利用自然異常高溫開展耐高溫水稻品種大群體篩選的方法研究與應用

申廣勒，張從合，王 慧，嚴 志，周桂香，楊 韋，黃艷玲，汪和廷，張云虎，陳 琳，龐戰(zhàn)士，王 林

(安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/安徽省水稻商業(yè)化分子育種工程研究中心/農業(yè)農村部雜交稻新品種創(chuàng)制重點實驗室，安徽合肥 230088)

全球氣候變暖已成為不爭的事實，并有不斷加劇的趨勢。中國在1960—2010年的50年間平均地表氣溫上升了1.2 ℃。到21世紀末，預計還要上升1～5 ℃。水稻是中國最主要的糧食作物之一，氣候因素，尤其是高溫對水稻生產的影響越來越大。夏季極端高溫天氣頻發(fā)，且持續(xù)時間更長，對水稻生產極為不利，特別是我國長江流域每年都會出現(xiàn)持續(xù)性的高溫天氣，對水稻生產造成了嚴重危害。相關研究表明，抽穗開花期是水稻對高溫脅迫最敏感的時期，35 ℃以上高溫會引起花器官發(fā)育不良和授粉行為障礙，進而引起結實率下降，造成水稻大幅度減產，甚至絕收。2003年夏季高溫給湖南、湖北、安徽等長江中下游地區(qū)的一季中稻生產造成了巨大損失，長江流域受害面積達 3×10hm，損失稻谷達5.18×10t，經濟損失近百億元。以安徽省為例，2003年受災面積3.3×10hm，損失稻谷1.28×10t。田間調查結果表明，明顯受害的田塊中，不同田塊和不同品種受災程度各異，減產幅度70%～10%，大部分受害田塊的結實率為40%～60%，受害的品種既有雜交稻也有常規(guī)稻。2006年江淮地區(qū)水稻高溫受災面積達6.67萬 hm。2013年7月下旬至8月中旬，安徽省江淮地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)27 d高溫35 ℃以上的天氣。因此，選育耐高溫品種并大面積推廣，具有重要意義。

合肥市是長江中下游中秈主產區(qū)之一，也是長江流域夏季極端高溫頻發(fā)的地區(qū)之一。利用合肥地區(qū)頻發(fā)高溫天氣，研究一種經濟高效的方法對水稻品種大群體耐高溫性進行鑒定十分必要。 鑒于此，筆者利用合肥地區(qū)頻發(fā)高溫天氣進行多年大群體耐高溫篩選，在1985—2010年的實踐的基礎上篩選了大量耐高溫材料和品種，并從中總結出了一種經濟可行、簡單高效的水稻耐高溫性鑒定方法，以期為大田耐高溫育種提供參考。

1 氣象資料分析

合肥地區(qū)1985—2010年26年間7月20日—8月20日的氣象資料(表1)顯示，日最高溫度累計4 d達到35 ℃以上的年份達21年，占比超過80%，其中日最低溫度高于27 ℃且日最高溫度高于35 ℃累計達4 d以上的年份為18年，占近70%(表1)。在氣象資料分析的基礎上，通過調整水稻播種期和分期播種的辦法，將待鑒定材料和組合的抽穗期安排在7月20日—8月20日間遇到自然高溫，進行耐高溫篩選，因此合肥地區(qū)氣候為自然高溫環(huán)境脅迫進行大群體耐高溫水稻品種的篩選提供了天然鑒定環(huán)境。

