水稻不同種質苗期耐旱性綜合評價

孔憲旺，孫明茂

(1.江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所，江蘇 淮安 223001；2.濰坊科技學院 賈思勰農學院，山東 壽光 262700)

水稻從播種到收獲需要大量的水分供給，水量不足將會影響水稻的正常生長甚至最終產量，水稻不同發育時期對需水量要求不同。水稻整個生育期有2次需水高峰：分蘗期日需水強度是7.0 mm，孕穗拔節期日需水強度是8.6 mm[1]。作為我國第二大優質粳米產區的黃淮稻區(主要包括山東、蘇北、河南中北部、山西、陜西漢中平原、安徽北部)面積約100萬hm2，栽培品種主要為麥茬粳稻[2]。其中，山東種植水稻歷史悠久，迄今有4000多年，米質優、效益好，具有區域不可替代性，2003年以來常年種植水稻面積約12萬hm2；江蘇省淮安市地處蘇北平原腹地，常年水稻種植面積約29.33萬hm2。近年來隨著人工成本的不斷攀升，水稻直播技術在安徽、江蘇、河南南部、湖北北部、寧夏等地得到了廣泛發展，例如淮安市直播水稻面積已達12.6萬hm2，占當地水稻總種植面積的42.96%[3]。水稻直播大幅減少用工，顯著提升了水稻種植的綜合效益。但水稻直播存在著出苗不均不全和雜草發生嚴重等問題，其中苗期干旱也是限制直播稻推廣的一個重要因素。例如，山東5月份不同地市平均降水量為34～62 mm，氣溫為13～27 ℃；6月份不同地市平均降水量為69～107 mm，氣溫為18～32 ℃[4]，降水量小于蒸發量，田間墑情嚴重不足。

水稻耐旱性鑒定時間包括芽期、苗期、分蘗期、孕穗期、抽穗期、開花期和灌漿期等，鑒定指標包括形態指標、理化指標和產量指標等。采用15%聚乙二醇溶液對黑龍江省10個水稻品種(系)種子進行發芽脅迫實驗，發現貯藏物質轉運速率、水稻根系活力和β-淀粉酶活力變化可以作為衡量水稻品種耐旱性強弱的有效指標[5]。以湘豐早119(耐旱型)和愛華5號(敏旱型)3葉1心期水稻苗為試驗材料，采用0、50、125和200 g/L PEG-6000溶液處理，發現根體積、根粗、最長根長、根總長度、不定根長、側根長可以作為水稻品種耐旱性的評價指標，而根數量和根系質膜相對透性不宜作為耐旱指標[6]。以水稻品種東農425(耐旱型)和松粳6號(敏旱型)為試驗材料，采用塑料盆缽種植，于分蘗期干旱脅迫處理21 d后復水，發現東農425比松粳6號的抗氧化酶活性高，清除O2-、H2O2的能力強，復水后，東農425具有較長的高酶活持續期[7]。以東農425和松粳6號為試驗材料，采用塑料盆缽種植，于孕穗期干旱處理21 d后復水，發現孕穗期干旱脅迫對二次枝梗性狀的影響大于一次枝梗，寒地粳稻產量降低主要是由于每穴穗數、穗粒數和結實率的顯著下降，但對千粒重和穗長的影響不顯著[8]。段驊等[9]研究表明：水稻抽穗期干旱脅迫處理下，品種雙桂1號、黃華占、兩優培九和揚粳4038的產量與對照相比分別下降了11.0%、6.9%、7.4%、6.6%，空粒率分別上升了11.0%、3.9%、3.2%、0.8%[9]。對96個大面積推廣的水稻栽培品種進行盆栽試驗，以開花期內3.5 cm淺水層為對照，保持田間最大持水量的70%為水分虧缺處理，在開花始期開始水分處理10 d，研究表明，花期水分脅迫對水稻的影響主要表現為降低結實率，其次是降低千粒重[10]。隨著水稻直播技術的大面積推廣和我國北方地區每年5、6月份干旱的頻繁發生，水稻苗期耐旱性研究顯得越來越重要，因此研究水稻苗期耐旱性鑒定方法和鑒定耐旱品種是目前亟待解決的問題。本研究選用國內外20份優異水稻種質為試驗材料，觀察水分脅迫對水稻苗形態指標的影響，篩選出簡單有效的水稻苗期耐旱性評價指標，并對20份水稻種質進行苗期耐旱性綜合評價，為今后開展水稻種質苗期耐旱性鑒定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用的國內外20份優異水稻種質見表1。

