氮素高效利用高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻新品種選育及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究

蘇澤勝 羅志祥 施伏芝 阮新民

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，安徽省水稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

從20世紀(jì)60至70年代培育和推廣半矮稈耐肥型常規(guī)水稻品種和雜交稻新組合以來，特別是近年來大面積推廣超級(jí)雜交稻，使我國(guó)的水稻產(chǎn)量水平有了大幅度提高，但隨之帶來了氮肥施用量的急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1971至1972年全世界氮肥使用總量為3 349萬(wàn)t，1999至2000年度增加至8 730萬(wàn)t，氮肥使用量增長(zhǎng)161%。不僅如此，氮肥在化肥中的比率還呈明顯增加趨勢(shì)。1971至1972年世界化肥 N∶P2O2∶K2O 為 1∶0.67∶0.51;1999 至2000年則為1∶0.39∶0.26。在水稻生產(chǎn)中，1980至1995年的15年間，我國(guó)早秈稻和粳稻化肥 (主要是氮肥)施用量平均年增長(zhǎng)率分別為7.0%和8.8%，而同期水稻單產(chǎn)的年平均增長(zhǎng)率低于6%。據(jù)估計(jì)，亞洲2025年的水稻產(chǎn)量將比1991年增加64%，施氮量將增加180%，而每公斤氮素生產(chǎn)的稻谷由51.7 kg下降為30.2 kg。水稻氮素利用效率隨著氮肥用量的增長(zhǎng)明顯下降。生產(chǎn)上，一般稻田施純氮120～140 kg/hm2。施用量高的田地如我國(guó)蘇南地區(qū)則高達(dá)600～700 kg/hm2［1］。過量施用氮肥不僅降低了氮素的利用效率，造成能源的巨大浪費(fèi)，而且提高了作物的生產(chǎn)成本，挫傷了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性。據(jù)報(bào)道，目前我國(guó)水稻氮肥利用率僅為28%～40%，其余的氮素則通過淋溶、揮發(fā)和沖洗等以NH3、NO3-N等形式排入環(huán)境而損失，并污染地下水、土壤、河流和大氣，進(jìn)而影響人體健康。在我國(guó)，由于人口眾多所帶來糧食安全問題以及糧食自給問題面臨的挑戰(zhàn)，水稻育種一直把高產(chǎn)放在品種改良的首要位置。因此，在某種程度上忽視了氮素對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響。低耗、高效、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)是當(dāng)前我國(guó)乃至世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。因此，加強(qiáng)氮高效利用水稻新品種選育，充分挖掘氮高效水稻種質(zhì)資源，進(jìn)一步研究氮高效種質(zhì)的遺傳和生理生化基礎(chǔ)是當(dāng)前急需開展的重要課題。

1 氮高效利用水稻新品種選育工作研究進(jìn)展

通過培育和推廣氮素利用效率較高的氮高效水稻新品種來減少氮肥對(duì)環(huán)境的污染，是當(dāng)前人們非常關(guān)心的課題。近幾年，國(guó)際水稻研究所和韓國(guó)對(duì)水稻品種高氮素吸收利用率的育種方法和遺傳規(guī)律進(jìn)行研究的同時(shí)，試圖從目前收集到的地方品種和推廣品種資源中，篩選出在較低的氮肥水平下保持高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的氮肥高效利用水稻種質(zhì)，并通過育種手段來培育氮素利用率較高的環(huán)境保護(hù)型高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)新品種。大量研究指出，水稻品種的氮素需求量和利用效率在秈粳稻之間有較大的差異，即使是同一類型的品種間，也存在較大的氮素利用率差異，并因土壤不同對(duì)氮素的吸收反應(yīng)也不一樣。由此可以看出，利用育種手段來篩選和培育氮素吸收利用率高的水稻新品種是可行的。為此，我們對(duì)安徽省育成的4個(gè)中秈水稻新品種以及從韓國(guó)引進(jìn)的1個(gè)偏秈水稻品種和汕優(yōu) 63在 0、75、150、225、300 kg/hm2五個(gè)氮肥水平下進(jìn)行了小區(qū)產(chǎn)量比較試驗(yàn) (見表1)［2］，五個(gè)氮肥水平分別用 N1-0、N2-75、N3-150、N4-225、N5-300表示。

