云南地方稻核心種質(zhì)耐低磷材料的篩選與鑒定

云南地方稻核心種質(zhì)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(yùn)動(dòng)，水稻產(chǎn)量顯著提高，但存在多樣性喪失、磷源破壞、污染、農(nóng)業(yè)成本增加等問(wèn)題。本文在水稻研究中篩選出高效、高效的磷酸鹽類型，并對(duì)磷高效基因進(jìn)行了開發(fā)。近年來(lái)，它是水稻研究的國(guó)際課題和熱點(diǎn)。云南是中國(guó)稻種資源遺傳、生態(tài)多樣性中心和優(yōu)異種質(zhì)最大的富集地區(qū),嚴(yán)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(zhì)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(guān)于植物耐低磷能力評(píng)價(jià)還缺乏統(tǒng)一的指標(biāo)。相對(duì)分蘗力是耐低磷特性鑒定普遍認(rèn)同的指標(biāo),吳平等認(rèn)為苗期測(cè)定的相對(duì)分蘗力可作為篩選耐低磷基因型和評(píng)價(jià)耐磷能力的重要參數(shù),相對(duì)分蘗力作為水稻耐低磷協(xié)迫參數(shù)早已精細(xì)定位并克隆。嚴(yán)小龍和張福鎖認(rèn)為相對(duì)生物產(chǎn)量應(yīng)作為選擇指標(biāo);申時(shí)全認(rèn)為相對(duì)地上重、相對(duì)總干重可作為較好的篩選指標(biāo);李永夫認(rèn)為低磷脅迫下的相對(duì)總干重是鑒定水稻磷高效品種的可靠指標(biāo)。500余份云南稻種核心種質(zhì),是5285份云南地方稻種經(jīng)表型取樣的初級(jí)核心種質(zhì)再經(jīng)形態(tài)、同工酶和分子標(biāo)記相結(jié)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(guó)稻種核心種質(zhì)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(píng)價(jià),深入研究全生育期磷高效材料評(píng)價(jià)篩選方法,高效發(fā)掘水稻磷高效種質(zhì),加速磷高效育種進(jìn)程,為深入研究耐低磷機(jī)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(yàn)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)露天進(jìn)行。2年試驗(yàn)土壤均采用昆明市阿子營(yíng)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(jīng)云南省農(nóng)科院土肥所測(cè)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(jī)質(zhì)4.54%,pH5.31。2004年土壤測(cè)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(zhì)每盆4.0kg土壤栽3苗,每個(gè)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(dá)40mg/kgP40;2004年不施磷肥即P00.02mg/kg和施用磷肥有效磷達(dá)40mg/kgP402種處理;),2重復(fù)。苗期調(diào)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(jì)算相對(duì)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(shí)考察株高、穗數(shù)、穗頸長(zhǎng)、穗下節(jié)長(zhǎng)、劍葉長(zhǎng)寬等性狀,并將植株地上部分和地下部分風(fēng)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(jì)算相對(duì)性狀值。計(jì)算水稻核心種質(zhì)相對(duì)性狀指數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差(s)及變異系數(shù)(c.v.%),用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,檢驗(yàn)差異顯著性。2結(jié)果與分析2.1各性狀與相對(duì)蝌蚪相關(guān)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(zhì)的13個(gè)相對(duì)形態(tài)性狀間的相關(guān)系數(shù)列于表1對(duì)角線下方:由13個(gè)相對(duì)性狀組成的78對(duì)性狀中有37對(duì)性狀間達(dá)極顯著相關(guān),8對(duì)性狀間達(dá)顯著相關(guān);有5個(gè)性狀與相對(duì)分蘗力的相關(guān)系數(shù)高于0.2:相對(duì)有效穗>相對(duì)株穗重>相對(duì)總干重>相對(duì)地上干重>相對(duì)地下重;其余8個(gè)性狀與相對(duì)分蘗相關(guān)系數(shù)為-0.121**~0.009;有4個(gè)性狀與相對(duì)株穗重的相關(guān)系數(shù)高于0.2:相對(duì)總干重>相對(duì)分蘗力>相對(duì)有效穗>相對(duì)地下重;其余8個(gè)性狀與相對(duì)株穗重相關(guān)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(zhì)的13個(gè