377份多样性国际稻种低温发芽力评价

杨志涛，李 媛，张少红，杨梯丰，赵均良，董景芳，陈光辉，刘 斌，，

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.华中农业大学植物科学技术学院，湖北 武汉 430070；3.广东省农科院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室，广东 广州 510640）

377份多样性国际稻种低温发芽力评价

杨志涛1，李 媛2，张少红3，杨梯丰3，赵均良3，董景芳3，陈光辉1，刘 斌1，2，3

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128；2.华中农业大学植物科学技术学院，湖北 武汉 430070；3.广东省农科院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室，广东 广州 510640）

低温发芽力差是华南双季稻早季水稻直播的主要限制因素之一。在稻种资源中筛选鉴定强低温发芽力的种质，开展强低温发芽力水稻育种是解决这一问题最经济有效的途径。为了筛选强低温发芽力的种质，在13℃低温下对377份来自56个国家和地区的多样性水稻种质的发芽力进行测试。结果表明，这些稻种低温发芽率的变异范围在0～98.0%之间，平均值为37.6%，变异系数为76.4%，表现出丰富的多样性。鉴定出21份低温发芽率超过90%的优良种质。比较籼稻、粳稻和Aus稻3种类型稻种的低温发芽率结果显示，籼稻组平均低温发芽率为48.7%，粳稻组为33.6%，Aus稻组为22.9%，籼稻组低温发芽率极显著高于粳稻和Aus稻组，粳稻组低温发芽率显著高于Aus稻组。研究结果为水稻强低温发芽力种质的收集提供了科学依据，并为水稻低温发芽力改良和分子遗传研究挖掘了优良材料。

水稻；低温发芽力；种质鉴定；直播

20世纪90年代后，我国的水稻生产发生了较大的变化。一方面，水稻生产目标从追求产量向降低成本、提高经济效益转变；另一方面，随着我国第二第三产业的快速发展，我国农村主要劳动力向城镇转移，农村劳动力紧缺已成为水稻生产发展的主要约束因素。在这样的背景下，水稻直播由于省时、省工和节约成本，深得农民的欢迎，并迅速推广。据全国农业技术推广服务中心不完全统计，截至2015年，水稻直播面积在安徽省已达56.8万hm2，湖北省为49.1万hm2，江西省为43.3万hm2，江苏省为40.9万hm2，浙江省为27.5万hm2，而广东省也从2011年的2.1万hm2上升到10.5万hm2（http：//www.natesc.org.cn）。尽管我国水稻直播近年来有较大发展，但是与国外很多国家相比，还有很大差距。以广东为例，2015年广东省水稻直播面积为10.5万hm2，仅占全省水稻总种植面积的5%左右（广东省现有水稻种植面积约为194.3万hm2）。美国和澳大利亚水稻种植全部为机械直播，意大利直播超过了98%，而到1997年亚洲直播水稻面积占水稻总种植面积的21%～22%［1］。我国与其他国家的差距在于我们对水稻直播缺乏专门、系统的研究。与育秧移栽的栽培方式不同，由于所处生境条件的不同，适合直播的水稻品种需要有不同的特性。其中，广东等华南双季稻地区早稻播种往往会遇到低温天气，这就要求用于直播的水稻种子有较强的低温发芽力。然而，现有的许多推广品种低温发芽力差，不适合直播。研究表明，水稻低温发芽力是多基因控制的数量性状［2-4］，应用常规育种技术很难进行有效育种。因此，从广泛的水稻资源中筛选鉴定强低温发芽力的水稻种质，在基因水平上深入了解这一性状的分子遗传基础，强低温发芽力的水稻育种才能取得突破。本研究对来自56个国家及地区、不同类型的377份多样性国际稻种低温发芽力进行系统评价，以筛选鉴定出低温发芽力强的水稻种质，为直播水稻品种的选育和低温发芽力相关基因标记鉴定研究奠定材料基础；并通过不同类型水稻种质低温发芽力的比较分析，为强低温发芽力水稻种质的收集和筛选鉴定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为从国际水稻研究所引进的、来源于56个国家及地区的377份多样性国际稻种，于2015年晚造种植在广州大丰试验基地，常规肥水及病虫防控管理。成熟后收获种子，晒干，室温放置3个月后在空调房干燥贮存。

1.2 试验方法

为保证种子活力，选取收获一年内充实饱满的种子。供试种子首先于49℃烘箱处理 96 h以打破休眠，经3%次氯酸钠溶液消毒后用于发芽试验。

常温发芽试验：经消毒的种子在适宜温度（30℃）下萌发，以芽长＞ 5 mm 为标准，5 d后调查其适温发芽率。

低温发芽试验：经消毒的种子在适温（30℃）下浸种24 h，然后放入垫有两层湿润滤纸的直径为7 cm培养皿中，置于13℃的生长箱中进行低温处理。每份稻种50粒种子，3次重复。以芽长＞ 1 mm 作为低温萌发标准，处理后10 d调查种子低温发芽率；然后升温至30℃，5 d后再调查发芽率。

