抽穗開花期噴施茉莉酸甲酯對(duì)不同生態(tài)區(qū)粳稻花時(shí)和株型的影響

楊宇塵 夏原野 閆志強(qiáng) 汪磊 閆秉春 王鏡博 王祎瑋 欒金華 徐海

(1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻研究所/農(nóng)業(yè)部東北水稻生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北方超級(jí)粳稻育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/遼寧省北方粳稻遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈陽 110866; 2黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 水稻研究所, 哈爾濱 150038; *通信聯(lián)系人, E-mail: chinaxuhai@163.com)

秈稻和粳稻是亞洲栽培稻的兩個(gè)亞種，秈粳亞種間雜交可產(chǎn)生強(qiáng)大的雜種優(yōu)勢，因此，眾多育種工作者將秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的直接利用視為大幅度提高水稻產(chǎn)量的重要途徑之一[1-3]。秈粳雜交雖然具有很大的產(chǎn)量提升潛力，但在實(shí)際生產(chǎn)中仍面臨著諸多困難，花時(shí)不遇便是其中之一。秈粳親本間花時(shí)不遇，極大地降低了授粉成功率導(dǎo)致異交結(jié)實(shí)率嚴(yán)重偏低[4]。因此，研究水稻花時(shí)的調(diào)控措施，可以為亞種間雜種優(yōu)勢利用提供理論依據(jù)。

茉莉酸類化合物（JAs）是茉莉酸（JA）、茉莉酸甲酯（MeJA）和茉莉酸-異亮氨酸復(fù)合物等一系列衍生物的統(tǒng)稱。JAs在植物體內(nèi)廣泛存在，而MeJA是JAs的一種重要衍生物[6-7]。1999年，曾曉春[8]以兩份秈稻和兩份粳稻為試驗(yàn)材料，將稻穗浸入4 mmol/L MeJA溶液中，首次發(fā)現(xiàn)在MeJA處理下，穎花會(huì)提前開放的現(xiàn)象。王義[9]以Ⅱ32A、珍汕97A兩個(gè)不育系為試驗(yàn)材料，對(duì)其在MeJA溶液處理下各日的開花分布進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)品種在 MeJA處理后花時(shí)花期均與對(duì)照變化顯著，花時(shí)顯著提前。閆志強(qiáng)等[10]利用6個(gè)典型秈稻和6個(gè)粳稻品種，研究了在不同濃度MeJA處理下品種花時(shí)性狀的敏感性差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粳稻花時(shí)對(duì)MeJA不如秈稻敏感，僅在4 mmol/L MeJA處理下，粳稻始花時(shí)間、盛花時(shí)間和終花時(shí)間顯著早于對(duì)照組。蔣海燕等[11]、張旺等[12]分別開展了MeJA在三系雜交秈稻和三系雜交粳稻上應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)MeJA能夠快速誘導(dǎo)不育系進(jìn)入盛花狀態(tài)，并以此調(diào)節(jié)父母本的花時(shí)，使二者開花時(shí)間相近，從而使母本的異交結(jié)實(shí)率顯著提升，制種產(chǎn)量亦有顯著增加。王依明等[13]選取BT型三系不育系浦粳36A、光溫敏雄性核不育系浦矮粳15S作為實(shí)驗(yàn)材料，分別于上午7時(shí)、上午9時(shí)、下午3時(shí)三個(gè)時(shí)間對(duì)材料進(jìn)行MeJA噴霧處理，結(jié)果顯示，浦粳36A在午前經(jīng)MeJA誘導(dǎo)達(dá)到盛花，盛花持續(xù)時(shí)間長但響應(yīng)速度慢，而浦矮粳15S白天都可以經(jīng)MeJA誘導(dǎo)達(dá)到盛花，盛花持續(xù)時(shí)間短且響應(yīng)速度快。

