水稻耐酸性綜合評價及耐酸種質篩選

關鍵詞： 水稻；苗期；酸處理；綜合評價

土壤酸化是土壤形成和發育過程中普遍存在的現象[1]，是一個非常緩慢的過程[2?3]。然而，隨著社會經濟的高速發展，工業排放的酸性氣體以及人類不合理的耕作與栽培措施等引起土壤酸化加劇[4?8]，導致南方紅黃壤酸性不斷加重，嚴重影響南方紅黃壤肥力和作物產能提升[9?10]。因此，選育和推廣耐酸高產作物品種，是提升我國南方紅黃壤作物產能的重要措施之一，對保證我國糧食安全具有重要意義。

土壤酸化能活化土壤中的重金屬[11?12]，降低土壤對重金屬的緩沖能力，增加重金屬對作物的毒害。酸化使土壤中的Al³⁺大量釋放造成鋁毒，導致植物根系生長不良、根系活力下降，影響根系對水分和養分的吸收[13]。此外，土壤酸化后磷酸根離子易與Fe³⁺和Al³⁺等金屬離子反應生成難溶性的磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽，導致土壤嚴重缺磷[14]。酸化土壤中的大量H+進入根細胞的細胞質，使細胞質內pH下降，酶活性降低，生物自由基積累，加劇植物根系的毒害作用[15]；其次酸化會降低土壤酶活性，抑制土壤中微生物的生長，影響土壤有機質的分解和土壤礦質元素的循環，導致土壤供肥能力下降[16]。目前關于土壤酸化對作物生長影響的研究主要集中在大豆[17]、油菜[18]、小麥[19]等作物，對水稻的研究相對較少。

全球大約有325 萬hm²水稻生長在酸性土壤上[19?22]。土壤酸化已經成為我國南方地區水稻生產中的主要障礙因素之一。研究表明，不同作物或同一作物不同基因型耐酸性存在遺傳多樣性[23?26]。周娟等[27]利用發芽指標和產量指標評價水稻耐酸性篩選耐酸品種，發現過氧化氫酶（CAT） 活性、丙二醛（MDA）含量與單株產量變異幅度顯著相關，可用于評價水稻耐酸特性[28]。此外，采用簡單鈣溶液法和全營養液法對139份大豆種質進行耐酸鋁分析，以主根相對伸長率為評價指標，分析大豆對酸鋁毒的耐性表現[29]。但作物耐酸性是受多因素影響的復雜性狀，單一指標可能難以反映作物的耐酸性。基于此，亟需開展南方水稻耐酸指標篩選及評價方法的構建，研究結果將對耐酸水稻新品種選育和因地試種具有重大意義。

因此，本研究選取了我國南方主要水稻產區的96份品種進行酸處理，在苗期測定根長、株高、地上部鮮重等10 個性狀指標，并利用相關性分析、主成分分析、隸屬函數法、聚類分析、灰色關聯度和逐步回歸分析對不同水稻品種進行耐酸綜合評價，建立了水稻耐酸評價模型，篩選了具有較強耐酸性的水稻品種。隨后，在田間條件下評估了耐酸水稻品種的耐酸性。研究結果可為耐酸水稻品種的選育及推廣提供理論依據，具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種主要來源于我國南方水稻主產區，包括福建、廣東、廣西、江西、浙江等不同來源，共96 份（表1）。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2023 年在福建農林大學海峽生態環境工程研究院進行。塑料盆上直徑20 cm，下直徑16 cm，高15 cm。供試土壤取自福建農林大學科教基地，土壤為水稻土，其化學性質為：pH 6.18，有機質22.7 g/kg，全氮1.57g/kg，全磷0.64g/kg，全鉀22.90 g/kg。試驗設置2 個處理，分別為pH 4.19 （酸處理） 和pH 6.18 （對照處理），向對照土壤加入5mol/L硫酸調節土壤pH 至4.19[29?36]，加酸量為500 mL/kg[30]。挑選完整飽滿均勻的水稻種子，經浸種催芽后，分別播種在2 個不同pH 的土壤里，每個品種3個重復。定期澆水，水稻處理21天后取樣，并進行指標測定。

