育种工厂的建设及其在节水抗旱稻种质创新中的应用

王飞名,张安宁,刘 毅,孔德艳,刘国兰,余新桥,罗利军

(上海市农业生物基因中心,上海 201106)

水稻是世界最主要粮食作物之一,培育优质、高产、多抗、适应性广的水稻品种是水稻育种的首要目标。育种加代是育种工作不可或缺的环节,水稻新品种的育成需要进行多次加代与筛选鉴定。节水抗旱稻[1]是指既具有水稻的高产优质特性,又具有旱稻的节水抗旱特性的一种新的栽培稻类型,培育节水抗旱稻是解决水稻生产大量耗水与我国水资源短缺矛盾的有效手段[2]。节水抗旱稻的育种过程与一般的水稻育种类似,但其中还需进行多次抗旱性筛选和鉴定,以保证节水抗旱基因的聚合。

从品种纯化到品种稳定,再到新品种审定,至少需要繁殖10—12个世代。传统的水稻育种均是在室外田间进行,将种子播撒入土壤并移栽到大田中,通过合适的季节保证一定的光照、温度等条件,借助自然降雨和人工灌溉保证足够的水分条件,但这种方式易受季节的影响。目前北方稻区每年只能完成1个世代,为了加快育种进程,育种工作者选择每年到热带地区进行水稻异地加代,但此法耗时长,工作量大[3]。因此,建立温度、光照、水分等条件可控的设施来保证快速加代与繁殖,并进行多次精准筛选与鉴定,具有重要的科学意义与应用价值。

现代植物工厂技术为育种工作者带来了希望,植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物全年连续生产的高效农业系统[4-5],能实现温度、湿度、光周期、水肥等自动精准控制;在最优化的光源配方条件下,能缩短植物的生长发育全过程所需的时间,已成为加快育种的最佳选择之一。丹麦约克里斯顿农场于1957年建造了用于生产水芹的太阳光利用型植物工厂,是世界上首个植物工厂[6]。我国植物工厂研究始于2002年,国内首个人工光型植物工厂于2006年在中国农业科学院建造,在随后的几年间,北京通州、吉林长春、山东寿光等地相继建成20多座不同类型的植物工厂[7-8]。尽管国内外各类植物工厂的研究已取得了丰硕的成果,但其应用主要集中于蔬菜和水果生产[9-10]。

近年来,快速育种技术已被用于缩短作物世代周期,推动了多种作物的基因组学和育种的研究进展[11-14]。快速育种方法已应用于6种主要农作物,如春小麦(Triticum aestivum)、硬质小麦(Triticum durum)、大麦(Hordeum vulgare)、鹰嘴豆(Cicer arietinum)、豌豆(Pisum sativum)和油菜(Brassica napus),通过延长光周期来缩短生育周期[14-15]。快速育种技术也已用于水稻的遗传改良研究中,如重组自交系构建、回交育种等[12-13,16]。

在黑龙江和新疆等北方地区,水资源缺乏已经成为水稻生产的重要限制因素,节水抗旱稻及“旱种旱管”种植模式为寒地水稻产业的发展提供了新的思路。在寒地发展节水抗旱稻,可有效缓解水稻生产对地下水资源的过度开采,从而保护黑土层。同时,在生产上减少灌溉用水量,可以减少水稻生产过程中的面源污染,实现优质稻米的生态种植。笔者团队多年来一直致力于选育和创制适合北方寒地的早粳稻新品种与新材料。在此背景下,针对节水抗旱稻育种中“材料在自然条件下加代慢、稳定周期长”这一突出问题,研究设计出一套节水抗旱稻的工厂化育种系统[17],并通过对育种工厂内环境因素的设置,确保不同生长时期对温度、湿度、光照等生长环境的需求,使节水抗旱稻材料的加代与筛选不受季节等自然条件的制约。本研究以节水抗旱稻育种工厂的建设和‘沪旱6220’的创制为例,综述在育种工厂内进行种质创新的方法,介绍‘沪旱6220’的应用情况,并对育种工厂快速创制新材料进行展望,旨在为节水抗旱稻新种质的快速创制提供参考。

