一种在同一生态稻区内通过单年单点筛选广适型水稻的方法

摘要

本发明涉及一种在生态稻区内通过单年单点筛选广适型水稻的方法，是将本生态稻区内的每个水稻材料或杂交组合在当地自然生态环境下人工栽培管理，通过单年单点针对水稻植株的耐高光强适应性、耐低光强、耐水分匮乏、耐高肥和抗早衰的特性进行平行的筛选方法，将本生育期中至少具有3个特性优势，同时结实率≥90％的水稻材料或杂交组合筛选出来，作为本生态稻区内的广适型水稻材料。本发明不仅节约了时间，节省了用地，而且还可以与水稻育种结合起来，减少了工作量，在水稻选育的初期就可以获得材料的广适性特征，从而提高了选种的精准性和育种效率具有节约用地，并提高水稻广适型育种的精准率的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及植物生理生态领域，尤其是将生理，生态和水稻育种有机结合，提供一种针对各生态稻区内筛选适应本生态稻区的广适型水稻的筛选方法。

背景技术

水稻高产育种的巨大成绩成功地解决了我国13亿人口的吃饭问题。但经济的发展，人口的增加和耕地减少，始终使我国粮食供给长期处于紧平衡状态。实际上，目前培育和推广的超级杂交稻组合存在熟期不能满足多样化需求、对高肥的依赖性以及生态适应性也不强等问题，严重限制了一些主推水稻品种的推广和产量潜力的发挥。分析原因，则是水稻育种学家可用的田间的水稻广适性的筛选方法一直没有建立。

培育广适型水稻品种的研究是保证水稻可持续发展中具有战略性意义的研究内容之一。广适性(Eurytropic)是源于微生物的概念，主要指菌株的适应类型，并首次由CMMYT(International Maize and WheatImprovement Center)通过对小麦和玉米的育种研究重新赋予了作物广适性的内涵，即一种基因型在多种环境中都能获得高产的能力，这些环境包括降水(旱、涝)、温度(暖冬、倒春寒、干热风)、病虫害(爆发年份与平常年份差异很大)和空气湿度(影响病害程度)等(何中虎，庞家智，1993)。孙道杰等(2006)在通过对小麦广适性深入研究中又将其细分又为区域间广适性和年际间广适性。并利用小麦光周期敏感性的调节使小麦在特定日照长度时抽穗和开花，来屏蔽不良环境，确保小麦产量的稳定(孙道杰等，2007)。相对而言，水稻的广适型育种研究多在单一性状，尤其是抗病、虫害的定向培育比较多，而对于与兼顾环境，土壤和生育期密切相关的多抗材料培育则有限。如已报道的杂交稻“II优125”、“津稻291”、“光温敏不育系Y58S”、华南广适一耐肥型优质超级稻“桂农占”、“绿旱一号”、“II优416”等(邓启云，2005；廖翠猛等，2006；齐国强，2007；.施利利等，2007；朱启升等，2007；林青山等，2007)，虽然都有“广适性”特点，但由于上述地区的自然条件，以及育种工作者对广适性的认识和评价指标不同。2007年由袁隆平院士牵头的国家科技支撑计划项目“广适型超级杂交稻新组合选育与示范”的实施，才正式拉开了区域性广适型超级杂交水稻培育研究的序幕，并将水稻的广适性列为今后超级杂交水稻培育的重要育种指标。该项目主要汇集湖南、福建，广东和四川的水稻育种学家，通过一年来的多点的大面积推广示范，主要在栽培水平上提出了适合当地生态条件广适型超级杂交水稻产量的技术标准，但是该项目涉及水稻广适性的研究多是针对长江上、中游和华南等的生态地区，主要针对已培育广适性新品系进行的多点大面积的种植结果进行最终认定。而实际上目前对水稻广适性的培育筛选一般通过多依靠对其形态特征进行多年多点的经验式观察获得，而且重点在栽培条件上调优，发挥产量潜力，从而筛选出适合当地生态条件的广适应性品种，这一过程往往需要花费3～5年甚至更长的时间(取决于气候状况)和大面积的实验场地才能完成，其育种效率并不高。究其原因是由于各地的水稻生态环境迥异，而水稻对不同生态地区适应的理论研究不全面，适合大田条件简易可行的

