李鐵梅,陳 亮,樓巧君

(上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物之一,提高水稻產(chǎn)量對(duì)于保障我國(guó)糧食安全具有重大意義。但水稻生產(chǎn)消耗了我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉總用水量的近70%,目前超過(guò)60%的水田受到不同程度的干旱危害[1-2],我國(guó)的淡水資源不能完全滿足水稻栽培生產(chǎn)的需要。因此,研究水稻抗旱性和培育節(jié)水抗旱水稻新品種,是保障水稻產(chǎn)量的有效途徑之一[3]。

避旱性和耐旱性構(gòu)成了作物抗旱性的主體,其中避旱性是作物在干旱條件下增加吸水和減少失水的能力,其強(qiáng)弱基本決定了作物抗旱性的強(qiáng)弱。因此,在水稻節(jié)水抗旱研究中,避旱性研究是極為重要的方向。增強(qiáng)水稻根系吸水能力是提高避旱性的重要途徑之一[4-7],水稻根系的吸水能力又與深根比密切相關(guān),深層根比例越高,水稻根系吸水能力越強(qiáng),避旱性越強(qiáng)。為此,Kato等[8]和Uga等[9]率先建立了“籃子法”鑒定深根比的方法;在此基礎(chǔ)上,Uga等[10-12]發(fā)掘了多個(gè)深根比相關(guān)的QTL,并首次克隆了深根比基因Dr01,證實(shí)該基因能顯著提高近等基因系材料的深根比和抗旱能力[13];Lou等[14-15]利用改良的小籃子法進(jìn)行了深根比QTL定位分析,檢測(cè)到5個(gè)主效QTL和差異顯著基因,發(fā)現(xiàn)高深根比與抗旱能力呈正相關(guān)。

盡管用籃子法進(jìn)行水稻深根比的鑒定已有較多的報(bào)道,但是該方法的具體實(shí)施和操作并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),例如種植的操作標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)根時(shí)間、栽培條件、籃子尺寸、生長(zhǎng)環(huán)境、溫度、pH、土壤粒徑等,造成研究人員和育種家進(jìn)行避旱性鑒定時(shí)無(wú)章可循,易出現(xiàn)各種系統(tǒng)誤差和人為誤差。為了降低誤差,實(shí)現(xiàn)鑒定過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,鑒定結(jié)果的可重復(fù)性和通用性,本研究通過(guò)研制通用鑒定標(biāo)準(zhǔn),旨在彌補(bǔ)水稻避旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)的缺失,更好地促進(jìn)水稻抗旱研究和新品種培育。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

12份水稻材料以及2個(gè)參比材料(CK1和CK2)均由上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心提供(表1),分成深根比高、中、低3組,每組各4種材料。低深根比參比材料CK1為珍汕97B,是一個(gè)在我國(guó)廣泛應(yīng)用的秈稻品系;高深根比參比材料CK2為‘IRAT109’,是來(lái)自國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)作物研究所的典型旱稻。

表1 14份水稻材料信息Table 1 Information of 14 rice materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 籃子法檢測(cè)深根比

(1)田間種植分布

2021年分別于海南陵水縣、江西高安市、上海奉賢區(qū)和上海金山區(qū)4地進(jìn)行試驗(yàn)。所用籃子規(guī)格為:頂部直徑17 cm,底部直徑10 cm,高度7 cm。將籃子以15 cm×20 cm的間距埋在平整田地,籃子表面的土壓實(shí),調(diào)整位置使籃子的上邊沿、籃子內(nèi)的土面和外面的土面三者齊平,且無(wú)明顯的石塊、土面高低均勻。每行3個(gè)籃子,每條間隔50 cm作為走道(圖1)。

圖1 田間種植分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of field planting distribution

(2)種植管理

選取飽滿的種子浸種發(fā)芽,培養(yǎng)兩周后,挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗,將其移栽至田間籃子正中央,種植深度為土下2 cm,每個(gè)籃子種植1株苗,每個(gè)材料12個(gè)重復(fù)。參比材料珍汕97B(CK1)和‘IRAT109’(CK2)間隔插種在試驗(yàn)材料中,共24個(gè)重復(fù)。采用常規(guī)的水稻種植管理措施,保持土壤濕潤(rùn),定期去除籃子內(nèi)外雜草。

(3)深根比的檢測(cè)

2021年3—5月在海南陵水基地于3個(gè)田塊分別進(jìn)行深根比試驗(yàn)。具體操作為:3月21日浸種催芽;4月4日移栽至預(yù)埋在田中的籃子里;移栽到籃子后30 d、40 d及50 d對(duì)3塊水田的14個(gè)材料進(jìn)行數(shù)根。

在進(jìn)行深根比表型鑒定時(shí),先小心抓住籃子并左右松動(dòng),將籃子帶苗從地里拔出,而不是直接拔苗,拔時(shí)盡量減少斷根。用水沖洗掉籃子外圍的泥土,將根系清楚地暴露出來(lái)。穿過(guò)籃子底部的根為深根,穿過(guò)籃子側(cè)面的根為淺根,每拔掉一根數(shù)一根,保證計(jì)數(shù)準(zhǔn)確,直徑小于0.2 mm的細(xì)根不計(jì)入。深根比為深根數(shù)與總根數(shù)的比值。2個(gè)參比材料的深根比表型見(jiàn)圖2。

