不同環(huán)境條件下滇型雜交粳稻保持系產量性狀的變異分析*

余金慧，雷 娟，張 月，肖翠英，萬秀杰，郭夢逸，譚亞玲,3，徐 津,3

(1.云南農業(yè)大學 農學與生物技術學院，云南 昆明 650201；2.云南農業(yè)大學 稻作研究所，云南 昆明 650201；3.云南省雜交粳稻工程技術研究中心，云南 昆明 650201)

水稻是中國最重要的糧食作物之一，其產量占全國糧食作物總產量的38%，全國有65%以上的人口以稻米為主食[1]。雜交水稻新品種選育是保障中國糧食產量和品質的重要途徑[2-3]。隨著生活水平的提高，人們對稻米品質的要求也越來越高。粳稻因淀粉黏性較強、膨脹性弱和口感較好等特點而深受喜愛，需求量逐年增加[4-6]。

云南是中國粳稻的主要種植區(qū)，種植面積占全省水稻種植面積的60%以上；同時，云南也是國內雜交粳稻生產應用的主要省份之一[7]，迄今為止，滇型雜交粳稻仍然是國內雜交粳稻生產應用中的兩個體系之一。選育推廣的雜交粳稻品種應具有優(yōu)質、抗稻瘟病和耐寒性好等特點。云南的雜交粳稻推廣面積比全國平均水平高3%，但也僅約占粳稻面積的10%[8]，進一步推廣雜交粳稻的種植面積和擴大雜交粳稻的生產種植區(qū)域，是提高粳稻產量、增加優(yōu)質稻米供應的有效途徑[7]。云南粳稻主要生長于海拔1 500 m 以上溫度和濕度均相對較低的地區(qū)，擴大粳稻種植區(qū)域就必需向低緯度、低海拔地區(qū)推廣，但這些區(qū)域在水稻生長季節(jié)的溫度和濕度較高，與現(xiàn)有粳稻品種種植環(huán)境條件差別較大。因此，擴大雜交粳稻的生產種植區(qū)域，面臨的主要限制因素是雜交粳稻品種的適應性。選育適宜在高溫、高濕環(huán)境下種植的品種是目前雜交粳稻育種最主要的目標之一。

為加快選育廣適性且優(yōu)質的雜交粳稻品種，對現(xiàn)有雜交粳稻材料的環(huán)境適應特性開展研究顯得尤其關鍵。本研究以多年選育出的滇型雜交粳稻保持系為材料，分析其在高溫、高濕環(huán)境條件下的性狀變化和生長發(fā)育特點，以期為選育能適應高溫、高濕環(huán)境條件的雜交粳稻新品種奠定材料基礎，也為組配廣適性雜交粳稻新組合提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

滇型雜交粳稻保持系220 份，均由云南農業(yè)大學稻作所保育。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地概況

試驗地分別位于昆明市區(qū)的云南農業(yè)大學稻作所溫室和昆明市尋甸縣的云南農業(yè)大學試驗農場。2 個試驗點經、緯度差異較小，海拔均約為1 900 m，水稻生長季節(jié)日照時間一致。在水稻生長季節(jié)，溫室內具有較高的溫度和濕度(最高溫可達30 ℃以上，最高濕度可達100%)，與低海拔秈稻區(qū)氣候條件相似；尋甸試驗點水稻生長季節(jié)的溫度低、氣候干燥，屬于云南高海拔溫涼粳稻區(qū)，生態(tài)氣候條件在該類稻區(qū)有較好的代表性，也是雜交粳稻種植的主要區(qū)域之一。

1.2.2 水稻種植

2 個試驗點均于水稻生長季播種，待達到4 葉期時，選取相同健壯的秧苗進行移栽，行株間距為30 cm×20 cm，每個品種種植3 行，每行10 苗，水肥管理一致。待植株成熟后，對2 個試驗點種植的220 份滇型雜交粳稻保持系材料進行取樣，每個品種隨機取樣3 株。

