.79 97.55 平均值Average99.90 99.81 99.86 99.63 99.53 98.82 97.06 95.06 98.71

表2 2013-2016年不同生態下不育率方差分析(F值)

注：*和**分別表示在(0,05

Note:* and ** indicated significant difference at 0.05 or 0.01 level, respectively. The same as below.

2.1.2 所有核不育系的育性轉化規律具有時空性通過方差分析(表2)表明，各品種套袋自交不育率因育性基因表達不一，在品種間、海拔間、播期間均表現出極顯著差異，核不育系自交不育率受多種因素的影響。在品種間與海拔間互作及海拔間與播期間互作差異不顯著，說明不同的核不育系在海拔間、播期間的自交不育率表現是相一致的，核不育系的育性表達具有嚴格的空間性，而品種間與播期間差異達極顯著，說明核不育系自交不育率受品種因素和播期的主導，其育性表達具有嚴格的時間限制。因此不同材料育性轉換除受品種自身特性主導外，不同的環境因子均左右著育性的變化。

2.1.3 海拔升高，不育率降低，播期推遲，不育率受品種因素影響出現差異以3月25日作為基點單位0，單位為天，對核不育系自交不育率作回歸分析見表3，結果表明各參試材料不育率與海拔均呈負相關，其中除了蜀光612S、N5088S不顯著相關外，其余均達顯著負相關。除了蜀光612S、N5088S的不育率受海拔影響較小，各不育系的不育率受海拔影響較大，隨著海拔的升高，不育率明顯降低；在不育率與播期間，云軟201S、2301S不育率與播期間呈正相關關系，但相關不顯著；其余不育率與播期間呈負相關關系，除了蜀光612S外均達顯著性關系，云軟201S、2301S、蜀光612S不育率受播期影響較小，其余核不育系隨著播期的推遲，不育率明顯下降，云軟201S、2301S隨著播期推遲，不育率呈上升態勢。

表3 不育率與不同因子的相關性分析

表4 不育率與海拔、播期之間相關性分析

注：Y，不育率；X1，海拔；X2，播期。

Notes:Ymeant percentage of sterility;X1meant altitude；X2meant sowing dates.

2.2 核不育系的育性穩定性分析

以300 m海拔作為基點單位0，海拔每上升100 m為1個單位，和以3月25日作為基點單位0，每推遲1個播期為10 d，分析海拔、播期二因素與不育率之間的回歸關系。如表4所示：海拔每升高100 m，云軟201S不育率下降0.85個百分點，2301S不育率下降0.08個百分點，蜀光612S不育率下降0.45個百分點，不育系云軟201S、2301S、蜀光612S不育率受播期因素影響不大，而與海拔因素相關，除蜀光612S相關不顯著外，云軟201S、2301S達顯著相關；N5088S不育率與播期因素顯著相關，而受海拔因素影響不大，每推遲1個播期，不育率下降0.12個百分點；不育系蜀光357S、N95076S、云粳202S不育率均受海拔、播期的影響達極顯著相關，當海拔每上升100 m，其不育率分別下降0.72個百分點、1.48個百分點和0.57個百分點，當每推遲1個播期，其不育率分別下降0.04個百分點、0.17個百分點和0.06個百分點；隨著海拔的上升，除N5088S不育率不受影響外，其余核不育系不育率均在下降，其中不育率受海拔影響最大為N95076S，當海拔每上升100 m，其不育率下降1.48個百分點，影響較小的是2301S為0.08個百分點。而隨著播期的推遲，蜀光357S不育率每推遲1個播期，其不育率下降0.04個百分點，N95076S下降0.17個百分點，云粳202S下降0.06個百分點，其余核不育系受播期影響不大。

2.3 安全制種區域及適宜播期時段的選擇

選擇安全生態區域制種是受核不育系自身育性表達規律所決定。在兩系制種生產過程中，當核不育系不育率低于99.5 %以下時，所生產的雜交種種子純度將承擔較大風險，根據不同生態條件下分期播種的不育率如表1可知，云軟201S適宜制種區域為海拔300 m，播期為4月4日之后；2301S適宜制種區域為海拔500 m以下，播期為3月25日至6月3日，當海拔上升到700 m時，可以選擇到適宜制種的播期時段；蜀光357S適宜制種區域控制在海拔300 m較為安全；蜀光612S在供試點沒有適宜的制種區域；N5088S適宜制種區域應控制在海拔500 m以下，海拔升高播期相應提前，最遲不超過5月4日；N5088S適宜制種區域為海拔500 m以下，播期為5月4日以前，當海拔升高，播期相應提前，當海拔升高到500 m，播期應提前到4月14日之前；N95076S不育率在海拔間差異變幅較大，其適宜制種區域為海拔500 m以下，播期為5月4日以前，海拔升高，播期提前，海拔升高到500 m時，播期提前到4月24日以前；云粳202S在供試區域均有適宜的安全播期，海拔300 m全程播種均為安全播期，當海拔上升到500 m時，安全播期提前到5月4日以前，當海拔上升到700 m時，安全播期提前到4月14日。

