水稻抽穗開(kāi)花期耐熱種質(zhì)資源的篩選鑒定

楊梯豐，張少紅，王曉飛，黃章慧，趙均良，張桂權(quán)，劉 斌

(1廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，廣東省水稻育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640;2華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東省植物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510642)

水稻的抽穗開(kāi)花期是高溫最敏感的時(shí)期［1］.我國(guó)長(zhǎng)江流域雙季早稻灌漿結(jié)實(shí)或中稻抽穗揚(yáng)花期正值盛夏，經(jīng)常出現(xiàn)高溫天氣，嚴(yán)重影響水稻生產(chǎn).全球溫室效應(yīng)日益加劇，使水稻生產(chǎn)面臨高溫挑戰(zhàn)［2］.因此，研究和解決水稻耐熱性的問(wèn)題十分緊迫，對(duì)確保我國(guó)乃至世界糧食安全意義重大.利用品種的耐熱性開(kāi)展水稻耐熱性育種是解決水稻高溫?zé)岷ψ罱?jīng)濟(jì)、有效的辦法.然而，綜觀國(guó)內(nèi)外研究表明，水稻耐熱性育種進(jìn)展緩慢.其主要原因之一是鑒定出的真正有育種應(yīng)用價(jià)值的耐熱水稻種質(zhì)資源還很少［3］.另一方面，水稻耐熱性是一個(gè)多基因控制的復(fù)雜性狀［4］，應(yīng)用常規(guī)遺傳育種技術(shù)難以進(jìn)行有效的育種.只有廣泛開(kāi)展水稻優(yōu)異耐熱種質(zhì)資源的篩選鑒定和深入開(kāi)展水稻耐熱性分子遺傳基礎(chǔ)研究，水稻耐熱性育種才能取得突破.本研究以來(lái)自11個(gè)國(guó)家的稻種資源為材料，進(jìn)行抽穗開(kāi)花期耐熱性鑒定，并分析耐熱性與秈粳性的關(guān)系，以期鑒定出優(yōu)異的耐熱種質(zhì)資源，為水稻耐熱性種質(zhì)資源的挖掘提供科學(xué)依據(jù)，并為下一步水稻耐熱相關(guān)基因的鑒定和育種奠定材料基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 供試材料

來(lái)自11個(gè)國(guó)家的水稻品種(系)共28份，進(jìn)行抽穗開(kāi)花期的耐熱性鑒定(表1).水稻品種“9311”和“日本晴”分別作為秈稻和粳稻的參比品種用于供試品種(系)的秈粳性分析.

表1 供試品種(系)的起源及亞種類(lèi)型Tab.1 The origin and subspecies of the tested varieties(lines)

1.2 耐熱性評(píng)價(jià)

測(cè)試品種(系)單株種植于直徑11.0 cm、高23.0 cm的小圓桶，每品種(系)分對(duì)照和高溫處理2組，每品種(系)每組8株.測(cè)試品種(系)置于網(wǎng)室生長(zhǎng)，常規(guī)水肥和病蟲(chóng)害管理.在植株生長(zhǎng)過(guò)程中保留主穗和1個(gè)最大的分蘗穗.在始穗時(shí)，對(duì)照組和高溫處理組分別置于加拿大制造的CONVIRON-PGV36型人工氣候箱進(jìn)行處理.對(duì)照組的溫度設(shè)定:白天28.0℃、晚上22.0℃;高溫處理組的日平均溫度為33.5℃，具體溫度參數(shù)見(jiàn)圖1.處理和對(duì)照的濕度和光照條件相同，相對(duì)濕度為75% ±10%，光照度為16 000 lx.7 d后將處理過(guò)的材料搬回網(wǎng)室生長(zhǎng).成熟后，各品種(系)每組各取較一致的10穗測(cè)定其結(jié)實(shí)率.以耐熱指數(shù)衡量品種(系)的耐熱性，耐熱指數(shù)=高溫處理的結(jié)實(shí)率/對(duì)照的結(jié)實(shí)率.

圖1 人工氣候箱高溫處理的溫度日變化Fig.1 Daily change of temperature in the high temperature phytotron

1.3 秈粳性檢測(cè)

微量抽提DNA，選取24個(gè)對(duì)秈粳性有專(zhuān)一性的SSR和InDel標(biāo)記(表2)進(jìn)行測(cè)試品種(系)的秈粳性分析［5-6］.PCR擴(kuò)增后，產(chǎn)物以60 g/L的聚丙烯酰胺凝膠電泳分離，經(jīng)Goldview染色后用Bio-rad凝膠成像系統(tǒng)檢測(cè)帶型.與秈稻“93-11”相同帶型記為秈性帶型，與粳稻“日本晴”相同帶型記為粳性帶型.以秈性度對(duì)測(cè)試品種(系)的秈粳性進(jìn)行量化，秈性度=秈性帶型標(biāo)記數(shù)/標(biāo)記總數(shù).