前人研究中，已發(fā)現(xiàn)MeJA對(duì)穎花開放具有顯著促進(jìn)作用。由于秈稻花時(shí)普遍比粳稻早，在雜交制種實(shí)際生產(chǎn)上為使二者花時(shí)相遇，MeJA只能作用于粳型親本。而粳稻種植范圍廣，類型多種多樣，來自不同生態(tài)區(qū)的粳稻材料對(duì)MeJA調(diào)控的響應(yīng)和敏感性是否有差異？閆志強(qiáng)等[13]的研究結(jié)果顯示，粳稻的花時(shí)僅對(duì)4 mmol/L MeJA處理敏感，那么適當(dāng)提高M(jìn)eJA處理濃度，能否使粳稻花時(shí)進(jìn)一步提前？同時(shí)，MeJA對(duì)粳稻的株型性狀是否有影響？本研究以來自不同生態(tài)區(qū)的35份粳稻品種為試材，研究不同濃度MeJA調(diào)控不同生態(tài)區(qū)粳稻花時(shí)性狀的效果及其對(duì)株型性狀的影響，為利用MeJA調(diào)控雜交親本的花時(shí)，提高亞種間雜交稻的制種產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以來自黑龍江、吉林、遼寧、新疆、寧夏稻區(qū)共35份粳稻材料為試材(表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年將所有試驗(yàn)材料種植于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗(yàn)田，為保證花期相遇，分兩期播種，第一期于4月21播種，5月19日移栽；第二期于5月4日播種，6月4日移栽。每個(gè)品種種植4行，每行種植30株，單本插秧，行距30 cm，株距13.3 cm。試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，其中主因素為品種，副因素為MeJA處理濃度，3次重復(fù)。

表1 本研究所用品種Table 1. Materials used in the study.

MeJA訂購于Sigma Aldrich試劑公司，純度≥95%。共設(shè)置3個(gè)噴施濃度，由低到高分別為4、8、16 mmol/L，其余田間管理措施與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)田一致。為防止不同處理間溶液混雜，噴施時(shí)不同處理行間用塑料布間隔開。配制MeJA溶液時(shí)用少量無水乙醇作助溶劑，終體積分?jǐn)?shù)為2.5%，同時(shí)為保證溶液盡可能吸附在植株上利于吸收，配制相應(yīng)濃度溶液時(shí)均加入體積分?jǐn)?shù)為 1.0%的乳化劑吐溫 20。對(duì)照組溶液無水乙醇和吐溫 20體積分?jǐn)?shù)均與各濃度處理保持一致。MeJA在抽穗開花期噴施，具體時(shí)間為調(diào)查前一日晚17點(diǎn)。

1.3 調(diào)查指標(biāo)與測量方法

采用目測法來觀測花時(shí)，以每一處理行除邊行外的連續(xù)3株作為一個(gè)基本觀察單位，每個(gè)處理行下共設(shè)3次重復(fù)。于水稻抽穗開花期，觀察記錄始花時(shí)、盛花時(shí)、終花時(shí)。調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)以一天中稻穗上第一朵穎花開放的時(shí)間作為始花時(shí)，以一天中穎花開放量最大且最集中的時(shí)間作為盛花時(shí)，以所有穎花全部關(guān)閉的時(shí)間作為終花時(shí)，并計(jì)算始花時(shí)至盛花時(shí)的持續(xù)時(shí)間(簡寫為始-盛時(shí)間)、盛花時(shí)至終花時(shí)的持續(xù)時(shí)間(簡寫為盛-終時(shí)間)、始花時(shí)至終花時(shí)的持續(xù)時(shí)間(簡寫為始-終時(shí)間)。

齊穗后15 d調(diào)查各生態(tài)區(qū)品種的株型性狀。每個(gè)處理取5株長勢中等的植株，每株剪取1個(gè)長勢中等的單莖，采用徐正進(jìn)等[14]的方法測量頸穗彎曲度（劍葉葉枕到穗尖的連線與莖稈的夾角）、劍葉和倒2、3葉的葉基角、葉長、葉寬。

