长江中下游流域水稻试验品种的耐热性鉴定

肖本泽 南波 张方玉

（华中农业大学 植物科学技术学院，武汉 430070；*第一/通讯作者：benzexiao@mail.hzau.edu.cn）

随着工业化进程的加速，全球产生了越来越明显的“温室效应”，导致全球气候正在以更快的速度变暖，极端天气越来越频繁，给农作物生产带来了极大的影响[1]。高温热害导致水稻减产和稻米品质的降低[2-3]。近年，7—8月份我国常常大范围出现最高气温超过40℃的异常高温天气，且持续时间长，此时南方大部分稻区早熟中稻正值孕穗至抽穗开花期，是水稻易受高温危害的时期，高温胁迫造成其育性下降、受精不良，导致结实率降低[4-7]；灌浆成熟期也是水稻易受高温胁迫时期，如遇高温会造成秕谷粒增多和粒质量下降，稻米品质变差[8-9]。MATSUI等[10]对9个粳稻品种进行高温胁迫处理，结果表明，不同水稻品种在高温胁迫处理后的结实率与位于花粉囊腔与腔隙之间的细胞层数呈显著的负相关性，即花粉囊腔与腔隙间细胞层数少的水稻品种在高温胁迫后其结实率要远高于细胞层数多的水稻品种。PENG等[11]历时12年对国际水稻研究所25年间水稻生长期间的温度、光照等气象因素进行了综合分析，发现这25年来水稻生长期间夜间最低温度平均值正在逐步上升，气象因素中以夜间最低温度对水稻产量的影响最大，每上升1℃水稻产量就下降10%。谢晓金等[12]以扬稻6号和南粳43为试验材料，研究抽穗期高温胁迫对水稻产量构成要素及稻米品质的影响，结果表明，水稻抽穗期高温不仅降低了水稻每穗总粒数、结实率和千粒重，同时也影响了糙米率、精米率、整精米率、垩白度等品质性状。

高温热害对作物的影响涉及其整个生命活动过程，目前评价作物耐热性主要有形态、生理生化、产量和品质指标等[2,13-14]。但对水稻等粮食作物而言，产量和品质是其最直接、最主要的评价指标[15-16]。高温对水稻不同生长发育阶段均能造成危害，其中以抽穗扬花期最为敏感，将直接引起结实率下降，导致大幅减产甚至绝收[5-6]。因此，结实率是热害最为敏感的指标之一，可综合反映水稻颖花开放、散粉和受精的综合受害程度，可直接作为耐热性评价指标[16-17]。许多基于结实率和粒质量的水稻耐热性评价指标应运而生，如耐热指数（高温结实率/常温结实率）[18]、热敏感指数（常温结实率与高温结实率之差/常温下结实率）[15]、粒重感热指数（常温下千粒重与高温下千粒重之差/常温下千粒重）[19]等。

本研究在自然大田高温、温室高温环境下对2018—2020年供试的1 379份水稻材料的开花期耐热性进行了鉴定，系统分析了不同年份间、不同品种类型间、不同来源渠道品种间的耐热性情况。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻新组合（品种）共1 379份次（含耐热对照品种丰两优4号、耐热性敏感品种湖恢628），其中，2018年481份（两系杂交稻348份、三系杂交稻119份，常规稻14份），2019年457份（两系杂交稻302份、三系杂交稻115份，常规稻40份），2020年441份（两系杂交稻285份、三系杂交稻120份，常规稻36份）。供试水稻新组合种子由中国水稻研究所、各省种子管理局（站）及绿色通道、联合体主持单位提供。

1.2 试验方法

采用田间自然高温、玻璃温室高温两种方法对参试品种进行开花期耐热性鉴定，试验在华中农业大学水稻试验基地进行。

1.2.1 利用田间自然高温进行鉴定

水稻开花期田间自然高温参照文献[20]进行。利用湖北武汉每年7月中旬至8月中旬的自然高温条件，采用分期播种单分蘖挂牌方式。每个品种分3期播种，分别于当年4月21日、5月1日、5月11日播种。5叶期左右移栽，株行距16.7 cm×26.7 cm，每个品种栽3×10株，肥水管理和病虫防治按照常规大田生产进行。大田温度、湿度利用DSR-TH数字化温湿度记录仪每5 min记录1次。水稻抽穗期间，每个小区每天选取10个主分蘖按见穗期挂牌；成熟时按见穗期将挂牌分蘖进行分类，分别考察结实率[20]。

