劉國蘭,陳之豪?,張 珍,王加紅,余新橋,羅利軍??

(1上海市農業(yè)生物基因中心,上海 201106;2上海市浦東新區(qū)農業(yè)技術推廣中心,上海 201201)

我國現有內陸鹽堿地面積近1億hm2,灘涂面積234萬hm2。鹽堿地是我國不可多得的后備耕地資源,開發(fā)利用好沿海灘涂以及內陸的鹽堿地資源是保障耕地面積的有效途徑[1]。同時,由于受氣候變化、不合理的施肥和灌溉以及工業(yè)污染等因素的影響,全球有近30%的耕地會進一步鹽漬化[2],日益嚴重的土壤鹽漬問題已成為水稻生產的嚴重障礙[3]。中國是水稻大國,是世界上最大的稻米生產國和消費國[4],通過引用淡水沖洗和深水壓鹽,實現了在部分鹽堿地進行水稻生產,但一旦干旱發(fā)生、鹽堿地缺水時,鹽分就會上升至地表,水稻植株同時受到鹽漬和干旱的雙重影響,導致大幅減產甚至絕收。

節(jié)水抗旱稻是指既具有水稻高產優(yōu)質特性,又具有旱稻節(jié)水抗旱特性的一種新的栽培稻類型,其抗旱性包括避旱性和耐旱性[5]。耐旱性與耐鹽堿之間存在著明顯的生理和遺傳重疊,將耐鹽堿基因與抗旱基因聚合,培育耐鹽堿節(jié)水抗旱稻新品種并推廣應用,是擴大水稻種植面積,實現糧食增產,保障我國糧食安全的有效途徑。本研究以耐鹽堿資源‘海稻86’為主要耐鹽堿供體親本,采用常規(guī)雜交和基于顯性核不育系為媒介的輪回選擇技術,將耐鹽堿特性導入到節(jié)水抗旱稻親本中,實現耐鹽堿基因與抗旱基因重組,創(chuàng)制耐鹽堿的節(jié)水抗旱新種質。

1 材料與方法

1.1 材料

供體親本:優(yōu)異耐鹽種質‘海稻86’。受體親本:‘滬旱3號’、‘滬旱19’、‘早玉香粳’、‘WDR48’、WDR56、WDR61等不同類型節(jié)水抗旱稻,‘佳輻占’顯性核不育系[6],江西東鄉(xiāng)野生稻資源等。

1.2 方法

1.2.1 雜交改良

2014年冬季,在海南利用耐鹽種質‘海稻86’分別與‘滬旱3號’、‘早玉香粳’、‘滬旱19’等不同類型節(jié)水抗旱稻進行雜交,接著兩次回交,得到BC2F1進行混合種植,繼續(xù)在上海和海南收取自交種子,在BC2F3開始分別在崇明東灘濕地、海南陵水及奉賢海灣鹽脅迫下(沿海灘涂地)種植,通過系統(tǒng)選育獲得BC2F5株系(圖1)[7],對穩(wěn)定的優(yōu)良株系繁種并進行試種示范。

1.2.2 利用顯性核不育系為介質,構建抗旱耐鹽堿混合群體

首先,以‘佳輻占’顯性核不育系與節(jié)水抗旱稻親本(如恢復系旱恢3號、‘滬旱15號’、‘早玉香粳’等)雜交和連續(xù)回交,獲得節(jié)水抗旱顯性核不育系;其次,以節(jié)水抗旱核不育系為媒介,與‘海稻86’、東鄉(xiāng)野生稻資源群體進行雜交,獲得的65份F1米樣,構成輪回選擇基礎群體。將米樣混合于2015年在上海播種,在開花前,將表現特別差的單株割掉,開花時進行人工趕粉。因為顯性核不育是由顯性單基因控制,因此后代群體中會出現不育株與可育株1∶1的分離,成熟期混收不育株上的種子,同時,根據群體中單株表現,選擇優(yōu)異可育株上的種子進行穗選,穗選材料混合播種進行加代。2015年在海南混收不育株上的種子繼續(xù)進行混種混收,同時在混合群體中對可育株進行單穗選擇,以此類推。2017年,將已輪回2次的群體和優(yōu)選單株種子直播于崇明東灘濕地,利用潮汐進行耐鹽堿性篩選(圖2)。因鹽脅迫本身也易導致植株結實差,難以區(qū)分不育株和鹽害導致的不育,選擇時只優(yōu)選了可育單株。2018年春季和夏季分別在海南陵水和上海奉賢海灣進行篩選加代(圖3)。

