水稻種子耐淹特性研究

陳 依,彭歸艷,伍 艷,王思瑤,趙婉玲,劉 敏,陳慧玲,陳良碧

(湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物不育資源創(chuàng)新與利用湖南省重點實驗室，中國湖南長沙410081)

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展,從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力越來越少,輕型化和機械化已成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然方向[1]。水稻直播由于其低成本、省力等優(yōu)勢[2～3],直播面積呈逐年增加趨勢。但是,目前水稻直播主要存在以下3個問題:一是直播前需排干田間水,導(dǎo)致基肥大量流失,污染環(huán)境；二是水稻種子不耐淹,田面未整平的漬水區(qū)因缺苗而影響產(chǎn)量；三是排水后稻田雜草種子與稻種同時發(fā)芽生長,故需多次使用除草劑,不利于農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)建設(shè)。因此,選育水稻種子耐淹品種,研究無需排水、免施或少施除草劑的淹水直播技術(shù)已成為水稻生產(chǎn)的迫切需求。

稻田長期淹水導(dǎo)致土壤通氣不良,有毒還原性物質(zhì)顯著升高[4～5],直播后的水稻種子受到淹水、缺氧等逆境脅迫,造成了成苗率低等后果,嚴重限制了水稻淹水直播技術(shù)的發(fā)展。因此,挖掘適合在淹水條件下直播的水稻種質(zhì)資源,分析水稻種子耐淹特性,選育水稻耐淹性品種,已成為亟需解決的問題。目前,有關(guān)水稻種子耐淹發(fā)芽的研究少有報道。

本研究利用本實驗室提供的豐富種質(zhì)資源構(gòu)建自然群體,鑒定田間與量筒環(huán)境中水稻發(fā)芽期的耐淹表型,并篩選具有較強耐淹發(fā)芽能力水稻品種,為水稻淹水直播栽培技術(shù)的形成提供理論依據(jù)和材料支撐。

1 材料方法

1.1 實驗材料

供試材料來源于本實驗室保存的種質(zhì)資源,于海南實驗基地和長沙繁種,包括445份水稻品種。

1.2 實驗方法

1.2.1 正常條件下水稻種子的萌發(fā)

依據(jù)GB3453-95《農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程》國家標準對實驗所需不同品種的水稻種子進行萌發(fā)實驗。每個材料隨機選取50×3粒成熟飽滿的種子,使用3%次氯酸鈉溶液浸泡20 min后,無菌水漂洗數(shù)次,置于鋪有濾紙的9 cm培養(yǎng)皿內(nèi),加入適量無菌水,常溫下浸種12 h后,37℃培養(yǎng)7 d,檢測第7天種子的發(fā)芽率。

1.2.2 田間泥土覆蓋條件下水稻種子耐淹發(fā)芽測試

每個材料隨機選取100×3粒成熟飽滿的種子,將種子撒播在大小為20 cm×30 cm的田間小格內(nèi),覆蓋泥土厚約1 cm,然后淹水5 cm,第15天統(tǒng)計成苗率,以根系和葉片發(fā)育正常的幼苗為計數(shù)標準。

根據(jù)以下公式進行相對成苗率統(tǒng)計:

1.2.3 深水淹沒條件下水稻種子耐淹發(fā)芽測試

每個材料隨機選取50×3粒成熟飽滿的種子,分裝在3個量筒內(nèi),量筒內(nèi)注滿無菌水,置于(28±1)℃恒溫恒濕培養(yǎng)室中,每天向量筒內(nèi)補充無菌水,保持水深30 cm至實驗結(jié)束,分別于7 d和15 d觀察不同水稻種子在深水淹沒條件下的發(fā)芽情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間泥土覆蓋淹水條件下水稻成苗率差異比較