)相對(duì)形態(tài)性狀間的相關(guān)系數(shù)列于表1對(duì)角線上方:表1對(duì)角線下方由13個(gè)相對(duì)性狀組成的78對(duì)性狀中有54對(duì)性狀間達(dá)極顯著相關(guān),6對(duì)性狀間達(dá)顯著相關(guān);有2個(gè)性狀與相對(duì)分蘗力的相關(guān)系數(shù)高于0.2:相對(duì)有效穗>相對(duì)總干重;其余10個(gè)性狀與相對(duì)分蘗相關(guān)系數(shù)為0.178**~0.004;有5個(gè)性狀與相對(duì)株穗重的相關(guān)系數(shù)高于0.2:相對(duì)地上重>相對(duì)總干重>相對(duì)實(shí)粒數(shù)>相對(duì)結(jié)實(shí)率>相對(duì)穗長(zhǎng);其余8個(gè)性狀與相對(duì)分蘗相關(guān)系數(shù)為0.188**~0.031。2.2核心種質(zhì)抗低磷性能在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),單一的篩選指標(biāo)極易造成試驗(yàn)偏差,應(yīng)盡量綜合考慮多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行篩選。在6.26與40mg/kg有效磷條件下,相關(guān)分析表明,相對(duì)株穗重與相對(duì)總干重、相對(duì)分蘗力、相對(duì)有效穗和相對(duì)地下重相關(guān)系數(shù)較高,綜合考慮認(rèn)為選擇相對(duì)株穗重、相對(duì)分蘗、相對(duì)總干重和地下重作為耐低磷的篩選指標(biāo)為較合理,權(quán)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(quán)值及其田間觀察表現(xiàn)綜合評(píng)定種質(zhì)的耐性等級(jí)。在0.02與40mg/kg有效磷條件下,核心種質(zhì)在近乎無(wú)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(jié)實(shí)率較好、籽粒產(chǎn)量高。相對(duì)分蘗力與相對(duì)株穗重相關(guān)系數(shù)為0.031,無(wú)顯著相關(guān)性,這里相對(duì)分蘗力不宜作為篩選指標(biāo),選擇相對(duì)株穗重、相對(duì)地上重、相對(duì)總干重和實(shí)粒數(shù)作為耐低磷的篩選指標(biāo),權(quán)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(quán)綜合指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)(表2)。不同程度(濃度)的低磷脅迫對(duì)磷高效種質(zhì)的篩選結(jié)果影響很大(表3)。2003年,在土壤有效磷6.26與40mg/kg下,強(qiáng)耐低磷1級(jí)66份,占12%;中強(qiáng)耐低磷3級(jí)122份,占22.6%,弱耐低磷9級(jí)32份,占5.9%。2004年,在有效磷0.02與40mg/kg土壤條件下,強(qiáng)耐低磷1級(jí)49份,占9.2%;中強(qiáng)耐低磷3級(jí)56份,占10.5%,弱耐低磷9級(jí)157份,占29.5%?？梢?隨低磷程度的增強(qiáng),強(qiáng)耐低磷等級(jí)品種份數(shù)減少,而弱耐低磷等級(jí)份數(shù)大大增加。2年的鑒定中,2003年種質(zhì)鑒定1級(jí)、3級(jí)在2004年等級(jí)普遍降低;2003年為1、3級(jí)耐低磷品種在2004年有個(gè)別變?yōu)?級(jí);但也有個(gè)別種質(zhì)2003年鑒定為3、5級(jí)在2004年越為1級(jí);但沒有2003年鑒定為9級(jí)而2004年鑒定為1、3級(jí)的情況出現(xiàn)。說(shuō)明在不同低磷土壤濃度下,采用不施磷肥來(lái)鑒定耐低磷資源具有一定的可靠性,但應(yīng)該在鑒定結(jié)果基礎(chǔ)上,對(duì)鑒定出的磷高效材料復(fù)篩,以檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。綜合2年的盆栽鑒定結(jié)果及田間觀察的綜合農(nóng)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(qiáng)耐低磷品種(有效磷6.26、0.02mg/kg2種條件下耐低磷等級(jí)均表現(xiàn)為1級(jí)),還選出40份在2年耐低磷等級(jí)表現(xiàn)為1級(jí)或3級(jí)的強(qiáng)耐低磷品種。另外,鑒定出8份具有代表性的弱耐低磷9級(jí)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(jī)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(qiáng)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(zhì)各生態(tài)群品種在各耐低磷級(jí)別的分布情況。2年的耐低磷鑒定結(jié)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(qiáng),這與杜娟(2007)的研究結(jié)果也吻合。2003年,強(qiáng)耐低磷等級(jí)(1級(jí)和3級(jí)),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(qiáng)耐低磷品種的比例明顯較低。