水稻不同种质苗期耐旱性综合评价

孔宪旺，孙明茂

(1.江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏 淮安 223001；2.潍坊科技学院 贾思勰农学院，山东 寿光 262700)

水稻从播种到收获需要大量的水分供给，水量不足将会影响水稻的正常生长甚至最终产量，水稻不同发育时期对需水量要求不同。水稻整个生育期有2次需水高峰：分蘖期日需水强度是7.0 mm，孕穗拔节期日需水强度是8.6 mm[1]。作为我国第二大优质粳米产区的黄淮稻区(主要包括山东、苏北、河南中北部、山西、陕西汉中平原、安徽北部)面积约100万hm2，栽培品种主要为麦茬粳稻[2]。其中，山东种植水稻历史悠久，迄今有4000多年，米质优、效益好，具有区域不可替代性，2003年以来常年种植水稻面积约12万hm2；江苏省淮安市地处苏北平原腹地，常年水稻种植面积约29.33万hm2。近年来随着人工成本的不断攀升，水稻直播技术在安徽、江苏、河南南部、湖北北部、宁夏等地得到了广泛发展，例如淮安市直播水稻面积已达12.6万hm2，占当地水稻总种植面积的42.96%[3]。水稻直播大幅减少用工，显著提升了水稻种植的综合效益。但水稻直播存在着出苗不均不全和杂草发生严重等问题，其中苗期干旱也是限制直播稻推广的一个重要因素。例如，山东5月份不同地市平均降水量为34～62 mm，气温为13～27 ℃；6月份不同地市平均降水量为69～107 mm，气温为18～32 ℃[4]，降水量小于蒸发量，田间墒情严重不足。

水稻耐旱性鉴定时间包括芽期、苗期、分蘖期、孕穗期、抽穗期、开花期和灌浆期等，鉴定指标包括形态指标、理化指标和产量指标等。采用15%聚乙二醇溶液对黑龙江省10个水稻品种(系)种子进行发芽胁迫实验，发现贮藏物质转运速率、水稻根系活力和β-淀粉酶活力变化可以作为衡量水稻品种耐旱性强弱的有效指标[5]。以湘丰早119(耐旱型)和爱华5号(敏旱型)3叶1心期水稻苗为试验材料，采用0、50、125和200 g/L PEG-6000溶液处理，发现根体积、根粗、最长根长、根总长度、不定根长、侧根长可以作为水稻品种耐旱性的评价指标，而根数量和根系质膜相对透性不宜作为耐旱指标[6]。以水稻品种东农425(耐旱型)和松粳6号(敏旱型)为试验材料，采用塑料盆钵种植，于分蘖期干旱胁迫处理21 d后复水，发现东农425比松粳6号的抗氧化酶活性高，清除O2-、H2O2的能力强，复水后，东农425具有较长的高酶活持续期[7]。以东农425和松粳6号为试验材料，采用塑料盆钵种植，于孕穗期干旱处理21 d后复水，发现孕穗期干旱胁迫对二次枝梗性状的影响大于一次枝梗，寒地粳稻产量降低主要是由于每穴穗数、穗粒数和结实率的显著下降，但对千粒重和穗长的影响不显著[8]。段骅等[9]研究表明：水稻抽穗期干旱胁迫处理下，品种双桂1号、黄华占、两优培九和扬粳4038的产量与对照相比分别下降了11.0%、6.9%、7.4%、6.6%，空粒率分别上升了11.0%、3.9%、3.2%、0.8%[9]。对96个大面积推广的水稻栽培品种进行盆栽试验，以开花期内3.5 cm浅水层为对照，保持田间最大持水量的70%为水分亏缺处理，在开花始期开始水分处理10 d，研究表明，花期水分胁迫对水稻的影响主要表现为降低结实率，其次是降低千粒重[10]。随着水稻直播技术的大面积推广和我国北方地区每年5、6月份干旱的频繁发生，水稻苗期耐旱性研究显得越来越重要，因此研究水稻苗期耐旱性鉴定方法和鉴定耐旱品种是目前亟待解决的问题。本研究选用国内外20份优异水稻种质为试验材料，观察水分胁迫对水稻苗形态指标的影响，筛选出简单有效的水稻苗期耐旱性评价指标，并对20份水稻种质进行苗期耐旱性综合评价，为今后开展水稻种质苗期耐旱性鉴定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用的国内外20份优异水稻种质见表1。

