不同水稻種質(zhì)資源重要農(nóng)藝性狀與發(fā)芽期耐寒性鑒定研究

潘曉雪 胡明瑜 王忠偉 吳 紅 雷開榮

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心/逆境農(nóng)業(yè)研究重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，401329，重慶）

水稻（Oryza sativa L.）種質(zhì)資源是水稻新品種選育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單易于操作的農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)是研究種質(zhì)資源的基本方法。截至2018年底，國(guó)家水稻資源中期庫共保存野生稻資源6 694份，各類水稻資源79 468份[1]。朱文東[2]對(duì)125份日本水稻品種在四川雅安生態(tài)條件下的農(nóng)藝性狀開展研究，鑒定出24份田間表型優(yōu)異的水稻材料。熊玉珍等[3]對(duì)210份江西地方水稻品種資源的15項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，篩選出一批可作為育種親本的優(yōu)異種質(zhì)資源。肖佳雷等[4]通過綜合評(píng)價(jià)273份黑龍江地區(qū)水稻品種的主要農(nóng)藝性狀，獲得33份綜合性狀優(yōu)良的材料。水稻種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀指標(biāo)的鑒定和篩選有利于拓寬水稻種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)。

近年來，由于育種家選育時(shí)的偏愛和水稻育種中骨干親本選擇的單一化，導(dǎo)致遺傳一致性增強(qiáng)，普通栽培稻的抗逆性越來越弱[5]。因此，充分挖掘現(xiàn)有種質(zhì)資源的遺傳變異和優(yōu)良性狀，可為水稻單產(chǎn)、品質(zhì)特性及其抗逆性的提升改良提供選擇依據(jù)。低溫是最為常見的環(huán)境脅迫因子之一，嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和地理分布[6]。水稻是喜溫植物，一般低于10℃便會(huì)遭受冷害。水稻秧田和直播田種子若在發(fā)芽期遇到低溫，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)芽勢(shì)降低和發(fā)芽不齊，甚至影響后期有效分蘗數(shù)和籽粒飽滿度，嚴(yán)重影響水稻產(chǎn)量[7-9]。因此，培育優(yōu)質(zhì)耐寒新種質(zhì)可以提高水稻的生產(chǎn)安全性。本研究通過對(duì)106份水稻種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的綜合評(píng)價(jià)和發(fā)芽期耐寒性的鑒定，為進(jìn)一步創(chuàng)制綜合性狀優(yōu)異和耐寒新種質(zhì)資源提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料為不同遺傳背景的106份水稻材料，由本課題組收集和保存（表1）。

表1 重慶水稻種質(zhì)資源名稱、綜合評(píng)價(jià)值、排名及耐寒等級(jí)Table 1 Names of Chongqing rice germplasms and their D-values, comprehensive rankings and cold resistance levels

1.2 田間農(nóng)藝指標(biāo)考察

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2018-2019年夏季將106份供試水稻材料種植于重慶現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)試驗(yàn)基地（29°27′25″N，106°21′45″E）。每年 3 月 10 日播種，薄膜育秧，4月20日單本移栽，每個(gè)材料種植10行，每行10株，行距0.2m，株距0.2m[10]。田間管理同常規(guī)水稻栽培管理方式。

1.2.2 農(nóng)藝性狀測(cè)定 記錄2018和2019年所有材料的評(píng)價(jià)指標(biāo)。成熟后，在田間選取生長(zhǎng)一致的10個(gè)單株，統(tǒng)計(jì)每個(gè)品種的有效穗數(shù)，用直尺測(cè)量株高和主穗長(zhǎng)，用游標(biāo)直尺測(cè)量倒二節(jié)莖稈寬度（簡(jiǎn)稱“莖粗”），而后人工脫粒考察單株產(chǎn)量、千粒重、每穗總粒數(shù)（實(shí)粒、空癟粒和落粒的總數(shù)）、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、谷粒長(zhǎng)、谷粒寬和谷粒長(zhǎng)寬比8項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 水稻發(fā)芽期耐寒性試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在人工氣候箱（型號(hào)：Climacell 222，德國(guó)MMM）中進(jìn)行，種子在50℃恒溫箱內(nèi)處理48h，然后隨機(jī)選取106份水稻材料中健康飽滿且無病蟲害的種子分批次播種，用0.1% HgCl2消毒10min，用自來水洗滌種子3～4次，加入少量水，室溫浸種24h后放入14℃人工氣候箱中，9d后開始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，15d時(shí)結(jié)束。發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)芽長(zhǎng)達(dá)到種子長(zhǎng)度的一半、根長(zhǎng)達(dá)到種子長(zhǎng)度時(shí)記為發(fā)芽。

