一种水稻高产且氮素高效利用的新品种选育方法

摘要

本发明公开了一种水稻高产且氮素高效利用的新品种选育方法，利用不同氮效率的水稻在始穗期与成熟期谷氨酸含量具有显著差异的生理特性，通过在中低产田较低背景氮条件下，选择高产优质品种与氮高效利用的优良亲本或品种杂交，采用常规系谱选育法，优良单株依产量与重要农艺性状进行高产选择，株系依据谷氨酸含量进行氮高效选择。应用本发明可以有效地选出氮高效的株系，在高产优质的基础上，可以更准确地选择氮素高效利用的新品种。

说明书

技术领域

    本发明属于农作物新品种选育技术领域，具体地涉及一种水稻高产且氮素高效利用的新品种选育方法。

背景技术

目前，氮素是作物生长发育与产量形成的基本要素。从20世纪60至70年代培育和推广半矮秆耐肥型常规水稻品种和杂交稻新组合以来，特别是近年来大面积推广超级杂交稻，使我国的水稻产量水平有了大幅度提高，但随之带来了氮肥施用量的急剧增加。过量施用氮肥不仅降低了氮素的利用效率，造成能源的巨大浪费，而且提高了作物的生产成本，挫伤了农民的生产积极性。据报道，目前我国水稻氮肥利用率仅为28%～40%，其余的氮素则通过淋溶、挥发和冲洗等以NH₃、NO^－3 等形式排入环境而损失，并污染地下水、土壤、河流和大气，进而影响人体健康。另外，由于土壤退化等因素造成的中低产田已占耕地总面积的2/3。长江流域内各省市中低产田均有分布;其中土壤瘠薄型中低产田全国共计2200万公顷；大于200万公顷的有河南和甘肃两省；大于100万公顷的有安徽、湖北、四川(包括重庆市)、吉林、山东、贵州、河北，江西等省。因此，通过筛选和培育高产且氮素高效利用的水稻新品种对保障国家粮食安全；改善耕地质量；提高我国土壤瘠薄型中低产田水稻产量；降低农业面源污染；促进农业的可持续发展具有十分重要意义。

目前，国内外水稻氮高效评价方法很多，尚未形成统一标准。由于不同方法反映氮利用效率的不同侧面，其中有的评价方法还存在一些缺陷。有的是从施肥的角度来估计氮效率；有的是以水稻吸氮量来衡量氮素利用效率。因此，在进行不同的研究时应明确目标与重点；而基于水稻氮高效利用遗传改良的目标应是水稻氮效率（NUE,Grain nitrogen eficiency ；其计算公式为谷物重与土壤氮供给量和施氮量之和的比值；土壤供给量以不施氮肥水稻植株氮的积累量计）。不同氮高效评价方法下产生了众多的氮高效基因型鉴定指标；其中生理生化指标有在低氮条件下功能叶碳、氮代谢关键酶如硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、RuBP羧化酶活性；在幼穗分化期谷氨酰胺合成酶活性、可溶性蛋白含量，灌浆期穗颈伤流液游离氨基酸含量；在拔节期根的密度、根系总吸收面积等等；但提出的氮高效基因型的鉴定指标很难用于田间育种实践，如酶的检测试验误差较大，大田中很难对根部进行调查，这些鉴定指标在大田选种上可操作性不强以及传统方法不易于将水稻高产与氮素高效吸收利用的矛盾很好协调。因此，有必要创新研究水稻高产氮高效利用评价方法与鉴定指标。

氨基酸代谢是一个从植物营养器官到收获籽粒转换的重要过程。因此，氨基酸的代谢，尤其是在籽粒形成期的代谢，可以反映氮利用效率。谷氨酸是氮代谢的初级产物，谷氨酸和谷氨酰胺或两者比值在硝酸还原酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、蔗糖磷酸合成酶短期活性调节中是更重要的代谢因子。在水稻氮高效品种中谷氨酸含量在始穗期与成熟期均显著高于对照品种。采用杂交分离群体与亲本的田间比对趋亲或正向超亲的株系产量与谷氨酸含量选择的方法，实现高产氮高效水稻新品种育种方法的创新选择，提高选择效率。目前为止，该项技术未见报道。

发明内容

本发明的目的就是针对现有的高产氮高效水稻品种筛选与培育选择不足，提供一种在氮高效杂交水稻育种中，F2分离群体、回交选择群体等氮高效株系筛选方法，利用此方法可以快速准确地从杂交后代中选择目标株系，能显著提高氮高效水稻育种选择效率。

在水稻群体中，由于谷氨酸是水稻碳氮代谢关键酶（硝酸还原酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、蔗糖磷酸合成酶）短期活性调节中重要的代谢因子，且功能叶谷氨酸含量与氮效率（NUE）间相关密切（始穗期 r=0.467,显著）。因此发明人利用氮高效水稻品种始穗期与成熟期谷氨酸含量来衡量氮高效利用的高低；利用成熟期的稻谷产量与农艺性状来综合衡量稻谷产量。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的；

