抽穗開花期高溫對東北粳稻花粉育性及結(jié)實(shí)率的影響

于江輝 ，趙 森 ，周 浩 ，孟秋成 ，蔣建雄 ，肖國櫻

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410125）

近年來，由于受到溫室氣體影響，全球氣溫普遍升高[1]。水稻雖屬喜溫作物，但極度高溫對其開花受精影響很大，此時遭受高溫脅迫可造成花粉不育，易形成空秕粒，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率和千粒重降低而使產(chǎn)量嚴(yán)重下降[2]。研究認(rèn)為，35℃是抽穗開花期間影響結(jié)實(shí)率的臨界溫度[3]。前人以結(jié)實(shí)率、熱害指數(shù)等為篩選指標(biāo)，得到了耐高溫材料早粳1號、黃花占、T 266等，以及高溫敏感材料K 1722、雙桂1號、T 219等[4-8]，但關(guān)于東北粳稻耐高溫脅迫的研究相對較少。

我國長江中下游地區(qū)早稻在3～4月份秧苗期可能受到異常低溫冷害，在6月份抽穗開花期又可能受到異常高溫?zé)岷?，?yán)重影響水稻產(chǎn)量。東北粳稻苗期耐低溫能力較強(qiáng)，如果能從中篩選到抽穗開花期耐高溫的品種，并引種到長江中下游地區(qū)作早稻種植，就能同時減輕早稻苗期受低溫脅迫和抽穗開花期受高溫脅迫的危害。試驗(yàn)以34份東北粳稻和2份對照早秈稻為材料，研究高溫脅迫對其花粉育性和結(jié)實(shí)率的影響，以期為東北粳稻在長江中下游作早稻種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

東北粳稻 34 份：08M8、G19、USSR5、北 04-20、長白9號、長白10號、長粒香、長選10、東稻1號、東稻2號、東稻3號、東農(nóng)03-33、東農(nóng)03-44、東農(nóng)415-1、東農(nóng) 415-2、東農(nóng) 416、東農(nóng) 9213、東農(nóng) 428、敦內(nèi)稻、富士光、合江195、吉粳1、吉粳2、吉粳3、吉粳88、吉粳803、平粳8號、龍粳 21號、龍粳 5號、千重浪2號、沈禾57號、綏粳4號、遼星1號、沈農(nóng)9816。對照早秈稻2份：熱敏感品種4628、耐熱品種996[9]。

1.2 方法

土壤裝盆后每盆加油菜餅枯40 g拌勻、腐熟30 d左右。34份東北粳稻和2份對照材料浸種1 d后38℃恒溫箱中催芽2 d，種子破胸后于2011年4月9日播種到試驗(yàn)田，25 d后選取生長基本一致的幼苗移栽至盆中，每盆5株，每品種6盆。常規(guī)肥水管理和病蟲害防治。始穗期每品種取4盆在PGW-40型人工氣候箱進(jìn)行連續(xù)5 d高溫處理（表1），處理完后放回自然條件下生長，一直在自然條件下生長的另2盆作為對照。采用ZDR-20型溫濕度連續(xù)記錄儀記錄實(shí)際溫度和相對濕度。

表1 高溫處理方案

各品種常溫和高溫處理材料分別取3穗，每穗取穎花6朵（上、中、下分別取2朵），分別用0.1%I2-KI染色測定法[10]在200倍顯微鏡下進(jìn)行花粉育性檢測，每穗觀察3個視野，每個視野約100?；ǚ?。其中不染色、染色淺、部分染色、皺縮和空秕的畸形花粉為不育花粉，染色深、飽滿圓形花粉為可育花粉?？捎龋?）=可育花粉/（可育花粉+不育花粉）×100。蠟熟期分別收取自然生長和高溫處理的穗子，考查每穗的實(shí)粒數(shù)、總粒數(shù)、千粒重、單株穗數(shù)。結(jié)實(shí)率（%）=實(shí)粒數(shù)/總粒數(shù)×100，熱害指數(shù)=（自然結(jié)實(shí)率×高溫結(jié)實(shí)率）/自然結(jié)實(shí)率[11]，單株產(chǎn)量（g）=每穗實(shí)粒數(shù)×單株穗數(shù)×千粒重/1 000。

采用Excel 2007、DPS 8.01對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)溫度監(jiān)測記錄，在自然條件下生長的東稻3號、吉粳1、吉粳88、吉粳803、沈農(nóng)9816在抽穗開花期均受到日最高35℃以上、日均溫30℃以上的高溫脅迫，造成對照數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，將其剔除，只對剩余31個品種的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 高溫處理對花粉育性的影響

