耐低溫發(fā)芽水稻種質(zhì)資源篩選

郭濤 王海鳳 薛芳 房文文 姜艷芳 張煥霞 林香青 張士永

摘要：水稻種子在低溫條件下的萌發(fā)活力決定了其田間出苗能力，與直播技術(shù)密切相關(guān)，并最終決定水稻的產(chǎn)量。本研究以114份水稻種質(zhì)資源為試驗材料，以14℃低溫條件下17天的發(fā)芽率為評價指標(biāo)，將種質(zhì)資源耐低溫發(fā)芽能力劃分為強(qiáng)、中、弱三個等級。篩選到魯粳1號、輻香1號、旱稻白芒、早桂選、87-45、IR36、津輻1號、60-7共8份耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)的種質(zhì)材料，為培育低溫發(fā)芽能力強(qiáng)、適宜直播的水稻新品種提供了育種材料。

關(guān)鍵詞：耐低溫;水稻;種質(zhì)資源;發(fā)芽率

中圖分類號：S511.037 ?文獻(xiàn)標(biāo)識號：A ?文章編號：1001-4942（2020）01-0037-05

Abstract ?The seed germination vigor under low temperature determines the seedling emergence in field and is closely related with the direct seeding technology， which determines the rice grain yield. In this study， the seed vigor of 114 rice germplasm resources was identified with the germination rate as indicator under 14℃ after 17 days. The germination capability of the rice germplasms under low temperature was divided into strong， medium and weak degrees. Eight germplasms including Lujing 1， Fuxiang 1， Handao Baimang， Zaoguixuan， 87-45， IR36， Jinfu 1 and 60-7 were selected with high germination rate under low temperature， which provided resources for breeding rice varieties with strong germination capability under low temperature and suitable for direct seeding.

Keywords Resistance to low temperature; Rice; Germplasm resources; Germination rate

水稻是我國最重要的糧食作物，我國一半以上的人口以大米為主食。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)村勞動人口向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，省工、省時、省力的直播水稻越來越受到關(guān)注，種植面積越來越大。在我國北方地區(qū)，播種季常受低溫冷害的影響，造成種子發(fā)芽不整齊、缺苗斷壟等現(xiàn)象，因此，要求直播水稻品種在低溫條件下仍具有很高的發(fā)芽率。發(fā)芽期耐冷性又稱低溫發(fā)芽能力，是直播水稻應(yīng)具備的重要耐冷性狀。水稻品種間低溫發(fā)芽能力存在很大差異，研究認(rèn)為，水稻耐低溫發(fā)芽能力是由多個基因控制的數(shù)量性狀位點，廣泛分布于水稻全基因組，遺傳機(jī)制復(fù)雜[1-6]。曹微等[1]開展了23個水稻親本材料在低溫和低氧逆境下的發(fā)芽試驗，低溫發(fā)芽率在0～82%之間，經(jīng)過綜合評價，W22（Khazar）在低溫和低氧條件下綜合表現(xiàn)最好。Fujino 等[2]研究發(fā)現(xiàn)，Italica Livorno和Hayamasari兩品種在低溫發(fā)芽能力方面存在巨大差異，15℃條件下7天的種子萌發(fā)率分別為98.7%和26.8%;來自意大利的品種Italica Livorno的等位基因能夠提高低溫條件下種子萌發(fā)率，其中位于第3染色體的主效QTL qLTG3-1對表型的貢獻(xiàn)率超過35%。Suh等[3]考察了韓國野生稻的低溫發(fā)芽能力，檢測到3個QTLs位點，分別位于第5、6和11染色體上，表型貢獻(xiàn)率在11.4%～18.6%之間。紀(jì)素蘭[4]和侯明語[5]等利用不同的重組自交系材料在第1、2、5、6、7、8、9、11和12染色體上檢測到11個低溫萌發(fā)相關(guān)位點。滕勝等[6]利用ZYQ8和JX17構(gòu)建的DH群體檢測到2個QTLs;位于第9染色體上的qLTG-9在第8～11 d發(fā)揮正向效應(yīng)，來自JX17的等位基因能夠提高發(fā)芽率;而位于第4染色體上的qLTG-4則在第12～16 d發(fā)揮相反的作用，來自JX17的等位基因降低低溫發(fā)芽率。Ma等[7]克隆了世界上首個水稻耐冷性基因COLD1，并闡明了其工作機(jī)理，為耐冷性研究提供了參考。楊佳等[8]根據(jù)COLD1基因中的SNP位點設(shè)計開發(fā)了耐低溫基因的dCAPS分子標(biāo)記，并利用7個水稻品種和96個秈粳交F2個體驗證了標(biāo)記的準(zhǔn)確性。上述研究為培育耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)的、適宜直播的水稻新品種提供了理論指導(dǎo)。

