利用水稻茎秆充实突变体创建新材料的抗倒伏评价

姜洁锋杨欧江冰唐文东

(1.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315101；2.长江大学，湖北 荆州 434000;3.中化农业MAP粮经事业部，北京 100031)

倒伏是影响水稻高产、稳产和优质的重要因素之一。水稻发生倒伏的原因，随着水稻逐渐成熟其重心向上部转移，使得茎秆基部承受的压力增大；水稻茎秆的生长发育减弱加之贮藏物质转移，导致其基部茎秆的组成成分及结构发生改变，从而导致支持其上部重量的能力减弱。研究表明，水稻的茎秆性状与抗倒伏性密切相关，包括各节间长度、茎粗、茎壁厚度、机械组织、充实程度、叶鞘包茎度及生物产量等方面[1-3]。

水稻抗倒伏研究表明，抗倒伏性与基部第2节间有着密切关系。基部节间壁厚越厚、节间充实度越高、节间越粗、抗折力就越大，倒伏指数随之就越小，植株的抗倒伏能力就越强；水稻抗倒伏品种的基本特征一般是茎秆强度大、基部第2节间茎间短而韧、根系发达等；茎秆节间直径或茎粗、秆壁厚度等与倒伏指数呈正相关[4,5]。在水稻育种中，筛选抗倒伏资源，利用材料自身的抗倒性培育抗倒伏品种是最为经济有效的措施[6]。本研究利用实心秆突变体st1与易倒伏材料R86杂交，在F2分离群体中对后代的茎秆性状、农艺性状等进行鉴定，筛选出对育种有利用价值的抗倒伏新种质资源。

1 材料方法

1.1 供试材料

R86为本实验室创建的水稻抗病、优质、配合力高的恢复系，配制的多个杂交稻组合通过省级和国家品种审定委员会审定，该恢复系茎秆较细，易倒伏。突变体st1是通过60Coγ射线辐射处理籼稻9311种子，在后代群体中获得1个可以稳定遗传的实心秆突变体。两系不育系科09S由安徽瑞和种业有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 杂交创建新材料

本试验以R86为母本，st1为父本，经过1次杂交、1次自交得到F2分离群体，种植20000株，对分离群体的单株进行农艺性状和茎秆性状考查。第1次选择中淘汰了结实率在55%以下的植株，选择结实率在75%以上的茎秆明显充实的单株进行自交，结实率在55%～75%的单株与R86进行一次回交，最终选择结实率在75%以上的单株连续自交6代，稳定后决选了4个新株系。暂命名为R86-1、R86-2、R86-3和R86-4。

1.2.2 田间种植及主要农艺性状调查

R86、st1和4个新株系于2020年5月1日在荆州种植，所有材料单本种植，种植5行，每行12株，3次重复，株行距20cm×20cm。从抽穗期开始观察茎秆充实情况，成熟期测定株高、单株有效穗数、穗长、每穗粒数、结实率、千粒重等主要农艺性状。

1.2.3 茎秆形态指标测定

水稻抽穗15d，每个材料随机各选取15株，分别测量重心高度、基部第1、2、3节的节间长、节粗及节厚。

重心高度，将新鲜植株放在食指尖，调整支点位置使植株保持平衡，水稻基部至支点的距离为重心高度。节粗，利用数显游标卡尺选取节间上中下3点测量茎秆短轴、长轴所求平均值；节厚，将茎秆中部纵切后，利用数显游标卡尺均匀选取3点测量求得的平均值。

1.2.4 植株鲜干重和茎秆密度的测定

抽穗15d，每个材料各选取10株，迅速称量鲜重后在105℃下杀青30min，再转为65℃烘干至恒重。称得剥去叶鞘前后的茎秆的鲜重和干重(烘干至恒重)，计算得到茎秆密度(以鲜重和干重为指标)：

茎秆密度=茎秆的鲜重和干重/茎高(根部与穗颈节之间的距离)

1.2.5 基2节间抗折力和倒伏指数测定

节间抗折力测定方法是水稻抽穗15d，截取水稻主茎基部第2节间(茎秆未失水)置于自制测定器上，节间中点与测定器中点对应(两端支点与中点间距均为5cm，在节间中点处挂一盘子)，缓慢加砝码至茎秆刚好断裂时砝码及盘子的质量和即为该节间的抗折力。

弯曲力矩=节间基部至穗顶长度(cm)×该节间基部至穗顶鲜重(g)

倒伏指数=弯曲力矩(cm·g-1)/抗折力(g)×100

1.2.6 数据分析

应用Excel录入和处理数据，利用DPS软件比较样本平均数的差异显著性。

2 结果分析

2.1 不同材料的茎秆形态指标

抽穗15d，对所有材料茎秆性状进行测定，见表1。研究表明，突变体st1重心高度45.93cm，显著小于R86，基1节间长和基3节间长显著低于R86，基2节间厚、基3节间厚和穗茎厚均显著高于R86。3个新株系R86-1、R86-2和R86-3的重心高度显著低于R86，变化幅度为46.63～48.58cm，株系R86-4重心高度与R86无显著差异。4个新株系的基1节间长和基3节间长显著缩短，基2节间和穗茎节长与R86无显著差异。新株系R86-2与R86基1节间厚度显著增加。4个新株系基2节间厚、基3节间厚和穗茎厚显著高于R86，变化幅度分别为1.15～1.43mm、0.85～1.15mm和0.56～0.70mm，株系R86-2表现最为显著，基2节间厚、基3节间厚和穗茎厚分别达到1.43mm、1.15mm和0.70mm。

