長江上游水稻耐熱性鑒定模型的構建與應用

焦穎瑞，李玲依，楊仕會，胡健，曹紅宇，劉雨菲，雷震勝，張紅梅，王兵兵，霍帥宗，楊正林，李耘，楊波，何光華，姚賀盛

1. 西南大學 農學與生物科技學院， 重慶 400715；2. 四川省農業科學院 水稻高粱研究所， 四川 綿陽 621000

我國是世界上主要水稻生產國， 稻谷總產和需求量目前均居世界首位． 隨著溫室效應和極端天氣的頻繁出現， 水稻遭遇高溫熱害的風險增加． 水稻抽穗開花期是高溫最敏感的時期， 且以開花當日遇高溫影響最大， 溫度高于35 ℃并超過1 h就會導致水稻不育[1]． 高溫脅迫抑制花粉正常發育， 抑制穎花開放和花藥開裂程度， 阻礙傳粉和受精， 導致花期集中、 花時分散、 花藥開裂異常、 花粉活力下降、 花粉萌發率和柱頭上花粉粒數的下降等[2]．

高溫熱害已成為我國水稻生產的主要災害性氣候因素之一， 如2003，2006，2013，2016，2022等多個年份的全國性大范圍熱害[3-5]． 我國西南稻區沿江河谷和低海拔平壩丘陵區大部分區域為高溫伏旱區， 特別是四川東部、 北部， 重慶大部， 貴州北部和東南部， 常年7月中下旬至8月上旬日平均氣溫大于30 ℃， 日最高氣溫大于35 ℃的高溫天氣發生頻率高， 且晝夜溫差小， 水稻抽穗揚花期常遇高溫， 嚴重影響了水稻結實和產量的穩定[6]． 水稻抽穗期高溫也發生在長江中下游地區(江蘇、 上海、 浙江、 安徽、 江西、 湖北、 湖南等)， 從1999年至今， 幾乎每年都會出現持續10 d以上的強度大、 范圍廣的極端高溫天氣[7]． 在全球氣候變暖的大背景中， 頻繁發生的高溫、 熱浪等事件將加重長江中下游地區的高溫熱害情況， 該地區夏季水稻生長受高溫熱害影響程度將更加嚴重， 持續時間將更長， 中稻花期高溫熱害發生總頻次平均每年增加1.41次[8]． 北方稻區發生高溫熱害的強度和頻率均低于南方， 但水稻開花也會受到高溫影響[9-10]．

我國農業部于2017年發布了《水稻高溫熱害鑒定與分級》農業行業標準(NY/T 2915-2016)， 該標準利用人工氣候箱鑒定法和田間驗證法， 利用高溫相對結實率(heat relative fertility rate，HRFR， 以下簡稱結實率穩定性)將水稻高溫耐性分為1級(強耐熱型，HRFR≥95%)， 2級(耐熱型， 75%≤HRFR<95%)， 3級(中間型， 55%≤HRFR<75%)， 4級(不耐熱型， 35%≤HRFR<55%)， 5級(極不耐熱型，HRFR<35%)5個高溫耐熱等級， 該標準可適用于我國水稻材料耐高溫性的基礎鑒定及分級[11]． 然而， 在實際育種工作中， 為獲得具有較強耐高溫特性的水稻品種， 育種家通常會在具有較強耐高溫特性的水稻資源中選育水稻親本材料， 而這些材料的HRFR通常均高于50%． 因此， NY/T 2915-2016設定的耐高溫等級范圍過大， 難以適用具備強耐高溫特性的水稻品種的鑒定和選育分級， 亟需設計更合理的綜合評價指標和方法以推進耐高溫高產型水稻品種的選育工作．

