籽粒黃熟度對雜交水稻種子活力的影響

王曉敏 唐啟源 鄭華斌 莫文偉 楊劍波

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長沙 410128)

水稻(Oryza sativaL.)是我國的主要糧食作物之一，全國約60%的人口以稻米為主食[1]。自20世紀(jì)70年代以來，雜交水稻技術(shù)的成功應(yīng)用及大面積推廣為我國糧食安全做出了巨大貢獻。雜交水稻的產(chǎn)量比常規(guī)稻高出15%～20%，截止2014年，雜交水稻累計增產(chǎn)約5億t[2]。當(dāng)前我國水稻生產(chǎn)正處于轉(zhuǎn)型期，傳統(tǒng)的精耕細(xì)作難以滿足人們的生活需求，輕簡化和機械化的栽培管理方式亟待推廣[2]。但雜交水稻種子質(zhì)量問題突出，發(fā)芽率普遍較低，嚴(yán)重阻礙了定量、精確等機械化栽培技術(shù)的應(yīng)用和推廣[2-3]。因此，需要對雜交水稻種子質(zhì)量進行深入研究。

種子活力是評價種子質(zhì)量的重要指標(biāo)，反映了種子潛在萌發(fā)、出苗能力與貯藏性能[4]。高活力種子對不良環(huán)境抵抗力強，有明顯的生長優(yōu)勢和生長潛力；低活力種子在不良環(huán)境條件下出苗不整齊，甚至不出苗[4-6]。種子活力是在種子發(fā)育過程中形成的，不同收獲期的種子具有不同水平的種子活力。大量研究表明，授粉后天數(shù)可以作為確定種子適宜收獲期的一項指標(biāo)。郝楠等[7]研究表明，玉米遼單588種子在遼寧地區(qū)適宜收獲期為授粉后53 d；付愛斌等[8]認(rèn)為，陸兩優(yōu)996種子適宜收獲期為母本(陸18S)終花后14～17 d。但種子的生長發(fā)育速度受發(fā)育期間大氣溫度、濕度等氣象因素的影響[4]，且同一品種在不同生態(tài)區(qū)的適宜收獲期也存在差異[7，9]。因此，以授粉后天數(shù)作為種子收獲期的參考指標(biāo)具有不確定性。采用感官指標(biāo)確定種子適宜收獲期是較為高效的評價方式。樊廷錄等[10]研究表明，玉米種子乳線下移至籽粒1/2位置時，種子水分為38%～40%，發(fā)芽率和活力均處在高值水平；周海寧等[11]認(rèn)為玉米籽粒黑層出現(xiàn)前3～6 d收獲的種子具有較高的活力。然而，有關(guān)雜交水稻高活力種子適宜收獲期感官指標(biāo)的研究卻鮮見報道。隨著水稻種子成熟進程的推進，種子穎殼的顏色由綠色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)辄S熟。本研究從群體的角度出發(fā)，以籽粒黃熟度(一般將黃色籽粒數(shù)占籽粒總數(shù)的比例稱為籽粒黃熟度)為感官指標(biāo)，分析不同黃熟度群體間種子活力的差異，探究雜交水稻高活力種子適宜收獲期的感官指標(biāo)，旨在為雜交水稻高活力種子生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年和2017年分別在湖南省邵陽市綏寧縣(110°15′E、26°58′N)、湖南省郴州市桂陽縣(112°72′E、25°73′N)和桂東縣(114°11′E、25°08′N)進行雜交水稻種子生產(chǎn)。綏寧縣年平均氣溫16.7℃，年平均降水量1 320.0 mm，年平均日照時數(shù)1 348.9 h，年平均無霜期304 d；桂陽縣年平均氣溫17.5℃，年平均降水量1 485.5 mm，年平均日照時數(shù)1 527.8 h，年平均無霜期277 d；桂東縣年平均氣溫15.4℃，年平均降水量1 670.1 mm，年平均日照時數(shù)1 372.4 h，年平均無霜期240 d，三地均屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。

