耐盐碱节水抗旱稻的种质创新

刘国兰,陈之豪∗,张 珍,王加红,余新桥,罗利军∗∗

(1上海市农业生物基因中心,上海 201106;2上海市浦东新区农业技术推广中心,上海 201201)

我国现有内陆盐碱地面积近1亿hm2,滩涂面积234万hm2。盐碱地是我国不可多得的后备耕地资源,开发利用好沿海滩涂以及内陆的盐碱地资源是保障耕地面积的有效途径[1]。同时,由于受气候变化、不合理的施肥和灌溉以及工业污染等因素的影响,全球有近30%的耕地会进一步盐渍化[2],日益严重的土壤盐渍问题已成为水稻生产的严重障碍[3]。中国是水稻大国,是世界上最大的稻米生产国和消费国[4],通过引用淡水冲洗和深水压盐,实现了在部分盐碱地进行水稻生产,但一旦干旱发生、盐碱地缺水时,盐分就会上升至地表,水稻植株同时受到盐渍和干旱的双重影响,导致大幅减产甚至绝收。

节水抗旱稻是指既具有水稻高产优质特性,又具有旱稻节水抗旱特性的一种新的栽培稻类型,其抗旱性包括避旱性和耐旱性[5]。耐旱性与耐盐碱之间存在着明显的生理和遗传重叠,将耐盐碱基因与抗旱基因聚合,培育耐盐碱节水抗旱稻新品种并推广应用,是扩大水稻种植面积,实现粮食增产,保障我国粮食安全的有效途径。本研究以耐盐碱资源‘海稻86’为主要耐盐碱供体亲本,采用常规杂交和基于显性核不育系为媒介的轮回选择技术,将耐盐碱特性导入到节水抗旱稻亲本中,实现耐盐碱基因与抗旱基因重组,创制耐盐碱的节水抗旱新种质。

1 材料与方法

1.1 材料

供体亲本:优异耐盐种质‘海稻86’。受体亲本:‘沪旱3号’、‘沪旱19’、‘早玉香粳’、‘WDR48’、WDR56、WDR61等不同类型节水抗旱稻,‘佳辐占’显性核不育系[6],江西东乡野生稻资源等。

1.2 方法

1.2.1 杂交改良

2014年冬季,在海南利用耐盐种质‘海稻86’分别与‘沪旱3号’、‘早玉香粳’、‘沪旱19’等不同类型节水抗旱稻进行杂交,接着两次回交,得到BC2F1进行混合种植,继续在上海和海南收取自交种子,在BC2F3开始分别在崇明东滩湿地、海南陵水及奉贤海湾盐胁迫下(沿海滩涂地)种植,通过系统选育获得BC2F5株系(图1)[7],对稳定的优良株系繁种并进行试种示范。

1.2.2 利用显性核不育系为介质,构建抗旱耐盐碱混合群体

首先,以‘佳辐占’显性核不育系与节水抗旱稻亲本(如恢复系旱恢3号、‘沪旱15号’、‘早玉香粳’等)杂交和连续回交,获得节水抗旱显性核不育系;其次,以节水抗旱核不育系为媒介,与‘海稻86’、东乡野生稻资源群体进行杂交,获得的65份F1米样,构成轮回选择基础群体。将米样混合于2015年在上海播种,在开花前,将表现特别差的单株割掉,开花时进行人工赶粉。因为显性核不育是由显性单基因控制,因此后代群体中会出现不育株与可育株1∶1的分离,成熟期混收不育株上的种子,同时,根据群体中单株表现,选择优异可育株上的种子进行穗选,穗选材料混合播种进行加代。2015年在海南混收不育株上的种子继续进行混种混收,同时在混合群体中对可育株进行单穗选择,以此类推。2017年,将已轮回2次的群体和优选单株种子直播于崇明东滩湿地,利用潮汐进行耐盐碱性筛选(图2)。因盐胁迫本身也易导致植株结实差,难以区分不育株和盐害导致的不育,选择时只优选了可育单株。2018年春季和夏季分别在海南陵水和上海奉贤海湾进行筛选加代(图3)。

图2 耐盐碱材料崇明东滩湿地筛选Fig.2 Screening of saline-alkaline tolerance materials in Chongming Dongtan wetland

图3 利用显性核不育改良节水抗旱稻材料Fig.3 Improvement of water-saving and drought-resistance rice materials by dominant genic male sterility

