云南地方稻核心種質耐低磷材料的篩選與鑒定

云南地方稻核心種質耐低磷材料的篩選與鑒定

由于首次綠色革命肥料溶液的綠色革命運動，水稻產量顯著提高，但存在多樣性喪失、磷源破壞、污染、農業(yè)成本增加等問題。本文在水稻研究中篩選出高效、高效的磷酸鹽類型，并對磷高效基因進行了開發(fā)。近年來，它是水稻研究的國際課題和熱點。云南是中國稻種資源遺傳、生態(tài)多樣性中心和優(yōu)異種質最大的富集地區(qū),嚴重缺磷的酸性紅壤馴化出眾多的肥高效稻米品種,篩選適合于磷高效育種的特異水稻種質是可能的。植物耐低磷脅迫研究的前提是具備理想的耐低磷材料,而目前關于植物耐低磷能力評價還缺乏統(tǒng)一的指標。相對分蘗力是耐低磷特性鑒定普遍認同的指標,吳平等認為苗期測定的相對分蘗力可作為篩選耐低磷基因型和評價耐磷能力的重要參數(shù),相對分蘗力作為水稻耐低磷協(xié)迫參數(shù)早已精細定位并克隆。嚴小龍和張福鎖認為相對生物產量應作為選擇指標;申時全認為相對地上重、相對總干重可作為較好的篩選指標;李永夫認為低磷脅迫下的相對總干重是鑒定水稻磷高效品種的可靠指標。500余份云南稻種核心種質,是5285份云南地方稻種經表型取樣的初級核心種質再經形態(tài)、同工酶和分子標記相結合聚類獲得,代表了云南地方稻種絕大多數(shù)表型性狀和約90%的遺傳多樣性,是中國稻種核心種質的重要組成部分,在土壤有效磷含量分別為6.26與40mg/kg,0.02與40mg/kg條件下連續(xù)2年鑒定評價,深入研究全生育期磷高效材料評價篩選方法,高效發(fā)掘水稻磷高效種質,加速磷高效育種進程,為深入研究耐低磷機理及基因定位等研究提供重要磷高效材料。1土壤養(yǎng)分含量盆栽試驗在云南省農業(yè)科學院內露天進行。2年試驗土壤均采用昆明市阿子營鄉(xiāng)20多年未施化肥的酸性紅壤水稻田表層土(有效磷濃度不同),2003年土壤經云南省農科院土肥所測定有效磷和總磷含量分別為6.26mg/kg和0.111%,水解氮和全氮含量分別為155.80mg/kg和0.194%,有效鉀和全鉀含量分別為207.15mg/kg和0.970%,有機質4.54%,pH5.31。2004年土壤測定有效磷和總磷含量分別為0.02mg/kg和0.105%,水解氮和全氮含量分別為146.99mg/kg和0.182%,pH值5.49。核心種質每盆4.0kg土壤栽3苗,每個材料栽2盆,2種處理(2003年不施磷肥即有效磷P06.26mg/kg和施用磷肥有效磷達40mg/kgP40;2004年不施磷肥即P00.02mg/kg和施用磷肥有效磷達40mg/kgP402種處理;),2重復。苗期調查最高莖蘗數(shù)。為了消除不同品種間自身的基因型差異,采用公式T=T0/TP×100計算相對分蘗(T),T0代表不施磷水稻分蘗,TP代表施磷的水稻分蘗。收種時考察株高、穗數(shù)、穗頸長、穗下節(jié)長、劍葉長寬等性狀,并將植株地上部分和地下部分風干后稱量,獲得株穗重、地上重、地下重和總干物重,用類似方法計算相對性狀值。計算水稻核心種質相對性狀指數(shù)的平均值、標準差(s)及變異系數(shù)(c.v.%),用SPSS軟件進行相關性分析,檢驗差異顯著性。2結果與分析2.1各性狀與相對蝌蚪相關系數(shù)6.26mg/kg低磷脅迫與40mg/kg正常有效磷條件下核心種質的13個相對形態(tài)性狀間的相關系數(shù)列于表1對角線下方:由13個相對性狀組成的78對性狀中有37對性狀間達極顯著相關,8對性狀間達顯著相關;有5個性狀與相對分蘗力的相關系數(shù)高于0.2:相對有效穗>相對株穗重>相對總干重>相對地上干重>相對地下重;其余8個性狀與相對分蘗相關系數(shù)為-0.121**~0.009;有4個性狀與相對株穗重的相關系數(shù)高于0.2:相對總干重>相對分蘗力>相對有效穗>相對地下重;其余8個性狀與相對株穗重相關系數(shù)為-0.081~0.009。