大田模拟环境下水稻种子耐缺氧能力遗传研究

刘 艳，宋兆强，夏祥华，王宝祥，周振玲，卢百关，李 健，秦德荣，徐大勇 *

(1.江苏徐淮地区连云港农业科学研究所/江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏 连云港 222006；2.安徽袁粮水稻产业有限公司，安徽 芜湖 241003)

大田模拟环境下水稻种子耐缺氧能力遗传研究

刘 艳1，宋兆强1，夏祥华2，王宝祥1，周振玲1，卢百关1，李 健1，秦德荣1，徐大勇1 *

(1.江苏徐淮地区连云港农业科学研究所/江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏 连云港 222006；2.安徽袁粮水稻产业有限公司，安徽 芜湖 241003)

为了模拟水稻试验田的生长环境，设计了土壤介质幼苗耐缺氧能力测定试验，对92份品种资源的种子缺氧萌发时芽鞘长度和直播成苗率进行了研究，并分析了缺氧芽鞘长度和直播成苗率的相关性。研究发现：水稻缺氧萌发时其胚芽鞘长度在不同品种之间存在广泛变异，其中迟熟中粳生态型变异系数最大，变异系数为12.6 %。缺氧条件下芽鞘萌发长度与水稻直播14 d后的出苗率呈显著正相关。从中熟中粳和迟熟中粳两个生态类型中筛选到泗稻12号、早丰9号、盐糯12、盐粳5号、南粳45综合耐淹能力较强的品种资源，为直播稻新品种选育提供优异育种材料。

水稻；土壤介质；耐缺氧；遗传变异

水稻直播技术具有轻型、高效、节水、省工的优点，正逐渐成为现代化农业中水稻轻简高效栽培的重要方式，为欧美等许多发达国家和地区广泛采用；并且随着我国经济的持续快速发展和农村人口城市化的持续进行，务农劳动力持续流失，从而省工省力的水稻直播栽培面积呈逐年上升的趋势。然而，直播稻的顺利成苗是水稻直播栽培技术成功的首要问题和影响直播稻高产稳产的首要难关。直播稻萌发时拮抗田间各种不良生态环境的胁迫是直播稻品种选育的重要目标，而直播稻播种期间淹涝造成田间积水、种子处于水淹环境又是直播稻成苗中最常遇见而影响最严重的因素[1-3]。

水稻处于缺氧环境下时，胚芽鞘的伸长在不同品种间存在广泛变异，是典型的数量性状[4-9], 且国内外学者已定位到多个耐淹性QTL基因[9-13]。本研究为更加准确地模拟大田直播环境下稻谷播种后遭遇水淹环境下的萌发状态，我们在室内设计了土壤介质幼苗耐淹能力测定试验，对不同生态型水稻品种资源进行了种子萌发耐淹性筛选，并以此基础上设计水稻直播成苗试验，对水稻品种的耐淹能力的遗传变异与成苗指数的相关性做了研究，为培育适于直播的水稻品种提供种质资源和相关遗传信息。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种资源为92个按照在淮北地区栽培抽穗期的早晚分为4个生态型的水稻品种。生态型Ⅰ为中熟中粳，生态型Ⅱ为迟熟中粳，生态型Ⅲ为早熟晚粳，生态型Ⅳ为中熟晚粳。各生态型及对应的品种名称见表1。

表1 92个水稻品种资源名称芽鞘长度代号

注：芽鞘长代号与表2中组代号意义相同。

Note:Codes of cole length have the same meaning as number of class limits in table 2.

1.2 试验方法

从92个待测水稻品种资源中，每个品种取200粒种子放人直径9 cm的培养皿，加入0.6 %次氯酸钠溶液浸泡15 min进行灭菌。灭菌后用超纯水冲洗3次，然后在超纯水中25 ℃条件下浸泡48 h。吸足水分的种子用于耐淹能力测定试验。

土壤介质下种子缺氧萌发试验：塑料培养盘底部均匀布有直径为0.4 cm密集分布的通水孔。塑料培养盘上铺上一层报纸，报纸上铺上约5 cm厚的土壤层，浸水打湿，抹平整均匀。用条状塑料板将塑料培养盘分割成大小均匀一致的方槽，方槽的长、宽、深分别为4、4、6 cm，用做好的方槽将湿土分割成固定大小的格子。每个方格播1个水稻品种，每个品种播16粒，播种后均匀覆土约1 cm，然后把塑料培养盘置于作物昆虫共育箱(专利号：ZL 2012100557849)内培养。培养条件控制为光14 h/暗10 h，光照强度3.1万lx左右，湿度80 %左右，温度25 ℃。作物昆虫共育箱内通水，直尺测量土层上部5 cm处标记刻度，通水到达该水位，静置2 h后，补足水位至刻度线，以后每天补水2次，维持土层5 cm水淹状态。第7天统计发芽数，并测量芽鞘长度，求出10株芽鞘长度的平均值。