田間試驗于2023年在福建省福州市閩侯農田生態系統福建省野外科學觀測研究站進行，分別選取篩選到的極耐酸型水稻品種和敏感型水稻品種開展田間驗證試驗。土壤為水稻土，其基本化學性質為：pH 5.0，有機質36.81 g/kg，全氮1.61 g/kg，全磷0.70 g/kg，全鉀25.03g/kg。水稻浸種后，在田間苗圃育苗，培養1個月后插秧。鉀肥和磷肥作為基肥，分別施用K₂O 150 kg/hm²"及P₂O₅"45 kg/hm²；在插秧前、分蘗期和抽穗期分別施加氮肥（尿素） 50、33 和17 kg/hm²。水稻插秧間距為20 cm×20 cm，每個品種3個重復小區，每個小區1.5 m²。分別在分蘗期、拔節期、成熟期取樣測定株高，在成熟期測定千粒重、結實率及產量。

1.3 測定項目及方法

室內培養水稻取樣后，將水稻根系清洗干凈，用吸水紙吸干根系表面水分，分別測定株高、地上部鮮重、根鮮重和總根長。利用 EPSON Expression12000XL 根系掃描儀掃描根系，然后通過WinRHIZOPro 2018分析軟件分析總根長、總根表面積和總根體積。將地上部和根系在80℃ 烘干至恒重后測量干重。由地上部鮮重和根系鮮重相加計算總鮮重；根冠比為根系干重與地上部干重的比值。

1.4 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2020統計、處理原始數據并作相關圖表；采用IBM SPSS Statistics 27軟件進行主成分析；采用Origin 2021進行相關性分析；采用GraphPad Prism 制作相關分析圖，R 語言進行聚類分析。采用隸屬函數法進行耐酸綜合評價[37?41]。

耐酸系數=酸脅迫條件下的測定值/正常條件下的測定值

2 結果與分析

2.1 酸性土壤對水稻苗期生長的影響

測定對照及酸處理下水稻苗期的10個性狀指標（株高、總根長、地上部鮮重、根系鮮重、總鮮重、地上部干重、根系干重、根冠比、根系總表面積和總根體積）。與對照處理相比，酸處理下水稻總根長、根系鮮重、總鮮重、根冠比和根系總表面積均顯著降低（圖1）。酸處理下，株高、地上鮮重、地上干重、根冠比和總鮮重分別較對照處理下降4.82%、8.61%、12.01%、26.73%、18.72%。此外，酸處理的水稻總根長、根系鮮重、根系干重、根系總表面積和總根體積分別為對照處理的0.7、0.6、0.8、0.8 和0.9 倍。以上結果表明，酸性土壤對水稻生長具有較強的抑制作用。

2.2 水稻苗期各性狀耐酸系數描述性分析及相關性分析

為了避免品種間的生物學差異，本研究采用耐酸系數作為水稻耐酸性的評價指標。由表2可知，各性狀的相對值以總根長最小，為0.782；株高和地上部鮮重較大，分別為0.967 和0.957。總體上，水稻苗期各項指標的耐酸系數平均值均小于1，10項指標的變異系數范圍為22.07%～65.99%，具體表現為根系鮮重gt;根系干重gt;總鮮重gt;總根長gt;根系總表面積gt;總根體積gt;根冠比gt;地上部鮮重gt;地上部干重gt;株高，其中根系鮮重變異系數為65.99%，株高變異系數為22.07%，不同水稻品種各項指標的耐酸系數變幅較大，可見不同品種水稻在酸性土壤下各指標均存在不同程度的變化。

