低温胁迫后强反弹性生长型早稻材料的筛选

王 珲 钟 蕾 付晓全 施 翔 胡丽芳 蔡怡聪 贺浩华 陈小荣

（江西农业大学农学院/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西省超级稻工程技术中心/双季稻现代化生产协同中心，江西南昌 330045）

水稻直播指未进行育秧、移栽，直接播种建立大田植株群体的栽培方式［1-2］。与育苗移栽相比，水稻直播具有明显的省工、省力、高效等优点，并有利于机械化操作［3-5］，因此在全国各地受到普遍推广［6-7］。目前我国直播稻播种面积约占全国水稻播种面积的1/3［8］。然而，南方双季稻区早稻直播易受倒春寒等低温阴雨冷害威胁，《GB/T 34816-2017倒春寒气象指标》［9］将倒春寒定义为3—5月出现的前暖后寒，且后期气温明显低于正常年份的现象；同时以前期偏暖程度、后期偏冷程度以及持续天数将倒春寒分为重、中、轻三种等级。以往有关倒春寒对稻苗的影响研究主要集中于烂芽死苗［10-11］以及稻株对低温的抗、耐性问题［12-14］，未考虑全球气候变暖背景下重度倒春寒占比下降，中、轻度倒春寒占比上升这一变化特征。而中、轻度倒春寒对稻苗的影响主要表现为胁迫后生长恢复缓慢，特别是由于秧苗长势弱，杂草竞争优势相对增强，且施用除草剂易对弱小稻苗产生较大伤害［15-17］，因此低温阴雨后往往伴随草害问题，严重威胁早稻直播生产。

有研究指出，植物在生长期内经历一段时间非致死性逆境胁迫，其内部机制会对外界胁迫做出积极响应以渡过胁迫，待环境条件恢复正常后通常会出现短暂性快速生长现象，被称作“补偿性生长”或“反弹性生长”［18-19］，同时补偿性或反弹性生长的效果与植物类型及品种有关［20］。易子豪等［21］选用6个水稻品种于苗期模拟水分亏缺，发现轻度干旱所引发的生长补偿性效应有利于提高秧苗素质，使株高、叶面积及干物质积累量快速增加。段素梅等［22］研究发现，适度干旱有利于提高水稻植株活性氧清除酶活性，并使其在复水后仍维持在较高水平，有利于延缓叶片衰老，同时发现孕穗期水稻干旱复水后仍能快速恢复生长。虽然以往研究中也注意到水稻经低温胁迫回温后生长恢复的品种间差异性［23-24］，但迄今鲜见关于低温胁迫后水稻强反弹性生长材料筛选的相关报道。据此，本研究选取131份早稻材料，采用人工气候室模拟试验筛选经低温弱光胁迫的后强生长恢复型材料，以期为直播早稻应对倒春寒低温弱光胁迫的育种与栽培调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用水稻品种来源见表1，共131份，其中NC1～NC97为江西农业大学作物生理生态及遗传育种实验室自育的农艺性状稳定的籼型水稻常规品系。表1中GP编号为昌恢T025等恢复系与协青早B//协青早B/东乡野生稻BC1F13杂交育成［25］，B034～B1044为部分保持系、新选育的常规株系，还有部分常规早稻品种。

表1 (续)

表1 (续)

表1 不同供试水稻品种来源、综合指标值及综合排名Table 1 Sources，D values and overall ranking of rice varieties used in the experiment

1.2 试验设计

试验于2021年在江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室人工气候室，采用塑料桶桶栽方式进行。塑料桶规格为上部直径19 cm，底部直径12 cm，高13 cm，试验所用土壤为稻田浅层的耕作土壤，取土后堆放于基地院中自然晾晒风干，用FT-1000A土壤粉碎机（山东安博仪器股份有限公司）粉碎，过100目网筛，每桶装土2.5 kg，施复合肥（N-P-K=15%-15%-15%）1 g，播种前一周用水浸泡待用。土壤pH值为5.4，有机质含量为32.8 g·kg-1，全氮含量为0.174%，有效氮、磷、钾含量分别为113.0、17.3和108.4 mg·kg-1。试验开始前将水稻种子用3%的次氯酸钠溶液进行消毒（20 min），用自来水冲洗3次，置于发芽袋中清水浸种（30℃）直至露白。

