水稻不同胞質(zhì)不育系異交能力對(duì)氮肥調(diào)控的響應(yīng)研究

鐘 穎，劉 蓉，黃 苗，宋 翔，朱美霖，李純?nèi)A，胡運(yùn)高

（1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.綿陽市農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心，四川 綿陽 621010）

【研究意義】我國(guó)雜交水稻研究位于世界領(lǐng)先水平。不管是兩系還是三系雜交水稻，提高雜交水稻制種產(chǎn)量是雜交水稻大面積推廣的基礎(chǔ)。水稻不育系的柱頭外露特性是異交結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)不育系柱頭大、外露率高能接受更多的花粉，且柱頭外露越多，柱頭活力越強(qiáng)［1］。不育系的柱頭性狀受基因型控制［3-4］，還會(huì)受氣候因素的顯著調(diào)節(jié)作用［5-6］，在氣候環(huán)境相同的條件下柱頭性狀主要受激素和肥水調(diào)節(jié)的影響［7-8］。同時(shí)研究也證明不育系細(xì) 胞質(zhì)對(duì)雜種F1代主要性狀具有明顯的遺傳效應(yīng)［9-12］。【前人研究進(jìn)展】有關(guān)不育胞質(zhì)對(duì)柱頭性狀的研究表明，胞質(zhì)對(duì)水稻開花影響效應(yīng)明顯，不育系與保持系相比柱頭外露率明顯降低，開花時(shí)間延遲30～50 min左右［13-14］。有關(guān)不同胞質(zhì)效應(yīng)對(duì)雜交水稻核質(zhì)互作不育系柱頭性狀的影響未見研究。氮素是水稻生長(zhǎng)中必不可少的主要營(yíng)養(yǎng)之一，也是植物個(gè)體乃至自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)生長(zhǎng)最常見的限制因子［15-16］。水稻葉片含氮量與其葉片光合生產(chǎn)能力密切相關(guān)，在一定含氮量水平條件下，水稻葉片含氮量高有利于提高其單葉光合速率［17］，因而能增加物質(zhì)積累，為產(chǎn)量作貢獻(xiàn)。魏永華等［18］研究表明，氮肥對(duì)水稻的葉面積起到主導(dǎo)作用，氮肥用量增加，葉面積隨之增加，反之減少；頂部3 葉作為高效功能葉面積，其適當(dāng)增長(zhǎng)使冠層的高效葉片空間配置更加合理有序［19］。魯偉林等［20-21］研究表明，合理施用穗肥可以提高頂部3 葉的性狀，增強(qiáng)光合作用，同時(shí)提高氮肥的吸收利用效率，促進(jìn)結(jié)實(shí)率和千粒重的增加，從而達(dá)到增產(chǎn)目的。目前，我國(guó)培育的不同細(xì)胞質(zhì)源的水稻雄性不育類型較多，但其中多為普通野生稻細(xì)胞質(zhì)來源種和秈稻細(xì)胞質(zhì)來源，且僅少數(shù)不育胞質(zhì)在生產(chǎn)上被利用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我們前期研究也發(fā)現(xiàn)細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)對(duì)雜交水稻產(chǎn)量、有效穗數(shù)等方面存在顯著影響，在相同條件下表現(xiàn)出的氮素利用方面的配合力也存在明顯差異［22］。因此本研究以不同的同核異質(zhì)不育系為研究材料，研究胞質(zhì)效應(yīng)對(duì)氮肥的響應(yīng)差異?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過本研究，獲得不同雜交水稻不育胞質(zhì)對(duì)氮肥的響應(yīng)差異，特別是不育系異交習(xí)性對(duì)氮肥的響應(yīng)差異機(jī)制，研究結(jié)果對(duì)指導(dǎo)不同胞質(zhì)類型不育系高產(chǎn)高效繁殖制種中的氮肥調(diào)控技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