表1 供试水稻种质编号和名称

1.2 试验材料的处理

2018年1月15日每个水稻品种挑选大小均匀一致、籽粒饱满的100粒种子，然后放入培养皿内，加水没过种子。每个培养皿放入相同品种的100粒种子，共20个培养皿，分别按不同品种编号标记，接下来放入人工气候箱(RXZ-288A智能型，宁波江南仪器厂)。培养箱内白天和黑夜温度分别设置为29、26 ℃，光照和黑暗时间分别设置为12 h，湿度设置为59%。定期观察水稻发芽情况，每24 h培养皿换水1次，4～5 d内种子发芽情况良好。

2018年1月20日准备6个大号育秧盘(1335 mm×500 mm×190 mm，底部有均匀排列的排水孔)，育秧盘内放入育苗基质和田间土的混合物(体积比约为1∶2)，土层厚度约为6 cm，喷水润透。每个品种挑选11粒催芽良好的种子按不同品种分行播种在盛有栽培基质的育秧盘内，每个品种1行，共20行，行距和株距为6 cm×4 cm，播种完成后覆土喷水。将育秧盘放在窗台旁边光照充足的地方(房间有暖气)，3 d左右水稻出苗良好。每天观察记录水稻苗生长情况，并且每隔3 d浇水1次，每个育秧盘用喷壶喷洒相同体积的水，保证喷洒均匀。

播种后20 d水稻苗生长良好，以每隔3 d浇水1次为对照(CK)；以此时停止浇水、营造缺水环境为干旱胁迫处理(DT)。对照和干旱胁迫处理各设置3次重复。每天观察水稻苗在缺水环境下的生长状况，干旱胁迫处理10 d后水稻苗的形态性状在不同品种间存在明显的差异，有的茎叶出现干枯，有的茎叶依旧嫩绿，水稻苗高也表现出较明显的差异，此时测量水稻苗的形态指标。

1.3 测定指标及方法

每个品种每个处理选取5株长势均匀的水稻苗，从栽培基质中小心取出植株，用清水轻轻冲洗干净，然后用吸水纸吸干植株表面水分。测定水稻苗的形态指标，包括水稻苗总长、根长、苗高、根鲜重、茎叶鲜重、根数、根干重和茎叶干重。

水稻苗总长、苗高和根长通过直尺进行测量，其中根长为植株基部到根系形态学最下端的距离；苗高为植株基部到上部最长叶叶尖的距离；苗总长为苗高和根长之和。将植株在根茎结合处剪断，用精度为0.0001 g的电子天平分别称量根鲜重和茎叶鲜重，其中根鲜重为所有根系的总质量。根数通过肉眼计数的方法测定。上述指标测量结束后，将水稻茎叶和根系用铝箔纸按不同品种分别包好，放于鼓风干燥箱内，50 ℃恒温烘干至恒重，用精度为0.0001 g的电子天平分别称量根干重和茎叶干重，其中根干重为所有根系的总质量。各性状的相对值(%)=干旱胁迫下处理值/对照值×100。各性状的相对旱害率(%)=(对照值-干旱胁迫下处理值)/对照值×100。

1.4 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2013、SAS 9.3和SPSS 23.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 苗期干旱胁迫对水稻形态性状的影响

从表2可以看出，苗期干旱胁迫下所有供试水稻种质的部分性状发生了改变。越光、一味稻、JWR221、大珍稻、当育5号、奥村紫、里歌和郑旱2号共8份水稻种质不少于5个性状发生了改变(P<0.05)；W0610、文长稻和秋田小町共3份种质4个性状发生了改变(P<0.05)；黑糯1568、安多稻、龙锦1号、旱526、旱529、黄金晴、淮稻9号、一目惚和X2-5共9份种质不少于5个性状未发生统计学意义上的改变。大珍稻的苗总长相对旱害率最高，为50.00%；其次是越光，为40.08%；黑糯1568最低。大珍稻的苗高相对旱害率最高，为48.09%；其次是越光，为40.65%；黑糯1568最低。大珍稻的根长相对旱害率最高，为57.98%；其次是一味稻，为53.78%；郑旱2号最低。大珍稻的茎叶鲜重相对旱害率最高，为77.15%；其次是奥村紫，为67.11%；黑糯1568最低。一味稻的根鲜重相对旱害率最高，为74.41%；其次是文长稻，为73.15%；淮稻9号最低。大珍稻的茎叶干重相对旱害率最高，为42.13%；其次是JWR221，为29.62%；X2-5最低。越光的根干重相对旱害率最高，为64.46%；其次是一味稻，为58.90%；龙锦1号最低。JWR221的根数相对旱害率最高，为30.77%；其次是奥村紫，为29.63%；龙锦1号最低。苗期受干旱胁迫影响最大的形态性状是茎叶鲜重，相对旱害率均值为50.20%；其次为根鲜重。

