武志峰,唐雙勤,李祖軍,李輝婕*,曾研華,曾勇軍,潘曉華,石慶華,吳自明

(1.作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室/江西農(nóng)業(yè)大學,江西 南昌 330045;2.江西省農(nóng)業(yè)技術推廣總站,江西 南昌 330046;3.湖南中醫(yī)藥高等?？茖W校,湖南 株洲 412012)

近年來,水稻直播栽培方式因其省工、省力、節(jié)省成本等特點而得到了迅猛的發(fā)展,在生產(chǎn)上已不推自廣,應用面積和區(qū)域不斷擴大[1]。但直播早稻幼苗易遭受倒春寒的影響,在受影響后幼苗往往分蘗下降、葉片褪色,且易感染綿腐病、立枯病和青枯病等疾病,嚴重時甚至出現(xiàn)爛秧死苗[2];同時,早稻苗期遭遇低溫后會影響水稻的籽粒產(chǎn)量,也會影響籽粒灌漿持續(xù)時間,繼而導致稻米品質的下降[3]。目前水稻苗期耐冷性評價主要采用個體形態(tài)特征和生理生化指標兩種方法,采用形態(tài)特征分級鑒定法較經(jīng)濟、快速、簡單、及時,但準確性較低,如有些品種以葉片萎蔫、卷曲等形態(tài)變化的方式來適應低溫脅迫,受脅迫后又恢復正常生長,因此往往受人為及基因型等因素的限制;生理生化指標適用于小范圍的比較,結果較為可靠,可準確反映作物的生長狀況,但測定方法較為繁瑣,大規(guī)模品種鑒定及篩選難以應用[4-6]。建立一套快速、準確的評價水稻耐冷性體系方法,科學地評價水稻的耐冷能力,獲得耐冷品種,對于直播早稻的安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。本試驗通過人工模擬低溫的方法,分析了水稻幼苗生長對不同溫度的響應特點,研究探討了各指標與耐冷性的關系。同時,利用因子分析方法篩選出有效的耐冷性評價指標,并通過隸屬函數(shù)結合聚類分析的方法評價了水稻苗期的耐冷性,探索出一套方便、快捷、準確、科學的耐冷性鑒定及評價方法,可為直播稻品種選育與栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為長江中下游地區(qū)主栽的早秈稻品種：株兩優(yōu)6108、Y兩優(yōu)5867、兩優(yōu)287、中早33、優(yōu)I651、陵兩優(yōu)611、株兩優(yōu)1號、陵兩優(yōu)211、中嘉早17、中佳早66、陵兩優(yōu)7717、株兩優(yōu)829、株兩優(yōu)819、陸兩優(yōu)996、潭兩優(yōu)83、株兩優(yōu)101、株兩優(yōu)30、吉優(yōu)353、煜兩優(yōu)4156、鄱優(yōu)364、陵兩優(yōu)、慶豐優(yōu)306、中佳早29、中組3號、優(yōu)I125、五優(yōu)308、中兩優(yōu)206、溫229、冰兩優(yōu)401、優(yōu)I2009、陵兩優(yōu)0516、優(yōu)I2058、株兩優(yōu)22、湘早秈6號、株兩優(yōu)35、五豐優(yōu)623、陵兩優(yōu)32、陵兩優(yōu)942、陵兩優(yōu)7108、五優(yōu)157、五豐優(yōu)286、中早25、淦鑫203、錦兩優(yōu)816、榮優(yōu)585，共45份早稻品種，其中8個常規(guī)稻、37個雜交稻。

1.2 試驗方法

試驗于2017年在江西農(nóng)業(yè)大學作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室進行。將45個早稻品種的種子用強氯精消毒10 h后,用清水浸種24 h,在37 ℃下催芽48 h后再用清水洗凈。選取破胸一致的種子，將其均勻置于塑料盆中,每個品種播24盆,每盆15粒。供試土壤為江西農(nóng)業(yè)大學試驗田水稻土,其有機質含量為28.4 g/kg,堿解氮含量為107.2 mg/kg,速效磷含量為11.0 mg/kg,速效鉀含量為52.1 mg/kg, pH值為5.7。在人工氣候箱(由寧波江南儀器廠生產(chǎn),產(chǎn)品型號GXZ280c)常溫(25.0 ℃±1.0 ℃)條件下培養(yǎng),待水稻幼苗生長至2葉1心時,分別在25 ℃±1 ℃(CK)、5 ℃±1 ℃、8 ℃±1 ℃、11 ℃±1 ℃的光照培養(yǎng)箱中處理2 d。在處理期間每天7:00～19:00光照12 h,光照強度為22000 lx,相對濕度為60%。在處理結束后,在常溫下恢復生長2 d后取樣調查。