本发明是一种利用谷氨酸含量鉴定水稻氮素高效利用并结合水稻产量与农艺性状选择高产氮高效利用的水稻品种选育方法，主要关键技术是对常规品种或恢复系的选育，其步骤如下：

（1）选择中低产田（土壤全氮含量在每公斤土含0.75克至1.5克之间，有机质含量每公斤土小于30克）。按常规施肥方法，亩施纯氮量在10公斤至15公斤；

（2）选择高产优质品种与氮高效利用的优良亲本或品种杂交，收获杂种一代种子；同时设立对照品种；

（3）加代成杂交二代种子，并种植成杂种二代群体；种植对照品种；

（4）单株选择；同时种植对照品种；当株系未稳定时全部进行单株选择，单株选择方法如下：

a、田间初选：在每个单株始穗后至蜡熟期，田间观察生育特性（包括，始穗期、成熟期等）与调查主要农艺性状（包括分蘖、株高、有效穗等），进行初次选种，并标记；

b、田间复选：对标记单株在完熟期进行主要农艺性状（包括，后期转色、倒伏性、落粒性等）的复选；

c、室内决选：田间选择单株分株收获；室内考种，淘汰单株产量增幅比对照品种小于3%，且结实率小于80%的单株；

（5）株系选择：同时种植对照品种；株系选择方法如下：

a、田间初选：每系田间观察生育特性（包括，始穗期、成熟期等）与调查主要农艺性状（包括分蘖、株高、有效穗等），进行初次选种，并标记；淘汰产量水平低于对照品种株系；

b、田间复选：对标记株系在始穗期与成熟期取功能叶（即剑叶、倒二叶、倒三叶）20-30株，检测谷氨酸含量，株系谷氨酸含量增幅高于入选各株系谷氨酸平均含量10%，且增幅高于对照5%的株系入选并全部实收；

c、实产对比并考种，室内分析谷氨酸含量增幅高于入选各株系谷氨酸平均含量10%，且增幅高于对照谷氨酸含量的5%，稻谷产量增幅高于对照5%以上的株系，参加品系比较试验；

（6）品系对比：按常规方法进行小区品系对比，种植对照品种，筛选稻谷产量高于对照品种5%以上优良品系，即可。

本发明中所述的谷氨酸含量和稻谷产量增幅分级标准可参见表1。

            表1

级别增幅评价1-3%以上低20-    -3%较低30-3%一般43-5%较高55%以上高

本发明方法检测谷氨酸含量可以采用茚三酮比色法，此方法简便、实用。

本发明的优点是：

应用本发明的方法可以有效地在高产的基础上选出氮高效水稻株系，可以更准确选择高产氮高效新品系，准确便捷地选育高产氮高效新品种。

附图说明

    图1为本发明始穗期水稻谷氨酸含量与NUE相关图。

具体实施方式

实施例1

（1）选择高产农艺性状优良与氮高效水稻亲本或品种杂交，收获杂种一代种子；同时设对照品种；

（2）加代成杂种二代种子，并种植成要杂种二代群体；种植对照品种；

（3）单株选择：同时种植对照品种；当株系未稳定时全部进行单株选择，单株选择方法如下：

a、田间初选：在每个单株始穗后至蜡熟期，进行田间观察生育特性（包括，始穗期、成熟期等）与调查主要农艺性状（包括分蘖、株高、有效穗等），进行初次选种，并标记；

b、田间复选：对标记单株在完熟期进行主要农艺性状（包括，后期转色、倒伏性、落粒性等）的复选；

c、室内决选：田间选择单株分株收获；室内考种，淘汰单株产量增幅比对照品种小于3%，且结实率小于80%的单株；

4）株系选择：同时种植对照品种；株系选择方法如下：

a、田间初选：在每系拔节期观察长势长相，并记录，齐穗后成熟期前淘汰产量水平低于对照品种株系，并标记；

b、田间复选：对标记株系在始穗期与成熟期取功能叶（即剑叶、倒二叶、倒三叶）20-30株，检测谷氨酸含量，株系谷氨酸含量增幅高于入选各株系谷氨酸平均含量10%，且增幅高于对照5%的株系入选并全部实收；

c、实产对比并考种，室内分析谷氨酸含量增幅高于入选各株系谷氨酸平均含量10%，且增幅高于对照谷氨酸含量的5%，产量增幅高于对照5%以上，参加品系比较试验；

（5）品系对比：按常规方法进行小区品系对比，种植对照品种，筛选产量高于对照品种5%以上优良品系，即可。

实施例2 

高产氮高效水稻K优52的选育，其步骤如下：

（1）以高光效亲本水稻特青为父本，以高氮效率优良水稻亲本9019为母本，杂交得杂交种一代；

（2）海南种植，加代成杂种二代；

（3）杂种二代单株选择，考察单株产量、重要农艺性状、选择高产单株；

（4）杂种三代单株海南加代；

（5）杂种四代选择优势单株，考察单株产量、重要农艺性状、选择高产单株；

（6）杂种五代海南加代；

（7）杂种六代株系观察，考察株系始穗期与成熟期谷氨酸含量，选择氮高效株系；

（8）杂种七代株系评比，考察株系始穗期与成熟期谷氨酸含量，选择氮高效株系；

（9）杂种八代株系比较，考察株系始穗期与成熟期谷氨酸含量，选择氮高效株系；

（10）杂种九代株系比较，考察株系始穗期与成熟期谷氨酸含量，OM052株系入选；

（11）以K17A为母本，OM052为父本配制杂交种（K优52）；

（12）品种评比试验，考察K优52与其它大田主推品种产量以及在始穗期与成熟期谷氨酸含量。

（13）小面积种植，进一步证明高产氮高效，定型水稻新品系-K优52。