1.2.2 利用玻璃温室高温进行鉴定

玻璃温室高温鉴定参照NY/T 2915-2016进行。试验材料于5月1日播种，5叶期左右移栽，每个品种栽4盆（上口直径26 cm、下底直径20 cm、高18 cm的塑料盆，每盆中装入7 kg自然风干的水稻田土壤，施复合肥6 g，复合肥中N、P2O5、K2O配比为12∶18∶15）、每盆3株，在植株生长过程中去除多余分蘖，每株只保留3个抽穗一致的主分蘖。每个品种，对于其中2盆在第1朵颖花开花时，连续在玻璃温室内进行5 d高温处理（材料盆随机排列，且每天将盆随机排列1次，以消除因位置所引起的误差）。另外2盆在自然条件下生长，作为对照处理。高温处理结束后，所有植株在自然条件下生长至成熟。为了避免温室机械强排对风路附近材料的瞬时损伤，高温处理通过温室四周窗户开合进行控制：晴天一般在8∶00左右将温室窗户全部关闭、12∶00左右窗户适度半开（开合大小取决于当时监控的温度），18∶00时完全打开窗户直至下一天8∶00；若在光温不足的阴雨天，会在8∶00—18∶00将窗户全部关闭并适当智能补光（当温度达到41.00℃自动减少开灯数目）。考虑到温室胁迫要重于自然大田高温，温室不进行强排降温（通过开启四周窗户进行自然降温）。玻璃温室日均温控制在33.00℃～35.00℃之间，日最高温控制在39.00℃～42.00℃之间，湿度维持在75%左右。温室内温度、湿度利用DSR-TH数字化温湿度记录仪每5 min实时记录1次。

1.3 性状考察及耐热性评价

1.3.1 田间自然高温条件下供试材料性状考察及耐热性评价

对于利用田间自然高温进行鉴定的材料，根据DSR-TH数字化温湿度记录仪实时记录的大田温度数据，确定高温胁迫、常温条件下的结实率。参照文献[10,21-22]和结合当地气象资料以见穗期时日均温≥33℃或最高温≥38℃且持续时间在3 d以上作为已受到高温胁迫的标准，并以这部分分蘖的平均结实率作为高温胁迫条件下的结实率；以其他非高温时间段的最高结实率作为常温条件下的结实率。大田条件下耐热性的评价采用相对耐热系数R（供试材料与对照品种丰两优4号在高温条件下结实率的比值）指标进行衡量。

1.3.2 玻璃温室高温条件下供试材料性状考察及耐热性评价

对于利用玻璃温室高温进行鉴定的材料，待种子成熟时分别对经过和未经过玻璃温室高温处理的各2盆水稻植株进行结实率考种。温室条件下耐热性评价也采用相对耐热系数R。

最终对供试材料耐热性评价以两种条件（大田条件和温室盆栽条件）下相对耐热系数的平均值（即综合相对耐热系数）作为评价指标；并按表1的分级标准对供试品种的开花期耐热性进行分级评价。

表1 水稻材料开花期耐高温性的分级评价标准

2 结果与分析

2.1 指示品种在多年多环境下的耐热性表型

为了评价不同年份、不同环境下品种间的耐热性表型差异，选取区试对照品种丰两优4号和耐热性敏感品种湖恢628作为指示品种进行系统分析。

2.1.1 指示品种在大田环境下年份间耐热性表型

华中农业大学试验田在2018—2020年7月中下旬至8月中下旬期间温度数据见图1。2018年7月14日至21日（正值Ⅰ、Ⅱ期播种材料的集中孕穗期，日最高温在38.20℃～39.80℃之间）、8月7日至12日（除8月10日外，日最高温在38.30℃～39.20℃之间）出现了两次连续的高温天气（图1A）。2019年7月28日至8月9日（除7月30日、8月4日外，日最高温在38.00℃～38.70℃之间）、8月16日至21日（此时段完全覆盖了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期播种材料的孕穗期和开花期，日最高温在38.10℃～39.10℃之间）出现了连续高温天气（图1B）。2020年8月1日至5日（日最高温在38.00℃～38.70℃之间）、8月16日至19日（日最高温在38.00℃～39.10℃之间）期间出现连续高温天气（正处于Ⅰ、Ⅲ期播种材料集中开花期）（图1C）。显然，2018、2019、2020年武汉试点的温度环境均达到了热害鉴定标准（日均温在33.00℃以上或最高温在38.00℃以上且持续时间在3d以上）。