试验条件依据《GB/T 34816-2017倒春寒气象指标》［9］和江西省倒春寒发生情况［26-27］制订。本试验共进行两期，第一期于4月7日播种，4月14日（2叶至3叶期）进行轻度倒春寒模拟处理，追踪低温弱光逆境胁迫后的幼苗生长恢复情况，对照组条件：6：00—18：00恒温28℃，光合有效辐射533µmol·s-1·m-2；18：00—次日6：00恒温25℃，黑暗处理，湿度为75%；试验组条件：6：00—18：00恒温14℃，光合有效辐射267µmol·s-1·m-2（对照组的50%），18：00—次日6：00恒温10℃，黑暗处理，湿度为75%，处理持续4 d后恢复为与对照组一致。第二期于11月21日播种，10月28日（2叶至3叶期）进行中度倒春寒模拟处理，对照组条件与第一期一致；试验组条件：6：00—18：00恒温12℃，光合有效辐射267 µmol·s-1·m-2（对照组的50%），18：00—次日6：00恒温8℃，黑暗处理，湿度为75%，处理持续4 d后恢复为与对照组一致。处理结束后从0 d开始，每3 d进行一次数据测量，共5次（0～12 d）。

1.3 测定项目与方法

由于植株对胁迫的耐受性及胁迫结束后植株的恢复能力有所不同，本研究将关注点集中在中、轻度非致死倒春寒胁迫后幼苗生长恢复情况，选择幼苗生长的动态情况作为筛选指标。两种处理下每种材料分别种植3桶，取样时从每桶分别选出3株长势均匀一致的水稻幼苗（共9株）进行调查，用直尺测量株高，同时根据完全叶数量以及新叶抽出长度占相邻下一片完全叶百分比统计叶龄，参考文献［28-29］计算以下相关指标。

式（1）～（6）中，j=1，2，3，……，n；Xj和μ(Xj)分别代表第j个指标的主成分值与隶属函数值；Xmax与Xmin分别为第j个主成分的最大、最小值；Wj为第j个综合指标所占权重；Pj为主成分分析所得的第j个指标综合贡献率；D为综合指标计算所得恢复能力综合评价值。

1.4 数据处理及统计分析

使用SPSS 26.0、Excel 2016及GraphPad Prism 8软件进行数据处理、主成分分析以及聚类分析等相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫后水稻恢复生长指标间相关性分析

处理后当天开始每3 d进行一次取样计算，共5次，将每次所得株高比、叶龄比及生长速度按时间先后顺序依次记作株高比1～5（X1～X5）、叶龄比1～5（X6～X10）及生长速度1～4（X11～X14），并以此作为标准进行统计学分析。由表2可知，株高比（X1～X5）与叶龄比（X6～X10）之间除X1与X6、X7、X9以及X2与X7外，其余各指标之间均存在显著或极显著正相关关系，其中X4与X8之间相关系数最大，为0.460。相较叶龄比，株高比（X1～X5）与生长速度（X11～X14）之间存在更多相关性不显著指标，特别是X14，仅与X4之间存在极显著负相关，其中X1与X11之间相关系数绝对值最大，为0.549。叶龄比（X6～X10）与生长速度（X11～X14）间大部分指标无显著相关性，仅有X8与X13、X14以及X10与X14之间存在显著或极显著相关关系，其中X8与X14之间相关系数绝对值最大，为0.294。各指标间相关性分析结果表明，较多指标间存在显著或极显著相关性，会使其提供信息产生一定程度的重叠，但水稻胁迫解除后的恢复能力作为较为复杂的综合性状，难以用单项指标直接准确地进行恢复能力的评价，因而可利用主成分分析对各种质资源胁迫解除后的恢复能力进行进一步综合评价。

表2 低温胁迫后水稻秧苗期恢复能力指标间的相关系数Table2 Correlation coefficients of rice seedling stage recovery capacity indicators after low temperature stress

2.2 低温胁迫后水稻恢复生长指标主成分分析

以上述项目（X1～X14）为指标进行主成分分析，并以特征值大于等于1作为依据，共得到5个主成分。表3为各主成分特征值及贡献率，其中主成分1、主成分2、主成分3、主成分4和主成分5的特征值分别为4.459、2.314、1.598、1.344和1.104，贡献率分别为31.850%、16.530%、11.415%、9.601%和7.883%。5个主成分特征值均大于1且累积贡献率达到77.278%。因此将特征值小于1的综合指标舍去，以前5个主成分作为相互独立的新指标对原有指标作出概括。

表3 各综合指标特征值及贡献率Table 3 Eigen values and proportion of comprehensive indexes

表4为所用筛选指标载荷矩阵，其中第1主成分（CI1）中，株高比3～5及叶龄比3、5的特征向量都较高，分别为0.709、0.815、0.705、0.701、0.709，可作为第1主成分的主要作用因子；第2主成分（CI2）中，株高比1、生长速度1、3的特征向量较高，分别为-0.616、0.621、0.615，可作为第2主成分的主要作用因子；第3主成分（CI3）中株高比2和生长速度2的特征向量较高，为主要作用因子；第4主成分（CI4）中叶龄比1及生长速度1、3为主要作用因子；第5主成分（CI2）中的主要作用因子则为生长速度4。