本研究通過考察不同天數(shù)的水稻低溫發(fā)芽率，確定了14℃低溫條件下17天為檢測低溫發(fā)芽率的最適時間，該時期的發(fā)芽率指標(biāo)能夠充分區(qū)分不同種質(zhì)資源耐低溫發(fā)芽能力的差異。以此評價指標(biāo)，綜合評價耐低溫發(fā)芽能力，篩選出14℃低溫條件下發(fā)芽迅速、幼芽生長快的水稻種質(zhì)資源，可為培育適宜提早直播、耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)的水稻新品種提供材料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以山東省水稻研究所種質(zhì)資源庫中保存的114個水稻種質(zhì)作為試驗材料（表1），于2018年正季種植于水稻所試驗基地，每個材料種植10株，成熟后去除明顯不同的單株，混收其余單株的種子，晾曬后室溫保存6個月，用于低溫發(fā)芽試驗。

1.2 試驗設(shè)計

每個材料挑選3份籽粒飽滿的種子，每份50粒。將種子經(jīng)75%乙醇浸泡10 min消毒，蒸餾水沖洗2遍，均勻排放于墊雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿加純凈水50 mL，48 h后種子吸水飽和，將水倒出，然后重新加入3～5 mL純凈水，保持濾紙濕潤。將其中的2份放入14℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)，開始計時;另1份種子作為對照，在32℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)7 d，調(diào)查種子發(fā)芽情況，所有材料發(fā)芽率均超過80%，表明種子發(fā)芽率正常，無休眠性影響。

1.3 發(fā)芽指標(biāo)調(diào)查及數(shù)據(jù)分析

參照《水稻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行發(fā)芽情況調(diào)查統(tǒng)計。低溫處理7 d后開始每2 d調(diào)查一次發(fā)芽率，第17天最后一次調(diào)查;每個材料隨機(jī)選取5粒發(fā)芽種子，測量芽長（不足5粒的只測量發(fā)芽的種子）。采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析。

發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：以芽長達(dá)到種子長度的一半、根長達(dá)到種子長度時記為發(fā)芽。

發(fā)芽率：GA（%）=N1/N2×100，式中GA為發(fā)芽率（%），N1為發(fā)芽粒數(shù)，N2為供試總粒數(shù)。

平均發(fā)芽天數(shù)：GD=[∑（D×N3）]/N1，式中GD為平均發(fā)芽天數(shù)，D為浸種后天數(shù)（d），N3為當(dāng)日發(fā)芽粒數(shù)，N1為總發(fā)芽粒數(shù)。

發(fā)芽率系數(shù)：GI=GA/GD，式中GI為發(fā)芽率系數(shù)，GA為發(fā)芽率（%），GD為平均發(fā)芽天數(shù)。

耐冷性評價方法：按照韓龍植等[9]的評價方法，以培養(yǎng)17 d的發(fā)芽率作為發(fā)芽期耐冷性評價指標(biāo)。發(fā)芽率>80%，耐冷級別為1，耐冷性強(qiáng);發(fā)芽率60%～80%，耐冷級別為5，耐冷性中等;發(fā)芽率<60%，耐冷級別為9，耐冷性弱。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫處理對不同水稻種質(zhì)發(fā)芽率的影響

種子發(fā)芽是水稻生長的重要環(huán)節(jié)，發(fā)芽率高，表示種子有活力，播種后出苗多，能為齊苗、高產(chǎn)打下基礎(chǔ)。結(jié)果（圖1）顯示，處理9 d，所有材料發(fā)芽率均未超過10%;隨低溫處理時間延長，不同材料間發(fā)芽能力的差異越來越顯著，處理17 d時差異最顯著，能夠?qū)⒏鞑牧系牡蜏匕l(fā)芽能力較好地顯現(xiàn)出來。魯粳1號、輻香1號、旱稻白芒、早桂選、87-45、IR36、津輻1號、60-7共8份材料的發(fā)芽率超過80%，低溫發(fā)芽能力強(qiáng);臨稻3號等30份材料的發(fā)芽率在60%～80%之間，低溫發(fā)芽能力中等;日本晴等76份材料的發(fā)芽率不足60%，低溫發(fā)芽能力弱（表1、表2）。

2.2 低溫處理對不同水稻種質(zhì)材料低溫發(fā)芽天數(shù)、發(fā)芽系數(shù)和芽長的影響

發(fā)芽天數(shù)表明種子達(dá)到最高發(fā)芽率所用時間的長短。低溫處理使材料的發(fā)芽天數(shù)普遍延長，供試種質(zhì)材料的平均發(fā)芽天數(shù)分布見圖2，大部分材料的平均發(fā)芽天數(shù)分布在15.6～16.5之間;所有供試材料的平均發(fā)芽天數(shù)的均值為15.9 d，耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)、中、弱的品種平均發(fā)芽天數(shù)分別為15.4、15.7、16.1 d。雙樣本等方差t-測驗發(fā)現(xiàn)，耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)和中的品種平均發(fā)芽天數(shù)無顯著差異，而與耐低溫發(fā)芽能力弱的品種差異顯著（表3）。

