耐低温发芽水稻种质资源筛选

来源:用户上传      作者:郭涛 王海凤 薛芳 房文文 姜艳芳 张焕霞 林香青 张士永

　　 摘要：水稻种子在低温条件下的萌发活力决定了其田间出苗能力，与直播技术密切相关，并最终决定水稻的产量。本研究以114份水稻种质资源为试验材料，以14℃低温条件下17天的发芽率为评价指标，将种质资源耐低温发芽能力划分为强、中、弱三个等级。筛选到鲁粳1号、辐香1号、旱稻白芒、早桂选、87-45、IR36、津辐1号、60-7共8份耐低温发芽能力强的种质材料，为培育低温发芽能力强、适宜直播的水稻新品种提供了育种材料。
　　关键词：耐低温;水稻;种质资源;发芽率
　　中图分类号：S511.037  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）01-0037-05
　　Abstract  The seed germination vigor under low temperature determines the seedling emergence in field and is closely related with the direct seeding technology， which determines the rice grain yield. In this study， the seed vigor of 114 rice germplasm resources was identified with the germination rate as indicator under 14℃ after 17 days. The germination capability of the rice germplasms under low temperature was divided into strong， medium and weak degrees. Eight germplasms including Lujing 1， Fuxiang 1， Handao Baimang， Zaoguixuan， 87-45， IR36， Jinfu 1 and 60-7 were selected with high germination rate under low temperature， which provided resources for breeding rice varieties with strong germination capability under low temperature and suitable for direct seeding.
　　Keywords Resistance to low temperature; Rice; Germplasm resources; Germination rate
　　 水稻是我國最重要的粮食作物，我国一半以上的人口以大米为主食。随着经济发展和农村劳动人口向城镇转移，省工、省时、省力的直播水稻越来越受到关注，种植面积越来越大。在我国北方地区，播种季常受低温冷害的影响，造成种子发芽不整齐、缺苗断垄等现象，因此，要求直播水稻品种在低温条件下仍具有很高的发芽率。发芽期耐冷性又称低温发芽能力，是直播水稻应具备的重要耐冷性状。水稻品种间低温发芽能力存在很大差异，研究认为，水稻耐低温发芽能力是由多个基因控制的数量性状位点，广泛分布于水稻全基因组，遗传机制复杂[1-6]。曹微等[1]开展了23个水稻亲本材料在低温和低氧逆境下的发芽试验，低温发芽率在0～82%之间，经过综合评价，W22（Khazar）在低温和低氧条件下综合表现最好。Fujino 等[2]研究发现，Italica Livorno和Hayamasari两品种在低温发芽能力方面存在巨大差异，15℃条件下7天的种子萌发率分别为98.7%和26.8%;来自意大利的品种Italica Livorno的等位基因能够提高低温条件下种子萌发率，其中位于第3染色体的主效QTL qLTG3-1对表型的贡献率超过35%。Suh等[3]考察了韩国野生稻的低温发芽能力，检测到3个QTLs位点，分别位于第5、6和11染色体上，表型贡献率在11.4%～18.6%之间。纪素兰[4]和侯明语[5]等利用不同的重组自交系材料在第1、2、5、6、7、8、9、11和12染色体上检测到11个低温萌发相关位点。