水稻抗旱性鉴定研究进展及其展望

杜 娟，钟巧芳，殷富有，刘 丽，张敦宇，李松强，付慧仙，杨得正，江 慧，郑洪健，肖素勤*

（1.云南省农业科学院 生物技术与种质资源研究所，云南 昆明 650205；2.云南农业大学，云南 昆明 650201；3.元江哈尼族彝族傣族自治县乡村产业发展中心，云南 元江 653300；4.会泽县农业技术推广中心，云南 会泽 654200；5.云南大学，云南 昆明 650500；6.昆明学院，云南 昆明 650214）

0 引言

人类的生产生活已经对地球生态环境造成了严重的破坏，且仍在不断加剧。当前，全球气温仍在缓慢地升高，未来极端高温极有可能成为常态化事件［1-2］。全球气候变暖导致干旱正在席卷多国，据联合国最新发布的《2022年干旱数字》报告，2000年以来全球干旱出现的次数和持续时间增加了29%。中国是世界13个水源匮乏的国家之一，淡水资源不到世界人均水量的1/4。水资源的不平衡分布限制了我国农业的可持续性发展，同时也让我国的粮食安全面临严峻挑战［3］。水稻作为我国主要粮食作物之一，播种面积居世界第2位，单产居世界前列，总产量列全球第1位，约占全球产量的 1/3［4］。目前农业用水量占我国用水总量的80%，水稻用水占农业用水的70%左右，主要为灌溉用水［5-6］。在干旱条件下提高粮食产量的途径主要有：一是改善农田水分条件，使之符合生长发育的需求；二是对其自身进行改良，使之适合在干旱条件下生长［7］。对作物进行改良的前提是有一套对作物进行科学有效鉴定的体系，以了解其自身的抗旱特性。

1 水稻抗旱性及抗旱机制概述

作物的抗旱性是由多个基因控制的，也是多途径的。不同研究者对作物抗旱性的概念理解不同。金善宝［8］指出一个品种在特定地区的抗旱性表现是由自身的生理抗性和结构特性、生长发育进程的节奏与农业气候因素变化相配合的程度决定的。Turner［9-10］认为作物的抗旱性是指在周期性缺水时仍能正常生长并结实的能力，以及在干旱条件下能获得足够产量的能力。水稻的抗旱性综合性强，除自身含多种抗旱机制外，还与生长环境互作。水稻抗旱通常是以某一种机制为主，协同多种机制来降低干旱胁迫造成的损失［6］。胡标林［11］认为水稻抗旱性是指在大气干旱和土壤干旱条件下仍可正常生长发育、结实并能获得一定产量的能力，是基因遗传、生长环境因子以及两者相互作用的结果，是一个极其复杂的性状。

水稻的抗旱机制大体可分4类，即逃旱机制、避旱机制、耐旱机制和复原抗旱机制［6，12-15］。逃旱机制指水稻在长期的自然选择与进化过程中形成的逃避干旱的能力，如缺水前快速开花并完成生殖生长（提前抽穗扬花）［8,16］；避旱机制指水稻在干旱环境下通过强壮发达的根系吸取水分或关闭气孔来降低水分损失、保持高水势的能力；避旱机制指水稻具有忍受长期轻度或短期严重缺水的能力，可通过改变渗透调节能力等方式来维持低水势下水稻的膨压；复原抗旱机制指水稻在经过短期干旱胁迫后的恢复能力，可通过测定水稻幼苗叶片离体24 h后的含水量变化和统计短期内秧苗经严重水分胁迫再复水后的存活率来评估［17-18］。

2 水稻抗旱性鉴定时期

水稻起源于沼泽地带，根据水稻生长发育过程可将其分为营养生长期与生殖生长期2个阶段，前者包括种子发芽、分蘖以及根、茎、叶的发育；后者包括幼穗分化、孕穗、抽穗开花、灌浆结实，其中穗分化、孕穗和抽穗期是营养生长期与生殖生长期的并进阶段［19-21］。前人研究表明，在发芽期、苗期、分蘖与孕穗期、抽穗期、开花期及整个生育期都可以对水稻抗旱性进行鉴定。

