梁天鋒 王強 陳雷 張曉麗 呂榮華 陶偉 唐茂艷

摘要：【目的】研究水稻受高溫危害時時積溫與其穎花相對結(jié)實率的關(guān)系，探討水稻耐熱性鑒定方法，為指導(dǎo)水稻耐熱新品種鑒定選育提供參考?！痉椒ā恳猿壍竟饍蓛?yōu)2號、優(yōu)質(zhì)雜交稻良豐優(yōu)339和耐熱品種N22為材料，利用人工氣候室進行控溫盆栽，設(shè)置不同溫度脅迫水平（35和38 ℃）及脅迫持續(xù)時間（2、4、6、8和10 d），產(chǎn)生不同的危害時積溫，采用實時抽出穗標(biāo)記法測定高溫脅迫處理下的穎花結(jié)實率，以自然條件生長植株的結(jié)實率為對照，測定穎花相對結(jié)實率?！窘Y(jié)果】隨高溫脅迫的加重，各水稻品種的穎花結(jié)實率均逐漸降低；采用32 ℃為危害溫度閾值，時積溫與相對結(jié)實率間呈負指數(shù)關(guān)系（Y=116.7e-0.01x，r2=0.84*，P<0.05），以相對結(jié)實率為50%測算的時積溫約85 ℃·h，其對應(yīng)的溫度脅迫處理為35 ℃連續(xù)處理5 d或38 ℃連續(xù)處理3 d，此時的實際時積溫為90 ℃·h?！窘Y(jié)論】利用人工氣候室進行水稻開花期高溫處理，在自然光照、相對濕度80%條件下，38 ℃高溫連續(xù)處理3 d，每天9：30～15：30溫度恒定連續(xù)處理6 h，達到危害時積溫90 ℃·h，以自然條件下生長植株的結(jié)實率為對照，計算其相對結(jié)實率。該指標(biāo)可科學(xué)有效地鑒定區(qū)分水稻品種間的耐熱性差異。

關(guān)鍵詞： 水稻；耐熱性；時積溫；鑒定

中圖分類號： S511.01 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）04-0537-05

0 引言

【研究意義】隨著全球氣候變暖，局部地區(qū)短期極端高溫天氣的發(fā)生頻率將會逐步增加。近年來，我國水稻主產(chǎn)區(qū)湖北、湖南、安徽、江西、四川、重慶、江蘇及浙江等地高溫天氣頻發(fā)，因高溫?zé)岷υ斐伤窘Y(jié)實率嚴(yán)重下降，導(dǎo)致水稻大面積減產(chǎn)的情況時有發(fā)生，對我國糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅（陳仁天等，2012）。高溫災(zāi)害導(dǎo)致水稻減產(chǎn)已成為水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因素之一（朱德峰等，2010），但生產(chǎn)上應(yīng)用的水稻品種繁多，且對高溫反應(yīng)存在基因型間的差異（胡聲博等，2012），因此，選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐熱品種材料是應(yīng)對水稻花期高溫?zé)岷ψ钪匾膶Σ?，明確水稻耐熱性的科學(xué)鑒定方法，對水稻耐熱育種及保障糧食安全生產(chǎn)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】抽穗開花期是水稻對高溫最敏感的時期，日最高溫度35 ℃為水稻熱害的臨界溫度（Satake and Yoshida，1978）。溫度與水稻穎花不實率呈二次曲線關(guān)系，最適宜溫度為30～31 ℃，35 ℃持續(xù)4 h小穗穎花結(jié)實性則明顯下降（任昌福和張洪松，1984）。水稻植株的溫度一般比環(huán)境氣溫低，在空氣溫度為35 ℃、相對濕度為60%～75%時，穎花組織溫度的測定值約33.7 ℃；而空氣溫度為38 ℃時，穎花組織的溫度約36.2 ℃（Jagadish et al.，2007）。水稻耐熱性鑒定設(shè)置的溫度閾值及高溫脅迫持續(xù)時間在前人研究中存在差異。Matsui等（2001）研究認為，日恒溫37.5 ℃處理可較好地區(qū)分水稻品種材料耐熱性的差異。陳慶全和萬丙良（2009）利用人工氣候室模擬自然條件的高溫環(huán)境進行水稻耐熱性鑒定方法研究，設(shè)置30～37 ℃的日變溫，33.5 ℃日均溫，結(jié)果表明，該方法重復(fù)性好，耐熱性鑒定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。符冠富等（2011）、楊永杰等（2012）研究表明，在水稻主莖見穗當(dāng)天進行高溫脅迫處理，9：00～15：00溫度控制在39～43 ℃，相對濕度控制在70%左右，以自然光照連續(xù)處理15 d可作為水稻耐熱性測評過程。肖本澤等（2011）還研究了水稻分蘗田間耐熱性鑒定法，該法最大限度地利用了特定區(qū)域的自然高溫環(huán)境，采用品種見穗開始的4日均溫的平均值作為相應(yīng)分蘗的花期均溫，花期均溫最高時的分蘗結(jié)實率作為高溫脅迫條件下的結(jié)實率，可以區(qū)分不同水稻品種材料的耐熱性差異，而品種的分蘗結(jié)實率與花期均溫存在極顯著負相關(guān)。除高溫?zé)岷﹂撝低猓{迫持續(xù)時間也是熱害脅迫的重要因子，己有研究認為危害積溫（時積溫）是作物高溫引起熱害和低溫引起冷害的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害溫度指標(biāo)（程德瑜，1988），且時積溫與水稻穎花結(jié)實率間呈顯著負相關(guān)（Jagadish et al.，2007）?！颈狙芯壳腥朦c】以往研究采用的熱害溫度閾值及脅迫持續(xù)時間不盡相同，且未考慮二者的協(xié)同效應(yīng)及水稻開花習(xí)性等因素，從而使水稻品種材料間的耐熱性鑒定結(jié)果偏差較大。為篩選出對高溫?zé)岷δ托圆煌乃酒贩N材料，建立科學(xué)的耐熱性鑒定方法是準(zhǔn)確評價及利用耐熱稻種質(zhì)資源的關(guān)鍵。目前，基于時積溫的水稻耐熱性鑒定方法研究未見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用盆栽法利用人工氣候室在水稻花期進行不同溫度脅迫及持續(xù)時間處理，并采用實時抽出穗標(biāo)記法，對不同水稻品種材料進行耐熱結(jié)實性鑒定，研究時積溫與穎花結(jié)實率間的關(guān)系，以確定科學(xué)有效的水稻耐熱性鑒定方法，明確水稻耐熱性鑒定關(guān)鍵技術(shù)，為指導(dǎo)水稻耐熱新品種鑒定選育提供參考。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試水稻材料3個：超級稻品種兩系秈型雜交稻桂兩優(yōu)2號和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)三系秈型雜交稻良豐優(yōu)339由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供；國際公認的耐熱品種秈型常規(guī)稻N22由國際水稻研究所提供。

