水稻耐低鉀種質(zhì)資源的苗期篩選

王廣洋，陸文怡，陳慧男，張曉勤，薛大偉

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

水稻耐低鉀種質(zhì)資源的苗期篩選

王廣洋，陸文怡，陳慧男，張曉勤，薛大偉

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

摘要：以257份水稻種質(zhì)為材料，通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)比較它們對(duì)低鉀耐性的基因型差異.結(jié)果表明，在兩種不同的K+濃度處理下，供試水稻種質(zhì)在低鉀耐性上存在顯著差異.通過(guò)比較根長(zhǎng)、株高、地上與地下部分干質(zhì)量等4個(gè)性狀相關(guān)指數(shù)及由其均值組成的綜合指數(shù)，作為苗期篩選耐低鉀品種的標(biāo)準(zhǔn)，從中篩選出8個(gè)耐低鉀品種.

關(guān)鍵詞：水稻；低鉀；綜合指數(shù)；種質(zhì)篩選

鉀(K)是農(nóng)作物生長(zhǎng)必不可少的三大元素之一，K廣泛分布于作物各組織和器官，為其生長(zhǎng)代謝起重要的調(diào)節(jié)作用[1].K可促進(jìn)作物葉綠素的形成、活化各種酶類、促進(jìn)碳水化合物代謝、增強(qiáng)陽(yáng)離子滲透性等生理作用，增強(qiáng)作物抗御干旱、霜凍和病蟲害，增強(qiáng)抗倒伏的能力.在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中鉀供應(yīng)不足，作物莖桿會(huì)變?nèi)崛?、易倒伏，抗旱及抗寒性降低，葉綠素等物質(zhì)被分解破壞葉，葉組織會(huì)逐漸衰老.在我國(guó)長(zhǎng)江以南地區(qū)，缺鉀問(wèn)題較為普遍[2].研究表明，施用鉀肥可有效緩解作物生產(chǎn)中缺鉀問(wèn)題，但我國(guó)鉀礦資源匱乏，每年需耗巨資進(jìn)口鉀肥.另外作物不同品種對(duì)于土壤缺鉀的生理反應(yīng)以及對(duì)鉀元素的吸收利用效率存在明顯差異，且鉀營(yíng)養(yǎng)效率的差異可遺傳，說(shuō)明作物的鉀營(yíng)養(yǎng)效率性狀是由遺傳基因控制的.

水稻(OryzasativaL.)是世界上重要的糧食作物之一，對(duì)鉀的需求量較大.不同基因型水稻鉀利用效率普遍存在差異.賈彥博等[3]在不同供鉀水平下對(duì)8個(gè)水稻品種鉀吸收利用率和稻谷產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，表明水稻品種的稻谷產(chǎn)量、鉀利用效率和各生育期地上部鉀積累都存在顯著的基因型差異，低鉀脅迫顯著降低水稻的稻谷產(chǎn)量和各生育期地上部鉀積累量，顯著提高水稻的鉀利用效率.水稻的不同品種在低鉀條件下生長(zhǎng)時(shí)表現(xiàn)出明顯差異，劉亨官等[4]從農(nóng)藝性狀方面對(duì)不同耐低鉀水稻基因型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)耐低鉀基因型在低鉀土壤上種植較低鉀敏感基因型增產(chǎn)10%~20%，耐低鉀品種植株的鉀吸收速率以及鉀利用效率明顯高于不耐低鉀品種.劉國(guó)棟等[5]對(duì)來(lái)自25個(gè)國(guó)家和地區(qū)的200多份不同基因型水稻進(jìn)行了研究表明，不同基因型水稻的鉀吸收速率可相差1倍以上，鉀利用效率相差30%~50%，生物量相差1.0~3.6倍.利用水培法對(duì)86種不同基因型秈稻進(jìn)行了比較，吸鉀效率存在顯著的基因型差異[6].胡泓等[7]田間實(shí)驗(yàn)表明水稻對(duì)鉀肥反應(yīng)存在明顯的品種間差異，在供鉀充足條件下，雜交稻協(xié)優(yōu) 46 的鉀吸收量顯著大于常規(guī)稻秀水11，但其鉀利用效率卻顯著低于秀水11；在缺鉀條件下，雜交稻的鉀吸收量低于常規(guī)稻，其鉀利用效率與常規(guī)稻無(wú)明顯差異.臺(tái)德衛(wèi)等[8]以全球水稻分子育種計(jì)劃提供的117份核心種質(zhì)資源為供試材料，進(jìn)行苗期水培實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同鉀處理下品種間存在顯著差異，并從中篩選出9個(gè)耐低鉀品種和32個(gè)較耐低鉀品種.