表1 不同材料的茎秆形态指标(荆州，2020)

2.2 不同材料的茎秆密度测定

抽穗15d，测定不同材料的茎秆和裸茎鲜重、干重，计算茎秆密度，见表2。由表2可知，突变体st1含叶鞘茎秆和裸茎的鲜密度及茎秆密度极显著大于R86。4个新株系的茎秆密度均与R86有不同程度的增加，表明新株系在茎秆充实度方面表现突出。

2.3 基2节间抗折力和倒伏指数测定

水稻基2节间的性状与抗倒伏关系密切。在抽穗15d，测定基2节间的抗折力，见表3。由表3可知，突变体st1基2节间的抗折力显著大于R86，倒伏指数极显著低于对照，表现出更强的抗倒能力。基部第2节间的茎粗显著高于R86，裸茎粗与R86无显著差异。4个新株系中，基部第2节间的茎粗显著高于R86，4个新株系的基2节抗折力显著大于R86，倒伏指数显著低于R86，表明通过鉴定选择，育成的4个新株系在抗倒伏性状上均优于R86。

2.4 不同材料的主要农艺性状

成熟期的主要农艺性状见表4，突变体st1生育期、株高均显著小于R86，结实率显著降低，但千粒重极显著增加。4个新株系生育期显著早于R86，株高显著降低，单株有效穗数、穗长与R86表现一致。株系R86-1和R86-3结实率显著低于R86，4个新株系千粒重与R86无显著差异。农艺性状研究结果表明，构建的4个新株系在抗倒伏性能提升的同时，农艺性状没有下降，尤其是R86-2株系综合性状优良，可以作为育种材料进行应用。

表4 成熟期不同材料的主要农艺性状(荆州，2020)

2.5 杂交组合的抗倒伏性鉴定和主要农艺性状

为了研究育成的新株系与R86在杂交组合配制方面有无差异，用不育系科09S与恢复系R86和R86-2配制杂交组合(不育系科09S与恢复系R86所配杂交稻组合“科两优0986”，于2020年通过国家品种审定委员会审定)。2个杂交组合在抗倒伏性、主要农艺性状和外观品质鉴定结果见表5、表6，新组合科06S×R86-2株高比对照组合科06S×R86矮5.03cm，生育期缩短3d，单株有效穗、每穗总粒数、结实率和千粒重与对照无显著差异。新组合的基2节间粗度和厚度比对照组合均显著增加，抗倒伏指数显著低于对照组合，表现良好的抗倒伏性。表6的外观品质鉴定结果表明，新组合整精米率低于对照1.8%，垩白度高于对照组合0.9%，品质符合国家三级米标准。育成新株系R86-2所配组合可以作为替代组合在生产中推广应用。

表5 成熟期杂交组合的主要农艺性状和抗倒伏性(荆州，2020)

表6 杂交组合的外观品质性状(荆州，2020)

3 讨论

近年来，随着水稻轻简化栽培的普及，水稻倒伏现象日趋严重。水稻株型、茎秆结构和化学成分、根系生长状况等因素与水稻倒伏密切相关，培育抗倒伏品种是解决水稻倒伏最为经济有效的措施。在水稻倒伏问题中，从遗传学到分子生物学研究众多。科学家通过发掘抗倒伏的QTL，筛选抗倒伏种质资源，开展水稻抗倒伏育种。水稻的抗倒伏育种经历矮化育种，通过选育矮秆品种提高水稻的抗倒伏性。随着现代农业的发展，水稻的抗倒伏性与茎秆和根系的结构和化学成分密切相关[6]，所以研究水稻茎秆的结构和化学成分成为水稻抗倒伏研究的重点。

在抗倒伏材料的筛选过程中，利用自然条件下筛选具有抗倒伏性能的水稻材料有很大的困难，通过鉴定植株茎秆的相关性状对于研究水稻倒伏具有重要意义[7]。本研究利用1个实心秆突变体st1作为亲本材料，进行抗倒伏株系的创建，st1是一个茎秆完全充实的突变体，株高降低，基部第5、6节间退化，基2节间长度正常，厚度和粗度显著高于野生型。但突变体结实率偏低。试验利用R86和st1构建的F2分离群体，在20000株中进行筛选，对每一个单株都进行茎秆相关性状测定和农艺性状分析，研究中发现，单株中茎秆充实度呈现不同级别，但没有发现全部为实心秆的单株，由于突变体st1结实率低，筛选过程严格选择抗倒伏性和优良农艺性状的单株，保证新株系可以直接作为育种材料进行利用。

国内外研究普遍利用节间抗折力和倒伏指数评价水稻倒伏性能。基部节间的抗折力反映了茎秆的硬性和韧性，是表示茎秆强度的指标；抗折力越大，茎秆抗倒伏的能力就越强。本研究发现抗倒伏性与植株的茎秆的基2节间粗、基2节间厚等显著相关，这与其它研究相一致[8-10]。综合来看，对于水稻抗倒伏育种而言，需要将播期、株型、茎秆结构和茎秆化学成分等各个因素综合考虑，使水稻抗倒伏达到最优，且能保持水稻的高产和稳产性。本研究也进一步说明，利用诱变筛选抗倒伏资源，通过传统杂交技术创建抗倒伏材料是可行的。