图1 试验点2018—2020年7—8月份大田温度数据

自然大田环境下，对照丰两优4号在2018、2019、2020年的高温时段结实率分别为65.93%、66.83%和66.98%，年际间无显著性差异；这3年丰两优4号的大田常温结实率分别为86.96%、88.45%和88.32%，年际间也无显著性差异。耐热性敏感品种湖恢628的结实率表型也是如此：其在2018、2019、2020年高温时段的结实率分别为37.87%、38.47%和37.53%，年际间差异不显著；其在这3年的常温结实率分别为74.02%、73.53%和74.92%。3年鉴定结果均表明，湖恢628的高温结实率均极显著地低于丰两优4号（P＜0.01），说明湖恢628在开花期的耐热性要弱于丰两优4号。以上结果表明，相同品种在武汉高温试验点3年的大田鉴定结果可相互验证，试验结果可靠。

2.1.2 指示品种在温室环境下年份间耐热性表型

为了弥补大田自然高温发生的不确定性，我们还利用控温玻璃温室对各材料开花期耐热性进行鉴定（按开花先后顺序对供试材料进行连续5 d高温处理），然后结合前面大田高温结实数据对各材料耐热性进行综合评价。2018—2020年湖北武汉玻璃温室的温度数据见图2，温度条件均达到了高温鉴定标准。2018年高温处理时间段集中在8月1日至12日，期间日均温在33.24℃～34.96℃之间，日最高温在39.10℃～41.50℃之间（图2A）。2019年处理时间段集中在8月1日至15日，期间日均温在33.01℃～34.56℃之间，日最高温在39.05℃～41.02℃之间（图2B）。2020年处理时间段集中在8月1日至15日，期间日均温在33.05℃～34.25℃之间，日最高温在39.02℃～40.90℃之间（图2C）。

温室条件下，对照丰两优4号在2018、2019、2020年的高温时段结实率分别为44.12%、45.62%和44.59%，年际间无显著性差异，其在温室条件下的常温结实率3年间（87.42%、86.74%、86.29%）差异也不显著。湖恢628在2018、2019、2020年的高温结实率分别为24.52%、25.17%和24.57%，年际间差异不显著，其在温室条件下的常温结实率3年间（74.68%、75.28%、73.73%）差异也不显著。湖恢628在温室条件下的高温结实率均极显著低于丰两优4号，说明湖恢628的开花期耐热性要弱于丰两优4号，与大田环境下的鉴定结果相一致。

2.1.3 指示品种相同年份内不同鉴定环境间的耐热性表型

根据试验设置，相较于大田环境，玻璃温室的热胁迫更为严重。如2018年的开花盛期（8月1日至12日），温室的最高温度比大田高1.30℃～4.60℃，平均温度高2.12℃～4.32℃，最低温度高0.60℃～3.70℃；2019、2020年的两种环境下的温度情况也是如此（图1和图2）。丰两优4号在大田中3年高温结实率平均为66.58%，而在温室高温下的结实率平均为44.78%，显著低于大田。湖恢628表现亦如此，其在大田3年的高温结实率平均为37.96%，而在温室高温下的结实率仅24.75%左右。而且，丰两优4号的常温结实率在两种环境下非常接近，均在87.00%左右，而湖恢628的常温结实率表现也是如此，均为74.00%左右。这表明，武汉自然大田、控温玻璃温室可作为水稻品种不同程度（轻度、重度）热胁迫的两种处理环境。

图2 试验点2018—2020年7—8月份玻璃温室温度数据

2.2 不同年度间供试水稻材料的耐热性比较

从表2可见，供试材料中有11.96%的品种（165份次）开花期耐热性强，达到了1级，其中，2018、2019年2020年分别为44份（9.15%）、47份（10.28%）和74份（16.78%），呈现逐年增多的趋势。2018、2019、2020年耐热性表现较强（3级）的品种分别为66.94%、66.08%和67.35%；参试材料中分别仅2.76%和0.44%的品种开花期耐热性表现为较弱（7级）和弱（9级），这与参试品种随着气候变化适应高温能力逐渐增强密不可分。

表2 不同年度间供试水稻材料的耐热性级别概况

2.3 不同类型水稻材料的耐热性比较

从表3可见，参试两系杂交稻达到耐热性强（1级）和较强（3级）的品种比例分别为12.30%和70.27%，三系杂交稻分别为11.30%和62.15%，常规稻分别为11.11%和48.89%。可见，2018—2020年我国长江中下游流域中稻新品种耐热性整体情况是两系杂交稻要优于三系杂交稻，三系杂交稻类型要优于常规稻。