圖2 參比材料珍汕97B與‘IRAT109’的深根比表型Fig.2 Deep root ratio phenotype of the reference materials Zhenshan 97B and‘IRAT109’

1.2.2 土壤質(zhì)地檢測(cè)

每塊地隨機(jī)找3個(gè)位置,挖取500 g左右0—15 cm的表層土,混合均勻后送至上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所進(jìn)行土壤質(zhì)地和pH檢測(cè)。分類標(biāo)準(zhǔn)參考國(guó)際土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分別檢測(cè)黏粒(＜0.002 mm)、粉砂(0.002—0.02 mm)和砂粒(0.02—2 mm)的占比。

2 結(jié)果與分析

2.1 避旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)海南初試

2.1.1 不同時(shí)間對(duì)深根比均值影響

由表2可知,移栽后30 d、40 d和50 d的14個(gè)材料深根比均值差異并不顯著,但30 d時(shí)分蘗和根數(shù)都顯著少于40 d,表明此時(shí)新根生長(zhǎng)正旺盛,根數(shù)還未穩(wěn)定,不適合進(jìn)行數(shù)根;40 d和50 d時(shí),總根數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定,數(shù)量也較多,誤差較小,因此移栽后40—50 d進(jìn)行數(shù)根更為合適。

表2 不同時(shí)間14個(gè)材料深根比均值Table 2 The average value of deep root ratio of the 14 varieties at different times

2.1.2 不同土壤質(zhì)地對(duì)深根比的影響

對(duì)田塊1、田塊2和田塊3進(jìn)行土壤質(zhì)地檢測(cè),按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分別檢測(cè)黏粒(＜0.002 mm)、粉砂(0.002—0.02 mm)和砂粒(0.02—2 mm)的占比。其中,田塊1、田塊2和田塊3的砂粒占比分別為85.37%、54.74%和67.30%;田塊1粉砂占比為6.01%,田塊2為18.27%,田塊3為10.03%;田塊1黏粒占比為8.61%、田塊2為27.00%和田塊3為22.67%。因三塊田水源相同,所以水田的pH均接近于7。比對(duì)表2發(fā)現(xiàn),田塊1的深根比均值最小,顯著低于田塊2和田塊3,而田塊2和田塊3之間差異不明顯。說(shuō)明田塊1的土壤質(zhì)地對(duì)深根比有顯著影響,推測(cè)可能是因砂粒比例的增大導(dǎo)致深根比減小。

2.1.3 水、旱處理對(duì)深根比的影響

對(duì)田塊3進(jìn)行旱處理,生長(zhǎng)50 d時(shí)進(jìn)行深根比檢測(cè),結(jié)果如表3所示。水、旱處理對(duì)株高和深根比影響不顯著,但是旱種會(huì)減少分蘗和根的數(shù)量。

表3 在水旱條件下深根比情況Table 3 Deep root ratio under flood and drought conditions

2.1.4 避旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)初探

不同數(shù)根時(shí)間、不同田塊試驗(yàn)材料的深根比值不同。為了使避旱性的鑒定更具有普適性,本試驗(yàn)引入了兩個(gè)參比材料,每次試驗(yàn)時(shí)將參比材料插入到試驗(yàn)材料中,在相同生長(zhǎng)環(huán)境和相同數(shù)根時(shí)間進(jìn)行深根比鑒定,最后以“試驗(yàn)材料深根比∕參比材料深根比”這一相對(duì)值作為避旱性判斷標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:大于3∕4CK2為深根材料;小于3∕4CK1為淺根材料;大于3∕4CK1小于3∕4CK2為中間材料。30 d數(shù)根結(jié)果不符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的最多,有14個(gè),占總量的38.89%,原因可能是此時(shí)根生長(zhǎng)還不完全,未進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),因此,在30 d數(shù)根不適用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn);40 d數(shù)根時(shí),3塊田所有試驗(yàn)材料都符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn);50 d數(shù)根時(shí),田塊2有兩個(gè)材料不符合(表4)。以上結(jié)果說(shuō)明,40 d數(shù)根時(shí),以“大于3∕4CK2為深根材料;小于3∕4CK1為淺根材料;大于3∕4CK1小于3∕4CK2為中間材料”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行避旱性強(qiáng)弱分級(jí)是可行的,與預(yù)期結(jié)果完全吻合。

表4 試驗(yàn)材料與參比材料深根比的比值Table 4 Ratio of deep root ratio of test materials and reference materials

