穗期高溫處理贛早秈58與周南稻雜交F2：3家系對農藝性狀的影響

黃倫霄　吳佳宏　秦魚河　韓佳佳　蔣菲　魏紅宇　陳云澈　彭春霖　向警　趙正武

摘要：為研究高溫環境對抽穗開花期雜交水稻主要農藝性狀的影響，以常規早稻贛早秈58號為母本和熱敏感材料周南稻為父本構建雜交F2：3家系，在抽穗開花期對F2：3家系進行7 d高溫脅迫處理，并在大田設置同期對照。結果表明，F2：3家系在抽穗開花期遭受高溫脅迫后，高溫組相較對照組株高、穗長、每穗實粒數、每穗總粒數、著粒密度和結實率平均值顯著下降，每穗空粒數顯著上升；產量相關農藝性狀中親優勢提高，其中每穗實粒數中親優勢明顯；每穗實粒數和結實率的變異系數明顯上升，每穗空粒數變異系數下降。穗長、每穗總粒數、每穗空粒數與處理期相對濕度呈顯著負相關，平均溫度和時積溫與相對濕度呈極顯著負相關，濕度與溫度共同影響抽穗開花期F2：3家系的生殖生長。以脅迫溫度高于38 ℃的時積溫作為高溫危害閾值對F2：3家系進行熱害狀況評估，隨時積溫增加，熱害程度加重，相對結實率下降。

關鍵詞：雜交水稻；高溫；農藝性狀；抽穗開花期

中圖分類號：S511.034文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）05-0103-07

水稻是我國種植面積最大、單產最高、總產最多的第一大糧食作物，在我國的糧食生產中有著舉足輕重的地位［1］。近年來，在全球氣候變暖、溫室效應加劇的大背景下，短期異常高溫頻繁發生，對我國水稻生產造成了嚴重的不利影響［2］。2006年6—8月，重慶市出現歷史罕見高溫熱浪和百年一遇的伏旱，農作物受旱面積超過132.7萬hm2，絕收面積為37.5萬hm2，糧食減產500萬t左右，直接經濟損失達90.7億元［3］。2003年，我國長江流域種植的雜交水稻超過40.5萬hm2，因受持續高溫影響導致水稻產量大幅度下降，平均減產2.25 t/hm2［4］。郭安紅等分析1981—2016年早稻高溫熱害強度指數的變化趨勢表明，江南和華南大部分地區6月下旬、7月上旬和整個抽穗至灌漿期高溫熱害強度指數呈現增強趨勢，高溫熱害已成為影響水稻產量的主要因素之一［5］。

已有研究表明，水稻對高溫最敏感的時期是抽穗開花期，此時遭到高溫脅迫可能造成小花退化或花粉不育，以及花藥開裂散粉受阻，引起受精率下降，從而造成水稻產量下降［6-11］。此外，水分和相對濕度在高溫下同樣影響水稻產量，且對耐熱性不同的品種產生的影響程度具有差異［9，12-13］。王彤彤等研究表明，不同品種水稻各農藝性狀受高溫脅迫的變化程度不一，但都具有花期提前的特征，且熱敏感品種受高溫影響的幅度要大于耐熱品種［14］。周浩等研究抽穗揚花期高溫對水稻重組自交系群體RIL47結實率的影響，發現高溫處理下RIL47群體結實率極顯著下降，并以熱害指數為指標篩選耐高溫株系［15］。目前在耐高溫相關種質資源的篩選和QTL定位等方面，常用人工氣候室控制恒定高溫進行脅迫處理［16-18］；在自然高溫對水稻的影響方面，則通常利用氣象資料對高溫地區的水稻產量進行統計分析［19-20］；對高溫誘導水稻不育機理進行研究時，則通常以特定耐熱或熱敏感品種作為材料［21-23］。本研究以贛早秈58號和周南稻作為親本，雜交獲得具有抽穗期早晚差異和耐熱性差異的F2：3家系為供試材料，通過溫室模擬自然高溫，研究抽穗開花期高溫對F2：3家系農藝性狀的影響，分析高溫脅迫下F2：3家系主要農藝性狀的遺傳變異及與溫濕度的相關性，比較不同高溫閾值參數與高溫下產量相關農藝性狀的關聯程度，以期為水稻耐熱品種評價及選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