1.3.2 測(cè)定指標(biāo) 評(píng)價(jià)方法參考《水稻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]，將低溫處理下種子的發(fā)芽率作為水稻發(fā)芽期耐寒性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，分1～9級(jí)評(píng)價(jià)。將發(fā)芽率≥80%定為1級(jí)，為強(qiáng)耐寒品種；發(fā)芽率60%～80%為5級(jí)，為中度耐寒品種；發(fā)芽率≤60%為9級(jí)，為不耐寒品種。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用R語言軟件（3.6.1）進(jìn)行聚類分析，利用SPSS 20.0進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析，利用隸屬函數(shù)值和權(quán)重計(jì)算農(nóng)藝性狀的綜合得分，參照文獻(xiàn)[12-13]計(jì)算相關(guān)指標(biāo)。

隸屬函數(shù)值計(jì)算公式：u(Xij)=(Xij–Xjmin)/(Xjmax–Xjmin)，（j=1，2，…，n）；權(quán)重計(jì)算公式：wj=Pj/∑n j=1Pj，（j=1，2，…，n）；綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算公式：[u(Xij)×Wj]，（j=1，2，…，n）。

其中，Xij表示第i個(gè)材料的第j個(gè)指標(biāo)，Xjmin為第j個(gè)指標(biāo)的最小值；Xjmax為第j個(gè)指標(biāo)的最大值；Pj表示經(jīng)主成分分析所得到的第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；Di值越大，表明第i個(gè)材料通過12個(gè)數(shù)量性狀指標(biāo)評(píng)價(jià)的綜合得分越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 重慶生態(tài)條件下水稻種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)

由表2可知，2018-2019年106份水稻種質(zhì)資源在重慶生態(tài)條件下，12個(gè)農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)分布在7.90%～22.25%之間，有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和單株產(chǎn)量的變異系數(shù)都在15.00%以上，分別是15.31%、21.89%、22.25%和22.08%。每穗實(shí)粒數(shù)的遺傳變異最豐富，其變異幅度在84.50～325.90之間，平均163.31。參照董昕等[14]的方法計(jì)算供試水稻品種的遺傳多樣性指數(shù)，12個(gè)農(nóng)藝性狀中，莖粗的遺傳多樣性指數(shù)最大，為2.06，千粒重和每穗總粒數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)分別為2.02和2.01，其余9個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)均小于2.00?？梢姡┰囁酒贩N在重慶生態(tài)條件下農(nóng)藝性狀方面差異較明顯，蘊(yùn)藏著較豐富的遺傳變異。

表2 2018和2019年重慶水稻材料農(nóng)藝性狀測(cè)定結(jié)果Table 2 Evaluation on agronomic traits of rice collected from Chongqing in 2018 and 2019

2.2 特異水稻種質(zhì)資源篩選

針對(duì)供試材料籽粒性狀進(jìn)行鑒定，共篩選出23份特異種質(zhì)資源，其中每穗總粒數(shù)大于250的大穗型品種9個(gè)，占比8.5%；單株產(chǎn)量大于50g的品種4個(gè)，分別是N69-3、宜恢1313、豐788和涪引1號(hào)；籽粒長(zhǎng)寬比大于3.5的細(xì)長(zhǎng)型品種10個(gè)，占 比9.4%（表3）。

表3 重慶水稻材料的特異種質(zhì)資源Table 3 Special germplasm resources of rice collected from Chongqing

2.3 供試水稻種質(zhì)表型性狀的綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 相關(guān)性與主成分分析 供試水稻品種的12個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)相關(guān)性分析表明，各指標(biāo)間存在不同程度的相關(guān)性（表4）。單株產(chǎn)量與穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、千粒重、每穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率呈顯著或極顯著正相關(guān)。每穗實(shí)粒數(shù)與每穗總粒數(shù)的相關(guān)系數(shù)在極顯著正相關(guān)中最大（R=0.912），有效穗數(shù)與穗長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)在顯著負(fù)相關(guān)中最小（R=–0.175）。