1. 2 試驗方法

試驗于2013年3～7月在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所（東經(jīng)108°14′，北緯22°51′）進行。采用盆栽法，塑料盆內(nèi)徑20 cm、高20 cm。土壤采自廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院院本部試驗基地水稻田，有機質(zhì)含量27.2 g/kg，全氮含量2.1 g/kg，堿解氮含量85.0 mg/kg，速效磷含量30.0 mg/kg，速效鉀含量73.0 mg/kg。土壤經(jīng)曬干粉碎過1 cm×1 cm規(guī)格的鋼絲網(wǎng)篩后裝盆，每盆用量6 kg。每盆施尿素10 g（以5∶3∶2比例分別作基肥、分蘗肥和穗肥3次施入）、過磷酸鈣5 g（作基肥一次性施入）和氯化鉀10 g（以5∶5比例作基肥和分蘗肥兩次施入）。各品種分別種植40盆。

1. 2. 1 材料種植 浸種48 h后，置于30 ℃恒溫箱內(nèi)催芽，秧田水育秧，于3葉1心期選擇壯苗移栽，每盆3穴，每穴4苗。全生育期優(yōu)化管理，保持淺水層，嚴(yán)格防控病蟲草害。

1. 2. 2 高溫處理 利用人工氣候室進行高溫處理，自然光照，采用遠紅外熱風(fēng)機（額定功率2000 W）和自動控溫系統(tǒng)設(shè)施調(diào)節(jié)室溫。設(shè)35和38 ℃兩個高溫處理，相對濕度約80%，每天9：30～15：30溫度穩(wěn)定連續(xù)處理6 h，其余時間段室內(nèi)與室外溫濕度保持一致。溫度與相對濕度采用微型溫濕度自動記錄儀（HOBO Pro Temp/RH IS logger）進行監(jiān)測，同時在人工氣候室四周懸掛水銀溫度計同步測定環(huán)境溫度，懸掛高度與穗層同高。設(shè)室外自然條件為常溫對照，監(jiān)測得知自然對照開花時段溫度為25～32 ℃。

材料種植至抽穗揚花期，于穗頂與劍葉葉耳相齊時，掛牌標(biāo)記主分蘗穗（或強勢穗）；自始花起，移入人工氣候室，35和38 ℃高溫各持續(xù)處理2、4、6、8和10 d，共10個處理，以室外自然條件下種植的植株作為對照。各處理重復(fù)3次，然后放置于自然條件下種植至乳熟期。