0.02mg/kg低磷脅迫與40mg/kg正常有效磷條件下核心種質的13個相對形態(tài)性狀間的相關系數(shù)列于表1對角線上方:表1對角線下方由13個相對性狀組成的78對性狀中有54對性狀間達極顯著相關,6對性狀間達顯著相關;有2個性狀與相對分蘗力的相關系數(shù)高于0.2:相對有效穗>相對總干重;其余10個性狀與相對分蘗相關系數(shù)為0.178**~0.004;有5個性狀與相對株穗重的相關系數(shù)高于0.2:相對地上重>相對總干重>相對實粒數(shù)>相對結實率>相對穗長;其余8個性狀與相對分蘗相關系數(shù)為0.188**~0.031。2.2核心種質抗低磷性能在實際工作中發(fā)現(xiàn),單一的篩選指標極易造成試驗偏差,應盡量綜合考慮多個指標進行篩選。在6.26與40mg/kg有效磷條件下,相關分析表明,相對株穗重與相對總干重、相對分蘗力、相對有效穗和相對地下重相關系數(shù)較高,綜合考慮認為選擇相對株穗重、相對分蘗、相對總干重和地下重作為耐低磷的篩選指標為較合理,權重系數(shù)分別為0.3,0.25,0.25,0.2,根據(jù)上述4者的加權值及其田間觀察表現(xiàn)綜合評定種質的耐性等級。在0.02與40mg/kg有效磷條件下,核心種質在近乎無有效磷的極端低磷脅迫下,磷高效材料表現(xiàn)為大穗大粒、結實率較好、籽粒產量高。相對分蘗力與相對株穗重相關系數(shù)為0.031,無顯著相關性,這里相對分蘗力不宜作為篩選指標,選擇相對株穗重、相對地上重、相對總干重和實粒數(shù)作為耐低磷的篩選指標,權重系數(shù)為0.35,0.25,0.25,0.15。2.3不同低磷土壤中磷的處理將2003、2004年鑒定數(shù)據(jù)根據(jù)以上加權綜合指標進行分級(表2)。不同程度(濃度)的低磷脅迫對磷高效種質的篩選結果影響很大(表3)。2003年,在土壤有效磷6.26與40mg/kg下,強耐低磷1級66份,占12%;中強耐低磷3級122份,占22.6%,弱耐低磷9級32份,占5.9%。2004年,在有效磷0.02與40mg/kg土壤條件下,強耐低磷1級49份,占9.2%;中強耐低磷3級56份,占10.5%,弱耐低磷9級157份,占29.5%?？梢?隨低磷程度的增強,強耐低磷等級品種份數(shù)減少,而弱耐低磷等級份數(shù)大大增加。2年的鑒定中,2003年種質鑒定1級、3級在2004年等級普遍降低;2003年為1、3級耐低磷品種在2004年有個別變?yōu)?級;但也有個別種質2003年鑒定為3、5級在2004年越為1級;但沒有2003年鑒定為9級而2004年鑒定為1、3級的情況出現(xiàn)。說明在不同低磷土壤濃度下,采用不施磷肥來鑒定耐低磷資源具有一定的可靠性,但應該在鑒定結果基礎上,對鑒定出的磷高效材料復篩,以檢驗結果的可靠性和重復性。綜合2年的盆栽鑒定結果及田間觀察的綜合農藝性狀,初步鑒定出大墨谷、西洋谷、毫漢多、糯谷、花谷三百棒、黃皮糯等12份超強耐低磷品種(有效磷6.26、0.02mg/kg2種條件下耐低磷等級均表現(xiàn)為1級),還選出40份在2年耐低磷等級表現(xiàn)為1級或3級的強耐低磷品種。另外,鑒定出8份具有代表性的弱耐低磷9級磷敏感品種,如西盟谷、紅米寒窩電、小白掉、丫丫谷、粘糯、合系35。這些品種可作為耐低磷機理、基因定位研究和磷高效新品種選育的重要親本材料。2.4耐低磷品種少,比光殼稻強表4、表5分別列出了在有效磷6.26與40mg/kg,0.02與40mg/kg條件下云南稻核心種質各生態(tài)群品種在各耐低磷級別的分布情況。2年的耐低磷鑒定結果顯示:①秈稻中耐低磷品種的比例明顯較高,秈稻比粳稻的耐低磷能力較強,這與杜娟(2007)的研究結果也吻合。2003年,強耐低磷等級(1級和3級),秈稻101份,占43.7%;粳稻98份,占31.6.0%。2004年,秈稻54份,占24.8%,粳稻51份,占16.2%。②光殼稻的耐低磷能力比非光殼稻(具稃毛)弱,光殼稻中強耐低磷品種的比例明顯較低。