以低温发芽率作为评价稻种低温发芽力的指标。

1.3 数据分析

利用测试稻种的700K全基因组SNP数据［5］，根据稀有位点频率（MAF）＞ 0.05，缺失数据 ＜ 30%的标准，在全基因组范围内均匀选择10%的SNP标记，利用MEGA 4.0软件［6］对测试稻种进行聚类分析。

利用Excel对数据进行整理及计算。通过SAS程序包［7］的 Duncan多重比较分析不同类型稻种低温发芽力差异。

2 结果与分析

2.1 377份国际稻种的群体结构

根据多样性国际稻种的70万个SNP标记基因型，从12条染色体中均匀选取7万个SNP标记对377份稻种进行聚类分析，把测试稻种分成籼稻、Aus稻和粳稻3组。其中，籼稻组154份、Aus稻组76份、粳稻组147份（图1）。

图1 377份稻种的SNP标记聚类结果

2.2 377份国际稻种的种子活力

在适宜温度（30℃）下，377份稻种平均发芽率为96.9%，变异系数为4.3%，其中，375份稻种在适宜温度（30℃）下的发芽率均大于80%（图2A），表明供试种子的休眠已被打破，发芽试验不受休眠影响，且种子活力正常。另外，为了解这些水稻种子在低温处理下是否出现二次休眠［8-9］，测试的377份稻种经过13℃低温处理10 d后，转到30℃适宜温度下继续萌发，5 d后测定其发芽率。结果表明，377份稻种平均发芽率为96.2%，变异系数为3.9%，除3份材料，374份稻种发芽率均大于80%（图2B），表明供试种子在低温下没有二次休眠。

2.3 377份国际稻种的低温发芽力

图2 377份稻种在适宜温度下的发芽率

以低温发芽率表示稻种的低温发芽力。在测试的377份稻种中，低温发芽率的变异范围在0～98.0%之间，平均值为37.6%，变异系数为76.4%。其中80份（占21.2%）稻种的低温发芽率低于10.0%，21份（占5.6%）稻种的低温发芽率超过90.0%，测试稻种低温发芽力表现出丰富的多样性（图3A）。

2.4 不同类型稻种间的低温发芽力

通过对377份稻种7万个SNP标记基因型进行聚类，并结合这些稻种原来的分类将其分成籼稻、Aus稻和粳稻3种类型（图1），对不同类型稻种间的低温发芽力进行比较分析。在籼稻组的154份稻种中，低温发芽率的变异范围在0～98.0%之间，平均为48.7%，变异系数为62.1%，其中49.4%的稻种低温发芽率大于50.0%，总体分布相对较平均（图3B）；而76份Aus稻中，低温发芽率的变异范围在0～95.2%之间，平均为22.9%，变异系数为103.6%，只有14.5%的稻种低温发芽率超过50.0%，总体分布明显偏向低的低温发芽率（图3C）；在147份粳稻中，低温发芽率的变异范围在0～93.3%之间，平均为33.6%，变异系数为74.0%，有21.2%的稻种低温发芽率大于50.0%，总体分布也是偏向低的低温发芽力（图3D）。3种类型稻种平均低温发芽力差异显著性分析结果（表1）表明，籼稻极显著高于粳稻和Aus稻，而粳稻显著高于Aus稻。

图3 测试稻种的低温发芽率分布

表1 3种类型稻种间低温发芽力的差异

2.5 优异低温发芽力水稻资源筛选

在测试的377份稻种中，有21份稻种低温发芽率超过90.0%，表现出强的低温发芽力，其中14份为籼稻，5份为粳稻，2份为Aus稻。在同一试验观察到广东省部分推广品种低温发芽率低于20%（表2）。

