長江中下游流域水稻試驗品種的耐熱性鑒定

肖本澤 南波 張方玉

（華中農業大學 植物科學技術學院，武漢 430070；*第一/通訊作者：benzexiao@mail.hzau.edu.cn）

隨著工業化進程的加速，全球產生了越來越明顯的“溫室效應”，導致全球氣候正在以更快的速度變暖，極端天氣越來越頻繁，給農作物生產帶來了極大的影響[1]。高溫熱害導致水稻減產和稻米品質的降低[2-3]。近年，7—8月份我國常常大范圍出現最高氣溫超過40℃的異常高溫天氣，且持續時間長，此時南方大部分稻區早熟中稻正值孕穗至抽穗開花期，是水稻易受高溫危害的時期，高溫脅迫造成其育性下降、受精不良，導致結實率降低[4-7]；灌漿成熟期也是水稻易受高溫脅迫時期，如遇高溫會造成秕谷粒增多和粒質量下降，稻米品質變差[8-9]。MATSUI等[10]對9個粳稻品種進行高溫脅迫處理，結果表明，不同水稻品種在高溫脅迫處理后的結實率與位于花粉囊腔與腔隙之間的細胞層數呈顯著的負相關性，即花粉囊腔與腔隙間細胞層數少的水稻品種在高溫脅迫后其結實率要遠高于細胞層數多的水稻品種。PENG等[11]歷時12年對國際水稻研究所25年間水稻生長期間的溫度、光照等氣象因素進行了綜合分析，發現這25年來水稻生長期間夜間最低溫度平均值正在逐步上升，氣象因素中以夜間最低溫度對水稻產量的影響最大，每上升1℃水稻產量就下降10%。謝曉金等[12]以揚稻6號和南粳43為試驗材料，研究抽穗期高溫脅迫對水稻產量構成要素及稻米品質的影響，結果表明，水稻抽穗期高溫不僅降低了水稻每穗總粒數、結實率和千粒重，同時也影響了糙米率、精米率、整精米率、堊白度等品質性狀。

高溫熱害對作物的影響涉及其整個生命活動過程，目前評價作物耐熱性主要有形態、生理生化、產量和品質指標等[2,13-14]。但對水稻等糧食作物而言，產量和品質是其最直接、最主要的評價指標[15-16]。高溫對水稻不同生長發育階段均能造成危害，其中以抽穗揚花期最為敏感，將直接引起結實率下降，導致大幅減產甚至絕收[5-6]。因此，結實率是熱害最為敏感的指標之一，可綜合反映水稻穎花開放、散粉和受精的綜合受害程度，可直接作為耐熱性評價指標[16-17]。許多基于結實率和粒質量的水稻耐熱性評價指標應運而生，如耐熱指數（高溫結實率/常溫結實率）[18]、熱敏感指數（常溫結實率與高溫結實率之差/常溫下結實率）[15]、粒重感熱指數（常溫下千粒重與高溫下千粒重之差/常溫下千粒重）[19]等。

本研究在自然大田高溫、溫室高溫環境下對2018—2020年供試的1 379份水稻材料的開花期耐熱性進行了鑒定，系統分析了不同年份間、不同品種類型間、不同來源渠道品種間的耐熱性情況。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻新組合（品種）共1 379份次（含耐熱對照品種豐兩優4號、耐熱性敏感品種湖恢628），其中，2018年481份（兩系雜交稻348份、三系雜交稻119份，常規稻14份），2019年457份（兩系雜交稻302份、三系雜交稻115份，常規稻40份），2020年441份（兩系雜交稻285份、三系雜交稻120份，常規稻36份）。供試水稻新組合種子由中國水稻研究所、各省種子管理局（站）及綠色通道、聯合體主持單位提供。

1.2 試驗方法

采用田間自然高溫、玻璃溫室高溫兩種方法對參試品種進行開花期耐熱性鑒定，試驗在華中農業大學水稻試驗基地進行。

1.2.1 利用田間自然高溫進行鑒定

水稻開花期田間自然高溫參照文獻[20]進行。利用湖北武漢每年7月中旬至8月中旬的自然高溫條件，采用分期播種單分蘗掛牌方式。每個品種分3期播種，分別于當年4月21日、5月1日、5月11日播種。5葉期左右移栽，株行距16.7 cm×26.7 cm，每個品種栽3×10株，肥水管理和病蟲防治按照常規大田生產進行。大田溫度、濕度利用DSR-TH數字化溫濕度記錄儀每5 min記錄1次。水稻抽穗期間，每個小區每天選取10個主分蘗按見穗期掛牌；成熟時按見穗期將掛牌分蘗進行分類，分別考察結實率[20]。