2.2 苗期干旱胁迫下水稻各形态性状间的相关分析

由表3可知，苗期干旱胁迫下水稻8个形态性状间大多存在显著或极显著相关性。相对茎叶鲜重与相对苗高、相对根鲜重、相对茎叶干重呈极显著正相关关系(P<0.01)，与相对苗总长呈显著正相关关系(P<0.05)。相对根鲜重与相对根数呈极显著正相关关系(P<0.01)，与相对根长和相对根干重呈显著正相关关系(P<0.05)。相对茎叶干重与相对苗总长、相对苗高、相对根干重呈极显著正相关关系(P<0.01)，与相对根数呈显著正相关关系(P<0.05)。相对根干重与相对苗总长、相对根长、相对根数呈极显著正相关关系(P<0.01)，与相对苗高呈显著正相关关系(P<0.05)。相对根数与相对苗总长、相对根长、相对茎叶鲜重呈显著正相关关系(P<0.05)。相对苗总长与相对苗高、相对根长呈极显著正相关关系(P<0.01)。相对苗高与相对根长呈显著正相关关系(P<0.05)。说明相对苗总长、相对根干重和相对茎叶干重与其他性状间的相关性较强。

表2 苗期干旱胁迫对水稻种质形态性状的影响

水稻种质根鲜重/gCKDT茎叶干重/gCKDT根干重/gCKDT根数CKDTJWR2210.0097 a 0.0049 b 0.0167 a 0.0117 b 0.0029 a 0.0017 a 7.8 A 5.4 B 当育5号0.0170 A 0.0074 B 0.0158 A 0.0113 B 0.0023 a 0.0021 a 5.6 a 5.0 a W06100.0143 A 0.0042 B 0.0170 a 0.0148 a 0.0028 a 0.0026 a 9.8 a 7.8 a 淮稻9号0.0045 a 0.0052 a 0.0168 a 0.0150 a 0.0021 a 0.0034 a 4.0 a 4.4 a 黄金晴0.0146 A 0.0035 B 0.0166 a 0.0151 a 0.0026 a 0.0023 a 7.2 a 5.6 a 一目惚0.0090 a 0.0028 a 0.0136 a 0.0143 a 0.0018 a 0.0019 a 5.8 a 6.2 a 文长稻0.0141 A 0.0038 B 0.0186 a 0.0178 a 0.0022 a 0.0019 a 6.6 a 5.8 a 安多稻0.0047 a 0.0037 a 0.0144 a 0.0140 a 0.0022 a 0.0024 a 4.6 a 6.0 a 龙锦1号0.0054 a 0.0044 a 0.0128 A 0.0164 B 0.0012 A 0.0023 B 5.8 a 7.6 a 黑糯15680.0101 a 0.0096 a 0.0157 a 0.0184 b 0.0024 a 0.0031 a 5.2 a 6.2 a X2-50.0102 a 0.0047 b 0.0117 a 0.0155 b 0.0016 a 0.0022 a 6.2 a 5.2 a 奥村紫0.0060 A 0.0036 B 0.0180 a 0.0143 a 0.0027 a 0.0018 a 5.4 A 3.8 B 秋田小町0.0075 a 0.0023 b 0.0133 a 0.0112 a 0.0010 a 0.0006 a 5.6 a 5.2 a 里歌0.0109 a 0.0033 b 0.0179 a 0.0137 a 0.0025 a 0.0011 a 7.0 A 5.4 B 越光0.0105 a 0.0063 b 0.0174 a 0.0132 b 0.0033 a 0.0012 b 6.2 a 4.6 b 一味稻0.0077 a 0.0020 b 0.0161 a 0.0116 b 0.0029 a 0.0012 b 6.4 a 5.4 a 大珍稻0.0029 a 0.0014 b 0.0169 A 0.0098 B 0.0011 a 0.0007 a 5.4 a 5.0 a 郑旱2号0.0111 a 0.0071 a 0.0262 a 0.0202 b 0.0030 a 0.0053 b 5.8 a 6.0 a 旱5260.0043 a 0.0048 a 0.0195 a 0.0202 a 0.0030 a 0.0033 a 5.2 a 5.2 a 旱5290.0118 a 0.0057 a 0.0156 a 0.0161 a 0.0024 a 0.0027 a 6.4 a 6.6 a

