楊志濤，李 媛，張少紅，楊梯豐，趙均良，董景芳，陳光輝，劉 斌，，

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128；2.華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術(shù)學院，湖北 武漢 430070；3.廣東省農(nóng)科院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510640）

377份多樣性國際稻種低溫發(fā)芽力評價

楊志濤1，李 媛2，張少紅3，楊梯豐3，趙均良3，董景芳3，陳光輝1，劉 斌1，2，3

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128；2.華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術(shù)學院，湖北 武漢 430070；3.廣東省農(nóng)科院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510640）

低溫發(fā)芽力差是華南雙季稻早季水稻直播的主要限制因素之一。在稻種資源中篩選鑒定強低溫發(fā)芽力的種質(zhì)，開展強低溫發(fā)芽力水稻育種是解決這一問題最經(jīng)濟有效的途徑。為了篩選強低溫發(fā)芽力的種質(zhì)，在13℃低溫下對377份來自56個國家和地區(qū)的多樣性水稻種質(zhì)的發(fā)芽力進行測試。結(jié)果表明，這些稻種低溫發(fā)芽率的變異范圍在0～98.0%之間，平均值為37.6%，變異系數(shù)為76.4%，表現(xiàn)出豐富的多樣性。鑒定出21份低溫發(fā)芽率超過90%的優(yōu)良種質(zhì)。比較秈稻、粳稻和Aus稻3種類型稻種的低溫發(fā)芽率結(jié)果顯示，秈稻組平均低溫發(fā)芽率為48.7%，粳稻組為33.6%，Aus稻組為22.9%，秈稻組低溫發(fā)芽率極顯著高于粳稻和Aus稻組，粳稻組低溫發(fā)芽率顯著高于Aus稻組。研究結(jié)果為水稻強低溫發(fā)芽力種質(zhì)的收集提供了科學依據(jù)，并為水稻低溫發(fā)芽力改良和分子遺傳研究挖掘了優(yōu)良材料。

水稻；低溫發(fā)芽力；種質(zhì)鑒定；直播

20世紀90年代后，我國的水稻生產(chǎn)發(fā)生了較大的變化。一方面，水稻生產(chǎn)目標從追求產(chǎn)量向降低成本、提高經(jīng)濟效益轉(zhuǎn)變；另一方面，隨著我國第二第三產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國農(nóng)村主要勞動力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力緊缺已成為水稻生產(chǎn)發(fā)展的主要約束因素。在這樣的背景下，水稻直播由于省時、省工和節(jié)約成本，深得農(nóng)民的歡迎，并迅速推廣。據(jù)全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心不完全統(tǒng)計，截至2015年，水稻直播面積在安徽省已達56.8萬hm2，湖北省為49.1萬hm2，江西省為43.3萬hm2，江蘇省為40.9萬hm2，浙江省為27.5萬hm2，而廣東省也從2011年的2.1萬hm2上升到10.5萬hm2（http：//www.natesc.org.cn）。盡管我國水稻直播近年來有較大發(fā)展，但是與國外很多國家相比，還有很大差距。以廣東為例，2015年廣東省水稻直播面積為10.5萬hm2，僅占全省水稻總種植面積的5%左右（廣東省現(xiàn)有水稻種植面積約為194.3萬hm2）。美國和澳大利亞水稻種植全部為機械直播，意大利直播超過了98%，而到1997年亞洲直播水稻面積占水稻總種植面積的21%～22%［1］。我國與其他國家的差距在于我們對水稻直播缺乏專門、系統(tǒng)的研究。與育秧移栽的栽培方式不同，由于所處生境條件的不同，適合直播的水稻品種需要有不同的特性。其中，廣東等華南雙季稻地區(qū)早稻播種往往會遇到低溫天氣，這就要求用于直播的水稻種子有較強的低溫發(fā)芽力。然而，現(xiàn)有的許多推廣品種低溫發(fā)芽力差，不適合直播。研究表明，水稻低溫發(fā)芽力是多基因控制的數(shù)量性狀［2-4］，應(yīng)用常規(guī)育種技術(shù)很難進行有效育種。因此，從廣泛的水稻資源中篩選鑒定強低溫發(fā)芽力的水稻種質(zhì)，在基因水平上深入了解這一性狀的分子遺傳基礎(chǔ)，強低溫發(fā)芽力的水稻育種才能取得突破。本研究對來自56個國家及地區(qū)、不同類型的377份多樣性國際稻種低溫發(fā)芽力進行系統(tǒng)評價，以篩選鑒定出低溫發(fā)芽力強的水稻種質(zhì)，為直播水稻品種的選育和低溫發(fā)芽力相關(guān)基因標記鑒定研究奠定材料基礎(chǔ)；并通過不同類型水稻種質(zhì)低溫發(fā)芽力的比較分析，為強低溫發(fā)芽力水稻種質(zhì)的收集和篩選鑒定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為從國際水稻研究所引進的、來源于56個國家及地區(qū)的377份多樣性國際稻種，于2015年晚造種植在廣州大豐試驗基地，常規(guī)肥水及病蟲防控管理。成熟后收獲種子，曬干，室溫放置3個月后在空調(diào)房干燥貯存。