1.3 考察指標及考察方法

從每個處理中選取10株長勢均勻一致的水稻幼苗進行調查,3次重復。取樣時盡量保留完整根系,用直尺直接測量苗高、葉片長度及莖基寬,測定根系體積、最長根長和根數(shù),然后將測量后的葉片、莖鞘和根系用紗布擦干凈表面后用報紙包好,分別在105 ℃下殺青30 min,再在80 ℃下烘干至恒重,待冷卻至室溫后用分析天平稱量干重，取平均值。

1.4 評價方法

為了消除品種(系)間基礎性狀的差異,本試驗采用性狀相對值進行低溫耐受性評價。各指標的脅迫系數(shù)=低溫脅迫下性狀測定值/對照性狀測定值。

采用隸屬函數(shù)法計算各指標的隸屬函數(shù)值,以其平均值綜合評價水稻的耐低溫性能。計算低溫耐受性隸屬函數(shù)值的公式為：Yij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin),式中Yij表示第i品種第j評價指標的低溫耐受性隸屬函數(shù)值;Xij表示第i品種第j評價指標的測定值;Xjmin、Xjmax分別表示第j評價指標的最小值和最大值[6]。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0統(tǒng)計分析試驗數(shù)據(jù),采用最大方差法正交旋轉得出主成分因子,采用Heml 1.0 Heatmap Illustrator進行聚類熱圖分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫處理對不同早稻品種幼苗生長的影響

經(jīng)不同溫度處理后45份水稻材料幼苗生長性狀的總體表現(xiàn)見表1,可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)不同低溫處理后水稻幼苗苗高、最長根長、莖基寬、根體積、根數(shù)、葉片長度和生物量的極值和均值較對照均明顯降低。其中,5 ℃處理的各指標變異系數(shù)均高于8 ℃與11 ℃低溫處理,而8 ℃與11 ℃低溫處理雖對水稻幼苗生長產(chǎn)生了一定的影響,但最長根長、生物量及莖基寬與常溫條件下相比并未明顯降低,表明在5 ℃處理下各品種的指標能較好地反映不同品種間耐冷性的差異,適合作為耐低溫篩選溫度。在5 ℃低溫脅迫下,各指標的變異系數(shù)表現(xiàn)為生物量>最長根長>莖基寬≥根數(shù)>苗高>倒一葉長度≥倒三葉長度>倒二葉長度≥根系體積,變異系數(shù)范圍為0.06～0.21,表明幼苗苗高、最長根長、根系體積、根數(shù)、生物量、倒一葉葉長、倒二葉葉長及倒三葉葉長在5 ℃低溫脅迫條件下靈敏度較高。在正常溫度下各指標的變異系數(shù)表現(xiàn)為生物量>根系體積>苗高>最長根長>根數(shù)>倒一葉長度≥莖基寬>倒二葉長度>倒三葉長度,變異系數(shù)范圍為0.07～0.19,表明生物量、根系體積、苗高、最長根長、根數(shù)、倒一葉葉長、莖基寬、倒二葉葉長及倒三葉葉長在正常溫度條件下靈敏度較高,基本上與低溫條件下的表現(xiàn)類似,說明水稻幼苗苗高、最長根長、根系體積、根數(shù)、生物量及葉片長度可以作為不同早稻品種耐低溫的篩選指標。

表1 在不同溫度脅迫下早稻苗期農(nóng)藝性狀指標的變化情況

2.2 早稻品種在低溫條件下主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

通過對5 ℃低溫條件下9個與苗期耐冷性顯著相關的鑒定指標的相對值進行主成分分析可以發(fā)現(xiàn)(表2),提取出的3個主成分總解釋方差為70.024%,由3個新的相互獨立的綜合指標來代表原始9個指標攜帶的絕大部分信息,其中第1主成分的方差貢獻率為41.759%,第2主成分的方差貢獻率為16.309%,第3主成分的方差貢獻率為11.956%。因此,根據(jù)各主成分的貢獻率以及特征向量,得知苗高和生物量所占比例居前2位,表明在低溫脅迫下苗高和生物量最能代表不同早稻品種苗期對低溫的響應狀況。

2.3 耐低溫早稻品種的篩選

根據(jù)水稻苗期性狀指標的描述統(tǒng)計和主成分分析結果,可確定苗高和生物量作為水稻幼苗的耐低溫篩選指標。不同水稻品種在5 ℃和正常溫度下的苗高及生物量脅迫系數(shù)(相對值)見表3,結果表明,苗高相對值的變幅為0.53～0.96,均值為0.83,其中株兩優(yōu)30的脅迫系數(shù)最大,為0.96。生物量相對值的變幅為0.53～0.89,均值為0.76,其中株兩優(yōu)35的脅迫系數(shù)最大,為0.89。

