育種工廠的建設(shè)及其在節(jié)水抗旱稻種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用

王飛名,張安寧,劉 毅,孔德艷,劉國(guó)蘭,余新橋,羅利軍

(上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

水稻是世界最主要糧食作物之一,培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗、適應(yīng)性廣的水稻品種是水稻育種的首要目標(biāo)。育種加代是育種工作不可或缺的環(huán)節(jié),水稻新品種的育成需要進(jìn)行多次加代與篩選鑒定。節(jié)水抗旱稻[1]是指既具有水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)特性,又具有旱稻的節(jié)水抗旱特性的一種新的栽培稻類型,培育節(jié)水抗旱稻是解決水稻生產(chǎn)大量耗水與我國(guó)水資源短缺矛盾的有效手段[2]。節(jié)水抗旱稻的育種過(guò)程與一般的水稻育種類似,但其中還需進(jìn)行多次抗旱性篩選和鑒定,以保證節(jié)水抗旱基因的聚合。

從品種純化到品種穩(wěn)定,再到新品種審定,至少需要繁殖10—12個(gè)世代。傳統(tǒng)的水稻育種均是在室外田間進(jìn)行,將種子播撒入土壤并移栽到大田中,通過(guò)合適的季節(jié)保證一定的光照、溫度等條件,借助自然降雨和人工灌溉保證足夠的水分條件,但這種方式易受季節(jié)的影響。目前北方稻區(qū)每年只能完成1個(gè)世代,為了加快育種進(jìn)程,育種工作者選擇每年到熱帶地區(qū)進(jìn)行水稻異地加代,但此法耗時(shí)長(zhǎng),工作量大[3]。因此,建立溫度、光照、水分等條件可控的設(shè)施來(lái)保證快速加代與繁殖,并進(jìn)行多次精準(zhǔn)篩選與鑒定,具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)代植物工廠技術(shù)為育種工作者帶來(lái)了希望,植物工廠是通過(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物全年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[4-5],能實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、光周期、水肥等自動(dòng)精準(zhǔn)控制;在最優(yōu)化的光源配方條件下,能縮短植物的生長(zhǎng)發(fā)育全過(guò)程所需的時(shí)間,已成為加快育種的最佳選擇之一。丹麥約克里斯頓農(nóng)場(chǎng)于1957年建造了用于生產(chǎn)水芹的太陽(yáng)光利用型植物工廠,是世界上首個(gè)植物工廠[6]。我國(guó)植物工廠研究始于2002年,國(guó)內(nèi)首個(gè)人工光型植物工廠于2006年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院建造,在隨后的幾年間,北京通州、吉林長(zhǎng)春、山東壽光等地相繼建成20多座不同類型的植物工廠[7-8]。盡管?chē)?guó)內(nèi)外各類植物工廠的研究已取得了豐碩的成果,但其應(yīng)用主要集中于蔬菜和水果生產(chǎn)[9-10]。

近年來(lái),快速育種技術(shù)已被用于縮短作物世代周期,推動(dòng)了多種作物的基因組學(xué)和育種的研究進(jìn)展[11-14]。快速育種方法已應(yīng)用于6種主要農(nóng)作物,如春小麥(Triticum aestivum)、硬質(zhì)小麥(Triticum durum)、大麥(Hordeum vulgare)、鷹嘴豆(Cicer arietinum)、豌豆(Pisum sativum)和油菜(Brassica napus),通過(guò)延長(zhǎng)光周期來(lái)縮短生育周期[14-15]?？焖儆N技術(shù)也已用于水稻的遺傳改良研究中,如重組自交系構(gòu)建、回交育種等[12-13,16]。

