肖本澤 南波 張方玉

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070；*第一/通訊作者：benzexiao@mail.hzau.edu.cn）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加速，全球產(chǎn)生了越來越明顯的“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致全球氣候正在以更快的速度變暖，極端天氣越來越頻繁，給農(nóng)作物生產(chǎn)帶來了極大的影響[1]。高溫?zé)岷?dǎo)致水稻減產(chǎn)和稻米品質(zhì)的降低[2-3]。近年，7—8月份我國常常大范圍出現(xiàn)最高氣溫超過40℃的異常高溫天氣，且持續(xù)時(shí)間長，此時(shí)南方大部分稻區(qū)早熟中稻正值孕穗至抽穗開花期，是水稻易受高溫危害的時(shí)期，高溫脅迫造成其育性下降、受精不良，導(dǎo)致結(jié)實(shí)率降低[4-7]；灌漿成熟期也是水稻易受高溫脅迫時(shí)期，如遇高溫會(huì)造成秕谷粒增多和粒質(zhì)量下降，稻米品質(zhì)變差[8-9]。MATSUI等[10]對9個(gè)粳稻品種進(jìn)行高溫脅迫處理，結(jié)果表明，不同水稻品種在高溫脅迫處理后的結(jié)實(shí)率與位于花粉囊腔與腔隙之間的細(xì)胞層數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)性，即花粉囊腔與腔隙間細(xì)胞層數(shù)少的水稻品種在高溫脅迫后其結(jié)實(shí)率要遠(yuǎn)高于細(xì)胞層數(shù)多的水稻品種。PENG等[11]歷時(shí)12年對國際水稻研究所25年間水稻生長期間的溫度、光照等氣象因素進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)這25年來水稻生長期間夜間最低溫度平均值正在逐步上升，氣象因素中以夜間最低溫度對水稻產(chǎn)量的影響最大，每上升1℃水稻產(chǎn)量就下降10%。謝曉金等[12]以揚(yáng)稻6號和南粳43為試驗(yàn)材料，研究抽穗期高溫脅迫對水稻產(chǎn)量構(gòu)成要素及稻米品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，水稻抽穗期高溫不僅降低了水稻每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重，同時(shí)也影響了糙米率、精米率、整精米率、堊白度等品質(zhì)性狀。

高溫?zé)岷ψ魑锏挠绊懮婕捌湔麄€(gè)生命活動(dòng)過程，目前評價(jià)作物耐熱性主要有形態(tài)、生理生化、產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)等[2,13-14]。但對水稻等糧食作物而言，產(chǎn)量和品質(zhì)是其最直接、最主要的評價(jià)指標(biāo)[15-16]。高溫對水稻不同生長發(fā)育階段均能造成危害，其中以抽穗揚(yáng)花期最為敏感，將直接引起結(jié)實(shí)率下降，導(dǎo)致大幅減產(chǎn)甚至絕收[5-6]。因此，結(jié)實(shí)率是熱害最為敏感的指標(biāo)之一，可綜合反映水稻穎花開放、散粉和受精的綜合受害程度，可直接作為耐熱性評價(jià)指標(biāo)[16-17]。許多基于結(jié)實(shí)率和粒質(zhì)量的水稻耐熱性評價(jià)指標(biāo)應(yīng)運(yùn)而生，如耐熱指數(shù)（高溫結(jié)實(shí)率/常溫結(jié)實(shí)率）[18]、熱敏感指數(shù)（常溫結(jié)實(shí)率與高溫結(jié)實(shí)率之差/常溫下結(jié)實(shí)率）[15]、粒重感熱指數(shù)（常溫下千粒重與高溫下千粒重之差/常溫下千粒重）[19]等。