2003年,強耐低磷等級(1級和3級),光殼稻10份,占25%;非光殼稻199份,占39.7%2004年,光殼稻5份,占12.8%;非光殼稻100份,占28.2%。③粘稻和糯稻、水稻和陸稻耐低磷能力無明顯差異。由此推測,耐低磷特性與秈粳分化及稃毛的有無可能關系密切。3討論3.1云南酸性土壤有效磷的選擇土培常被認為是礦質營養(yǎng)基因型篩選最理想、最可靠的方法,相比大田其環(huán)境易于控制,相比砂培和液培來說更接近于大田生長環(huán)境,本試驗采用此方法還考慮到土培盆栽鑒定可以完整取出稻株的根部,獲得地下干重。一般而言,在實際篩選中采用多大濃度的脅迫程度,要綜合考慮研究材料的豐富程度和育種目標的要求。據(jù)1989年《云南省第二次土壤普查資料》,云南有效磷低于6mg/kg水田超過50%以上,有效磷低于2mg/kg的水田面積在10%左右。因此,篩選濃度和梯度也應該根據(jù)云南土壤有效磷濃度的分布特點制定。本試驗土壤取自昆明阿子營鄉(xiāng)大竹園村20多年未施化肥的酸性紅壤水稻田表層土,6.26、0.02mg/kg的有效磷均為土壤的原生態(tài)含量,選用有效磷6.26、0.02mg/kg低磷土是充分考慮了云南的酸性紅壤有效磷偏低的特點,具有一定代表性。而本試驗在有效磷0.02mg/kg(但總磷為1050mg/kg)極端條件下,仍可以篩選出磷高效品種49份,說明保守的云南稻核心種質經數(shù)千萬年的低磷馴化耐低磷能力可能強于其他國家或地區(qū)的品種,云南嚴重缺磷酸性紅壤造就了核心種質超強的耐低磷特性,長期低磷馴化所形成的磷高效材料十分寶貴。3.2以總生物量為指標應區(qū)別對待目前關于植物耐低磷能力評價還缺乏統(tǒng)一的方法。傳統(tǒng)方法利用單一指標篩選因試驗誤差關系易造成偏差,因此應綜合多個指標進行篩選。植物的磷效率一般定義為植物(或植物的器官)吸收(或積累)單位磷量所獲得的生物學產量或者經濟產量。對于收獲種子的作物(以籽粒產量為指標)和收獲產量的作物(以總生物量為指標)應區(qū)別對待。水稻是收獲種子的作物,因此全生育期的云南稻核心種質對無效磷的活化特性最終反映在成熟籽粒質量(株穗重),相對株穗重應作為磷高效材料評價的最重要的首選指標,而相對生物量或者相對地上等僅作為輔助參考指標。本試驗以相對株穗重和與相對株穗重密切相關的多個耐低磷性狀的加權值作為磷高效材料評價的綜合指標篩選方法,對今后磷高效評價方法研究具有參考意義。另外,低磷脅迫下的分蘗力是廣泛認可的評價參數(shù),研究中發(fā)現(xiàn)在有效磷0.02mg/kg極端低磷土壤條件下,核心種質多數(shù)材料表現(xiàn)為不分蘗,穗發(fā)育遲緩,結實率低;而磷高效材料表現(xiàn)為單穗、大穗大粒、結實率好、籽粒飽滿、產量高。相對株穗重與相對分蘗相關系數(shù)為0.031,無顯著相關性,相對分蘗力不能作為耐低磷篩選的指標之一。因此針對不同濃度的低磷脅迫,篩選指標應不同,沒有一成不變的標準。本文提出的全生育期磷高效材料評價方法,仍需在今后鑒定工作中進一步驗證。3.3osptf1基因轉導型水稻品種的選育磷高效水稻兼具自然增產較高和人為施肥后(少施肥)高產高效的雙重優(yōu)勢,是提高土壤潛在磷利用效率的一種途徑。選育高效利用土壤無效磷的磷高效品種和發(fā)掘磷高效基因,已成為近年來的國際前沿課題和熱點領域。國內外磷高效基因定位克隆進展顯著。吳平等(2000)對水稻磷效率基因進行QTL定位,耐低磷主效基因位于第12條染色體上(PHO),與GR9連鎖。明鳳等從水稻分離出磷酸鹽轉運蛋白編碼基因OsPT6,并對其表達和功能進行了初步研究;Wissuwa等(2002)定位了主效QTL耐低磷基因Pup1與S10043標記共分離,位于S13126~S13752,相距0.3cM。利用遺傳育種手段來提高磷高效水稻亦有成功報道。Wissuwa(2001)將現(xiàn)代品種Nipponbare與傳統(tǒng)品種Kasalath(耐低磷)雜交鑒定到一個QTL,回交