水稻耐酸性綜合評(píng)價(jià)及耐酸種質(zhì)篩選

關(guān)鍵詞： 水稻；苗期；酸處理；綜合評(píng)價(jià)

土壤酸化是土壤形成和發(fā)育過程中普遍存在的現(xiàn)象[1]，是一個(gè)非常緩慢的過程[2?3]。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，工業(yè)排放的酸性氣體以及人類不合理的耕作與栽培措施等引起土壤酸化加劇[4?8]，導(dǎo)致南方紅黃壤酸性不斷加重，嚴(yán)重影響南方紅黃壤肥力和作物產(chǎn)能提升[9?10]。因此，選育和推廣耐酸高產(chǎn)作物品種，是提升我國南方紅黃壤作物產(chǎn)能的重要措施之一，對(duì)保證我國糧食安全具有重要意義。

土壤酸化能活化土壤中的重金屬[11?12]，降低土壤對(duì)重金屬的緩沖能力，增加重金屬對(duì)作物的毒害。酸化使土壤中的Al³⁺大量釋放造成鋁毒，導(dǎo)致植物根系生長不良、根系活力下降，影響根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收[13]。此外，土壤酸化后磷酸根離子易與Fe³⁺和Al³⁺等金屬離子反應(yīng)生成難溶性的磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽，導(dǎo)致土壤嚴(yán)重缺磷[14]。酸化土壤中的大量H+進(jìn)入根細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)，使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)pH下降，酶活性降低，生物自由基積累，加劇植物根系的毒害作用[15]；其次酸化會(huì)降低土壤酶活性，抑制土壤中微生物的生長，影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解和土壤礦質(zhì)元素的循環(huán)，導(dǎo)致土壤供肥能力下降[16]。目前關(guān)于土壤酸化對(duì)作物生長影響的研究主要集中在大豆[17]、油菜[18]、小麥[19]等作物，對(duì)水稻的研究相對(duì)較少。

全球大約有325 萬hm²水稻生長在酸性土壤上[19?22]。土壤酸化已經(jīng)成為我國南方地區(qū)水稻生產(chǎn)中的主要障礙因素之一。研究表明，不同作物或同一作物不同基因型耐酸性存在遺傳多樣性[23?26]。周娟等[27]利用發(fā)芽指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)評(píng)價(jià)水稻耐酸性篩選耐酸品種，發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶（CAT） 活性、丙二醛（MDA）含量與單株產(chǎn)量變異幅度顯著相關(guān)，可用于評(píng)價(jià)水稻耐酸特性[28]。此外，采用簡單鈣溶液法和全營養(yǎng)液法對(duì)139份大豆種質(zhì)進(jìn)行耐酸鋁分析，以主根相對(duì)伸長率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析大豆對(duì)酸鋁毒的耐性表現(xiàn)[29]。但作物耐酸性是受多因素影響的復(fù)雜性狀，單一指標(biāo)可能難以反映作物的耐酸性?；诖耍叫栝_展南方水稻耐酸指標(biāo)篩選及評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建，研究結(jié)果將對(duì)耐酸水稻新品種選育和因地試種具有重大意義。

因此，本研究選取了我國南方主要水稻產(chǎn)區(qū)的96份品種進(jìn)行酸處理，在苗期測定根長、株高、地上部鮮重等10 個(gè)性狀指標(biāo)，并利用相關(guān)性分析、主成分分析、隸屬函數(shù)法、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度和逐步回歸分析對(duì)不同水稻品種進(jìn)行耐酸綜合評(píng)價(jià)，建立了水稻耐酸評(píng)價(jià)模型，篩選了具有較強(qiáng)耐酸性的水稻品種。隨后，在田間條件下評(píng)估了耐酸水稻品種的耐酸性。研究結(jié)果可為耐酸水稻品種的選育及推廣提供理論依據(jù)，具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試水稻品種主要來源于我國南方水稻主產(chǎn)區(qū)，包括福建、廣東、廣西、江西、浙江等不同來源，共96 份（表1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2023 年在福建農(nóng)林大學(xué)海峽生態(tài)環(huán)境工程研究院進(jìn)行。塑料盆上直徑20 cm，下直徑16 cm，高15 cm。供試土壤取自福建農(nóng)林大學(xué)科教基地，土壤為水稻土，其化學(xué)性質(zhì)為：pH 6.18，有機(jī)質(zhì)22.7 g/kg，全氮1.57g/kg，全磷0.64g/kg，全鉀22.90 g/kg。試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)處理，分別為pH 4.19 （酸處理） 和pH 6.18 （對(duì)照處理），向?qū)φ胀寥兰尤?mol/L硫酸調(diào)節(jié)土壤pH 至4.19[29?36]，加酸量為500 mL/kg[30]。挑選完整飽滿均勻的水稻種子，經(jīng)浸種催芽后，分別播種在2 個(gè)不同pH 的土壤里，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)。定期澆水，水稻處理21天后取樣，并進(jìn)行指標(biāo)測定。