從圖1可知，高溫脅迫使各品種的花粉育性均下降，但下降幅度品種間有差異。東農(nóng)03-33、東農(nóng)03-44、長白9號、龍粳21號、東稻2號、綏粳4號、長白10號、平粳8號的花粉育性下降幅度較大（＞70個百分點(diǎn)），說明這些品種花粉對高溫較敏感。G19、北04-20、東稻1號、龍粳5號的花粉育性下降值較?。ǎ?0個百分點(diǎn)），說明這些品種花粉耐高溫能力較好。其中只有北04-20下降幅度（2個百分點(diǎn)）小于耐熱品種996（7個百分點(diǎn)），熱敏感品種4628的花粉育性也只下降了14個百分點(diǎn)。高溫處理后，G19、USSR5、北 04-20、東稻 1 號、富士光、996、4628的花粉育性仍在50%左右，長粒香、東稻2號、東農(nóng)416、平粳8號、龍粳21號、綏粳4號的花粉育性不到10%。

圖1 高溫脅迫對東北粳稻花粉育性的影響

2.2 高溫處理對結(jié)實(shí)率的影響

由表2可知，東北粳稻在高溫脅迫5 d后結(jié)實(shí)率顯著降低。USSR 5、長白9號、長粒香、東稻2號、東農(nóng) 03-33、東農(nóng) 415-2、東農(nóng) 9213、合江 195、吉粳3、千重浪2號、沈禾57號的結(jié)實(shí)率下降幅度較?。ǎ?0個百分點(diǎn)，996下降了33.6個百分點(diǎn)），08M8、G19、敦內(nèi)稻、東稻1號、吉粳2、平粳8號的結(jié)實(shí)率下降幅度較大（＞50個百分點(diǎn)，4628下降了38.3個百分點(diǎn)）。另外，高溫處理后，USSR 5、長選10、東稻2 號、東農(nóng) 03-33、東農(nóng) 415-1、合江 195、吉粳 3、龍粳21、長白10號、千重浪2號的結(jié)實(shí)率仍在50%以上，耐熱品種996達(dá)54.1%。08M8、東稻1號、吉粳2、平粳8號、東農(nóng)428的結(jié)實(shí)率在40%以下，熱敏感品種4628為38.6%。

表2 高溫脅迫對東北粳稻結(jié)實(shí)率和單株產(chǎn)量的影響

以對照作為參考，從31份供試材料中篩選到6個耐高溫品種，高溫脅迫后絕對結(jié)實(shí)率大小為東農(nóng) 03-33＞USSR5＞吉粳 3＞東稻 2號＞東農(nóng) 415-1＞合江 195＞996（耐高溫對照品種）；篩選出5個高溫敏感品種，高溫脅迫后絕對結(jié)實(shí)率大小為平粳8號＜吉粳 2＜08M8＜東稻 1號＜東農(nóng) 428＜4628（高溫敏感對照品種）。

2.3 高溫處理對單株產(chǎn)量的影響

由表2可知，高溫脅迫下所有品種的單株產(chǎn)量均降低。其中平粳8號降低幅度大于熱敏感品種4628，剩下所有品種降低幅度均小于4628，東農(nóng)416和富士光降低幅度最小（＜1 g）。高溫脅迫后所有品種單株產(chǎn)量都大于熱敏感品種4628，其中USSR5、長白9號、長粒香、東稻1號、東農(nóng)03-33、東農(nóng)03-44、東農(nóng)415-1、東農(nóng)9213、敦內(nèi)稻、合江195、吉粳2、千重浪2號、綏粳4號、遼星1號的單株產(chǎn)量均大于耐熱品種996。

2.4 結(jié)實(shí)率、單株產(chǎn)量的聚類分析

采用最長距離法，閾值分別設(shè)置為6.2（%）、9.0（%）、4.1（g）和 3.54（g），對 31 份供試材料的常溫結(jié)實(shí)率、高溫結(jié)實(shí)率、常溫單株產(chǎn)量和高溫單株產(chǎn)量進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見表3。結(jié)實(shí)率由高到低常溫可分為7類，高溫可分為8類，USSR 5、長選10、東農(nóng) 415-1、合江 195、龍粳 21、長白 10 號、996 均屬結(jié)實(shí)率較高類別，長粒香、東農(nóng)428、沈禾57號、4628均屬結(jié)實(shí)率較低類別。單株產(chǎn)量由高到低常溫可分為8類，高溫可分為13類，高溫脅迫前后，長粒香、東稻1號、東農(nóng) 03-44、敦內(nèi)稻、合江195、千重浪2號均屬相對高產(chǎn)類別，G 19、東稻2號、東農(nóng)415-2、東農(nóng)416、龍粳21、長白10號、東農(nóng) 428、龍粳5、沈禾57、4628均屬相對低產(chǎn)類別。