1.2.3 產量性狀考察

考察有效穗數(shù)、每穗實粒數(shù)、每穗總粒數(shù)、結實率、千粒質量、穗長、著粒密度、一次枝梗數(shù)、株高和單株產量等10 個產量性狀?？疾旆椒ò凑铡端痉N質資源描述規(guī)范和數(shù)據標準》[9]進行。

1.3 數(shù)據統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2010 處理性狀數(shù)據；采用GraphPad Prism 7 和Origin 2018 軟件作圖；方差分析和相關性分析采用SPSS 20.0 軟件。此外，為進一步探索保持系材料間性狀差異的程度，采用TBtools 軟件[10]對尋甸試驗點的220 份保持系數(shù)據進行聚類分析，聚類時數(shù)據進行標準化轉換，按歐式距離最長距離法進行聚類。

2 結果與分析

2.1 不同生長環(huán)境下粳稻保持系的性狀變異分析

不同生長環(huán)境下粳稻保持系的表型發(fā)生了顯著的變化。在溫室高溫、高濕環(huán)境下，所有保持系植株的株高顯著增高，穗長略增加，其他性狀均不同程度減小。通過對220 份保持系在2 個試驗點的10 個性狀進行成對數(shù)據方差分析(表1)發(fā)現(xiàn)：相對于尋甸的粳稻生長條件，高溫、高濕環(huán)境條件下，保持系的平均株高從83.62 cm 增高到93.73 cm，增高12.1%；平均有效穗數(shù)從6.55減少到3.18，減少51.5%；平均每穗實粒數(shù)從104.91 減少到89.41，減少12.8%；平均每穗總粒數(shù)從123.20 減少到107.40，減少14.8%；平均結實率從86%降低為83%，降低3.5%；平均千粒質量從24.60 g 減少為22.91 g；著粒密度從7.04 粒/cm 減小為6.04 粒/cm，減少14.2%；平均單株產量從16.77 g 減少為6.58 g，減少60.8%。以上性狀的差異均達顯著或極顯著水平，但穗長與一次枝梗數(shù)在2 種生長環(huán)境下差異并不顯著，說明這2 個性狀較穩(wěn)定，不易受環(huán)境因素的影響。

表1 不同環(huán)境條件下滇型雜交粳稻保持系的產量性狀Tab.1 Yield traits of Dian-type keng hybrid rice maintainer lines under different environmental conditions

雖然220 份粳稻保持系的10 個產量性狀變異幅度均較大，但在不同生長環(huán)境下，各性狀變幅也存在較大差異。從2 個試驗點各性狀的頻數(shù)分布(圖1)可知：除尋甸試驗點的結實率和溫室點的單株產量外，其他性狀的分布基本上呈正態(tài)分布；2 種環(huán)境條件下，除了穗長和一次枝梗數(shù)在2 個試驗點的頻率分布基本一致外，其他性狀都有不同程度的偏移；在高溫、高濕生長條件下，除株高的頻率峰值明顯右移外，其他性狀的頻率峰值均向左移，這與保持系材料株高顯著增高、其他性狀均有所降低的結果是一致的。

圖1 不同環(huán)境條件下滇型雜交粳稻保持系產量性狀的分布Fig.1 Yield trait distribution of Dian-type keng hybrid rice maintainer lines under different environmental conditions