隨后，本研究對10 個性狀指標進行了相關性分析，結果（圖2） 表明相對根冠比與相對總根長呈顯著正相關，相關系數為0.72 （Plt;0.001），與相對地上部鮮重相關性不顯著；根冠比與地上部干重呈顯著正相關（Plt;0.05），與根系干重呈極顯著正相關（Plt;0.01）。相對總根長、相對株高、相對根系鮮重、相對總鮮重、相對總根體積和相對根系干重之間存在著極顯著正相關（Plt;0.001）。各單項指標間表現出不同程度的相關性，說明其提供的信息相互重疊，利用單個指標難以準確地進行耐酸性評價[42]，綜合各項指標能更有效地篩選耐酸水稻品種。

2.3 水稻苗期各性狀耐酸系數的主成分分析

由表3可知，前3個主成分的貢獻率分別為70.904%、11.137% 和6.747%，累計貢獻率達到88.788%。以上3個主成分基本代表了原始10個指標所攜帶的絕大部分信息，其余貢獻率較小的主成分可忽略不計。其中，對第一主成分中正貢獻率最高的指標是相對總鮮重和相對總根體積，對第二主成分中正貢獻率最高的指標是相對根冠比，對第三主成分中正貢獻率最高的指標是相對根系干重。綜合3個主成分所攜帶的信息，可以用相對總鮮重、相對總根體積、相對根冠比和相對根系干重4個指標來概括10個指標大部分信息，作為耐酸水稻品種的主要篩選指標。

2.4 不同水稻品種耐酸性綜合評價

根據公式進行隸屬函數值和耐酸性綜合評價值（D 值） 計算，D值為各綜合指標的隸屬函數值之和，可反映供試水稻的耐酸性強弱，D值越大表示耐酸性越強，反之越弱[3] （圖3）。基于96 份水稻品種的D值大小，我們采用歐式距離平均聯接方法進行聚類分析，將96 份水稻品種分為4 個類群。第I 類屬于極耐酸型，第II類屬于耐酸型，第III類屬于中間型，第IV 類屬于敏感型。第I 類屬于極耐酸型水稻品種，包括榕夏兩優686、和鑫5號、晶兩優534等共4份種質，占供試材料總數的4.17%；第II 類屬于耐酸型水稻品種，包括禾兩優686、糯兩優561、華優鈺禾等9 份種質，占供試材料總數的9.38%；第III 類屬于中間型水稻品種，包括粵晶絲苗2號、昌兩優8 號和桂育18 號等共47 份種質，占供試材料總數的48.96%；第IV 類屬于敏感型水稻品種，包括野香優航148、福玖優2165 和紫兩優737 等共36份種質，占供試材料總數的37.50%。

2.5 建立水稻苗期耐酸鑒定體系

如表4 所示，不同水稻品種的耐酸系數與D值的關聯度從大到小依次為根系鮮重、總鮮重、根系總表面積、總根長、總根體積、根冠比、地上部鮮重、株高、根系干重、地上部干重。總體上，各關聯度間的差值較小，根系鮮重、根系干重和總鮮重排序相對靠前，可作為水稻耐酸性初步鑒定的指標。為了進一步分析水稻苗期各單項指標耐酸系數與水稻耐酸性之間的關系，篩選出耐酸鑒定指標，建立耐酸評價的數學模型，進行水稻耐酸預測。以10 個單項指標耐酸系數為自變量、不同水稻的耐酸綜合評價值D 值為因變量，進行逐步回歸，構建最優回歸方程： D=?7.96×10^?11+1.067X_總鮮重+0.6X_總根長+0.627X_總根體積+0.438X_株高+0.236X_根系干重"（R²=0.989，F=1675.663**）。由最優回歸方程知，總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重的耐酸系數可作為鑒定水稻苗期耐酸性的主要指標，回歸方程預測準確度高、效果較好。因此，在水稻苗期測定其總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重，并通過回歸方程估算其D 值，用于評價水稻苗期耐酸性，篩選耐酸水稻品種。