本項(xiàng)目擬以多種水稻種質(zhì)資源為材料，在苗期受控環(huán)境(正常和低鉀脅迫)下，通過(guò)綜合指數(shù)并結(jié)合稻苗生長(zhǎng)情況來(lái)篩選、發(fā)掘耐低鉀的種質(zhì)資源.

1材料與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)以275份來(lái)源廣泛的水稻種質(zhì)資源為篩選材料，包括主栽常規(guī)品種、恢復(fù)系、育種材料和地方稻種資源等，全部由中國(guó)水稻研究所提供.

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1水稻幼苗培養(yǎng)

不同基因型水稻各選取30粒種子，用蒸餾水漂洗干凈，用濾紙包起來(lái)后置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，浸種催芽.待種子長(zhǎng)出根時(shí)，從中選出長(zhǎng)勢(shì)一致的種子，采用根朝下、芽朝上的方式放在去底的潔凈PCR板上，并置于深色水培箱中培養(yǎng).待苗長(zhǎng)至一葉一心期，將水培液由蒸餾水換為低鉀營(yíng)養(yǎng)液或完全營(yíng)養(yǎng)液，調(diào)pH 5.1.篩選選用的營(yíng)養(yǎng)液為低鉀營(yíng)養(yǎng)液(K+濃度：4 mg/L)和完全營(yíng)養(yǎng)液(K+濃度：40 mg/L).營(yíng)養(yǎng)液為國(guó)際水稻研究所(IRRI)推薦的水稻常規(guī)營(yíng)養(yǎng)液配方.每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液，至五葉期，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

1.2.2植株耐低鉀能力的測(cè)定

測(cè)量五葉期植株單株的株高、根長(zhǎng)、地上部、地下部干質(zhì)量.以相對(duì)干質(zhì)量(%)及缺鉀癥狀為標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)株高(%)、相對(duì)根長(zhǎng)(%)為參考對(duì)水稻苗期的耐低鉀能力進(jìn)行分級(jí).干質(zhì)量測(cè)量方法為：統(tǒng)計(jì)株數(shù)，地上部與地下部分開(kāi)收集，105 ℃殺青10 min，于80 ℃烘至恒重.莖與根干質(zhì)量(SDW和RDW)取平均值.

表1　耐低鉀品種的綜合指數(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

參考文獻(xiàn)注：引自[8]略加修改.

1.2.3耐低鉀品種的綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

按下列公式計(jì)算不同品種幼苗各性狀相對(duì)指數(shù)，采用平均分配權(quán)重法，選擇總根長(zhǎng)、苗高、地下部干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量4個(gè)苗期主要性狀的相對(duì)指數(shù)，構(gòu)成綜合指數(shù)(SYI)，再結(jié)合幼苗的生長(zhǎng)情況，按表1所列評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)和篩選耐低鉀品種.TNI(相對(duì)指數(shù))=同品種低鉀脅迫值/同品種正常處理值，SYI(綜合指數(shù))=同品種4個(gè)性狀的TNI值之和/4.