注：同列小、大写字母分别表示在0.05、0.01水平上的差异显著性，字母相同则差异不显著，不同则显著。

2.3 水稻种质苗期耐旱性的因子分析

对20份水稻种质的苗期耐旱性鉴定指标做因子分析。由表4可知，前3个因子对总方差的贡献率最大，其特征值分别为4.942、1.166、0.945，各因子能够解释的总方差贡献率分别为61.772%、14.578%、11.808%，累积方差占总方差的88.157%，能够较好地解释原始变量中的信息，故以这3个公因子代替供试材料8个原始性状指标做进一步分析。经方差最大正交旋转后，旋转后的因子载荷矩阵见表5。第1公因子主要由苗高和茎叶干重这2个因子决定，其因子载荷分别为0.931和0.856，可称之为地上部因子；第2公因子主要由根长和根干重这2个因子决定，其因子载荷分别为0.897和0.829，可称之为根部因子；第3公因子主要由根鲜重决定，其因子载荷为0.879，可称之为鲜重因子。

表3 苗期干旱胁迫下水稻各形态性状间的相关系数

注：*、**分别表示相关性达到显著、极显著水平。

表4 因子的特征值、贡献率和累积贡献率

表5 旋转后的因子载荷矩阵

2.4 水稻种质苗期耐旱性的聚类分析

在系统聚类中，以所计算得到的前3个公因子得分为指标，采用组间连接法对20份供试水稻种质材料进行聚类分析。如图1所示，可将20份水稻种质分为3个组群。第Ⅰ组群包括JWR221、当育5号、W0610、黄金晴、一目惚、文长稻、X2-5、奥村紫、秋田小町、里歌、越光、一味稻、大珍稻和旱529共14份种质，占供试材料的70%。第Ⅱ组群包括安多稻、龙锦1号、黑糯1568和旱526共4份种质，占供试材料的20%。第Ⅲ组群包括淮稻9号和郑旱2号共2份种质，占供试材料的10%。第Ⅰ组群水稻种质，地上部因子居中，但根部因子和鲜重因子都比较差。第Ⅱ组群水稻种质，地上部因子和鲜重因子都非常好，根部因子居中。第Ⅲ组群水稻种质，地上部因子一般，鲜重因子居中，但根部因子非常好，特别是根长和根干重(表6)。

2.5 水稻种质苗期耐旱性评价

根据因子贡献率(表4)和旋转后的因子载荷系数(表5)，得到3个公因子的表达式：

y1=(0.705x1+0.931x2+0.217x3+0.657x4+0.017x5+0.856x6+0.305x7+0.225x8)×34.000%

y2=(0.662x1+0.299x2+0.897x3-0.075x4+0.354x5+0.301x6+0.829x7+0.546x8)×31.737%

y3=(0.152x1+0.029x2+0.159x3+0.695x4+0.879x5+0.226x6+0.316x7+0.581x8)×22.420%

上式中，y1、y2、y3分别代表样本公因子1、公因子2和公因子3。x1～x8分别代表变量相对苗总长、相对苗高、相对根长、相对茎叶鲜重、相对根鲜重、相对茎叶干重、相对根干重和相对根数。根据这3个公因子总值大小，将20份水稻种质进行苗期耐旱性排序(表7)。龙锦1号、黑糯1568和淮稻9号苗期耐旱性强，其次是X2-5、旱526和安多稻，而大珍稻、一味稻和越光苗期的耐旱性较弱。

3 讨论与结论

3.1 水稻种质苗期耐旱性评价

陆岗等[11]以464份水稻种质作为供试材料，采用人工干旱和极限干旱后复水法相结合的方法作为抗旱鉴定的主要方法，于5叶期停止供水后调查水稻耐旱等级。研究表明，水稻中有不少耐旱种质，而陆稻不一定很耐旱，并且籼稻耐旱性强于粳稻。唐清杰等[12]以49个居群490份普通野生稻材料作为试验材料，于5～7叶期移栽到盆钵中，20 d后停止供水，并以含羞草作为枯竭指示植物，调查水稻苗受害级别。童继平等[13]5月31日将催芽的供试水稻种质播种，出苗后持续进行干旱处理，7月8日与7月12日分别调查其耐旱性等级，结果表明：直播稻品种K2的抗旱能力微弱，其耐直播特性与耐旱性无关，但其与HP121杂交F4株系的耐旱性有明显的超亲现象。参试材料的耐旱性与新根发生数呈极显著正相关，并且新根发生数与其株高呈极显著正相关。张敬原等[14]以粳稻品种Dongjin作为试验材料，于5叶1心期进行干旱胁迫处理，研究表明：干旱胁迫处理6 d时，其光合速率、脯氨酸含量、丙二醛含量、相对电导率、叶片活性氧信号强度和相对含水量与前一时间点相比差异显著或极显著。胡运高等[15]以22份水稻种质作为试验材料，采用盆钵种植，当50%以上的参试品种秧苗达4叶1心期时进行干旱胁迫处理，采用苗期反复干旱后存活率指标进行苗期耐旱性评价，发现22份水稻种质苗期干旱存活率变异幅度为44.44%～65.55%。丁国华等[16]于4叶1心期，采用反复干旱胁迫的方法，以幼苗存活率、叶片抗衰老度和苗期抗旱性综合系数指标对33份杂交稻种质进行了幼苗期耐旱性评价。