3 讨论

3.1 水稻低温发芽力与稻种类型的关系

本研究对377份多样性国际稻种的低温发芽力研究结果表明，在稻种资源中，低温发芽率有很大的变异。13℃低温条件下，无论籼稻组、粳稻组或者Aus稻组，均有发芽率为零和发芽率超过90%的稻种。但从3组低温发芽率的分布看，籼稻组中高的低温发芽率稻种明显多于粳稻组和Aus稻组，籼稻组种质的平均低温发芽率极显著高于粳稻组和Aus稻组。在低温发芽率超过90%的21份种质中，14份为籼稻，占测试籼稻的9.1%，而粳稻只有5份，占测试粳稻的3.4%，Aus稻有2份，占测试Aus稻种质的2.6%。说明发芽期籼稻的耐冷性较粳稻和Aus稻强。这一结果与金铭路等［10］观察到的粳稻种质的发芽期耐冷性强于籼稻种质的结果不同。而在芽期和苗期耐冷性方面，较多的研究表明粳稻强于籼稻［10-15］。由于籼稻和粳稻种植的生态气候条件差异，普遍认为粳稻的耐冷性较籼稻强，因此在以往水稻发芽期耐冷相关基因标记鉴定的研究中，基本上是用粳稻作为强耐冷亲本发展作图群体［2-4，9，16-19］。从本研究发现籼稻发芽期耐冷性强于粳稻和Aus稻这一事实表明，在籼稻种质资源中筛选鉴定强低温发芽力的种质会有更大的机会。此外，由于籼稻资源中有更多发芽期耐冷的种质，在籼稻发芽期耐冷性改良育种中，不需要通过籼粳杂交来提高籼稻发芽期的耐冷性，在籼稻资源中筛选鉴定出发芽期耐冷的籼稻种质，通过籼稻亚种内的杂交将会更容易。

表2 低温发芽率超过90%的种质及部分推广品种的低温发芽率

3.2 水稻低温发芽力的遗传改良

水稻育种史的每一次突破都有赖于特异优良材料的利用和技术的突破。在水稻耐冷性资源鉴定方面，利用不同类型、不同来源的种质资源已筛选鉴定出一批芽期、苗期和抽穗开花期强耐冷的种质［10，13］。本研究通过对377份多样性稻种资源发芽期的低温发芽力的系统评价，筛选鉴定出21份低温发芽率超过90%的水稻种质，为水稻低温发芽力遗传改良和基础研究奠定了很好的材料基础。特别是本研究鉴定出14份强低温发芽力的籼稻种质，对华南籼稻区发芽期耐冷性育种和水稻直播的推广有重要的意义。从我们对广东的部分推广品种低温发芽率的检测结果看，现有的很多水稻推广品种低温发芽力弱。其主要原因，一方面可能与育种亲本的低温发芽力不强有关；另一方面，低温发芽力是一个多基因控制的复杂性状，由于常规遗传育种方法无法准确了解这一性状的遗传基础，从而很难进行有效育种。分子标记技术的发展，特别是近年来测序技术的高速发展为水稻低温发芽力的遗传解析提供了强大工具。通过分子标记技术和全基因组关联分析等方法将可以精确标记鉴定出水稻低温发芽力相关基因；通过分子标记辅助选择和常规育种技术相结合，将可以高效准确地选育出低温发芽力强的水稻优良品种，解决目前栽培稻低温发芽力低的问题，从而推动水稻直播的发展。

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（责任编辑 杨贤智）

Evaluation of low temperature germinability of 377 national rice accessions

YANG Zhi-tao1，LI Yuan2，ZHANG Shao-hong3，YANG Ti-feng3，ZHAO Jun-liang3，DONG Jing-fang3，CHEN Guang-hui1，LIU Bin1，2，3
（1. College of Agronomy， Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2. College of Plant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；3. Guangdong Key Laboratory of New Technology in Rice Breeding/Rice Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences，Guangzhou 510640，China）

The poorer low temperature germinability（LTG）of rice cultivars in the early cropping-season is one of the main factors limiting direct seeding in the double cropping regions in South China. Screening rice germplasm with strong LTG and breeding rice variety with strong LTG is the most economical and effective way to solve this issue. To identify rice germplasm with strong LTG，377 rice accessions from 56 countries and regions were subjected to 13℃ and their germination rates at low temperature were evaluated. The results showed that LTG of these rice accessions varied from 0 to 98.0% and the average germination rate was 37.6% with 76.4% of variation coefficient. 21 accessions had a LTG over 90%. Significant differences in LTG were observed among the three types of rice，indica，Aus and japonica. The average LTG of indica was highly significantly higher than that of japonica and Aus （P＜0.01），respectively，and the average LTG of japonica was significantly higher than that of Aus （P＜0.05）. The results provide a good basis for screening of rice germplasm with strong low temperature germinabilityand the 21 rice accessions with LTG over 90% could be good materials for breeding and gene discovery associated with strong low temperature germinability in rice.

rice；low temperature germinabitity；germplasm identification；direct seeding

S511.01

A

1004-874X（2017）04-0001-06

杨志涛，李媛，张少红，等. 377份多样性国际稻种低温发芽力评价［J］.广东农业科学，2017，44（4）：1-6.

2017-02-16

广东省科技计划项目（2015B020201001）；广东省现代农业科技创新联盟建设共性关键技术创新团队项目（2016LM2148）

杨志涛（1989-），女，在读硕士生，E-mail：2858526692@qq.com

刘斌（1962-），男，博士，研究员，E-mail：lbgz1009@163.com