2003年,強(qiáng)耐低磷等級(jí)(1級(jí)和3級(jí)),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(wú)明顯差異。由此推測(cè),耐低磷特性與秈粳分化及稃毛的有無(wú)可能關(guān)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(rèn)為是礦質(zhì)營(yíng)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(lái)說(shuō)更接近于大田生長(zhǎng)環(huán)境,本試驗(yàn)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(shí)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(biāo)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(guò)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(yīng)該根據(jù)云南土壤有效磷濃度的分布特點(diǎn)制定。本試驗(yàn)土壤取自昆明阿子營(yíng)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(diǎn),具有一定代表性。而本試驗(yàn)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(shuō)明保守的云南稻核心種質(zhì)經(jīng)數(shù)千萬(wàn)年的低磷馴化耐低磷能力可能強(qiáng)于其他國(guó)家或地區(qū)的品種,云南嚴(yán)重缺磷酸性紅壤造就了核心種質(zhì)超強(qiáng)的耐低磷特性,長(zhǎng)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(biāo)應(yīng)區(qū)別對(duì)待目前關(guān)于植物耐低磷能力評(píng)價(jià)還缺乏統(tǒng)一的方法。傳統(tǒng)方法利用單一指標(biāo)篩選因試驗(yàn)誤差關(guān)系易造成偏差,因此應(yīng)綜合多個(gè)指標(biāo)進(jìn)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(xué)產(chǎn)量或者經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。對(duì)于收獲種子的作物(以籽粒產(chǎn)量為指標(biāo))和收獲產(chǎn)量的作物(以總生物量為指標(biāo))應(yīng)區(qū)別對(duì)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(zhì)對(duì)無(wú)效磷的活化特性最終反映在成熟籽粒質(zhì)量(株穗重),相對(duì)株穗重應(yīng)作為磷高效材料評(píng)價(jià)的最重要的首選指標(biāo),而相對(duì)生物量或者相對(duì)地上等僅作為輔助參考指標(biāo)。本試驗(yàn)以相對(duì)株穗重和與相對(duì)株穗重密切相關(guān)的多個(gè)耐低磷性狀的加權(quán)值作為磷高效材料評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)篩選方法,對(duì)今后磷高效評(píng)價(jià)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(rèn)可的評(píng)價(jià)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(zhì)多數(shù)材料表現(xiàn)為不分蘗,穗發(fā)育遲緩,結(jié)實(shí)率低;而磷高效材料表現(xiàn)為單穗、大穗大粒、結(jié)實(shí)率好、籽粒飽滿、產(chǎn)量高。相對(duì)株穗重與相對(duì)分蘗相關(guān)系數(shù)為0.031,無(wú)顯著相關(guān)性,相對(duì)分蘗力不能作為耐低磷篩選的指標(biāo)之一。因此針對(duì)不同濃度的低磷脅迫,篩選指標(biāo)應(yīng)不同,沒有一成不變的標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的全生育期磷高效材料評(píng)價(jià)方法,仍需在今后鑒定工作中進(jìn)一步驗(yàn)證。3.3osptf1基因轉(zhuǎn)導(dǎo)型水稻品種的選育磷高效水稻兼具自然增產(chǎn)較高和人為施肥后(少施肥)高產(chǎn)高效的雙重優(yōu)勢(shì),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(wú)效磷的磷高效品種和發(fā)掘磷高效基因,已成為近年來(lái)的國(guó)際前沿課題和熱點(diǎn)領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外磷高效基因定位克隆進(jìn)展顯著。吳平等(2000)對(duì)水稻磷效率基因進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因OsPT6,并對(duì)其表達(dá)和功能進(jìn)行了初步研究;Wissuwa等(2002)定位了主效QTL耐低磷基因Pup1與S10043標(biāo)記共分離,位于S13126~S13752,相距0.3cM。利用遺傳育種手段來(lái)提高磷高效水稻亦有成功報(bào)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(gè)QTL,回交