表3 不同类型水稻品种耐热性级别概况较

2.4 不同试验渠道间水稻材料的耐热性比较

从表4可见，国家或省区试、绿色通道试验、联合体试验中耐热性强至较强（1级和3级）的品种比例分别为79.90%、77.80%和78.66%；耐热性较弱至弱（7级和9级）的品种比例分别为3.56%、4.06%和2.29%。可见，这3种试验渠道来源的品种其开花期耐热性整体表现比较相似。

表4 不同试验渠道的水稻材料间耐热性级别概况

3 讨论与结论

3.1 水稻耐热性鉴定方法及评价体系

目前我国水稻品种耐热性鉴定主要基于大田自然高温和人工辅助增温两种处理方法进行[21-26]。其中，前者的生长环境（光照、温度、肥水等）更接近于水稻生产实践，在大田自然高温环境下水稻结实情况能够很好地代表其开花期耐热性[20，23-24]。但大田高温鉴定容易受到局部气候影响，难以保证每年都能遇到高温天气。人工辅助增温（如生长箱、温室等）方法可以灵活控制光温环境，有效保证鉴定效果[21-22]，但人工辅助增温环境与自然大田在生长环境上存在一定差异（湿度、光质、地下部温度、修剪损伤等），人工辅助增温条件下得到的结果还需在大田环境下进行验证[24-25]。如何有效将这两种方法结合起来，有效对供试品种开展开花期耐热性鉴定，这是一个亟待解决的问题。对于大田自然高温方法，选取合适的试验点和播期极其重要，本试验中选取武汉作为试点，利用该地7月下旬至8月上旬这个时间段的大概率高温天气，在近3年均能有效对水稻开花期开展耐热性鉴定，且3年的试验结果非常吻合。对于人工辅助增温方法，首先要保证不同处理环境下材料的生长状况相似，如丰两优4号在大田和温室条件下的常温结实率相差无几（介于86.96%～88.45%），湖恢628也是如此（介于73.53%～74.92%）。在本试验中，玻璃温室相比于大田自然高温环境是热处理更重的胁迫：如丰两优4号在大田高温下的结实率约为67.00%，但在温室高温下的结实率只有45.00%左右；湖恢628表现也是如此。尽管两种环境下的水稻热胁迫程度不同，但通过选用同一对照品种作为参照（对照品种应选用具有区域代表性的主推品种，其常温结实率≥85.00%、田间高温结实率≥65.00%，如丰两优4号、Ⅱ优838、隆晶优华占、荃优雅占等），采用相对耐热系数R（供试材料高温结实率与对照品种高温结实率的比值）作为评价指标可以消除由于不同胁迫程度、不同环境等造成的差异：如以区试对照丰两优4号作为参照，湖恢628在大田环境下的相对耐热系数分别是0.57（2018年）、0.58（2019年）和0.56（2020年）；在温室环境下的相对耐热系数分别是0.56（2018年）、0.55（2019年）和0.55（2020年）。本试验中通过相对耐热系数R对供试的1 379份材料耐热性进行评价表明，有1 326份（占比96%）的品种在两种高温环境下的定级结果相一致。显然，采用相对耐热系数R可以很好对供试水稻品种的耐热性做出相对一致、客观的评价。

3.2 水稻耐热性品种的选育

现阶段我国耐热性强的品种资源相对匮乏，本试验从1 379份供试材料仅鉴定出165份（11.97%）开花期耐热性强（1级）的材料（表2）。这其中，常规稻只有粤禾丝苗、润珠香占、利丰占、荆占2号、美扬香占、华泰丝苗等10份材料，可将这些常规稻作为亲本与其他恢复系杂交培育耐热性强的新型恢复系；或将这些常规稻与不育系广泛测配培育出耐热性强的两系或三系杂交稻。对于耐热性强的杂交稻，通过进一步对其相应的恢复系或保持系进行耐热性鉴定后再作为耐热性育种的材料[26]。胡声博等[1]研究表明，大部分具有相同母本的组合表现出一致的耐热性，本试验中隆两优系列、晶两优系列、荃优系列品种的耐热性整体表现比较优良，这可能预示这些组合的母本隆科638S、晶4155S、荃9311A等不育系具有优良的耐热性配合力，在耐热性水稻品种选育方面具有较大优势[22，24,26]。此外，在水稻耐热性品种选育中还应重视外来种质的利用，如携带耐热基因TT1的非洲栽培稻、东南亚水稻，爪哇稻等，可以拓宽我国水稻日益狭窄的遗传基础[2,21,27]。