1.2 試驗方法

為保證種子活力，選取收獲一年內(nèi)充實飽滿的種子。供試種子首先于49℃烘箱處理 96 h以打破休眠，經(jīng)3%次氯酸鈉溶液消毒后用于發(fā)芽試驗。

常溫發(fā)芽試驗：經(jīng)消毒的種子在適宜溫度（30℃）下萌發(fā)，以芽長＞ 5 mm 為標準，5 d后調(diào)查其適溫發(fā)芽率。

低溫發(fā)芽試驗：經(jīng)消毒的種子在適溫（30℃）下浸種24 h，然后放入墊有兩層濕潤濾紙的直徑為7 cm培養(yǎng)皿中，置于13℃的生長箱中進行低溫處理。每份稻種50粒種子，3次重復。以芽長＞ 1 mm 作為低溫萌發(fā)標準，處理后10 d調(diào)查種子低溫發(fā)芽率；然后升溫至30℃，5 d后再調(diào)查發(fā)芽率。

以低溫發(fā)芽率作為評價稻種低溫發(fā)芽力的指標。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用測試稻種的700K全基因組SNP數(shù)據(jù)［5］，根據(jù)稀有位點頻率（MAF）＞ 0.05，缺失數(shù)據(jù) ＜ 30%的標準，在全基因組范圍內(nèi)均勻選擇10%的SNP標記，利用MEGA 4.0軟件［6］對測試稻種進行聚類分析。

利用Excel對數(shù)據(jù)進行整理及計算。通過SAS程序包［7］的 Duncan多重比較分析不同類型稻種低溫發(fā)芽力差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 377份國際稻種的群體結(jié)構(gòu)

根據(jù)多樣性國際稻種的70萬個SNP標記基因型，從12條染色體中均勻選取7萬個SNP標記對377份稻種進行聚類分析，把測試稻種分成秈稻、Aus稻和粳稻3組。其中，秈稻組154份、Aus稻組76份、粳稻組147份（圖1）。

圖1 377份稻種的SNP標記聚類結(jié)果

2.2 377份國際稻種的種子活力

在適宜溫度（30℃）下，377份稻種平均發(fā)芽率為96.9%，變異系數(shù)為4.3%，其中，375份稻種在適宜溫度（30℃）下的發(fā)芽率均大于80%（圖2A），表明供試種子的休眠已被打破，發(fā)芽試驗不受休眠影響，且種子活力正常。另外，為了解這些水稻種子在低溫處理下是否出現(xiàn)二次休眠［8-9］，測試的377份稻種經(jīng)過13℃低溫處理10 d后，轉(zhuǎn)到30℃適宜溫度下繼續(xù)萌發(fā)，5 d后測定其發(fā)芽率。結(jié)果表明，377份稻種平均發(fā)芽率為96.2%，變異系數(shù)為3.9%，除3份材料，374份稻種發(fā)芽率均大于80%（圖2B），表明供試種子在低溫下沒有二次休眠。

2.3 377份國際稻種的低溫發(fā)芽力

圖2 377份稻種在適宜溫度下的發(fā)芽率

以低溫發(fā)芽率表示稻種的低溫發(fā)芽力。在測試的377份稻種中，低溫發(fā)芽率的變異范圍在0～98.0%之間，平均值為37.6%，變異系數(shù)為76.4%。其中80份（占21.2%）稻種的低溫發(fā)芽率低于10.0%，21份（占5.6%）稻種的低溫發(fā)芽率超過90.0%，測試稻種低溫發(fā)芽力表現(xiàn)出豐富的多樣性（圖3A）。