1.2 試驗材料

2016年以深兩優(yōu)1813(深08S×R1813)、隆兩優(yōu)1813(隆科638S×R1813)、Ⅱ優(yōu)838(Ⅱ-32A×輻恢838)和Y 兩優(yōu)1128(Y58S×R1128)為供試材料，品種均由湖南隆平種業(yè)有限公司提供。2017年以創(chuàng)兩優(yōu)華占(創(chuàng)5S×華占)和Ⅱ優(yōu)838(Ⅱ-32A×輻恢838)為供試材料，品種分別由湖南金色農(nóng)華種業(yè)科技有限公司和湖南隆平種業(yè)有限公司提供。

1.3 試驗設(shè)計

各品種均采用當(dāng)?shù)胤N子生產(chǎn)技術(shù)進行制種，不同品種間采用空間隔離防止串粉。在盛花期，選生長基本一致的植株進行掛牌，掛牌數(shù)量為80 蔸，每個品種根據(jù)授粉后天數(shù)進行取樣，每隔2 d 取一次樣，每次樣品數(shù)量為10 蔸，直至收獲完成，各品種具體取樣時間見表1。樣品進行人工脫粒，統(tǒng)計黃熟度并測定種子水分，實驗室內(nèi)測定樣品粒重、內(nèi)含物和種子活力等指標(biāo)。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 籽粒黃熟度測定 將每次取的樣本均勻分為2組進行考種，統(tǒng)計每穗的黃色實粒數(shù)和總實粒數(shù)。按照公式計算黃熟度:

1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽測定 按標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽方法進行種子發(fā)芽試驗，每個處理隨機數(shù)取100 粒種子，3次重復(fù)，1.0%次氯酸鈉消毒10 min，洗凈(沖洗3次)，統(tǒng)一浸種24 h。于發(fā)芽盒(20 cm×15 cm×12 cm)墊2層專用發(fā)芽紙，加9 mL 蒸餾水，將種子均勻置于濕潤的發(fā)芽紙上，30±1℃恒溫培養(yǎng)。放入培養(yǎng)箱當(dāng)天記0 d，每天記錄發(fā)芽數(shù)(正常幼苗數(shù))，至第7天時統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)并剪下幼苗烘干稱重，按照公式計算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)和活力指數(shù)(vigor index，VI):

式中，Dt為發(fā)芽日數(shù)，Gt為與Dt相對應(yīng)的當(dāng)天發(fā)芽種子數(shù)；S為一定時期內(nèi)(7 d)幼苗干重，g。

1.4.3 老化發(fā)芽測定 將種子批置于老化盒(10 cm×10 cm×3 cm)，再置于老化箱(溫度45℃，相對濕度100%)中持續(xù)老化96 h。然后進行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗，測定種子活力的相關(guān)參數(shù)。

1.4.4 種子的水分和千粒重 樣品的水分采用TD-6電腦水分計(上海三久機械有限公司)測定，4次重復(fù)。取30±1 g 試樣，統(tǒng)計粒數(shù)，烘干至恒重，稱重(干重)，然后將干重?fù)Q算成種子的千粒重，3次重復(fù)。

1.4.5 種子(糙米)蛋白質(zhì)含量測定 蛋白質(zhì)含量采用SKALAR 連續(xù)流動分析儀(荷蘭SKALAR 分析儀器公司)測定[12]，并按照公式計算蛋白質(zhì)含量:

式中，μg為流動分析儀測量數(shù)據(jù)，mL；m為樣品重量，g。

1.4.6 種子(糙米)總淀粉含量測定 總淀粉含量參照尹燕枰[13]的研究采用旋光法測定，并按照公式計算總淀粉含量:

