俄引水稻種質(zhì)的直播特性研究

林翠香，宋龍飛，Sergey Garkusha，宋豐順，Zhanna Mukhina，滕 斌，甘 泉，Victor Kovalyov，余海兵，Lubov Yesaulova，倪大虎

（1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，合肥 230031；2安徽科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院，安徽鳳陽 233100；3Federal Scientific Rice Centre/Federal State Budgetary Scientific Institution,Krasnodar Russia 350921）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動力大量向城市轉(zhuǎn)移，直接從事農(nóng)業(yè)的勞動力不斷減少，勞動力成本持續(xù)上升。而傳統(tǒng)水稻種植依賴大量勞動力，導(dǎo)致種植水稻的成本提高，經(jīng)濟效益下降。水稻直播是指不經(jīng)育秧移栽而直接在大田上播種的一種栽培模式，具有節(jié)省勞動力、操作簡便、省時高效、生產(chǎn)成本低等特點，可以有效緩解水稻種植季節(jié)性生產(chǎn)對大量勞動力需求的矛盾，受到種植戶的青睞，近年來呈擴大的趨勢[1-4]。

然而，在水稻直播過程中，由于土壤溫度相對較低，且易遭受低溫冷害等不良環(huán)境，影響稻谷的萌動；而發(fā)芽后的稻谷，因上面覆蓋一定厚度的土層，稻芽露出地面會受到阻力。因此，直播水稻常常會出現(xiàn)出苗不齊，不能一播全苗，造成后期?害嚴(yán)重，豐產(chǎn)性不足。這已成為制約水稻直播發(fā)展的主要因素[1-8]。

研究發(fā)現(xiàn)，水稻中胚軸的長度與水稻頂土出苗能力相關(guān)。短中胚軸的水稻品種出苗的動力源主要來自芽鞘節(jié)的伸長，出苗能力差；而長中胚軸的水稻品種出苗由芽鞘節(jié)和中胚軸共同作用，出苗動力強[9-10]。因此，在直播水稻中，選用長中胚軸品種，出苗時間短、速度快，有利于提高出苗率和整齊度[9-14]。常玉卉等[15]對來自于中國、美國和印度的74份高粱的胚軸和芽鞘長度進行測量，獲得9份長胚軸品種。陳冰嬬等[16]對北方地區(qū)84份不同類型的高粱品種進行研究，篩選出‘Z210’和‘Z225’兩個極長中胚軸的地方高粱品種。陳東[17]對375份水稻材料進行研究，篩選出變異系數(shù)最低的長中胚軸材料‘鄂中4號’和‘DH4038’。國內(nèi)雖然進行了有關(guān)水稻長中胚軸種質(zhì)的篩選，但生產(chǎn)上可以推廣應(yīng)用的長中胚軸種質(zhì)資源依然較少。

水稻直播時，種子在排水后的泥土上或淹水的田地中萌動，常處于低溫脅迫和缺氧環(huán)境下，抑制種子發(fā)育成正常幼苗。具有較強萌發(fā)和生長能力的種質(zhì)，可以提高直播稻的出苗率[10-11,14]。前人進行了大量的試驗，篩選出一些在低溫或/和淹水條件具有較好發(fā)芽能力的地方性品種資源[18-38]。但由于缺氧條件難以建立，對于缺氧脅迫下有關(guān)水稻幼苗萌發(fā)的遺傳規(guī)律研究開展也相對較少。劉志彥等[41]利用瓊脂培養(yǎng)基質(zhì)模擬水稻厭氧環(huán)境。Setter等[33]通過溶液中充氮模仿缺氧條件，以每升氧分子濃度低于0.05 mg（30℃每立方米氧分子低于0.006 mol）為缺氧標(biāo)準(zhǔn)。Fred等[34]通過控制不同氮氧混合氣體的濃度，研究水稻幼苗的形態(tài)特征,當(dāng)含氧量在1%～10.5%時芽鞘長度隨著氧含量的降低不斷增加，但抑制了根和芽的伸長，并且水稻的不同品種對缺氧水平的耐受性存在差異。Frantz等[35]提出通過在至少5 cm深靜止水層下進行發(fā)芽試驗，雖然達不到嚴(yán)格的缺氧條件，但能夠溶解在水中并進行擴散的氧元素足夠小，且對于成苗能力強的種子可以正常萌發(fā)。候名語等[32]研究發(fā)現(xiàn)秈稻和粳稻在缺氧條件下芽鞘伸長能力存在較大差異，缺氧脅迫下粳稻芽鞘比秈稻具有更強的伸長能力。