2.6 耐酸水稻品種田間驗證

為了驗證土壤酸化對水稻中后期生長發育的影響，我們在田間酸性土壤中對室內鑒定的耐酸及酸敏感水稻進行了驗證。共挑選30個耐酸型水稻品種（榕夏兩優686、和鑫5號和晶兩優534等） 及20個酸敏感型水稻品種（野香優航148、福玖優2165和紫兩優737等）。在分蘗期、拔節期和成熟期，耐酸水稻品種的平均株高分別比酸敏感水稻品種高29.35%、49.76% 和44.65% （圖4）。同時，耐酸水稻品種的平均結實率和產量分別是酸敏感水稻品種的4.2和3.5倍（圖5）。此外，耐酸水稻品種的平均千粒重比酸敏感水稻品種高47.04% （圖5）。

3討論

根系生長與植物耐酸鋁性之間存在顯著相關性[43]。通過分析酸脅迫下花生植株生長、發育及物質積累相關性狀和產量穩定性的關系，發現根系總體積和根系干重是評價花生耐酸性的重要指標[44]。大豆耐酸鋁能力與根系有密切關系，耐酸鋁毒大豆基因型的根系體積大，吸收面積大，吸收能力強，根部的許多性狀如主根長、根系總長度、根干重、根鮮重等均可作為大豆耐鋁毒評價指標[45?46]。本研究通過灰色關聯度分析和逐步回歸分析，篩選出總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重5 項耐酸性鑒定指標，與Sta 等[46]的研究結果一致。本研究將水稻品種分為極耐酸型、耐酸型、中間型和敏感型4 個等級。這種分類有助于明確不同水稻品種在酸性土壤中的適應性，為水稻品種的選育和推廣提供了科學依據。極耐酸型品種在生產上具有重要的應用價值，能在酸性土壤中保持較高的生產力，為糧食安全提供保障[47?51]。

酸性土壤（pHlt;5.5） 條件下，鋁的可溶性會顯著增加，轉變為對植物有毒害作用的Al3+[52?54]。植物根系分泌有機酸是最重要的耐酸鋁機制[55]，檸檬酸和蘋果酸被認為是緩解水稻鋁毒的主要有機酸[56]。與鋁敏感水稻相比，耐鋁水稻品種在鋁脅迫下能保持根細胞中蛋白質含量[57]。本研究通過主成分分析，將水稻總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重作為鑒定耐酸性的主要指標，這與Chen等[55]的研究結果相似。Chen 等[55]以株高、根長、根干重、根鮮重及幼苗干重為指標，從211份秈稻中鑒定出了21個與耐鋁相關的候選基因，表明總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重對水稻耐酸鋁性具有重要作用。此外，植物激素（生長素、乙烯及細胞分裂素等） 主要通過調控根系有機酸分泌、細胞壁修飾等過程控制根系對鋁毒的響應[58]。本研究中，耐酸水稻品種總根長顯著高于酸敏感品種，可能是由于水稻生長素內流蛋白OsAUX3在其中起作用[58?59]。

土壤酸化是我國南方地區水稻生產中的主要障礙因素之一。本研究中，晶兩優534是極耐酸水稻品種，在室內及田間酸脅迫下具有較高的總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重。此外，晶兩優534 是近年在華南地區大面積推廣的兩系雜交稻之一，說明晶兩優534具有較強的耐酸性及較好的生產應用潛力。同時，也進一步說明本研究中耐酸水稻品種篩選指標的合理性。

4 結論

本研究建立了一套水稻苗期耐酸性的綜合評價體系，并通過聚類分析和逐步回歸分析篩選出了4份極耐酸型水稻品種和36份敏感型水稻品種，通過關聯度和逐步回歸分析，構建最優回歸方程篩選出總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重5 項指標可作為水稻苗期耐酸性快速鑒定指標。以上結果不僅豐富了水稻耐酸性篩選的理論體系，也為耐酸水稻品種的選育提供理論依據。