較高的成苗率是水稻直播高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的首要保障。一般認為三葉期成苗數(shù)達到落田稻粒數(shù)70%以上,即基本達到全苗目標,但生產(chǎn)上往往達不到50%[6]。Frantz等[7]提出用5 cm深靜止的水即可保持缺氧條件,水中微量的溶解性氧對研究缺氧發(fā)芽無影響,并且4～6 cm的水深還可抑制雜草與水稻秧苗的競爭。本實驗供試的445份水稻材料在正常萌發(fā)條件下發(fā)芽率在80%以上的占比93%(圖1A),田間泥土覆蓋并淹水5 cm條件下相對成苗率大于50.00%的耐淹材料有Kang116、18Yue719、D204、D203 等21 份,其中 4249H、D204和WJGA26這3個材料相對成苗率達到60.00%以上,表現(xiàn)為強耐淹特性。相對成苗率為30.01%～50.00%的較耐淹材料有 You6-4、WJGD30、D156、KangBai-7、Huang5-6等172份；相對成苗率為10.00%～30.00%的淹水較敏感材料有HanYan111、NY5、Huang8-26、WJGD04、12-2 等 185 份；相對成苗率＜10.00%的淹水極敏感材料有Yue51、W56、18Yue368、Yue-62等 77份,其中 W56為最不耐淹材料,相對成苗率為0(圖1B、表1)。

表1 不同水稻材料大田耐淹特性比較Table 1 Comparison of submergence resistance of different rice materials in field

（接上表）

圖1 水稻種子耐淹成苗比較(A)37℃條件下水稻種子發(fā)芽率；(B)大田淹水5 cm處理下水稻相對成苗率的頻次分布。Fig.1 Comparison of submergence tolerance of different rice seeds(A)Germination rates of seeds at 37℃；(B)Frequency distribution of relative seedling rates of rice seeds in field under waterlogging conditions of 5 cm depth.

以上實驗結(jié)果表明,在大田淹水條件下,不同水稻成苗率差異顯著,強耐淹材料占比低,較耐淹和淹水較敏感的中間類型占比80.2%。

2.2 淹深水條件下不同水稻種子發(fā)芽差異分析

2.2.1 淹深水條件下不同水稻種子發(fā)芽差異比較

干燥種子從吸水萌發(fā)至長成新的植株需要經(jīng)歷吸脹,酶系統(tǒng)的形成,細胞修復(fù)、活化,胚根的出現(xiàn)等過程[8]。其中任何一個環(huán)節(jié)受阻都會影響種子的萌發(fā),適宜的水分是種子萌發(fā)過程中的必要條件。在淹水30 cm條件下各水稻材料的胚芽鞘長度均比對照組長(圖2、圖3)。 HanYan106和1783Yue-59等耐淹材料第3天時長出根和葉,形成完整幼苗；Chi33和720-102You等淹敏感材料的胚芽鞘極度伸長,胚根和芽生長完全被抑制。以上結(jié)果說明:淹深水條件下,不同水稻種子發(fā)芽差異顯著,耐淹水稻材料雖然胚芽鞘比正常條件下有所伸長,但能發(fā)育成有根和葉的正常幼苗；對淹水敏感的水稻材料僅形成沒有根和葉的畸形苗。

圖2 淹水30 cm條件下不同水稻發(fā)芽比較(標尺=1 cm)Fig.2 Comparison of germination of different types of rice under waterlogging conditions of 30 cm depth(Bars=1 cm)

圖3 淹水30 cm條件下不同水稻種子胚芽鞘長度與根長比較(A)耐淹材料胚芽鞘長度比較；(B)淹敏感材料胚芽鞘長度比較；(C)耐淹材料根長比較；(D)淹敏感材料根長比較。**:極顯著水平 P＜0.01。Fig.3 Comparison of coleoptile and root lengths of different rice seeds under waterlogging conditions of 30 cm depth(A)Comparison of coleoptile length of flood-resistant materials；(B)Comparison of coleoptile length of flood-sensitive materials；(C)Comparison of root length of flood-resistant materials；(D)Comparison of root length of flood-sensitive materials.**:P＜0.01.