敬礼恒等［22］在种子萌发期以12个抗旱性不同的水稻品种为材料，采用20% PEG溶液人工模拟干旱处理，在萌发期以种子萌发抗旱指数为抗旱性鉴定的主要指标，对参试材料进行鉴定后发现陵两优211的抗旱性最强。胡标林等［23］在苗期对包括东乡野生稻及其渗入系在内的66份水稻材料进行抗旱性鉴定，利用主成分分析和逐步回归分析法进行苗期抗旱性综合评价，结果表明株系1949最为抗旱，并提出东乡野生稻可作为水稻抗旱遗传改良的宝贵资源。周广生［13］在分蘖期与孕穗期对水稻的不同品种进行干旱处理，计算抗旱系数，并结合主成分分析、隶属函数分析、权重的确定等方法，结果表明抗旱性综合评价值D越大，不同品种在分蘖期与孕穗期的抗旱性越强。张灿军等［24］提出抽穗期卷叶程度越小，抗旱性越强。王贺正等［25］在开花期对10个水、旱稻品种（组合）进行水分胁迫并测定，根据抗旱系数大小对10个试验品种进行排序，发现巴西陆稻的抗旱性最强，其次为冈优527、杨旱1号、汕优63等。胡运高等［26］在水稻幼苗期和全生育期进行耐旱鉴定，最后提出了苗期和全生育期耐旱性鉴定的分级标准。

3 水稻抗旱鉴定常用方法

进行水稻抗旱性鉴定时通常需要人为创造条件，适宜的干旱胁迫环境是准确鉴定抗旱性的基础［27］。当前水稻抗旱性鉴定方法主要包括自然环境鉴定法、人工模拟干旱环境法（盆钵栽法、生长箱或人工气候箱法及实验室鉴定法等）和分子生物学法，每种方法各有其优缺点，可根据研究目的的不同选取适宜的鉴定方法进行抗旱性的精准评价。

3.1 自然环境鉴定法

自然环境鉴定法即田间鉴定法。通常将待鉴定的材料直接种植于大田，以自然降雨为主、人工灌溉为辅，营造不同的干旱胁迫环境，分析其对水稻生长或产量性状的影响，用以评价品种的抗旱性［28］。该方法简单易行，可以真实地反映作物在不同干旱胁迫下的生长状况和产量指标，不需要特殊设备，不受场地限制，可进行大规模鉴定，鉴定结果与田间表现基本一致，符合育种实践和水稻品种抗旱性筛选需求，常受到育种家们的青睐。但大田易受环境条件（降雨量、湿度、温度等）变化的影响，年际间重复性较差，需要多年鉴定才能评价出材料的抗旱性，因而存在工作量大、耗时、结果重复难、可比性差等缺点。

3.2 人工环境间接鉴定法

3.2.1 干旱棚、生长箱或人工气候温室法 将鉴定材料种植于可人为控制光照、温度、水分和湿度的生长箱、干旱棚或人工气候室内，通过控制土壤水分含量和空气湿度来创造不同的干旱胁迫环境，再测定不同干旱胁迫处理下植株的农艺性状、生理生化指标和产量性状，借此来评价其抗旱性［29］。该方法的优点是不受环境影响，数据重演性好，可进行不同年份的比较，干旱程度也可自行选择，结果简单可靠，适宜对少量材料进行系统深入的抗旱研究；缺点是因干旱棚、生长箱或人工气候室内的面积有限，设施设备要求高，只能对少量材料进行研究，离实际生产也有一定差距，不能反映大田试验的真实结果。经该方法鉴定的材料若要进行推广，仍需要进行大田验证，因此该法一般用于抗旱生理研究。

3.2.2 盆钵栽鉴定法 按照培养基质的不同可分为沙培、水培、土培3类，且在自然条件下旱棚或人工气候室都可实施。盆栽法多采用反复干旱法，选择长势一致的材料进行干旱胁迫处理，当部分幼苗永久萎蔫时进行复水，存活后再继续干旱胁迫使之萎蔫，设置2~3次重复后，以幼苗叶片或分蘖叶片转为鲜绿色为存活标志，调查植株的存活率［23］。此方法的重复性好，但因根系生长受限与大田试验有差异，常见于苗期抗旱性鉴定。