田間試驗(yàn)于2023年在福建省福州市閩侯農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)福建省野外科學(xué)觀測研究站進(jìn)行，分別選取篩選到的極耐酸型水稻品種和敏感型水稻品種開展田間驗(yàn)證試驗(yàn)。土壤為水稻土，其基本化學(xué)性質(zhì)為：pH 5.0，有機(jī)質(zhì)36.81 g/kg，全氮1.61 g/kg，全磷0.70 g/kg，全鉀25.03g/kg。水稻浸種后，在田間苗圃育苗，培養(yǎng)1個(gè)月后插秧。鉀肥和磷肥作為基肥，分別施用K₂O 150 kg/hm²"及P₂O₅"45 kg/hm²；在插秧前、分蘗期和抽穗期分別施加氮肥（尿素） 50、33 和17 kg/hm²。水稻插秧間距為20 cm×20 cm，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)1.5 m²。分別在分蘗期、拔節(jié)期、成熟期取樣測定株高，在成熟期測定千粒重、結(jié)實(shí)率及產(chǎn)量。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

室內(nèi)培養(yǎng)水稻取樣后，將水稻根系清洗干凈，用吸水紙吸干根系表面水分，分別測定株高、地上部鮮重、根鮮重和總根長。利用 EPSON Expression12000XL 根系掃描儀掃描根系，然后通過WinRHIZOPro 2018分析軟件分析總根長、總根表面積和總根體積。將地上部和根系在80℃ 烘干至恒重后測量干重。由地上部鮮重和根系鮮重相加計(jì)算總鮮重；根冠比為根系干重與地上部干重的比值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Excel 2020統(tǒng)計(jì)、處理原始數(shù)據(jù)并作相關(guān)圖表；采用IBM SPSS Statistics 27軟件進(jìn)行主成分析；采用Origin 2021進(jìn)行相關(guān)性分析；采用GraphPad Prism 制作相關(guān)分析圖，R 語言進(jìn)行聚類分析。采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行耐酸綜合評(píng)價(jià)[37?41]。

耐酸系數(shù)=酸脅迫條件下的測定值/正常條件下的測定值

2 結(jié)果與分析

2.1 酸性土壤對(duì)水稻苗期生長的影響

測定對(duì)照及酸處理下水稻苗期的10個(gè)性狀指標(biāo)（株高、總根長、地上部鮮重、根系鮮重、總鮮重、地上部干重、根系干重、根冠比、根系總表面積和總根體積）。與對(duì)照處理相比，酸處理下水稻總根長、根系鮮重、總鮮重、根冠比和根系總表面積均顯著降低（圖1）。酸處理下，株高、地上鮮重、地上干重、根冠比和總鮮重分別較對(duì)照處理下降4.82%、8.61%、12.01%、26.73%、18.72%。此外，酸處理的水稻總根長、根系鮮重、根系干重、根系總表面積和總根體積分別為對(duì)照處理的0.7、0.6、0.8、0.8 和0.9 倍。以上結(jié)果表明，酸性土壤對(duì)水稻生長具有較強(qiáng)的抑制作用。

2.2 水稻苗期各性狀耐酸系數(shù)描述性分析及相關(guān)性分析

為了避免品種間的生物學(xué)差異，本研究采用耐酸系數(shù)作為水稻耐酸性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由表2可知，各性狀的相對(duì)值以總根長最小，為0.782；株高和地上部鮮重較大，分別為0.967 和0.957。總體上，水稻苗期各項(xiàng)指標(biāo)的耐酸系數(shù)平均值均小于1，10項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)范圍為22.07%～65.99%，具體表現(xiàn)為根系鮮重gt;根系干重gt;總鮮重gt;總根長gt;根系總表面積gt;總根體積gt;根冠比gt;地上部鮮重gt;地上部干重gt;株高，其中根系鮮重變異系數(shù)為65.99%，株高變異系數(shù)為22.07%，不同水稻品種各項(xiàng)指標(biāo)的耐酸系數(shù)變幅較大，可見不同品種水稻在酸性土壤下各指標(biāo)均存在不同程度的變化。

隨后，本研究對(duì)10 個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果（圖2） 表明相對(duì)根冠比與相對(duì)總根長呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.72 （Plt;0.001），與相對(duì)地上部鮮重相關(guān)性不顯著；根冠比與地上部干重呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），與根系干重呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01）。相對(duì)總根長、相對(duì)株高、相對(duì)根系鮮重、相對(duì)總鮮重、相對(duì)總根體積和相對(duì)根系干重之間存在著極顯著正相關(guān)（Plt;0.001）。各單項(xiàng)指標(biāo)間表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性，說明其提供的信息相互重疊，利用單個(gè)指標(biāo)難以準(zhǔn)確地進(jìn)行耐酸性評(píng)價(jià)[42]，綜合各項(xiàng)指標(biāo)能更有效地篩選耐酸水稻品種。