采用模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)方法,以苗高和生物量脅迫系數(shù)為指標計算隸屬函數(shù)值,再將各項指標隸屬函數(shù)值的平均值作為反映水稻苗期耐低溫能力的綜合指標,隸屬函數(shù)值的平均值越大,說明耐低溫能力越強。以隸屬函數(shù)值的平均值作為指標,利用平方歐式距離法對45個早稻品種進行聚類熱圖分析,用顏色變化梯度直觀地反映數(shù)據(jù)的大小及差異(圖1)。通過分析聚類熱圖及隸屬函數(shù)值的平均值,可以將不同早稻品種分成3類：第Ⅰ類包括五豐優(yōu)623、湘早秈6號、淦鑫203、株兩優(yōu)1號及陸兩優(yōu)996等15個品種,表現(xiàn)為隸屬函數(shù)值較大(>0.50),初步認定為耐冷性品種;第Ⅱ類包括陵兩優(yōu)661、陵兩優(yōu)7717、陵兩優(yōu)0516、株兩優(yōu)35及株兩優(yōu)101等17個品種,其隸屬函數(shù)值高于0.48,低于0.50,初步認定為中等耐冷性品種;第Ⅲ類包括兩優(yōu)287、中嘉早17及株兩優(yōu)819等13個品種,表現(xiàn)為隸屬函數(shù)值較低(<0.48),初步認定為冷敏感品種。

圖1 不同早稻品種隸屬函數(shù)聚類圖

3 討論與結論

直播早稻幼苗在遭受低溫危害后,植株生長放緩,葉片萎蔫失綠,葉面積減小,干重變輕,根系體積明顯降低,嚴重時甚至出現(xiàn)爛秧死苗等癥狀[8]。盡管水稻在遭遇低溫后存活率是衡量水稻幼苗耐低溫脅迫能力的一個重要而直觀的指標,但它只針對冷害致死的情況,在低溫只造成水稻秧苗受傷害、不致其死亡的情況下,早稻幼苗的耐低溫脅迫能力會通過幼苗的生長狀況變化體現(xiàn)出來,且不同指標存在一定的關聯(lián)性[9]。

低溫對早稻幼苗的影響較為復雜,因此幼苗的耐冷性是多種因素共同作用的結果,單獨用某一個指標或某項機理來衡量水稻的耐冷性具有一定的局限性,無法準確評價其耐冷性[2]。為了全面評價早稻幼苗的耐冷性,本研究設置不同溫度梯度進行觀察,發(fā)現(xiàn)在5 ℃處理下直播早稻苗期各項指標的變異幅度較大,有利于鑒別品種的耐冷性；同時,從多個形態(tài)指標中篩選出對低溫響應最為明顯的指標,對幼苗的農(nóng)藝性狀進行綜合分析判別,結合多種分析方法確定了水稻幼苗期的耐低溫指標,而且在分析各指標時,采用的不是各指標的原始觀察值,而是各指標間的脅迫系數(shù)(相對值),消除了品種之間固有的差異,可以真正比較出不同早稻品種苗期耐冷性的差異。

耐冷性不僅包括植物對低溫脅迫的耐受能力,也包括逆境解除后迅速恢復生長的能力[10]。相關研究的結果[11-12]表明,經(jīng)低溫脅迫后水稻地上部和地下部的受損導致水稻生理代謝遲緩,后期庫容量減少,影響根部的生長和發(fā)育,導致根部吸收能力降低。因此,本試驗就低溫脅迫后恢復生長2 d的幼苗生物量、最長根長、莖基寬、根數(shù)、苗高、倒一葉長度、倒三葉長度、倒二葉長度、根系體積等指標進行了分析,低溫脅迫的后效應能更好地反映水稻的生長狀態(tài),能提高苗期耐冷性鑒定的準確性。另外,水稻幼苗期低溫脅迫明顯降低了直播早稻秧苗的葉片長度、根數(shù)、根系體積、最長根長和生物量,還顯著降低了水稻幼苗的苗高及莖基寬。通過對秧苗形態(tài)進行描述統(tǒng)計和主成分分析,將9個單項指標降維為3個彼此獨立的綜合指標,分析表明生物量與苗高在主成分分析中貢獻最大,最能代表水稻幼苗期遭遇低溫后的響應狀況,可以較為準確地反映其低溫適應性;利用隸屬函數(shù)法和聚類分析可以初步將供試早稻品種分為3類：第Ⅰ類包括五豐優(yōu)623、湘早秈6號、淦鑫203、株兩優(yōu)1號及陸兩優(yōu)996等15個品種,為耐冷性品種;第Ⅱ類包括陵兩優(yōu)661、陵兩優(yōu)7717、陵兩優(yōu)0516、株兩優(yōu)35及株兩優(yōu)101等17個品種,為中等耐冷性品種;第Ⅲ類包括兩優(yōu)287、中嘉早17及株兩優(yōu)819等13個品種,為冷敏感品種。

表3 不同早稻品種苗高及生物量的隸屬函數(shù)值