水稻广适型筛选方法复杂，费时，很难供水稻育种工作者使用。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前对水稻广适性的筛选多依靠对其形态特征进行多年多点的观察获得，而且筛选指标也比较烦琐，筛选鉴定时对材料的损伤也比较大，通常筛选出适合当地生态条件的广适应性品种需要花费3～5年甚至更长的时间(取决于气候状况)和大面积的实验场地才能完成，其育种效率并不高的实际问题，提供一种在同一生态稻区内通过单年单点筛选广适型水稻的方法。

我们的研究表明，水稻生育后期是决定水稻产量的关键时期，开花后光合作用的70％都用于形成产量，其中剑叶的光合作用占整个叶片光合作用的50％以上，与水稻植株的地上和地下部分的生理表现有着密不可分的关系。我们水稻生育后期的生态特点有长期的观察，如水稻生育后期的连绵阴雨(低光强)，梅雨过后的乍晴(高光强)、生育后期的高温断水(水分匮乏)以及高产栽培对肥料的过度依赖(高肥)以及杂交稻的二次灌浆过程的茎青枯(早衰)等问题，并且对水稻对其的适应性的生理机制有系统研究。从而确定了本发明利用单点(单个实验地)单年(生育后期)的气候条件，重点在中国稻区易发生的生态逆境，水稻的生育后期，分别对高光强、低光强、耐水分匮乏、高肥以及抗早衰特性等进行平行筛选的技术提供了理论基础，通过各种生态环境下形态和生理指标的测定和数据分析，从而解析出了各个生态逆境的简单关键的筛选指标，从而可以在一个水稻生长季节同时获得水稻对上述5种生态环境的多种适应性信息。

本发明的目的是这样实现的：一种在同一生态稻区内通过单年单点筛选广适型水稻的方法，其特征在于：将本生态稻区内的每个水稻材料或杂交组合在当地自然生态环境下人工栽培管理，通过单年单点针对水稻材料的高光强适应性、耐低光强特性、耐水分匮乏特性、耐高肥材料的特性和抗早衰的特性进行平行的筛选方法，将本生育期中至少具有3个特性优势，同时结实率≥90％的水稻材料筛选出来，作为本生态稻区内的广适型水稻。

在本发明中：所述的水稻材料是指：在相同的水稻种植区域内，进行水稻品种选育的初期，筛选材料还没有正式审定命名的水稻材料；所述单年是指当季种植的水稻开花前5天到开花后20天的时间范围；所述单点是指单个实验地，实验地的面积不少于30m²。

在本发明中：针对水稻材料或杂交组合的高光强适应性、耐低光强、耐水分匮乏、耐高肥和抗早衰的特性进行平行的筛选方法是指：

耐高光强适应性筛选是在水稻开花前5天内，取3张水稻倒数第2张叶片放到盛满自来水的白瓷盘中，用透明玻璃块压住，在室外晴天日照下处理5～7天，用叶圆片法测定处理前后的叶绿素含量的下降，并判定叶色的变化；

耐低光强特性筛选是在水稻开花后第7天，分别取田间剑叶上、中和下不同部位的10个叶圆片，烘干至恒重，计算叶质重；所述的叶圆片直径为0.5厘米，所述的叶质重是单位面积叶片的干重，并辅以人工遮阴处理，用遮荫网进行遮荫21d，分别测定遮荫和自然光照条件下生长植株的干物质重，以遮阴条件下植株的干重占自然光条件下生长植株干重的百分数作为耐低光强特性的参照指标；

耐水分匮乏特性筛选是在水稻开花期，结合田间常规水分管理-晒田，测定晒田时晴天中午剑叶的叶绿素荧光参数—最大光化学效率Fv/Fm的变化；

耐高肥材料的特性筛选是在水稻开花后10天，选取田间生长的10个单株单主茎，测定其在当日下午16:00至次日上午8:00之间的茎伤流总量；

抗早衰的特性是根据开花后剑叶叶绿素含量的动态变化，用叶绿素仪分别测定开花后8天和20连体剑叶的叶绿素含量，每个叶片分别取叶片的上、中和下部测定10个数据，取平均值。