在黑龍江和新疆等北方地區(qū),水資源缺乏已經(jīng)成為水稻生產(chǎn)的重要限制因素,節(jié)水抗旱稻及“旱種旱管”種植模式為寒地水稻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了新的思路。在寒地發(fā)展節(jié)水抗旱稻,可有效緩解水稻生產(chǎn)對(duì)地下水資源的過(guò)度開(kāi)采,從而保護(hù)黑土層。同時(shí),在生產(chǎn)上減少灌溉用水量,可以減少水稻生產(chǎn)過(guò)程中的面源污染,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)稻米的生態(tài)種植。筆者團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直致力于選育和創(chuàng)制適合北方寒地的早粳稻新品種與新材料。在此背景下,針對(duì)節(jié)水抗旱稻育種中“材料在自然條件下加代慢、穩(wěn)定周期長(zhǎng)”這一突出問(wèn)題,研究設(shè)計(jì)出一套節(jié)水抗旱稻的工廠化育種系統(tǒng)[17],并通過(guò)對(duì)育種工廠內(nèi)環(huán)境因素的設(shè)置,確保不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)溫度、濕度、光照等生長(zhǎng)環(huán)境的需求,使節(jié)水抗旱稻材料的加代與篩選不受季節(jié)等自然條件的制約。本研究以節(jié)水抗旱稻育種工廠的建設(shè)和‘滬旱6220’的創(chuàng)制為例,綜述在育種工廠內(nèi)進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新的方法,介紹‘滬旱6220’的應(yīng)用情況,并對(duì)育種工廠快速創(chuàng)制新材料進(jìn)行展望,旨在為節(jié)水抗旱稻新種質(zhì)的快速創(chuàng)制提供參考。

1 育種工廠的建設(shè)

1.1 育種工廠的整體構(gòu)造

整個(gè)節(jié)水抗旱稻育種工廠在一座鋼結(jié)構(gòu)搭建的玻璃溫室里實(shí)現(xiàn),其尺寸規(guī)格為:長(zhǎng)12 m,寬9.6 m,有效利用高度4.25 m,其外觀如圖1所示。育種工廠內(nèi)部(圖2)為依次連通的播種育苗室、人工光溫控制室和抗旱鑒定篩選室,3間分室均使用多層培育架單元進(jìn)行立體栽種以提高空間利用率。在育種工廠內(nèi),結(jié)合密直播、旱種、人工光溫處理、自然補(bǔ)光等技術(shù),利用LED補(bǔ)光燈、自動(dòng)控濕等設(shè)施設(shè)備對(duì)節(jié)水抗旱稻生長(zhǎng)所需的溫度、光照、濕度等環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)化控制,以達(dá)到實(shí)現(xiàn)節(jié)水抗旱稻一年3—4次的加代工作,并在加代的過(guò)程中進(jìn)行抗旱性篩選。

圖1 節(jié)水抗旱稻育種工廠外觀Fig.1 External views of water-saving and drought-resistance rice factory

圖2 節(jié)水抗旱稻工廠化育種系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of the overall structure of water-saving and drought-resistance rice factory breeding system

1.2 育種工廠的內(nèi)部環(huán)境

3間分室分別設(shè)置有多層不銹鋼培養(yǎng)架,每層培養(yǎng)架的頂端安裝一套燈組,燈組由LED白光燈及LED紅、藍(lán)光燈組成(比例為4∶1∶1),距燈組20 cm內(nèi)LED光照強(qiáng)度為30 000—40 000 lx。每層培養(yǎng)架放置3個(gè)不銹鋼培養(yǎng)盆,每盆里放置1個(gè)育秧盤(pán)?？购佃b定篩選室的光源包括但不限于培養(yǎng)架光源,還包括距離地面3.5 m的位置安裝的一套泛光燈支架,支架上安裝7個(gè)植物鈉燈和7個(gè)金屬鹵化燈,進(jìn)行額外補(bǔ)光。

3間分室安裝有獨(dú)立的空調(diào)制冷機(jī)組、加熱設(shè)備以及加濕除濕設(shè)備,分別與每間室的濕度、溫度探頭和主控器連接,通過(guò)與主控器連接的控制面板可以觀測(cè)并手動(dòng)設(shè)置溫室里的溫度和濕度。3間分室的培養(yǎng)架光照燈組直接與主控器連接,通過(guò)控制面板操作設(shè)置光照時(shí)間;抗旱鑒定篩選室的頂部補(bǔ)光燈組通過(guò)外置定時(shí)器設(shè)置,自動(dòng)控制光照時(shí)間。

播種育苗室:溫度設(shè)28℃(6:00—19:00)和25℃(19:00—次日6:00)兩種模式,濕度80%。人工光溫控制室:溫度設(shè)32℃(6:00—19:00)和28℃(19:00—次日6:00)兩種模式,濕度80%。人工補(bǔ)光光照設(shè)為8:00—17:00,其余時(shí)間段為暗處理?？购佃b定篩選室:溫度設(shè)35℃(6:00—19:00)和28℃(19:00—次日6:00)兩種模式,濕度80%。人工補(bǔ)充光照設(shè)置于6:00—19:00開(kāi)啟。

