水稻不同生長(zhǎng)時(shí)期耐寒性鑒定

劉靜妍，蘇京平，閆雙勇，李軍玲，孫 玥

（天津市農(nóng)作物研究所，天津市農(nóng)作物遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384）

水稻（Oryza sativaL.）原產(chǎn)于我國(guó)，是世界范圍內(nèi)重要的糧食作物之一。隨著世界人口的不斷增加，耕地面積逐漸減少，如何提高糧食產(chǎn)量及品質(zhì)已成為備受矚目的研究課題。水稻作為我國(guó)最重要的糧食作物，產(chǎn)量居糧食作物首位，播種面積占糧食作物總面積的1/3。水稻是喜溫作物，在溫帶地區(qū)馴化，對(duì)低溫十分敏感[1-2]。有研究表明，低溫寒害會(huì)降低水稻出苗率，影響秧苗生長(zhǎng)，是限制我國(guó)中高緯度地區(qū)水稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因子[3-4]。低溫寒害作為主要逆境脅迫，對(duì)水稻的各個(gè)時(shí)期尤其是芽苗期生長(zhǎng)均產(chǎn)生嚴(yán)重影響，是我國(guó)稻作生產(chǎn)中的主要限制因子[5-6]。嚴(yán)重的低溫寒害可導(dǎo)致東北粳稻主產(chǎn)區(qū)年產(chǎn)量平均減產(chǎn)50億～100億kg，約占正常年總產(chǎn)的20%。水稻抽穗揚(yáng)花期遭遇低溫會(huì)降低水稻結(jié)實(shí)率，嚴(yán)重影響稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[7]。隨著農(nóng)村人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重，水稻輕簡(jiǎn)化栽培方式的推廣，直播已成為水稻生產(chǎn)的必然發(fā)展趨勢(shì)[8-9]。目前面臨最大的問(wèn)題之一是芽苗期水稻耐冷性較差，極大限制水稻直播時(shí)期[2，8，10]，且對(duì)水稻響應(yīng)低溫脅迫機(jī)制的研究多是從生理生化的角度解釋，對(duì)于水稻響應(yīng)低溫信號(hào)途徑的關(guān)鍵基因定位及克隆還不是很多。已克隆的水稻低溫相關(guān)基因包括COLD1[10]、Ctb1[11]、bZIP73[12-13]、OsMADS57[14]、OsCNGC9[15]及Os－SAP16[16-17]等，分別在萌發(fā)期、幼苗期及孕穗期起作用[7]。然而這些基因尚不能構(gòu)建詳細(xì)的水稻低溫信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，且能用于實(shí)際生產(chǎn)育種的基因資源非常欠缺，仍有大量水稻低溫相關(guān)基因未被克隆。因此，篩選鑒定耐冷優(yōu)異種質(zhì)和基因資源[18-19]，對(duì)培育耐寒新品種、推廣水稻直播面積、保障糧食安全具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以7個(gè)水稻材料為研究對(duì)象，以低溫萌發(fā)率、芽期低溫成苗率及苗期低溫存活率作為指標(biāo)，分析各材料不同時(shí)期的耐寒性，同時(shí)在佳木斯地區(qū)4月份進(jìn)行3期直播試驗(yàn)，根據(jù)田間出苗率評(píng)價(jià)各個(gè)材料的耐寒性，旨在為耐寒品種選育提供種質(zhì)資源，為水稻耐寒機(jī)制解析提供新的研究材料。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為5個(gè)水稻品種（牡丹江3號(hào)（mdj3）、興國(guó)（xg）、麗粳10號(hào)（lj10）、緊碼京租（jmjz）、龍粳31（lj31，對(duì)照品種））和2個(gè)自育水稻品系（bd01和bd02），均為天津市農(nóng)作物研究所雜粳中心保存的水稻資源。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 萌發(fā)期耐寒性分析 每份材料選取50粒飽滿健康的種子，放置于帶有濾紙的培養(yǎng)皿中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，每皿加入8 mL無(wú)菌水充分潤(rùn)濕，將培養(yǎng)皿放置于12℃光照培養(yǎng)箱中，光照設(shè)置為12 h光照/12 h黑暗。以種子胚根突破種皮為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)每天的種子萌發(fā)數(shù)。