表1 供試水稻種質編號和名稱

1.2 試驗材料的處理

2018年1月15日每個水稻品種挑選大小均勻一致、籽粒飽滿的100粒種子，然后放入培養皿內，加水沒過種子。每個培養皿放入相同品種的100粒種子，共20個培養皿，分別按不同品種編號標記，接下來放入人工氣候箱(RXZ-288A智能型，寧波江南儀器廠)。培養箱內白天和黑夜溫度分別設置為29、26 ℃，光照和黑暗時間分別設置為12 h，濕度設置為59%。定期觀察水稻發芽情況，每24 h培養皿換水1次，4～5 d內種子發芽情況良好。

2018年1月20日準備6個大號育秧盤(1335 mm×500 mm×190 mm，底部有均勻排列的排水孔)，育秧盤內放入育苗基質和田間土的混合物(體積比約為1∶2)，土層厚度約為6 cm，噴水潤透。每個品種挑選11粒催芽良好的種子按不同品種分行播種在盛有栽培基質的育秧盤內，每個品種1行，共20行，行距和株距為6 cm×4 cm，播種完成后覆土噴水。將育秧盤放在窗臺旁邊光照充足的地方(房間有暖氣)，3 d左右水稻出苗良好。每天觀察記錄水稻苗生長情況，并且每隔3 d澆水1次，每個育秧盤用噴壺噴灑相同體積的水，保證噴灑均勻。

播種后20 d水稻苗生長良好，以每隔3 d澆水1次為對照(CK)；以此時停止澆水、營造缺水環境為干旱脅迫處理(DT)。對照和干旱脅迫處理各設置3次重復。每天觀察水稻苗在缺水環境下的生長狀況，干旱脅迫處理10 d后水稻苗的形態性狀在不同品種間存在明顯的差異，有的莖葉出現干枯，有的莖葉依舊嫩綠，水稻苗高也表現出較明顯的差異，此時測量水稻苗的形態指標。

1.3 測定指標及方法

每個品種每個處理選取5株長勢均勻的水稻苗，從栽培基質中小心取出植株，用清水輕輕沖洗干凈，然后用吸水紙吸干植株表面水分。測定水稻苗的形態指標，包括水稻苗總長、根長、苗高、根鮮重、莖葉鮮重、根數、根干重和莖葉干重。

水稻苗總長、苗高和根長通過直尺進行測量，其中根長為植株基部到根系形態學最下端的距離；苗高為植株基部到上部最長葉葉尖的距離；苗總長為苗高和根長之和。將植株在根莖結合處剪斷，用精度為0.0001 g的電子天平分別稱量根鮮重和莖葉鮮重，其中根鮮重為所有根系的總質量。根數通過肉眼計數的方法測定。上述指標測量結束后，將水稻莖葉和根系用鋁箔紙按不同品種分別包好，放于鼓風干燥箱內，50 ℃恒溫烘干至恒重，用精度為0.0001 g的電子天平分別稱量根干重和莖葉干重，其中根干重為所有根系的總質量。各性狀的相對值(%)=干旱脅迫下處理值/對照值×100。各性狀的相對旱害率(%)=(對照值-干旱脅迫下處理值)/對照值×100。

1.4 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2013、SAS 9.3和SPSS 23.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 苗期干旱脅迫對水稻形態性狀的影響

從表2可以看出，苗期干旱脅迫下所有供試水稻種質的部分性狀發生了改變。越光、一味稻、JWR221、大珍稻、當育5號、奧村紫、里歌和鄭旱2號共8份水稻種質不少于5個性狀發生了改變(P<0.05)；W0610、文長稻和秋田小町共3份種質4個性狀發生了改變(P<0.05)；黑糯1568、安多稻、龍錦1號、旱526、旱529、黃金晴、淮稻9號、一目惚和X2-5共9份種質不少于5個性狀未發生統計學意義上的改變。大珍稻的苗總長相對旱害率最高，為50.00%；其次是越光，為40.08%；黑糯1568最低。大珍稻的苗高相對旱害率最高，為48.09%；其次是越光，為40.65%；黑糯1568最低。大珍稻的根長相對旱害率最高，為57.98%；其次是一味稻，為53.78%；鄭旱2號最低。大珍稻的莖葉鮮重相對旱害率最高，為77.15%；其次是奧村紫，為67.11%；黑糯1568最低。一味稻的根鮮重相對旱害率最高，為74.41%；其次是文長稻，為73.15%；淮稻9號最低。大珍稻的莖葉干重相對旱害率最高，為42.13%；其次是JWR221，為29.62%；X2-5最低。越光的根干重相對旱害率最高，為64.46%；其次是一味稻，為58.90%；龍錦1號最低。JWR221的根數相對旱害率最高，為30.77%；其次是奧村紫，為29.63%；龍錦1號最低。苗期受干旱脅迫影響最大的形態性狀是莖葉鮮重，相對旱害率均值為50.20%；其次為根鮮重。