3 討論

3.1 核不育系自身育性轉換特性決定了對適宜制種生態區域的選擇

自1973年石明松發現兩用核不育系農墾58S以來[13]。人們對核不育系的研究從未間斷，目前一致認為，核不育系受自身遺傳因素的影響，每個核不育系在不同年份和不同地點的不育期長短也不一致，由于核不育基因在不同遺傳背景下受到表達條件的改變，從而決定著各不育系的利用價值及其適應地區。而為了兩系制種需要，一般核不育系在制種生態區要求有30 d以上的不育期[14-15]，,抽穗后的育性表現為穩定的不育。本試驗選擇在垂直距離10 km內進行，光長對核不育系的影響可以視為在同一緯度下而不受影響，溫度對其影響來源于海拔差異。隨著海拔的升高，溫度在下降，當溫度低于核不育系育性轉換臨界起點溫度時，核不育系將從不育轉為可育。目前，生產上所用的大部分核不育系的臨界起點溫度為21～23 ℃，根據氣象學資料，海拔每上升100 m，溫度下降0.6 ℃，對應2013-2016年當地溫度記錄分析，在海拔300 m試驗點，當育性轉換敏感期進入8月下旬，育性將引起波動；在海拔500 m試驗點，當育性轉換敏感期越過8月中旬，育性將引起波動；在海拔700 m試驗點，當育性轉換敏感期越過8月上旬，育性將引起波動；實際上同期播期材料在生育進程上隨著海拔的升高相應推后，在所有供試材料中，5月14日之后播種，越過海拔500 m點，8月下旬及之后是其育性轉換敏感期將對育性轉換會產生波動。

3.2 選擇適宜生態區域進行兩系制種是保證種子純度的首要因素

兩系法雜交水稻制種與三系法制種相比，二者在技術層面上有不少相似之處，兩系對種子純度的監控除與三系相同外，本身又有其獨特性，純度風險主要來源于不育系自身的光溫特性。外界環境溫度在不同地域、不同年份、不同季節有很大差異且年際間波動較大，不育系在育性表達上顯示出不穩定狀態，這是由核不育系自身特性所決定的，因而對兩系雜交制種的保純技術要求較高。種子純度能否過關，關系到雜種優勢的利用與推廣，實施兩系雜交種子純度監控是制種過程中非常重要的技術環節[16]。因此選擇適宜的生態區域進行制種，重點要根據核不育系育性轉換特性，從時間和空間上對制種區域進行生態條件研究[17]，除了研究適宜的水、肥條件及安全的抽穗揚花期外，最為重要的是不育系育性敏感期的氣候條件必須保證不育系完全不育以保證制種的純度，即把核不育系的育性轉換敏感時期控制為敗育狀態，這樣才能保證種子的純度無核不育系自交結實種的混雜。當然，影響雜交稻種子純度的因素很多，諸如人工混雜、機械混雜等人為可控因素外，核不育系自身遺傳漂變及環境的不可控性在兩系雜交稻制種過程中對純度的影響尤為重要，只有適時對核不育系進行核心提純復壯外，掌握制種中育性敏感安全期內的溫度狀況，才能從源頭上對兩系雜交稻種子純度提供有效保證。

3.3 成熟的制種技術體系是低緯高原梯田兩系制種的有力保障

兩系雜交稻制種，是綜合環境與人為雙重因素的集成技術，它是在適宜的生態條件下通過人為優化方案實行異交栽培方式[18]來獲取極限產量。高產制種技術是追求合理配置下的高產栽培模式，其中對父母本特征特性的了解，可操作的技術方法摸索和集成技術的靈活運用，包括對父母本花期相遇的播差期安排、花期預測與調控、高產異交群體結構的構建、異交態勢的改良、父母本花時動態與人工輔助授粉等關鍵技術環節。因此，提高制種單產不僅是降低種子成本、加快科技成果轉化、實現種子產業化的有效途徑，而且是實現社會效益、經濟效益和生態效益的有利保證。

水富縣作為云南兩系雜交稻制種基地[19-20]其獨特的生態地理環境為兩系雜交稻制種提供了很好的光溫條件，典型的丘陵梯田結構為高產群體提供了良好的光合環境，但是丘陵狀梯田的分布在局部區域也形成了不同的小氣候環境，對兩系雜交稻制種帶來一定的制約因素。多年來，通過對當地生態條件的深入研究，掌握了部分核不育系在此生態條件下的育性轉換規律，已經形成了一套低緯高原梯田兩系雜交稻高產制種技術體系。通過種子入庫數核算，高產戶最高產量達7.34 t/hm2。安全高產技術集成為云南低緯高原梯田兩系制種基地的選擇及建立奠定了堅實基礎。