表3 東北粳稻結(jié)實(shí)率及單株產(chǎn)量的聚類分析

2.5 日平均溫度、花粉育性與結(jié)實(shí)率間的關(guān)系

高溫可引起水稻花粉部分不育，并且導(dǎo)致結(jié)實(shí)率及穩(wěn)定性下降[12-14]。試驗(yàn)對東北粳稻花粉育性（x）和結(jié)實(shí)率（y）進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析，表明花粉育性與結(jié)實(shí)率呈極顯著正相關(guān)，這與前人的研究相吻合[15]，回歸方程y=0.332 2 x2+0.122 1 x+0.444 9，相關(guān)系數(shù) r=0.692**，決定系數(shù) R2=0.489 7。該方程可以通過高溫脅迫下花粉育性來推斷結(jié)實(shí)率，但決定系數(shù)不高，說明除花粉育性外，其它因素對結(jié)實(shí)率也有較大影響。在一定的溫度范圍內(nèi)，對日平均氣溫（x）和結(jié)實(shí)率（y）進(jìn)行相關(guān)性和回歸分析，結(jié)果表明日平均溫度和結(jié)實(shí)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，回歸方程y=0.503-0.624 x+2.182 x2-1.238 x3，相關(guān)系數(shù)r=-0.844**，決定系數(shù)R2=0.752，該方程決定系數(shù)相對較高，可用于推斷結(jié)實(shí)率受日平均氣溫影響的情況，表明除溫度外其它生態(tài)因子對結(jié)實(shí)率也有一些影響，但作用相對較小。

3 討論

熱害指數(shù)已被一些研究者用作評價品種（組合）耐熱性的重要指標(biāo)。林賢青等[16]以熱害指數(shù)為篩選指標(biāo)，在7個超級稻中進(jìn)行耐高溫篩選，認(rèn)為株兩優(yōu)819具有耐高溫能力。郭晶心等[17]認(rèn)為秈稻品種黃花占受高溫脅迫后熱害指數(shù)小，具有耐高溫特性，并且認(rèn)為熱害指數(shù)可作為品種耐熱性篩選的重要指標(biāo)。羅麗華等[9]、陶龍興等[11]也以熱害指數(shù)為指標(biāo)，對水稻材料進(jìn)行耐熱性鑒定。筆者研究發(fā)現(xiàn)，長白9號、長粒香等在高溫脅迫后熱害指數(shù)明顯小于對照996，結(jié)實(shí)率下降的絕對值也較小，按照熱害指數(shù)判斷它們應(yīng)該是耐熱性較好的品種，但它們在常溫和高溫下結(jié)實(shí)率均低，沒有實(shí)際應(yīng)用價值，不能作為耐高溫材料在科研和生產(chǎn)上應(yīng)用。由此可見，熱害指數(shù)具有局限性，用它作為篩選指標(biāo)會把一些本身結(jié)實(shí)率不高，但結(jié)實(shí)率在高溫條件下降低不明顯的品種也判定為耐熱品種；而這些常溫條件下結(jié)實(shí)率不高、熱害指數(shù)低的品種即無育種利用價值，也無生產(chǎn)應(yīng)用價值。從研究的相關(guān)與回歸分析結(jié)果來看，日平均溫度和結(jié)實(shí)率相關(guān)極顯著、決定系數(shù)較大；高溫脅迫后絕對結(jié)實(shí)率高低直接反映了水稻耐熱性的強(qiáng)弱，絕對結(jié)實(shí)率高，耐高溫能力強(qiáng)，絕對結(jié)實(shí)率低，耐高溫能力弱。前人也以絕對結(jié)實(shí)率為標(biāo)準(zhǔn)，對一系列水稻材料進(jìn)行耐高溫和高溫敏感性研究[5，6，13]。因此認(rèn)為，篩選水稻耐高溫材料要以高溫處理后絕對結(jié)實(shí)率作為評判標(biāo)準(zhǔn)，而不能使用熱害指數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，從東北粳稻中能篩選到抽穗揚(yáng)花期耐高溫的品種，這些東北粳稻品種在長江中下游稻區(qū)作為早稻種植不會因?yàn)?月?lián)P花期的異常高溫而造成大幅度減產(chǎn)。在篩選到的耐高溫品種中，單株產(chǎn)量為合江 195＞東農(nóng) 415-1＞東農(nóng) 03-33＞USSR 5＞996。但由于試驗(yàn)用盆栽方法進(jìn)行耐高溫品種篩選，供試水稻的生長狀況與大田差異較大，其單株產(chǎn)量大小不能完全代表大田產(chǎn)量水平。并且對照品種996耐熱性好，是高產(chǎn)兩系雜交稻的父本，但它作為常規(guī)稻種植的產(chǎn)量水平還沒有經(jīng)過生產(chǎn)驗(yàn)證，比它單株產(chǎn)量高不代表比普遍種植的常規(guī)早稻產(chǎn)量高。因此，篩選到的耐高溫東北粳稻品種能否作為早稻在生產(chǎn)上應(yīng)用還需要進(jìn)行區(qū)域試驗(yàn)和大田評價。

致謝：

感謝中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所楊福研究員、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳立云教授、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬建民教授提供相關(guān)水稻品種。

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