1. 3 測定項目及方法

乳熟期從各處理樣品中選取始花時即處于高溫脅迫的揚花穗為代表性稻穗進行掛牌標(biāo)記，各標(biāo)記15穗。對掛牌標(biāo)記稻穗進行考種，分別計數(shù)飽粒、秕粒、空粒數(shù)，對于難辨別的空秕粒，用鑷子分開穎殼，有胚發(fā)育即視為受精的秕粒，否則視為未受精的空粒，并計算穎花結(jié)實率、相對結(jié)實率和高溫危害時積溫。

穎花結(jié)實率（%）=（飽粒數(shù)+秕粒數(shù)）/（空粒數(shù)+飽粒數(shù)+秕粒數(shù)）×100

相對結(jié)實率（%）=處理結(jié)實率/對照結(jié)實率×100

式中，K為高溫危害時積溫，To為高溫危害的臨界溫度，Ti為危害過程的逐時溫度，n為持續(xù)天數(shù)，Δt為持續(xù)時間（程德瑜，1988）。

1. 4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理與制圖，利用SAS 8.1軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同溫度脅迫條件下各水稻品種的穎花結(jié)實率

由圖1可看出，隨高溫脅迫程度的加重及脅迫時間的延長，各品種水稻穎花結(jié)實率均逐漸降低，且各品種對高溫及脅迫持續(xù)的反應(yīng)特征存在一定差異。整體來看，高溫脅迫下超級稻品種桂兩優(yōu)2號的穎花結(jié)實率高于優(yōu)質(zhì)稻品種良豐優(yōu)339，耐熱性相對較強，且其自然條件下的結(jié)實性也較好，穎花結(jié)實率在80.0%左右，良豐優(yōu)339則在75.0%左右，耐熱性品種N22在自然條件下結(jié)實率最高，超過90.0%，但在高溫脅迫下其結(jié)實率大幅下降。良豐優(yōu)339表現(xiàn)出對短期高溫脅迫不敏感，穎花結(jié)實率與對照無明顯差異，但隨高溫脅迫時間的延長，穎花結(jié)實率則急劇下降。N22與良豐優(yōu)339表現(xiàn)相反，穎花結(jié)實率在短期高溫脅迫時下降較快，隨高溫脅迫的持續(xù)則緩慢下降。桂兩優(yōu)2號表現(xiàn)出對高溫及持續(xù)脅迫均較耐受的特征，38 ℃處理下第2～4 d穎花結(jié)實率降幅最大，由57.6%降至12.5%； 35 ℃處理下第6～8 d降幅最大，由48.2%降至30.3%。各水稻品種的穎花結(jié)實率均隨高溫脅迫的持續(xù)逐步下降，35 ℃脅迫處理下，桂兩優(yōu)2號和良豐優(yōu)339在處理后8～10 d 、N22在處理后6～10 d穎花結(jié)實率下降較慢，變化不明顯；38 ℃脅迫處理下，各水稻品種均在處理后6 d穎花結(jié)實率趨于穩(wěn)定。

2. 2 時積溫與不同水稻品種穎花相對結(jié)實率的關(guān)系

適宜水稻開花授粉的溫度為24～32 ℃（Jagadish et al.，2007）。由圖2可看出，試驗進行期間自然條件下的溫度變化與往年相似，日最高溫較少超過35 ℃，日最低溫一般高于22 ℃，日平均溫在28 ℃左右。采用32 ℃為危害溫度閾值（程德瑜，1988），計算不同溫度脅迫處理條件下的時積溫，并探討時積溫與水稻穎花相對結(jié)實率的關(guān)系。由圖3可知，不同水稻品種的穎花相對結(jié)實率在兩種溫度脅迫條件下均隨時積溫的增加而下降。綜合品種與不同溫度處理，時積溫與相對結(jié)實率間呈負指數(shù)關(guān)系，公式為Y=116.7e-0.01x（r2=0.84*，P<0.05），以相對結(jié)實率50%進行計算，時積溫約85 ℃·h。當(dāng)時積溫為85 ℃·h時，以試驗設(shè)置的溫度處理每天6 h計算，可知對應(yīng)38和35 ℃溫度處理的時間分別為3和5 d，而此時的實際時積溫為90 ℃·h，略高于理論計算值。對水稻品種進行耐熱性鑒定時，采用時積溫為90 ℃·h，各品種的相對結(jié)實率在50%左右，桂兩優(yōu)2號實際結(jié)實率在60%左右，良豐優(yōu)339實際結(jié)實率在40%左右，脅迫程度適中，適合區(qū)分品種間的差異。