圖2 耐鹽堿材料崇明東灘濕地篩選Fig.2 Screening of saline-alkaline tolerance materials in Chongming Dongtan wetland

圖3 利用顯性核不育改良節(jié)水抗旱稻材料Fig.3 Improvement of water-saving and drought-resistance rice materials by dominant genic male sterility

1.3 耐鹽篩選評價方法

1.3.1 芽期耐鹽篩選

2018年在上海進行芽期耐鹽篩選,每份材料隨機挑選飽滿的種子,置于50℃烘箱中高溫處理48 h破體眠,每份選30粒種子,均勻置于墊濾紙直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中,6份節(jié)水抗旱稻親本和‘海稻86’分別加入0(CK)、100 mmol∕L、150 mmol∕L、200 mmol∕L等4個不同濃度的NaCl溶液中進行浸種處理,創(chuàng)制的新種質則以0(CK)和200 mmol∕L NaCl溶液中進行浸種處理,每個處理設2次重復,放入30℃人工氣候箱中發(fā)芽,每日更換相應的鹽溶液以保證穩(wěn)定的NaCl濃度。每日統(tǒng)計各培養(yǎng)皿中的發(fā)芽個數,至末次計數日結束,發(fā)芽以芽長達種子長度的一半、根長達種子長度為準,脅迫4 d調查發(fā)芽勢,脅迫7 d后調查種子發(fā)芽率,并計算不同鹽濃度處理下的相對鹽害率、植株存活率和鹽脅迫指數,并進行級別劃分(表1)。

表1 耐鹽評價分級標準Table1 Grading standard of salt tolerance

1.3.2 苗期耐鹽性篩選

對節(jié)水抗旱稻改良品系和節(jié)水抗旱稻親本進行苗期耐鹽處理,周轉箱裝土進行條播,每條穴播30粒,保持濕潤,待苗長至1葉1心時,配制水培營養(yǎng)液[8]。苗長至2葉1心時,用含0.6%NaCl的水稻營養(yǎng)液進行鹽脅迫處理。每3 d更換一次含鹽的營養(yǎng)液,在鹽脅迫處理21 d后,統(tǒng)計鹽脅迫處理前總苗數及處理后存活苗數,以存活率作為指標,以20%的級差分為5個級別進行水稻種質苗期耐鹽性鑒定評價。

1.3.3 全生育期耐鹽篩選

2019年進行全生育期耐鹽篩選,設置鹽脅迫和對照共2個處理。(1)鹽脅迫處理:所有材料在正常田塊育苗,移栽于上海海灣鹽堿基地,每個材料種20行,每行種6穴,行株距24 cm×20 cm,單本移栽,隨機排列,移栽10 d內采用淡水灌溉,保證秧苗正常返青,之后灌溉采用海水與淡水混合調配的鹽水(鹽含量為0.5%左右)進行全生育期灌溉脅迫,如處理期間遇下雨,雨停后及時排干水,重新灌溉淹水脅迫。(2)對照:所有材料正常田塊育苗,移栽種植于奉賢莊行基地,每個材料種20行,每行種6穴,行株距24 cm×20 cm,單本移栽,隨機排列,正常栽培管理。對在鹽脅迫條件下表現較好的株系及其相對應的在正常條件下種植的株系進行農藝性狀測定,每個材料挑選5株典型單株進行測量,考察株高、有效穗數、穗長、結實率、單株產量、百粒重等性狀。以鹽脅迫響應最敏感性狀的鹽脅迫指數作為全生育期水稻對耐鹽性評價指標。鹽脅迫指數=(對照條件性狀值-鹽脅迫條件性狀值)∕對照條件性狀值×100。