1.3 耐盐筛选评价方法

1.3.1 芽期耐盐筛选

2018年在上海进行芽期耐盐筛选,每份材料随机挑选饱满的种子,置于50℃烘箱中高温处理48 h破体眠,每份选30粒种子,均匀置于垫滤纸直径为9 cm的培养皿中,6份节水抗旱稻亲本和‘海稻86’分别加入0(CK)、100 mmol∕L、150 mmol∕L、200 mmol∕L等4个不同浓度的NaCl溶液中进行浸种处理,创制的新种质则以0(CK)和200 mmol∕L NaCl溶液中进行浸种处理,每个处理设2次重复,放入30℃人工气候箱中发芽,每日更换相应的盐溶液以保证稳定的NaCl浓度。每日统计各培养皿中的发芽个数,至末次计数日结束,发芽以芽长达种子长度的一半、根长达种子长度为准,胁迫4 d调查发芽势,胁迫7 d后调查种子发芽率,并计算不同盐浓度处理下的相对盐害率、植株存活率和盐胁迫指数,并进行级别划分(表1)。

表1 耐盐评价分级标准Table1 Grading standard of salt tolerance

1.3.2 苗期耐盐性筛选

对节水抗旱稻改良品系和节水抗旱稻亲本进行苗期耐盐处理,周转箱装土进行条播,每条穴播30粒,保持湿润,待苗长至1叶1心时,配制水培营养液[8]。苗长至2叶1心时,用含0.6%NaCl的水稻营养液进行盐胁迫处理。每3 d更换一次含盐的营养液,在盐胁迫处理21 d后,统计盐胁迫处理前总苗数及处理后存活苗数,以存活率作为指标,以20%的级差分为5个级别进行水稻种质苗期耐盐性鉴定评价。

1.3.3 全生育期耐盐筛选

2019年进行全生育期耐盐筛选,设置盐胁迫和对照共2个处理。(1)盐胁迫处理:所有材料在正常田块育苗,移栽于上海海湾盐碱基地,每个材料种20行,每行种6穴,行株距24 cm×20 cm,单本移栽,随机排列,移栽10 d内采用淡水灌溉,保证秧苗正常返青,之后灌溉采用海水与淡水混合调配的盐水(盐含量为0.5%左右)进行全生育期灌溉胁迫,如处理期间遇下雨,雨停后及时排干水,重新灌溉淹水胁迫。(2)对照:所有材料正常田块育苗,移栽种植于奉贤庄行基地,每个材料种20行,每行种6穴,行株距24 cm×20 cm,单本移栽,随机排列,正常栽培管理。对在盐胁迫条件下表现较好的株系及其相对应的在正常条件下种植的株系进行农艺性状测定,每个材料挑选5株典型单株进行测量,考察株高、有效穗数、穗长、结实率、单株产量、百粒重等性状。以盐胁迫响应最敏感性状的盐胁迫指数作为全生育期水稻对耐盐性评价指标。盐胁迫指数=(对照条件性状值-盐胁迫条件性状值)∕对照条件性状值×100。

1.4 盐碱地试种

2021年在山东潍坊昌邑市西北部的丰瑞农场,靠渤海湾边,进行耐盐材料的试种,试种材料为NYS5、NYS11和NYS15这3个编号品系,对照为‘盐丰47’。采用旱直播旱管方式,每个品种(系)种植800 m2,同一田块分块种植。

2021年分别在江苏南通和江苏盐城射阳县进行耐盐碱示范,每个点试验品系和对照均种植3 333.3 m2,试验材料为NYS83,对照为‘盐稻12’,采用育苗后插秧移栽方式,田间管理参照国家耐盐碱水稻黄淮粳稻组区域试验进行。

2 结果与分析

2.1 亲本和创制种质的芽期耐盐性评价

对‘海稻86’及节水抗旱稻亲本进行芽期耐盐性鉴定,以200 mmol∕L NaCl盐浓度下的相对盐害率作为耐盐评价指标进行分级。由表2可知,‘海稻86’芽期盐害评价为1级,而WDR56盐害评价为2级,‘WDR48’、‘早玉香粳’盐害评价为3级,‘沪旱3号’、‘沪旱19’、‘WDR48’盐害评价为4级。

表2 不同盐浓度下‘海稻86’和节水抗旱稻亲本的发芽率、盐害率的差异Table 2 Variation of germination rate and relative salt damage rate under different salinity with‘Haidao 86’and water-saving and drought-resistance rice %