2.2 避旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)多點(diǎn)驗(yàn)證

2.2.1 不同土壤質(zhì)地對(duì)深根比的影響

于2021年7—9月江西高安江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地、上海奉賢東海農(nóng)場(chǎng)和上海金山廊下鎮(zhèn)3個(gè)不同地點(diǎn)進(jìn)行深根比標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證(表5)。同時(shí)對(duì)3個(gè)地點(diǎn)田塊的土壤質(zhì)地和pH進(jìn)行檢測(cè),其中江西高安砂粒占比為18.73%,上海奉賢為62.63%,上海金山為28.96%,上海奉賢東海農(nóng)場(chǎng)的砂粒占比最大,為砂質(zhì)黏壤土;江西高安粉砂占比為48.40%,上海奉賢為20.07%,上海金山為46.29%;江西高安黏粒占比為32.87%,上海奉賢為17.31%,上海金山為24.76%,江西高安占比最大,為粉砂質(zhì)黏土。江西高安土壤pH為5.07,為弱酸性;上海奉賢東海土壤pH為7.97,為堿性;上海金山土壤pH為6.85,為中性。

表5 不同地區(qū)土壤質(zhì)地和p HTable 5 Soil texture and pH value in different regions

參比材料珍汕97B(CK1)和‘IRAT109’(CK2)間隔插種在試驗(yàn)材料中,移栽后40 d進(jìn)行數(shù)根,其株高、分蘗數(shù)、淺根和深根數(shù)等見(jiàn)表6。不同地點(diǎn)同樣材料的深根比表現(xiàn)不同,說(shuō)明土壤粒徑大小和pH對(duì)深根比影響顯著。在江西酸性紅黏土中,參比材料的深根比最大,珍汕97B的均值為43.51%,‘IRAT109’的均值達(dá)到72.53%;在上海奉賢東海農(nóng)場(chǎng)的堿性砂質(zhì)土中,參比材料的深根比最小,珍汕97B的均值僅為17.50%,‘IRAT109’也僅為39.00%;在金山廊下中性壤土中,參比材料的深根比值介于中間。以上結(jié)果與海南試驗(yàn)結(jié)果吻合,都是在砂性較重、平均粒徑較大的土壤中深根比較小,而在平均粒徑較小的黏性土壤中深根比較大。另外,在海南3塊試驗(yàn)田為同一灌溉水源,土壤pH幾乎相同,不同田塊之間種植材料的深根比差異幅度較小。而夏季江西高安和金山廊下之間的土壤質(zhì)地差異不大,但是同樣材料的深根比差異非常大,推測(cè)pH是增大這種差異的主要原因,較低的pH會(huì)整體提高深根比值。

表6 不同地點(diǎn)參比材料深根比Table 6 The ratio of deep root was compared at different sites

2.2.2 避旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證

不同地點(diǎn)相同試驗(yàn)材料的深根比表現(xiàn)不同,利用預(yù)設(shè)的避旱性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同地點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。預(yù)設(shè)判斷標(biāo)準(zhǔn):大于3∕4CK2為深根材料;小于3∕4CK1為淺根材料;大于3∕4CK1且小于3∕4CK2為中間材料。表7顯示,3個(gè)地點(diǎn)12個(gè)材料與各自參比品種的深根比比值與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)完全吻合,再次驗(yàn)證了這個(gè)避旱性判斷標(biāo)準(zhǔn)的可行性、準(zhǔn)確性和普適性,可作為未來(lái)進(jìn)行避旱性分類的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表7 試驗(yàn)材料與參比材料深根比比值Table 7 Theratio of deep root ratio of test material and reference material

3 結(jié)論

本研究利用“籃子法”對(duì)水稻深根比進(jìn)行表型鑒定,評(píng)估了不同水稻試驗(yàn)材料的避旱性,研制出了避旱性鑒定的標(biāo)準(zhǔn)。

1)試驗(yàn)材料移栽到籃子后40 d左右,進(jìn)行深根比表型鑒定最佳。移栽后30 d時(shí),根數(shù)量較少,數(shù)根造成的誤差占比大。移栽后40 d和50 d根數(shù)量較為接近,說(shuō)明移栽后40 d時(shí)根數(shù)已經(jīng)穩(wěn)定。

2)不同的土壤質(zhì)地對(duì)深根比的影響顯著。土壤粒徑越小黏性越重,深根比越大;土壤的砂性越重粒徑越大,深根比越小。

3)土壤的pH也會(huì)影響深根比。在江西典型的酸性紅黏土中,同樣材料的深根比最大;靠近海邊的堿性砂土中,同樣材料的深根比最小;中性土壤介于前兩者之間。

4)由于深根比受環(huán)境影響較大,本研究引入了低深根比珍汕97B(CK1)和高深根比‘IRAT109’(CK2)兩個(gè)參比材料,測(cè)定同樣生境下試驗(yàn)材料深根比與參比材料深根比的比值作為避旱性判斷標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)春季海南預(yù)試驗(yàn)和夏季多點(diǎn)的驗(yàn)證,按照“高避旱性:H＞3∕4CK2、低避旱性:L＜3∕4CK1、中避旱性:3∕4CK1＜M＜3∕4CK2”的標(biāo)準(zhǔn)判斷避旱性強(qiáng)弱與已知結(jié)果完全吻合,說(shuō)明用參比材料進(jìn)行深根比避旱性鑒定的方法可靠、穩(wěn)定且具有普適性,可用作未來(lái)水稻避旱性強(qiáng)弱判斷的標(biāo)準(zhǔn)。