水稻抽穗开花期耐热种质资源的筛选鉴定

杨梯丰，张少红，王晓飞，黄章慧，赵均良，张桂权，刘 斌

(1广东省农业科学院水稻研究所，广东省水稻育种新技术重点实验室，广东广州510640;2华南农业大学农学院，广东省植物分子育种重点实验室，广东广州510642)

水稻的抽穗开花期是高温最敏感的时期［1］.我国长江流域双季早稻灌浆结实或中稻抽穗扬花期正值盛夏，经常出现高温天气，严重影响水稻生产.全球温室效应日益加剧，使水稻生产面临高温挑战［2］.因此，研究和解决水稻耐热性的问题十分紧迫，对确保我国乃至世界粮食安全意义重大.利用品种的耐热性开展水稻耐热性育种是解决水稻高温热害最经济、有效的办法.然而，综观国内外研究表明，水稻耐热性育种进展缓慢.其主要原因之一是鉴定出的真正有育种应用价值的耐热水稻种质资源还很少［3］.另一方面，水稻耐热性是一个多基因控制的复杂性状［4］，应用常规遗传育种技术难以进行有效的育种.只有广泛开展水稻优异耐热种质资源的筛选鉴定和深入开展水稻耐热性分子遗传基础研究，水稻耐热性育种才能取得突破.本研究以来自11个国家的稻种资源为材料，进行抽穗开花期耐热性鉴定，并分析耐热性与籼粳性的关系，以期鉴定出优异的耐热种质资源，为水稻耐热性种质资源的挖掘提供科学依据，并为下一步水稻耐热相关基因的鉴定和育种奠定材料基础.

1 材料与方法

1.1 供试材料

来自11个国家的水稻品种(系)共28份，进行抽穗开花期的耐热性鉴定(表1).水稻品种“9311”和“日本晴”分别作为籼稻和粳稻的参比品种用于供试品种(系)的籼粳性分析.

表1 供试品种(系)的起源及亚种类型Tab.1 The origin and subspecies of the tested varieties(lines)

1.2 耐热性评价

测试品种(系)单株种植于直径11.0 cm、高23.0 cm的小圆桶，每品种(系)分对照和高温处理2组，每品种(系)每组8株.测试品种(系)置于网室生长，常规水肥和病虫害管理.在植株生长过程中保留主穗和1个最大的分蘖穗.在始穗时，对照组和高温处理组分别置于加拿大制造的CONVIRON-PGV36型人工气候箱进行处理.对照组的温度设定:白天28.0℃、晚上22.0℃;高温处理组的日平均温度为33.5℃，具体温度参数见图1.处理和对照的湿度和光照条件相同，相对湿度为75% ±10%，光照度为16 000 lx.7 d后将处理过的材料搬回网室生长.成熟后，各品种(系)每组各取较一致的10穗测定其结实率.以耐热指数衡量品种(系)的耐热性，耐热指数=高温处理的结实率/对照的结实率.

图1 人工气候箱高温处理的温度日变化Fig.1 Daily change of temperature in the high temperature phytotron

1.3 籼粳性检测

微量抽提DNA，选取24个对籼粳性有专一性的SSR和InDel标记(表2)进行测试品种(系)的籼粳性分析［5-6］.PCR扩增后，产物以60 g/L的聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，经Goldview染色后用Bio-rad凝胶成像系统检测带型.与籼稻“93-11”相同带型记为籼性带型，与粳稻“日本晴”相同带型记为粳性带型.以籼性度对测试品种(系)的籼粳性进行量化，籼性度=籼性带型标记数/标记总数.

表2 用于分析测试品种(系)籼粳性的SSR和InDel标记Tab.2 SSR and InDel markers used for analysis of indicajaponica differentiation

1.4 数据分析

用SPSS 13.0软件的Independent-samples t-test和Pearson相关系数进行差异显著性检测和相关分析.利用NTSYS-pc Version 2.1e进行测试品种(系)籼粳聚类分析.把每个标记的籼粳特异带型转化为二进制数据(1为有带，0为无带).先通过SIMQUAL程序，利用SM系数计算相似性矩阵，再通过SHAN程序，根据UPGMA方法进行聚类分析.

2 结果与分析

2.1 测试品种(系)耐热性

28份品种(系)高温处理后其结实率的变异范围为0.6% ～58.7%，耐热指数的变异范围为0.01～0.85.除来自中国江西的籼稻“赣香糯”和来自印度的籼稻“N22”，其余品种(系)高温处理后其结实率均大幅度下降，与对照的结实率差异达极显著水平(P＜0.01).虽然“赣香糯”和“N22”高温处理后的结实率分别为55.8%和58.7%，与其对照结实率66.4% 和68.7% 相比差异显著(P＜0.05)，但其耐热指数明显高于其他品种(系)，分别为0.84和0.85，其他品种(系)的耐热指数均少于0.50(表3).