3.2.3 实验室间接鉴定法 常采用不同浓度的高渗溶液（如蔗糖、葡萄糖、聚乙二醇等）对萌发期或苗期种子进行干旱胁迫处理，进而造成其生理干旱。通过测定形态指标、生长发育指标及生理生化指标来评价其抗旱性［22,30-31］。此法可大批量地筛选供试材料，重复性好，且能克服自然环境鉴定法和人工环境鉴定法鉴定周期长、易受环境影响等缺点。因此，研究者们都试图通过实验室间接鉴定法对水稻的抗旱性进行评价。然而这些指标会因生育期、环境不同而有所差异，所以任何单一指标都不能全面评价供试材料的抗旱性，必须进行多指标综合性评价。

3.3 分子生物学鉴定法

随着分子生物学技术的不断发展，水稻抗旱性研究成果也在不断丰富，如利用SLAF-seq、GBS-seq、RAD-seq等简化测序技术，采用SSR、SNP等分子标记构建图谱定位抗旱基因，并设计出与之紧密连锁标记等方法，都已应用于抗旱性鉴定［32-33］。分子生物学鉴定法能够准确快速地对大批量抗旱材料进行鉴定，但必须建立在已根据相关性状筛选出抗旱材料的基础上，并且该方法鉴定成本较高。

4 水稻抗旱鉴定常用指标

目前水稻抗旱性鉴定常用指标大体可分形态与生长状况指标、生理生化指标、产量指标和综合指标。

4.1 形态与生长状况指标

干旱胁迫对水稻最直接的影响表现在形态与生长状况指标（根、叶、株高等）上。根系起着支撑和汲取养分的作用，强壮发达的根系可以提高植株吸水效率，缓解旱情，对水稻抗旱性起着关键性作用。王育红等［34］对旱稻苗期的10个抗旱指标进行了研究，结果表明根基粗、根干重、根长、根冠比可用于旱稻苗期抗旱性鉴定。石晗［35］对不同类型水稻进行了苗期抗旱性鉴定，结果表明在干旱条件下，存活率与叶片抗衰度、叶片相对含水量、心下倒1叶宽、茎叶鲜重等显著相关，其中叶片抗衰度可作为水稻苗期抗旱性的关键形态指标。目前，形态与生长状况指标多用于苗期的抗旱鉴定。

4.2 生理生化指标

干旱对水稻的影响会发生在各时期，形态与生长状况只是明显的外在表现，但干旱本质上是影响植株的光合作用、呼吸作用、水分和营养的吸收运输等过程。王泽杰等［36］研究表明，干旱胁迫下光合速率会下降从而导致叶片水势降低，最终导致光合作用完全停止。在相同条件下，抗旱性强的水稻品种光合速率会增加。程建峰等［37］研究表明，水稻抗旱能力不但与叶绿素含量有关，还与叶绿素a/b的比值有关，比值越大，则抗旱能力越强。王贺正等［38］利用干旱棚对水、旱稻品种开花期进行了抗旱性鉴定，结果表明游离氨基酸、丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性相对值可作为抗旱鉴定指标。但由于生理生化指标受胁迫时间、胁迫强度、测定时间、测定所用仪器设备等因素的影响，因此不同研究者得出的结论会有差异。

4.3 产量指标

水稻抗旱性鉴定的目的在于培育高产、抗旱性强的品种。干旱胁迫会抑制水稻的生长发育，导致产量下降。常用于直接评价水稻抗旱性的产量指标有抗旱指数、抗旱系数和胁迫系数等。干旱造成的水分胁迫会影响水稻的灌浆，从而导致千粒重和结实率下降。王育红等［39］对11个旱稻的全生育期生理形态指标进行了观察测定，综合分析结果表明抗旱指数可作为评价旱稻抗旱性的重要指标；相对株高、相对结实率、叶片萎蔫度(抽穗期)和相对穗粒数与抗旱系数呈极显著相关。但抗旱系数容易受年度间气候条件的影响而出现较大波动，重复性较差。因此，水稻的抗旱性强弱可以作为干旱条件下是否稳产高产的依据。