2 技術路線與方法

對鑒定材料(包括低世代育種材料、常規(guī)稻、恢復系和不育系測配組合)采取分期播種的方式，同時播種耐高溫對照品種，使抽穗開花期在7月20日—8月20日，并記錄每日氣溫的最高溫、最低溫及日平均溫度，對遇到日均溫在32 ℃以上、連續(xù)2 d最低溫度高于27 ℃且最高溫度高于35 ℃高溫脅迫的穗子進行標記；成熟期考察已標記的待鑒定材料穗子和耐高溫對照品種的穗子結實率；選擇結實率高于耐高溫對照品種且結實率在73%以上的材料和組合進入下1年高溫篩選，同時結合材料選育，從低世代開始反復大群體篩選。中選鑒定材料放在模擬大田高溫(27～39 ℃)的人工氣候箱中進行，從見穗到齊穗開花期為期6 d的高溫驗證，確認鑒定材料在高溫條件下的耐高溫特性，最終選育出耐高溫親本和組合(圖1)。該設計可對大群體材料的耐高溫定性篩選，通過多年反復大群體篩選，同時對于中選的鑒定材料進行人工氣候箱高溫驗證，最終獲得耐高溫性好的組合和材料。

表1 1985—2010年7月20日—8月20日合肥地區(qū)溫度情況統(tǒng)計Table 1 Statistics of temperature situation in Hefei area from July 20 to August 20 in 1985-2010 次

大群體自然高溫篩選。以見穗期日均溫在32 ℃以上、連續(xù)2 d最低溫度高于27 ℃且最高溫度高于35 ℃作為已受到高溫脅迫的標準進行標記，并以標記穗子的平均結實率作為高溫脅迫條件下的結實率，以其他非高溫時間段的最高結實率作為常溫條件下的結實率。耐高溫對照品種處理同上。選擇結實率高于耐高溫對照品種且結實率在73%以上的材料為耐高溫性較強的中選材料，進入下一年試驗。

圖1 耐高溫育種技術路線Fig.1 Technical route of high-temperature tolerance breeding

人工氣候室耐高溫篩選。每個品種栽8盆，每盆4株，其中4盆在抽穗期(30%以上稻穗開始抽出)放入玻璃溫室進行高溫脅迫連續(xù)處理6 d(07:00—09:30,32.5 ℃；09:31—14:00,40.0 ℃；14:01—17:00,36.5 ℃；17:01—21:00,32.0 ℃；21:01—07:00,29.0 ℃)，對處于高溫處理時期的稻穗進行標記；另4盆作為對照在自然條件下生長。高溫處理結束后，所有植株均在自然條件下生長至成熟。抽穗20 d后，從每個品種高溫處理(帶有標記)和自然生長的樣本中各取20個單穗，調查結實率，進行耐熱性綜合評價。耐高溫對照品種處理同上。相對耐熱系數(shù)(HT)=鑒定品種高溫結實率/耐熱對照品種高溫結實率，評判分級標準見表2。

表2 耐高溫性的分級評價標準Table 2 Grading evaluation criterion of high-temperature tolerance

3 結果與分析

2004年，筆者所在團隊在合肥分期播種水稻育種材料35份編號QY04-1至QY04-35,分7期播種，每隔6 d播種1期，播種時間分別為4月20日、4月26日、5月2日、5月8日、5月14日、5月20日、5月26日，試驗所用耐高溫對照品種II優(yōu)838；第1期播種材料遇到7月28—30日高溫，統(tǒng)計高溫結實率，根據(jù)大群體自然高溫篩選方法篩選出QY04-5、QY04-7、QY04-12、QY04-16、QY04-19、QY04-33和QY04-35結實率高溫耐高溫對照品種且結實率達73%以上的7份材料；將篩選出的對應材料在人工氣候室進行耐高溫鑒定(表3)。結果顯示，自然大群體耐高溫篩選的7份材料除了QY04-33耐熱性5級之外，其余6份材料耐熱性均在3級以上，達到較強水平，驗證了方法的可行性。同時，將篩選出的耐高溫材料進入下1年大群體自然高溫篩選試驗。

目前，筆者所在團隊按照自然大群體耐高溫篩選對育種材料及組合進行耐高溫選育，已選育出YR0822、荃9311A、荃211S、YR1606等耐高溫性強的親本。

表3 大群體自然耐高溫篩選與人工氣候室高溫篩選驗證結果Table 3 Results of large group natural high temperature resistant screening and the high temperature screening verification in artificial climate chamber