式中，a為測定的旋光度；L為旋光管長度，dm；W為樣品重量，g；H為樣品水分含量。

1.4.7 種子(糙米)直鏈淀粉含量測定 直鏈淀粉含量參照王國槐[14]的研究采用碘藍比色法測定。即以含量為1.5%、10.4%、16.2%和26.5%的標(biāo)準(zhǔn)樣品，與待測樣品在同等條件下水分含量比色，記錄吸光度值，帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線確定待測樣含量。

表1 各品種的取樣日期Table1 Sampling date of varieties

1.4.8 種子(糙米)可溶性糖含量測定 可溶性糖含量參照張憲政[15]的研究采用蒽酮比色法測定，并按照公式計算可溶性糖含量:

式中，C為根據(jù)回歸方程計算的葡萄糖含量，μg；V為樣品提取液總體積，mL；a為顯色時取樣品液量，mL；W為樣品重量，g；H為樣品水分含量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2007 整理數(shù)據(jù)；采用DPS 7.5進行統(tǒng)計分析；采用Statistix 8.0 進行數(shù)據(jù)的方差分析，多重比較采用LSD 法。2016年和2017年水分和千粒重變化規(guī)律一致，且僅2017年進行了種子老化試驗和種子貯藏物質(zhì)含量的測定，因此，結(jié)果與分析中以2017年數(shù)據(jù)進行闡述。

2 結(jié)果與分析

2.1 籽粒黃熟度對種子活力的影響

種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均隨著籽粒黃熟度的增加而先增加后趨于穩(wěn)定(表2)。以深兩優(yōu)1813為例，籽粒黃熟度的變化范圍為39.1%～89.2%，種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別增加了9.0和14.7個百分點，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別增加了17.3%和36.7%。當(dāng)籽粒黃熟度分別為71.2%和89.2%時，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均無顯著差異(P＞0.05)。綜合分析各供試品種的種子活力，黃熟度為75%～90%時，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均處于高值水平，且差異不顯著(P＞0.05)。

表2 籽粒黃熟度對種子活力的影響(2016-2017年)Table2 Effects of yellow-seed percentage on seed vigor(year 2016-2017)

進一步分析不同籽粒黃熟度群體加速老化后種子活力的變化情況。由表3可知，較標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽，加速老化處理進一步擴大了不同籽粒黃熟度群體間種子活力的差異。以Ⅱ優(yōu)838為例，籽粒黃熟度的變化范圍為21.5%～93.0%，在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽條件下，種子發(fā)芽率增加了6.6個百分點，活力指數(shù)增加了49.3%(表2)；在加速老化條件下，種子發(fā)芽率增加了9.3個百分點，活力指數(shù)增加了77.5%。當(dāng)籽粒黃熟度為75%～90%時，種子發(fā)芽率和活力指數(shù)差異不顯著(P＞0.05)，但顯著高于籽粒黃熟度低的群體。因此，在雜交水稻種子生產(chǎn)中，籽粒黃熟度對種子活力具有顯著影響。

2.2 籽粒黃熟度對種子水分和千粒重的影響

由表4可知，隨著籽粒黃熟度的增加，種子千粒重呈逐漸增加的趨勢，但未達到顯著差異水平；種子水分先降低后趨于穩(wěn)定。以Ⅱ優(yōu)838為例，籽粒黃熟度的變化范圍為21.5%～93.0%，種子千粒重增加了2.1%，種子水分降低了2.9個百分點。當(dāng)籽粒黃熟度分別為73.6%和93.0%時，種子千粒重和水分均未達到顯著差異水平(P＞0.05)，但種子水分顯著低于籽粒黃熟度為21.5%的群體。當(dāng)籽粒的黃熟度為75%～90%時，種子的水分和千粒重均未達到顯著差異(P＞0.05)。

表3 加速老化對不同籽粒黃熟度種子活力的影響(2017年)Table3 Effects of different yellow-seed percentage on seed vigor under accelerated aging test (year 2017)

表4 不同籽粒黃熟度群體的種子水分和千粒重(2017年)Table4 Seed moisture and 1000-grain weight of different yellow-seed percentage populations(year 2017)