1 育种工厂的建设

1.1 育种工厂的整体构造

整个节水抗旱稻育种工厂在一座钢结构搭建的玻璃温室里实现,其尺寸规格为:长12 m,宽9.6 m,有效利用高度4.25 m,其外观如图1所示。育种工厂内部(图2)为依次连通的播种育苗室、人工光温控制室和抗旱鉴定筛选室,3间分室均使用多层培育架单元进行立体栽种以提高空间利用率。在育种工厂内,结合密直播、旱种、人工光温处理、自然补光等技术,利用LED补光灯、自动控湿等设施设备对节水抗旱稻生长所需的温度、光照、湿度等环境因子进行自动化控制,以达到实现节水抗旱稻一年3—4次的加代工作,并在加代的过程中进行抗旱性筛选。

图1 节水抗旱稻育种工厂外观Fig.1 External views of water-saving and drought-resistance rice factory

图2 节水抗旱稻工厂化育种系统整体结构Fig.2 Schematic diagram of the overall structure of water-saving and drought-resistance rice factory breeding system

1.2 育种工厂的内部环境

3间分室分别设置有多层不锈钢培养架,每层培养架的顶端安装一套灯组,灯组由LED白光灯及LED红、蓝光灯组成(比例为4∶1∶1),距灯组20 cm内LED光照强度为30 000—40 000 lx。每层培养架放置3个不锈钢培养盆,每盆里放置1个育秧盘。抗旱鉴定筛选室的光源包括但不限于培养架光源,还包括距离地面3.5 m的位置安装的一套泛光灯支架,支架上安装7个植物钠灯和7个金属卤化灯,进行额外补光。

3间分室安装有独立的空调制冷机组、加热设备以及加湿除湿设备,分别与每间室的湿度、温度探头和主控器连接,通过与主控器连接的控制面板可以观测并手动设置温室里的温度和湿度。3间分室的培养架光照灯组直接与主控器连接,通过控制面板操作设置光照时间;抗旱鉴定筛选室的顶部补光灯组通过外置定时器设置,自动控制光照时间。

播种育苗室:温度设28℃(6:00—19:00)和25℃(19:00—次日6:00)两种模式,湿度80%。人工光温控制室:温度设32℃(6:00—19:00)和28℃(19:00—次日6:00)两种模式,湿度80%。人工补光光照设为8:00—17:00,其余时间段为暗处理。抗旱鉴定筛选室:温度设35℃(6:00—19:00)和28℃(19:00—次日6:00)两种模式,湿度80%。人工补充光照设置于6:00—19:00开启。

本研究建设的节水抗旱稻育种工厂最终的组装效果见图3。在工厂建设过程中,将温度、湿度开关以及主控器集成在配电箱中,并通过与主控器连接的控制面板设置工厂内的环境参数。

图3 节水抗旱稻工厂化育种系统组装效果Fig.3 Installation effect diagram of the factory system of WDR breeding

2 育种工厂在种质创新中的应用

目前,中国农业科学院、中国科学技术大学等研究机构利用育种工厂技术在密封的空间培育出各种蔬菜。武汉多倍体生物科技有限公司联合武汉双绿源创新科技研究院有限公司开展利用智能育种工厂辅助选育优良水稻品种[18]。一般来讲,水稻新品种的育成需要5—8代的系统选育才会趋于稳定,节水抗旱稻品种的选育与一般的水稻育种类似,但其中还需进行多次抗旱性筛选,以保证节水抗旱基因的聚合。受自然气候条件的限制,在上海及黑龙江等地水稻每年只能种植一代,节水抗旱稻的选育周期长,即使结合南繁加代,一年两代的加代对于节水抗旱稻的种质创新来说也是缓慢的,而育种工厂的建设正好解决了这一问题[19]。育种工厂通过对光质、光照强度、光照时间、温度、湿度的调节,结合密直播、“一粒传”等多项措施,能有效缩短水稻的整个生长周期,达到快速创制新材料的目的。

