水稻高節位分蘗的形態特征及遺傳行為

霍川, 王世全, 沈俊宏, 曾鴻燕

(1.四川農業大學水稻研究所， 四川 溫江 611130； 2.四川省資陽市農業技術推廣站， 四川 資陽 641400)

水稻是我國重要的糧食作物之一，常年種植面積約占全國糧食作物總面積的30%，產量接近糧食總產量的三分之一[1]。近20年來，我國水稻種植面積一直穩定在3 000萬hm2左右，與20世紀70年代比較種植面積有所下降，但科學技術的進步促進單產水平不斷提高，總產量仍然穩定在2億t以上[2]。盡管我國水稻種植面積居世界第二，總產量居世界第一，但單產水平平均不足7 000 kg·hm-2，僅居全世界第13位(2013年)[2]。近年來，隨著人口的增加和人民對美好生活的向往，加上工業用量增多，我國水稻進口量呈上升趨勢。所以提高水稻產量和品質是水稻產業發展和保障國家糧食安全的主要任務[3]。

水稻產量是由單位面積的穗數、每穗粒數和千粒重三個基本因素構成的，而單位面積的穗數又是由株數、單株分蘗數、分蘗成穗率三者組成的。當單位面積株數一定時，單株分蘗數和分蘗成穗率便成為穗數的重要決定因素[4]，分蘗數通過影響穗數對單位面積產量提高產生至關重要的作用。研究水稻分蘗的表型特性及其遺傳行為，可為創制分蘗較多的育種材料或品種奠定較好的理論基礎，為水稻的高產育種提供重要的指導價值。水稻分蘗能否發生、分蘗多少、分蘗節位高低既有遺傳原因[5-8]，也有環境的影響[9-19]。本課題組在野生型水稻恢復系R818中發現并篩選出一個高節位分蘗突變體W33，栽種過程中發現，該突變體高節位分蘗與高分蘗成穗率性狀表現穩定。本研究擬以W33為試驗材料，研究水稻高節位分蘗的表型特性與遺傳行為，為進一步開展水稻高節位分蘗理論研究與利用途徑提供參考和試驗方法。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以水稻高節位分蘗突變體W33和水稻野生型品系R818為試驗材料，來源于四川農業大學水稻研究所。其中W33是在水稻恢復系R818中發現并篩選出的一個高節位分蘗且分蘗成穗率較高的突變體，該突變體植株較矮、抗倒性強，除穗頸節外每節均會分蘗成穗，分蘗數多、成穗率高，穗小、穗粒數少，但籽粒形狀、大小、千粒重等與野生型沒有明顯差異。R818即蜀恢818，為1個選育的三系恢復系。

1.2 試驗設計與方法

分蘗形態特性觀察采用水培(幼苗期)和盆栽(分蘗期)試驗，表型遺傳行為研究采用田間試驗。

幼苗期水培試驗：將W33和R818種子用3%雙氧水浸泡24 h以消毒和打破休眠，用蒸餾水洗凈后放入38 ℃恒溫培養箱中黑暗條件下催芽至露白，將露白發芽的種子轉移至下部鏤空的96孔PCR板，再將PCR板放置于pH 5.5的水稻營養液中，然后在PRX-800B型人工氣候培養箱(上海頤習設備有限公司)中培養7 d，期間更換營養液一次。培養箱條件：31 ℃/24 ℃(白天/夜晚)；光照時間7：30—19：30；光照強度3 000 lx。水培液配方采用國際水稻所配方標準[20]。

盆栽試驗：于2017年3月28日，在四川農業大學溫江校區校園內開展，花盆選擇高40 cm，Φ30 cm的圓柱形塑料缽，土壤用紫色砂壤土，每缽用N15∶P15∶K15三元復合肥，施用量為94.4 kg·hm-2。2017年4月10日，每個塑料缽內分別播種催芽的R818或W33種子6粒。缽內種子均播成三角形。待種子發芽長成1葉1心時，間苗每盆保留3棵，4葉1心時每缽施用N15∶P15∶K15三元復合肥和尿素各47.2 kg·hm-2，保持淹水3～5 cm至新種子成熟。治蟲、防病、除草等措施同大田生產。