俄羅斯地廣人稀，水稻生產(chǎn)主要以直播栽培方式，播后采用15～25 cm水層灌溉，生產(chǎn)區(qū)域主要分布在37°—47°N[39-40]。俄羅斯推廣的品種由于常年的直播栽培加上定向選育，具有較強的應(yīng)對不良環(huán)境抗逆境能力[39]。

本研究通過對從俄羅斯引進資源的中胚軸長度，耐低溫發(fā)芽活力和水直播發(fā)芽率等特性進行分析，為篩選具有優(yōu)良直播特性的種質(zhì)資源，培育適于中國氣候條件的直播水稻新品種，奠定材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

‘NATASHA’、‘LIDER’、‘ATLANT’、‘PARTNER’、‘SONET’、‘RAPANZ’、‘ISTOK’、‘OLIMP’、‘SONATA’、‘GAMMA’為從俄羅斯引入的10份水稻品種。以安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所通過催芽育秧移栽方式育成的‘綠香粳28’為對照。

1.2 試驗方法

1.2.1 打破休眠處理 取足夠飽滿的‘綠香粳28’和10份俄引水稻品種的種子，置于50℃烘箱中處理48 h，打破休眠。取100 g打破休眠的種子，用10%次氯酸鈉濃水溶液浸泡15 min滅菌，純水沖洗3次，在滅菌濾紙吸干水分后備用[17]。

1.2.2 中胚軸長度的測定 參照陳東[17]的試驗方法，稍加改動。各取100粒消毒后的籽粒飽滿種子，用自來水浸泡48 h，濕毛巾包裹后置于密封袋內(nèi)，37℃催芽。取30粒露白（萌發(fā)一致）飽滿種子，放置在96孔發(fā)芽板中，胚芽向上，慢慢沉入無菌水槽中。水面沒過發(fā)芽板10cm。整個水槽置于黑暗條件下，28℃處理7天。每天在相同時間且在無光或弱光的環(huán)境下?lián)Q相同水溫的水。3次重復(fù)實驗。在處理第7日測量中胚軸的長度，精確至0.01 cm；測量處理第7日的幼芽長度，即幼苗頂端到幼苗著生點之間的距離，精確到0.1 cm。

1.2.3 耐低溫發(fā)芽試驗 參照潘明泉[20]的試驗方法，稍加改動。每份材料取50粒消毒后的籽粒飽滿種子，放入墊有兩層濕潤濾紙的直徑為9 cm培養(yǎng)皿中，加入10 mL去離子水，置于15℃的光照培養(yǎng)箱中進行處理，3次重復(fù)。以芽長＞1 mm作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，第7、9、11、13天后分別再調(diào)查萌發(fā)率。

將上述低溫處理14天以后的種子放入墊有兩層濕潤濾紙的直徑為9 cm培養(yǎng)皿中，加入10 mL去離子水，置于28℃的光照培養(yǎng)箱中進行處理，每份材料50粒種子，3次重復(fù)。以芽長＞1 mm為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，2天后調(diào)查種子萌發(fā)率，公式見式(1)。

式中，GA是萌發(fā)率；N1是萌發(fā)粒數(shù)；N2是試驗總粒數(shù)。

1.2.4 水直播成苗能力測定 參照王洋等[1]的試驗方法，稍加改動。將通過2 mm直徑篩孔的江砂放置在發(fā)芽盒中，深度約為2 cm，以水平尺測量。然后將吸足水分的種子均勻播在江砂表面，覆蓋1 cm厚的江砂，加水至水層5 cm深。室內(nèi)培養(yǎng)每天加水保持水深。第7日測量種子的發(fā)芽率和芽長，3次重復(fù)。水直播成苗能力以萌發(fā)率為衡量指標(biāo)，公式見式(2)。

式中，GA是萌發(fā)率；N1是萌發(fā)粒數(shù)；N2是試驗總粒數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2003軟件對中胚軸長和芽長計算平均值。利用PDS 15.10版本數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采取Duncan多重比較法進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 俄引品種的低溫發(fā)芽率

2.1.1 低溫條件下第7日發(fā)芽率 15℃光照條件下，置盒7日的萌發(fā)率由高到低為（表 1）：‘LIDER’(0.45)＞‘ATLANT’(0.44)、‘OLIMP’(0.44)＞‘NTAHA’(0.39)＞‘SONET’(0.38)、‘DARTNER’(0.38)＞‘ISTOK’(0.35)、‘綠香粳 28’(0.35)＞‘RAPANZ’(0.28)＞‘GAMMA’(0.26)＞‘SONATA’(0.11)?！甃IDER’、‘ATLANT’和‘OLIMP’的第7日低溫發(fā)芽率在5%水平上與其他品種達顯著異，極顯著高于‘綠香粳28號’，發(fā)芽率的差異最大達到10%；俄引品種‘GAMMA’和‘SONATA’極顯著低于‘綠香粳28號’。俄引品種‘RAPANZ’顯著低于‘綠香粳28號’。