在不同生長環(huán)境下，10 個產量性狀的變化情況(圖1)及分析如下：(1) 株高：在尋甸試點，有186 份粳稻保持系的株高集中于70～100 cm (占全部材料的84.5%)，另有13 份保持系材料株高在100～110 cm，沒有株高高于110 cm 的材料；在溫室試驗點，多數(shù)保持系(155 份)的株高高于90 cm，并有17 份材料株高高于110 cm，最高的保持系株高達137 cm；(2) 有效穗數(shù)：溫室高溫、高濕條件下，多達183 份(占83.1%)保持系的有效穗數(shù)僅2～4 個；在尋甸試驗點，有153 份(占69.5%)保持系材料的有效穗數(shù)為6～9 個；此外，溫室試驗點的最高有效穗數(shù)為9.33 個，比尋甸試驗點的最高有效穗數(shù)少5.76 個，說明高溫、高濕條件會影響粳稻材料的分蘗，導致有效穗數(shù)減少；(3) 穗長和一次枝梗數(shù)：不同環(huán)境條件下，這2 個性狀的分布基本一致；(4) 每穗總粒數(shù)：高溫、高濕條件下，每穗總粒數(shù)最大值為197.7，且有107 份(占48.6%)保持系材料的每穗總粒數(shù)少于100 粒，而每穗粒數(shù)超過150 粒的材料僅有26 份；在尋甸試驗點，每穗總粒數(shù)最大值為272，有168 份(占76.4%)保持系材料的每穗總粒數(shù)超過100，說明高溫、高濕生長條件可明顯影響穗發(fā)育時籽粒的形成；(5) 每穗實粒數(shù)：高溫、高濕條件下，有147 份(占66.8%)保持系的每穗實粒數(shù)低于100；在尋甸試驗點，超過57.0% (126 份)的保持系每穗實粒數(shù)超過100；(6)結實率：在尋甸試驗點，超過97.0%的材料(214 份)結實率高于60%，極少數(shù)(6 份)結實率低于60%的材料均是從省外引入，耐冷性相對較差，但其結實率仍大于40%；在高溫、高濕的溫室試驗點，雖然大多數(shù)材料(206 份)的結實率高于60%，但低結實率材料增加，甚至有20 份保持系的結實率低于20%；(7) 千粒質量：高溫、高濕條件下，有171 份保持系的千粒質量低于25.0 g；尋甸試驗點有175 份保持系的千粒質量大于22.5 g，其中有88 份材料的千粒質量大于25.0 g，說明高溫、高濕的生長條件雖然對粳稻保持系的結實率影響不大，但會影響水稻的灌漿過程，從而導致千粒質量降低；(8) 單株產量：高溫、高濕條件下，有190 份材料的單株產量低于10 g，其中單株產量低于5 g 的保持系85 份；尋甸試驗點有189 份材料(占86.0%)的單株產量大于10 g，且沒有單株產量低于5 g 的材料，說明高溫、高濕條件對粳稻單株產量的影響較大。

從2 個試驗點10 個性狀的變異系數(shù)(圖2)差異可知：穗長、一次枝梗數(shù)、千粒質量和株高等性狀在2 個試驗點差異不大；其他性狀的變異系數(shù)均是在高溫、高濕環(huán)境下明顯偏高，說明高溫、高濕的環(huán)境條件下，這些性狀的離散程度更大，即保持系材料在高溫、高濕環(huán)境下的性狀差異更大。

圖2 不同環(huán)境條件下滇型雜交粳稻保持系產量性狀的變異系數(shù)Fig.2 Variation coefficient of Dian-type keng hybrid rice maintainer lines under different environmental conditions

2.2 性狀相關性分析

由表2 可知：2 種生長環(huán)境下，單株產量與其他性狀的相關性達到極顯著水平(除尋甸試驗點的千粒質量性狀外)，且在不同生長環(huán)境下，單株產量與有效穗數(shù)和每穗實粒數(shù)的相關性均最大，說明目前的滇型雜交粳稻育種材料主要是通過提高有效穗數(shù)和穗粒數(shù)實現(xiàn)高產。此外，有效穗數(shù)與其余8 個性狀的相關性均很低，說明在目前滇型雜交粳稻育種材料的基礎上，通過選育其他性狀間接提高有效穗數(shù)的方法并不理想，直接進行有效穗數(shù)的選育效果可能更顯著。

表2 滇型雜交粳稻保持系產量性狀間相關性分析Tab.2 Correlation analysis of yield traits among maintainer lines of Dian-type keng hybrid rice

2.3 聚類分析

由圖3 可知：220 份保持系材料可聚為4 個類群。

圖3 基于10 個產量性狀的220 份滇型雜交粳稻保持系材料聚類Fig.3 Clustering of 220 Dian-type keng hybrid rice maintainer lines based on 10 yield traits