本試驗以熱敏感秈稻品種周南稻作為父本（P1），常規早稻品種贛早秈58號作為母本（P2），親本材料由江西省農業科學院提供，構建雜交F2代群體，從中篩選出206個F2：3家系，編號 1～206。

2018年3月10日，父本、母本和F2：3家系播種于重慶市璧山區來鳳鎮重慶師范大學水稻試驗基地，4月26日，每個家系和親本移栽于內徑25 cm、高17 cm的盆缽，在重慶師范大學校內水稻溫室基地室外進行培養，每個盆缽栽3個單株，分成2組，一組作為后續進行連續7 d高溫處理組（high temperature treatment group，HT），另一組作為自然對照組（natural temperature treatment group，NT）。2個處理均按正常田間肥水管理，土壤肥力中等，在水稻全生育期嚴格控制病蟲害，8月收獲考種。

1.2 高溫處理方法

在水稻進入抽穗開花期時（以稻穗頂部露出葉鞘外為標準）［11］將盆缽移入人工玻璃溫室中，在抽穗開花期間對其進行為期7 d的高溫脅迫處理，處理期間每天10：00—14：00使用空調加熱升溫營造高溫環境，每日光照時間為12 h，水肥條件與對照組一致。隨后將盆缽移出溫室，按正常田間水肥管理，直至收獲。由于F2：3群體內始穗期具有株系間差異，在達到抽穗開花期標準時依次進行高溫處理，將處理日期相同的家系歸為一組。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 主要農藝性狀測定

成熟后測量每個盆缽3株水稻的株高（plant height，PH）、有效穗數（productive ear number，PEN）、穗長（panicle length，PL）、每穗實粒數（filled grains per panicle，FGP）和每穗總粒數（total grains per panicle，TGP），每株隨機選取3個有效穗考種取平均值。為便于討論，高溫組前綴HT（high temperature treatment）省略，對照組數據以NT（natural treatment）前綴作為區分，下同。

1.3.2 氣象資料收集

高溫處理期間，使用TH11R溫濕度記錄儀每隔30 min記錄1次溫室內的溫度和相對濕度（RH）。對照組溫度來源于國家氣象科學數據中心璧山氣象數據（http：//www.nmic.cn）。

1.3.3 相關參數計算

每穗空粒數（empty grains per panicle，EGP）與著粒密度（spikelet density，SD）計算公式為

EGP（粒）=TGP-FGP；

SD（粒/cm）=TGP/PL。

結實率（seed setting rate，SSR）與高溫相對結實率（heat relative seed setting rate，HRSR）計算公式為

SSR=FGP/TGP×100%；

HRSR=SSR/NTSSR×100%。

中親優勢（mid-parent heterosis）計算公式為

中親優勢=（F2：3性狀值-親本平均值）/親本平均值×100%。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫情況及F2：3家系主要農藝性狀