為構建合理的耐高溫水稻評價方法， 育種家們已開展了較多研究工作， 國內外水稻工作者已經篩選鑒定出一批耐高溫水稻材料及品種． 符冠富等[12]對我國常用恢復系和保持系進行了耐熱性研究， 結果表明我國恢復系多屬于不耐熱性材料， 而保持系耐熱性明顯高于恢復系． 胡聲博等[13]在水稻開花期于人工氣候箱38 ℃下處理3 d， 對100個雜交水稻品種進行了耐熱性鑒定， 以相對結實率為指標篩選劃分了3個耐熱類型， 并表明大部分具有相同母本的組合表現出一致的耐熱性， 說明母本對雜交水稻的耐熱性起主導作用． 熊洪等[14]通過人工氣候箱39 ℃高溫處理1 d和自然條件下分期播種， 以耐熱系和高溫絕對結實率分別對四川16個雜交稻品種進行了耐高溫特性研究， 劃分了3個耐熱類型， 并針對耐熱類型對水稻生產布局提出了建議．

水稻抽穗期遭遇高溫熱害的表型差異是多方面的[15]， 用單一指標難以全面、 準確地評判不同品種抽穗期耐熱性的強弱[16]． 如何構建合理的耐熱性綜合評價方法， 制定準確、 適用性強的耐高溫高產型水稻評價體系是亟待解決的重要問題． 本研究在西南大學水稻研究所和四川省農業科學院開展大田和人工氣候室控制試驗， 針對西南地區選育的125個水稻親本和品種材料開展耐高溫試驗， 分析構建綜合評價耐高溫高產型水稻的評價方法， 旨在為進一步挖掘耐高溫水稻資源增產潛力和品種選育提供理論依據．

1 材料和方法

使用西南地區選育的125個水稻親本和品種材料(表1)， 采取大田分期播種以及人工氣候室控制溫度進行耐熱性試驗．

1.1 試驗概況

大田試驗于2021年4月至8月在西南大學水稻研究所試驗基地(歇馬， 北緯N29°46′4.20″， 東經E106°21′53.07″)以及四川省農業科學院瀘州試驗基地(瀘州， 北緯N28°52′28.94″， 東經E105°26′20.32″)進行． 試驗材料選用西南地區的39個恢復系， 22個保持系， 64個品種．

1.2 試驗設計

試驗選用西南地區共125個水稻材料， 分5個時期進行播種， 分別為4月16日， 4月26日， 5月6日， 5月16日和5月26日． 播種株行距為16.67 cm×26.66 cm， 每個試驗小區面積為5 m2． 其他管理措施同一般大田．

人工氣候室控制試驗選取盆栽種植方式， 種植盆規格： 高22 cm， 長23 cm， 寬19 cm． 選用大田試驗于4月26日播種同期育成的秧苗(避免其在人工氣候室處理前遭遇自然高溫而受害)， 每個水稻材料共種植6盆， 移栽后置于田間， 水肥管理措施同一般大田． 人工氣候室溫度設置為7： 01-9： 00， 32 ℃；9： 01-14： 00， 35 ℃；14： 01-17： 00， 37 ℃；17： 01-19： 00， 32 ℃；19： 01-7： 00， 29 ℃．

1.3 樣品采集及處理

大田試驗中， 自水稻抽穗時記錄每期始穗期與齊穗期日期， 每個材料隨機選取10株， 始穗分蘗逐一掛牌， 每個材料選擇20個單株始穗單穗進行掛牌(選擇經歷高溫期的稻穗)， 待水稻成熟后， 在每期水稻材料中隨機抽取10株， 收獲全部掛牌稻穗以考察產量性狀．

人工氣候室控制試驗， 自水稻孕穗期時， 從每個水稻材料中隨機選取3盆轉運至人工氣候室， 于高溫環境下處理1周后運回田間繼續生長． 對此期間抽穗開花的稻穗進行掛牌做好標記， 待水稻成熟后單獨收種考種． 水稻考種包括穗長、 穗實粒數、 穗空殼數等基本產量構成指標， 利用相關產量性狀計算水稻材料的結實率與耐高溫系數．

表1 參試恢復系、 保持系和水稻品種材料

1.4 耐高溫綜合評價計算方法

選用高溫絕對結實率以及高溫結實率穩定性為耐熱水稻篩選指標， 綜合分析兩個生態位的大田數據以及人工氣候室控制試驗數據， 其中相關指標計算如下：

1.4.1 水稻結實率(SSR)

水稻結實率(%)指已經受精結實的穎花占總穎花的比率， 計算公式為

SSR=(FG+SG)/(FG+SG+EG)×100

式中，FG為飽粒數，SG為秕粒數，EG為空殼數．

1.4.2 結實率穩定性(HRFR)