水稻直播成苗试验：播种方式与培养方式同种子缺氧萌发试验一样，同样设置土层距离水面5 cm水淹状态，水淹处理15 d后以芽鞘出水面为直播成苗成活标记，计算水稻各个品种的直播成苗率(P)。

1.3 性状调查

种子缺氧萌发试验：以距离土壤层水淹5 cm深、种子覆土1 cm的水淹环境下生长7 d的芽鞘长度为衡量指标，精确到1 mm。

水稻直播成苗试验：测量距离土壤层水淹5 cm深、种子覆土1 cm的水淹环境下生长15 d的芽鞘长度，精确到1 mm，计算水稻直播成苗成活率。

1.4 数据分析

每组数据的次数分布统计、方差分析及相关分析按照文献[14]在Excel软件上进行。

图1 个生态类型品种土壤介质幼苗耐淹能力测定试验中芽鞘长度的次数分布Fig.1 Frequency distribution of coleoptile length under anoxia in soil in the 5 ecotypes

2 结果与分析

2.1 水稻种子缺氧萌发遗传变异分析

种子缺氧萌发能力测定试验中，92个品种在缺氧条件下都可以萌发，平均芽鞘长度是(2.66±0.33) cm。缺氧条件下芽鞘最短的是武运粳7号为1.93 cm，最长的是连粳9号为3.31 cm，表明所选择的水稻品种群体中耐淹能力存在较大的变异范围。

方差分析结果显示品种间缺氧条件下芽鞘长度差异极显著，总群体的遗传变异系数为12.5 %。生态型I～Ⅳ芽鞘长度的次数分布见图1，遗传变异系数分别为12.4 %、12.6 %、12.2 %、12.2 % (表2)。4个生态型群体中生态型Ⅱ(迟熟中粳)幼苗耐淹能力遗传变异度略高于其他生态型群体。从不同生态型品种的芽鞘长度次数分布图(图1)可看出，迟熟中粳和中熟中粳两种类型的芽鞘长度主要集中在2.5～3.0 cm之间，在一定程度上显现出这两个生态类型比其他生态类型的品种具有较高的耐淹力。

2.2 水稻直播成苗试验

对92个水稻品种资源进行水稻直播成苗筛选，直播成苗成活率结果按照生态型统计如表3。在水稻直播成苗试验中，水稻直播成苗率最高的是盐粳5号、泗稻12号和早丰9号，成苗率分别达到了65%、63 %、62 %(其他品种的出苗率数据未列出)；92个品种中80个品种成苗率<20 %，表明淮北及周边地区水稻品种直播成苗能力存在较大的变异范围。直播出苗试验筛选到的3个最优品种中，中熟中粳生态型占了2个(泗稻12号和早丰9号)。

表2 5个生态类型品种土壤介质幼苗耐淹能力测定试验中芽鞘长度的遗传变异

表3 92个水稻品种缺氧直播成苗统计分析

2.3 水稻种子芽鞘长度与直播成苗率的相关性分析

将土壤介质幼苗耐淹试验指标芽鞘长度和水稻直播成苗试验总群体成苗率进行相关性分析(图2)发现，总群体在土壤介质幼苗耐淹试验与水稻直播成苗试验相关指数为0.2076，从总群体表现看，水淹7 d后芽鞘的伸长量与15 d水稻直播成苗呈现一定程度的正相关性，表明水淹后短期的芽鞘快速伸长有利于水稻直播成苗，与前人的研究结论一致[8]。

2.4 水稻品种资源耐淹性分析

土壤介质幼苗耐淹能力测定试验中，7 d水淹处理后芽鞘伸长量排名前4位的品种依次为连粳9号、盐粳7号、连粳7号、徐稻4号，芽鞘伸长量分别为3.31、3.27、3.21、3.20 cm，4个品种前7 d芽鞘生长较快，而后期成苗率却相对较低，这可能是在缺氧胁迫下胚芽鞘伸长加速，无氧呼吸增强，产生一系列有害代谢产物影响了植株的成苗；而在水稻成苗试验中，盐粳5号、泗稻12号和早丰9号3个品种的出苗率较高，分别为65 %，63 %，62 %。但水淹7 d后芽鞘长度并无明显优势，表明这些水稻品种种子具有持久的萌发活力，保证胚芽鞘的持续生长。

图2 水淹7 d后芽鞘长度与直播15 d的直播成苗率相关性Fig.2 Correlation between coleoptile length and percentage of seedlings establishment by direct sowing