滕胜等[6]利用ZYQ8和JX17构建的DH群体检测到2个QTLs;位于第9染色体上的qLTG-9在第8～11 d发挥正向效应，来自JX17的等位基因能够提高发芽率;而位于第4染色体上的qLTG-4则在第12～16 d发挥相反的作用，来自JX17的等位基因降低低温发芽率。Ma等[7]克隆了世界上首个水稻耐冷性基因COLD1，并阐明了其工作机理，为耐冷性研究提供了参考。杨佳等[8]根据COLD1基因中的SNP位点设计开发了耐低温基因的dCAPS分子标记，并利用7个水稻品种和96个籼粳交F2个体验证了标记的准确性。上述研究为培育耐低温发芽能力强的、适宜直播的水稻新品种提供了理论指导。
　　本研究通过考察不同天数的水稻低温发芽率，确定了14℃低温条件下17天为检测低温发芽率的最适时间，该时期的发芽率指标能够充分区分不同种质资源耐低温发芽能力的差异。以此评价指标，综合评价耐低温发芽能力，筛选出14℃低温条件下发芽迅速、幼芽生长快的水稻种质资源，可为培育适宜提早直播、耐低温发芽能力强的水稻新品种提供材料。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　以山东省水稻研究所种质资源库中保存的114个水稻种质作为试验材料（表1），于2018年正季种植于水稻所试验基地，每个材料种植10株，成熟后去除明显不同的单株，混收其余单株的种子，晾晒后室温保存6个月，用于低温发芽试验。
　　1.2 试验设计
　　每个材料挑选3份籽粒饱满的种子，每份50粒。将种子经75%乙醇浸泡10 min消毒，蒸馏水冲洗2遍，均匀排放于垫双层滤纸的培养皿中，每个培养皿加纯净水50 mL，48 h后种子吸水饱和，将水倒出，然后重新加入3～5 mL纯净水，保持滤纸湿润。将其中的2份放入14℃恒温培养箱中暗培养，开始计时;另1份种子作为对照，在32℃恒温培养箱中暗培养7 d，调查种子发芽情况，所有材料发芽率均超过80%，表明种子发芽率正常，无休眠性影响。 　　1.3 发芽指标调查及数据分析
　　参照《水稻种质资源描述规范和数据标准》进行发芽情况调查统计。低温处理7 d后开始每2 d调查一次发芽率，第17天最后一次调查;每个材料随机选取5粒发芽种子，测量芽长（不足5粒的只测量发芽的种子）。采用Microsoft Excel软件进行数据整理和统计分析。
　　发芽标准：以芽长达到种子长度的一半、根长达到种子长度时记为发芽。
　　发芽率：GA（%）=N1/N2×100，式中GA为发芽率（%），N1为发芽粒数，N2为供试总粒数。
　　平均发芽天数：GD=[∑（D×N3）]/N1，式中GD为平均发芽天数，D为浸种后天数（d），N3为当日发芽粒数，N1为总发芽粒数。
　　发芽率系数：GI=GA/GD，式中GI为发芽率系数，GA为发芽率（%），GD为平均发芽天数。
　　耐冷性评价方法：按照韩龙植等[9]的评价方法，以培养17 d的发芽率作为发芽期耐冷性评价指标。发芽率>80%，耐冷级别为1，耐冷性强;发芽率60%～80%，耐冷级别为5，耐冷性中等;发芽率<60%，耐冷级别为9，耐冷性弱。
　　2 结果与分析
　　2.1 低温处理对不同水稻种质发芽率的影响
　　种子发芽是水稻生长的重要环节，发芽率高，表示种子有活力，播种后出苗多，能为齐苗、高产打下基础。结果（图1）显示，处理9 d，所有材料发芽率均未超过10%;随低温处理时间延长，不同材料间发芽能力的差异越来越显著，处理17 d时差异最显著，能够将各材料的低温发芽能力较好地显现出来。鲁粳1号、辐香1号、旱稻白芒、早桂选、87-45、IR36、津辐1号、60-7共8份材料的发芽率超过80%，低温发芽能力强;临稻3号等30份材料的发芽率在60%～80%之间，低温发芽能力中等;日本晴等76份材料的发芽率不足60%，低温发芽能力弱（表1、表2）。
　　
　　2.2 低温处理对不同水稻种质材料低温发芽天数、发芽系数和芽长的影响
　　发芽天数表明种子达到最高发芽率所用时间的长短。低温处理使材料的发芽天数普遍延长，供试种质材料的平均发芽天数分布见图2，大部分材料的平均发芽天数分布在15.6～16.5之间;所有供试材料的平均发芽天数的均值为15.9 d，耐低温发芽能力强、中、弱的品种平均发芽天数分别为15.4、15.7、16.1 d。双样本等方差t-测验发现，耐低温发芽能力强和中的品种平均发芽天数无显著差异，而与耐低温发芽能力弱的品种差异显著（表3）。