結實率穩定性(%)為水稻受高溫影響后的實際結實率與未受高溫影響正常生長的水稻結實率的比值， 計算公式為

HRFR=SSRA/SSRB×100

式中，SSRA為高溫絕對結實率，SSRB為對照結實率．

1.4.3 綜合耐熱指數(HRI)

式中，HRLN為自然條件下水稻耐熱級數，HRLA為人工控制條件下水稻耐熱級數．

1.4.4 耐熱性分級

具體分級標準參考表2．

表2 耐熱性分級標準

1.5 數據分析

2 結果與分析

2.1 氣象條件分析

圖1為試驗期內重慶歇馬和四川瀘州試驗基地稻田的日最高溫度和日平均溫度(以下簡稱為日均溫)， 結果表明， 7月20日至8月6日連續18 d出現超過35 ℃的高溫天氣， 日均溫達到33 ℃以上． 已有研究表明， 抽穗后3 d平均最高溫度T≥35 ℃作為秈稻品種熱害的臨界溫度[17]． 結合前期調查水稻抽穗日期， 第1期播種的水稻材料集中分布在6月中、 下旬抽穗， 第5期播種的水稻材料集中分布在7月下旬抽穗． 同時結合氣象數據表明， 第1期播種的水稻材料抽穗期沒有經歷高溫脅迫， 設為對照組；其余播期的水稻材料抽穗期經歷自然高溫脅迫， 選擇經歷高溫且結實率最低的一組為高溫組．

2.2 不同耐熱性評價分級差異

利用現有行業標準對125個水稻材料進行耐熱性類型劃分(圖2a至圖2c)， 20個水稻材料結實率穩定性HRFR≥95%， 為耐熱性1級；90個水稻材料HRFR在75%～95%之間， 為耐熱性2級；15個水稻材料HRFR在55%～75%之間， 為耐熱性3級． 按照現有行業標準以結實率穩定性為指標進行劃分時， 耐熱等級對應的結實率穩定性范圍過于寬泛， 這使得大部分水稻材料集中分布在2級， 對于特異性材料難以進行評價．

利用本評價方法對125個水稻材料進行耐熱性等級劃分(圖2d至圖2f)， 可將其劃分為5個耐熱性級別， 即耐熱性為1級的水稻材料有38個， 耐熱性為3級的水稻材料有53個， 耐熱性為5級的水稻材料有19個， 耐熱性為7級的水稻材料有8個， 耐熱性為9級的水稻材料有7個． 數據結果顯示， 通過本評價方法， 可以將結實率穩定性高但高溫絕對結實率有明顯差異的水稻材料劃分為不同等級， 細化了水稻的耐熱類型．

圖1 參試基地稻田田間最高溫度和日平均溫度的生育期變化

圖2 現有行業標準(B)/與本評價方法(N)高溫絕對結實率和結實率穩定性的二維分布

為了比較自然高溫和人工氣候室控制高溫對水稻產量的影響， 對不同耐熱等級的水稻材料大田和氣候室下的高溫絕對結實率及結實率穩定性進行比較(圖3)． 結果表明， 大田和人工氣候室下水稻結實率穩定性和高溫絕對結實率隨耐熱等級變化而變化， 即隨著耐熱等級的增大， 結實率穩定性與高溫絕對結實率逐漸下降． 并且人工氣候室控制高溫下的水稻結實率穩定性以及絕對結實率要顯著低于自然高溫．

為研究現有行業標準和本評價方法分級影響因素的差異調控作用， 對結實率穩定性和高溫絕對結實率分別對標準分級和本評價方法分級進行相關性分析(圖4)． 結果表明， 無論是按照現有行業標準還是本評價方法分級， 高溫絕對結實率、 結實率穩定性和耐熱等級之間均為負相關關系． 對比兩種分析方法， 無論是結實率穩定性還是高溫絕對結實率， 本評價方法擬合的趨勢線斜率絕對值高于現有行業標準擬合的趨勢線斜率絕對值． 按照現有行業標準進行分級時， 無論是結實率穩定性還是高溫絕對結實率， 其趨勢線的R2均低于本評價方法下趨勢線的R2． 除此以外， 現有行業標準進行分級時， 第2級偏離擬合直線較多， 本評價方法分級時， 第1級偏離擬合直線較多．