本研究在自然大田高溫、溫室高溫環(huán)境下對2018—2020年供試的1 379份水稻材料的開花期耐熱性進(jìn)行了鑒定，系統(tǒng)分析了不同年份間、不同品種類型間、不同來源渠道品種間的耐熱性情況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻新組合（品種）共1 379份次（含耐熱對照品種豐兩優(yōu)4號、耐熱性敏感品種湖恢628），其中，2018年481份（兩系雜交稻348份、三系雜交稻119份，常規(guī)稻14份），2019年457份（兩系雜交稻302份、三系雜交稻115份，常規(guī)稻40份），2020年441份（兩系雜交稻285份、三系雜交稻120份，常規(guī)稻36份）。供試水稻新組合種子由中國水稻研究所、各省種子管理局（站）及綠色通道、聯(lián)合體主持單位提供。

1.2 試驗(yàn)方法

采用田間自然高溫、玻璃溫室高溫兩種方法對參試品種進(jìn)行開花期耐熱性鑒定，試驗(yàn)在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻試驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.2.1 利用田間自然高溫進(jìn)行鑒定

水稻開花期田間自然高溫參照文獻(xiàn)[20]進(jìn)行。利用湖北武漢每年7月中旬至8月中旬的自然高溫條件，采用分期播種單分蘗掛牌方式。每個(gè)品種分3期播種，分別于當(dāng)年4月21日、5月1日、5月11日播種。5葉期左右移栽，株行距16.7 cm×26.7 cm，每個(gè)品種栽3×10株，肥水管理和病蟲防治按照常規(guī)大田生產(chǎn)進(jìn)行。大田溫度、濕度利用DSR-TH數(shù)字化溫濕度記錄儀每5 min記錄1次。水稻抽穗期間，每個(gè)小區(qū)每天選取10個(gè)主分蘗按見穗期掛牌；成熟時(shí)按見穗期將掛牌分蘗進(jìn)行分類，分別考察結(jié)實(shí)率[20]。

1.2.2 利用玻璃溫室高溫進(jìn)行鑒定

玻璃溫室高溫鑒定參照NY/T 2915-2016進(jìn)行。試驗(yàn)材料于5月1日播種，5葉期左右移栽，每個(gè)品種栽4盆（上口直徑26 cm、下底直徑20 cm、高18 cm的塑料盆，每盆中裝入7 kg自然風(fēng)干的水稻田土壤，施復(fù)合肥6 g，復(fù)合肥中N、P2O5、K2O配比為12∶18∶15）、每盆3株，在植株生長過程中去除多余分蘗，每株只保留3個(gè)抽穗一致的主分蘗。每個(gè)品種，對于其中2盆在第1朵穎花開花時(shí)，連續(xù)在玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行5 d高溫處理（材料盆隨機(jī)排列，且每天將盆隨機(jī)排列1次，以消除因位置所引起的誤差）。另外2盆在自然條件下生長，作為對照處理。高溫處理結(jié)束后，所有植株在自然條件下生長至成熟。為了避免溫室機(jī)械強(qiáng)排對風(fēng)路附近材料的瞬時(shí)損傷，高溫處理通過溫室四周窗戶開合進(jìn)行控制：晴天一般在8∶00左右將溫室窗戶全部關(guān)閉、12∶00左右窗戶適度半開（開合大小取決于當(dāng)時(shí)監(jiān)控的溫度），18∶00時(shí)完全打開窗戶直至下一天8∶00；若在光溫不足的陰雨天，會(huì)在8∶00—18∶00將窗戶全部關(guān)閉并適當(dāng)智能補(bǔ)光（當(dāng)溫度達(dá)到41.00℃自動(dòng)減少開燈數(shù)目）?？紤]到溫室脅迫要重于自然大田高溫，溫室不進(jìn)行強(qiáng)排降溫（通過開啟四周窗戶進(jìn)行自然降溫）。玻璃溫室日均溫控制在33.00℃～35.00℃之間，日最高溫控制在39.00℃～42.00℃之間，濕度維持在75%左右。溫室內(nèi)溫度、濕度利用DSR-TH數(shù)字化溫濕度記錄儀每5 min實(shí)時(shí)記錄1次。