2.2 籼粳性与耐热性的关系

28份品种(系)的籼性度有较大差异，其变异范围为0.21～0.83(图2).对籼性度与其耐热指数的相关性分析表明，耐热性与籼性度呈显著正相关(r=0.42，P=0.03)(图2).籼型组和粳型组平均耐热指数分别为0.32和0.14，籼型组显著高于粳型组(t=2.37，P=0.03).以24个籼粳专一性标记对测试材料进行聚类，聚类结果显示，测试品种(系)可明显分为2组，一组有17个品种(系)，另一组有11个品种(系)(图3)，分组结果与它们已知的籼粳亚种类型吻合(表1).

表3 高温处理下测试品种(系)的结实率及耐热指数Tab.3 Percentage of spikelet fertility and heat tolerance index of the tested varieties(lines)under high temperature conditions

图2 28个品种(系)的籼性度与耐热指数的相关性Fig.2 The correlation between degree of indica-type and heat tolerance index in the 28 varieties(lines)

图3 根据24个籼粳特异性标记基因型对28个品种(系)的聚类Fig.3 Clustering of the 28 varieties(lines)based on the genotypes determined by the 24 indica-japonica specific markers

3 讨论

本研究结果表明，尽管抽穗开花期高温处理后水稻的结实率都明显下降，但是水稻品种对高温的响应有很大的差异.高温处理后，测试的28个品种(系)的结实率最高的可达58.7%，最低的仅有0.6%;耐热指数最高的可达0.85，最低的仅为0.01.可见，通过对稻种资源的耐热性评价可以获得具有强耐热性的材料.本研究中籼稻“N22”和“赣香糯”高温处理后仍保持较高的结实率，具有突出的耐热性.因此，这2个品种是开展水稻耐热性分子遗传研究和育种的良好材料.

尽管在籼稻和粳稻中均有鉴定出耐热的品种［7-8］，但是对不同生态型水稻抽穗开花期的耐热性鉴定结果表明，籼稻的耐热性比粳稻的强［9］.然而，以往的研究是根据形态指数法对品种的籼粳性进行划分，考察其籼粳性与耐热性的关系.应用形态指数法进行籼粳性分类有一定的主观性，并受环境条件影响，而且这种分类方法无法对水稻品种的籼粳性进行定量分析.为了深入了解水稻籼粳分化与耐热性的关系，本研究利用对籼粳性有专一分辨能力的SSR和InDel标记进行籼粳性分析，以籼性度对这些品种(系)的籼粳性进行量化.这种方法能客观地反映测试水稻品种籼粳性的差异.研究结果表明，耐热性与籼性度呈显著正相关(P＜0.05).进一步比较籼型组和粳型组的平均耐热指数(t-检验)结果表明，籼型组的平均耐热指数(0.32)显著高于粳型组的平均耐热指数(0.14)(P＜0.05).因此，在籼稻资源中进行耐热性筛选将有更大的机会获得强耐热性的稻种资源.

［1］SATAKE T，YOSHIDA S.High temperature induced sterility in indica rices at flowering［J］.Japanese Journal of Crop Science，1978，47，6-17.

［2］BATTISTIL D S，NAYLOR R L.Historical warnings of future food insecurity with unprecedented seasonal heat［J］.Science，2009，323:240-244.

［3］艾青，牟同敏.水稻耐热性研究进展［J］.湖北农业科学，2008，47:107-111.

［4］杨梯丰，刘斌.水稻耐热性QTL鉴定的研究进展［J］.广东农业科学，2009，36(6):16-20.

［5］陈雨，杨庆文，潘大建，等.用SSR标记初步分析高州普通野生稻的籼粳分化［J］.分子植物育种，2008，6(2):263-267.

［6］赵伟，夏寒冰，章淑杰，等.籼-粳稻特异插入/缺失分子标记揭示的稻属植物遗传分化［J］.复旦学报:自然科学版，2008，47(3):281-287.

［7］PRASAD P V V，BOOTE K J，ALLEN Jr L H，et al.Species，ecotype and cultivar differences in spikelet fertility and harvest index of rice in response to high temperature stress［J］.Field Crops Research，2006，95:398-411.

［8］MATSUI T，OMASA K，HORIE T.The difference in sterility due to high temperatures during the flowering period among japonica-rice varieties［J］.Plant Production Science，2001，4:90-93.

［9］沈波，李太贵.水稻新品种(组合)对高温热害的抗性评价［J］.种子，1996(6):19-20.