田間試驗：于2016年春季和秋季，分別在四川農業大學溫江校區實驗農場和海南省陵水縣四川農業大學海南南繁基地，將W33和R818分別進行兩地各一次種植自交純化，并重點觀察W33高節位分蘗和R818分蘗特性是否存在環境效應變化。2016年冬季，取自交純化后的R818和W33種子各50粒，播種在海南省陵水縣四川農業大學海南南繁基地，開花期進行正交(R818×W33)和反交(W33×R818)獲得正反交F1雜交種子。2017年春季，取部分正反交F1雜交種子和自交純化后的W33、R818種子，種植于四川農業大學溫江校區實驗農場，觀察W33高節位分蘗特性是否存在典型顯隱性遺傳關系和細胞質遺傳特性，同時將W33、R818各自分別與部分正反交F1雜合體進行回交獲得回交種子，另一部分正反交F1雜交種在抽穗時分別進行套袋自交獲得F2種子。2018年春季，在四川農業大學溫江校區實驗農場，將自交純化后的W33、R818、正反交F1、正反交F1與W33的回交后代、正反交F1與R818的回交后代、正反交F2種子種于田間，其中W33、R818、正反交F1每個種植2行40株，回交后代各種植12行240株，F2各種植15行300株。

所有田間試驗種植規格均為行距0.25 m、窩距0.2 m，單株種植，折合種植密度為200 010株·hm-2，田間施肥、灌水、治蟲、防病、除草等措施同當地大田生產。

1.3 指標檢測及方法

將水培7 d的W33和野生型R818幼苗各取10株，觀察單株形態特征，并測量幼苗高度、主根長度；將幼苗下部浸入水中，觀察并記錄不定根條數，測量不定根長度。

記載盆栽試驗參試材料生長發育的生物學時期，包括分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期和成熟期。在分蘗期和拔節期觀察參試材料的植株形態特征、分蘗動態及形態。分別從R1～R3和W1～W3號缽中依次取三次樣，每次取1株測量植株高度、記載主莖葉片數、主莖葉長度、主莖分蘗數、次生分蘗數。在孕穗期，從R4～R13和W4～W13號缽中選取主莖葉片數相同的W33和R818各10個單株，從開始孕穗第5 d進行取樣，用手術刀片分別對W33和R818倒1節、倒2節和倒3節進行環剝(注意不能傷及分蘗芽)，取下腋芽測量長度，并迅速用卡諾固定液進行固定保存，在接下來的45 d內每隔5 d取一次樣，每次取1株，重復操作。在抽穗期，分別從R14和W14號缽中取R818和W33發育正常、基本成熟尚未開放的主莖穎花各3朵，用鑷子取1個花藥，置于載玻片，用鑷子將花藥搗碎，滴加1～2滴I2-KIStain，蓋上蓋玻片，每個材料制成3張片子，立即放在1 500倍解剖顯微鏡下觀察，每片取5～6個視野，統計每個視野花粉的染色率。分別從R14和W14號缽中取R818和W33全部植株測量株高和主莖葉片長度，解剖統計最終分蘗數，包括一次分蘗、二次分蘗、三次分蘗、四次分蘗。籽粒灌漿成熟后，分別從R15和W15號缽中取出R818和W33全部植株，測量主莖和分蘗稻穗的穗長，統計有效分蘗數、稻穗一次和二次枝梗數、穎花數、結實粒數(穗粒數)、結實率；分單穗脫粒曬干后測定單穗粒重、單株粒重和千粒重。

記載田間試驗各參試材料的生物學時期，在抽穗期調查記載W33是否存在高節位分離現象，雜交F1是否有高節位分蘗出現，以及正反交F1高節位分蘗現象是否有差異，分離世代有高節位分蘗和無高節位分蘗性狀植株數。