2.2 苗期干旱脅迫下水稻各形態性狀間的相關分析

由表3可知，苗期干旱脅迫下水稻8個形態性狀間大多存在顯著或極顯著相關性。相對莖葉鮮重與相對苗高、相對根鮮重、相對莖葉干重呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與相對苗總長呈顯著正相關關系(P<0.05)。相對根鮮重與相對根數呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與相對根長和相對根干重呈顯著正相關關系(P<0.05)。相對莖葉干重與相對苗總長、相對苗高、相對根干重呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與相對根數呈顯著正相關關系(P<0.05)。相對根干重與相對苗總長、相對根長、相對根數呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與相對苗高呈顯著正相關關系(P<0.05)。相對根數與相對苗總長、相對根長、相對莖葉鮮重呈顯著正相關關系(P<0.05)。相對苗總長與相對苗高、相對根長呈極顯著正相關關系(P<0.01)。相對苗高與相對根長呈顯著正相關關系(P<0.05)。說明相對苗總長、相對根干重和相對莖葉干重與其他性狀間的相關性較強。

表2 苗期干旱脅迫對水稻種質形態性狀的影響

水稻種質根鮮重/gCKDT莖葉干重/gCKDT根干重/gCKDT根數CKDTJWR2210.0097 a 0.0049 b 0.0167 a 0.0117 b 0.0029 a 0.0017 a 7.8 A 5.4 B 當育5號0.0170 A 0.0074 B 0.0158 A 0.0113 B 0.0023 a 0.0021 a 5.6 a 5.0 a W06100.0143 A 0.0042 B 0.0170 a 0.0148 a 0.0028 a 0.0026 a 9.8 a 7.8 a 淮稻9號0.0045 a 0.0052 a 0.0168 a 0.0150 a 0.0021 a 0.0034 a 4.0 a 4.4 a 黃金晴0.0146 A 0.0035 B 0.0166 a 0.0151 a 0.0026 a 0.0023 a 7.2 a 5.6 a 一目惚0.0090 a 0.0028 a 0.0136 a 0.0143 a 0.0018 a 0.0019 a 5.8 a 6.2 a 文長稻0.0141 A 0.0038 B 0.0186 a 0.0178 a 0.0022 a 0.0019 a 6.6 a 5.8 a 安多稻0.0047 a 0.0037 a 0.0144 a 0.0140 a 0.0022 a 0.0024 a 4.6 a 6.0 a 龍錦1號0.0054 a 0.0044 a 0.0128 A 0.0164 B 0.0012 A 0.0023 B 5.8 a 7.6 a 黑糯15680.0101 a 0.0096 a 0.0157 a 0.0184 b 0.0024 a 0.0031 a 5.2 a 6.2 a X2-50.0102 a 0.0047 b 0.0117 a 0.0155 b 0.0016 a 0.0022 a 6.2 a 5.2 a 奧村紫0.0060 A 0.0036 B 0.0180 a 0.0143 a 0.0027 a 0.0018 a 5.4 A 3.8 B 秋田小町0.0075 a 0.0023 b 0.0133 a 0.0112 a 0.0010 a 0.0006 a 5.6 a 5.2 a 里歌0.0109 a 0.0033 b 0.0179 a 0.0137 a 0.0025 a 0.0011 a 7.0 A 5.4 B 越光0.0105 a 0.0063 b 0.0174 a 0.0132 b 0.0033 a 0.0012 b 6.2 a 4.6 b 一味稻0.0077 a 0.0020 b 0.0161 a 0.0116 b 0.0029 a 0.0012 b 6.4 a 5.4 a 大珍稻0.0029 a 0.0014 b 0.0169 A 0.0098 B 0.0011 a 0.0007 a 5.4 a 5.0 a 鄭旱2號0.0111 a 0.0071 a 0.0262 a 0.0202 b 0.0030 a 0.0053 b 5.8 a 6.0 a 旱5260.0043 a 0.0048 a 0.0195 a 0.0202 a 0.0030 a 0.0033 a 5.2 a 5.2 a 旱5290.0118 a 0.0057 a 0.0156 a 0.0161 a 0.0024 a 0.0027 a 6.4 a 6.6 a