表6 3个组群主要性状的统计分析

图1 苗期干旱胁迫下20份水稻种质的系统聚类分析

本研究表明，播种后20 d 时进行干旱胁迫处理10 d，以调查所得的水稻苗总长、苗高、根长、茎叶鲜重、根鲜重、茎叶干重、根干重和根数为变量进行对照和干旱胁迫处理差异显著性分析。越光、一味稻、JWR221、大珍稻、当育5号、奥村紫、里歌和郑旱2号共8份水稻种质不少于5个性状发生了改变(P<0.05)；W0610、文长稻和秋田小町共3份种质4个性状发生了改变(P<0.05)；20份供试水稻种质中，大珍稻在苗总长相对旱害率、苗高相对旱害率、根长相对旱害率、茎叶鲜重相对旱害率、根鲜重相对旱害率和茎叶干重相对旱害率共6个指标方面最高；黑糯1568在苗总长相对旱害率、苗高相对旱害率和茎叶鲜重相对旱害率共3个指标方面最低；龙锦1号在根干重相对旱害率和根数相对旱害率共2个指标方面最低。根据因子贡献率和旋转后的因子载荷系数，得到3个公因子的表达式， 并以这3个公因子总值作为评价标准， 20份水稻种质苗期耐旱性排序如下：龙锦1号>黑糯1568>淮稻9号>X2-5>旱526>安多稻>郑旱2号>旱529>一目惚>当育5号>黄金晴>文长稻>W0610>奥村紫>JWR221>秋田小町>里歌>越光>一味稻>大珍稻。

3.2 因子分析和聚类分析

孟庆虹等[17]以108个粳稻品种为试验材料，对碾米品质、外观品质、理化品质和糊化特性共25个指标进行因子分析和聚类分析，将粳稻品质指标简化为8项。周鸿凯等[18]以51个杂交水稻品种(组合)为供试材料，对其10个产量构成因素性状和6个品质性状进行因子分析，发现产量性状的前4个公因子累积贡献率约为85%，品质性状的前4个公因子累积贡献率为88.6%，并且杂交水稻不同品种的因子得分表明，杂交组合C54不仅产量较高，而且其产量性状和品种性状因子得分也较高。

本研究以20份水稻种质为试验材料，以干旱胁迫下的相对苗总长、相对苗高、相对根长、相对茎叶鲜重、相对根鲜重、相对茎叶干重、相对根干重和相对根数为指标进行因子分析，发现前3个因子能够解释的总方差贡献率分别为61.772%、14.578%、11.808%，累积方差占总方差的88.157%，能够较好地解释原始变量中的信息。方差最大正交旋转后的因子载荷矩阵表明，第1公因子主要由苗高和茎叶干重这2个因子决定；第2公因子主要由根长和根干重这2个因子决定；第3公因子主要由根鲜重决定。采用前3个公因子得分指标和组间连接法，20份供试水稻种质被聚为3个组群。第Ⅰ组群包括JWR221、当育5号、W0610、黄金晴、一目惚、文长稻、X2-5、奥村紫、秋田小町、里歌、越光、一味稻、大珍稻和旱529共14份种质。第Ⅱ组群包括安多稻、龙锦1号、黑糯1568和旱526共4份种质。第Ⅲ组群包括淮稻9号和郑旱2号共2份种质。第Ⅰ组群水稻种质，地上部因子居中，但根部因子和鲜重因子都比较差。第Ⅱ组群水稻种质，地上部因子和鲜重因子都非常好，根部因子居中。第Ⅲ组群水稻种质，地上部因子一般，鲜重因子居中，但根部因子非常好，特别是根长和根干重。

表7 苗期干旱胁迫下水稻种质3个公因子值及耐旱性排序