1.4 數據統計與分析

用Microsoft Excel 2003進行試驗數據處理，用SPSS 19.0計算平均數、進行顯著性分析和2遺傳適合性檢驗。

2 結果與分析

2.1 幼苗形態特征

水培7 d后的水稻幼苗特征結果(表1)顯示，W33幼苗的株高、主根長度、不定根條數、不定根長均與R818無顯著差異(P>0.05)。表明W33幼苗的表型特征和野生型R818并無顯著差異，它們的地上部分和地下部分均能生長正常。

表1 水培下R818與W33的幼苗特征

2.2 分蘗特性

從圖1可以看出，在分蘗前期，R818的可見葉為7葉，而W33的可見葉為8葉，二者相差1片可見葉。但二者的生長速度、植株高度、葉長、主莖分蘗數等無顯著差異。W33和R818的主莖上均可見4個一次分蘗，但W33主莖的第一和第二葉位上已經出現了明顯的二次分蘗，而R818未見二次分蘗出現。

注：紅色箭頭指二次分蘗

進入拔節期后，W33的植株高度平均為(55.3±3.12) cm(表2)，比R818矮21.6 cm，而單株平均二次分蘗數為(4.60±0.70) 個，平均三次分蘗數為(3.30±0.56) 個，分別比R818多2.3個，差異均達極顯著水平(P<0.01)；主莖葉片平均長度(30.2±2.24) cm，比R818短6.30 cm，差異顯著(P<0.05)。但W33的主莖平均可見葉片數(12.3±0.62)和平均一次分蘗數(7.80±0.01)與R818比較均無顯著差異(P>0.05)。表明進入拔節期后，W33快速分蘗的優勢已逐漸顯現出來，但主莖葉片長度顯著短于R818，株高極顯著低于R818。

表2 拔節期R818與W33的形態特征

孕穗期兩個參試水稻材料的腋芽生長狀態結果見圖2，可以看出，在孕穗期間，W33的腋芽生長迅速，倒一節、倒二節和倒三節腋芽幾乎處于同步生長狀態；而R818的倒一節和倒二節腋芽基本處于休眠狀態，倒三節腋芽生長速度緩慢。

圖2 孕穗期R818與W33的莖倒一至倒三節環剝圖

環剝后的主莖倒二節和倒三節的腋芽長度測量結果見圖3。可以看出，孕穗15 d時，W33的倒二節腋芽長度為12 cm左右，比R818長約12 cm；倒三節腋芽長度為19 cm左右，比R818長約18 cm，二者同期差異極顯著(|t|=3.681>t0.01,9=3.250)。孕穗15 d后，W33的倒二節和倒三節腋芽仍保持直線生長狀態至孕穗后25 d，此后仍在緩慢伸長，且倒二節腋芽與倒三節腋芽生長速度基本同步；而R818的倒二節腋芽幾乎完全進入休眠狀態，倒三節腋芽生長速度十分緩慢至孕穗25 d基本停止。表明進入孕穗期后W33腋芽特別是高節位腋芽仍處于活躍、快速生長狀態，而R818高節位腋芽逐漸進入休眠狀態。

圖3 孕穗期倒二節和倒三節的腋芽生長

抽穗期的R818與W33的植株及分蘗特性結果(表3)顯示，進入抽穗期，W33的平均株高為71.3 cm，比R818矮32.2 cm，差異極顯著(P<0.01)； W33的快速分蘗優勢再次凸顯，平均一次分蘗數、二次分蘗數、三次分蘗數、四次分蘗數分別達到(16.4±2.9)(26.9±7.9)(20.8±6.6)和(15.6±5.3) 個，均極顯著高于R818(P<0.01)，單株平均分蘗總數達到79.7個，是R818的7.5倍；但主莖葉均長只有(30.0±2.2) cm，比R818短5.8 cm，差異顯著(P<0.05)。