在本发明中：所述的特性优势是指：

通过高光强处理后，叶片仍然保持绿色或者只有叶尖变黄，且叶绿素含量降低不高于40％的水稻材料为具有耐高光强适应性优势的水稻材料；

开花7天后剑叶叶质重的值在0.002-0.0026之间的水稻材料为具有耐低光强特性优势的水稻材料；

在水稻开花期晒田时晴天中午剑叶的最大光化学效率Fv/Fm的值0.8为阈值，大于0.8为耐旱的水稻材料为具有耐水分匮乏特性优势的水稻材料；

以开花后10天的10个单茎的茎伤流总量大于3.0g的水稻材料为具有耐高肥材料的特性优势的水稻材料；

以剑叶叶绿素含量在20天比7天的减少不高于10％的水稻材料为具有稻抗早衰的特性优势的水稻材料。

本发明的优点在于：本发明在本生态稻区内的水稻材料或杂交组合在当地自然生态环境下人工栽培管理，每个水稻材料或杂交组合在一个不少于30m²的水稻的实验地中，通过水稻的一个生育期，分别在不同时间选用不同的方法，就可以平行筛选和评定与本生态稻区密切相关的5种生态环境的适应性信息，既节约了时间，又节省了用地，而且还可以与水稻育种结合起来，减少了工作量，在水稻选育的初期就可以获得材料的广适性特征，从而提高了选种的精准性和育种效率。

具体实施方式

以下实施例仅针对江淮生态稻区(涵盖区域为江苏和安徽稻区)内，通过对48个籼型水稻材料杂交组合以及目前我国水稻生产上两个对照高产水稻品种采用本发明进行筛选，以求获得广适型水稻为例，不是对本发明的具体限制。

实施例1  水稻材料的种植

采用的48个籼型水稻材料杂交组合(水稻材料是未审定的水稻材料，种植的自编号为sz744-sz791连续编号)，将两个高产水稻品种两优培九和汕优63，均是中国推广面积最大且适应性好的杂交稻品种，作为对照材料，在2007年5月12日播种，2007年6月12日插秧，每个籼型水稻材料杂交组合和对照材料品种划区种植于江苏省农科院试验田中，每区30m²，区间设有每边分设3行保护行，在水稻的一个生育期内，同步进行正常水稻田间管理。

实施例2  水稻对高光强的适应性筛选

在水稻开花前5天内，每个籼型水稻材料杂交组合和对照材料品种随机取3张倒2叶的水稻叶片放到盛满自来水的白瓷盘中，用透明玻璃块压住，在室外晴天日照下处理5～7天，用叶圆片法测定处理前后的叶绿素含量，并辅以叶色的变化作为高光强适应性的筛选指标，叶色保持绿色为1级，叶尖变黄为2级，有1/3叶片变黄为3级，1/2叶片变黄为4级，整叶变黄为5级，其中1级和2级且叶绿素含量降低不高于40％为耐强光的水稻材料，鉴定结果见表1，从50个材料中筛选出12个具有高光强适应性优势的材料(1级和2级)，占筛选材料的24％。

表1.不同水稻材料对高光强适应性的筛选(2007)

备注：本表水稻材料的排序是按耐高光强的级别由1级到5级排列的。叶色保持绿色为1级，叶尖变黄为2级，有1/3叶片变黄为3级，1/2叶片变黄为4级，整叶变黄为5级，其中1级和2级且叶绿素含量降低不高于40％为耐强光的水稻材料，在表用“#”表示。

叶绿素含量的测定：取水稻叶片上10个叶圆片，每个叶圆片直径为0.5cm，放入10ml 96％的乙醇中在容量瓶中抽提，在暗中30℃抽提7天，然后在分光光度计上测定665和649nm的光吸收，从而测定叶片的叶绿素含量及叶绿素的降低＝(Ch1_处理前-Ch1_处理后)/Ch1_处理前*100％。