表1 低溫處理7日發(fā)芽率

2.1.2 低溫條件下第9日發(fā)芽率 15℃低溫處理第9日（表2），俄引品種‘LIDER’、‘OLIMP’、‘ATLANT’、‘NATASHA’、‘ISTOK’、‘PARTNER’的發(fā)芽率極顯著高于‘綠香粳28’，‘SONATA’極顯著低于‘綠香粳28號’。發(fā)芽率由大到小排序為‘LIDER’(0.46)、‘OLIMP’(0.46)＞‘ATLANT’(0.45)、‘ISTOK’(0.45)＞‘PARTNER’(0.44)＞‘SONET’(0.40)＞‘GAMMA’(0.39)、‘KAPANZ’(0.39)＞‘ 綠香粳 28 號’(0.37)＞‘SONATA’(0.16)?！甃IDER’、‘OLIMP’、‘ATLANT’、‘NATASHA’、‘ISTOK’和‘PARTNER’6個品種在第9日的低溫發(fā)芽率在在5%水平上與其他品種達顯著異，相比低溫處理7日的發(fā)芽率，新增‘NATASHA’、‘ISTOK’和‘PARTNER’3個品種，并且不同品種發(fā)芽率的差異顯著性降低。

表2 低溫處理9日發(fā)芽率

2.1.3 低溫條件下第11日發(fā)芽率 15℃處理條件下，雖然第11日的發(fā)芽率大小順序與第9日存在一定的差異，但發(fā)芽率的趨勢基本一致，仍為‘LIDER’、‘ISTOK’、‘OLIMP’、‘NATASHA’、‘ATLANT’和‘PARTNER’6個品種的發(fā)芽率極顯著高于‘綠香粳28號’，‘SONATA’極顯著低于‘綠香粳28號’。在5%水平上達顯著差異的品種仍為‘LIDER’、‘ISTOK’、‘OLIMP’、‘NATASHA’、‘ATLANT’和‘PARTNER’，與第9日一致（表3）。

表3 低溫處理11日發(fā)芽率

2.1.4 低溫條件下第13日發(fā)芽率 低溫處理13天（表4），俄引品種‘OLIMP’、‘ISTOK’、‘ATLANT’和‘LIDER’顯著高于‘綠香粳28號’（5%的水平上），‘SONATA’仍極顯著低于‘綠香粳28號’。在5%水平上達顯著差異的品種與第9日和第11日的一致，仍為‘OLIMP’、‘ISTOK’、‘ATLANT’、‘LIDER’、‘NATASHA’和‘PARTNER’。

表4 低溫處理13日發(fā)芽率

2.1.5 常溫處理2天（第16日）發(fā)芽率 低溫處理后，經(jīng)2天常溫處理，即置盒后第16日，與‘OLIMP’、‘ISTOK’、‘LIDER’、‘ATLANT’、‘NATASHA’、‘PARTNER’與‘綠香粳28’的發(fā)芽率無顯著性差異，但‘SONATA’極顯著低于‘綠香粳28號’（見表5）。

表5 常溫處理2天(第16日)發(fā)芽率

2.1.6 低溫萌發(fā)試驗總體趨勢變化分析 從圖1可知，‘LIDER’、‘ATLANT’和‘OLIMP’低溫條件下萌發(fā)速度最快，顯著高于其他俄引品種，極顯著高于對照‘綠香粳28號’?！甃IDER’、‘OLIMP’、‘ATLANT’、‘NATASHA’、‘ISTOK’和‘PARTNER’具有較好的低溫發(fā)芽能力。在所有的品種中，‘SONATA’的低溫萌發(fā)芽最差。

圖1 俄引品種低溫萌發(fā)趨勢變化

2.2 不同品種的中胚軸長度比對

黑暗淹水脅迫7日后，測量中胚長度。品種間中胚軸長度存在顯著差異（見表6）。中胚軸長度順序為：‘ATLANT’＞‘ISTOK’＞‘RAPANZ’＞‘GAMMA’＞‘OLIMP’ ＞‘SONET’ ＞‘LIDER’ ＞‘SONATA’ ＞‘NATASHA’＞‘綠香粳28’＞‘PARTNER’，‘ATLANT’、‘ISTOK’、‘RAPANZ’、‘GAMMA’、‘OLIMP’和‘SONET’的中胚軸長度與‘綠香粳28’在5%水平上達到顯著差異。其中‘ATLANT’中胚軸最長，極顯著高于其他品種。與對照‘綠香粳28’相比，直播條件下培育的品種中胚軸長度普遍高于催芽育秧移栽方式育成的品種‘綠香粳28’。