為便于對(duì)花時(shí)性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將始花時(shí)、盛花時(shí)、終花時(shí)的記錄結(jié)果轉(zhuǎn)換為以北京時(shí)間7:30為零起點(diǎn)持續(xù)至始花、盛花、終花的時(shí)間，以分鐘為單位表示，并計(jì)算各品種對(duì)照下各花時(shí)性狀與各濃度處理間相應(yīng)花時(shí)性狀的差值，即始花時(shí)差、盛花時(shí)差、終花時(shí)差、始-盛時(shí)間差、盛-終時(shí)間差、始-終時(shí)間差。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 12.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以Excel 2013軟件繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 抽穗開花期田間氣溫和日照長度的變化

抽穗開花期田間的氣溫和日照長度變化可影響水稻開花進(jìn)程。圖1顯示了沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所試驗(yàn)田2018年7月19日至8月18日正值試驗(yàn)材料抽穗開花期最高氣溫、最低氣溫和日照長度的變化。最高氣溫在28～36 ℃間波動(dòng)，最低氣溫在21～27 ℃間波動(dòng)，最高氣溫和最低氣溫在這一個(gè)月間的下降趨勢不明顯。日照長度從889.43 min/d到825.40 min/d穩(wěn)步縮短。

2.2 不同濃度MeJA對(duì)粳稻花時(shí)性狀的影響

各品種抽穗期調(diào)查前一日晚 17點(diǎn)噴施不同濃度的MeJA，并觀測處理后連續(xù)3 d的花時(shí)性狀。將供試品種在各濃度MeJA處理下的花時(shí)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果如圖2所示，處理后第一天MeJA對(duì)所有粳稻品種的花時(shí)具有極顯著的正向促進(jìn)效果。各濃度MeJA處理下粳稻花時(shí)性狀均與對(duì)照呈極顯著差異。低濃度處理下，始花時(shí)較對(duì)照提前約100 min，盛花時(shí)較對(duì)照提前約 115 min，終花時(shí)較對(duì)照提前140 min左右，始-盛時(shí)間較對(duì)照縮短約30 min，盛-終時(shí)間較對(duì)照縮短約50 min，始-終時(shí)間較對(duì)照縮短約80 min。且隨著MeJA濃度的升高，除盛-終時(shí)間逐漸增加，其余花時(shí)性狀均逐漸減小，各濃度處理間差異均達(dá)到極顯著水平。

處理后第二天，不同濃度MeJA處理對(duì)所有粳稻品種各花時(shí)性狀的影響較處理后第一天有較大變化。從圖3可以看出，在高濃度處理下未觀察到開花現(xiàn)象，可知MeJA誘導(dǎo)花時(shí)提前效應(yīng)較處理后第一天明顯減弱。低濃度、中濃度處理下始花時(shí)、始-盛時(shí)間、始-終時(shí)間均與對(duì)照差異極顯著，各濃度處理下盛花時(shí)與對(duì)照差異均不顯著，終花時(shí)、盛-終時(shí)間僅低濃度處理與對(duì)照差異極顯著，各濃度處理間僅終花時(shí)差異極顯著，其余花時(shí)性狀在各濃度處理間差異均不顯著。

處理后第三天，中、高濃度MeJA處理組無開花現(xiàn)象（圖4），可知MeJA對(duì)粳稻花時(shí)性狀誘導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)一步減弱。4 mmol/L濃度處理下粳稻始花時(shí)、始-盛時(shí)間、盛-終時(shí)間與對(duì)照間差異均不顯著，盛花時(shí)、終花時(shí)、始-終時(shí)間均極顯著高于對(duì)照。

圖1 2018年抽穗開花期田間氣溫、日照長度變化Fig. 1. Change curve of maximum and minimum temperature and sunshine duration in the field in 2018.

圖2 處理后第一天不同濃度MeJA處理對(duì)粳稻花時(shí)性狀的影響Fig. 2. Flowering time traits of japonica rice as affected by different concentrations of MeJA on the first day after treatment.