以‘沪旱6220’的创制为例,详细介绍节水抗旱稻育种工厂在种质创新中的应用。自2014年8月起,进行了4批次的节水抗旱稻工厂化育种加代筛选试验。为了验证快速加代的效果,在上海夏季试验期间,在工厂外围水田直播相同试验材料,比较材料的生育期。

2.1 试验材料

‘空育131’∕‘早玉香粳’组合的分离世代F2—F5。

2.2 试验方法

利用节水抗旱稻育种工厂进行快速加代,创制新种质,具体方法参照文献[20],将F2种植于育种工厂,快速加代并通过“一粒传”到F3,再将得到的F3种子按上述方法得到F4种子,依此进行重复,直至得到F6种子。

利用海南冬繁种植F6,成熟期进行产量性状选择,选出产量表现好的单株,并按单株收种编号H1—H26。

入选单株在黑龙江省农垦科学院水稻研究所佳南试验站进行品比试验,以‘龙粳46’作为对照,观察整齐度并进行产量比较。将这26个株系在上海市农业生物基因中心节水抗旱鉴定中心的抗旱鉴定设施内进行抗旱性鉴定[21],以‘龙粳46’作为敏感对照。

将选出的产量高、抗旱性好的株系,送交农业部谷物及制品质量检测中心(武汉)进行稻米米质检测。

2.3 结果与分析

2.3.1 节水抗旱稻快速加代效果

表1为本研究4批次节水抗旱稻材料的加代试验情况。2014年8月3日开始第一批F2材料播种,共播种5 400粒种子,2015年7月21日收种并获得F6的种子508粒,整个加代试验共用时356 d。

表1 节水抗旱稻加代试验情况Table 1 Adding generation experiment condition of the test WDR materials

从播种该组合F5到得到F6的种子,只需要85 d,比同期播种但不采用该方法加代时间缩短了24 d。

2.3.2 高世代品系产量、抗旱性表现

2015年冬繁,将收获得到的508粒F6在海南陵水进行正常水田种植,经过结实率等产量性状选择,初选26个产量表现好的单株。

2016年在黑龙江佳木斯进行品比试验,结果显示:26个株系中有4个株系(编号:H2、H5、H11、H16)产量超过‘龙粳46’。抗旱性鉴定结果表明,4个参试株系的抗旱性均超过对照‘龙粳46’(表2)。

2.3.3 优选株系米质、农艺性状表现

将这4个株系的种子清选后,进行稻米品质检测,其中H5株系米质达到部颁优3等级。H5米质主要性状表现:糙米率为81.3%,精米率为73.2%,整精米率为68.7%,垩白率为22%,垩白度为2.4%,直链淀粉含量为15%,胶稠度为78 mm,碱消值6.8级,透明度1级,有香味(表3)。

表3 优选株系的米质Table 3 Comparison of rice quality of H2,H5,H11 and H16

H5综合农艺性状好,田间表现出苗整齐,分蘖中等,群体协调好;株型紧凑,叶片短、挺;穗层整齐,后期转色好,熟相好,生育期短,适合黑龙江第二、三积温带种植,2017—2018年连续两年在黑龙江省农垦科学院佳南基地种植表现优异,2018—2019连续两年在黑龙江红兴隆地区大面积“旱直播旱管”示范种植表现优异,定名为‘沪旱6220’,并获得植物新品种权(品种权号:CNA20191006260)。

2.3.4 ‘沪旱6220’的应用

节水抗旱稻‘沪旱6220’于2018—2019年在黑龙江省友谊农场进行两年的“旱直播旱管”示范,每667 m2平均年灌溉用水量仅为53.63 m3,而当地移栽田平均用水量为350 m3,节水抗旱稻“旱直播旱管”种植较移栽田用水量少296.37 m3,节水可达85%。在投入方面,当地水稻移栽种植方式每667 m2的成本为1 100元(人民币,下同),而“旱直播旱管”种植成本为800元,“旱直播旱管”栽培每667 m2节省成本300元左右。因此,节水抗旱稻“旱直播旱管”栽培能够减少区域灌溉水的用量,减少灌溉成本,提高生态效益。此外,‘沪旱6220’适合旱直播,比当地移栽方式推迟近1月播种,缩短了生育期,减少了人力投入。