第Ⅰ類群包含32 份滇型雜交粳稻不育系材料，占總材料的14.5%，這一類群材料主要特征為：株高適中、單株穗數(shù)多、穗大、一次枝梗數(shù)多、著籽較密、單株產量最高。該類群材料的平均有效穗數(shù)8.01、平均穗總粒數(shù)達160.91、著穗實粒數(shù)133.51、著粒密度8.63 粒/cm、一次枝梗數(shù)達10.65、平均單株產量25.81 g，這6 個性狀在4 個類群中均最高。這一類群材料適宜種植于海拔1 500～1 800 m 的稻區(qū)，適用于雜粳新品種的主要保持系，但這一類群材料也最易受環(huán)境影響，導致性狀表型變化較大。通過對這一類群材料2 個試驗點各性狀成對數(shù)據方差分析可發(fā)現(xiàn)：高溫、高濕的溫室條件下，植株株高增高12.3%，有效穗數(shù)減少59.4%，每穗總粒數(shù)和每穗實粒數(shù)分別減少29.9%和27.7%，千粒質量減少9.8%，著粒密度減少24.2%，單株產量減少74.3%。

第Ⅱ類群包含84 份滇型雜交粳稻保持系材料，占總材料的38.1%。該類群材料的特點是：株高較高、穗較大、結實率高，是適宜更高海拔、更低溫度的冷涼稻區(qū)水稻材料。這一類群材料的平均株高(88.80 cm)、平均穗長(18.82 cm)和平均結實率(87%)在4 個類群中最大。該類群也是目前用于新組合組配的主要骨干保持系材料。與第I 類群相似，該類材料的性狀也易受環(huán)境影響，高溫、高濕條件下，植株株高增高9.1%、有效穗數(shù)減少47.5%、每穗總粒數(shù)和每穗實粒數(shù)分別減少17.2%和16.8%、千粒質量減少5.5%、穗長變短5.1%、著粒密度減少15%、單株產量減少58.6%，均與尋甸試驗點的性狀達顯著以上水平。

第Ⅲ類群包含60 份滇型雜交粳稻保持系材料，占總材料的27.3%。該類群材料的平均千粒質量為25.42 g，在4 個類群中最高，但其平均每穗實粒數(shù)(84.50 粒)和著粒密度(6.18 粒/cm)在4 類群中最低。這一類群材料包括了較多米質較好的保持系材料。相對于正常粳稻生長條件，高溫、高濕條件下該類群的粳稻株高增高12.7%、平均有效穗數(shù)減少59.3%、千粒質量減少9.9%、單株產量減少63.2%，且差異均達到極顯著水平。

第Ⅳ類群包含44 份滇型雜交粳稻不育系材料，占總材料的20.1%，此類群材料特點是：矮稈、穗小、穗粒數(shù)少，從省外引進的材料多聚于此類。該類群材料平均有效穗數(shù)5.23、每穗實粒數(shù)100.29、千粒質量24.13 g、一次枝梗數(shù)8.75、株高78.79 cm、單株產量10.63 g，這6 個性狀在4 個類群中均最小，且其余性狀的平均值均遠小于總材料的平均值。相對于正常粳稻生長條件，高溫、高濕條件下該類群的粳稻植株有效穗數(shù)減少35.5%、穗長增長11.7%、著粒密度減少10.4%、單株產量減少39%、株高增高17.7%。

3 討論

粳稻主要在高緯度和高海拔地區(qū)推廣應用，相對于秈稻，其種植的生態(tài)環(huán)境具有溫、濕度較低的特點[11-13]。目前選育的滇型雜交粳稻品種的適宜種植區(qū)主要在云南海拔1 500 m 以上地區(qū)以及貴州和陜西等氣候相似的山區(qū)和半山區(qū)。雜交粳稻具有較好的食味品質、抗寒和抗旱特性，在低緯度和低海拔地區(qū)推廣雜交粳稻具有較好的應用前景。由于粳稻對低溫干燥環(huán)境的長期適應性，其推廣面臨的主要問題就是選育適宜在高溫、高濕環(huán)境下生長的粳稻材料[14]。作為親本之一，保持系材料的性狀特點是決定雜交稻品種表現(xiàn)的主要因素。因此，研究滇型雜交粳稻保持系在高溫、高濕環(huán)境下的性狀變化規(guī)律，對選育適宜高溫條件生長的雜交粳稻新品種具有重要意義。