雜交水稻同核異質(zhì)不育系JW803A（爪哇型）、W803A（野敗型）、G803A（岡型）、K803A（K 型）、印水803A（印水型）至2019 年已回交轉(zhuǎn)育18 代，細(xì)胞核供體保持系：803B。不育系和保持系種子均由西南科技大學(xué)水稻研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019 年在西南科技大學(xué)水稻研究所青蓮試驗(yàn)基地進(jìn)行。定位試驗(yàn)田不同處理間采用薄膜包坎，防止水肥滲漏；土壤為壤土，試驗(yàn)田基礎(chǔ)肥力為全氮1.98 g/kg、速效氮80.3 mg/kg、速效磷43.3 mg/kg、速效鉀76.2 mg/kg，分別設(shè)置3個(gè)氮水平，即N1（低氮，6 kg/667 m2）、N2（中氮，10 kg/667 m2）、N3（高氮，18 kg/667 m2）。氮肥施用比例為基肥：分蘗肥：穗肥=5 ∶3 ∶2，磷肥8 kg/667 m2、鉀肥4.3 kg/667 m2，作為底肥一次性施入。氮肥為尿素，含氮量46%；磷肥為過磷酸鈣，P2O5含量15%；鉀肥為氯化鉀，K2O含量62%。分蘗動(dòng)態(tài)、株高、葉片長(zhǎng)寬、穗頸包頸、柱頭外露情況在盆栽系統(tǒng)中進(jìn)行，每個(gè)處理5 盆，每盆1 株，平行排放。

水稻同核異質(zhì)不育系JW803A（爪哇型）、W803A（野敗型）、G803A（岡型）、K803A（K 型）、印水803A（印水型）及其對(duì)應(yīng)保持系803B，經(jīng)浸種催芽，4 月18 日播種，5 月10 日移栽，按照雜交水稻不育系高產(chǎn)繁殖栽插模式，不育系和保持系行比8 ∶2，不育系每667 m2栽插30 000 株。其他日常管理按不育系繁殖大田生產(chǎn)水平進(jìn)行花期預(yù)測(cè)、九二零處理、趕粉收獲等。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

自移栽后5 d 開始，每隔5 d 觀察記載各不育系分蘗數(shù)，每個(gè)處理統(tǒng)計(jì)5 株，于齊穗期測(cè)定葉片葉長(zhǎng)、葉寬、株高、穗頸包頸、柱頭外露情況。田間處理于趕粉成熟后每個(gè)處理收獲100 株計(jì)產(chǎn)，并選取有代表性植株調(diào)查不育系的異交結(jié)實(shí)率。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2017 進(jìn)行整理，采用SPSS19.0、Origin8.5 等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥水平對(duì)水稻不育性分蘗特性的影響

由圖1 可知，氮肥施用可以顯著促進(jìn)各胞質(zhì)水稻不育系的分蘗產(chǎn)生，中高氮（N2、N3）處理不育系最大分蘗數(shù)和分蘗速度均高于低氮（N1）處理；中高氮（N2、N3）處理最大分蘗數(shù)較低氮（N1）處理分別增加11.68%、86.45%。在相同氮肥條件下不同胞質(zhì)之間分蘗速度差異顯著，最大分蘗數(shù)在中低氮（N2、N1）處理差異相對(duì)較小，高氮（N3）處理差異相對(duì)較大。中低氮（N2、N1）處理不同胞質(zhì)不育系之間的分蘗速度差異大于高氮（N3）處理，低氮（N1）處理不同胞質(zhì)不育系之間分蘗速度為WA ＞KA ＞JWA ＞YSA＞GA；中氮（N2）處理不同胞質(zhì)不育系之間的分蘗速度為WA ＞KA ＞YSA ＞JWA ＞GA；高氮（N3）處理不同胞質(zhì)不育系之間的分蘗速度為JWA 大于其他胞質(zhì)不育系，高氮處理WA、KA、YSA、GA 分蘗速度差異不大。

圖1 不同氮肥水平水稻不育系的分蘗動(dòng)態(tài)Fig.1 Tillering dynamics of rice CMS lines under different nitrogen levels

2.2 影響水稻不育系主要農(nóng)藝性狀（異交習(xí)性）的因素

由表1 可知，胞質(zhì)效應(yīng)對(duì)水稻不育系株高、葉片長(zhǎng)寬、結(jié)實(shí)率和千粒重影響不顯著，對(duì)單位面積有效穗數(shù)、包頸率、產(chǎn)量和柱頭外露性產(chǎn)生顯著影響；氮肥處理除對(duì)柱頭單露率無顯著影響外，對(duì)其他農(nóng)藝性狀及異交習(xí)性均產(chǎn)生顯著或極顯著影響；氮肥和胞質(zhì)效應(yīng)之間的互作對(duì)除葉長(zhǎng)外的其他農(nóng)藝性狀及異交習(xí)性均有顯著或極顯著影響。不育系繁殖產(chǎn)量受胞質(zhì)、氮肥水平及其互作效應(yīng)的顯著影響。

表1 水稻不育系主要農(nóng)藝性狀及異交習(xí)性影響因素方差分析Table1 Analysis of variance of factors influencing main agronomic characters and outcrossing habits of rice CMS lines