2結(jié)果與分析

2.1　不同鉀處理下幼苗株高及根長(zhǎng)差異

在五葉期，水稻幼苗在完全營(yíng)養(yǎng)液和低鉀營(yíng)養(yǎng)液中的生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯差異.完全營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)的幼苗生長(zhǎng)正常，而低鉀營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)的水稻幼苗表現(xiàn)出明顯的缺鉀癥狀：生長(zhǎng)緩慢、植株矮小、葉片發(fā)黃、葉尖壞死等一系列癥狀(圖1).

A：低鉀培養(yǎng)液(左)，完全營(yíng)養(yǎng)液(右)；B：低鉀脅迫下水稻苗期表現(xiàn)圖1　兩種鉀處理下水稻幼苗的生長(zhǎng)情況Fig. 1　Rice seeding growth under two kinds of K treatment

實(shí)驗(yàn)品種在低鉀脅迫下的株高、根長(zhǎng)存在較大的變異(圖2).與圖1相互印證，低鉀脅迫下的幼苗株高顯著低于正常培養(yǎng)，相對(duì)株高從42%(品種編號(hào)P308)到125%(P76)，大部分品種集中在70%~90%之間，均值為79%(圖2A).低鉀脅迫對(duì)根長(zhǎng)影響不大，相對(duì)根長(zhǎng)從37%(P47)到126%(P237)，大部分品種分布在80%~120%之間，均值為95%(圖2B).

圖2　相對(duì)株高(A)及相對(duì)根長(zhǎng)(B)分布頻率Fig. 2　The relative plant height (A) and the relative root length (B) frequency distribution

2.2　不同鉀處理下地上部與地下部干質(zhì)量差異

從圖3中可以看出，低鉀處理時(shí)地上和地下部分的干質(zhì)量積累明顯低于正常處理.地上部分相對(duì)干質(zhì)量范圍從11%(P351)到146%(P115)，主要分布在40%~110%(圖3A)，均值72%.地下部分相對(duì)干質(zhì)量范圍從17%(P231)到169%(P88)，大多分布在50%~100%之間，均值73%(圖3B).

圖3　地上部相對(duì)干質(zhì)量(A)及地下部相對(duì)干質(zhì)量(B)分布頻率Fig. 3　The relative dry weight of shoots (A) and relative dry weight of roots (B) distribution frequency

2.3　耐低鉀品種的綜合指數(shù)篩選

圖4為綜合指數(shù)分布頻率，范圍從42%(P14)到127%(P149)，均值80%，主要分布于60%~100%之間.根據(jù)綜合指數(shù)從實(shí)驗(yàn)品種中篩選到8個(gè)耐低鉀品種(P185, P190, P22, P138, P222, P101, P102, P149)，TNI>1.1；以及132個(gè)較耐低鉀品種.

圖4　綜合指數(shù)的分布頻率Fig. 4　The frequency distribution of comprehensive index

對(duì)各性狀相對(duì)指數(shù)之間的相關(guān)性比較(表2)，表明株高與地上及地下部分干質(zhì)量呈極顯著相關(guān)(r=0.503，r=0.353，P<0.01)，綜合指數(shù)與4個(gè)性狀指標(biāo)之間均呈極顯著相關(guān)，且與地上部分干質(zhì)量相關(guān)性指數(shù)最高(r=0.869，P<0.01)，與地下部分干質(zhì)量相關(guān)度次之(r=0.832，P<0.01).

表2性狀相對(duì)指數(shù)之間的相關(guān)性

Tab. 2The relationship between relative traits index

相對(duì)株高相對(duì)根長(zhǎng)地上部相對(duì)干質(zhì)量地下部相對(duì)干質(zhì)量綜合指數(shù)相對(duì)株高相對(duì)根長(zhǎng)地上部相對(duì)干質(zhì)量地下部相對(duì)干質(zhì)量綜合指數(shù)1.000 0.0961.000 0.503**0.146*1.000 0.353**0.167*0.631**1.000 0.629**0.427**0.869**0.832**1.000

注：**在0.01水平上顯著相關(guān)；*在0.05水平上顯著相關(guān).