本研究發(fā)現(xiàn)：高溫、高濕環(huán)境下，滇型雜交粳稻保持系材料最明顯的性狀變化是株高變高、有效穗數(shù)減少、穗粒數(shù)減少和千粒質量減小，從而導致產量顯著降低(單株產量減少60.8%)，這與魏立興等[15]和謝曉金等[16]的研究相似。千粒質量減小是由于高溫條件下水稻穗部早衰導致庫活性下降、籽粒灌漿提前[17]。

利用保持系的表型性狀數(shù)據，通過聚類分析將保持材料進行類群劃分，可將具有某些共同特征和特性的材料劃分為1 個類群，這是進一步開展優(yōu)勢群劃分的基礎，同時也對新組合組配有指導作用。本研究表明：表型聚類可將220 份保持系劃分成4 個類群，進一步分析各群內材料的系譜可知：第Ⅰ和Ⅱ類群中的大部分材料是在云南中、高海拔區(qū)域育種點選育的、對云南粳稻區(qū)生態(tài)氣候較為適應的水稻材料，其綜合性狀好、產量高，因此，這2 個類群中包括了全部目前用于雜交粳稻品種組配的保持系；但是，這些保持系對高溫、高濕的生長條件較敏感，種植在高溫環(huán)境下，其表現(xiàn)為高稈、株型差、生育期縮短和產量性狀顯著降低等特點，因此，直接利用這2 個類群材料組配適合低海拔地區(qū)種植的雜交粳稻新品種的概率較小。種植在粳稻區(qū)的第Ⅲ和Ⅳ類群保持系材料，其產量性狀不如第Ⅰ和Ⅱ類群，但這些材料在高溫、高濕條件下的性狀變化較小，說明其對環(huán)境條件鈍感，具有更廣泛的適應性，這與這2 個類群中有較多從各地引入的水稻材料有直接關系。

如何解決粳稻保持系材料在高溫、高濕條件下性狀變化的問題并選育適合于高溫下生長的粳稻材料是雜交粳稻發(fā)展面臨的主要問題。結合本研究對滇型雜交粳稻保持系材料的分析，當前的廣適性雜交粳稻品種育種需注意2 個方面的問題：首先，需在低海拔地區(qū)建立育種點，持續(xù)不斷地引進和創(chuàng)制新材料，改良粳稻材料的環(huán)境適應性，選育適合高溫、高濕條件下生長的粳稻資源；其次，加強對現(xiàn)有材料的篩選和應用。通過對220 份滇型雜交粳稻保持系材料分析發(fā)現(xiàn)：其產量性狀都具有較大的變異系數(shù)，說明當前用于滇型雜交粳稻育種的水稻資源具有豐富的變異度和表型多樣性，雖然絕大多數(shù)粳稻保持系材料在高溫、高濕條件下性狀變化明顯，且這些變化均不利于生產，但在研究中也發(fā)現(xiàn)一些在高溫、高濕條件下綜合表現(xiàn)較好的保持系，這些保持系就是下一步改良粳稻高溫適應性的寶貴資源。此外，充分利用第Ⅲ和Ⅳ類群材料的特性改良現(xiàn)有粳稻品種的環(huán)境適性也是應當加以重視的問題。

4 結論

(1) 高溫、高濕環(huán)境導致滇型雜交粳稻保持系材料株高增高，而植株的有效穗數(shù)、千粒質量和粒數(shù)顯著減少，產量降低。

(2) 穗長和一次枝梗數(shù)較穩(wěn)定，不易受環(huán)境溫度影響；雜交粳稻育種中應重視有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的選育。

(3)聚類分析將220 份滇型雜交粳稻保持系材料分為4 類，第Ⅰ和Ⅱ類群品種單株產量較高，但其性狀易受高溫、高濕環(huán)境影響；第Ⅲ和Ⅳ類群品種單株產量低，但不同環(huán)境條件下性狀變異程度相對較小，表現(xiàn)出較好的適應性，尤以第Ⅲ類群材料的性狀最穩(wěn)定。