表2 用于分析測(cè)試品種(系)秈粳性的SSR和InDel標(biāo)記Tab.2 SSR and InDel markers used for analysis of indicajaponica differentiation

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 13.0軟件的Independent-samples t-test和Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行差異顯著性檢測(cè)和相關(guān)分析.利用NTSYS-pc Version 2.1e進(jìn)行測(cè)試品種(系)秈粳聚類(lèi)分析.把每個(gè)標(biāo)記的秈粳特異帶型轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)據(jù)(1為有帶，0為無(wú)帶).先通過(guò)SIMQUAL程序，利用SM系數(shù)計(jì)算相似性矩陣，再通過(guò)SHAN程序，根據(jù)UPGMA方法進(jìn)行聚類(lèi)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試品種(系)耐熱性

28份品種(系)高溫處理后其結(jié)實(shí)率的變異范圍為0.6% ～58.7%，耐熱指數(shù)的變異范圍為0.01～0.85.除來(lái)自中國(guó)江西的秈稻“贛香糯”和來(lái)自印度的秈稻“N22”，其余品種(系)高溫處理后其結(jié)實(shí)率均大幅度下降，與對(duì)照的結(jié)實(shí)率差異達(dá)極顯著水平(P＜0.01).雖然“贛香糯”和“N22”高溫處理后的結(jié)實(shí)率分別為55.8%和58.7%，與其對(duì)照結(jié)實(shí)率66.4% 和68.7% 相比差異顯著(P＜0.05)，但其耐熱指數(shù)明顯高于其他品種(系)，分別為0.84和0.85，其他品種(系)的耐熱指數(shù)均少于0.50(表3).

2.2 秈粳性與耐熱性的關(guān)系

28份品種(系)的秈性度有較大差異，其變異范圍為0.21～0.83(圖2).對(duì)秈性度與其耐熱指數(shù)的相關(guān)性分析表明，耐熱性與秈性度呈顯著正相關(guān)(r=0.42，P=0.03)(圖2).秈型組和粳型組平均耐熱指數(shù)分別為0.32和0.14，秈型組顯著高于粳型組(t=2.37，P=0.03).以24個(gè)秈粳專(zhuān)一性標(biāo)記對(duì)測(cè)試材料進(jìn)行聚類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果顯示，測(cè)試品種(系)可明顯分為2組，一組有17個(gè)品種(系)，另一組有11個(gè)品種(系)(圖3)，分組結(jié)果與它們已知的秈粳亞種類(lèi)型吻合(表1).

表3 高溫處理下測(cè)試品種(系)的結(jié)實(shí)率及耐熱指數(shù)Tab.3 Percentage of spikelet fertility and heat tolerance index of the tested varieties(lines)under high temperature conditions

圖2 28個(gè)品種(系)的秈性度與耐熱指數(shù)的相關(guān)性Fig.2 The correlation between degree of indica-type and heat tolerance index in the 28 varieties(lines)

圖3 根據(jù)24個(gè)秈粳特異性標(biāo)記基因型對(duì)28個(gè)品種(系)的聚類(lèi)Fig.3 Clustering of the 28 varieties(lines)based on the genotypes determined by the 24 indica-japonica specific markers

3 討論

本研究結(jié)果表明，盡管抽穗開(kāi)花期高溫處理后水稻的結(jié)實(shí)率都明顯下降，但是水稻品種對(duì)高溫的響應(yīng)有很大的差異.高溫處理后，測(cè)試的28個(gè)品種(系)的結(jié)實(shí)率最高的可達(dá)58.7%，最低的僅有0.6%;耐熱指數(shù)最高的可達(dá)0.85，最低的僅為0.01.可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)稻種資源的耐熱性評(píng)價(jià)可以獲得具有強(qiáng)耐熱性的材料.本研究中秈稻“N22”和“贛香糯”高溫處理后仍保持較高的結(jié)實(shí)率，具有突出的耐熱性.因此，這2個(gè)品種是開(kāi)展水稻耐熱性分子遺傳研究和育種的良好材料.

盡管在秈稻和粳稻中均有鑒定出耐熱的品種［7-8］，但是對(duì)不同生態(tài)型水稻抽穗開(kāi)花期的耐熱性鑒定結(jié)果表明，秈稻的耐熱性比粳稻的強(qiáng)［9］.然而，以往的研究是根據(jù)形態(tài)指數(shù)法對(duì)品種的秈粳性進(jìn)行劃分，考察其秈粳性與耐熱性的關(guān)系.應(yīng)用形態(tài)指數(shù)法進(jìn)行秈粳性分類(lèi)有一定的主觀性，并受環(huán)境條件影響，而且這種分類(lèi)方法無(wú)法對(duì)水稻品種的秈粳性進(jìn)行定量分析.為了深入了解水稻秈粳分化與耐熱性的關(guān)系，本研究利用對(duì)秈粳性有專(zhuān)一分辨能力的SSR和InDel標(biāo)記進(jìn)行秈粳性分析，以秈性度對(duì)這些品種(系)的秈粳性進(jìn)行量化.這種方法能客觀地反映測(cè)試水稻品種秈粳性的差異.研究結(jié)果表明，耐熱性與秈性度呈顯著正相關(guān)(P＜0.05).進(jìn)一步比較秈型組和粳型組的平均耐熱指數(shù)(t-檢驗(yàn))結(jié)果表明，秈型組的平均耐熱指數(shù)(0.32)顯著高于粳型組的平均耐熱指數(shù)(0.14)(P＜0.05).因此，在秈稻資源中進(jìn)行耐熱性篩選將有更大的機(jī)會(huì)獲得強(qiáng)耐熱性的稻種資源.

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