表4 各因子载荷矩阵Table 4 Loading matrix of each component

2.3 隶属函数及各材料胁迫后生长恢复能力综合评价

以上述5个综合指标（CI1～CI5）为基础进行各材料隶属函数值计算，用SPSS 26.0软件对数据进行标准化处理后利用公式（3）计算出隶属函数值μ（Xj）。再根据5个综合指标贡献率以及公式（4）可得出各综合指标权重，分别为0.412、0.214、0.148、0.124、0.102。最后根据公式（5）计算各材料的综合得分D值（表1）。

D值可作为判断低温弱光胁迫后恢复能力强弱的依据，D值越大说明该材料恢复能力越强。对D值进行排序后即可得到各材料相应排名。分别选取D值排名前5位与后5位为高D值材料与低D值材料，高D值材料为B562、B592、B556、早R472、B1044，均大于0.69，其中B562的D值最高，为0.699，说明其综合恢复能力最强。低D值材料为NC67、B924、B1017、NC8、B811，均小于0.29，其中B811恢复能力最弱，D值为0.265。

2.4 各材料胁迫后生长恢复能力聚类分析

以D值为依据，利用平方欧式距离对各材料进行系统聚类分析，将各材料按D值大小分为3类。由图1和表1可知，第Ⅰ类D值范围在0.435～0.544之间，共有56份材料，为强恢复性材料；第Ⅱ类D值范围在0.571～0.709之间，共有49份材料，为中等恢复性材料；第Ⅲ类D值范围在0.265～0.415之间，共有26份材料。

图1 基于D值的131份水稻材料聚类分析结果Fig.1 Results of clustering analysis for 131 rice materials based on D value

2.5 高D值材料与低D值材料各项指标差异

根据综合评价结果，分别从3个类别中选择D值最高及最低的3份材料进行筛选指标的差异显著性分析（图2）。第Ⅰ类（高D值材料，highDvalue materials，HDM）中所选材料为B562、B592、B556、B631、NC29、B773，第Ⅱ类（中等D值材料，mediumDvalue materials，MDM）中所选材料为NC42、NC65、NC39、NC57、NC78、B034，第Ⅲ类（低D值材料，lowDvalue materials，LDM）中所选材料为B125、NC54、B795、B1017、NC8、B811。由图2可知，三类材料株高比在第0天较为接近，均无显著差异，后续恢复过程中（第3～第12天）HDM与LDM间差距逐渐增大并始终存在显著差异，HDM与MDM间株高比较为接近，仅在第6天出现显著差异。叶龄比方面，各材料变化趋势存在差异，HDM、MDM叶龄比分别在第3、第9天达到最高，同时两种材料叶龄比差距随着恢复时间的延长而不断缩小；LDM与HDM间叶龄比整体始终存在显著差异，LDM与MDM在第0、第9、第12天存在显著差异。生长速度方面，各类材料的生长速度最高值出现时间并不一致，D值越低，最高生长速度出现时间越晚，同时平均生长速度也越低。

图2 低温弱光胁迫下高D值材料与低D值材料苗期各项形态指标差异Fig.2 Differences of morphological indicators between high and low D value materials at seedling stage under low temperature and weak light stress

2.6 中度倒春寒后各材料恢复能力的验证

为验证轻度倒春寒筛选试验结果是否适用于中度倒春寒，选出强恢复型材料2份（B562、B116）和弱恢复型材料2份（B144、B811）于人工气候室进行中度倒春寒模拟胁迫，对各材料恢复能力进行进一步鉴定。由图3可知，无论是轻度或是中度倒春寒胁迫，两种不同恢复型材料在各个筛选指标间均存在较大差异。在轻度胁迫后，两种恢复型材料株高比随着恢复时间的延长均表现出升高趋势，其中强恢复型材料恢复速度明显快于弱恢复型材料，在第12天时株高比甚至大于1。在中度胁迫后，强恢复型材料恢复速度明显减缓，难以快速恢复，同时弱恢复型材料株高比始终稳定在较低水平，无法恢复。叶龄比方面，随着恢复时间的延长，轻度胁迫下各材料变化趋势与株高比相似，而中度胁迫下弱恢复型材料随着恢复时间的延长表现出先降低后升高的变化趋势，在恢复后期与强恢复型材料接近。生长速度方面，随着恢复时间的延长轻度胁迫下各材料变化趋势与图2-C中不同恢复能力材料生长速度表现相似，而中度胁迫下强恢复型材料表现出先降低后升高的趋势，弱恢复型材料则表现出先升高后降低的趋势，同时两种材料变化拐点均出现在第6～第9天之间。