本研究建設(shè)的節(jié)水抗旱稻育種工廠最終的組裝效果見(jiàn)圖3。在工廠建設(shè)過(guò)程中,將溫度、濕度開(kāi)關(guān)以及主控器集成在配電箱中,并通過(guò)與主控器連接的控制面板設(shè)置工廠內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

圖3 節(jié)水抗旱稻工廠化育種系統(tǒng)組裝效果Fig.3 Installation effect diagram of the factory system of WDR breeding

2 育種工廠在種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用

目前,中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)利用育種工廠技術(shù)在密封的空間培育出各種蔬菜。武漢多倍體生物科技有限公司聯(lián)合武漢雙綠源創(chuàng)新科技研究院有限公司開(kāi)展利用智能育種工廠輔助選育優(yōu)良水稻品種[18]。一般來(lái)講,水稻新品種的育成需要5—8代的系統(tǒng)選育才會(huì)趨于穩(wěn)定,節(jié)水抗旱稻品種的選育與一般的水稻育種類似,但其中還需進(jìn)行多次抗旱性篩選,以保證節(jié)水抗旱基因的聚合。受自然氣候條件的限制,在上海及黑龍江等地水稻每年只能種植一代,節(jié)水抗旱稻的選育周期長(zhǎng),即使結(jié)合南繁加代,一年兩代的加代對(duì)于節(jié)水抗旱稻的種質(zhì)創(chuàng)新來(lái)說(shuō)也是緩慢的,而育種工廠的建設(shè)正好解決了這一問(wèn)題[19]。育種工廠通過(guò)對(duì)光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、溫度、濕度的調(diào)節(jié),結(jié)合密直播、“一粒傳”等多項(xiàng)措施,能有效縮短水稻的整個(gè)生長(zhǎng)周期,達(dá)到快速創(chuàng)制新材料的目的。

以‘滬旱6220’的創(chuàng)制為例,詳細(xì)介紹節(jié)水抗旱稻育種工廠在種質(zhì)創(chuàng)新中的應(yīng)用。自2014年8月起,進(jìn)行了4批次的節(jié)水抗旱稻工廠化育種加代篩選試驗(yàn)。為了驗(yàn)證快速加代的效果,在上海夏季試驗(yàn)期間,在工廠外圍水田直播相同試驗(yàn)材料,比較材料的生育期。

2.1 試驗(yàn)材料

‘空育131’∕‘早玉香粳’組合的分離世代F2—F5。

2.2 試驗(yàn)方法

利用節(jié)水抗旱稻育種工廠進(jìn)行快速加代,創(chuàng)制新種質(zhì),具體方法參照文獻(xiàn)[20],將F2種植于育種工廠,快速加代并通過(guò)“一粒傳”到F3,再將得到的F3種子按上述方法得到F4種子,依此進(jìn)行重復(fù),直至得到F6種子。

利用海南冬繁種植F6,成熟期進(jìn)行產(chǎn)量性狀選擇,選出產(chǎn)量表現(xiàn)好的單株,并按單株收種編號(hào)H1—H26。

入選單株在黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院水稻研究所佳南試驗(yàn)站進(jìn)行品比試驗(yàn),以‘龍粳46’作為對(duì)照,觀察整齊度并進(jìn)行產(chǎn)量比較。將這26個(gè)株系在上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心節(jié)水抗旱鑒定中心的抗旱鑒定設(shè)施內(nèi)進(jìn)行抗旱性鑒定[21],以‘龍粳46’作為敏感對(duì)照。

將選出的產(chǎn)量高、抗旱性好的株系,送交農(nóng)業(yè)部谷物及制品質(zhì)量檢測(cè)中心(武漢)進(jìn)行稻米米質(zhì)檢測(cè)。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 節(jié)水抗旱稻快速加代效果

表1為本研究4批次節(jié)水抗旱稻材料的加代試驗(yàn)情況。2014年8月3日開(kāi)始第一批F2材料播種,共播種5 400粒種子,2015年7月21日收種并獲得F6的種子508粒,整個(gè)加代試驗(yàn)共用時(shí)356 d。