從5月22日第1批材料抽穗起至7月26日所有材料高溫處理完畢，共計71 d。對溫室內及對照組溫度變化情況進行統計（圖1），處理期間，高溫組日均最高溫度為37.7 ℃，日均最低溫度為23.8 ℃，總平均溫度為28.96 ℃；對照組日均最高溫度為31.4 ℃，日均最低溫度為23.6 ℃。相關性分析表明，處理期間高溫組日均最高溫度與對照組呈極顯著正相關關系（皮爾遜相關系數為0.700，P＜0.01），即高溫組與對照組的同期最高溫度走勢一致，日均最高溫度高溫組超出對照組6.3 ℃。此外，處理期間高溫組日極端高溫大于32、35、38 ℃的天數分別為58、46、37 d。經統計，高溫組和對照組共有30個株系未正常生長或抽穗，最終考種有效F2：3家系176個，2個親本表現正常。對F2：3家系農藝性狀的有效數據進行統計分析（表1），配對樣本t檢驗（students test）表明，高溫組株高（PH）、穗長（PL）、每穗實粒數（FGP）、每穗總粒數（TGP）、著粒密度（SD）和結實率（SSR）相對對照組均出現顯著下降，有效穗數（PEN）和每穗空粒數（EGP）則顯著上升；F2：3家系主要農藝性狀在自然和高溫條件下均具有明顯的性狀分離，對照組F2：3家系的株高（NTPH）、有效穗數（NTPEN）、穗長（NTPL）、每穗總粒數（NTTGP）、每穗空粒數（NTEGP）和著粒密度（NTSD）呈現中親優勢，其中NTEGP中親優勢最為明顯，F2：3家系平均值達124.41%；高溫組F2：3家系8個農藝性狀均呈現中親優勢，且PL、FGP、TGP、SD、SSR中親優勢相較對照組提高，其中FGP中親優勢最為明顯，F2：3家系平均值達120.32%。在8個農藝性狀中，對照組和高溫組的株高、穗長變異系數小于20%，其余農藝性狀（PEN、FGP、TGP、EGP、SD、SSR）變異系數均超過20%。高溫組與對照組相比，除EGP變異系數下降9.07百分點，其他農藝性狀變異系數均有不同程度上升，其中FGP和SSR變異系數增加尤為明顯，分別達到55.45百分點和51.94百分點。

由表1可知，高溫引起空粒數、有效穗數顯著增加，株高、穗長、每穗實粒數、每穗總粒數、著粒密度和結實率顯著下降；高溫脅迫下F2：3家系產量相關農藝性狀包括穗長、每穗實粒數、每穗總粒數、著粒密度和結實率的中親優勢普遍提高，其中每穗實粒數中親優勢最明顯；高溫組F2：3家系內農藝性狀差異普遍增大，其中每穗實粒數和結實率變異系數大幅上升。

2.2 F2：3家系主要農藝性狀遺傳相關分析

2.2.1 自然條件下F2：3家系主要農藝性狀遺傳相關分析

對F2：3家系對照組的農藝性狀進行皮爾遜相關性分析，探討自然條件下雜交后代農藝性狀特征及其線性關系（表2）。自然條件下，8個農藝性狀間有23對相關系數達到極顯著水平，3對達到顯著水平，其余2對性狀無顯著相關性。其中結實率（NTSSR）與每穗實粒數（NTFGP）呈極顯著正相關，與每穗總粒數（NTTGP）、每穗空粒數（NTEGP）呈極顯著負相關，與著粒密度（NTSD）呈顯著負相關。

2.2.2 高溫脅迫下F2：3家系主要農藝性狀遺傳相關分析

對高溫組F2：3家系8個農藝性狀以及高溫相對結實率（HRSR）與高溫處理期間平均溫度（Ta）、高溫處理期間高于38 ℃的時積溫（acT38）和平均相對濕度（RH）進行皮爾遜相關性分析（表3）。高溫組8個農藝性狀間有15對相關系數達到極顯著水平，4對達到顯著水平，其余9對性狀無顯著相關性。其中結實率（SSR）與每穗實粒數FGP）呈極顯著正相關，與每穗空粒數（EGP）呈極顯著負相關。穗長（PL）、每穗總粒數（TGP）、每穗空粒數（EGP）、 著粒密度（SD）與平均溫度[JP+2]（Ta）和acT38均呈極顯著正相關，PL、TGP、EGP與相對濕度（RH）呈顯著負相關，此外RH與Ta和acT38均呈極顯著負相關。

2.3 高溫脅迫閾值的比較分析及F2：3家系熱害情況評估

F2：3家系抽穗日期從5月22日至7月20日不等，將同一日期進行高溫處理的株系歸為一個處理組，共計17組，對各組的高溫脅迫情況統計見表4。F2：3家系內的抽穗期有較大差異，67個株系與父本周南稻同期抽穗，16個株系在2個親本前抽穗，其余93個株系在2個親本后抽穗。本試驗中，F2：3家系間由于抽穗時間不同，高溫處理期間所遭受的熱脅迫程度也有所差異，計算不同溫度閾值（30、32、35、38 ℃）下的時積溫（acT）或高溫脅迫累計小時數（CHT）與各處理組產量相關農藝性狀的皮爾遜相關性，比較用于評估F2：3家系受脅迫程度的溫度指標（表5）。