实施例3  水稻对低光强的适应性筛选

在水稻开花后第7天，在田间对每个籼型水稻材料杂交组合和对照材料品种随机取剑叶上、中和下不同部位打10个叶圆片(叶圆片直径为0.5厘米)，用锡箔纸包好，立刻放入105℃杀青15分钟，然后在80℃烘干至恒重，用天平称叶圆片的干重，然后用叶片的面积除干重，就可以计算出水稻剑叶的叶质重，见表2。并将在拔节期，每个水稻材料取6株分别栽入两个盆钵(d＝20cm，h＝40cm)中，用遮荫网进行遮荫21d(遮荫网可以遮去约20％的光线)，分别测定遮荫和自然光照条件下生长植株的干物质重，以遮阴条件下植株的干重占自然光条件下生长植株干重的百分数作为耐低光强特性的参照指标。判定耐低光强材料的判定标准是开花7天后剑叶叶质重的值在0.0020-0.0026之间的材料，并且需要满足遮阴条件单株干重占自然条件未遮荫处理下的百分比大于等于50％作为耐阴指标，有10个材料具有耐低光强特性优势，占整个筛选材料的20％。

表2  50个不同水稻组合耐低光强特性的筛选(2007)

备注：本表水稻材料的排序是按照遮阴条件植株干重占自然条件植株干重百分数由高到低排列的，其中遮阴/大田的百分比中含有“#”为耐低光强的水稻材料。

实施例4  水稻耐水分匮乏的筛选鉴定

最大光化学效率(Fv/Fm)是植物内在的生理指标，通常表现稳定，其值在0.8以上。但我们研究表明水稻的Fv/Fm在夏季晴天中会随光强和温度的改变而影响气孔的运动，尤其晴天中午由于的气孔关闭，Fv/Fm明显下降，这一现象与水稻遭遇水分匮乏的响应是一致的。因此，本实施例选取水稻开花期，结合田间常规水分管理-晒田，测定晴天中午叶片的叶绿素荧光参数—最大光化学效率(Fv/Fm)的变化，以Fv/Fm值0.8为阈值，大于0.8为耐水分匮乏品种，小于0.8为不耐水分匮乏品种，结合Fo的值，Fo越低，越耐水分匮乏，根据上述标准，确定20个具有耐水分匮乏优势的材料，占筛选材料的40％。以Fv/Fm值0.8为标准，大于0.8为耐水分匮乏材料，小于0.8为对水分匮乏敏感的材料，并结合Fo的值，Fo越低，越耐水分匮乏。

表3  50个不同水稻组合耐水分匮乏特性的筛选

备注：本表材料的排序是按照最大光化学效率Fv/Fm从高到低排列的，以Fv/Fm值0.8为标准，大于0.8为耐水分匮乏材料，表中用“#”表示。

叶绿素荧光参数—最大光化学效率(Fv/Fm)的测定：用FMS2荧光仪(Hansatech，UK)测定叶绿素荧光动力学参数。作用光1200μmol·m^-2·s^-1，饱和脉冲光4000μmol·m^-2·s^-1，闪光(0.9μmol·m^-2·s^-1)2s，间隔30s，每个材料3次重复。荧光动力学参数按下式计算：F_v/F_m＝(F_m-F₀)F_m，其中F₀为初始荧光强度，F_m为最大荧光强度，F_v为可变荧光强度。

实施例5  水稻耐高肥的筛选鉴定

氮素是植物生长必需的大量元素之一，是构成植物体的基本元素，在植物体的各个器官和组织中占有很高的比重，对植物的生长发育有重要的作用。在水稻开花后10天，在实验田，每个籼型水稻材料杂交组合和对照材料品种选取10个单株单主茎，用直尺测定离地面30cm的高度，用剪刀剪取30cm以上的植株部分，然后用脱脂棉花包裹住主茎伤口，并用塑料袋套牢，第二天按指定的时间取回脱脂棉花，称重，即获得测定其在当日下午16:00-次日上午8:00之间的茎伤流总量，测定结果见表4，并将开花后20天表示氮素利用的硝酸还原酶的活性作为对照，判定以10个单茎总茎伤流高于3.0的为耐高肥的材料，其中具有耐高肥材料特性优势的材料为27个，占整个筛选材料的54％，结合当时水稻材料倒伏的情况，和本发明的判定标准有很好的一致性。