2.3 氮肥及胞質(zhì)效應(yīng)對(duì)水稻不育系對(duì)農(nóng)藝性狀的影響

隨著氮肥施用量增加，水稻不同胞質(zhì)不育系的株高、葉片長(zhǎng)寬、有效穗數(shù)和千粒重多呈增加趨勢(shì)，不同農(nóng)藝性狀對(duì)氮肥的響應(yīng)因胞質(zhì)效應(yīng)的不同而存在明顯差異（表2）。

表2 水稻不育系主要農(nóng)藝性狀對(duì)氮肥的響應(yīng)Table 2 Response of main agronomic characters of rice CMS lines to nitrogen fertilizer

隨著氮肥施用量增加，株高分別較低氮（N1）處理增加3.76%（N2）和7.30%（N3），葉長(zhǎng)分別較低氮（N1）處理增加3.90%（N2）和8.58%（N3），葉寬分別較低氮（N1）處理增加11.90%（N2）和22.52%（N3），有效穗數(shù)分別較低氮（N1）處理增加36.83%（N2）和39.86%（N3），千粒重分別較低氮（N1）處理增加4.36%（N2）和5.07%（N3）?？梢娙~片寬度和單位面積有效穗數(shù)對(duì)氮肥的反應(yīng)較敏感，株高、葉長(zhǎng)和千粒重對(duì)氮肥的反應(yīng)相對(duì)較弱。胞質(zhì)效應(yīng)在不同性狀之間存在顯著差異，不育系較保持系的株高和千粒重降低，單位面積有效穗和穗長(zhǎng)增加，葉寬多數(shù)無顯著差異。其中不育系千粒重較保持系降低最大，降幅在6.33%～7.71%，G 型胞質(zhì)不育系（GA）千粒重降低幅度顯著小于其他胞質(zhì)不育系；單位面積有效穗數(shù)方面K 型（KA）的增幅最大、達(dá)到11.43%。

胞質(zhì)與氮肥水平的互作效應(yīng)在各農(nóng)藝性狀之間存在明顯差異，JWA、KA 和YSA 隨氮肥施用量的增加株高增加不顯著，WA 增加幅度最大，在中高氮（N2、N3）處理分別較低氮（N1）處理增加9.14%（N2）和13.97%（N3）；葉長(zhǎng)不同氮肥處理對(duì)相同胞質(zhì)不育系影響不顯著；各胞質(zhì)不育系的葉片寬度隨氮肥施用量的增加而增加，高氮（N3）處理的葉寬顯著高于低氮（N1）處理，中低氮（N2、N1）和中高氮（N2、N3）處理之間差異不顯著，單位面積有效穗數(shù)也表現(xiàn)出相似規(guī)律；除WA 和YSA 外其他胞質(zhì)不育系的千粒重均隨氮肥施用量的增加而增加，中高氮（N2、N3）處理的千粒重顯著高于低氮（N1）處理。

2.4 氮肥及胞質(zhì)效應(yīng)對(duì)水稻不育系異交能力影響

隨著氮肥施用量的增加，水稻不同胞質(zhì)不育系柱頭雙外露率和總外露率增加，結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量增加，柱頭單外露率降低，穗頸包頸率呈先增加后降低趨勢(shì)；異交習(xí)性對(duì)氮肥的響應(yīng)因胞質(zhì)效應(yīng)的不同而存在明顯差異（表3）。

表3 水稻不育系異交習(xí)性對(duì)氮肥的響應(yīng)Table 3 Response of outcrossing habit of rice CMS lines to nitrogen fertilizer

803B 保持系穗頸無包頸，其各同核異質(zhì)不育系均存在不同程度的包頸現(xiàn)象，中氮（N2）處理不育系包頸率顯著增加，較低氮（N1）處理增加11.90%，高氮（N3）處理不育系包頸率較低氮（N1）處理降低9.55%。隨著氮肥施用量的增加不育系柱頭外露降低，增施氮肥后不育系柱頭單露率較低氮（N1）處理分別降低0.55%（N2）和5.20%（N3），雙露率較低氮（N1）處理分別增加2.01%（N2）和12.44%（N3），總外露率也明顯高于低氮（N1）處理。中高氮（N2、N3）處理不育系異交結(jié)實(shí)率較低氮（N1）處理分別增加11.13%（N2）和10.68%（N3），繁殖產(chǎn)量較低氮（N1）處理分別增加17.86%（N2）和21.05%（N3）?？梢娫诒驹囼?yàn)條件下適當(dāng)增施氮肥可以提高水稻不育系的繁殖產(chǎn)量，但過量施氮對(duì)產(chǎn)量增加不顯著。胞質(zhì)效應(yīng)在不同性狀之間存在顯著差異，各不育系包頸程度均存在一定差異，其中WA 的包頸率最低（平均16.26%），YSA 的包頸率最大（平均21.48%）。多數(shù)不育系的柱頭單露率顯著低于803B，其中YSA 最低，較803B低18.11%；各胞質(zhì)不育系中GA 的柱頭單露率最高，與803B 差異不大。各胞質(zhì)不育系的柱頭雙露率均是保持系的2～3 倍，最終的總外露率較保持系高35.39%～54.37%，其中WA 的柱頭總外露率最高。各胞質(zhì)不育系的結(jié)實(shí)率均低于保持系，且不同胞質(zhì)不育系之間差異不大，最終繁殖產(chǎn)量也相差不大，但在產(chǎn)量方面胞質(zhì)與氮肥的互作效應(yīng)較強(qiáng)。