1.2.2 利用玻璃溫室高溫進行鑒定

玻璃溫室高溫鑒定參照NY/T 2915-2016進行。試驗材料于5月1日播種，5葉期左右移栽，每個品種栽4盆（上口直徑26 cm、下底直徑20 cm、高18 cm的塑料盆，每盆中裝入7 kg自然風干的水稻田土壤，施復合肥6 g，復合肥中N、P2O5、K2O配比為12∶18∶15）、每盆3株，在植株生長過程中去除多余分蘗，每株只保留3個抽穗一致的主分蘗。每個品種，對于其中2盆在第1朵穎花開花時，連續在玻璃溫室內進行5 d高溫處理（材料盆隨機排列，且每天將盆隨機排列1次，以消除因位置所引起的誤差）。另外2盆在自然條件下生長，作為對照處理。高溫處理結束后，所有植株在自然條件下生長至成熟。為了避免溫室機械強排對風路附近材料的瞬時損傷，高溫處理通過溫室四周窗戶開合進行控制：晴天一般在8∶00左右將溫室窗戶全部關閉、12∶00左右窗戶適度半開（開合大小取決于當時監控的溫度），18∶00時完全打開窗戶直至下一天8∶00；若在光溫不足的陰雨天，會在8∶00—18∶00將窗戶全部關閉并適當智能補光（當溫度達到41.00℃自動減少開燈數目）。考慮到溫室脅迫要重于自然大田高溫，溫室不進行強排降溫（通過開啟四周窗戶進行自然降溫）。玻璃溫室日均溫控制在33.00℃～35.00℃之間，日最高溫控制在39.00℃～42.00℃之間，濕度維持在75%左右。溫室內溫度、濕度利用DSR-TH數字化溫濕度記錄儀每5 min實時記錄1次。

1.3 性狀考察及耐熱性評價

1.3.1 田間自然高溫條件下供試材料性狀考察及耐熱性評價

對于利用田間自然高溫進行鑒定的材料，根據DSR-TH數字化溫濕度記錄儀實時記錄的大田溫度數據，確定高溫脅迫、常溫條件下的結實率。參照文獻[10,21-22]和結合當地氣象資料以見穗期時日均溫≥33℃或最高溫≥38℃且持續時間在3 d以上作為已受到高溫脅迫的標準，并以這部分分蘗的平均結實率作為高溫脅迫條件下的結實率；以其他非高溫時間段的最高結實率作為常溫條件下的結實率。大田條件下耐熱性的評價采用相對耐熱系數R（供試材料與對照品種豐兩優4號在高溫條件下結實率的比值）指標進行衡量。

1.3.2 玻璃溫室高溫條件下供試材料性狀考察及耐熱性評價

對于利用玻璃溫室高溫進行鑒定的材料，待種子成熟時分別對經過和未經過玻璃溫室高溫處理的各2盆水稻植株進行結實率考種。溫室條件下耐熱性評價也采用相對耐熱系數R。

最終對供試材料耐熱性評價以兩種條件（大田條件和溫室盆栽條件）下相對耐熱系數的平均值（即綜合相對耐熱系數）作為評價指標；并按表1的分級標準對供試品種的開花期耐熱性進行分級評價。

表1 水稻材料開花期耐高溫性的分級評價標準

2 結果與分析

2.1 指示品種在多年多環境下的耐熱性表型

為了評價不同年份、不同環境下品種間的耐熱性表型差異，選取區試對照品種豐兩優4號和耐熱性敏感品種湖恢628作為指示品種進行系統分析。

2.1.1 指示品種在大田環境下年份間耐熱性表型

華中農業大學試驗田在2018—2020年7月中下旬至8月中下旬期間溫度數據見圖1。2018年7月14日至21日（正值Ⅰ、Ⅱ期播種材料的集中孕穗期，日最高溫在38.20℃～39.80℃之間）、8月7日至12日（除8月10日外，日最高溫在38.30℃～39.20℃之間）出現了兩次連續的高溫天氣（圖1A）。2019年7月28日至8月9日（除7月30日、8月4日外，日最高溫在38.00℃～38.70℃之間）、8月16日至21日（此時段完全覆蓋了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期播種材料的孕穗期和開花期，日最高溫在38.10℃～39.10℃之間）出現了連續高溫天氣（圖1B）。2020年8月1日至5日（日最高溫在38.00℃～38.70℃之間）、8月16日至19日（日最高溫在38.00℃～39.10℃之間）期間出現連續高溫天氣（正處于Ⅰ、Ⅲ期播種材料集中開花期）（圖1C）。顯然，2018、2019、2020年武漢試點的溫度環境均達到了熱害鑒定標準（日均溫在33.00℃以上或最高溫在38.00℃以上且持續時間在3d以上）。