注：同列小、大寫字母分別表示在0.05、0.01水平上的差異顯著性，字母相同則差異不顯著，不同則顯著。

2.3 水稻種質苗期耐旱性的因子分析

對20份水稻種質的苗期耐旱性鑒定指標做因子分析。由表4可知，前3個因子對總方差的貢獻率最大，其特征值分別為4.942、1.166、0.945，各因子能夠解釋的總方差貢獻率分別為61.772%、14.578%、11.808%，累積方差占總方差的88.157%，能夠較好地解釋原始變量中的信息，故以這3個公因子代替供試材料8個原始性狀指標做進一步分析。經方差最大正交旋轉后，旋轉后的因子載荷矩陣見表5。第1公因子主要由苗高和莖葉干重這2個因子決定，其因子載荷分別為0.931和0.856，可稱之為地上部因子；第2公因子主要由根長和根干重這2個因子決定，其因子載荷分別為0.897和0.829，可稱之為根部因子；第3公因子主要由根鮮重決定，其因子載荷為0.879，可稱之為鮮重因子。

表3 苗期干旱脅迫下水稻各形態性狀間的相關系數

注：*、**分別表示相關性達到顯著、極顯著水平。

表4 因子的特征值、貢獻率和累積貢獻率

表5 旋轉后的因子載荷矩陣

2.4 水稻種質苗期耐旱性的聚類分析

在系統聚類中，以所計算得到的前3個公因子得分為指標，采用組間連接法對20份供試水稻種質材料進行聚類分析。如圖1所示，可將20份水稻種質分為3個組群。第Ⅰ組群包括JWR221、當育5號、W0610、黃金晴、一目惚、文長稻、X2-5、奧村紫、秋田小町、里歌、越光、一味稻、大珍稻和旱529共14份種質，占供試材料的70%。第Ⅱ組群包括安多稻、龍錦1號、黑糯1568和旱526共4份種質，占供試材料的20%。第Ⅲ組群包括淮稻9號和鄭旱2號共2份種質，占供試材料的10%。第Ⅰ組群水稻種質，地上部因子居中，但根部因子和鮮重因子都比較差。第Ⅱ組群水稻種質，地上部因子和鮮重因子都非常好，根部因子居中。第Ⅲ組群水稻種質，地上部因子一般，鮮重因子居中，但根部因子非常好，特別是根長和根干重(表6)。

2.5 水稻種質苗期耐旱性評價

根據因子貢獻率(表4)和旋轉后的因子載荷系數(表5)，得到3個公因子的表達式：

y1=(0.705x1+0.931x2+0.217x3+0.657x4+0.017x5+0.856x6+0.305x7+0.225x8)×34.000%

y2=(0.662x1+0.299x2+0.897x3-0.075x4+0.354x5+0.301x6+0.829x7+0.546x8)×31.737%

y3=(0.152x1+0.029x2+0.159x3+0.695x4+0.879x5+0.226x6+0.316x7+0.581x8)×22.420%

上式中，y1、y2、y3分別代表樣本公因子1、公因子2和公因子3。x1～x8分別代表變量相對苗總長、相對苗高、相對根長、相對莖葉鮮重、相對根鮮重、相對莖葉干重、相對根干重和相對根數。根據這3個公因子總值大小，將20份水稻種質進行苗期耐旱性排序(表7)。龍錦1號、黑糯1568和淮稻9號苗期耐旱性強，其次是X2-5、旱526和安多稻，而大珍稻、一味稻和越光苗期的耐旱性較弱。

3 討論與結論

3.1 水稻種質苗期耐旱性評價

陸崗等[11]以464份水稻種質作為供試材料，采用人工干旱和極限干旱后復水法相結合的方法作為抗旱鑒定的主要方法，于5葉期停止供水后調查水稻耐旱等級。研究表明，水稻中有不少耐旱種質，而陸稻不一定很耐旱，并且秈稻耐旱性強于粳稻。唐清杰等[12]以49個居群490份普通野生稻材料作為試驗材料，于5～7葉期移栽到盆缽中，20 d后停止供水，并以含羞草作為枯竭指示植物，調查水稻苗受害級別。童繼平等[13]5月31日將催芽的供試水稻種質播種，出苗后持續進行干旱處理，7月8日與7月12日分別調查其耐旱性等級，結果表明：直播稻品種K2的抗旱能力微弱，其耐直播特性與耐旱性無關，但其與HP121雜交F4株系的耐旱性有明顯的超親現象。參試材料的耐旱性與新根發生數呈極顯著正相關，并且新根發生數與其株高呈極顯著正相關。張敬原等[14]以粳稻品種Dongjin作為試驗材料，于5葉1心期進行干旱脅迫處理，研究表明：干旱脅迫處理6 d時，其光合速率、脯氨酸含量、丙二醛含量、相對電導率、葉片活性氧信號強度和相對含水量與前一時間點相比差異顯著或極顯著。胡運高等[15]以22份水稻種質作為試驗材料，采用盆缽種植，當50%以上的參試品種秧苗達4葉1心期時進行干旱脅迫處理，采用苗期反復干旱后存活率指標進行苗期耐旱性評價，發現22份水稻種質苗期干旱存活率變異幅度為44.44%～65.55%。丁國華等[16]于4葉1心期，采用反復干旱脅迫的方法，以幼苗存活率、葉片抗衰老度和苗期抗旱性綜合系數指標對33份雜交稻種質進行了幼苗期耐旱性評價。