表3 抽穗期R818與W33的植株及分蘗特征

當R818的主莖處于抽穗期時，W33的主莖還處于孕穗期，根據生育期統計，W33的抽穗期平均比R818晚15 d左右。取孕穗期的R818和W33正常穎花的花粉粒進行碘染觀察，W33的碘染率為98.3%，R818的碘染率為98.7%，兩者正常穎花的花粉粒碘染結果沒有顯著差異(P>0.05)。表明W33的主莖生殖發育進程可能會因其旺盛的高節位分蘗特性有延緩的趨勢，但并不影響其雄性生殖細胞的活性。

2.3 穗部特征

將盆栽條件下的W33和R818植株葉片去除后，露出全部穗子，結果(表4)發現，W33的平均有效穗數為42.80，而R818的平均有效穗數為6.20，約為W33的1/7。R818低節位的一次分蘗上僅有一個穗子，幾乎沒有二次分蘗成穗的情況；而W33低節位的一次分蘗上至少有兩個以上的穗子，即一次分蘗上長出的二次甚至三次分蘗均能成穗，平均成穗率為81.5%，與R818一次分蘗成穗率(82.1%)接近。

部分穗部性狀統計分析結果(表4)表明，W33的單株平均有效穗數顯著高于R818，而其單個稻穗的一次枝梗數、二次枝梗數、穗長、單穗粒數和平均單穗產量均顯著低于R818(P<0.05)；但結實率、千粒重和平均單株產量與R818無顯著差異。W33的單株產量略高于R818，可能是因為W33分蘗優勢明顯，以致有效穗數顯著增多。

2.4 表型遺傳特征

W33和R818植株在成都溫江、海南陵水兩地各種植1次，發現突變體W33的高節位分蘗性狀不因生態環境或栽培措施的改變而改變，所有單株均存在高節位分蘗現象，單株分蘗數68.8～79.3個，平均72.6個(數據未列出)；野生型R818在兩種生態環境條件下均只存在基部或低位分蘗現象，單株分蘗數6.1～9.3個，平均7.7個。表明突變體W33的高節位分蘗性狀未出現遺傳分離現象，該性狀遺傳表現穩定，R818無高節位分蘗特性。用2次自交純化后的W33與野生型R818組配的正反交F1代均未表現為高位分蘗現象，說明高節位分蘗性狀屬于細胞核基因控制性狀，且表現為隱性遺傳，與細胞質遺傳無關。

表5 不同世代分離群體的高節位分蘗統計

3 討論

3.1 W33具有典型的高節位分蘗特性

分蘗是水稻等禾本科植物經過長期進化發育保留下來的重要生物學和形態學特征。一般認為，水稻分蘗主要發生在植株基部密集的節位上[21]，但也有研究和生產實踐證明，環境條件改變或農事操作不當，如水溫、環境溫度和土壤溫度改變[10,17,19]、淹水太深[4]和密度過大[4,10]、秧齡過長[18]、分蘗前期水分和氮、磷、鉀等養分供應不足[11-15]、農藥使用不當[22]等均可能誘發高節位分蘗。莫永[22]研究發現，一些分蘗力強的品種也常出現高節位分蘗，且高節位分蘗在秈稻品種出現機率大于粳稻和糯稻，多穗型品種出現機率大于大穗型品種，雜交水稻出現機率大于常規水稻，野生稻更易出現高節位分蘗。這些研究的共同特點是以野生型水稻品種為試驗材料，通過環境條件或栽培措施的改變來影響分蘗數量和分蘗節位的變化，并發現水稻能否出現分蘗、分蘗多少、分蘗節位高低，是基因型與環境互作的最終結果。本研究發現，突變體W33在其生長發育過程中，幼苗期間地上和地下表型特征和其野生型并無差異，但進入分蘗期后，多分蘗和高節位分蘗優勢逐漸顯現出來，拔節期多分蘗和高節位分蘗優勢更加明顯，到孕穗后期其腋芽特別是高節位腋芽仍處于活躍快速生長階段(除穗頸節外每節均會分蘗)，最終導致分蘗數猛增，這是突變體W33與野生型R818在分蘗特性上的最大區別特征。其次，W33穗子較小、單穗穗粒數較少是區別于野生型R818的明顯穗部形態特征，但W33分蘗數多、成穗率高，籽粒形狀、大小、千粒重與R818沒有明顯差異，其單株產量最終能達到與野生型R818的相當水平。W33植株相對較矮、葉片平均長度相對較短，可能是因為W33植株在增加分蘗過程中，將更多的營養物質用于分蘗建成及生長發育，從而限制了株高和葉長的增加。