2.4 不同類型稻種間的低溫發(fā)芽力

通過對377份稻種7萬個SNP標記基因型進行聚類，并結(jié)合這些稻種原來的分類將其分成秈稻、Aus稻和粳稻3種類型（圖1），對不同類型稻種間的低溫發(fā)芽力進行比較分析。在秈稻組的154份稻種中，低溫發(fā)芽率的變異范圍在0～98.0%之間，平均為48.7%，變異系數(shù)為62.1%，其中49.4%的稻種低溫發(fā)芽率大于50.0%，總體分布相對較平均（圖3B）；而76份Aus稻中，低溫發(fā)芽率的變異范圍在0～95.2%之間，平均為22.9%，變異系數(shù)為103.6%，只有14.5%的稻種低溫發(fā)芽率超過50.0%，總體分布明顯偏向低的低溫發(fā)芽率（圖3C）；在147份粳稻中，低溫發(fā)芽率的變異范圍在0～93.3%之間，平均為33.6%，變異系數(shù)為74.0%，有21.2%的稻種低溫發(fā)芽率大于50.0%，總體分布也是偏向低的低溫發(fā)芽力（圖3D）。3種類型稻種平均低溫發(fā)芽力差異顯著性分析結(jié)果（表1）表明，秈稻極顯著高于粳稻和Aus稻，而粳稻顯著高于Aus稻。

圖3 測試稻種的低溫發(fā)芽率分布

表1 3種類型稻種間低溫發(fā)芽力的差異

2.5 優(yōu)異低溫發(fā)芽力水稻資源篩選

在測試的377份稻種中，有21份稻種低溫發(fā)芽率超過90.0%，表現(xiàn)出強的低溫發(fā)芽力，其中14份為秈稻，5份為粳稻，2份為Aus稻。在同一試驗觀察到廣東省部分推廣品種低溫發(fā)芽率低于20%（表2）。

3 討論

3.1 水稻低溫發(fā)芽力與稻種類型的關(guān)系

本研究對377份多樣性國際稻種的低溫發(fā)芽力研究結(jié)果表明，在稻種資源中，低溫發(fā)芽率有很大的變異。13℃低溫條件下，無論秈稻組、粳稻組或者Aus稻組，均有發(fā)芽率為零和發(fā)芽率超過90%的稻種。但從3組低溫發(fā)芽率的分布看，秈稻組中高的低溫發(fā)芽率稻種明顯多于粳稻組和Aus稻組，秈稻組種質(zhì)的平均低溫發(fā)芽率極顯著高于粳稻組和Aus稻組。在低溫發(fā)芽率超過90%的21份種質(zhì)中，14份為秈稻，占測試秈稻的9.1%，而粳稻只有5份，占測試粳稻的3.4%，Aus稻有2份，占測試Aus稻種質(zhì)的2.6%。說明發(fā)芽期秈稻的耐冷性較粳稻和Aus稻強。這一結(jié)果與金銘路等［10］觀察到的粳稻種質(zhì)的發(fā)芽期耐冷性強于秈稻種質(zhì)的結(jié)果不同。而在芽期和苗期耐冷性方面，較多的研究表明粳稻強于秈稻［10-15］。由于秈稻和粳稻種植的生態(tài)氣候條件差異，普遍認為粳稻的耐冷性較秈稻強，因此在以往水稻發(fā)芽期耐冷相關(guān)基因標記鑒定的研究中，基本上是用粳稻作為強耐冷親本發(fā)展作圖群體［2-4，9，16-19］。從本研究發(fā)現(xiàn)秈稻發(fā)芽期耐冷性強于粳稻和Aus稻這一事實表明，在秈稻種質(zhì)資源中篩選鑒定強低溫發(fā)芽力的種質(zhì)會有更大的機會。此外，由于秈稻資源中有更多發(fā)芽期耐冷的種質(zhì)，在秈稻發(fā)芽期耐冷性改良育種中，不需要通過秈粳雜交來提高秈稻發(fā)芽期的耐冷性，在秈稻資源中篩選鑒定出發(fā)芽期耐冷的秈稻種質(zhì)，通過秈稻亞種內(nèi)的雜交將會更容易。