表4 12個(gè)數(shù)量性狀的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients of 12 quantitative traits

主成分分析結(jié)果顯示，可將12個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5個(gè)主成分因子（PC1～PC5），其初始特征值都大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84.19%（表5）。其中，PC1初始特征值為3.25，累計(jì)貢獻(xiàn)率為27.10%，載荷絕對(duì)值均在0.4以上的株高（X1）、穗長(zhǎng)（X2）、有效穗數(shù)（X3）、莖粗（X6）、每穗總粒數(shù)（X7）、每穗實(shí)粒數(shù)（X8）、谷粒長(zhǎng)（X10）和谷粒長(zhǎng)寬比（X12）是PC1中的主要作用因子；PC2的初始特征值為2.54，貢獻(xiàn)率為21.17%，每穗實(shí)粒數(shù)（X8）和谷粒長(zhǎng)寬比（X12）載荷絕對(duì)值較高，分別為0.769和–0.635；PC3的主要作用因子是單株產(chǎn)量（X4）、千粒重（X5）和結(jié)實(shí)率（X9），其貢獻(xiàn)率為15.54%；PC4的貢獻(xiàn)率為11.71%，每穗實(shí)粒數(shù)（X8）有最小正特征值0.418，株高（X1）有最大負(fù)特征值–0.585；PC5的貢獻(xiàn)率為8.67%，穗長(zhǎng)（X2）有最大的正特征值0.493（表6）。綜上所述，PC1～PC5這5個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)包括的12個(gè)性狀，可作為重慶生態(tài)條件下水稻材料鑒定評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。

表5 各綜合指標(biāo)的特征值及貢獻(xiàn)率Table 5 Eigen values and proportion of comprehensive indexes

表6 各因子載荷矩陣Table 6 Loading matrix of each component

2.3.2 綜合評(píng)價(jià) 利用主成分分析得到的載荷因子矩陣和相關(guān)公式分別計(jì)算各水稻材料的隸屬函數(shù)值u(Xij)，求出PC1～PC5的權(quán)重，分別為0.322、0.251、0.185、0.155和0.103。根據(jù)各水稻材料的隸屬函數(shù)值u(X1)～u(X5)和綜合指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，計(jì)算各水稻材料的D值（表1），綜合性狀越好的材料其D值也越高。D值排名前5名的種質(zhì)資源為77D、萬恢355-2、宜恢1577、南恢533和176-15，D值范圍為0.747～0.796；D值排名后5名的種質(zhì)資源為537-12、絲苗香、麗江、R337和537-14，D值范圍為0.133～0.242。

2.4 供試水稻材料的聚類分析

參照田蕾等[15]的方法將12個(gè)數(shù)量性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，可將106份水稻種質(zhì)資源分為三大類群（圖1）。類群Ⅰ包括16個(gè)材料，占供試水稻品種的15.1%，D值排名后5名的種質(zhì)資源都在此類群中；類群Ⅱ包括50個(gè)材料，占總數(shù)的47.2%，此類種質(zhì)中稈，結(jié)實(shí)率在85%左右；類群Ⅲ包括40個(gè)材料，占總數(shù)的37.7%，D值排名前10的種質(zhì)資源都在此類群中，整體表現(xiàn)為除有效穗數(shù)外，其他各項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)都高于平均值。

2.5 低溫處理下種子的發(fā)芽率

在遭受低溫脅迫后，不同水稻材料發(fā)芽率存在顯著差異，發(fā)芽率≥80%的材料有4份，分別為桂99、176-6、176-15和糯稻89-1，為強(qiáng)耐寒品種，占比3.8%；發(fā)芽率在60%～80%的有8個(gè)，為中度耐寒品種，占總數(shù)的7.5%；絕大多數(shù)的發(fā)芽率≤60%，為不耐寒品種，占總數(shù)的88.7%（表1）。