2.2.2 淹深水條件下不同水稻材料成苗率比較

淹水至第7天,對淹水敏感的HanYan60、18Yue14等材料僅有白色胚芽鞘極度伸長(圖4A),淹水至15 d,胚芽鞘開始壞死,水溶液變渾濁(圖 4B)。耐淹材料18Yue310、Kang116等的根和葉發(fā)育基本正常,在光照條件下能看到葉片光合作用排出的氧氣泡。成苗率的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示,耐淹的品種占比近72.2%,淹水敏感品種占比約 27.8%(表 2)。

表2 不同水稻材料淹深水條件下耐淹特性比較Table 2 Comparison of waterlogging tolerance traits of different rice materials under deep-water waterlogging conditions

圖4 淹水30 cm條件下不同水稻材料成苗比較(A)淹深水第7天生長情況比較；(B)淹深水第15天生長情況比較(標尺=1 cm)。Fig.4 Comparison of seedling formation of different rice materials under waterlogging conditions of 30 cm depth(A)Comparison of growth on the 7th day of deep water submergence；(B)Comparison of growth on the 15th day of deep water submergence(Bars=1 cm).

以上結(jié)果表明,淹30 cm深水條件下不同水稻材料發(fā)芽和成苗差異顯著,耐淹的品種能夠長出根、葉,并進行光合作用；對淹水敏感的水稻材料不能正常發(fā)芽。

3 討論

水稻直播后若遭遇低溫、暴雨等惡劣天氣,成苗率就會受到較大影響,尤其是播種后水稻種子如處于淹水條件下,極易引起發(fā)苗不整齊、爛芽、壞苗等后果,影響直播稻穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[9]。因此,直播的水稻品種應(yīng)當具有耐淹水脅迫和拮抗田間不良生態(tài)環(huán)境的能力。

王洋等[10]采用5 cm水深條件下生長7 d的芽鞘長度作為幼苗耐低氧能力的衡量指標,來預(yù)測直播成苗的優(yōu)劣；鐘艷平等[11]在5 cm淹水處理下,通過存活率、胚芽鞘、苗高、根長、根數(shù)等指標計算耐淹系數(shù)來綜合評價種子的耐淹性。孫凱等[12]利用來源廣泛的200份水稻種質(zhì),研究種子活力、芽鞘長度等性狀與耐淹成苗率之間的關(guān)系,結(jié)果表明種子活力、芽鞘長度與耐淹成苗率密切相關(guān)。依據(jù)直播稻的栽培要點,淹水發(fā)芽時相對成苗率更高的水稻品種在耐淹能力上更有優(yōu)勢,因此在評估耐淹發(fā)芽特性時,可以用相對成苗率作為鑒定耐淹品種的標準。

本研究采用田間泥土覆蓋并淹水5 cm處理,以相對成苗率作為種子耐淹或淹水敏感指標來鑒定耐淹品種,該方法能真實反映水稻種子在大田環(huán)境下遇到淹水脅迫時所形成的拮抗淹水脅迫的生態(tài)表現(xiàn)。

淹30 cm深水實驗表明,淹水脅迫與有氧的對照水稻種子,其發(fā)芽的形態(tài)特征區(qū)別較大,主要表現(xiàn)為:在有氧情況下,水稻種子萌發(fā)由胚根率先突破種皮,而在淹水情況下水稻種子萌發(fā)最先表現(xiàn)為胚芽鞘的快速伸長。對淹深水敏感的品種形成胚芽鞘極度伸長的畸形苗,種子中有機物外溢,導(dǎo)致水體渾濁；耐淹的品種根系較發(fā)達,1～3片葉發(fā)育較正常,光照條件下可見光合作用釋放的氧氣泡。本研究發(fā)現(xiàn),有些田間淹水條件下成苗率低的材料,在量筒淹深水的條件下能正常發(fā)芽和成苗,故總體成苗率要高于田間淹水的成苗率,表明覆蓋1 cm土、淹水5 cm的田間環(huán)境更不利于種子的發(fā)芽和成苗。因此我們推測水稻種子適應(yīng)田間淹水脅迫與淹深水脅迫的調(diào)控機制不同,在后續(xù)實驗中可以從分子生物學(xué)等角度進行探討。

水稻直播是種糧大戶節(jié)本增效的種植方式。但由于成苗率低和除草劑用量大,農(nóng)業(yè)管理部門一直不提倡。本實驗篩選到一批耐淹水稻種質(zhì)資源,可為培育耐淹的優(yōu)良品種提供材料基礎(chǔ),同時可為促進水稻淹水直播栽培技術(shù)的形成提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。