JWA 和KA 的包頸粒率隨氮肥施用量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，GA 和YSA 隨氮肥施用量的增加呈降低趨勢(shì)，WA 的包頸粒率受氮肥影響不顯著；柱頭總外露方面JWA 和YSA 受氮肥影響不顯著，過量施氮會(huì)顯著降低WA、GA 的柱頭總外露率，KA 的柱頭總外露率隨氮肥施用的增加而增加；不育系的結(jié)實(shí)率多隨氮肥施用量的增加而增加，但高氮（N3）處理對(duì)結(jié)實(shí)率的增加不顯著，或者會(huì)出現(xiàn)結(jié)實(shí)率小幅降低的現(xiàn)象；JWA、WA 的繁殖產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加呈先增加后降低變化，GA 和KA 的繁殖產(chǎn)量隨氮肥施用量的增加而增加，YSA 的繁殖產(chǎn)量受氮肥施用量的影響不顯著。

2.5 影響水稻同核異質(zhì)不育系繁殖產(chǎn)量的因素

不育系繁殖產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀和異交習(xí)性顯著相關(guān)（表4），其中繁殖產(chǎn)量與結(jié)實(shí)率、千粒重、單位面積有效穗數(shù)、葉寬、柱頭雙外露率和總外露率均呈顯著或極顯著正相關(guān)性；各農(nóng)藝性狀之間存在顯著或極顯著的正相關(guān)性，穗頸包頸率與柱頭外露率之間呈負(fù)相關(guān)性，其中與柱頭單露率和總外露率呈極顯著負(fù)相關(guān)性。通過逐步回歸分析構(gòu)建影響不育系繁殖產(chǎn)量的回歸方程為：y（產(chǎn)量）=52.47+6.01x1+3.85x2-4.18x3，其中x1為單位面積有效穗、x2為結(jié)實(shí)率、x3為葉長(zhǎng)?？梢姳ＷC充足的單位面積有效穗數(shù)，增加結(jié)實(shí)率，控制葉片長(zhǎng)度是提高不育系繁殖的重要因素。

表4 不同氮肥水平下影響水稻不育系繁殖產(chǎn)量的因素相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of factors influencing reproductive yield of rice CMS lines under different nitrogen fertilizer conditions

3 討論

3.1 水稻不同胞質(zhì)不育系農(nóng)藝性狀和異交習(xí)性差異顯著

水稻的主要農(nóng)藝性狀受細(xì)胞核基因控制，已有越來越多參與調(diào)控水稻主要農(nóng)藝性狀的QTL 或基因被相繼克隆，如葉型、葉片卷曲特性［23］、寬度［24］、分蘗數(shù)［25］、株高［26］、穗部性狀［27］等方面的相關(guān)QTL 或基因。水稻的柱頭外露、包頸等異交習(xí)性也受核基因控制［28-30］，研究發(fā)現(xiàn)不育系的異交習(xí)性與胞質(zhì)效應(yīng)存在一定關(guān)系［31］。