結果表明，處理期間平均溫度和最高溫度均與每穗空粒數、每穗總粒數呈顯著正相關。30、32、35 ℃ 時積溫均與每穗空粒數、每穗總粒數呈極顯著正相關，38 ℃時積溫與每穗空粒數呈極顯著正相關，與每穗總粒數呈顯著正相關。30、32、35 ℃高溫脅迫小時數與每穗空粒數、每穗總粒數呈顯著正相關，38 ℃高溫脅迫小時數與每穗空粒數、每穗空粒數呈極顯著正相關。其中38 ℃時積溫與每穗空粒數的相關性最佳，皮爾遜相關性系數達0.779，顯著性達0.003。以38 ℃時積溫為自變量，每穗空粒數為因變量，使用步進法進行線性回歸，回歸擬合方程為y=0.107 6x+51.678 0，r2=0.607 1（圖2）。

以高溫處理期間平均溫度（Ta）、平均最高溫度（Tmax）和acT38作為參數，使用離差平方和法（ward.D2函數）對17個處理組進行層次聚類（圖3），將各組按高溫脅迫情況分為3個等級（表6）：輕度脅迫（S1）包含父本周南稻以及122個F2：3家系，38 ℃時積溫為5.46 ℃·h，平均每穗空粒數為66.64粒，平均高溫相對結實率為29.61%；中度脅迫（S2）包含母本贛早秈58號以及43個F2：3家系，38 ℃時積溫為46.12 ℃·h，平均每穗空粒數為75.35粒，平均高溫相對結實率為28.40%；重度脅迫（S3）包含11個F2：3家系，38 ℃時積溫達320.18 ℃·h，平均每穗空粒數為96.76粒，平均高溫相對結實率為24.00%。可見，在抽穗揚花期，38 ℃以上的高溫持續時間會顯著增加F2：3家系每穗空粒數，并降低高溫相對結實率。

3 結論與討論

水稻抽穗開花期受到高溫影響會使水稻花粉活力、花藥開裂率、花粉萌發率以及花粉管長度顯著降低，導致水稻結實率明顯下降，從而影響水稻產量，并且水稻抽穗開花期被認為是水稻產量對高溫最敏感的時期［24-25］。本研究以早稻贛早秈58號和熱敏感材料周南稻雜交構建F2：3家系，在抽穗揚花期進行高溫脅迫試驗，發現水稻在抽穗開花期遭受持續高溫脅迫會引起主要農藝性狀包括株高、穗長、每穗實粒數、每穗總粒數、著粒密度和結實率的平均值顯著下降，并顯著增加每穗空粒數從而影響水稻產量，與李興華等的研究結果［26-27］一致。高溫脅迫下F2：3家系穗長、每穗實粒數、每穗總粒數、著粒密度和結實率中親優勢普遍提高，每穗實粒數中親優勢明顯增大，暗示F2：3家系在高溫耐受性方面表現出雜種優勢；高溫組高溫脅迫引起F2：3家系內農藝性狀差異普遍增大，其中每穗實粒數和結實率變異系數大幅上升，這可能是由于F2：3家系抽穗開花期所受脅迫程度和耐熱性差異不同造成的。

此外，穗長、每穗總粒數、每穗空粒數、著粒密度與高溫處理期間Ta和acT38均呈極顯著正相關，王亞梁研究表明穗分化期高溫影響促進葉片生長，引起穗長、株高和穗粒數減少；另一方面穗長、每穗總粒數、每穗空粒數與相對濕度呈顯著負相關，Ta和acT38與相對濕度呈極顯著負相關，濕度與溫度共同影響抽穗開花期F2：3家系的生殖生長［28］。胡達明發現，高溫高濕環境下，雜交水稻結實率提高［29］；胡聲博則發現高溫高濕會阻礙花粉受精［9］；潘永地等在不同濕度條件下水稻受精率的研究說明高溫下適宜的濕度對提高穎花受精率有利［13，30］。持續高溫下不同溫濕度對抽穗期水稻生長的影響還有待進一步研究。