2.3 水稻苗期各性狀耐酸系數(shù)的主成分分析

由表3可知，前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為70.904%、11.137% 和6.747%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.788%。以上3個(gè)主成分基本代表了原始10個(gè)指標(biāo)所攜帶的絕大部分信息，其余貢獻(xiàn)率較小的主成分可忽略不計(jì)。其中，對(duì)第一主成分中正貢獻(xiàn)率最高的指標(biāo)是相對(duì)總鮮重和相對(duì)總根體積，對(duì)第二主成分中正貢獻(xiàn)率最高的指標(biāo)是相對(duì)根冠比，對(duì)第三主成分中正貢獻(xiàn)率最高的指標(biāo)是相對(duì)根系干重。綜合3個(gè)主成分所攜帶的信息，可以用相對(duì)總鮮重、相對(duì)總根體積、相對(duì)根冠比和相對(duì)根系干重4個(gè)指標(biāo)來概括10個(gè)指標(biāo)大部分信息，作為耐酸水稻品種的主要篩選指標(biāo)。

2.4 不同水稻品種耐酸性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)公式進(jìn)行隸屬函數(shù)值和耐酸性綜合評(píng)價(jià)值（D 值） 計(jì)算，D值為各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值之和，可反映供試水稻的耐酸性強(qiáng)弱，D值越大表示耐酸性越強(qiáng)，反之越弱[3] （圖3）?；?6 份水稻品種的D值大小，我們采用歐式距離平均聯(lián)接方法進(jìn)行聚類分析，將96 份水稻品種分為4 個(gè)類群。第I 類屬于極耐酸型，第II類屬于耐酸型，第III類屬于中間型，第IV 類屬于敏感型。第I 類屬于極耐酸型水稻品種，包括榕夏兩優(yōu)686、和鑫5號(hào)、晶兩優(yōu)534等共4份種質(zhì)，占供試材料總數(shù)的4.17%；第II 類屬于耐酸型水稻品種，包括禾兩優(yōu)686、糯兩優(yōu)561、華優(yōu)鈺禾等9 份種質(zhì)，占供試材料總數(shù)的9.38%；第III 類屬于中間型水稻品種，包括粵晶絲苗2號(hào)、昌兩優(yōu)8 號(hào)和桂育18 號(hào)等共47 份種質(zhì)，占供試材料總數(shù)的48.96%；第IV 類屬于敏感型水稻品種，包括野香優(yōu)航148、福玖優(yōu)2165 和紫兩優(yōu)737 等共36份種質(zhì)，占供試材料總數(shù)的37.50%。

2.5 建立水稻苗期耐酸鑒定體系

如表4 所示，不同水稻品種的耐酸系數(shù)與D值的關(guān)聯(lián)度從大到小依次為根系鮮重、總鮮重、根系總表面積、總根長、總根體積、根冠比、地上部鮮重、株高、根系干重、地上部干重?？傮w上，各關(guān)聯(lián)度間的差值較小，根系鮮重、根系干重和總鮮重排序相對(duì)靠前，可作為水稻耐酸性初步鑒定的指標(biāo)。為了進(jìn)一步分析水稻苗期各單項(xiàng)指標(biāo)耐酸系數(shù)與水稻耐酸性之間的關(guān)系，篩選出耐酸鑒定指標(biāo)，建立耐酸評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行水稻耐酸預(yù)測。以10 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)耐酸系數(shù)為自變量、不同水稻的耐酸綜合評(píng)價(jià)值D 值為因變量，進(jìn)行逐步回歸，構(gòu)建最優(yōu)回歸方程： D=?7.96×10^?11+1.067X_總鮮重+0.6X_總根長+0.627X_總根體積+0.438X_株高+0.236X_根系干重"（R²=0.989，F(xiàn)=1675.663**）。由最優(yōu)回歸方程知，總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重的耐酸系數(shù)可作為鑒定水稻苗期耐酸性的主要指標(biāo)，回歸方程預(yù)測準(zhǔn)確度高、效果較好。因此，在水稻苗期測定其總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重，并通過回歸方程估算其D 值，用于評(píng)價(jià)水稻苗期耐酸性，篩選耐酸水稻品種。