發(fā)芽系數(shù)為發(fā)芽率與平均發(fā)芽天數(shù)的比值，數(shù)值越大，表明發(fā)芽越快、越整齊。如圖3，供試種質(zhì)材料的發(fā)芽系數(shù)主要分布在1～5，有30份材料的發(fā)芽系數(shù)在2～3之間。供試水稻種質(zhì)材料的平均發(fā)芽系數(shù)為2.98，強(qiáng)、中和弱耐低溫發(fā)芽種質(zhì)材料的發(fā)芽系數(shù)分別為5.54、4.48和2.12，雙樣本等方差t-測驗顯示兩兩間均達(dá)到顯著差異（表3）。

低溫會顯著延緩幼芽生長。低溫處理17 d，不同水稻種質(zhì)材料幼芽生長存在顯著差異，其中有82份材料的芽長分布在3.0～4.5 mm之間（圖4）。供試材料平均芽長3.73 mm，耐低溫能力強(qiáng)、中、弱種質(zhì)材料的平均芽長分別為4.46、4.12、3.51 mm，雙樣本等方差t-測驗結(jié)果顯示強(qiáng)、中種質(zhì)材料間差異不顯著，但顯著高于耐低溫能力弱的種質(zhì)（表3）。

3 討論與結(jié)論

水稻直播具有生產(chǎn)成本低、操作簡便等優(yōu)點，已越來越普及，直播面積越來越大。由于水稻播種季節(jié)常常遭遇低溫冷害，造成種子發(fā)芽不整齊、缺苗斷壟等現(xiàn)象，影響直播水稻生產(chǎn)。因此，耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)的水稻品種更適合直播栽培。

關(guān)于水稻耐低溫發(fā)芽能力鑒定，韓龍植等[9]低溫處理水稻種子7、14 d后調(diào)查種子發(fā)芽率、平均發(fā)芽天數(shù)、發(fā)芽系數(shù)等，并用發(fā)芽率來評價發(fā)芽期耐冷性。王麗艷等[10]以種子萌發(fā)指標(biāo)和幼苗生長指標(biāo)的相對值作為耐低溫性評價指標(biāo)，并利用隸屬函數(shù)法對11個水稻品種進(jìn)行耐低溫性綜合評價，認(rèn)為發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、株高、根干重、根表面積和根體積可作為水稻品種耐低溫性的鑒定指標(biāo)。為了使鑒定結(jié)果更加準(zhǔn)確，本研究參考上述方法并進(jìn)行優(yōu)化，處理7 d后開始每隔1 d調(diào)查一次發(fā)芽率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)處理17 d的發(fā)芽率能夠更好地將不同材料的耐低溫發(fā)芽能力區(qū)分開來。以14℃處理17 d的發(fā)芽率為指標(biāo)，通過評價篩選出耐低溫發(fā)芽能力強(qiáng)的水稻種質(zhì)材料8份，耐低溫性中等的30份，弱的76份，為培育低溫條件下發(fā)芽能力強(qiáng)的水稻新品種提供了材料。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 曹微，王燕，譚斌，等. 水稻品種直播相關(guān)的種子低溫和低氧萌發(fā)活力評價 [J].分子植物育種， 2019， 21（10）： 58-65.

[2] Fujino K， Sekiguchi H， Sato T， et al. Mapping of quantitative trait loci controlling low-temperature germinability in rice （Oryza sativa L.） [J].Theoretical and Applied Genetics， 2004， 108（5）： 794-799.

[3] Suh J P， Ahn S N， Moon H P， et al. QTL analysis of low temperature geminability in a Korean weedy rice （Oryza sativa L.）[J]. Rice Research Newsletter， 1999，16： 53-55.

[4] 紀(jì)素蘭，江玲，王益華，等. 利用回交重組自交群體檢測水稻耐低溫發(fā)芽數(shù)量性狀基因座[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2007，30（1）：1-6.

[5] 侯明語，王春明，江玲，等. 水稻低溫發(fā)芽力QTL定位和遺傳分析[J].遺傳學(xué)報， 2004，31（7）：701-706.

[6] 滕勝，曾大力，錢前，等. 低溫條件下水稻發(fā)芽力QTL的定位分析[J].科學(xué)通報， 2001， 46（13）：1104-1108.

[7] Ma Y， Dai X Y， Xu Y Y， et al. COLD1 confers chilling tolerance in rice [J]. Cell， 2015， 160（6）：1209-1221.

[8] 楊佳，曹黎明，周繼華，等.水稻耐低溫基因COLD1功能標(biāo)記的開發(fā)及應(yīng)用[J].分子植物育種， 2019，17（18）：6028-6032.

[9] 韓龍植，張三元. 水稻耐冷性鑒定評價方法[J]. 植物遺傳資源學(xué)報， 2004，5（1）：75-80.

[10] 王麗艷，唐金敏，鄭桂萍，等. 水稻萌發(fā)期和幼苗期耐低溫指標(biāo)體系構(gòu)建及綜合評價[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報， 2019， 21（10）： 58-65.