表1 節(jié)水抗旱稻加代試驗(yàn)情況Table 1 Adding generation experiment condition of the test WDR materials

從播種該組合F5到得到F6的種子,只需要85 d,比同期播種但不采用該方法加代時(shí)間縮短了24 d。

2.3.2 高世代品系產(chǎn)量、抗旱性表現(xiàn)

2015年冬繁,將收獲得到的508粒F6在海南陵水進(jìn)行正常水田種植,經(jīng)過(guò)結(jié)實(shí)率等產(chǎn)量性狀選擇,初選26個(gè)產(chǎn)量表現(xiàn)好的單株。

2016年在黑龍江佳木斯進(jìn)行品比試驗(yàn),結(jié)果顯示:26個(gè)株系中有4個(gè)株系(編號(hào):H2、H5、H11、H16)產(chǎn)量超過(guò)‘龍粳46’?？购敌澡b定結(jié)果表明,4個(gè)參試株系的抗旱性均超過(guò)對(duì)照‘龍粳46’(表2)。

2.3.3 優(yōu)選株系米質(zhì)、農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

將這4個(gè)株系的種子清選后,進(jìn)行稻米品質(zhì)檢測(cè),其中H5株系米質(zhì)達(dá)到部頒優(yōu)3等級(jí)。H5米質(zhì)主要性狀表現(xiàn):糙米率為81.3%,精米率為73.2%,整精米率為68.7%,堊白率為22%,堊白度為2.4%,直鏈淀粉含量為15%,膠稠度為78 mm,堿消值6.8級(jí),透明度1級(jí),有香味(表3)。

表3 優(yōu)選株系的米質(zhì)Table 3 Comparison of rice quality of H2,H5,H11 and H16

H5綜合農(nóng)藝性狀好,田間表現(xiàn)出苗整齊,分蘗中等,群體協(xié)調(diào)好;株型緊湊,葉片短、挺;穗層整齊,后期轉(zhuǎn)色好,熟相好,生育期短,適合黑龍江第二、三積溫帶種植,2017—2018年連續(xù)兩年在黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院佳南基地種植表現(xiàn)優(yōu)異,2018—2019連續(xù)兩年在黑龍江紅興隆地區(qū)大面積“旱直播旱管”示范種植表現(xiàn)優(yōu)異,定名為‘滬旱6220’,并獲得植物新品種權(quán)(品種權(quán)號(hào):CNA20191006260)。

2.3.4 ‘滬旱6220’的應(yīng)用

節(jié)水抗旱稻‘滬旱6220’于2018—2019年在黑龍江省友誼農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行兩年的“旱直播旱管”示范,每667 m2平均年灌溉用水量?jī)H為53.63 m3,而當(dāng)?shù)匾圃蕴锲骄盟繛?50 m3,節(jié)水抗旱稻“旱直播旱管”種植較移栽田用水量少296.37 m3,節(jié)水可達(dá)85%。在投入方面,當(dāng)?shù)厮疽圃苑N植方式每667 m2的成本為1 100元(人民幣,下同),而“旱直播旱管”種植成本為800元,“旱直播旱管”栽培每667 m2節(jié)省成本300元左右。因此,節(jié)水抗旱稻“旱直播旱管”栽培能夠減少區(qū)域灌溉水的用量,減少灌溉成本,提高生態(tài)效益。此外,‘滬旱6220’適合旱直播,比當(dāng)?shù)匾圃苑绞酵七t近1月播種,縮短了生育期,減少了人力投入。

2020—2021年,在上海市科委援疆干部的幫助下,援克指揮部和克拉瑪依市科技局搭建了新疆西部綠洲生態(tài)發(fā)展有限責(zé)任公司與上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心的合作橋梁,引種種植節(jié)水抗旱稻‘滬旱6220’。經(jīng)過(guò)兩年在新疆的種植,‘滬旱6220’在引種的眾多節(jié)水抗旱稻品種中,節(jié)水表現(xiàn)突出:每667 m2年用水量?jī)H500 m3,是普通水稻年用水量的1∕3,完全滿足節(jié)水的需求,符合低碳環(huán)保的理念。綜上所述,該品種的大面積試種與推廣可有效緩解水稻生產(chǎn)對(duì)地下水資源的過(guò)度開(kāi)采,保護(hù)黑土層,具有較大的利用價(jià)值。