圖1 試驗點2018—2020年7—8月份大田溫度數據

自然大田環境下，對照豐兩優4號在2018、2019、2020年的高溫時段結實率分別為65.93%、66.83%和66.98%，年際間無顯著性差異；這3年豐兩優4號的大田常溫結實率分別為86.96%、88.45%和88.32%，年際間也無顯著性差異。耐熱性敏感品種湖恢628的結實率表型也是如此：其在2018、2019、2020年高溫時段的結實率分別為37.87%、38.47%和37.53%，年際間差異不顯著；其在這3年的常溫結實率分別為74.02%、73.53%和74.92%。3年鑒定結果均表明，湖恢628的高溫結實率均極顯著地低于豐兩優4號（P＜0.01），說明湖恢628在開花期的耐熱性要弱于豐兩優4號。以上結果表明，相同品種在武漢高溫試驗點3年的大田鑒定結果可相互驗證，試驗結果可靠。

2.1.2 指示品種在溫室環境下年份間耐熱性表型

為了彌補大田自然高溫發生的不確定性，我們還利用控溫玻璃溫室對各材料開花期耐熱性進行鑒定（按開花先后順序對供試材料進行連續5 d高溫處理），然后結合前面大田高溫結實數據對各材料耐熱性進行綜合評價。2018—2020年湖北武漢玻璃溫室的溫度數據見圖2，溫度條件均達到了高溫鑒定標準。2018年高溫處理時間段集中在8月1日至12日，期間日均溫在33.24℃～34.96℃之間，日最高溫在39.10℃～41.50℃之間（圖2A）。2019年處理時間段集中在8月1日至15日，期間日均溫在33.01℃～34.56℃之間，日最高溫在39.05℃～41.02℃之間（圖2B）。2020年處理時間段集中在8月1日至15日，期間日均溫在33.05℃～34.25℃之間，日最高溫在39.02℃～40.90℃之間（圖2C）。

溫室條件下，對照豐兩優4號在2018、2019、2020年的高溫時段結實率分別為44.12%、45.62%和44.59%，年際間無顯著性差異，其在溫室條件下的常溫結實率3年間（87.42%、86.74%、86.29%）差異也不顯著。湖恢628在2018、2019、2020年的高溫結實率分別為24.52%、25.17%和24.57%，年際間差異不顯著，其在溫室條件下的常溫結實率3年間（74.68%、75.28%、73.73%）差異也不顯著。湖恢628在溫室條件下的高溫結實率均極顯著低于豐兩優4號，說明湖恢628的開花期耐熱性要弱于豐兩優4號，與大田環境下的鑒定結果相一致。

2.1.3 指示品種相同年份內不同鑒定環境間的耐熱性表型

根據試驗設置，相較于大田環境，玻璃溫室的熱脅迫更為嚴重。如2018年的開花盛期（8月1日至12日），溫室的最高溫度比大田高1.30℃～4.60℃，平均溫度高2.12℃～4.32℃，最低溫度高0.60℃～3.70℃；2019、2020年的兩種環境下的溫度情況也是如此（圖1和圖2）。豐兩優4號在大田中3年高溫結實率平均為66.58%，而在溫室高溫下的結實率平均為44.78%，顯著低于大田。湖恢628表現亦如此，其在大田3年的高溫結實率平均為37.96%，而在溫室高溫下的結實率僅24.75%左右。而且，豐兩優4號的常溫結實率在兩種環境下非常接近，均在87.00%左右，而湖恢628的常溫結實率表現也是如此，均為74.00%左右。這表明，武漢自然大田、控溫玻璃溫室可作為水稻品種不同程度（輕度、重度）熱脅迫的兩種處理環境。

圖2 試驗點2018—2020年7—8月份玻璃溫室溫度數據

2.2 不同年度間供試水稻材料的耐熱性比較

從表2可見，供試材料中有11.96%的品種（165份次）開花期耐熱性強，達到了1級，其中，2018、2019年2020年分別為44份（9.15%）、47份（10.28%）和74份（16.78%），呈現逐年增多的趨勢。2018、2019、2020年耐熱性表現較強（3級）的品種分別為66.94%、66.08%和67.35%；參試材料中分別僅2.76%和0.44%的品種開花期耐熱性表現為較弱（7級）和弱（9級），這與參試品種隨著氣候變化適應高溫能力逐漸增強密不可分。

表2 不同年度間供試水稻材料的耐熱性級別概況

2.3 不同類型水稻材料的耐熱性比較

從表3可見，參試兩系雜交稻達到耐熱性強（1級）和較強（3級）的品種比例分別為12.30%和70.27%，三系雜交稻分別為11.30%和62.15%，常規稻分別為11.11%和48.89%。可見，2018—2020年我國長江中下游流域中稻新品種耐熱性整體情況是兩系雜交稻要優于三系雜交稻，三系雜交稻類型要優于常規稻。