對于抽穗揚花期高溫熱害，通常以日平均氣 溫≥ 30 ℃ 或32 ℃、日最高氣溫≥ 35 ℃、極端高溫≥38 ℃ 以及高溫持續天數3 d以上等作為臨界指標［5，31-33］，另有研究表明，以熱積溫作為指標能夠更好地說明高溫熱害對結實率的影響［20-21，34］。本研究分析了以30、32、35、38 ℃為高溫危害閾值與結實率的斯皮爾曼相關性，比較發現以脅迫期間 38 ℃ 時積溫（acT38）作為指標能夠較好地描述高溫對F2：3家系產量相關農藝性狀的影響，acT38與每穗空粒數呈極顯著正相關；以處理期間平均溫度、平均最高溫度和acT38作為指標可將F2：3群體所受熱害程度分為輕度、中度和重度脅迫，隨acT38增加，熱害程度加重，每穗空粒數和高溫相對結實率增加。

參考文獻：

［1］方福平，程式華. 論中國水稻生產能力［J］. 中國水稻科學，2009，23（6）：559-566.

［2］萬丙良，查中萍. 氣候變暖對水稻生產的影響及水稻耐高溫遺傳改良［J］. 中國農學通報，2012，28（36）：1-7.

［3］中國氣象局. 中國氣象災害年鑒［M］. 北京：氣象出版社，2007.

［4］吳 超，崔克輝. 高溫影響水稻產量形成研究進展［J］. 中國農業科技導報，2014，16（3）：103-111.

［5］郭安紅，何 亮，韓麗娟，等. 早稻高溫熱害強度指數構建及氣候危險性評價［J］. 自然災害學報，2018，27（5）：96-106.

［6］李萬成，朱啟升，王云生，等. 高溫脅迫條件下水稻生理生化指標與產量性狀的相關性研究［J］. 中國農學通報，2013，29（9）：5-10.

［7］林翠香，倪大虎，宋豐順，等. 高溫脅迫下水稻生理特性變化及適應機制研究進展［J］. 安徽農學通報，2020，26（24）：37-42.

［8］趙正武，曾卓華，陳 旭，等. 自然高溫脅迫對雜交水稻花粉育性和主要農藝性狀的影響［J］. 江西農業學報，2009，21（8）：19-21.

［9］胡聲博. 水稻高溫誘導穎花不育品種間差異及其機理研究［D］. 北京：中國農業科學院，2013：17-44.

［10］宋有金，吳 超. 高溫影響水稻穎花育性的生理機制綜述［J］. 江蘇農業科學，2020，48（16）：41-48.

［11］Li M M，Li X，Yu L Q，et al. Identification of QTLs associated with heat tolerance at the heading and flowering stage in rice （Oryza sativa L.）［J］. Euphytica，2018，214（4）：70.

［12］段 驊，唐 琪，劇成欣，等. 抽穗灌漿早期高溫與干旱對不同水稻品種產量和品質的影響［J］. 中國農業科學，2012，45（22）：4561-4573.

［13］潘永地，朱世楊，胡 凝，等. B68-1轉基因水稻花粉活力的溫濕響應規律［J］. 中國農學通報，2014，30（30）：21-27.

［14］王彤彤，張鳳鳴，白良明，等. 溫度對水稻生長的影響［J］. 黑龍江農業科學，2016（2）：17-20.

［15］周 浩，胡文彬，王作平，等. 抽穗揚花期高溫對水稻重組自交系群體RIL47結實率的影響［J］. 中國生態農業學報，2011，19（1）：69-74.

［16］文紹山，張 林，焦 峻. 抽穗開花期耐熱性水稻恢復系種質的篩選［J］. 貴州農業科學，2018，46（3）：7-10.