1.4 鹽堿地試種

2021年在山東濰坊昌邑市西北部的豐瑞農場,靠渤海灣邊,進行耐鹽材料的試種,試種材料為NYS5、NYS11和NYS15這3個編號品系,對照為‘鹽豐47’。采用旱直播旱管方式,每個品種(系)種植800 m2,同一田塊分塊種植。

2021年分別在江蘇南通和江蘇鹽城射陽縣進行耐鹽堿示范,每個點試驗品系和對照均種植3 333.3 m2,試驗材料為NYS83,對照為‘鹽稻12’,采用育苗后插秧移栽方式,田間管理參照國家耐鹽堿水稻黃淮粳稻組區(qū)域試驗進行。

2 結果與分析

2.1 親本和創(chuàng)制種質的芽期耐鹽性評價

對‘海稻86’及節(jié)水抗旱稻親本進行芽期耐鹽性鑒定,以200 mmol∕L NaCl鹽濃度下的相對鹽害率作為耐鹽評價指標進行分級。由表2可知,‘海稻86’芽期鹽害評價為1級,而WDR56鹽害評價為2級,‘WDR48’、‘早玉香粳’鹽害評價為3級,‘滬旱3號’、‘滬旱19’、‘WDR48’鹽害評價為4級。

表2 不同鹽濃度下‘海稻86’和節(jié)水抗旱稻親本的發(fā)芽率、鹽害率的差異Table 2 Variation of germination rate and relative salt damage rate under different salinity with‘Haidao 86’and water-saving and drought-resistance rice %

對150份創(chuàng)新種質的品系以200 mmol∕L NaCl進行芽期耐鹽性鑒定,鹽害級別為1級、2級、3級、4級和5級的品系份數分別為16、27、45、39和23,分別占總品系數的10.7%、18.0%、30.0%、26.0%和15.3%(圖4)。相對鹽害率變幅為0—100%,鹽害級別為1級的16份材料其耐鹽性明顯高于節(jié)水抗旱稻親本。其中有2份材料的相對鹽害率分別為3.3%和0,耐鹽性較‘海稻86’更好,大田表現生育期事宜,株高110 cm,單株有效穗12個,株葉型適中,莖稈粗壯抗倒,后期轉色好、產量高。

圖4 創(chuàng)新種質品系芽期耐鹽級別分布Fig.4 Level distribution of salt tolerance for innovative germplasm lines at germinating stage

2.2 苗期耐鹽性鑒定

2019年在海南對150個節(jié)水抗旱稻改良品系和親本進行苗期鹽脅迫處理,以存活率作為苗期鹽害評價指標進行分級(圖5)。‘海稻86’苗期存活率為84.67%,鹽害評價為1級?！疁?號’、WDR56存活率分別為57.67%、41.37%,鹽害評價為3級?！疁?9’、‘WDR48’、WDR61、‘早玉香粳’存活率分別30.13%、35.44%、29.83%、32.41%,鹽害評價為4級。改良品系中1級鹽害10份,2級鹽害17份,3級鹽害41份,4級鹽害26份,5級鹽害56份。其中有4份品系苗期存活率在85%以上,高于親本‘海稻86’。節(jié)水抗旱稻親本苗期未出現鹽害級別為1級和2級的材料,通過改良獲得了節(jié)水抗旱稻苗期耐鹽性提高甚至高于耐鹽品種‘海稻86’的品系。

圖5 改良品系苗期鹽脅迫篩選Fig.5 Screening of improved lines under salt stress at seedling stage