表3 不同類型水稻品種耐熱性級別概況較

2.4 不同試驗渠道間水稻材料的耐熱性比較

從表4可見，國家或省區試、綠色通道試驗、聯合體試驗中耐熱性強至較強（1級和3級）的品種比例分別為79.90%、77.80%和78.66%；耐熱性較弱至弱（7級和9級）的品種比例分別為3.56%、4.06%和2.29%。可見，這3種試驗渠道來源的品種其開花期耐熱性整體表現比較相似。

表4 不同試驗渠道的水稻材料間耐熱性級別概況

3 討論與結論

3.1 水稻耐熱性鑒定方法及評價體系

目前我國水稻品種耐熱性鑒定主要基于大田自然高溫和人工輔助增溫兩種處理方法進行[21-26]。其中，前者的生長環境（光照、溫度、肥水等）更接近于水稻生產實踐，在大田自然高溫環境下水稻結實情況能夠很好地代表其開花期耐熱性[20，23-24]。但大田高溫鑒定容易受到局部氣候影響，難以保證每年都能遇到高溫天氣。人工輔助增溫（如生長箱、溫室等）方法可以靈活控制光溫環境，有效保證鑒定效果[21-22]，但人工輔助增溫環境與自然大田在生長環境上存在一定差異（濕度、光質、地下部溫度、修剪損傷等），人工輔助增溫條件下得到的結果還需在大田環境下進行驗證[24-25]。如何有效將這兩種方法結合起來，有效對供試品種開展開花期耐熱性鑒定，這是一個亟待解決的問題。對于大田自然高溫方法，選取合適的試驗點和播期極其重要，本試驗中選取武漢作為試點，利用該地7月下旬至8月上旬這個時間段的大概率高溫天氣，在近3年均能有效對水稻開花期開展耐熱性鑒定，且3年的試驗結果非常吻合。對于人工輔助增溫方法，首先要保證不同處理環境下材料的生長狀況相似，如豐兩優4號在大田和溫室條件下的常溫結實率相差無幾（介于86.96%～88.45%），湖恢628也是如此（介于73.53%～74.92%）。在本試驗中，玻璃溫室相比于大田自然高溫環境是熱處理更重的脅迫：如豐兩優4號在大田高溫下的結實率約為67.00%，但在溫室高溫下的結實率只有45.00%左右；湖恢628表現也是如此。盡管兩種環境下的水稻熱脅迫程度不同，但通過選用同一對照品種作為參照（對照品種應選用具有區域代表性的主推品種，其常溫結實率≥85.00%、田間高溫結實率≥65.00%，如豐兩優4號、Ⅱ優838、隆晶優華占、荃優雅占等），采用相對耐熱系數R（供試材料高溫結實率與對照品種高溫結實率的比值）作為評價指標可以消除由于不同脅迫程度、不同環境等造成的差異：如以區試對照豐兩優4號作為參照，湖恢628在大田環境下的相對耐熱系數分別是0.57（2018年）、0.58（2019年）和0.56（2020年）；在溫室環境下的相對耐熱系數分別是0.56（2018年）、0.55（2019年）和0.55（2020年）。本試驗中通過相對耐熱系數R對供試的1 379份材料耐熱性進行評價表明，有1 326份（占比96%）的品種在兩種高溫環境下的定級結果相一致。顯然，采用相對耐熱系數R可以很好對供試水稻品種的耐熱性做出相對一致、客觀的評價。

3.2 水稻耐熱性品種的選育

現階段我國耐熱性強的品種資源相對匱乏，本試驗從1 379份供試材料僅鑒定出165份（11.97%）開花期耐熱性強（1級）的材料（表2）。這其中，常規稻只有粵禾絲苗、潤珠香占、利豐占、荊占2號、美揚香占、華泰絲苗等10份材料，可將這些常規稻作為親本與其他恢復系雜交培育耐熱性強的新型恢復系；或將這些常規稻與不育系廣泛測配培育出耐熱性強的兩系或三系雜交稻。對于耐熱性強的雜交稻，通過進一步對其相應的恢復系或保持系進行耐熱性鑒定后再作為耐熱性育種的材料[26]。胡聲博等[1]研究表明，大部分具有相同母本的組合表現出一致的耐熱性，本試驗中隆兩優系列、晶兩優系列、荃優系列品種的耐熱性整體表現比較優良，這可能預示這些組合的母本隆科638S、晶4155S、荃9311A等不育系具有優良的耐熱性配合力，在耐熱性水稻品種選育方面具有較大優勢[22，24,26]。此外，在水稻耐熱性品種選育中還應重視外來種質的利用，如攜帶耐熱基因TT1的非洲栽培稻、東南亞水稻，爪哇稻等，可以拓寬我國水稻日益狹窄的遺傳基礎[2,21,27]。