　　
　　 发芽系数为发芽率与平均发芽天数的比值，数值越大，表明发芽越快、越整齐。如图3，供试种质材料的发芽系数主要分布在1～5，有30份材料的发芽系数在2～3之间。供试水稻种质材料的平均发芽系数为2.98，强、中和弱耐低温发芽种质材料的发芽系数分别为5.54、4.48和2.12，双样本等方差t-测验显示两两间均达到显著差异（表3）。
　　
　　低温会显著延缓幼芽生长。低温处理17 d，不同水稻种质材料幼芽生长存在显著差异，其中有82份材料的芽长分布在3.0～4.5 mm之间（图4）。供试材料平均芽长3.73 mm，耐低温能力强、中、弱种质材料的平均芽长分别为4.46、4.12、3.51 mm，双样本等方差t-测验结果显示强、中种质材料间差异不显著，但显著高于耐低温能力弱的种质（表3）。
　　
　　3 讨论与结论
　　水稻直播具有生产成本低、操作简便等优点，已越来越普及，直播面积越来越大。由于水稻播种季节常常遭遇低温冷害，造成种子发芽不整齐、缺苗断垄等现象，影响直播水稻生产。因此，耐低温发芽能力强的水稻品种更适合直播栽培。
　　关于水稻耐低温发芽能力鉴定，韩龙植等[9]低温处理水稻种子7、14 d后调查种子发芽率、平均发芽天数、发芽系数等，并用发芽率来评价发芽期耐冷性。王丽艳等[10]以种子萌发指标和幼苗生长指标的相对值作为耐低温性评价指标，并利用隶属函数法对11个水稻品种进行耐低温性综合评价，认为发芽势、发芽率、發芽指数、株高、根干重、根表面积和根体积可作为水稻品种耐低温性的鉴定指标。为了使鉴定结果更加准确，本研究参考上述方法并进行优化，处理7 d后开始每隔1 d调查一次发芽率，结果发现处理17 d的发芽率能够更好地将不同材料的耐低温发芽能力区分开来。以14℃处理17 d的发芽率为指标，通过评价筛选出耐低温发芽能力强的水稻种质材料8份，耐低温性中等的30份，弱的76份，为培育低温条件下发芽能力强的水稻新品种提供了材料。
　　参 考 文 献：
　　[1] 曹微，王燕，谭斌，等. 水稻品种直播相关的种子低温和低氧萌发活力评价 [J].分子植物育种， 2019， 21（10）： 58-65.
　　[2] Fujino K， Sekiguchi H， Sato T， et al. Mapping of quantitative trait loci controlling low-temperature germinability in rice （Oryza sativa L.） [J].Theoretical and Applied Genetics， 2004， 108（5）： 794-799.
　　[3] Suh J P， Ahn S N， Moon H P， et al. QTL analysis of low temperature geminability in a Korean weedy rice （Oryza sativa L.）[J]. Rice Research Newsletter， 1999，16： 53-55.
　　[4] 纪素兰，江玲，王益华，等. 利用回交重组自交群体检测水稻耐低温发芽数量性状基因座[J].南京农业大学学报， 2007，30（1）：1-6.
　　[5] 侯明语，王春明，江玲，等. 水稻低温发芽力QTL定位和遗传分析[J].遗传学报， 2004，31（7）：701-706.
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　　[7] Ma Y， Dai X Y， Xu Y Y， et al. COLD1 confers chilling tolerance in rice [J]. Cell， 2015， 160（6）：1209-1221.
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　　[9] 韩龙植，张三元. 水稻耐冷性鉴定评价方法[J]. 植物遗传资源学报， 2004，5（1）：75-80.
　　[10] 王丽艳，唐金敏，郑桂萍，等. 水稻萌发期和幼苗期耐低温指标体系构建及综合评价[J].中国农业科技导报， 2019， 21（10）： 58-65.
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