(寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心, 寧夏 銀川 750002)

水稻是僅次于小麥的世界第二大糧食作物，年播種面積約1.8億hm2，產(chǎn)量約占世界糧食總產(chǎn)的1/3。作為一種喜溫作物，它對溫度非常敏感，我國一般每4～5年就會發(fā)生1次較大規(guī)模的水稻冷害。從遺傳背景上看，東鄉(xiāng)野生稻苗期耐冷性強(qiáng)于粳稻品種，秈稻品種的耐冷性一般明顯弱于粳稻品種, 但不能排除秈稻所具有的某些耐冷基因的效應(yīng)比粳稻耐冷基因的效應(yīng)更強(qiáng)的可能性[1]。在鑒定指標(biāo)上，大量研究以形態(tài)指標(biāo)如死苗率、死葉率、葉片赤枯度、葉片卷曲度、萎蔫率、地上部生物量、根系生物量和根冠比等，生理指標(biāo)如ABA、脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、電導(dǎo)率、葉片滲透勢、抗壞血酸、還原性谷胱甘肽和可溶性糖含量等去衡量水稻苗期的耐冷性的強(qiáng)弱，都因取材、指標(biāo)和處理方法的不同而導(dǎo)致結(jié)果略有差別[2-6]。在鑒定評價(jià)方法上，研究人員多利用人工氣候室進(jìn)行室內(nèi)鑒定，多借助深冷水池、云貴等冷害頻發(fā)的地理?xiàng)l件以及調(diào)整播期的措施進(jìn)行苗期耐冷性自然鑒定，多運(yùn)用主成分分析法、隸屬函數(shù)法或聚類分析法進(jìn)行綜合評價(jià)[7-14]。水稻耐寒性的生理研究，主要集中在膜脂相變、自由基清除系統(tǒng)、低溫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、低溫碳同化、光合影響等方面[2-6]；水稻耐冷遺傳研究，多集中在QTL的定位和個(gè)別主效基因的克隆上，已定位的QTL遍及其12條染色體[15-17]。

苗期耐冷性是南方早秈稻和高緯度及高海拔地區(qū)水稻育種應(yīng)重視的性狀[18]。近年來，為提高水資源利用效率以及節(jié)省成本，寧夏水稻主要的種植方式由插秧改為直播，但直播苗常遭受延遲性冷害的威脅，表現(xiàn)為出芽慢或爛秧，成苗率低，苗期失綠、枯萎，少分蘗、生長緩慢等，重要原因是本土耐冷遺傳資源的匱乏。加快苗期耐冷資源的鑒定、篩選和利用成為改善這一狀況的有效手段。本研究利用含東鄉(xiāng)野生稻遺傳背景的重組自交系群體材料，分析冷脅迫對水稻幼苗的形態(tài)的影響，選擇與該群體苗期耐冷性相關(guān)性較強(qiáng)的形態(tài)指標(biāo)，并運(yùn)用聚類分析的方法篩選耐冷性強(qiáng)的材料，以期豐富寧夏水稻的耐冷資源，為寧夏水稻耐冷品種選育和實(shí)踐提供參考。

表1 死葉率、葉片赤枯度和卷曲度分級標(biāo)準(zhǔn)[19-20]

死葉率分級標(biāo)準(zhǔn) 葉片赤枯度分級標(biāo)準(zhǔn) 葉片卷曲度分級標(biāo)準(zhǔn) 死葉率等級特征等級特征等級相應(yīng)耐冷水平0%～20.0%1級所有葉青綠或接近青綠1級所有新葉正常伸展1級極強(qiáng)20.1%～40.0%3級葉子有一點(diǎn)脫色或黃色3級新展葉葉尖至 1/2 以下卷曲(心葉正常)2級強(qiáng)40.1%～60.0%5級葉子大部分黃化5級新展葉葉尖至1/2～2/3卷曲(心葉正常) 3級中60.1%～80%7級50%葉子干枯,有些苗死亡7級新展葉、次新展葉全卷(心葉正常)或新展葉全卷4級弱80.1%～100.0%9級大部分或全部苗死亡9級全部葉片卷成筒狀或萎蔫5級極弱

表2 水稻待測性狀編號

變量X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12相對性狀死葉率赤枯度卷曲度苗高鞘長最長根長主根數(shù)側(cè)根數(shù)總根數(shù)苗干重根干重干物質(zhì)重