对150份创新种质的品系以200 mmol∕L NaCl进行芽期耐盐性鉴定,盐害级别为1级、2级、3级、4级和5级的品系份数分别为16、27、45、39和23,分别占总品系数的10.7%、18.0%、30.0%、26.0%和15.3%(图4)。相对盐害率变幅为0—100%,盐害级别为1级的16份材料其耐盐性明显高于节水抗旱稻亲本。其中有2份材料的相对盐害率分别为3.3%和0,耐盐性较‘海稻86’更好,大田表现生育期事宜,株高110 cm,单株有效穗12个,株叶型适中,茎秆粗壮抗倒,后期转色好、产量高。

图4 创新种质品系芽期耐盐级别分布Fig.4 Level distribution of salt tolerance for innovative germplasm lines at germinating stage

2.2 苗期耐盐性鉴定

2019年在海南对150个节水抗旱稻改良品系和亲本进行苗期盐胁迫处理,以存活率作为苗期盐害评价指标进行分级(图5)。‘海稻86’苗期存活率为84.67%,盐害评价为1级。‘沪旱3号’、WDR56存活率分别为57.67%、41.37%,盐害评价为3级。‘沪旱19’、‘WDR48’、WDR61、‘早玉香粳’存活率分别30.13%、35.44%、29.83%、32.41%,盐害评价为4级。改良品系中1级盐害10份,2级盐害17份,3级盐害41份,4级盐害26份,5级盐害56份。其中有4份品系苗期存活率在85%以上,高于亲本‘海稻86’。节水抗旱稻亲本苗期未出现盐害级别为1级和2级的材料,通过改良获得了节水抗旱稻苗期耐盐性提高甚至高于耐盐品种‘海稻86’的品系。

图5 改良品系苗期盐胁迫筛选Fig.5 Screening of improved lines under salt stress at seedling stage

2.3 全生育期耐盐性鉴定

全生育期在盐含量0.5%左右的海水胁迫下,改良品系及亲本均出现不同程度的盐害症状,材料间差异明显。以单株产量胁迫指数来看,‘海稻86’单株产量胁迫指数为18.80。‘沪旱3号’、WDR61单株产量胁迫指数为42.60、58.18,盐害评价为3级。‘沪旱19’、‘WDR48’、WDR56、‘早玉香粳’单株产量胁迫指数分别为70.10、68.33、73.74、64.69,盐害评价为4级。

依据盐胁迫条件下植株表现,从150份品系中目选耐盐表现较好的20份进行考种(表3),在盐胁迫下,改良品系的株高、有效穗数、穗长、单株产量、百粒重等农艺性状均受到抑制,与正常水田相比,存在不同程度的降低,单株产量在盐胁迫下受到的影响最大,结实率、百粒重、有效穗、株高的受盐胁迫影响次之,穗长受盐胁迫的影响相对较小。耐盐性极强的品系有NYS5、NYS117,盐胁迫指数分别为17.2和18.2;耐盐性强的品系有NYS6、NYS8、NYS10、NYS11、NYS15、NYS17、NYS39、NYS55、NYS83、NYS87、NYS92、NYS105等12个品系。

表3 节水抗旱稻品系全生育期耐盐性鉴定结果Table 3 Identification results of salt tolerance of water-saving and drought-resistance rice lines in the whole growth period

2.4 试种表现

在山东昌邑市滩涂地示范展示,以‘盐丰47’为对照,种植了3个材料,每个品种(系)种植800 m2,旱直播全程旱管,成熟后进行田间实收测产,NYS5、NYS15和NYS11田间实收产量分别为234.0 kg、372.2 kg和213 kg,对照‘盐丰47’的产量为259.6 kg(表4)。其中NYS15的产量显著高于对照,每667 m2产量达310 kg,比对照‘盐丰47’增产43.3%。

表4 节水抗旱稻耐盐品系在山东试种的产量及主要农艺性状Table 4 Yield and agronomic characters of salt-tolerant lines for water-saving and drought-resistance rice in Shandong

品系NYS83在江苏南通和江苏盐城射阳县进行耐盐碱试种,移栽水管,每个点均种植3 333.3 m2,NYS83比对照早熟3 d,株高87.2 cm,穗长15.3 cm,每667 m2有效穗为20.1万穗,每穗实粒数为122粒,结实率85.4%,千粒重25.2 g。NYS83在南通和盐城每667 m2产量分别为488 kg和452 kg,分别比同期种植的对照‘盐丰12’增产4.7%和3.2%。