表1 不同品種在不同施氮水平下的產(chǎn)量及農(nóng)學(xué)利用率

結(jié)果表明，不同施肥水平對(duì)氮肥的農(nóng)學(xué)利用率不同。施氮75 kg/hm2氮和施氮150 kg/hm2利用率較高，為4 kg稻谷/kg-N。隨著施氮量的增加，氮肥的利用率下降;在施氮225 kg/hm2和施氮300 kg/hm2下，分別為2.8 kg稻谷/kg-N和2.25 kg稻谷/kg-N。不同品種在不同的氮肥水平下表現(xiàn)也不相同。協(xié)優(yōu)57在施氮75 kg/hm2水平下的農(nóng)學(xué)利用率最高，達(dá)14.6 kg。產(chǎn)量以施氮300 kg/hm2水平下最高，但此水平下的農(nóng)學(xué)利用率已下降到5.75 kg稻谷/kg-N。中秈898和協(xié)優(yōu)8019在施氮225 kg/hm2水平時(shí)產(chǎn)量最高，分別為7.01 t/hm2和7.65 t/hm2;多產(chǎn)稻和汕優(yōu)63在施氮300 kg/hm2水平時(shí)產(chǎn)量最高，分別為6.79 t/hm2和7.39 t/hm2，其它施肥水平 (含未施肥)產(chǎn)量差異均不顯著。唯獨(dú)協(xié)優(yōu)9019隨著施肥量的增加，產(chǎn)量也隨之增高。在施氮300 kg/hm2水平時(shí)產(chǎn)量高達(dá)8.89 t/hm2。為此更進(jìn)一步驗(yàn)證該品種對(duì)氮肥的利用效果，我們?cè)诎不帐》蕱|縣對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率高的雜交中秈稻新組合協(xié)優(yōu)9019進(jìn)行了減少氮肥使用量的試驗(yàn)示范。示范田施氮127.5 kg/hm2，平均產(chǎn)量8.13 t/hm2;而鄰近對(duì)照汕優(yōu)63按施氮150 kg/hm2水平施用，平均產(chǎn)量7.73 t/hm2。結(jié)果氮肥用量減少15%，而產(chǎn)量卻增加5.24%。該品種參加安徽省兩年區(qū)試，平均產(chǎn)量9.02 t/hm2，比對(duì)照汕優(yōu)63增產(chǎn)8.9%，居第一位。安徽省生產(chǎn)試驗(yàn)，平均9.06 t/hm2，比對(duì)照汕優(yōu)63增產(chǎn)12.8%，居14個(gè)參試組合 (品種)的第一位。參加長(zhǎng)江中下游高產(chǎn)組區(qū)域試驗(yàn)，平均7.77 t/hm2，比汕優(yōu)63增加5.35%，居第三位，在新推薦的組合中居第一位。因生育期較短，產(chǎn)量最高，同時(shí)，其產(chǎn)量變異系數(shù)較小，因而穩(wěn)產(chǎn)性好，在生產(chǎn)上應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)較小。

近年來，我們通過國(guó)際合作和國(guó)家“863”項(xiàng)目的支持，培育出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氮高效利用水稻新品種協(xié)優(yōu)9019和皖稻125，通過國(guó)家農(nóng)作物品種審定，并成功示范推廣。

另外，我們用氮素的吸收總量和氮素利用率高的水稻品種Dasanbyeo作母本與高產(chǎn)常規(guī)品種中秈898等雜交配制10個(gè)雜交種，在合肥正季種植，并在海南進(jìn)行加代，現(xiàn)已對(duì)后代進(jìn)行大群體種植，對(duì)產(chǎn)量群體在不同氮素水平下進(jìn)行分段選擇。已初步構(gòu)建了F8代180個(gè)重組自交系群體。并對(duì)分離后代的氮素利用率進(jìn)行了初步分析。已篩選了30多份氮高效利用水稻新品系和新材料。

2 氮高效利用應(yīng)用基礎(chǔ)研究

2.1 水稻根系活力與根系吸氮速率關(guān)系的研究

水稻根系是水稻吸收養(yǎng)分的主要器官。水稻根系的NH4+-N和NO3-N的吸收機(jī)理不同，對(duì)NH4+的吸收是通過與 ［H+］交換進(jìn)行的。與根細(xì)胞色素氧化酶有關(guān);對(duì)NO3-的吸收是通過根細(xì)胞轉(zhuǎn)移的，它包括NO3-在根細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)移、NO3-的還原及同化等過程，與根細(xì)胞內(nèi)的黃酶有關(guān)。過去曾認(rèn)為，水稻是嗜銨作物，整個(gè)生育期的氨素氮吸收較多，但近年來研究認(rèn)為，水稻吸收不同形態(tài)的氮量同環(huán)境的pH值、2種形態(tài)氨的比例、不同基因型、不同生育時(shí)期等多種因素有關(guān)［3］。我們用水培法對(duì)水稻秧苗根系活力及其吸氮能力進(jìn)行了分析研究。結(jié)果表明，不同基因型水稻秧苗根系活力對(duì)氮的吸收能力存在差異。單位鮮根對(duì)氮的吸收速率與根系的活力密切相關(guān)。