图3 轻度及中度倒春寒模拟试验下各材料筛选指标差异Fig.3 Differences in screening indexes among materials under mild and moderate“abnormal coldness in spring”simulation tests

3 讨论

低温胁迫是造成水稻减产的重要因素之一。水稻苗期遭遇低温胁迫可能会导致其生长减缓、发育不良甚至死亡［30-31］。而倒春寒等低温弱光复合胁迫对中国长江中下游双季稻区早稻生产具有极大危害，低温弱光复合胁迫过后，因水稻幼苗无法快速生长，对田间杂草形成遮荫及营养竞争压迫等，常常伴随严重草害问题［32-33］。筛选具有胁迫后快速生长恢复能力的种质资源是解决此类问题的直接手段。以往研究大多是针对水稻苗期耐寒性，且多以植株生理生化指标作为筛选依据，难以大规模应用［23-24，34］。本研究发现，水稻在苗期经低温弱光胁迫后叶色变淡，且不同材料间差异较小。考虑到人为评价叶色深浅准确度较低，而对其精确量化操作复杂，不利于大规模应用，同时水稻幼苗的生长恢复能力是由多种因素决定的复杂数量性状，用单一指标进行评价具有一定的局限性，因此本研究以胁迫后水稻幼苗株高、叶龄的动态指标为基础，通过分析得出株高比（处理/对照）、叶龄比（处理/对照）与生长速度，并以此为筛选指标，尽可能避免因品种差异导致的单个指标间差异较大的情况，以提高筛选的准确性。主成分分析能够把多个单项指标转化成数目少且相对独立的新综合指标，从而避免指标间相关程度高导致的信息重叠问题，对于数量性状的综合评价分析有较好的适用性［35-36］。本研究将14个指标通过主成分分析及隶属函数分析计算得出D值，可以对各材料进行合理的概括，同时聚类分析能够根据综合评价指标D值对不同材料进行精确分类，直观地展示出材料间的分类关系。

本研究发现，部分材料如B676，处理结束当天生长情况一般，对低温弱光耐受性较差，但后期恢复速度快，综合得分高，表明早稻材料的低温耐性与生长恢复性可能存在不同机制，不仅要重视材料的低温耐受性，还应考虑低温胁迫后的生长恢复性能。同时对各材料低温胁迫处理后的恢复生长速度进行统计发现，绝大部分材料生长最快时间段集中在0～9 d，特别是0～3 d之间，因此在栽培上应利用这一段黄金期，在低温解除后尽快补充速效肥等以加速作物生长恢复。

目前，国内有少量研究开始注意到冷后稻株生长恢复问题，如赵杨等［23-24，37］对水稻苗期耐寒性及生理机制的研究发现，低温胁迫后幼苗部分生理指标的恢复存在明显的品种间差异，同时低温下幼苗叶片的生理响应相较于根系更为迅速，耐寒品种生理响应比冷敏感品种更为迅速。考虑到全球气候变暖背景下致死性重度倒春寒发生频率较低，如郭瑞鸽等［26］基于江西省87个气象站1961—2018年的气温数据，研究发现近30年江西省全省直播早稻重度倒春寒灾害呈下降趋势，中、轻度倒春寒占比明显上升。因此，本研究重点关注非致死性中、轻度倒春寒低温（常常伴随阴雨天气过程）胁迫后早稻快速恢复问题，而对于重度倒春寒胁迫后是否存在相同反弹性生长的现象，或是否存在低温阈值等问题还有待进一步深入研究。

本研究发现，在中度倒春寒模拟试验下，强、弱恢复型材料间仍会出现较大差异，表明轻度倒春寒试验下的筛选结果在中度倒春寒下仍具有一定适用性，但相比于轻度倒春寒，中度倒春寒下各材料均无法恢复至对照水平，同时在试验过程中出现部分死苗，各材料之间死苗率也存在一定差异，表明水稻幼苗反弹性生长存在一定限度，中度及重度倒春寒易对早稻幼苗造成难以恢复的伤害，生产中应通过一定的措施进行预防或补救以减少损失。

4 结论

本试验通过对水稻幼苗进行轻度倒春寒模拟胁迫，以胁迫结束后的株高比、叶龄比、生长速度动态变化指标作为筛选依据，利用主成分分析、隶属函数值及聚类分析等方法，将131份材料按胁迫后恢复能力差异分为强（共56份）、中（共49份）、弱（共26份）三类，同时发现轻度胁迫中筛选出的强恢复型材料在中度倒春寒胁迫后也表现出一定的快速恢复特性，表明上述方法进行低温胁迫解除后强反弹性生长型早稻材料的筛选是可行的。