本試驗(yàn)中，4 個(gè)水稻同核異質(zhì)不育系普遍存在穗頸包頸現(xiàn)象，而保持系803B 無包頸。導(dǎo)致各胞質(zhì)不育系的株高均低于保持系；同時(shí)不育系的結(jié)實(shí)屬于異交結(jié)實(shí)，雖然柱頭外露率顯著高于保持系，但因柱頭接受外界花粉的數(shù)量及柱頭活力的影響，導(dǎo)致其結(jié)實(shí)率和千粒重顯著低于保持系；由于不育系的低結(jié)實(shí)率和籽粒充實(shí)度，導(dǎo)致植株吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過剩，因此分蘗數(shù)較保持系增加，但因繁殖田的不育系栽插密度較大（每667 m2栽插30 000 株），顯著高于保持系的栽插密度（每667 m2栽插10 000 株左右），因此不育系與保持系的單位面積有效穗數(shù)之間差異不大；但不同胞質(zhì)之間也存在明顯差異，胞質(zhì)效應(yīng)會(huì)對(duì)不育系繁殖的單位面積有效穗數(shù)、穗頸包頸率和柱頭外露性產(chǎn)生顯著影響。其中G 型胞質(zhì)不育系（GA）的千粒重最大，但單位面積有效穗數(shù)最低；KA 的單位面積有效穗數(shù)的增幅最大，但結(jié)實(shí)率相對(duì)較低，可能與其葉片長(zhǎng)度較大，對(duì)花粉的遮擋作用強(qiáng)，使得父本花粉落到柱頭上的數(shù)量減少有關(guān)。

3.2 水稻不同胞質(zhì)不育系對(duì)氮肥的響應(yīng)差異顯著

氮肥是影響雜交水稻產(chǎn)量的重要因素，隨著氮肥施用量的增加，分蘗能力和生物量均顯著提高，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量［32-33］。但過量施用氮肥會(huì)引起群體小氣候、植株理化性質(zhì)的改變都會(huì)使得稻瘟病、紋枯病的發(fā)病程度增加［34］。本試驗(yàn)中不育系的各種農(nóng)藝性狀受胞質(zhì)效應(yīng)和氮肥水平的顯著影響，不同胞質(zhì)不育系之間的最高分蘗數(shù)差異不大，但分蘗速度存在明顯差異，且分蘗速度受胞質(zhì)和氮肥處理的互作效應(yīng)影響顯著，WA和KA 在低氮條件下快速分蘗的能力強(qiáng)于其他胞質(zhì)。株高、葉片長(zhǎng)寬、結(jié)實(shí)率、千粒重等主要農(nóng)藝性狀主要受氮肥效應(yīng)的影響，增施氮肥能提高不育系柱頭外露率，從而提高其異交能力，提高制種產(chǎn)量。胞質(zhì)與氮肥的互作效應(yīng)主要影響不育系的柱頭外露等異交習(xí)性，進(jìn)而影響最終產(chǎn)量。

3.3 水稻不同胞質(zhì)不育系的高產(chǎn)繁殖技術(shù)

最終產(chǎn)量受氮肥和胞質(zhì)響應(yīng)的雙重影響，氮肥效應(yīng)遠(yuǎn)大于胞質(zhì)之間的差異。而氮肥主要影響水稻不育系的農(nóng)藝性狀，因此總體的繁殖產(chǎn)量受單位面積有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率控制，適當(dāng)增加不育系繁殖田的穗容量，提高結(jié)實(shí)率是增加產(chǎn)量的重要途徑。而葉片長(zhǎng)度的增加會(huì)增加對(duì)父本花粉的遮擋作用，因此生產(chǎn)上存在對(duì)不育系適當(dāng)割葉來提高結(jié)實(shí)率的操作技術(shù)。由于不同胞質(zhì)不育系異交習(xí)性和有效穗對(duì)氮肥的響應(yīng)不同，導(dǎo)致適應(yīng)不同胞質(zhì)不育系高產(chǎn)制種的最終氮肥調(diào)控措施存在差異。JWA、WA 施用10 kg/ 667 m2的產(chǎn)量最高；而GA、KA 和YSA 則應(yīng)適當(dāng)提高氮肥施用量，氮肥施用量增加又會(huì)導(dǎo)致群體紋枯病、稻瘟病的發(fā)生增加，因此應(yīng)注意病害的防治。

4 結(jié)論

胞質(zhì)效應(yīng)和氮肥水平均會(huì)顯著影響雜交水稻不育系的異交習(xí)性，同時(shí)胞質(zhì)和氮肥之間在不育系異交習(xí)性方面存在顯著的互作效應(yīng)。氮肥水平對(duì)水稻農(nóng)藝性狀和繁殖產(chǎn)量的影響大于胞質(zhì)效應(yīng)。在本試驗(yàn)條件下適當(dāng)增施氮肥可以提高柱頭外露率、增加單位面積穗容量進(jìn)而提高繁殖產(chǎn)量；不育系的柱頭外露率顯著高于保持系，WA 型胞質(zhì)的柱頭外露率相對(duì)較高。JWA 和WA 在中氮條件下可以獲得較高的繁殖產(chǎn)量。