4.4 综合指标

水稻的抗旱性是由多基因控制的复杂数量性状。Lveitt［40］指出：抗旱性是植物各种环境胁迫的抗性鉴定中最难测定的，并且没有一种方法能准确测出植物的各种抗旱性。因此，近年来研究者们多利用综合评价法进行抗旱性鉴定［13,41］。胡标林等［42］研究表明单株分蘖数、单株有效穗数、穗实粒数、千粒重、株高、叶片相对含水量等性状可作为全生育期抗旱性鉴定的综合指标。张军等［29］测定了7份喀麦隆水稻种质资源在干旱胁迫下萌发期的发芽势、发芽率、芽鞘长、芽长、根数目和根鲜重，并用加权隶属函数法进行抗旱性综合评价，结果表明以上指标可用于筛选水稻抗旱育种的种质资源。综上所述，在对水稻进行抗旱性鉴定时，应对产量、形态和生理生化等指标进行综合分析，才能科学有效地评价材料的抗旱性，使之与实际情况更为接近。

5 水稻抗旱性鉴定常用的分级方法

5.1 抗旱总级别法

抗旱总级别法是将每个鉴定指标的测定数据分为4~5级，再将同品种的各指标级别值累加，通过累加值来辨别品种间的抗旱性强弱［43］。王育红等［34］测定了旱稻苗期反复干旱胁迫后幼苗的存活率、株高、叶片萎蔫度及根部性状等10项抗旱指标，通过抗旱总级别法对9个旱稻品种进行抗旱性比较鉴定，得出的结论与生产实际情况相符。

5.2 抗旱隶属值法

实际上，抗旱隶属值法就是把测量的各个单项指标转化成少数新的综合指标，即将各个品种各指标的抗旱隶属值进行累加，计算加权平均值，加权平均值越大，说明该品种的抗旱性越强［44］。石晗［35］以不同国家不同地区的水稻为研究材料，测定了与苗期抗旱性相关的21个形态指标，并进行综合分析，然后以抗旱平均隶属度进行分类，筛选出4份强抗旱性材料，47份中抗旱性材料。

5.3 灰色关联度分析法

可以利用灰色关联度对鉴定指标进行筛选，以高效的抗旱指标来评价植株抗旱性的强弱。孟宪梅等［45］测定并综合分析了不同水稻品种苗期的淀粉酶的活性、游离脯氨酸含量、叶绿素含量、细胞膜透性、根系吸收面积等生理生化指标，并利用灰色关联分析法初步确定了品种间抗旱性的强弱。

5.4 抗旱性聚类分析法

根据多项指标所测数据对供试材料进行系统聚类。根据聚类图将参试材料分成不同等级，如抗旱性强、抗旱性中等、抗旱性弱［46］。于艳敏等［47］比较了黑龙江省主栽粳稻品种苗期的抗旱性，采用欧氏—最长距离法对24个水稻品种幼苗在干旱胁迫下的反复干旱平均存活率进行系统聚类分析，得出9份材料抗旱性较强，8份抗旱性中等，7份抗旱性弱。

6 水稻抗旱性研究展望

现今，水稻新品种的选育因定向选择已过滤掉大量潜在的优良基因，不仅造成现代栽培稻品种遗传基础狭窄，同时也缺乏对各种病虫害及非生物胁迫的抗性或耐性，加之近些年极端气候事件出现频率上升，且呈无规律变化，因此，由干旱造成的水稻产量损失日益严重［48-49］。干旱胁迫影响水稻发育的各个生育期，严重时甚至导致水稻死亡。近些年，在极端气候和水资源匮乏的双重影响下，干旱已成为影响我国水稻产量的主要非生物因素之一。因此，现今培育抗旱水稻品种的主要思路是在提高抗旱性的基础上增加产量。全面了解水稻抗旱性鉴定方法，确定可行的抗旱筛选指标及评价体系，再结合当地旱灾发生的大致时间，总结出水稻不同生育时期的抗旱规律，选育出抗旱性强的水稻品种，合理有效地对水分供给进行调配，是培育抗旱水稻品种的有效途径。也有育种者通过人工杂交转育或将远缘物种的抗旱基因导入栽培稻中，以此来在保持水稻高产的基础上增强抗旱能力［50］。此外，研究者们历经多年实践，证明野生稻51历经各种灾害和不良环境后具有抗多种非生物胁迫（比如干旱）的优良特性，可加强对野生稻优良抗旱基因进行发掘利用，再结合分子标记辅助选择和转基因的方法来提高主栽品种的抗旱性，以期为水稻抗旱育种提供有力支撑。