2020—2021年,在上海市科委援疆干部的帮助下,援克指挥部和克拉玛依市科技局搭建了新疆西部绿洲生态发展有限责任公司与上海市农业生物基因中心的合作桥梁,引种种植节水抗旱稻‘沪旱6220’。经过两年在新疆的种植,‘沪旱6220’在引种的众多节水抗旱稻品种中,节水表现突出:每667 m2年用水量仅500 m3,是普通水稻年用水量的1∕3,完全满足节水的需求,符合低碳环保的理念。综上所述,该品种的大面积试种与推广可有效缓解水稻生产对地下水资源的过度开采,保护黑土层,具有较大的利用价值。

3 结论与讨论

本研究介绍了育种工厂的建造,并以‘沪旱6220’的创制为例,试验应用育种工厂快速创制新材料。在育种工厂内,结合立体栽培、密直播、旱种、人工光温处理、自然补光等技术,对节水抗旱稻生长所需的温度、光照、湿度等环境因子进行自动化控制,以实现节水抗旱稻育种材料快速加代,同时进行抗旱性筛选。在育种工厂外结合产量、米质等性状选择,实现节水抗旱稻快速高效种质创新。自育种工厂建设并投入使用至今,多轮试验结果表明,在育种工厂内可实现一年3—4代的节水抗旱稻快速加代工作。本研究的4批次节水抗旱稻育种材料的加代试验表明:利用节水抗旱稻育种工厂及相关技术能够缩短节水抗旱稻的生育周期,实现节水抗旱稻在上海一年4次的加代工作,最终成功创制了适合寒地旱直播的节水抗旱稻‘沪旱6220’,具有节水、米质优等特点。‘沪旱6220’的大面积应用可有效提高水资源的利用,保护黑土层,实现节能减排。

育种周期长是水稻育种过程中存在的突出问题[3],其原因除了育种材料的纯合稳定需要通过连续自交多代,水稻的生育周期长也是一个方面。我国也有一些专家通过短日照诱导的方式加快水稻幼穗分化[22-23],结合播种方式、温度、肥水调控缩短水稻生育期,一般1年可加代1—3次,或者2年4—5次[24-25],这些研究只是针对快速加代,没有进行性状选择,而在育种工厂内可以同时实现节水抗旱性的筛选,通过高世代产量选择获得的4个株系(H2、H5、H11、H16)抗旱性级别达到了中抗及以上水平,表明在育种工厂内进行抗旱性筛选是有效的。快速加代与节水抗旱性筛选的同步进行,节省了育种时间,提高了种质创制效率。

4 展望

育种工厂快速创制新材料的推广应用,能够解决节水抗旱稻育种周期长、新材料性状鉴定困难的难题。随着农业生产对品种在产量、米质、抗性以及化肥高产利用等方面要求的不断提高,节水抗旱稻新品种的选育,需要在节水抗旱的基础上,实现多个有利基因的有效累加[26],育成具有高产、优质、多抗病虫害和养分高效的绿色超级稻新品种[27]。目前对这些性状的鉴定筛选,需要在全国不同的水稻生物胁迫与非生物胁迫区域进行,往往只能采取多地穿梭育种的方式,年际间表现差异大,进展比较慢,效率不高。本研究在育种材料加代的同时,进行抗旱性的筛选。下一步工作将在工厂内开展稻瘟病、褐飞虱等病虫害抗性鉴定的探索性研究,模拟节水抗旱稻的鉴定筛选环境,进一步提高节水抗旱稻的种质创制效率,实现多个绿色性状的同步筛选。