在本項(xiàng)研究的6個(gè)不同基因型的水稻品種中，秀水11的根系活力最強(qiáng)，為37.4 mg(a-NA)/h，其根系對(duì)NH4+-N和NO3-N的吸收速率分別為6.25和9.79 μg/(g·h);安多稻根系活力次之，為31.2 μg/(g·h)，其根系對(duì) NH4+-N和NO3-N的吸收速率分別為5.22和6.64 μg(a-NA)/h;其余品種根系活力及對(duì)氮的吸收速率均低于秀水11和安多稻。經(jīng)測(cè)定，根系活力與NH4+-N和NO3-N的吸氮速率之間的相關(guān)系數(shù)分別為r1=0.7783和r2=0.8641，均達(dá)顯著正相關(guān)，這種顯著相關(guān)性，可以從根對(duì)氮的吸收是一個(gè)主動(dòng)運(yùn)輸過程，需要ATP提供能量。根系活力高，供給的ATP最多，同時(shí)根細(xì)胞內(nèi)與根吸收氮素有關(guān)的酶活性也高，因此其單位鮮根對(duì)氮的吸收速率也隨之加快。

表2 根系活力與根系對(duì)氮的吸收速率

2.2 水稻品種在不同生育時(shí)期氮素吸收量的差異

樸鐘澤等對(duì)供試的9個(gè)水稻品種各生育時(shí)期水稻氮素吸收量及其占整個(gè)生育時(shí)期氮素吸收總量進(jìn)行了分析研究［4］(見表3)。

結(jié)果表明，移栽期至最高分蘗期，最高分蘗期至孕穗期所吸收的氮素量在水稻品種間未見顯著差異;但孕穗期至黃熟期的氮素吸收量在水稻品種間呈顯著差異;各生育時(shí)期氮素吸收量在施氮與未施處理間有著顯著差異。說明從水稻整個(gè)生長(zhǎng)進(jìn)程看，水稻品種氮素吸收量的差異主要表現(xiàn)在孕穗期至黃熟期，氮素水平對(duì)各生育時(shí)期氮素吸收程度的影響較大。在施氮條件下移栽期至最高分蘗期、最高分蘗期至孕穗期、孕穗期至黃熟期氮素吸收量分別占全生育期的46.45%、18.75%和34.80%;而在未施氮條件下這3個(gè)時(shí)期吸收氮量分別占全生育期的20.33%、16.71%和62.96%。在施氮條件下前期吸收氮量較多，而未施氮條件下多數(shù)在孕穗期后吸收積累。在施氮條件下，氮素吸收量較多的水稻品種依次為Guichow、Milyang23、Dasanbyeo;而在未施氮條件下，氮素吸收量較多的水稻品種依次為Dasanbyeo、Guichow、Milyang23。這3個(gè)水稻品種在施氮條件下孕穗期后氮素吸收量為37%～49%，而在未施氮條件下孕穗期后氮素67%～70%。

表3 在施氮與未施氮兩種水平下水稻品種不同生育時(shí)期氮素吸收量的差異

2.3 稻谷產(chǎn)量及氮素利用效率相關(guān)性狀之間的相關(guān)分析

與此同時(shí)，樸鐘澤等還在施氮和未施氮兩種條件下，對(duì)稻谷產(chǎn)量及氮素利用效率相關(guān)性狀之間進(jìn)行了分析研究 (表4)。結(jié)果表明，在兩種處理下稻谷產(chǎn)量與氮素吸收總量、收獲期生理氮素利用效率和氮素轉(zhuǎn)移效率呈顯著的正相關(guān)，而與其他性狀的相關(guān)不顯著。在兩種條件下收獲期生理氮素利用效率與稻谷產(chǎn)量、氮素吸收總量和氮素轉(zhuǎn)移效率呈顯著的正相關(guān)，而與最高分蘗期生理氮素利用效率只有在施氮條件下呈顯著的正相關(guān)。說明氮素吸收總量較多，收獲期氮素生理利用效率和氮素轉(zhuǎn)移效率較高的水稻品種一般表現(xiàn)較高的稻谷產(chǎn)量;同時(shí)，稻谷產(chǎn)量較高，氮素吸收總量較多，氮素轉(zhuǎn)移效率較高的水稻品種一般表現(xiàn)為較高的收獲期氮素利用效率。