2.3 全生育期耐鹽性鑒定

全生育期在鹽含量0.5%左右的海水脅迫下,改良品系及親本均出現不同程度的鹽害癥狀,材料間差異明顯。以單株產量脅迫指數來看,‘海稻86’單株產量脅迫指數為18.80。‘滬旱3號’、WDR61單株產量脅迫指數為42.60、58.18,鹽害評價為3級。‘滬旱19’、‘WDR48’、WDR56、‘早玉香粳’單株產量脅迫指數分別為70.10、68.33、73.74、64.69,鹽害評價為4級。

依據鹽脅迫條件下植株表現,從150份品系中目選耐鹽表現較好的20份進行考種(表3),在鹽脅迫下,改良品系的株高、有效穗數、穗長、單株產量、百粒重等農藝性狀均受到抑制,與正常水田相比,存在不同程度的降低,單株產量在鹽脅迫下受到的影響最大,結實率、百粒重、有效穗、株高的受鹽脅迫影響次之,穗長受鹽脅迫的影響相對較小。耐鹽性極強的品系有NYS5、NYS117,鹽脅迫指數分別為17.2和18.2;耐鹽性強的品系有NYS6、NYS8、NYS10、NYS11、NYS15、NYS17、NYS39、NYS55、NYS83、NYS87、NYS92、NYS105等12個品系。

表3 節(jié)水抗旱稻品系全生育期耐鹽性鑒定結果Table 3 Identification results of salt tolerance of water-saving and drought-resistance rice lines in the whole growth period

2.4 試種表現

在山東昌邑市灘涂地示范展示,以‘鹽豐47’為對照,種植了3個材料,每個品種(系)種植800 m2,旱直播全程旱管,成熟后進行田間實收測產,NYS5、NYS15和NYS11田間實收產量分別為234.0 kg、372.2 kg和213 kg,對照‘鹽豐47’的產量為259.6 kg(表4)。其中NYS15的產量顯著高于對照,每667 m2產量達310 kg,比對照‘鹽豐47’增產43.3%。

表4 節(jié)水抗旱稻耐鹽品系在山東試種的產量及主要農藝性狀Table 4 Yield and agronomic characters of salt-tolerant lines for water-saving and drought-resistance rice in Shandong

品系NYS83在江蘇南通和江蘇鹽城射陽縣進行耐鹽堿試種,移栽水管,每個點均種植3 333.3 m2,NYS83比對照早熟3 d,株高87.2 cm,穗長15.3 cm,每667 m2有效穗為20.1萬穗,每穗實粒數為122粒,結實率85.4%,千粒重25.2 g。NYS83在南通和鹽城每667 m2產量分別為488 kg和452 kg,分別比同期種植的對照‘鹽豐12’增產4.7%和3.2%。

3 結論與討論

3.1 不同生育期的耐鹽性

本研究通過雜交和顯性核不育為媒介的輪回選擇技術獲得了一批優(yōu)異耐鹽節(jié)水抗旱稻品系,同時對不同生育期耐鹽性進行鑒定,獲得了16份芽期耐鹽級別為1級的品系,10份苗期耐鹽級別為1級的品系和14份全生育期耐鹽極強或強的品系。這些品系的耐鹽性較節(jié)水抗旱稻親本有明顯提高,在不同生育期同樣也出現了優(yōu)于‘海稻86’耐鹽性的品系。

同時,不同生育期的耐鹽性表現也不完全一致,發(fā)芽期、幼苗期和全生育期的耐鹽性之間無直接的相關性,這與前人研究結果一致[9],不同生育期可能耐鹽機制有所不同。對于某些品系,在各個時期進行獨立的耐鹽性篩選比較適宜,在選育品系時選擇具有多個不同生育期耐鹽表型的品種。由于鹽堿地水稻的整個生長季都可能遭遇鹽脅迫,因此,要培育全生育期耐鹽水稻,很有必要針對不同時期分別進行耐鹽篩選,篩選綜合抗性強的材料,更利于品種的應用。