1.2.2 芽期耐寒性分析 每份材料挑選50粒飽滿健康種子，放置于墊濾紙的培養(yǎng)皿中，浸種2 d后，在28℃植物培養(yǎng)箱內(nèi)催芽。待芽長(zhǎng)至5 mm左右時(shí)，取出置于4℃低溫培養(yǎng)箱內(nèi)，處理8 d，光照設(shè)置為12 h光照/12 h黑暗。處理結(jié)束后，將培養(yǎng)皿置于28℃的光照培養(yǎng)箱恢復(fù)生長(zhǎng)，放置7 d后，調(diào)查成活苗數(shù)，并計(jì)算成苗率。

1.2.3 苗期耐寒性分析 每份材料挑選50粒飽滿健康種子，浸種2 d后，放置于放有水稻土的小花盆中，在28℃植物培養(yǎng)箱培養(yǎng)。生長(zhǎng)14 d左右，待幼苗長(zhǎng)至二葉一心期置于4℃低溫培養(yǎng)箱低溫處理，光照設(shè)置為12 h光照/12 h黑暗。約48 h后置于28℃的光照培養(yǎng)箱恢復(fù)生長(zhǎng)。放置7 d后，調(diào)查成活苗數(shù)，并計(jì)算存活率。

1.2.4 田間低溫出苗率分析 于東北佳木斯對(duì)7個(gè)品種進(jìn)行田間出苗統(tǒng)計(jì)。每個(gè)材料播種100粒健康種子于秧田中，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每7 d播種一批，分別于播后第21、28、35天記錄出苗數(shù)，統(tǒng)計(jì)出苗率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行分析及圖表繪制，并采用T檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 7種水稻材料低溫萌發(fā)率鑒定

由圖1可知，麗粳10號(hào)在低溫處理第5天開始萌發(fā)，時(shí)間遠(yuǎn)早于其他材料，且萌發(fā)速度很快，到第11天萌發(fā)率到達(dá)頂峰（97.3%），后面為平臺(tái)期。說(shuō)明這個(gè)品種在萌發(fā)階段對(duì)低溫的耐受性明顯好于其他品種。其他品種低溫耐受性由高至低依次為興國(guó)（萌發(fā)率94.7%）、緊碼京租（萌發(fā)率82%）、牡丹江3號(hào)（萌發(fā)率60.7%）、bd02（萌發(fā)率60.7%，速率較慢）、龍粳31（萌發(fā)率24.7%）、bd01（萌發(fā)率14.7%）。龍粳31為東北主栽品種，耐寒性較好，本研究中5個(gè)材料的耐寒性均好于龍粳31。

2.2 7種水稻材料芽期耐寒性鑒定

低溫耐寒性指標(biāo)眾多，為了更全面地評(píng)價(jià)材料的耐寒性，本研究對(duì)不同材料進(jìn)行低溫脅迫下芽期耐寒性表型分析，結(jié)果表明（圖2），成苗率最高的是麗粳10號(hào)，達(dá)到99.3%，其次是自育水稻品系bd02（92.0%）。因此，麗粳10號(hào)和bd02是芽期耐寒性較好的品種；其次較耐寒的品種有興國(guó)（91.9%）和牡丹江3號(hào)（91.0%）；以上4種材料的低溫成苗率均顯著高于龍粳31（90.1%）（P＜0.01）。緊碼京租及bd01則相對(duì)龍粳31芽期不耐寒。

2.3 7種水稻材料苗期耐寒性鑒定

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，水稻幼苗期也是容易遭受低溫寒害的重要時(shí)期，因此，本研究對(duì)上述材料的苗期耐寒性在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖3可知，bd02和龍粳31的苗期耐寒性較佳，存活率分別為88.1%和84.9%，其次是牡丹江3號(hào)和bd01，分別為72.5%和66.9%，另外3個(gè)材料則顯著低于前面4個(gè)材料（P＜0.001），存活率均低于50%。