表4  50个不同水稻组合耐高肥材料的筛选(2007)

备注：本表水稻材料的排序是按开花后10天10个茎伤流从高到低排序的，以10天的单茎总茎伤流高于3.0的为耐高肥的材料，用“#”表示，表中“*”表示田间水稻的倒伏材料。

实施例6  水稻抗早衰的筛选鉴定

根据开花后剑叶叶绿素含量的动态变化，其中14-20天是叶绿素下降的拐点(也就是叶绿素含量突然下降的折点，我们研究表明其中常规的粳稻或籼稻拐点在开花后14天，而杂交稻由于生育期长，有两次灌浆，因此其拐点在开花后20天左右，为了统一筛选，确定测定开花后20天)，用叶绿素仪分别测定开花后8天和20天连体剑叶的叶绿素含量，每个叶片分别取叶片的上、中和下部测定10个数据，取平均值。以剑叶叶绿素含量在20天比7天的衰减不高于10％的为抗早衰的水稻材料，在每个籼型水稻材料杂交组合和对照材料品种中，有25个材料被判定为具有抗早衰特性的材料，占筛选材料的50％。

表5  50个水稻组合抗早衰特性的筛选(2007)

备注：本表水稻材料是按照开花后20天比开花后8天叶绿素含量的下降的百分数从低到高排序的。以剑叶叶绿素含量在20天比7天的衰减不高于10％的为抗早衰的水稻材料，表中用“#”表示抗早衰的材料。

实施例7  江淮稻区广适型水稻的判定

将上述5个生理特性的筛选结果进行汇总，其中具有5个适应性优势的材料没有，具有4个特性优势的有2个，占筛选材料的4％，具有3个特性优势的有17个，占整个筛选材料的34％。结实率的稳定性是水稻“广适型”品种的本质特征，因此，本发明结合筛选材料后期的结实率做了进一步判定，其中对照材料汕优63就是生产上认为适应性很好的材料，具有3个特性优势，且结实率为90％以上，本实施例判定同时具有3个特性优势且结实率为90％％以上(包括90％)的材料，判定为该地区广适型水稻材料。本实施例从50个被筛选对象中筛选出广适型材料10个，占20％。

表6  水稻的不同适应性的汇总以及广适性特性的判定

备注：本表按选育材料的广适型高低排列，并用“#”标记的水稻材料为江淮稻区广适型水稻材料。

实施例8  筛选结果的验证

2008年，用本实施例7中2007年通过单年单点筛选广适型水稻的方法获得的10个广适性进行江淮稻区的实地验证，选了两个实验地，其中，将sz765、sz775、sz776、sz790和sz763等5个材料种植在安徽省农业科学院的实验地(安徽稻区)，以优良品种两优培九为区试对照品种；将sz759、sz755、sz751和sz744等4个材料种植到武进稻麦原种场(苏南稻区)，以优良品种汕优63为区试对照品种。分别测定它们的产量表现，试验结果列于表7，从表7中可见，本实施例筛选的材料在江淮不同的实验地种植，产量均高于区试对照品种，而且表现不倒伏，具有较好的广适应特性。

表7  对江淮稻区广适型水稻的验证

材料编号      实验地               结实率      产量(公斤/亩)

sz765         安徽省农业科学院     90.1％      670.3

sz775         安徽省农业科学院     88.9％      603.9

sz776         安徽省农业科学院     89.3％      638.5

sz790         安徽省农业科学院     89.9％      632.3

sz763         安徽省农业科学院     90.3％      656.1

两优培九      安徽省农业科学院     88.8％      602.5

sz759         武进稻麦原种场       93.7％      471.2

sz755         武进稻麦原种场       91.9％      467.9

sz751         武进稻麦原种场       92.1％      492.9

sz744         武进稻麦原种场       90.1％      469.9

汕优63        武进稻麦原种场       94.7％      467.1