1.3 性狀考察及耐熱性評價(jià)

1.3.1 田間自然高溫條件下供試材料性狀考察及耐熱性評價(jià)

對于利用田間自然高溫進(jìn)行鑒定的材料，根據(jù)DSR-TH數(shù)字化溫濕度記錄儀實(shí)時(shí)記錄的大田溫度數(shù)據(jù)，確定高溫脅迫、常溫條件下的結(jié)實(shí)率。參照文獻(xiàn)[10,21-22]和結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料以見穗期時(shí)日均溫≥33℃或最高溫≥38℃且持續(xù)時(shí)間在3 d以上作為已受到高溫脅迫的標(biāo)準(zhǔn)，并以這部分分蘗的平均結(jié)實(shí)率作為高溫脅迫條件下的結(jié)實(shí)率；以其他非高溫時(shí)間段的最高結(jié)實(shí)率作為常溫條件下的結(jié)實(shí)率。大田條件下耐熱性的評價(jià)采用相對耐熱系數(shù)R（供試材料與對照品種豐兩優(yōu)4號在高溫條件下結(jié)實(shí)率的比值）指標(biāo)進(jìn)行衡量。

1.3.2 玻璃溫室高溫條件下供試材料性狀考察及耐熱性評價(jià)

對于利用玻璃溫室高溫進(jìn)行鑒定的材料，待種子成熟時(shí)分別對經(jīng)過和未經(jīng)過玻璃溫室高溫處理的各2盆水稻植株進(jìn)行結(jié)實(shí)率考種。溫室條件下耐熱性評價(jià)也采用相對耐熱系數(shù)R。

最終對供試材料耐熱性評價(jià)以兩種條件（大田條件和溫室盆栽條件）下相對耐熱系數(shù)的平均值（即綜合相對耐熱系數(shù)）作為評價(jià)指標(biāo)；并按表1的分級標(biāo)準(zhǔn)對供試品種的開花期耐熱性進(jìn)行分級評價(jià)。

表1 水稻材料開花期耐高溫性的分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 指示品種在多年多環(huán)境下的耐熱性表型

為了評價(jià)不同年份、不同環(huán)境下品種間的耐熱性表型差異，選取區(qū)試對照品種豐兩優(yōu)4號和耐熱性敏感品種湖恢628作為指示品種進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.1.1 指示品種在大田環(huán)境下年份間耐熱性表型

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田在2018—2020年7月中下旬至8月中下旬期間溫度數(shù)據(jù)見圖1。2018年7月14日至21日（正值Ⅰ、Ⅱ期播種材料的集中孕穗期，日最高溫在38.20℃～39.80℃之間）、8月7日至12日（除8月10日外，日最高溫在38.30℃～39.20℃之間）出現(xiàn)了兩次連續(xù)的高溫天氣（圖1A）。2019年7月28日至8月9日（除7月30日、8月4日外，日最高溫在38.00℃～38.70℃之間）、8月16日至21日（此時(shí)段完全覆蓋了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期播種材料的孕穗期和開花期，日最高溫在38.10℃～39.10℃之間）出現(xiàn)了連續(xù)高溫天氣（圖1B）。2020年8月1日至5日（日最高溫在38.00℃～38.70℃之間）、8月16日至19日（日最高溫在38.00℃～39.10℃之間）期間出現(xiàn)連續(xù)高溫天氣（正處于Ⅰ、Ⅲ期播種材料集中開花期）（圖1C）。顯然，2018、2019、2020年武漢試點(diǎn)的溫度環(huán)境均達(dá)到了熱害鑒定標(biāo)準(zhǔn)（日均溫在33.00℃以上或最高溫在38.00℃以上且持續(xù)時(shí)間在3d以上）。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)2018—2020年7—8月份大田溫度數(shù)據(jù)