為了進一步說明兩種分級方法耐熱性級別差異， 分別按照現有行業標準和本評價方法對39個恢復系材料， 22個保持系材料， 64個品種水稻材料進行耐熱性等級劃分(表3)． 結果表明， 按照現有行業標準劃分時， 不論是恢復系、 保持系還是品種水稻材料， 其耐熱性均集中分布在1級， 2級， 3級；使用本評價方法進行分級時， 恢復系與品種水稻材料5種耐熱等級均有分布且集中分布在1級和3級， 22個保持系水稻材料中沒有耐熱性為1級的材料， 而是集中分布在3級和5級． 這樣的分級結果表明親本中保持系水稻材料的綜合耐熱性還有待進一步加強．

本試驗分析125個供試品種在重慶、 瀘州兩地抽穗期高溫脅迫與自然條件下的產量構成因素， 最后將高溫結實率穩定性及高溫絕對結實率作為耐高溫水稻品種的評判指標． 本評價方法在前人研究的基礎上， 綜合大田實際結實率情況， 將水稻材料綜合重慶、 瀘州兩地高溫結實率穩定性和高溫絕對結實率大小進行耐高溫級數分級， 篩選耐高溫水稻材料．

表3 現有行業標準評級方法對125份參試材料的分級結果

* 表示p<0.05， ** 表示p<0.01， 差異有統計學意義．圖3 大田自然高溫和人工氣候室結實率穩定性和高溫絕對結實率差異

圖4 不同水稻試驗材料結實率穩定性和高溫絕對結實率與耐熱等級的相關性分析

由表4可知， 我們將HRFR≥90%，SSRA≥85%的水稻材料定為HRI≤2.0， 耐熱級數定為1級， 作為強耐熱材料．HRFR≥90%，SSRA在80%～85%之間或HRFR在80%～90%之間，SSRA≥80%的水稻材料HRI定為2.1～4.0， 耐熱級數定為3級， 作為耐熱材料．HRFR≥80%，SSRA在70%～80%之間或HRFR在70%～80%之間， SSRA≥70%的水稻材料HRI定為4.1～6.0， 耐熱級數定為5級， 作為較耐熱材料．HRFR≥70%，SSRA在60%～70%之間或HRFR在60%～70%之間，SSRA≥60%的水稻材料HRI定為6.1～7.5， 耐熱級數定為7級， 作為不耐熱材料．HRFR<60%，SSRA<60%的水稻材料定為HRI≥7.5， 耐熱級數定為9級， 作為極不耐熱材料． 最終水稻綜合耐熱指數是對兩地的大田以及人工氣候室耐熱級數的綜合考量． 本評價方法按水稻材料高溫結實率穩定性和高溫絕對結實率劃分為不同等級， 可更清晰地評價耐熱性， 篩選耐高溫優質水稻品種．

表4 長江上游開花期耐熱鑒定分級標準

2.3 參試水稻親本和雜交品種耐熱性分析

為驗證本評價方法的合理性， 進一步對39個恢復系材料、 22個保持系材料、 64個品種水稻材料以高溫下的結實率和耐熱性為變量進行系統聚類分析(圖5)． 數據結果顯示， 當系統以歐氏距離為5進行系統聚類時， 無論是恢復系、 保持系還是品種水稻材料都被按照高溫下結實率與耐熱性劃分為4類， 分類結果與本評價方法分級結果完全吻合， 但系統聚類會將1級與3級材料劃分為同一種類型． 這一系統聚類結果證實了本評價方法分級水稻耐熱性的可行性．

為進一步分析高溫下水稻結實率變化對結實率穩定性的影響， 對高溫絕對結實率與結實率穩定性進行相關分析(圖6)． 結果表明， 恢復系、 保持系、 品種水稻材料高溫絕對結實率與結實率穩定性有顯著的正相關關系．