表6 3個組群主要性狀的統計分析

圖1 苗期干旱脅迫下20份水稻種質的系統聚類分析

本研究表明，播種后20 d 時進行干旱脅迫處理10 d，以調查所得的水稻苗總長、苗高、根長、莖葉鮮重、根鮮重、莖葉干重、根干重和根數為變量進行對照和干旱脅迫處理差異顯著性分析。越光、一味稻、JWR221、大珍稻、當育5號、奧村紫、里歌和鄭旱2號共8份水稻種質不少于5個性狀發生了改變(P<0.05)；W0610、文長稻和秋田小町共3份種質4個性狀發生了改變(P<0.05)；20份供試水稻種質中，大珍稻在苗總長相對旱害率、苗高相對旱害率、根長相對旱害率、莖葉鮮重相對旱害率、根鮮重相對旱害率和莖葉干重相對旱害率共6個指標方面最高；黑糯1568在苗總長相對旱害率、苗高相對旱害率和莖葉鮮重相對旱害率共3個指標方面最低；龍錦1號在根干重相對旱害率和根數相對旱害率共2個指標方面最低。根據因子貢獻率和旋轉后的因子載荷系數，得到3個公因子的表達式， 并以這3個公因子總值作為評價標準， 20份水稻種質苗期耐旱性排序如下：龍錦1號>黑糯1568>淮稻9號>X2-5>旱526>安多稻>鄭旱2號>旱529>一目惚>當育5號>黃金晴>文長稻>W0610>奧村紫>JWR221>秋田小町>里歌>越光>一味稻>大珍稻。

3.2 因子分析和聚類分析

孟慶虹等[17]以108個粳稻品種為試驗材料，對碾米品質、外觀品質、理化品質和糊化特性共25個指標進行因子分析和聚類分析，將粳稻品質指標簡化為8項。周鴻凱等[18]以51個雜交水稻品種(組合)為供試材料，對其10個產量構成因素性狀和6個品質性狀進行因子分析，發現產量性狀的前4個公因子累積貢獻率約為85%，品質性狀的前4個公因子累積貢獻率為88.6%，并且雜交水稻不同品種的因子得分表明，雜交組合C54不僅產量較高，而且其產量性狀和品種性狀因子得分也較高。

本研究以20份水稻種質為試驗材料，以干旱脅迫下的相對苗總長、相對苗高、相對根長、相對莖葉鮮重、相對根鮮重、相對莖葉干重、相對根干重和相對根數為指標進行因子分析，發現前3個因子能夠解釋的總方差貢獻率分別為61.772%、14.578%、11.808%，累積方差占總方差的88.157%，能夠較好地解釋原始變量中的信息。方差最大正交旋轉后的因子載荷矩陣表明，第1公因子主要由苗高和莖葉干重這2個因子決定；第2公因子主要由根長和根干重這2個因子決定；第3公因子主要由根鮮重決定。采用前3個公因子得分指標和組間連接法，20份供試水稻種質被聚為3個組群。第Ⅰ組群包括JWR221、當育5號、W0610、黃金晴、一目惚、文長稻、X2-5、奧村紫、秋田小町、里歌、越光、一味稻、大珍稻和旱529共14份種質。第Ⅱ組群包括安多稻、龍錦1號、黑糯1568和旱526共4份種質。第Ⅲ組群包括淮稻9號和鄭旱2號共2份種質。第Ⅰ組群水稻種質，地上部因子居中，但根部因子和鮮重因子都比較差。第Ⅱ組群水稻種質，地上部因子和鮮重因子都非常好，根部因子居中。第Ⅲ組群水稻種質，地上部因子一般，鮮重因子居中，但根部因子非常好，特別是根長和根干重。

表7 苗期干旱脅迫下水稻種質3個公因子值及耐旱性排序