［17］陳 雷，王 強，張曉麗，等. 不同水稻基因型花期耐熱性鑒定與評價［J］. 南方農業學報，2021，52（10）：2641-2649.

［18］陳慶全，余四斌，李春海，等. 水稻抽穗開花期耐熱性QTL的定位分析［J］. 中國農業科學，2008，41（2）：315-321.

［19］陳升孛，張天圣，黃秋如，等. 海南早稻抽穗乳熟期高溫熱害對結實率的影響［J］. 中國熱帶農業，2019（3）：65-69.

［20］葉 佩，劉可群，申雙和，等. 湖北中稻抽穗開花期高溫熱害風險分析及區劃［J］. 中國農學通報，2022，38（8）：110-117.

［21］梁天鋒，王 強，陳 雷，等. 基于時積溫的水稻耐熱性鑒定方法研究［J］. 南方農業學報，2016，47（4）：537-541.

［22］王華運，周桂香，萬謙千，等. 花期高溫對水稻穗、葉生理特性的影響［J］. 農業災害研究，2020，10（4）：129-131.

［23］張 彬，芮雯奕，鄭建初，等. 水稻開花期花粉活力和結實率對高溫的響應特征［J］. 作物學報，2007，33（7）：1177-1181.

［24］Matsui T，Omasa K，Horie T. The difference in sterility due to high temperatures during the flowering period among Japonica-rice varieties［J］. Plant Production Science，2001，4（2）：90-93.

［25］Jagadish S V K，Muthurajan R，Oane R，et al. Physiological and proteomic approaches to address heat tolerance during anthesis in rice （Oryza sativa L.）［J］. Journal of Experimental Botany，2009，61（1）：143-156.

［26］李興華，張 盛，周 強，等. 抽穗期高溫對不同品種水稻產量的影響及差異［J］. 中國農學通報，2019，35（9）：1-6.

［27］曹云英，段 驊，楊立年，等. 減數分裂期高溫脅迫對耐熱性不同水稻品種產量的影響及其生理原因［J］. 作物學報，2008，34（12）：2134-2142.

［28］王亞梁. 高溫對水稻穗發育及穗部性狀的影響［D］. 北京：中國農業科學院，2016：32-42.

［29］胡達明. 秈型三系不育系水稻花時滯候解除研究 Ⅱ. 花時的溫濕生態因子效應［J］. 湖北農學院學報，1996（4）：254-257.

［30］Julia C，Dingkuhn M. Variation in time of day of anthesis in rice in different climatic environments［J］. European Journal of Agronomy，2012，43：166-174.

［31］江 敏，金之慶，石春林，等. 長江中下游地區水稻孕穗開花期高溫發生規律及其對產量的影響［J］. 生態學雜志，2010，29（4）：649-656.

［32］楊 軍，章毅之，賀浩華，等. 水稻高溫熱害的研究現狀與進展［J］. 應用生態學報，2020，31（8）：2817-2830.

［33］劉 佳，陳 超，張玉芳，等. 四川單季稻抽穗揚花期和灌漿結實期高溫熱害時空特征［J］. 中國農業氣象，2018，39（1）：46-58.

［34］陳 雷. 水稻花期耐熱性與耐熱QTL定位及候選基因分析［D］. 南寧：廣西大學，2021：30-75.

收稿日期：2022-04-27

基金項目：國家自然科學基金（編號：31670326）；重慶市技術創新與應用發展專項（編號：cstc2019jscx-msxm X0353）；重慶高校優秀成果轉化項目（編號：KJZH17114）。

作者簡介：黃倫霄（1996—），男，四川攀枝花人，碩士研究生，主要從事水稻生理學研究，E-mail：1164158792@qq.com；共同第一作者：吳佳宏（1996—），女，重慶人，博士研究生，主要從事生物進化研究，E-mail：wujiahong231310@gmail.com。

通信作者：趙正武，博士，研究員，主要從事水稻遺傳育種研究。E-mail：zhaozhengwu513@sina.com。