3 结论与讨论

3.1 不同生育期的耐盐性

本研究通过杂交和显性核不育为媒介的轮回选择技术获得了一批优异耐盐节水抗旱稻品系,同时对不同生育期耐盐性进行鉴定,获得了16份芽期耐盐级别为1级的品系,10份苗期耐盐级别为1级的品系和14份全生育期耐盐极强或强的品系。这些品系的耐盐性较节水抗旱稻亲本有明显提高,在不同生育期同样也出现了优于‘海稻86’耐盐性的品系。

同时,不同生育期的耐盐性表现也不完全一致,发芽期、幼苗期和全生育期的耐盐性之间无直接的相关性,这与前人研究结果一致[9],不同生育期可能耐盐机制有所不同。对于某些品系,在各个时期进行独立的耐盐性筛选比较适宜,在选育品系时选择具有多个不同生育期耐盐表型的品种。由于盐碱地水稻的整个生长季都可能遭遇盐胁迫,因此,要培育全生育期耐盐水稻,很有必要针对不同时期分别进行耐盐筛选,筛选综合抗性强的材料,更利于品种的应用。

盐碱地种植作物的最终目标是实现高产,选择耐盐品种时,除了考虑不同生育期的耐盐性,对于全生育期的耐盐性,不仅要考虑盐胁迫指数,更要考虑盐碱条件下植株产量,并不是盐胁迫指数最高的品系其产量就最高,如品系NYS5和NYS117盐胁迫指数最低,耐盐表现最好,但其盐胁迫下的单株产量却不是最好,因此选育品种更要以单株产量为指标,这对耐盐水稻的选育具有实际的生产意义。

3.2 显性核不育系在种质创新中的应用

显性核不育材料是进行轮回选择育种的理想材料,2001年三明市农业科学研究所发现显性核不育[6],通过多轮回交,将不育基因导入到籼稻品种‘佳辐占’中[10],本课题组以‘佳辐占’核不育与节水抗旱稻亲本杂交并经多轮回交,育成不同类型节水抗旱稻背景核不育系,并广泛应用于杂交和回交育种中,以此为媒介,杂交不用人工去雄,更为简便,对于大量的杂交以及构建群体类,显性核不育材料优势更明显,可节省大量人力、物力。本研究利用显性核不育与野生稻资源进行杂交,70%以上杂交袋均有结实,相对去雄杂交,增加了结实种子量,同时提高了杂交成功率。部分未结实的组合可能是核不育系的遗传背景是节水抗旱稻的背景(而非野生稻背景),导致远缘杂交不亲和。如果要更好地利用显性核不育系材料,则核不育的遗传背景需要特别关注,本课题组侧重节水抗旱稻研究,引进的核不育是‘佳辐占’的遗传背景,通过多代回交,将其背景替换成了节水抗旱稻亲本的背景,同时杂交过程中粳型核不育与粳型材料杂交,籼型核不育与籼型材料杂交,避免出现籼粳交不育,或者遗传背景籼粳混杂,改良代数增加。

本研究中显性核不育群体在崇明东滩湿地进行筛选时,由于群体本身有50%的不育株,同时耐盐胁迫会导致可育植株也发生不育,材料就很难选择,所以尽量不要在核不育混合群体中直接进行筛选,而应在群体中选择可育株后再进行各种处理。

3.3 耐盐和抗旱的结合可提高品种适应性

由于盐胁迫往往伴随着干旱一起发生,在节水抗旱稻中增强品种的耐盐性,聚合耐盐与抗旱,选育过程注重耐盐性状和抗旱性状的交叉选择,更利于后代中选育出兼具抗旱和耐盐的新种质。植物应对干旱、盐胁迫时响应的分子和生理机制上有着相似性,如渗透调节、抗氧化胁迫等,本研究在不同生育期均筛选到优于亲本‘海稻86’耐盐性的种质,可能是耐盐和抗旱叠加,产生了超亲优势。

本研究将耐盐种质和节水抗旱稻进行杂交,在选育过程中耐盐性和抗旱性均是品种选育的目标性状,在滩涂地或盐碱地筛选的种植过程中,往往也遭遇干旱,在整个选育过程虽然没有特别强调干旱的筛选,但其实抗旱性一直是作者关注的重点。保持节水抗旱稻的抗旱性,同时提高其耐盐碱性,品种才有更好的适应性。

致谢:湖北荆楚种业股份有限公司段红波研究员提供耐盐资源‘海稻86’、福建省三明市农业科学研究院黄显波老师提供‘佳辐占’显性核不育系。