表6 淹水脅迫下不同品種的中胚軸長度比對

2.3 水直播成苗能力分析

缺氧脅迫條件下，品種間萌發(fā)水平存在極顯著差異（見表7）。種子萌發(fā)率由高到低的順序為：‘ATLANT’＞‘LIDER’＞‘SONET’＞‘ISTOK’＞‘OLIMP’＞‘GAMMA’＞‘PARTNER’＞‘RAPANZ’＞‘SONATA’＞‘NATASHA’＞‘綠香粳28’。其中‘ATLANT’萌發(fā)率最高，極顯著高于其他品種?！G香粳28’萌發(fā)率最低，極顯著低于其他品種。與對照‘綠香粳28’相比，俄引品種的水直出苗能力優(yōu)于對照。

表7 淹水脅迫下不同品種的發(fā)芽率

2.4 淹水脅迫下不同品種的芽長比較

淹水7天后，芽長由大到小順序為：‘LIDER’(3.81)＞‘OLIMP’(3.72)＞‘ATLANT’(3.71)＞‘SONET’(3.68)＞‘PARTNER’(3.55)＞‘ISTOK’(3.36)＞‘SONATA’(3.34)＞‘綠香粳 28’(3.25)＞‘GAMMA’(2.96)＞‘NATASHA’(2.48)?！G香粳28’雖然在苗高上低于‘LIDER’、‘OLIMP’、‘ATLANT’、‘SONET’、‘PARTNER’、‘ISTOK’和‘SONATA’，但無顯著性差異；只與品種‘NATASHA’在5%水平存在差異（見表8）。

表8 淹水脅迫下不同品種的芽長

3 討論與結(jié)論

品種的直播性狀是影響該品種是否適于直播種植的重要因素，一方面決定直播田群體的基本苗，另一方面決定播種量。而品種的直播性特性是一個復(fù)雜的性狀，不僅與遺傳因素相關(guān)，而且受播種時的氣候條件、土壤狀態(tài)、直播方式等因素的影響。前人研究認為：中胚軸長度[9-14]，低溫發(fā)芽能力[29-32]等影響水稻的直播特性。

在以往的研究中，相關(guān)研究往往聚焦到單一性狀。鄒德堂等[22]，劉化龍[36]，金潤洲等[37]建立了多種方式的評價低溫發(fā)芽能力的方法，并篩選出具有較強低溫發(fā)芽能力的種質(zhì)；陳東[17]鑒定出一批長中胚軸品種。而對于直播綜合性狀的評價鮮有研究。本研究對與直播相關(guān)的多個性狀進行綜合評價，通過模擬直播環(huán)境篩選出直播能力強的種質(zhì)資源。但有研究表明在溫暖條件下能夠增強種子呼吸速率、降低溶液的氧含量，使氧對種子更加敏感，影響發(fā)芽率[35]。本研究在直播試驗中，沒能充分考慮到溫度帶來的影響，下一步將增設(shè)溫度梯度的試驗，進一步完善對評價方法。

從俄羅斯引入的水稻種質(zhì)，由于常年處于低溫生長環(huán)境下，加上針對直播方式和以提升直播相關(guān)抗逆性為目的的留種、育種過程，使多種抗逆基因得到一定程度上的聚合，增加了創(chuàng)制適宜直播逆境環(huán)境新種質(zhì)的可能性。由于中國目前品種審定仍以育苗移栽的種植方式為主，在定向選擇的過程中，低溫發(fā)芽能力強、中胚軸長等與直播相關(guān)的特性丟失，育成的大多數(shù)品種直播性特性較差。因此需要引入直播性狀優(yōu)良的資源，同時結(jié)合定向篩選，以加速培育適于直播等輕簡化種植的新品種。

本研究通過對10份俄羅斯水稻品種的中胚軸長度、耐低溫發(fā)芽能力、缺氧脅迫下種子發(fā)芽能力等分析，結(jié)果顯示，10個品種的中胚軸長度存在較大的差異，但絕大部分優(yōu)于對照品種，具有較強的頂土出苗能力；品種間的耐低溫發(fā)芽能力變異大，在低溫處理初期，大部分俄羅斯品種的發(fā)芽能力優(yōu)于對照‘綠香粳28’，具有較好的耐低溫發(fā)芽能力，有利于直播后快速出苗；而在淹水條件下，所有俄羅斯品種的出芽率都極顯著高于對照，在缺氧條件下具有優(yōu)良的發(fā)芽能力。與通過催芽播種和移栽方式選育的‘綠香粳28’相比，大部分俄羅斯品種在直播性狀方面表現(xiàn)優(yōu)異，可能是長期直播選擇的結(jié)果。