鹽堿地種植作物的最終目標是實現高產,選擇耐鹽品種時,除了考慮不同生育期的耐鹽性,對于全生育期的耐鹽性,不僅要考慮鹽脅迫指數,更要考慮鹽堿條件下植株產量,并不是鹽脅迫指數最高的品系其產量就最高,如品系NYS5和NYS117鹽脅迫指數最低,耐鹽表現最好,但其鹽脅迫下的單株產量卻不是最好,因此選育品種更要以單株產量為指標,這對耐鹽水稻的選育具有實際的生產意義。

3.2 顯性核不育系在種質創(chuàng)新中的應用

顯性核不育材料是進行輪回選擇育種的理想材料,2001年三明市農業(yè)科學研究所發(fā)現顯性核不育[6],通過多輪回交,將不育基因導入到秈稻品種‘佳輻占’中[10],本課題組以‘佳輻占’核不育與節(jié)水抗旱稻親本雜交并經多輪回交,育成不同類型節(jié)水抗旱稻背景核不育系,并廣泛應用于雜交和回交育種中,以此為媒介,雜交不用人工去雄,更為簡便,對于大量的雜交以及構建群體類,顯性核不育材料優(yōu)勢更明顯,可節(jié)省大量人力、物力。本研究利用顯性核不育與野生稻資源進行雜交,70%以上雜交袋均有結實,相對去雄雜交,增加了結實種子量,同時提高了雜交成功率。部分未結實的組合可能是核不育系的遺傳背景是節(jié)水抗旱稻的背景(而非野生稻背景),導致遠緣雜交不親和。如果要更好地利用顯性核不育系材料,則核不育的遺傳背景需要特別關注,本課題組側重節(jié)水抗旱稻研究,引進的核不育是‘佳輻占’的遺傳背景,通過多代回交,將其背景替換成了節(jié)水抗旱稻親本的背景,同時雜交過程中粳型核不育與粳型材料雜交,秈型核不育與秈型材料雜交,避免出現秈粳交不育,或者遺傳背景秈粳混雜,改良代數增加。

本研究中顯性核不育群體在崇明東灘濕地進行篩選時,由于群體本身有50%的不育株,同時耐鹽脅迫會導致可育植株也發(fā)生不育,材料就很難選擇,所以盡量不要在核不育混合群體中直接進行篩選,而應在群體中選擇可育株后再進行各種處理。

3.3 耐鹽和抗旱的結合可提高品種適應性

由于鹽脅迫往往伴隨著干旱一起發(fā)生,在節(jié)水抗旱稻中增強品種的耐鹽性,聚合耐鹽與抗旱,選育過程注重耐鹽性狀和抗旱性狀的交叉選擇,更利于后代中選育出兼具抗旱和耐鹽的新種質。植物應對干旱、鹽脅迫時響應的分子和生理機制上有著相似性,如滲透調節(jié)、抗氧化脅迫等,本研究在不同生育期均篩選到優(yōu)于親本‘海稻86’耐鹽性的種質,可能是耐鹽和抗旱疊加,產生了超親優(yōu)勢。

本研究將耐鹽種質和節(jié)水抗旱稻進行雜交,在選育過程中耐鹽性和抗旱性均是品種選育的目標性狀,在灘涂地或鹽堿地篩選的種植過程中,往往也遭遇干旱,在整個選育過程雖然沒有特別強調干旱的篩選,但其實抗旱性一直是作者關注的重點。保持節(jié)水抗旱稻的抗旱性,同時提高其耐鹽堿性,品種才有更好的適應性。

致謝:湖北荊楚種業(yè)股份有限公司段紅波研究員提供耐鹽資源‘海稻86’、福建省三明市農業(yè)科學研究院黃顯波老師提供‘佳輻占’顯性核不育系。