2.3 各生態(tài)區(qū)粳稻對(duì)MeJA調(diào)控響應(yīng)的敏感性差異

將 35份粳稻品種按不同的生態(tài)區(qū)分組，進(jìn)一步研究不同生態(tài)區(qū)育成的粳稻品種的花時(shí)對(duì) MeJA的敏感性差異。方法是將各品種不噴施MeJA（CK）的花時(shí)性狀與各自噴施不同濃度MeJA處理的花時(shí)性狀做差，差值越大代表其在相應(yīng)處理下的花時(shí)性狀提前程度越大，統(tǒng)計(jì)后作單因素方差分析，結(jié)果如表2所示。

各濃度處理下，不同生態(tài)區(qū)育成的粳稻品種的始花時(shí)差均無顯著差異，遼寧稻區(qū)的盛花時(shí)差顯著大于其他各生態(tài)區(qū)，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶的盛花時(shí)差顯著小于其余各生態(tài)區(qū)，說明在MeJA處理下遼寧粳稻更快達(dá)到盛花時(shí)，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶粳稻達(dá)到盛花時(shí)的時(shí)間最長，響應(yīng)最慢。在終花時(shí)差上，新疆稻區(qū)顯著大于其余各生態(tài)區(qū)，黑龍江第三積溫帶粳稻顯著小于其余各生態(tài)區(qū)。在始-盛時(shí)間差上，遼寧粳稻提前量顯著大于其余各生態(tài)區(qū)，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶粳稻提前量均極顯著小于其余各生態(tài)區(qū)。在盛-終時(shí)間差上，遼寧稻區(qū)粳稻提前量極顯著小于其余各生態(tài)區(qū)，始-終時(shí)間差上，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶粳稻極顯著小于其余各生態(tài)區(qū)。綜上所述，不同MeJA濃度處理下，遼寧稻區(qū)粳稻對(duì)MeJA最為敏感，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶粳稻對(duì)MeJA最為鈍感。

圖3 處理后第二天不同濃度MeJA處理對(duì)粳稻各花時(shí)性狀的影響Fig. 3. Flowering time of japonica rice as affected by different concentrations of MeJA on the second day after treatment.

圖4 處理后第三天不同濃度MeJA處理對(duì)粳稻各花時(shí)性狀的影響Fig. 4. Flowering time of japonica rice as affected by different concentrations of MeJA on the third day after treatment.

表2 各生態(tài)區(qū)粳稻花時(shí)對(duì)不同濃度MeJA處理響應(yīng)的差異Table 2. Difference in response of flowering time of japonica rice from different ecological areas to different concentrations of MeJA treatment. min

2.4 MeJA對(duì)粳稻株型性狀的影響

進(jìn)一步研究了 MeJA對(duì)粳稻株型性狀的影響（表 3），MeJA對(duì)不同生態(tài)區(qū)粳稻品種的株高具有負(fù)向調(diào)控效應(yīng)。隨著MeJA濃度的升高，各生態(tài)區(qū)粳稻株高整體呈逐漸下降趨勢，各濃度處理下與對(duì)照間差異極顯著，各濃度處理間差異顯著。隨著MeJA濃度的升高，粳稻穗頸彎曲度呈下降趨勢，中濃度、高濃度處理下與對(duì)照差異極顯著，中、高濃度處理間差異極顯著，低濃度處理與對(duì)照差異不顯著；倒二葉基角逐漸增大，僅高濃度與對(duì)照差異極顯著；倒三葉基角有增大趨勢，中濃度處理下與對(duì)照差異極顯著；劍葉長有增長趨勢，中濃度處理下與對(duì)照差異顯著；劍葉寬逐漸增大，低、中濃度處理與對(duì)照差異顯著；倒二葉逐漸變長，各濃度處理與對(duì)照均呈極顯著差異，但處理間差異不顯著。

表3 不同濃度MeJA處理對(duì)粳稻株型性狀的影響Table 3. Influence of MeJA treatment on plant type traits of japonica rice from different ecological areas.