2.4 大田不同播期對(duì)水稻出苗率的影響

為了更準(zhǔn)確評(píng)估7種材料的耐寒性，本研究將7種材料在佳木斯地區(qū)進(jìn)行田間出苗率鑒定，來(lái)評(píng)估實(shí)際生產(chǎn)的耐寒性。當(dāng)?shù)刂辈r(shí)間一般在5月初左右，本研究將始播期定為2020年4月16日。當(dāng)?shù)販囟?月16日至5月22日最低溫度為-5℃，最高溫度為25℃，相對(duì)于當(dāng)?shù)厮境雒缂吧L(zhǎng)均為較低溫度（圖4）。結(jié)果顯示，7個(gè)材料隨時(shí)間推移及溫度升高，出苗率均有不同程度提高，與對(duì)照龍粳31相比，bd02在第3期播后21、28、35 d的出苗率均顯著升高，分別達(dá)到了77.0%、79.0%和93.5%，對(duì)照龍粳31則分別是57.0%、60.3%和64.0%，證明bd02耐寒性高于龍粳31（圖4）。第3期播種的bd02出苗率在播后21、28、35 d均顯著高于對(duì)照龍粳31（P＜0.05），而第1、2期播種的bd02出苗率則在某些時(shí)間點(diǎn)與龍粳31間差異不顯著，證明水稻出苗率與播期及溫度有很大相關(guān)性，較合適的播期為4月下旬。值得注意的是，麗粳10號(hào)在第2期出現(xiàn)較明顯的出苗率下降，這可能和第2期播種時(shí)遇到突發(fā)寒潮，溫度降至-5℃有關(guān)，而牡丹江3號(hào)、龍粳31等材料則對(duì)這一溫度下降反應(yīng)不明顯，也可在一定程度說(shuō)明材料對(duì)溫度的敏感性。

3 結(jié)論與討論

在實(shí)驗(yàn)室模擬逆境環(huán)境篩選耐逆材料具有變量單一、環(huán)境穩(wěn)定、方便操作等優(yōu)點(diǎn)，而缺點(diǎn)則是不能完全模擬田間復(fù)雜多變的自然環(huán)境。傅丹桂等[20]研究表明，幾個(gè)不同水稻品種在人工氣候室內(nèi)18℃低溫發(fā)芽14 d的種子萌發(fā)率與田間低溫出苗率具有顯著正相關(guān)。曹棟棟等[21]研究表明，在實(shí)驗(yàn)室18℃發(fā)芽4～5 d及15℃發(fā)芽5～7 d的部分早稻種子萌發(fā)率與田間低溫出苗率具有顯著正相關(guān)，這些都說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)室模擬田間低溫篩選材料具有很好的可行性。本研究在實(shí)驗(yàn)室以較嚴(yán)格的12℃低溫作為篩選條件進(jìn)行水稻萌發(fā)期耐寒材料篩選，以東北稻區(qū)主栽品種龍粳31為對(duì)照，發(fā)現(xiàn)麗粳10號(hào)、興國(guó)、緊碼京租、牡丹江3號(hào)、bd02均顯著高于龍粳31。已有研究表明，播種時(shí)期不同會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量造成很大影響[22-23]。本研究將田間耐寒鑒定試驗(yàn)設(shè)置在東北地區(qū)水稻主要種植區(qū)佳木斯，自4月16日起每7 d播種一期，第1期播種時(shí)間比正常佳木斯田間直播時(shí)間早21 d左右。3個(gè)播期直播試驗(yàn)表明，bd02出苗率顯著高于龍粳31，與實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果一致；而其他4個(gè)耐低溫材料在田間篩選中則與龍粳31沒有顯著差異，暗示可能具有其他復(fù)雜的環(huán)境因子影響其他4個(gè)水稻材料的低溫種子活力，也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室篩選的材料在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行進(jìn)一步表型鑒定，來(lái)確定其是否具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究結(jié)果表明，耐寒性表型在同一種材料的不同時(shí)期有很大差異，比如緊碼京租的耐寒性在萌發(fā)期較好，而在芽期則表現(xiàn)一般。這說(shuō)明僅用一個(gè)時(shí)期的一種耐寒指標(biāo)作為材料耐寒性鑒定可能不具有準(zhǔn)確性，且大田環(huán)境更為復(fù)雜。因此，篩選更多抗性材料，克隆耐寒基因并解析分子機(jī)制，是下一步的研究重點(diǎn)。

本研究通過(guò)對(duì)7個(gè)水稻材料的萌發(fā)期、芽期及苗期耐寒性鑒定發(fā)現(xiàn)，自育品系bd02在3個(gè)時(shí)期耐寒性均高于對(duì)照品種龍粳31，在佳木斯當(dāng)?shù)靥镩g直播試驗(yàn)中，bd02低溫出苗率顯著高于龍粳31，可作為耐寒種質(zhì)，用于耐寒品種水稻選育。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)該材料的耐寒性分子機(jī)制進(jìn)行研究，以期獲得水稻耐寒相關(guān)調(diào)控基因。