表2 低溫發(fā)芽率超過90%的種質(zhì)及部分推廣品種的低溫發(fā)芽率

3.2 水稻低溫發(fā)芽力的遺傳改良

水稻育種史的每一次突破都有賴于特異優(yōu)良材料的利用和技術(shù)的突破。在水稻耐冷性資源鑒定方面，利用不同類型、不同來源的種質(zhì)資源已篩選鑒定出一批芽期、苗期和抽穗開花期強耐冷的種質(zhì)［10，13］。本研究通過對377份多樣性稻種資源發(fā)芽期的低溫發(fā)芽力的系統(tǒng)評價，篩選鑒定出21份低溫發(fā)芽率超過90%的水稻種質(zhì)，為水稻低溫發(fā)芽力遺傳改良和基礎(chǔ)研究奠定了很好的材料基礎(chǔ)。特別是本研究鑒定出14份強低溫發(fā)芽力的秈稻種質(zhì)，對華南秈稻區(qū)發(fā)芽期耐冷性育種和水稻直播的推廣有重要的意義。從我們對廣東的部分推廣品種低溫發(fā)芽率的檢測結(jié)果看，現(xiàn)有的很多水稻推廣品種低溫發(fā)芽力弱。其主要原因，一方面可能與育種親本的低溫發(fā)芽力不強有關(guān)；另一方面，低溫發(fā)芽力是一個多基因控制的復雜性狀，由于常規(guī)遺傳育種方法無法準確了解這一性狀的遺傳基礎(chǔ)，從而很難進行有效育種。分子標記技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來測序技術(shù)的高速發(fā)展為水稻低溫發(fā)芽力的遺傳解析提供了強大工具。通過分子標記技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)分析等方法將可以精確標記鑒定出水稻低溫發(fā)芽力相關(guān)基因；通過分子標記輔助選擇和常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，將可以高效準確地選育出低溫發(fā)芽力強的水稻優(yōu)良品種，解決目前栽培稻低溫發(fā)芽力低的問題，從而推動水稻直播的發(fā)展。

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（責任編輯 楊賢智）

Evaluation of low temperature germinability of 377 national rice accessions

YANG Zhi-tao1，LI Yuan2，ZHANG Shao-hong3，YANG Ti-feng3，ZHAO Jun-liang3，DONG Jing-fang3，CHEN Guang-hui1，LIU Bin1，2，3
（1. College of Agronomy， Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2. College of Plant Science and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China；3. Guangdong Key Laboratory of New Technology in Rice Breeding/Rice Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences，Guangzhou 510640，China）

The poorer low temperature germinability（LTG）of rice cultivars in the early cropping-season is one of the main factors limiting direct seeding in the double cropping regions in South China. Screening rice germplasm with strong LTG and breeding rice variety with strong LTG is the most economical and effective way to solve this issue. To identify rice germplasm with strong LTG，377 rice accessions from 56 countries and regions were subjected to 13℃ and their germination rates at low temperature were evaluated. The results showed that LTG of these rice accessions varied from 0 to 98.0% and the average germination rate was 37.6% with 76.4% of variation coefficient. 21 accessions had a LTG over 90%. Significant differences in LTG were observed among the three types of rice，indica，Aus and japonica. The average LTG of indica was highly significantly higher than that of japonica and Aus （P＜0.01），respectively，and the average LTG of japonica was significantly higher than that of Aus （P＜0.05）. The results provide a good basis for screening of rice germplasm with strong low temperature germinabilityand the 21 rice accessions with LTG over 90% could be good materials for breeding and gene discovery associated with strong low temperature germinability in rice.

rice；low temperature germinabitity；germplasm identification；direct seeding

S511.01

A

1004-874X（2017）04-0001-06

楊志濤，李媛，張少紅，等. 377份多樣性國際稻種低溫發(fā)芽力評價［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學，2017，44（4）：1-6.

2017-02-16

廣東省科技計劃項目（2015B020201001）；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)盟建設(shè)共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新團隊項目（2016LM2148）

楊志濤（1989-），女，在讀碩士生，E-mail：2858526692@qq.com

劉斌（1962-），男，博士，研究員，E-mail：lbgz1009@163.com