2.6 耐酸水稻品種田間驗(yàn)證

為了驗(yàn)證土壤酸化對(duì)水稻中后期生長發(fā)育的影響，我們在田間酸性土壤中對(duì)室內(nèi)鑒定的耐酸及酸敏感水稻進(jìn)行了驗(yàn)證。共挑選30個(gè)耐酸型水稻品種（榕夏兩優(yōu)686、和鑫5號(hào)和晶兩優(yōu)534等） 及20個(gè)酸敏感型水稻品種（野香優(yōu)航148、福玖優(yōu)2165和紫兩優(yōu)737等）。在分蘗期、拔節(jié)期和成熟期，耐酸水稻品種的平均株高分別比酸敏感水稻品種高29.35%、49.76% 和44.65% （圖4）。同時(shí)，耐酸水稻品種的平均結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量分別是酸敏感水稻品種的4.2和3.5倍（圖5）。此外，耐酸水稻品種的平均千粒重比酸敏感水稻品種高47.04% （圖5）。

3討論

根系生長與植物耐酸鋁性之間存在顯著相關(guān)性[43]。通過分析酸脅迫下花生植株生長、發(fā)育及物質(zhì)積累相關(guān)性狀和產(chǎn)量穩(wěn)定性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)根系總體積和根系干重是評(píng)價(jià)花生耐酸性的重要指標(biāo)[44]。大豆耐酸鋁能力與根系有密切關(guān)系，耐酸鋁毒大豆基因型的根系體積大，吸收面積大，吸收能力強(qiáng)，根部的許多性狀如主根長、根系總長度、根干重、根鮮重等均可作為大豆耐鋁毒評(píng)價(jià)指標(biāo)[45?46]。本研究通過灰色關(guān)聯(lián)度分析和逐步回歸分析，篩選出總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重5 項(xiàng)耐酸性鑒定指標(biāo)，與Sta 等[46]的研究結(jié)果一致。本研究將水稻品種分為極耐酸型、耐酸型、中間型和敏感型4 個(gè)等級(jí)。這種分類有助于明確不同水稻品種在酸性土壤中的適應(yīng)性，為水稻品種的選育和推廣提供了科學(xué)依據(jù)。極耐酸型品種在生產(chǎn)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能在酸性土壤中保持較高的生產(chǎn)力，為糧食安全提供保障[47?51]。

酸性土壤（pHlt;5.5） 條件下，鋁的可溶性會(huì)顯著增加，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)植物有毒害作用的Al3+[52?54]。植物根系分泌有機(jī)酸是最重要的耐酸鋁機(jī)制[55]，檸檬酸和蘋果酸被認(rèn)為是緩解水稻鋁毒的主要有機(jī)酸[56]。與鋁敏感水稻相比，耐鋁水稻品種在鋁脅迫下能保持根細(xì)胞中蛋白質(zhì)含量[57]。本研究通過主成分分析，將水稻總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重作為鑒定耐酸性的主要指標(biāo)，這與Chen等[55]的研究結(jié)果相似。Chen 等[55]以株高、根長、根干重、根鮮重及幼苗干重為指標(biāo)，從211份秈稻中鑒定出了21個(gè)與耐鋁相關(guān)的候選基因，表明總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重對(duì)水稻耐酸鋁性具有重要作用。此外，植物激素（生長素、乙烯及細(xì)胞分裂素等） 主要通過調(diào)控根系有機(jī)酸分泌、細(xì)胞壁修飾等過程控制根系對(duì)鋁毒的響應(yīng)[58]。本研究中，耐酸水稻品種總根長顯著高于酸敏感品種，可能是由于水稻生長素內(nèi)流蛋白OsAUX3在其中起作用[58?59]。

土壤酸化是我國南方地區(qū)水稻生產(chǎn)中的主要障礙因素之一。本研究中，晶兩優(yōu)534是極耐酸水稻品種，在室內(nèi)及田間酸脅迫下具有較高的總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重。此外，晶兩優(yōu)534 是近年在華南地區(qū)大面積推廣的兩系雜交稻之一，說明晶兩優(yōu)534具有較強(qiáng)的耐酸性及較好的生產(chǎn)應(yīng)用潛力。同時(shí)，也進(jìn)一步說明本研究中耐酸水稻品種篩選指標(biāo)的合理性。

4 結(jié)論

本研究建立了一套水稻苗期耐酸性的綜合評(píng)價(jià)體系，并通過聚類分析和逐步回歸分析篩選出了4份極耐酸型水稻品種和36份敏感型水稻品種，通過關(guān)聯(lián)度和逐步回歸分析，構(gòu)建最優(yōu)回歸方程篩選出總鮮重、總根長、總根體積、株高和根系干重5 項(xiàng)指標(biāo)可作為水稻苗期耐酸性快速鑒定指標(biāo)。以上結(jié)果不僅豐富了水稻耐酸性篩選的理論體系，也為耐酸水稻品種的選育提供理論依據(jù)。