自然大田環(huán)境下，對照豐兩優(yōu)4號在2018、2019、2020年的高溫時(shí)段結(jié)實(shí)率分別為65.93%、66.83%和66.98%，年際間無顯著性差異；這3年豐兩優(yōu)4號的大田常溫結(jié)實(shí)率分別為86.96%、88.45%和88.32%，年際間也無顯著性差異。耐熱性敏感品種湖恢628的結(jié)實(shí)率表型也是如此：其在2018、2019、2020年高溫時(shí)段的結(jié)實(shí)率分別為37.87%、38.47%和37.53%，年際間差異不顯著；其在這3年的常溫結(jié)實(shí)率分別為74.02%、73.53%和74.92%。3年鑒定結(jié)果均表明，湖恢628的高溫結(jié)實(shí)率均極顯著地低于豐兩優(yōu)4號（P＜0.01），說明湖恢628在開花期的耐熱性要弱于豐兩優(yōu)4號。以上結(jié)果表明，相同品種在武漢高溫試驗(yàn)點(diǎn)3年的大田鑒定結(jié)果可相互驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

2.1.2 指示品種在溫室環(huán)境下年份間耐熱性表型

為了彌補(bǔ)大田自然高溫發(fā)生的不確定性，我們還利用控溫玻璃溫室對各材料開花期耐熱性進(jìn)行鑒定（按開花先后順序?qū)┰嚥牧线M(jìn)行連續(xù)5 d高溫處理），然后結(jié)合前面大田高溫結(jié)實(shí)數(shù)據(jù)對各材料耐熱性進(jìn)行綜合評價(jià)。2018—2020年湖北武漢玻璃溫室的溫度數(shù)據(jù)見圖2，溫度條件均達(dá)到了高溫鑒定標(biāo)準(zhǔn)。2018年高溫處理時(shí)間段集中在8月1日至12日，期間日均溫在33.24℃～34.96℃之間，日最高溫在39.10℃～41.50℃之間（圖2A）。2019年處理時(shí)間段集中在8月1日至15日，期間日均溫在33.01℃～34.56℃之間，日最高溫在39.05℃～41.02℃之間（圖2B）。2020年處理時(shí)間段集中在8月1日至15日，期間日均溫在33.05℃～34.25℃之間，日最高溫在39.02℃～40.90℃之間（圖2C）。

溫室條件下，對照豐兩優(yōu)4號在2018、2019、2020年的高溫時(shí)段結(jié)實(shí)率分別為44.12%、45.62%和44.59%，年際間無顯著性差異，其在溫室條件下的常溫結(jié)實(shí)率3年間（87.42%、86.74%、86.29%）差異也不顯著。湖恢628在2018、2019、2020年的高溫結(jié)實(shí)率分別為24.52%、25.17%和24.57%，年際間差異不顯著，其在溫室條件下的常溫結(jié)實(shí)率3年間（74.68%、75.28%、73.73%）差異也不顯著。湖恢628在溫室條件下的高溫結(jié)實(shí)率均極顯著低于豐兩優(yōu)4號，說明湖恢628的開花期耐熱性要弱于豐兩優(yōu)4號，與大田環(huán)境下的鑒定結(jié)果相一致。

2.1.3 指示品種相同年份內(nèi)不同鑒定環(huán)境間的耐熱性表型

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置，相較于大田環(huán)境，玻璃溫室的熱脅迫更為嚴(yán)重。如2018年的開花盛期（8月1日至12日），溫室的最高溫度比大田高1.30℃～4.60℃，平均溫度高2.12℃～4.32℃，最低溫度高0.60℃～3.70℃；2019、2020年的兩種環(huán)境下的溫度情況也是如此（圖1和圖2）。豐兩優(yōu)4號在大田中3年高溫結(jié)實(shí)率平均為66.58%，而在溫室高溫下的結(jié)實(shí)率平均為44.78%，顯著低于大田。湖恢628表現(xiàn)亦如此，其在大田3年的高溫結(jié)實(shí)率平均為37.96%，而在溫室高溫下的結(jié)實(shí)率僅24.75%左右。而且，豐兩優(yōu)4號的常溫結(jié)實(shí)率在兩種環(huán)境下非常接近，均在87.00%左右，而湖恢628的常溫結(jié)實(shí)率表現(xiàn)也是如此，均為74.00%左右。這表明，武漢自然大田、控溫玻璃溫室可作為水稻品種不同程度（輕度、重度）熱脅迫的兩種處理環(huán)境。