圖1 苗期水稻冷處理后各性狀變化情況

1 材料和方法

1.1 材 料

以穩(wěn)定的ZD 15×IR 29秈粳交重組自交系群體F9子代及親本共122份材料為供試材料,均由寧夏農(nóng)林科學(xué)院李樹華研究員提供。ZD 15是寧粳16號與東鄉(xiāng)野生稻雜交選育的穩(wěn)定品系，具有耐冷、耐旱特性，IR 29為國際水稻所(IRRI)秈稻品種，具有優(yōu)質(zhì)、抗病、冷敏感的特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。首先挑選整齊一致的兩葉一心期幼苗30株于光照培養(yǎng)箱8 ℃ 4 d冷處理，于20～30 ℃恢復(fù)生長6 d，以28 ℃白天 24 ℃黑夜的光照條件下正常生長的水稻苗作為對照，測量死葉率，葉片赤枯度、葉片卷曲度、苗高、根長(最長不定根的長度)、側(cè)根長、主根數(shù)(大于4 cm的不定根)、側(cè)根數(shù)(小于4 cm的不定根)、苗干重及根干重，并進(jìn)一步計(jì)算相對性狀的值。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，以平均值作為統(tǒng)計(jì)單位。其中死葉率、葉片赤枯度和卷曲度分別按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查記載(表1)，某性狀的相對值是指耐冷處理再恢復(fù)溫度后的表型值與同一時(shí)間對照表型值的比值，為便于統(tǒng)計(jì)計(jì)算，對各相對性狀進(jìn)行編號，詳見表2。

1.3 數(shù)據(jù)處理

表格和柱狀圖采用Excel 2007軟件進(jìn)行整理和繪制，聚類熱圖借助R語言完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期水稻冷處理后各性狀的表現(xiàn)

冷處理再恢復(fù)后，與對照相比較，死葉率、赤枯度、卷曲度均增大，其中死葉率平均增加7.16倍，赤枯度平均增加4.15倍，卷曲度平均增加3.43倍。除了胚芽鞘長度沒有變化以外，其余性狀的值都不同程度地減小，降幅從大到小依次為根干重>總干重>苗干重>側(cè)根數(shù)>總根數(shù)>主根數(shù)>苗高>最長根長(圖1)。總之，水稻在兩葉一心期受到冷害，與對照相比，除了葉部形態(tài)和顏色的明顯變化外，根干重和總干重也明顯降低。

正常條件下，IR 19在苗高、最長根長、苗干重等性狀上高于ZD 15，ZD 15在主根數(shù)、側(cè)根數(shù)、總根數(shù)、根干重等性狀上高于IR 19，冷處理后，IR 19死葉率、赤枯度、卷曲度等較ZD 15明顯增大，最長根長較ZD 15變短(圖2)。正常條件下，子代各性狀變異系數(shù)范圍在17%～50%，各性狀變異系數(shù)從大到小為苗高>芽鞘長>最長根長>主根數(shù)>側(cè)根數(shù)>總根數(shù)>苗干重>根干重>總干重，冷處理?xiàng)l件下，子代各性狀變異系數(shù)范圍在16.8%～75.0%，各性狀變異系數(shù)從大到小為死葉率>赤枯度>卷曲度>苗高>芽鞘長>最長根長>主根數(shù)>側(cè)根數(shù)>總根數(shù)>苗干重>根干重>總干重；與對照相比較，冷處理后子代的側(cè)根數(shù)、總根數(shù)、苗干重、根干重、總干重變異系數(shù)增大，苗高、芽鞘長、最長根長、主根數(shù)變異系數(shù)減??；秈粳交重組自交系各家系性狀上的遺傳分離較大，不論在正常條件還是冷處理?xiàng)l件下，都不同程度出現(xiàn)超親分離的現(xiàn)象(表3)。