表4 在施氮和未施氮兩種處理下稻谷產(chǎn)量及氮素吸收利用效率相關(guān)性狀之間的相關(guān)系數(shù)

2.4 不同施氮水平在各生育時(shí)期硝酸還原酶的活性

我們還對(duì)協(xié)優(yōu)9019不同施氮水平在各生育時(shí)期硝酸還原酶的活性和不同生育時(shí)期硝酸還原酶的活性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在不同施氮水平下，各品種的硝酸還原酶活性不同。在第二水平時(shí)達(dá)到最高值，后又隨之下降。不同品種硝酸還原酶活性存在著明顯的差異。雜交水稻比常規(guī)水稻要強(qiáng)。協(xié)優(yōu)9019表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì) (圖1)。

圖1 協(xié)優(yōu)9019不同施氮素水平硝酸還原酶的活性

在不同生育時(shí)期硝酸還原酶活性也不同。分蘗期硝酸還原酶的活性較低;抽穗時(shí)達(dá)到最高值。灌漿至結(jié)實(shí)期活性又明顯下降;黃熟期活性又逐漸上升 (圖2)。

3 討論

1)隨著超級(jí)稻的不斷發(fā)展，研究培育和推廣氮高效超高產(chǎn)水稻新品種，減少氮肥對(duì)環(huán)境的污染顯得尤為重要。國(guó)家科技部農(nóng)村與社會(huì)發(fā)展司將此項(xiàng)研究已列入國(guó)家“863”攻關(guān)計(jì)劃，并取得了顯著成果，這是凝聚優(yōu)勢(shì)力量，加速推動(dòng)超級(jí)稻育種技術(shù)創(chuàng)新的一項(xiàng)重要舉措，也是新形勢(shì)下我國(guó)超級(jí)稻育種技術(shù)研究的方向、目標(biāo)和重點(diǎn)。

2)該項(xiàng)研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，今后要加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有水稻種質(zhì)進(jìn)行氮素高效利用的鑒定與評(píng)價(jià)，從中選擇耐低氮和氮素利用率高的水稻育種親本材料和特異資源。

3)在篩選和培育水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)氮高效利用新品種與配套技術(shù)的集成上，要進(jìn)一步加強(qiáng)超高產(chǎn)生理生化特性的研究。結(jié)合各種高產(chǎn)栽培技術(shù)與化學(xué)調(diào)控措施及主要病蟲害的綜合防治技術(shù)。通過改善根系生長(zhǎng)環(huán)境和后期物質(zhì)生產(chǎn)能力，提高氮素利用效率，降低成本，減少環(huán)境污染，確保高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效。

4)研究報(bào)道指出，Dasanbyeo和Guichow既表現(xiàn)較高的稻谷產(chǎn)量和氮素吸收總量，又表現(xiàn)較高的氮素利用效率，是比較好的氮素高效利用材料。氮素水平對(duì)氮素利用效率的影響較大，在未施氮條件下氮素利用效率顯著高于施氮的。因此，根據(jù)不同的品種特性，適當(dāng)減少氮肥施用量是提高氮素利用率的有效途徑之一。在施氮和未施氮條件下收獲期氮素利用效率與氮素吸收總量、氮素轉(zhuǎn)移效率、稻谷產(chǎn)量、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和收獲指數(shù)均呈顯著正相關(guān)。因而在耐低氮水稻育種中可以把較高的稻谷產(chǎn)量、多穗、高結(jié)實(shí)率和高收獲指數(shù)作為氮高效利用水稻品種的參考指標(biāo)。

5)關(guān)于氮素利用效率的研究，近幾年有一些研究報(bào)道，認(rèn)為許多農(nóng)作物不同基因型間氮素利用效率存在顯著的差異。De Detta等［5］研究指出，氮素利用效率在不同水稻基因型間存在顯著差異，并因年份、季節(jié)、栽培條件而表現(xiàn)出相當(dāng)穩(wěn)定的大小排序;Wu等［6］研究認(rèn)為，雜交水稻品種的氮素利用效率比半矮稈和高稈常規(guī)水稻品種等高。方萍等［7］對(duì)苗期生理氮素利用效率的QTL分析結(jié)果表明，在第12條染色體上檢出1個(gè)QTL與氮素利用率關(guān)聯(lián)，且表現(xiàn)顯著的加性和顯性效應(yīng)。又有研究指出，水稻品種的氮素需求量和利用效率在秈稻和粳稻間有較大的差異，即使是同類型品種，也存在較大的氮素利用率差異，并且因土壤性質(zhì)不同，對(duì)氮素的吸收反應(yīng)也不一樣。

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