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)2018—2020年7—8月份玻璃溫室溫度數(shù)據(jù)

2.2 不同年度間供試水稻材料的耐熱性比較

從表2可見，供試材料中有11.96%的品種（165份次）開花期耐熱性強(qiáng)，達(dá)到了1級，其中，2018、2019年2020年分別為44份（9.15%）、47份（10.28%）和74份（16.78%），呈現(xiàn)逐年增多的趨勢。2018、2019、2020年耐熱性表現(xiàn)較強(qiáng)（3級）的品種分別為66.94%、66.08%和67.35%；參試材料中分別僅2.76%和0.44%的品種開花期耐熱性表現(xiàn)為較弱（7級）和弱（9級），這與參試品種隨著氣候變化適應(yīng)高溫能力逐漸增強(qiáng)密不可分。

表2 不同年度間供試水稻材料的耐熱性級別概況

2.3 不同類型水稻材料的耐熱性比較

從表3可見，參試兩系雜交稻達(dá)到耐熱性強(qiáng)（1級）和較強(qiáng)（3級）的品種比例分別為12.30%和70.27%，三系雜交稻分別為11.30%和62.15%，常規(guī)稻分別為11.11%和48.89%?？梢姡?018—2020年我國長江中下游流域中稻新品種耐熱性整體情況是兩系雜交稻要優(yōu)于三系雜交稻，三系雜交稻類型要優(yōu)于常規(guī)稻。

表3 不同類型水稻品種耐熱性級別概況較

2.4 不同試驗(yàn)渠道間水稻材料的耐熱性比較

從表4可見，國家或省區(qū)試、綠色通道試驗(yàn)、聯(lián)合體試驗(yàn)中耐熱性強(qiáng)至較強(qiáng)（1級和3級）的品種比例分別為79.90%、77.80%和78.66%；耐熱性較弱至弱（7級和9級）的品種比例分別為3.56%、4.06%和2.29%?？梢姡@3種試驗(yàn)渠道來源的品種其開花期耐熱性整體表現(xiàn)比較相似。