圖2 苗期水稻冷處理后子代與親本各性狀的比較

表3 不同條件下重組自交系親本及后代各性狀的分布情況

性狀I(lǐng)R29均值ZD15均值后代最小值最大值極差均值標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)偏度峰度正常條件苗高16.1 13.8 8.3 23.6 15.3 13.5 2.3 17.0 0.923.03芽鞘長1.9 1.8 0.9 3.3 2.4 1.8 0.4 22.2 0.270.64最長根長20.8 18.3 10.2 29.1 18.9 19.7 3.8 19.3 0.18-0.19主根數(shù)2.4 3.9 2.0 7.3 5.3 4.1 0.9 22.0 0.360.64側(cè)根數(shù)1.3 2.1 0.0 5.8 5.8 2.4 1.2 50.0 0.35-0.40總根數(shù)3.7 6.0 3.5 12.4 8.9 6.5 1.8 27.7 0.870.44苗干重1.4 1.0 0.4 1.6 1.2 1.0 0.2 20.0 0.250.26根干重0.4 0.5 0.3 1.1 0.8 0.5 0.1 20.0 1.645.17總干重1.8 1.5 0.9 2.3 1.4 1.5 0.3 20.0 0.520.25冷處理?xiàng)l件死葉率1.0 0.0 0.0 1.0 1.0 0.4 0.3 75.0 0.58-0.86赤枯度9.0 1.0 1.0 9.0 8.0 4.2 2.6 61.9 0.37-1.09卷曲度4.5 2.1 1.0 5.3 4.3 3.4 1.1 32.4 -0.35-0.64苗高12.7 12.6 6.4 22.3 15.9 12.6 2.2 17.5 0.884.57芽鞘長1.9 1.8 0.7 3.4 2.7 1.8 0.4 22.2 -0.131.17最長根長17.5 18.0 8.4 26.6 18.2 19.0 3.2 16.8 -0.430.83主根數(shù)1.8 3.6 1.6 6.3 4.7 3.5 0.8 22.9 0.630.87側(cè)根數(shù)1.2 2.2 0.3 5.0 4.7 1.9 0.9 47.4 0.861.13總根數(shù)3.1 5.8 3.0 11.3 8.3 5.4 1.4 25.9 1.442.96苗干重1.0 0.8 0.1 1.1 1.0 0.7 0.2 28.6 -0.762.46根干重0.4 0.5 0.2 0.6 0.5 0.4 0.1 25.0 0.450.49總干重1.3 1.3 0.5 1.6 1.1 1.1 0.2 18.2 -0.130.34

2.2 苗期水稻冷處理后各性狀的相關(guān)關(guān)系

從表4可知，X1、X2、X3之間均極顯著正相關(guān)，其中X1與X2相關(guān)系數(shù)最高，為0.9，X1分別與X11和X12顯著負(fù)相關(guān)，X2分別與X11和X12顯著負(fù)相關(guān)，X3分別與X4和X9顯著負(fù)相關(guān)。表明死葉率、相對赤枯度、相對卷曲度三者顯著正相關(guān)，死葉率與相對根干重及相對總干重顯著負(fù)相關(guān)，相對赤枯度亦與相對根干重及相對總干重顯著負(fù)相關(guān)，卷曲度與相對苗高及相對總根數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)合苗期水稻冷處理后各性狀的表現(xiàn)，選定死葉率、赤枯度、卷曲度、根干重、總干重、苗高和總根數(shù)作為水稻耐冷相關(guān)的主要表型性狀。

2.3 耐冷材料的篩選

將冷處理后獲得的群體表型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再對與耐冷性狀聯(lián)系密切的7個(gè)耐冷表型指標(biāo)及群體觀測值進(jìn)行雙向系統(tǒng)聚類。耐冷相關(guān)指標(biāo)上：從左向右，將卷曲度、死葉率、卷曲度聚為第Ⅰ類，代表了幼苗葉部形態(tài)的變化，將總根數(shù)、苗高、根干重、總干重聚為第Ⅱ類，代表了幼苗素質(zhì)在數(shù)量和質(zhì)量的變化。耐冷性狀觀測值上：自上而下，群體可分為耐冷(Ⅰ)和不耐冷(Ⅱ)兩大類，分別包含46個(gè)樣本和76個(gè)樣本，耐冷材料總數(shù)約為不耐冷材料的0.61倍。

再將耐冷材料劃分為2個(gè)小類，其中I-1包含40份材料，高值親本ZD 15也在其內(nèi)，它們的葉片和根生長對冷不敏感，代表耐冷型分組，Ⅰ-2包含6個(gè)材料，它們的幼葉和根生長對冷極不敏感，代表強(qiáng)耐冷型分組；不耐冷材料又劃分為3個(gè)小類，其中Ⅱ-1具有總根數(shù)不足的特征，共包含14份材料，代表較不耐冷型分組，Ⅱ-2具有苗弱或根弱的特征，共包含26份材料，代表不耐冷型分組，Ⅱ-3具有苗受損、根冷適應(yīng)不足、總根數(shù)減少等綜合特征，低值親本IR 29也在其內(nèi)，共包含36份材料，代表極不耐冷型分組(圖3)。由此選擇Ⅰ-2強(qiáng)耐冷性的分組，它包含編號為23、117、139、177、186、187共6份優(yōu)良耐冷家系。