3.2 高節位分蘗特性表現為隱性遺傳

關于水稻多分蘗性狀的遺傳已有一些研究報道，段遠霖等[23]以1個受一對隱性基因控制的多分蘗突變體det1為材料，將該隱性突變基因定位在6號染色體的長臂端；江海湃等[24]將一對隱性基因控制的多分蘗基因HDT1-2定位在4號染色體上；薛晶晶等[25]將一對隱性單基因控制的多分蘗矮稈基因D63定位于8號染色體短臂端；張艷培等[26]以1株受1對隱性基因控制的多蘗突變體f2-132為材料，將該隱性基因定位在4號染色體上。這些研究均證明水稻多分蘗性狀受隱性基因控制，在表型遺傳行為上符合孟德爾遺傳分離定律。但王永勝等[6]從栽培稻粳秈89種子EMS化學誘變M2代植株中篩選到1株受兩對顯性等位基因控制的多分蘗突變體ext370，李萬昌等[27]在新稻18中發現1株多分蘗顯性突變體植株HT1，這些研究均未涉及高節位分蘗問題。談雅靜[28]對一個高節位分蘗的小劍葉突變體sfl的表型及農藝性狀進行研究發現，突變體sfl較野生型穗期推遲，劍葉變小變短，劍葉葉舌消失，穗變小，穗桿變短，遺傳分析發現sfl突變體為單基因隱性突變。本研究表明，高節位分蘗突變體W33的高節位多分蘗性狀屬于細胞核基因控制性狀，在W33與其野生型水稻R818的正反交F1與W33的回交后代中，無高節位分蘗和有高節位分蘗的分離符合1∶1分離比；在正反交F2世代中，無高節位分蘗和有高節位分蘗的分離符合3∶1分離比。表明本研究所用突變體W33高節位分蘗性狀的遺傳受一對隱性核基因控制，W33是該基因的隱性突變體。這一結果與已有的研究結果[23-26]類似，與談雅靜[28]研究的突變體sfl的有高節位分蘗和無高節位分蘗在回交世代及自交世代的分離比結果一致。然而，該基因所在的染色體位點還有待通過基因定位方法進行鎖定。

3.3 高節位分蘗特性具有一定的利用價值

眾所周知，單位面積穗數、每穗粒數和千粒重是構成水稻稻谷產量的三要素，只有各個要素協調增長，使單位面積總粒數達到最多，千粒重相對穩定或提高的情況下才能獲得高產。張恒棟等[4]研究認為，當單位面積基本株數一定時，單株分蘗數和分蘗成穗率便是每畝穗數的重要決定因素；孫長占等[29]研究表明，單位面積穴數，每穴穗數和每穗實粒數基本上決定了水稻產量的大部分變異，它們對產量形成的相對重要性依次為：每穴有效穗數>單位面積穴數>每穗實粒數。這些研究均證明單位面積穗數(由基本苗、分蘗數和分蘗成穗率決定)是影響水稻產量的重要因素。本研究表明盡管高節位多分蘗突變體W33的單穗穗短，實粒數少，產量較低，但其旺盛的分蘗力和較高的分蘗成穗率優勢能彌補其單穗產量較低的缺陷，最終達到與野生型R818單株產量相當的水平。因此，本研究認為在穗數型水稻品種選育方面，高節位分蘗性狀對于增強水稻分蘗力，增加單位面積穗數，或許具有一定的利用價值。