3 結(jié)論與討論

本研究介紹了育種工廠的建造,并以‘滬旱6220’的創(chuàng)制為例,試驗(yàn)應(yīng)用育種工廠快速創(chuàng)制新材料。在育種工廠內(nèi),結(jié)合立體栽培、密直播、旱種、人工光溫處理、自然補(bǔ)光等技術(shù),對(duì)節(jié)水抗旱稻生長(zhǎng)所需的溫度、光照、濕度等環(huán)境因子進(jìn)行自動(dòng)化控制,以實(shí)現(xiàn)節(jié)水抗旱稻育種材料快速加代,同時(shí)進(jìn)行抗旱性篩選。在育種工廠外結(jié)合產(chǎn)量、米質(zhì)等性狀選擇,實(shí)現(xiàn)節(jié)水抗旱稻快速高效種質(zhì)創(chuàng)新。自育種工廠建設(shè)并投入使用至今,多輪試驗(yàn)結(jié)果表明,在育種工廠內(nèi)可實(shí)現(xiàn)一年3—4代的節(jié)水抗旱稻快速加代工作。本研究的4批次節(jié)水抗旱稻育種材料的加代試驗(yàn)表明:利用節(jié)水抗旱稻育種工廠及相關(guān)技術(shù)能夠縮短節(jié)水抗旱稻的生育周期,實(shí)現(xiàn)節(jié)水抗旱稻在上海一年4次的加代工作,最終成功創(chuàng)制了適合寒地旱直播的節(jié)水抗旱稻‘滬旱6220’,具有節(jié)水、米質(zhì)優(yōu)等特點(diǎn)?！疁?220’的大面積應(yīng)用可有效提高水資源的利用,保護(hù)黑土層,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

育種周期長(zhǎng)是水稻育種過(guò)程中存在的突出問(wèn)題[3],其原因除了育種材料的純合穩(wěn)定需要通過(guò)連續(xù)自交多代,水稻的生育周期長(zhǎng)也是一個(gè)方面。我國(guó)也有一些專家通過(guò)短日照誘導(dǎo)的方式加快水稻幼穗分化[22-23],結(jié)合播種方式、溫度、肥水調(diào)控縮短水稻生育期,一般1年可加代1—3次,或者2年4—5次[24-25],這些研究只是針對(duì)快速加代,沒(méi)有進(jìn)行性狀選擇,而在育種工廠內(nèi)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)水抗旱性的篩選,通過(guò)高世代產(chǎn)量選擇獲得的4個(gè)株系(H2、H5、H11、H16)抗旱性級(jí)別達(dá)到了中抗及以上水平,表明在育種工廠內(nèi)進(jìn)行抗旱性篩選是有效的?？焖偌哟c節(jié)水抗旱性篩選的同步進(jìn)行,節(jié)省了育種時(shí)間,提高了種質(zhì)創(chuàng)制效率。

4 展望

育種工廠快速創(chuàng)制新材料的推廣應(yīng)用,能夠解決節(jié)水抗旱稻育種周期長(zhǎng)、新材料性狀鑒定困難的難題。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)品種在產(chǎn)量、米質(zhì)、抗性以及化肥高產(chǎn)利用等方面要求的不斷提高,節(jié)水抗旱稻新品種的選育,需要在節(jié)水抗旱的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)多個(gè)有利基因的有效累加[26],育成具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗病蟲(chóng)害和養(yǎng)分高效的綠色超級(jí)稻新品種[27]。目前對(duì)這些性狀的鑒定篩選,需要在全國(guó)不同的水稻生物脅迫與非生物脅迫區(qū)域進(jìn)行,往往只能采取多地穿梭育種的方式,年際間表現(xiàn)差異大,進(jìn)展比較慢,效率不高。本研究在育種材料加代的同時(shí),進(jìn)行抗旱性的篩選。下一步工作將在工廠內(nèi)開(kāi)展稻瘟病、褐飛虱等病蟲(chóng)害抗性鑒定的探索性研究,模擬節(jié)水抗旱稻的鑒定篩選環(huán)境,進(jìn)一步提高節(jié)水抗旱稻的種質(zhì)創(chuàng)制效率,實(shí)現(xiàn)多個(gè)綠色性狀的同步篩選。