利用植物全生育期育种工厂开展水稻杂交育种的方法

摘要

本发明属于水稻育种领域，公开了一种利用植物全生育期育种工厂开展水稻杂交育种的方法，通过LED高光强照明光源及其他温度、湿度、通风、光周期等环境条件控制能够实现冬季水稻室内的正常生长和杂交育种，解决了每年冬季到海南进行南繁的问题。具体为：苗期培养：采用全光谱LED光源，光照强度300‑800μmol/m

说明书

技术领域

本发明属于水稻育种领域，具体涉及一种在冬季室内进行水稻杂交育种方法。

背景技术

植物品种的培育是一个漫长的过程，比如水稻，需要通过不停的杂交、回交、自交，并结合田间表型的选择，逐步聚合不同的优良性状，最后培育出优异且表型稳定的品种，一般耗时十几甚至几十年。为了加速育种的进程，育种家们早就对自然资源进行了充分的利用，每年夏季在各水稻栽培区域进行大田的种植筛选，冬季再到海南进行加代繁殖一代，称为南繁。每年冬季到海南进行南繁，需要耗费大量的人力物力，如何在水稻产区直接实现水稻品种的冬季正常生长，乃至进行正常的杂交育种，一直是育种家的梦想。传统的玻璃温室结合高压钠灯进行补光，只能在冬季维持水稻植株的生命，无法保证水稻植株的正常生长，也不能完成水稻品种的杂交育种。

本发明利用植物全生育期育种工厂，通过LED灯光照明技术，结合温湿等环境控制，探索出了一种在冬季室内实现水稻品种的正常生长以及完成不同水稻品种人工杂交结实的方法，不需要到海南南繁就可以完成正常的水稻杂交育种。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在冬季室内实现水稻品种的正常生长和不同水稻品种的人工杂交结实的方法，用以解决每年冬季到海南进行南繁加代的问题。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术措施：

水稻的室内杂交育种方法，包括以下步骤：

(1)苗期培养：采用光照强度为300-800μmol/m²·s的全光谱LED光源，光照时间14-16小时，光周期温度为28-32℃，湿度设置为40-60％RH；暗周期温度设置为25-28℃，湿度设置为40-60％RH；

(2)成株期培养：采用光照强度为1200-1800μmol/m²·s的植物生长LED光源，光照时间10-16小时；光周期温度设置为28-35℃，湿度设置为50-70％RH；暗周期温度设置为25-28℃，湿度设置为40-60％RH；

(3)杂交：挑选母本植株主穗上即将开花的小花，于开花之前剪去上部颖壳，用水壶喷上冷水，敷上保鲜膜保湿，待花药伸出颖壳后撤掉保鲜膜，用手弹掉花药，然后套上避光牛皮纸袋并封口，待父本开花后，剪取开花旺盛的稻穗进行授粉，最后将牛皮纸袋密封等待杂交种的生长。

优选地，苗期培养的光照强度为600-800μmol/m²·s，成株期培养的光照强度为1500-1800μmol/m²·s。

优选地，苗期培养的光照强度为800μmol/m²·s，成株期培养的光照时间是10小时，光照强度为1800μmol/m²·s。

在本发明的一个具体实施例中，还提供了植物全生育期育种工厂，可用于冬季水稻的室内杂交育种。所述植物全生育期育种工厂，包括内部依次联通的缓冲室、育种室、设备室；缓冲室设有总控器及终端显示平台，总控器用于控制光照单元、温度控制单元、湿度控制单元、紫外杀菌装置；育种室内摆设若干植物培养架，每层培养架的顶部设有光照单元，紫外杀菌装置设于育种室顶部，用于育种间隔期对整体环境进行消毒杀菌；所述的温度控制单元包括温度传感器、空调机组，温度传感器将采集的信号输出给总控器，总控器控制空调机组加热或制冷；所述的湿度控制单元包括湿度传感器、加湿机，湿度传感器将采集的信号输出给总控器，总控器控制加湿机启动或关闭。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明所述的植物全生育期智能育种工厂通过LED高光强照明光源，及其他温度、湿度、通风、光周期等环境条件控制，能够实现冬季水稻室内的正常生长和杂交育种，有效分蘖可以达到10个以上，水稻品种结实率达到85％以上，人工去雄杂交平均每个杂交袋收获10粒杂交种以上，解决了每年冬季到海南进行南繁的问题。同时，育种工厂也大大改善了育种家的工作条件，不用遭受自然环境下的日晒雨淋。

附图说明

图1是植物全生育期育种工厂的整体结构示意图；

A-缓冲室，B-育种室，C-设备室，1-总控器，2-通风通湿暗格，3-植物培养架，4-加湿机，5-空调机组，6-集成的温度、湿度和通风系统。

图2是LED全光谱光源的光谱图。

图3是植物生长LED光源的光谱图。

具体实施方式

实施列1：植物全生育期育种工厂

为了在冬季室内模拟自然的光照条件，控制适宜的生长温度及光周期，保证通畅的空气流动，本实施例提供一种植物全生育期育种工厂的设计方案。

如图1所示，所述植物全生育期育种工厂，包括内部依次联通的缓冲室A、育种室B、设备室C，育种系统外围以隔热材料封闭独立运行。所述缓冲室、设备室分别以隔热密封门与外界隔开，所述育种室以带观察窗的隔热密封门相互连通，并通过缓冲室进出；所有隔热门都装有安全脱锁装置，内外均能开启。