3 討論

20世紀(jì)50年代，楊守仁[15]針對(duì)秈粳稻雜交育種開展了一系列基礎(chǔ)性研究工作，系統(tǒng)地闡述了秈粳雜交后代結(jié)實(shí)率低、性狀難以穩(wěn)定、秈粳雙親間各自優(yōu)勢及雜種優(yōu)勢能否結(jié)合、保持與利用等核心問題。1973年，我國學(xué)者石明松首次發(fā)現(xiàn)光溫敏核不育水稻材料[16]。1984年，Ikehashi提出了“廣親和”基因理論[17]。自此，我國秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用開始逐步實(shí)現(xiàn)秈粳配組自由，并穩(wěn)步向前發(fā)展[18]。21世紀(jì)初，甬優(yōu)6號(hào)的育成，在產(chǎn)量、株型上均實(shí)現(xiàn)較大突破，為亞種間雜種優(yōu)勢利用開辟了一條新途徑[19]，“粳不秈恢”繼而成為雜交稻生產(chǎn)上較為固定的配組模式。然而，秈粳親本花時(shí)不遇嚴(yán)重制約亞種間雜交稻制種產(chǎn)量的提高。MeJA可有效促進(jìn)花時(shí)提前[8]，最適宜應(yīng)用于粳型親本，研究MeJA調(diào)控不同生態(tài)區(qū)育成的粳稻品種的花時(shí)，對(duì)提高亞種間雜交稻的制種產(chǎn)量具有重要意義。

抽穗開花期噴施MeJA對(duì)不同生態(tài)區(qū)粳稻品種花時(shí)性狀的調(diào)查結(jié)果表明，處理后第二天、第三天高、中濃度處理下相繼未觀察到開花現(xiàn)象，由此推測MeJA顯著增加了穎花開放量，可能使原本應(yīng)在第二、三天陸續(xù)開放的穎花提前于處理后第一天開放。這樣處理是否能真正達(dá)到提高制種產(chǎn)量的目的？ Kobayasi等[20]研究發(fā)現(xiàn)，于水稻抽穗期施用MeJA可導(dǎo)致稻穗不育，原因是MeJA誘導(dǎo)了預(yù)期在處理后一天開放的穎花提前開放，而這部分穎花的器官發(fā)育相對(duì)不完善，可能使受精不良進(jìn)而導(dǎo)致敗育。該研究證實(shí)了高濃度MeJA會(huì)誘導(dǎo)尚未開放的水稻穎花提前開放并可能導(dǎo)致敗育這一現(xiàn)象。高濃度MeJA對(duì)穎花會(huì)有過度刺激，生產(chǎn)中調(diào)節(jié)雜交親本花時(shí)性狀時(shí)，若盲目提高 MeJA施用濃度，可能導(dǎo)致穎花敗育，即使花時(shí)相遇，但對(duì)提高制種產(chǎn)量得不償失。我們將在后續(xù)研究中采用不同類型的粳型親本，于抽穗期進(jìn)行合適濃度的MeJA處理，模擬雜交制種過程，通過實(shí)際測量制種產(chǎn)量來進(jìn)一步驗(yàn)證。

外源激素可調(diào)控水稻株型。宮彥龍等[21]于幼穗分化期對(duì)水稻進(jìn)行細(xì)胞分裂素（CTK）噴施處理，結(jié)果顯示水稻劍葉基角、倒二葉基角、倒三葉基角、倒二葉長、倒三葉長和倒三節(jié)長較對(duì)照極顯著增大。本研究結(jié)果表明，噴施外源MeJA可導(dǎo)致粳稻株高降低和穗頸彎曲度減小，推測可能是高濃度的MeJA可抑制穗頸伸長，干擾受精和籽粒發(fā)育過程，使株高降低，結(jié)實(shí)率下降或籽粒灌漿不良，稻穗變輕，導(dǎo)致穗頸彎曲度減小。

