李鐵梅,陳 亮,樓巧君

(上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

水稻是我國最主要的糧食作物之一,提高水稻產(chǎn)量對于保障我國糧食安全具有重大意義。但水稻生產(chǎn)消耗了我國農(nóng)業(yè)灌溉總用水量的近70%,目前超過60%的水田受到不同程度的干旱危害[1-2],我國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,其強弱基本決定了作物抗旱性的強弱。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,避旱性越強。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)掘了多個深根比相關(guān)的QTL,并首次克隆了深根比基因Dr01,證實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行了深根比QTL定位分析,檢測到5個主效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)。

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

1 材料與方法

1.1 試驗材料

12份水稻材料以及2個參比材料(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,是一個在我國廣泛應(yīng)用的秈稻品系;高深根比參比材料CK2為‘IRAT109’,是來自國際熱帶農(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 試驗方法

1.2.1 籃子法檢測深根比

(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地進行試驗。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,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,且無明顯的石塊、土面高低均勻。每行3個籃子,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,挑選長勢一致的幼苗,將其移栽至田間籃子正中央,種植深度為土下2 cm,每個籃子種植1株苗,每個材料12個重復(fù)。參比材料珍汕97B(CK1)和‘IRAT109’(CK2)間隔插種在試驗材料中,共24個重復(fù)。采用常規(guī)的水稻種植管理措施,保持土壤濕潤,定期去除籃子內(nèi)外雜草。

(3)深根比的檢測

2021年3—5月在海南陵水基地于3個田塊分別進行深根比試驗。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3塊水田的14個材料進行數(shù)根。

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

每塊地隨機找3個位置,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)境保護研究所進行土壤質(zhì)地和pH檢測。分類標(biāo)準(zhǔn)參考國際土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn),分別檢測黏粒(＜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 不同時間對深根比均值影響

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

表2 不同時間14個材料深根比均值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)地對深根比的影響

對田塊1、田塊2和田塊3進行土壤質(zhì)地檢測,按照國際標(biāo)準(zhǔn)分別檢測黏粒(＜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。說明田塊1的土壤質(zhì)地對深根比有顯著影響,推測可能是因砂粒比例的增大導(dǎo)致深根比減小。

2.1.3 水、旱處理對深根比的影響

對田塊3進行旱處理,生長50 d時進行深根比檢測,結(jié)果如表3所示。水、旱處理對株高和深根比影響不顯著,但是旱種會減少分蘗和根的數(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)根時間、不同田塊試驗材料的深根比值不同。為了使避旱性的鑒定更具有普適性,本試驗引入了兩個參比材料,每次試驗時將參比材料插入到試驗材料中,在相同生長環(huán)境和相同數(shù)根時間進行深根比鑒定,最后以“試驗材料深根比∕參比材料深根比”這一相對值作為避旱性判斷標(biāo)準(zhǔn)。測試的判斷標(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,占總量的38.89%,原因可能是此時根生長還不完全,未進入穩(wěn)定狀態(tài),因此,在30 d數(shù)根不適用這個標(biāo)準(zhǔn);40 d數(shù)根時,3塊田所有試驗材料都符合預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn);50 d數(shù)根時,田塊2有兩個材料不符合(表4)。以上結(jié)果說明,40 d數(shù)根時,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)進行避旱性強弱分級是可行的,與預(yù)期結(jié)果完全吻合。

表4 試驗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)多點驗證

2.2.1 不同土壤質(zhì)地對深根比的影響

于2021年7—9月江西高安江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院實驗基地、上海奉賢東海農(nóng)場和上海金山廊下鎮(zhèn)3個不同地點進行深根比標(biāo)準(zhǔn)驗證(表5)。同時對3個地點田塊的土壤質(zhì)地和pH進行檢測,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)間隔插種在試驗材料中,移栽后40 d進行數(shù)根,其株高、分蘗數(shù)、淺根和深根數(shù)等見表6。不同地點同樣材料的深根比表現(xiàn)不同,說明土壤粒徑大小和pH對深根比影響顯著。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’的均值達到72.53%;在上海奉賢東海農(nóng)場的堿性砂質(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pH是增大這種差異的主要原因,較低的pH會整體提高深根比值。

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

2.2.2 避旱性鑒定標(biāo)準(zhǔn)的驗證

不同地點相同試驗材料的深根比表現(xiàn)不同,利用預(yù)設(shè)的避旱性標(biāo)準(zhǔn)對不同地點的數(shù)據(jù)進行驗證。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個地點12個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,再次驗證了這個避旱性判斷標(biāo)準(zhǔn)的可行性、準(zhǔn)確性和普適性,可作為未來進行避旱性分類的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

表7 試驗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”對水稻深根比進行表型鑒定,評估了不同水稻試驗材料的避旱性,研制出了避旱性鑒定的標(biāo)準(zhǔn)。

1)試驗材料移栽到籃子后40 d左右,進行深根比表型鑒定最佳。移栽后30 d時,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,說明移栽后40 d時根數(shù)已經(jīng)穩(wěn)定。

2)不同的土壤質(zhì)地對深根比的影響顯著。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)兩個參比材料,測定同樣生境下試驗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)過春季海南預(yù)試驗和夏季多點的驗證,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)判斷避旱性強弱與已知結(jié)果完全吻合,說明用參比材料進行深根比避旱性鑒定的方法可靠、穩(wěn)定且具有普適性,可用作未來水稻避旱性強弱判斷的標(biāo)準(zhǔn)。