表4 不同試驗(yàn)渠道的水稻材料間耐熱性級別概況

3 討論與結(jié)論

3.1 水稻耐熱性鑒定方法及評價(jià)體系

目前我國水稻品種耐熱性鑒定主要基于大田自然高溫和人工輔助增溫兩種處理方法進(jìn)行[21-26]。其中，前者的生長環(huán)境（光照、溫度、肥水等）更接近于水稻生產(chǎn)實(shí)踐，在大田自然高溫環(huán)境下水稻結(jié)實(shí)情況能夠很好地代表其開花期耐熱性[20，23-24]。但大田高溫鑒定容易受到局部氣候影響，難以保證每年都能遇到高溫天氣。人工輔助增溫（如生長箱、溫室等）方法可以靈活控制光溫環(huán)境，有效保證鑒定效果[21-22]，但人工輔助增溫環(huán)境與自然大田在生長環(huán)境上存在一定差異（濕度、光質(zhì)、地下部溫度、修剪損傷等），人工輔助增溫條件下得到的結(jié)果還需在大田環(huán)境下進(jìn)行驗(yàn)證[24-25]。如何有效將這兩種方法結(jié)合起來，有效對供試品種開展開花期耐熱性鑒定，這是一個(gè)亟待解決的問題。對于大田自然高溫方法，選取合適的試驗(yàn)點(diǎn)和播期極其重要，本試驗(yàn)中選取武漢作為試點(diǎn)，利用該地7月下旬至8月上旬這個(gè)時(shí)間段的大概率高溫天氣，在近3年均能有效對水稻開花期開展耐熱性鑒定，且3年的試驗(yàn)結(jié)果非常吻合。對于人工輔助增溫方法，首先要保證不同處理環(huán)境下材料的生長狀況相似，如豐兩優(yōu)4號在大田和溫室條件下的常溫結(jié)實(shí)率相差無幾（介于86.96%～88.45%），湖恢628也是如此（介于73.53%～74.92%）。在本試驗(yàn)中，玻璃溫室相比于大田自然高溫環(huán)境是熱處理更重的脅迫：如豐兩優(yōu)4號在大田高溫下的結(jié)實(shí)率約為67.00%，但在溫室高溫下的結(jié)實(shí)率只有45.00%左右；湖恢628表現(xiàn)也是如此。盡管兩種環(huán)境下的水稻熱脅迫程度不同，但通過選用同一對照品種作為參照（對照品種應(yīng)選用具有區(qū)域代表性的主推品種，其常溫結(jié)實(shí)率≥85.00%、田間高溫結(jié)實(shí)率≥65.00%，如豐兩優(yōu)4號、Ⅱ優(yōu)838、隆晶優(yōu)華占、荃優(yōu)雅占等），采用相對耐熱系數(shù)R（供試材料高溫結(jié)實(shí)率與對照品種高溫結(jié)實(shí)率的比值）作為評價(jià)指標(biāo)可以消除由于不同脅迫程度、不同環(huán)境等造成的差異：如以區(qū)試對照豐兩優(yōu)4號作為參照，湖恢628在大田環(huán)境下的相對耐熱系數(shù)分別是0.57（2018年）、0.58（2019年）和0.56（2020年）；在溫室環(huán)境下的相對耐熱系數(shù)分別是0.56（2018年）、0.55（2019年）和0.55（2020年）。本試驗(yàn)中通過相對耐熱系數(shù)R對供試的1 379份材料耐熱性進(jìn)行評價(jià)表明，有1 326份（占比96%）的品種在兩種高溫環(huán)境下的定級結(jié)果相一致。顯然，采用相對耐熱系數(shù)R可以很好對供試水稻品種的耐熱性做出相對一致、客觀的評價(jià)。

3.2 水稻耐熱性品種的選育

現(xiàn)階段我國耐熱性強(qiáng)的品種資源相對匱乏，本試驗(yàn)從1 379份供試材料僅鑒定出165份（11.97%）開花期耐熱性強(qiáng)（1級）的材料（表2）。這其中，常規(guī)稻只有粵禾絲苗、潤珠香占、利豐占、荊占2號、美揚(yáng)香占、華泰絲苗等10份材料，可將這些常規(guī)稻作為親本與其他恢復(fù)系雜交培育耐熱性強(qiáng)的新型恢復(fù)系；或?qū)⑦@些常規(guī)稻與不育系廣泛測配培育出耐熱性強(qiáng)的兩系或三系雜交稻。對于耐熱性強(qiáng)的雜交稻，通過進(jìn)一步對其相應(yīng)的恢復(fù)系或保持系進(jìn)行耐熱性鑒定后再作為耐熱性育種的材料[26]。胡聲博等[1]研究表明，大部分具有相同母本的組合表現(xiàn)出一致的耐熱性，本試驗(yàn)中隆兩優(yōu)系列、晶兩優(yōu)系列、荃優(yōu)系列品種的耐熱性整體表現(xiàn)比較優(yōu)良，這可能預(yù)示這些組合的母本隆科638S、晶4155S、荃9311A等不育系具有優(yōu)良的耐熱性配合力，在耐熱性水稻品種選育方面具有較大優(yōu)勢[22，24,26]。此外，在水稻耐熱性品種選育中還應(yīng)重視外來種質(zhì)的利用，如攜帶耐熱基因TT1的非洲栽培稻、東南亞水稻，爪哇稻等，可以拓寬我國水稻日益狹窄的遺傳基礎(chǔ)[2,21,27]。