花時(shí)響應(yīng)的敏感性差異分析結(jié)果表明，遼寧稻區(qū)粳稻品種的花時(shí)性狀對(duì) MeJA的調(diào)控最為敏感，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶的粳稻品種花時(shí)性狀對(duì)MeJA的調(diào)控最為鈍感。這可能與遼寧稻區(qū)開展秈粳稻雜交育種較早，育成品種中含秈性成分多，黑龍江省第三積溫帶地處寒地，粳性成分多更有利于提高抗寒性有關(guān)。林建榮等[22]建議從粳型不育系和秈粳中間型廣親和恢復(fù)系的開花制種特性改良方面著手，通過秈粳雜交從秈稻材料中導(dǎo)入早花時(shí)基因，同時(shí)選育秈稻成分適當(dāng)、花時(shí)相對(duì)較遲、花藥大、花粉優(yōu)的秈粳中間型廣親和恢復(fù)系，以縮小父母本的花時(shí)差，提高異交結(jié)實(shí)率。筆者同意上述建議，粳型親本中可以適度引入秈性成分，縮小同秈型親本的花時(shí)差，有助于提高亞種間雜交稻的制種產(chǎn)量，但秈性成分的引入，可能降低品種的抗寒性，縮小秈粳親本間的遺傳距離，不利于秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的充分發(fā)揮，育種者需要在二者之間權(quán)衡利弊，找到最佳的平衡點(diǎn)。

開花時(shí)間與開花速率有較大差異，開花時(shí)間只能以較為絕對(duì)的數(shù)值來反映當(dāng)日水稻開花的狀態(tài)，而開花數(shù)量和開花速率能較好地反映一天內(nèi)水稻開花的動(dòng)態(tài)，下一步計(jì)劃采用點(diǎn)花法來觀測花時(shí)，以進(jìn)一步明確 MeJA對(duì)粳稻穎花開放速率的影響。肖玉國等[23]通過反向遺傳學(xué)等分子生物技術(shù)手段，得出OsJAR1為JA氨基酸合成酶的結(jié)論，且它是水稻穎花開閉和花藥開裂所必需的。筆者建議下一步應(yīng)聚焦 JA誘導(dǎo)水稻開花信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的建立與完善，進(jìn)而明確外源MeJA導(dǎo)致水稻穎花提前開放且育性降低的分子機(jī)制，并思考抑制這一負(fù)面效應(yīng)的對(duì)策。

4 結(jié)論

MeJA具有顯著促進(jìn)粳稻花時(shí)提前的效應(yīng)。不同MeJA處理濃度下各粳稻始花時(shí)、盛花時(shí)、終花時(shí)均較對(duì)照大幅提前，同時(shí)始-盛時(shí)間、盛-終時(shí)間、始-終時(shí)間均較對(duì)照大幅縮短，差異均達(dá)到極顯著水平。隨著MeJA濃度的升高，各生態(tài)區(qū)粳稻對(duì)MeJA的敏感性存在差異，其中遼寧稻區(qū)粳稻對(duì)MeJA的調(diào)控最為敏感，黑龍江稻區(qū)第三積溫帶的粳稻對(duì)MeJA的調(diào)控最鈍感。處理后第2天、第3天，MeJA調(diào)控效應(yīng)快速消失，低濃度處理下始終有開花現(xiàn)象，高濃度、中濃度處理下相繼無開花現(xiàn)象。

MeJA對(duì)粳稻株型性狀有一定影響。不同濃度MeJA處理下粳稻株高、穗頸彎曲度均與對(duì)照間差異顯著，不同生態(tài)區(qū)粳稻間株高、穗頸彎曲度隨著MeJA濃度的升高而下降，各濃度處理與對(duì)照間均差異顯著，對(duì)其他株型性狀的影響大多未達(dá)到顯著水平。