通過對擬合的相關趨勢線進行協方差分析， 3條趨勢線間均有統計學意義(p<0.001)， 保持系水稻材料趨勢線斜率較大， 說明保持系水稻材料結實率穩定性隨高溫絕對結實率的變化影響程度更大， 即其受高溫絕對結實率調控程度更強．

3 討論

3.1 構建自然與人工高溫環境相結合并融合多維度指標評價方法是有效鑒定水稻耐熱性的關鍵

準確評價水稻種質資源耐熱性是開展耐高溫優質高產水稻品種選育工作的基礎． 在自然條件下， 由于氣象環境變化因素多， 導致每年發生嚴重高溫天氣的時期不完全一致． 此外， 由于部分水稻品種生育期短或開花較早而逃避了高溫， 致使其未能經過自然高溫選育環節． 在人工氣候室條件下， 雖然能夠精準控制溫度等條件， 但不能完全模擬水稻生長的微環境， 致使人們對經歷人工高溫脅迫水稻材料的耐熱性難以進行準確的評價和鑒定． 因此， 在構建水稻耐熱性評價方法時， 首先要考慮的是將自然與人工高溫環境的鑒定標準相結合． 本研究結果顯示， 大田和人工氣候室內水稻結實率穩定性變化趨勢是一致的(圖3)， 因此大田試驗和人工氣候室試驗結果相結合可合理評價耐熱性．

在將自然高溫與人工控制高溫鑒定標準相結合的過程中， 由于內部因素(如水稻親本、 品種資源遺傳特性等)以及外部因素(如氣象條件、 土壤、 水肥環境等)， 經常會出現自然條件和人工控制條件下水稻耐熱性評級出現偏差[14]， 當這一偏差出現時， 往往會對某一水稻資源的整體評價產生矛盾的結果， 甚至導致評級無法完成． 因此， 需將自然高溫和人工模擬高溫鑒定進行合理整理． 研究結果表明， 即使自然高溫條件下進行嚴格的選樣測試， 大田參試水稻的高溫絕對結實率依然會顯著高于同等級人工氣候室參試水稻(圖3)． 這主要是因為自然環境下難以維持穩定的高溫條件， 會導致部分樣品稻穗經歷的高溫程度低于高溫脅迫臨界值， 從而致使其具有被相對高估的高溫絕對結實率．

圖5 通過耐熱穩定性和高溫絕對結實率對各試驗材料進行耐熱性聚類分析

評價指標單一往往會導致劃分標準較低， 進而出現樣品分級雖然相同， 但實際表型存在較大差異的情況(圖2)． 現有行業標準主要針對南方稻區， 重點考慮穩定性． 研究結果表明， 對于實際使用的大部分水稻親本和品種， 結實率穩定性均能維持在80%以上， 且集中在85%～95%這一區域(圖2)． 但是， 處于這一區域的水稻親本或者品種產量卻存在較大范圍的分布， 主要是因為除了結實率穩定性外， 高溫條件下的實際結實率會對產量構成產生較大的直接影響[18]． 因此， 在構建耐熱性評價方法時， 應多維度考慮評價指標， 避免使用單一指標導致評級不清晰的情況發生．

圖6 水稻品種、 親本材料高溫絕對結實率與結實率穩定性的相關性分析

本文構建的“長江上游自然高溫與人工模擬高溫鑒定相結合、 高溫結實率穩定性與高溫絕對結實率相結合”的開花期耐熱性綜合評價方法(表2)， 將耐熱性分為1， 3， 5， 7，9級共5個級別， 分別表示強耐熱、 耐熱、 較耐熱、 不耐熱和極不耐熱． 數據結果顯示， 應用該評價方法， 可以有效地鑒定出既具有較高耐熱性又具有較高結實率表型的優質水稻親本和品種(圖3， 表3)． 研究結果表明， 該方法不僅提高了穩定性要求， 而且考慮了生產實際中絕對結實率這一重要生產指標， 耐熱品種的劃分標準更加嚴格、 評價過程契合生產實際， 評級標準適合高溫熱害區．