2019年通過該試驗方法對17個荃兩優(yōu)系列品種進行分期播種耐熱性鑒定，2019年7月20日—8月20日合肥日最高溫度達到35 ℃以上天數(shù)有18 d，7月26—29日連續(xù)4 d低溫超過27 ℃且高溫達35 ℃，平均氣溫超過32 ℃(表4)，耐熱性鑒定結果(表5)與國家級長江中下游審定品種耐熱性鑒定結果(表6)比較，結果顯示除荃兩優(yōu)136外，其余品種鑒定結果基本一致，達到極顯著正相關。其中審定品種耐熱性鑒定中，荃兩優(yōu)絲苗和荃兩優(yōu)532耐熱性級別1級，耐熱性強；荃兩優(yōu)2118、荃兩優(yōu)851等14個品種耐熱性都是3級，耐熱性較強。育成耐熱品種的比例94.1%。

4 結論與討論

水稻高溫熱害對我國的糧食安全特別是水稻的生產造成了嚴重的危害，針對當前水稻高溫熱害日益嚴重的現(xiàn)狀，國內也開展了大量有關水稻品種耐高溫鑒定方法研究以及水稻耐高溫性品種的篩選工作。例如，趙森等通過田間分

表4 2019年7-8月合肥高低溫記載 Table 4 Records of high and low temperatures from July to August in 2019℃

表5 荃兩優(yōu)系列品種耐熱性鑒定結果Table 5 Results of variety heat resistance test of Quanliangyou series

期播種與人工氣候室高溫處理相結合篩選耐高溫品種；張德文等利用智能溫室高溫脅迫篩選耐高溫水稻品種等。筆者所在團隊分析近30年合肥地區(qū)高溫氣候特點，利用合肥地區(qū)7—8月份的頻發(fā)高溫天氣，通過調整水稻播期使抽穗開花期遇到日均溫在32 ℃以上、連續(xù)2 d最低溫度高于27 ℃且最高溫度高于35 ℃的自然高溫，進行水稻大群體耐高溫性篩選，并通過人工氣候室進行耐高溫驗證，篩選出耐高溫的材料和組合。2019年對近幾年通過審定的品種進行耐熱試驗，結果與區(qū)試耐熱結果基本吻合，因此通過自然異常高溫開展耐高溫水稻品種大群體篩選的方法所選的材料符合耐高溫要求。經過18年積累，篩選出一批具有耐高溫特性的育種材料和品種，選育出YR1671、荃9311A、荃211S、YR1606等親本，先后審定了以徽兩優(yōu)898為代表徽兩優(yōu)系列組合、荃優(yōu)822為代表的荃優(yōu)系列組合以及荃兩優(yōu)絲苗為代表的荃兩優(yōu)系列組合，耐高溫性較強，單一品種年推廣面積近13.33萬hm，未發(fā)生過因高溫結實問題而引起的糾紛。

表6 國家區(qū)試審定荃兩優(yōu)系列品種耐熱鑒定結果Table 6 Results of variety heat resistance test of Quanliangyou series authorized national regional test

水稻耐高溫品種的選育工作不僅需要研究制定一套完整的耐高溫鑒定體系，還要研究耐高溫遺傳機理。相關試驗證明水稻耐高溫遺傳是受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳。盡管水稻育種學家已鑒定出眾多水稻耐熱相關QTL，但是水稻耐熱功能基因的分離克隆還較少，應用分子標記輔助選擇培育耐熱水稻品種也鮮見成功報道。因此，克隆鑒定水稻生殖生長期耐熱性相關的功能基因將是今后水稻耐熱性研究的側重點?？寺¤b定目標功能基因的同時，還需要進一步加強對水稻耐熱性種質資源的篩選和培育研究，進一步深入研究其所介導的水稻耐熱性相關分子機制，筆者團隊將繼續(xù)相關研究，以期為培育耐熱且高產優(yōu)質的水稻品種奠定理論基礎。