3 討論

科學(xué)有效的水稻耐熱性鑒定方法是水稻耐熱新品種鑒定選育的關(guān)鍵，前人對水稻耐熱性的研究主要集中在熱害溫度閾值和脅迫持續(xù)時間兩方面（Matsui et al.，2001；符冠富等，2011；楊永杰等，2012），而對于兩者互作，即時積溫與穎花結(jié)實率間關(guān)系的探討較少。本研究結(jié)果表明，時積溫與水稻穎花相對結(jié)實率呈負指數(shù)關(guān)系，經(jīng)公式推導(dǎo)，采用時積溫為90 ℃·h，即每天9：30～15：30溫度恒定連續(xù)處理6 h，相對濕度約80%，35 ℃連續(xù)處理5 d，38 ℃連續(xù)處理3 d，水稻品種相對結(jié)實率降低至50%左右，脅迫程度適中，適合于區(qū)分品種間的耐熱性差異。其中38 ℃連續(xù)處理3 d的方式，與胡聲博等（2012）在區(qū)分不同雜交稻的耐熱性研究中的高溫脅迫處理方式相似，只是其采用的是人工智能適時變溫處理，理論上更接近自然條件，本研究采用的是恒定高溫脅迫，更簡單易行。實際上依據(jù)時積溫與水稻穎花相對結(jié)實率間的關(guān)系可知，時積溫是高溫脅迫的實質(zhì)，時積溫達到一定值，即危害時積溫達到一定程度即可區(qū)分品種耐熱性的差異，不一定需要適時動態(tài)的變溫模擬?；跁r積溫90 ℃·h，本研究采用35 ℃連續(xù)處理5 d或38 ℃連續(xù)處理3 d均可達到該效果，但實際生產(chǎn)中水稻通常當(dāng)天抽穗當(dāng)天開花，花期持續(xù)約4 d（肖本澤等，2011）；高溫脅迫逆境條件下，單穗穎花花期會提前，在開花當(dāng)天穎花開花提早（Jagadish et al.，2007），因而，采用38 ℃連續(xù)處理3 d比35 ℃連續(xù)處理5 d的高溫脅迫模式更趨于吻合水稻開花習(xí)性，且前人已有研究也選擇38 ℃作為高溫脅迫的溫度（Bahuguna et al.，2015）。

水稻耐熱性鑒定的關(guān)鍵點之一是需使水稻花期與高溫時期盡量重合，避免未經(jīng)高溫脅迫處理的穎花影響鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常的做法是單株保留最大的3～5個分蘗（陳慶全和萬丙良，2009；胡聲博等，2012），在開花期進行處理，搬入人工氣候室時剪掉己開放的穎花，量取處理期間開花的穗長度，對處理期間開放的穎花進行考種（胡聲博等，2012）。這種去蘗剪穎花的做法保證了穎花開花期與高溫脅迫處理時期的吻合，但同時也存在一些弊端，一方面是可選擇的蘗穗較少，對植株的傷害較大；另一方面是剪花與量取處理過程中開花穗長度的操作復(fù)雜、難度較高，且存在偏差，可考查的穎花樣本量極大降低，同樣影響鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性。而采用實時抽出穗標(biāo)記法，并不需要去蘗剪穎花，在田間自然條件下也可區(qū)分品種耐熱性的差異（肖本澤等，2011）。利用人工氣候室進行高溫處理，能更有效地批量進行不同水稻品種的耐熱性鑒定（符冠富等，2011；楊永杰等，2012）。本研究中，采用一盆多穴、1穴4苗、增加基本苗的方式，使單個品種的分蘗成穗基本一致，花期相近，處理時更利于采用實時抽出穗標(biāo)記法。高溫脅迫時間太短，選擇壓力較小，田相對結(jié)實性均處在較高的水平而難以區(qū)分品種的耐熱性差異；高溫處理脅迫時間太長，選擇壓力過大，則相對結(jié)實性均處在較低的水平同樣難以區(qū)分品種的耐熱性差異?；跁r積溫90 ℃·h進行測算，只需38 ℃連續(xù)處理3 d，此時品種相對結(jié)實率處在50%左右，可方便區(qū)分品種間耐熱性的差異。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，利用人工氣候室進行水稻開花期高溫處理，在自然光照、相對濕度約80%的條件下，38 ℃高溫連續(xù)處理3 d，每天9：30～15：30連續(xù)處理6 h，達到危害時積溫為90 ℃·h，以自然條件生長植株的結(jié)實率為對照，計算其穎花相對結(jié)實率。該指標(biāo)可科學(xué)有效地鑒定區(qū)分水稻品種材料間耐熱性的差異。

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（責(zé)任編輯 王 暉）