表5 黃熟度與種子活力、水分及千粒重的相關(guān)性分析(2016-2017年)Table5 Correlation analysis between yellow-seed percentage，seed vigor，seed moisture and 1000-grain weight(year 2016-2017)

2.3 籽粒黃熟度和種子活力、水分及千粒重的相關(guān)性

由表5可知，籽粒黃熟度與種子活力(發(fā)芽率、發(fā)芽勢和活力指數(shù))呈極顯著或顯著正相關(guān)，與種子水分呈極顯著負(fù)相關(guān)，與種子千粒重的相關(guān)性不顯著。在種子活力參數(shù)中，籽粒黃熟度與發(fā)芽率的相關(guān)性最高(R2=0.870 3)，與發(fā)芽指數(shù)的相關(guān)性最低(R2=0.442 6)。發(fā)芽率與發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的相關(guān)性均未到達顯著水平，但發(fā)芽勢與發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的相關(guān)性均達到極顯著或顯著水平，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)呈顯著正相關(guān)。

2.4 籽粒黃熟度對種子內(nèi)含物含量的影響

隨著籽粒黃熟度的增加，種子的直鏈淀粉、總淀粉、蛋白質(zhì)及可溶性糖含量均呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(表6)。Ⅱ優(yōu)838籽粒黃熟度變化范圍為21.5%～93.0%，直鏈淀粉、總淀粉、蛋白質(zhì)及可溶性糖含量分別增加了0.60、0.03、0.04和0.04個百分點。創(chuàng)兩優(yōu)華占籽粒黃熟度變化范圍為17.2%～92.2%，直鏈淀粉、總淀粉、蛋白質(zhì)及可溶性糖含量分別增加了0.42、0.04、0.07和0.07個百分點。當(dāng)籽粒的黃熟度處于75%～90%時，種子的直鏈淀粉、總淀粉、蛋白質(zhì)及可溶性糖含量均無顯著差異(P＞0.05)，但顯著高于籽粒黃熟度低(21.5%和17.2%)的群體。

表6 不同籽粒黃熟度群體的種子內(nèi)含物含量(2017年)Table6 Storage substance of different yellow-seed percentage populations(year 2017) /%

2.5 籽粒黃熟度和種子內(nèi)含物的相關(guān)性

由表7可知，籽粒黃熟度與種子內(nèi)含物均未達到顯著相關(guān)，但種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均與種子內(nèi)含物達到顯著或極顯著相關(guān)。除發(fā)芽率外直鏈淀粉含量與種子活力呈極顯著正相關(guān)(R2=0.828 1**～0.984 7**)；總淀粉含量與種子活力呈極顯著正相關(guān)(R2=0.740 2**～0.960 2**)；蛋白質(zhì)含量與種子活力呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.935 7**～-0.697 9*)；可溶性糖含量與種子活力呈極顯著正相關(guān)(R2=0.933 6**～0.962 3**)。

表7 籽粒黃熟度和種子活力、內(nèi)含物的相關(guān)性分析(2017年)Table7 Correlation analysis between yellow-seed percentage，seed vigor and storage substance(year 2017)