3討論

鉀是作物生長(zhǎng)必需的元素之一，在其生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝過(guò)程中發(fā)揮十分重要的作用.國(guó)外開(kāi)展作物鉀營(yíng)養(yǎng)基因型差異的工作較早，涉及的作物種類有大麥、小麥和野燕麥等.國(guó)內(nèi)這方面的工作起步相對(duì)較晚，但在水稻上已積累了較多的資料[3-8].水稻不同基因型之間對(duì)低鉀耐性的遺傳差異，為篩選與培育鉀高效水稻基因型提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)可能性.

前人的研究表明，水稻的不同品種在低鉀條件下生長(zhǎng)時(shí)表現(xiàn)出明顯差異[4,6,8]，從本實(shí)驗(yàn)也可以看出，低鉀培養(yǎng)條件下，大多數(shù)水稻幼苗呈生長(zhǎng)遲緩、植株矮小、葉片發(fā)黃的癥狀(圖1B).但也有少許品種株高、根長(zhǎng)、干質(zhì)量等部分性狀高于正常處理，表明幼苗對(duì)于低鉀脅迫存在不同的反應(yīng).

不同的實(shí)驗(yàn)方法得出的結(jié)論可能會(huì)有差異.本實(shí)驗(yàn)采用的方法為營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，該法的優(yōu)點(diǎn)是容易控制培養(yǎng)過(guò)程.其他常用方法還有盆栽法、大田實(shí)驗(yàn)法等，但是這些方法很難控制單一元素的缺乏研究，對(duì)于大規(guī)模篩選來(lái)說(shuō)不可行，而采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)法相對(duì)簡(jiǎn)便有效，因此可以成為進(jìn)行大規(guī)模品種前期篩選的首選方法[9].

篩選和培育耐低鉀水稻品種是有效緩解土壤缺鉀的途徑之一，采用簡(jiǎn)便而有效的篩選指標(biāo)可以加快水稻耐低鉀基因型的選育過(guò)程.從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，257種水稻基因型在低鉀和正常處理下，4個(gè)苗期性狀差異明顯，因此僅用1個(gè)性狀相對(duì)值作為衡量指標(biāo)，不能完全反映品種真實(shí)的耐低鉀情況.因此，參考前人的研究結(jié)果[8,10-11]，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)實(shí)際，利用4個(gè)性狀指數(shù)產(chǎn)生的綜合指數(shù)用于衡量耐低鉀的指標(biāo).本研究根據(jù)4個(gè)水稻低鉀條件下的苗期性狀，以綜合指數(shù)做出評(píng)判，從而篩選出8個(gè)耐低鉀品種，132個(gè)較耐低鉀品種，可用于后續(xù)研究.

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Seedling Screening of Rice Germplasm Resources with Low Potassium Tolerance

WANG Guangyang, LU Wenyi, CHEN Huinan, ZHANG Xiaoqin, XUE Dawei

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:A hydroponic experiment is conducted to compare the genotypic difference in low potassium tolerance among 257 rice germplasm. The results show that there are obvious differences in low potassium tolerance among all the genotypes with two kinds of different K+concentrations. Considering the correlation index of the root length, plant height, dry weight of shoots and roots as well as the comprehensive index originated from the mean value of the above four traits as the seedling screening standards for low potassium tolerance, eight varieties with low potassium tolerance are selected.

Key words:rice; low potassium; comprehensive index; germplasm screening

文章編號(hào):1674-232X(2015)01-0044-05

中圖分類號(hào):Q89

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2015.01.008

通信作者：薛大偉(1978- )，男，副教授，博士，主要從事作物分子遺傳學(xué)研究. E-mail：dwxue@hznu.edu.cn

基金項(xiàng)目:浙江省科技廳科研項(xiàng)目(2012C22039)；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃暨新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2012R421001)；杭州市科委科研項(xiàng)目(20130432B04).

收稿日期：2014-06-25