缓冲室设有总控器及终端显示平台，总控器1用于控制育种室中光照单元、温度控制单元、湿度控制单元、紫外杀菌装置。缓冲室是育种室与外界环境交互的缓冲空间，可以缓解育种室隔热密封门打开时环境的剧烈变化对植物生长的影响。终端显示平台用于显示记录实时的仪器设备和各育种环境数据，以及各仪器设备的状态，用以监控和查询。

育种室的侧面和顶部设有格栅用于通风通湿，育种室内摆设若干植物培养架，每排培养架通过过道隔开，所述的植物培养架设有若干层，每层的顶部设有光照单元，可根据植物的全生育周期培育选取合适光谱。紫外杀菌装置设于育种室顶部，用于育种间隔期对整体环境进行消毒杀菌；育种室通过温度控制单元和湿度控制单元实现温湿环境的自动化控制，保证植物的正常生长。

所述的温度控制单元包括温度传感器、空调机组5、集成的温度、湿度和通风系统6，通过采集温度传感器信号和设定值进行比对，通过PID+PWM输出自动调节，启动空调机组加热或制冷，并通过集成的温度、湿度和通风系统输出，使育种室内的空气温度达到动态平衡；温度控制范围：0－50℃，温度控制精度：±1℃；所述的湿度控制单元包括湿度传感器、加湿机4、集成的温度、湿度和通风系统6，通过采集湿度传感器信号和设定值进行比对，通过PID+PWM输出自动调节，启动或关闭加湿机，使育种室内的空气湿度达到动态平衡；湿度控制范围45-85％RH，湿度控制精度：±5-8％RH。

通过集成的温度、湿度和通风系统输出的空气依次经过通风通湿暗格2和微孔板进入育种室，均匀、平缓地控制育种室中的温度和湿度。

实施列2：利用植物全生育期育种工厂在冬季室内进行水稻的培育

所述植物全生育期育种工厂用于冬季室内水稻品种的培育，底层培养架的光源采用模拟自然光的混合光谱(波长范围380-780nm，光源是LED全光谱灯)，其光谱分析如图2所示，其光强在光源正下方30厘米处达800μmol/m²·s；顶层培养架的光源，采用混合光谱(波长范围350-750nm，光源是LED植物生长灯)，其光谱分析如图3所示，其光强在光源正下方30厘米处达1800μmol/m²·s。

底层培养架用于育苗，顶层培养架用于成株期生长。在苗期采用光照强度为800μmol/m²·s的全光谱LED光源，在成株期采用光照强度为1800μmol/m²·s的植物生长LED光源。苗期25天，水稻材料在底层培养架进行培养，光暗周期为14小时：10小时；光周期温度设置为32℃，湿度设置为60％RH；暗周期温度设置为25℃，湿度设置为40％RH；25天后，水稻材料转入上层培养架进行成株期的培养，光暗周期为10小时：14小时；光周期温度设置为32℃，湿度设置为70％RH；暗周期温度设置为25℃，湿度设置为40％RH。利用上述条件在武汉冬季对水稻品种华占、黄华占、9311、南粳46、空育131等水稻品种进行培育。于始穗的时候进行统计，每个单株有效分孽2-10个。所有品种都可以开花结实，结实率达到85％以上，且种子充实饱满，都可以正常发芽成长。

实施列3：不同水稻品种之间的人工去雄杂交

利用实施例2中所述的方法，在冬季室内分别种植水稻品种9311和黄华占，等两个水稻品种开始开花的时候，挑取主穗进行人工去雄杂交。具体是指，以黄华占作为母本，在每个光周期的时候，挑选主穗上即将开花的小花，于开花之前剪去上部颖壳，用水壶喷上冷水，敷上保鲜膜保湿，待花药伸出颖壳后撤掉保鲜膜，用手弹掉花药，然后套上避光牛皮纸袋并封口，待同一光周期内9311开花后，剪取开花旺盛的穗子进行授粉，最后将牛皮纸袋密封等待杂交种的生长。可以观察到明显的开花规律，授粉时可以看到黄色的雾状花粉散落。授粉之后25天收获杂交种，于烘箱中烘干之后进行发芽育苗检测。统计结果显示，6个杂交袋共收获杂交种75粒，最后发芽成苗71株，对其中62株进行了分子标记检测，结果显示5株为假杂种单株。

同等温湿、通风和光周期条件下，如果成株期的光源换成高压钠灯(光强：1200μmol/m²·s，波长范围：550-700nm；光源类型：内反射高压钠灯)，分别种植9311和黄华占，并按上述方法进行剪颖杂交，无法观察到明显的花粉散落，花粉量少。统计结果显示，10个杂交袋共收获杂交种8粒，最后发芽成苗7株，分子标记检测显示6株为假杂种。

除光源之外，申请人还测试过空气湿度的影响，在玻璃温室中，除了冬季自然光照之外，辅以高压钠灯补光，加热系统采用热水暖气管道，空气湿度通过地面浇水和页面喷水来补充。结果表明，如果进行人工去雄杂交，处理的稻穗由于湿度过低，几乎全为白穗，无法成活结实。

在早期的玻璃温室中，冬季温度控制不稳定，很难稳定到30度，且为了保温，几乎不与外界进行新风交换，导致的结果就是冬季种植的水稻苗子或者移栽的稻蔸在冬季会有少量死亡发生，存活的也无法正常结实。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。