表4 苗期水稻耐冷相對性狀的相關(guān)系數(shù)

相對性狀X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X11.00X20.90??1.00X30.81??0.85??1.00X4-0.11-0.16-0.17?1.00X5-0.12-0.10-0.040.23??1.00X6-0.03-0.05-0.100.49??0.071.00X7-0.04-0.05-0.140.130.110.001.00X8-0.02-0.04-0.080.26??0.070.140.031.00X9-0.07-0.08-0.18?0.24??0.120.070.76??0.56??1.00X10-0.10-0.12-0.150.50??0.24??0.28??0.130.070.18?1.00X11-0.19?-0.20?-0.120.33??0.090.40??0.130.130.22?0.061.00X12-0.18?-0.21?-0.170.61??0.26??0.44??0.130.130.23??0.79??0.58??1.00

注:“*”，“**”分別表示在ɑ=0.05和ɑ=0.01水平的差異顯著性。

圖3 群體耐冷表型系統(tǒng)聚類熱圖

3 結(jié)論與討論

3.1 討 論

水稻苗期耐冷性受數(shù)量遺傳位點(diǎn)控制，其表達(dá)受遺傳背景和環(huán)境的共同作用。吳立群等研究發(fā)現(xiàn)，耐敏感水稻品種較耐冷水稻品種根系根尖薄壁細(xì)胞形狀不規(guī)則，排列疏松，細(xì)胞間隙大，維管束結(jié)構(gòu)不清晰，木質(zhì)部排列紊亂，總根數(shù)、最長根長、根干重根系總吸收面積、活躍吸收面積和根系活力下降[21]。本研究中，冷敏感品系的總根數(shù)和根干重、苗高都較耐冷品系明顯降低。Jia Y等研究表明，苗期低溫處理導(dǎo)致水稻植株鮮重及干物質(zhì)重均下降，水稻無物質(zhì)積累，生長停滯[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，根系發(fā)達(dá)的水稻材料在遭受冷害時(shí)其總干物質(zhì)重下降相對緩慢，耐冷性較好，即根系的繁茂程度直接影響水稻苗期的耐冷性，但相關(guān)結(jié)論需要自然群體材料進(jìn)一步研究加以驗(yàn)證。武志峰等研究發(fā)現(xiàn)，苗期5.0 ℃低溫脅迫處理，水稻存活率、地上部干重、根數(shù)、根系體積、葉面積等性狀都發(fā)生顯著變化，其中存活率和地上部干重最能代表幼苗對低溫的響應(yīng)，可作為秈稻苗期耐冷性鑒定的評價(jià)指標(biāo)[23]。這與本研究結(jié)果并不矛盾，一般地上部干重高的材料地下根系也比較發(fā)達(dá)，只是材料的背景差異，指標(biāo)的選取范圍不一，篩選方法的不同，使得研究結(jié)果略有差別。由于室外冷害的環(huán)境條件遠(yuǎn)比室內(nèi)環(huán)境模擬條件復(fù)雜，所以本文苗期耐冷性鑒定結(jié)果，還需在大田環(huán)境條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。

耐冷性是由遺傳基因控制的對低溫反應(yīng)的一種適應(yīng)性，東鄉(xiāng)野生稻具有極強(qiáng)的耐寒性，其耐寒性比其它野生稻強(qiáng)，更比栽培稻強(qiáng)[24]。ZD 15作為東鄉(xiāng)野生稻背景的耐冷親本材料，與IR 29品種雜交后代中耐冷材料和不耐冷材料的分離比約為3∶5，但聚類分析反映后代有超親家系的出現(xiàn)，這有利于耐冷材料的鑒選和利用。今后在東鄉(xiāng)野生稻背景的粳稻資源上應(yīng)加強(qiáng)綜合利用，為選育耐冷直播品種做好材料儲備，為寧夏直播水稻的安全種植提供有益的探索和參考。

3.2 結(jié) 論

采用人工氣候室對水稻重組自交系幼苗進(jìn)行了耐冷性鑒定，選擇變異程度較大的死葉率、赤枯度和卷曲度以及與其顯著相關(guān)的根干重、總干重、苗高、總根數(shù)等相對性狀作為該群體耐冷性鑒定的指標(biāo)，通過層次聚類的方法，將材料細(xì)分成5個(gè)小類，并從中篩選出了耐冷性狀突出的6份家系。