3 讨论与结论

水稻直播是一种轻型、高效、节水的栽培方式，直播稻种拮抗田间各种不良生态环境成苗的好坏是直播栽培成功与否的第一关。因此，本实验为了更好地模拟水稻种子在大田环境下遭遇水淹时所处的胁迫环境，设计了土壤介质幼苗耐淹能力测定试验，相较于前人实验室内在培养皿、周转箱、发芽盒内采用水、江砂、蛭石等作为幼苗萌发环境，本试验更能直观地模拟大田直播环境。通过对在土壤介质条件下水稻品种资源缺氧萌发芽鞘长度的分析发现，中熟中粳和迟熟中粳2个生态型的芽鞘平均长度较长，且变异系数为12.4 %和12.6 %，比其他生态型也较高，说明这两个生态型品种有丰富的变异资源；直播成苗实验结果显示整个群体的成苗率低下，出苗率在20 %以上的水稻品种仅12个；在对不同生态型水稻品种资源的缺氧萌发力的测定中发现4个芽鞘伸长速度较快的水稻品种在直播成苗实验中成苗率偏低，而在水稻直播成苗实验中出苗率较高的水稻品种在前7 d的芽鞘伸长实验中并不具有明显优势。但是，通过对水稻幼苗缺氧萌发力指数与直播成苗率的相关性分析，结果表明两者具有一定的正相关性。

水稻缺氧萌发是个极其复杂的生理过程。Lee K. W.等[15]研究表明CIPK15的诱导表达能引起一系列下游级联反应，加速水稻无氧呼吸和物质的代谢，除了无氧呼吸外缺氧萌发还涉及亚硝酸盐、亚铁离子、血红素和脂质过氧化等生理生化反应[16-17]。本研究通过模拟大田环境对水稻种质资源耐淹能力的评价和筛选将为直播稻品种选育提供有效的参考依据，针对试验中筛选出的芽鞘长度伸长快而出苗率低和芽鞘生长慢但最终出苗的水稻品种资源，其相关耐淹机制分析有待进一步地研究与探论；但在本研究中，供试品种均为近二、三十年育出的水稻品种，从试验的质量看，尚缺少大量不同生态型水稻品种系统性分析，仍需要对我国水稻资源尤其是原始品种进行定位筛选，以期选出更优异种质资源，为进一步揭示水稻耐淹机制机理提供很好的研究材料。

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(责任编辑 李 洁)

Genetic Variation of Seed Tolerance to Anoxia among Rice (OryzasativaL.) Varieties under Simulated Field Environment

LIU Yan1, SONG Zhao-qiang1, XIA Xiang-hua2, WANG Bao-xiang1, ZHOU Zhen-ling1, LU Bai-guan1, LI Jian1, QIN De-rong1, XU Da-yong1 *

(1.Lianyungang Agriculture Science Institute/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Corp Production, Jiangsu Lianyungang 222006, China; 2.Anhui Yuanliang Rice Co., Ltd., Anhui Wuhu 241003, China)

The seed tolerance to anoxia was analyzed under soil-media in order to simulate the field environment. Coleoptile length of seedlings under anoxia situation and seedling establishment index were investigated among 92 rice varieties, correlation between the two traits was also analyzed. Results showed that the coleoptile length among different rice varieties had rich variation, the genetic coefficient of variation was 12.6 % in late maturity medium japonica rice ecotype. Highly significant positive correlation was found between the coleoptile length and 14-day-seedling establishment. Five varieties with high tolerance to anoxia were screened out from medium maturity medium japonica rice ecotype and late maturity medium japonica rice ecotype, they were Sidao12, Zaofeng 9, Yannuo 12, Yanjing 5, Nanjing 45, which supply good varieties suitable for direct seedling technology.

Rice; Soil-media; Tolerance to anoxia; Genetic variation

1001-4829(2016)10-2279-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.10.005

2015-10-12

连云港市现代农业项目“中粳水稻品种抗稻瘟病资源遗传分析及种质创新”(CN1502)； 江苏省农业三新工程项目“适于机插中粳水稻种质资源鉴定、筛选及应用”(SXGC[2015]138)； 江苏省科技支撑计划“优质多抗超高产中粳稻新品种选育”(BE2014314)；连云港市科技攻关项目“利用分子标记聚合育种技术改良水稻品种抗病性”(CN1415)；现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-01-46)

刘 艳(1982-)，女，山西高平人，博士，主要研究方向为水稻育种，E-mail:ly516.bester@163.com，Tel：15996112982，*为通讯作者：徐大勇，E-mail:xudayong3030@sina. com。

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