3.2 培育具有高耐熱性的水稻保持系是加速耐高溫高產型水稻育種的突破口

現有行業標準中無論是高溫絕對結實率還是結實率穩定性，R2均低于本評價方法， 主要是因為現有行業標準處于第2級的水稻材料結實率和穩定性相對較高， 等級劃分較寬泛， 導致第2級偏離擬合直線較多， 相關性降低(圖4)． 利用本評價方法分級， 處于第1級和第3級的水稻材料雖然結實率和穩定性均有統計學意義(p<0.001)， 但差值距離小于第3級以上各等級間的差值， 這也體現出本評價方法的科學性， 即可以將高結實率和高穩定性的水稻材料做更清晰的等級劃分．

通過對參試水稻材料進行聚類分析可進一步驗證評價模型的合理性． 研究結果表明， 當按照歐氏距離為5進行系統聚類時， 參試水稻恢復系、 保持系和品種的聚類分析結果與本文評價模型的鑒定結果一致． 需要指出的是， 參試水稻恢復系、 保持系和品種的聚類分析均將評價結果為第1級和第3級的材料合并成1組， 其余各級別均獨立劃分成了1組(圖5)． 這也說明， 本文評價方法更加合理， 分級標準更清晰， 適用性也更強．

應用本文構建的水稻開花期耐熱性評價方法， 對125個雜交水稻恢復系、 保持系和品種進行了耐熱性綜合評價． 試驗結果表明， 參試恢復系和品種耐熱性分級主要集中在第1級和第3級， 且分布在第1級的恢復系和品種分別達到參試材料的38.46%和35.94%(表3)；參試保持系耐熱性分級主要集中在第3級和第5級， 分布在第3級的保持系占參試材料的50.00%． 研究結果表明， 在西南高溫地區篩選的品種和親本材料具有較高的耐熱性， 如富優1號， 瀘優727， II優602等品種材料， R21， SCR12， 瀘恢602等恢復系材料和陵1B， 內香6B， 內香3B等保持系材料．

高溫絕對結實率對結實率穩定性有顯著的正向調控作用(圖6)． 研究結果表明， 高溫絕對結實率的升高有效促進了結實率穩定性的提高， 但在雜交水稻恢復系、 保持系和品種當中高溫絕對結實率的調控作用程度不同． 在本研究中， 參試恢復系材料結實率穩定性受高溫絕對結實率的影響最弱， 這主要是因為參試材料為西南水稻區域育種單位選育， 這一區域每年7-8月均存在持續35 ℃以上的高溫天氣， 而參試大部分恢復系材料生育期長， 均會經歷常年存在的高溫脅迫時期． 因此， 參試恢復系材料在自然和人工選育過程中， 逐漸選擇出了具有耐熱性強的材料． 與之相反的是， 參試保持系材料結實率穩定性受高溫絕對結實率的影響最大， 這主要是因為參試大部分保持系材料生育期很短[19]， 育種家往往按照與恢復系同期播種的方式進行保持系的繁種和選育工作， 播期通常較早， 導致大部分水稻保持系材料未經歷自然高溫天氣， 也致使其未能經過自然適應和人工選擇而培育出耐熱性強的保持系材料． 已有研究表明， 保持系對雜交水稻的耐熱性起主導作用[20]， 而本文參試材料中缺乏耐熱性強且結實率高的水稻保持系． 因此， 抓緊培育具有高耐熱性的水稻保持系是加速耐高溫高產型水稻育種的突破口．

4 結論

通過對125個水稻親本和品種材料的耐高溫試驗， 研究了高溫脅迫條件下水稻產量及其構成因素的變化特征， 構建了“長江上游自然高溫與人工模擬高溫鑒定相結合、 高溫結實率穩定性與高溫絕對結實率相結合”的耐熱性評價方法． 試驗結果表明， 將人工氣候室與大田耐高溫評價體系合理融合是高效評價耐高溫高產水稻的關鍵． 此外， 研究結果表明， 在西南高溫地區篩選的品種和親本材料具有較高的耐熱性， 如富優1號， 瀘優727， II優602等品種材料， R21， SCR12， 瀘恢602等恢復系材料和陵1B， 內香6B， 內香3B等保持系材料． 保持系耐高溫綜合評級主要集中在第3級和5級， 1級耐高溫高產型保持系材料缺乏， 因此， 抓緊培育具有高耐熱性的水稻保持系是加速耐高溫高產型水稻育種的突破口．