3 討論

水稻原產(chǎn)我國(guó)，在長(zhǎng)期的自然選擇和人工馴化過程中形成了豐富的地方種質(zhì)資源[16-18]。水稻種質(zhì)資源的鑒定和評(píng)價(jià)可以拓寬現(xiàn)有水稻育種的遺傳基礎(chǔ)。研究人員對(duì)我國(guó)不同地區(qū)品種進(jìn)行了大量表型性狀鑒定及評(píng)價(jià)[2-4]，株高、谷粒長(zhǎng)寬比和千粒重被認(rèn)為是評(píng)價(jià)水稻種質(zhì)資源表型的關(guān)鍵指標(biāo)[5，19]。通過主成分分析和各載荷因子系數(shù)比較，除了株高、谷粒長(zhǎng)寬比和千粒重外，本研究認(rèn)為主穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、莖粗、每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率也可作為重要指標(biāo)用于水稻種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)。在表型性狀數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)各水稻材料的隸屬函數(shù)值和對(duì)應(yīng)的權(quán)重得到綜合評(píng)價(jià)的D值可更直觀地提供評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。綜合排名前10名的種質(zhì)資源為77D、萬恢355-2、宜恢1577、南恢533、176-15、豐788、萬恢86、楊福6號(hào)、蜀恢527和176-6，這10個(gè)材料在聚類分析中屬于類群Ⅲ。此外，部分材料屬于特異種質(zhì)資源，如豐788單株產(chǎn)量突出，萬恢86籽粒細(xì)長(zhǎng)，77D和南恢533屬于大穗種質(zhì)，宜恢1577每穗總粒數(shù)大于250粒，且籽粒細(xì)長(zhǎng)。

近年來我國(guó)水稻直播技術(shù)的推廣使其應(yīng)用面積不斷擴(kuò)大[20]，而直播田種子若在發(fā)芽期遇到長(zhǎng)期低溫將會(huì)嚴(yán)重影響水稻的生產(chǎn)，因此發(fā)芽期耐寒水稻種質(zhì)的篩選將有利于直播水稻的規(guī)?；l(fā)展。Brandolini等[21]研究表明，低溫處理下的發(fā)芽率、出苗率和發(fā)芽指數(shù)可作為玉米種質(zhì)資源耐寒性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。Fujino等[22]對(duì)回交重組自交系材料開展耐寒性試驗(yàn)，認(rèn)為種子在15℃低溫4d后的發(fā)芽率可以作為種質(zhì)資源耐寒性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。李霞等[23]認(rèn)為低溫處理下用水稻發(fā)芽期存活率來評(píng)價(jià)水稻耐寒性是可靠的。郭濤等[24]在114個(gè)水稻品種中篩選到8份發(fā)芽能力強(qiáng)的耐低溫種質(zhì)材料。本研究通過比較供試水稻材料在14℃低溫處理9d后的發(fā)芽率，發(fā)現(xiàn)4份強(qiáng)耐寒材料（桂99，176-6，176-15和糯稻89-1），種子發(fā)芽率≤60%的占總數(shù)的88.7%，表明大部分供試水稻材料為不耐寒材料。糯稻89-1具有較強(qiáng)的發(fā)芽期和苗期耐寒性[25-26]，有研究表明糯稻89-1和萬恢86構(gòu)建的滲入系S176具有較強(qiáng)的苗期耐寒性[27]。綜合排名第5位的176-15和排名第10位的176-6是糯稻89-1和萬恢86的回交重組自交系，同時(shí)176-6和176-15又是發(fā)芽期1級(jí)的強(qiáng)耐寒材料。

4 結(jié)論

綜合評(píng)價(jià)D值排名前10名的種質(zhì)資源中豐788、萬恢86、77D、南恢533和宜恢1577具有特異性，綜合得分較高，同時(shí)與屬于類群Ⅰ的糯稻89-1親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，可將其作為輪回親本，以耐寒水稻種質(zhì)糯稻89-1為供體，培育高世代回交群體，通過分子標(biāo)記輔助選擇和鑒定，獲得可用于育種和生產(chǎn)利用的耐寒資源。因此，綜合考慮種質(zhì)資源特性，有目的地聚合有利基因，可以培育和創(chuàng)造優(yōu)良品種或資源，如本研究篩選到的176-6和176-15。