3 討論

種子活力是在種子發(fā)育過程中形成的，種子發(fā)育期間的環(huán)境條件，包括土壤水分含量、大氣溫濕度、種子采收期等，均會對種子活力造成影響[4]。其中，種子采收期易于調(diào)控，因此適時收獲種子對其質(zhì)量的提高具有重要作用。樊廷錄等[10]以乳線為感官指標(biāo)確定玉米種子的適宜收獲期；周海寧等[11]以黑層為感官指標(biāo)確定早熟和晚熟玉米雜交品種的種子適宜收獲期。本研究從群體角度出發(fā)，以籽粒黃熟度為感官指標(biāo)，系統(tǒng)分析了不同黃熟度籽粒群體間種子活力的差異。結(jié)果表明，籽粒黃熟度在75%～90%時，種子活力和千粒重均處于高值水平，且此范圍在授粉后17～23 d(數(shù)據(jù)未列出)。付愛斌等[8]研究表明，授粉后17 d可以作為陸兩優(yōu)996的適宜收獲期。蔣敏明[16]研究表明，雜交水稻的適宜收獲期在授粉后15～20 d。Fu等[17]報道株兩優(yōu)06 適宜在授粉后20 d 進行收獲。因此，本試驗中，籽粒黃熟度為75%～90%作為收獲期，基本符合相關(guān)研究報道中的適宜收獲期，即以授粉后的天數(shù)為參考指標(biāo)。此外，不同生態(tài)區(qū)進行制種將對種子活力及收獲期均會造成明顯影響[7，9，18]。郝楠等[7]研究表明，遼單588種子在遼寧地區(qū)適宜收獲期為授粉后53 d，甘肅地區(qū)為授粉后56 d，海南地區(qū)為授粉后47 d。因此，以授粉后的天數(shù)作為種子適宜收獲期具有區(qū)域性。本研究在不同地區(qū)進行雜交水稻種子生產(chǎn)，綜合分析不同地區(qū)各品種籽粒黃熟度的變化特征，結(jié)果表明，在不同生態(tài)區(qū)進行制種粒黃熟度與種子發(fā)芽率、活力指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，因此以籽粒黃熟度作為雜交水稻高活力種子生產(chǎn)適宜收獲期的感官指標(biāo)具有一定代表性和準(zhǔn)確性。

種子發(fā)育過程伴隨著種子貯藏物質(zhì)的不斷增加。本試驗結(jié)果表明，隨著籽粒黃熟度的增加，種子直鏈淀粉、總淀粉、蛋白質(zhì)及可溶性糖含量均呈增加趨勢，但籽粒黃熟度和種子內(nèi)含物均無顯著相關(guān)性，這可能是因為取樣日期主要集中在種子發(fā)育后期且取樣次數(shù)較少，導(dǎo)致種子內(nèi)含物含量差異不明顯，所以與籽粒黃熟度相關(guān)性不明顯。

水稻籽粒灌漿是指光合產(chǎn)物向籽粒運輸?shù)倪^程，灌漿充實好、粒重高的籽粒稱為強勢粒；灌漿慢、充實差和粒重低的籽粒稱為弱勢粒[19-21]。強弱勢粒灌漿對水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量均會產(chǎn)生重要影響。在本試驗中，黃色籽粒是強勢粒的外在表現(xiàn)，綠色籽粒是弱勢粒的外在表現(xiàn)。隨著籽粒黃熟度的增加，強勢粒的數(shù)量增加，弱勢粒的數(shù)量減少，最終表現(xiàn)為水稻群體種子活力增加。因此，不同收獲時期群體間種子活力的差異可能由強弱勢粒群體的質(zhì)量及數(shù)量不同導(dǎo)致的。很多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)水稻灌漿中存在異步灌漿，并提出多種假設(shè)，包括同化物限制[22-24]、庫容限制[25-27]、庫活性低[28-30]等。因此，如何促進弱勢粒灌漿、提高弱勢粒的質(zhì)量及強勢粒的數(shù)量是進一步提高雜交水稻種子活力的有效途徑。

4 結(jié)論

本研究表明，不同籽粒黃熟度對雜交水稻種子質(zhì)量具有顯著影響。隨著籽粒黃熟度的增加，種子活力和貯藏物質(zhì)含量均呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢；種子千粒重呈逐漸增大的趨勢，但均未達到顯著差異；種子水分先降低后趨于穩(wěn)定。當(dāng)籽粒黃熟度為75%～90%時，種子活力和千粒重均處于高值水平，且種子內(nèi)含物含量差異不顯著。因此，籽粒黃熟度為75%～90%可以作為雜交水稻高活力種子生產(chǎn)適宜收獲期的有效感官指標(biāo)。本研究結(jié)果為雜交水稻高活力種子生產(chǎn)提供了理論參考。