淺析我國(guó)水稻種質(zhì)資源的篩選

淺析我國(guó)水稻種質(zhì)資源的篩選

氮是水稻生長(zhǎng)發(fā)育所必需的礦質(zhì)元素，與蛋白質(zhì)、氨基酸和茶多酚的合成密切相關(guān)。因此，氮是限制水稻產(chǎn)量的重要因素之一。水稻是我國(guó)的主要糧食作物之一,種植面積約3000萬(wàn)hm2、居世界第2位,總產(chǎn)量約17000億t,居世界第1位。但我國(guó)人口多,可耕地少,人均產(chǎn)量不高,要提高水稻的總產(chǎn)量,只有提高單位面積產(chǎn)量,但提高單位面積產(chǎn)量就要增加化學(xué)肥料的投入,主要是增加氮肥的投入量。近年來(lái),氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的投入量不斷加大,氮素的生產(chǎn)效率呈下降趨勢(shì),而環(huán)境污染卻日益加重。不同基因型的水稻品種對(duì)氮素利用率存在著顯著的差異,因此充分挖掘和利用水稻自身的遺傳潛力是提高氮素利用率的理想途徑。近年來(lái),對(duì)水稻的氮高效基因型品種的選育開展了大量的研究工作,也取得了很大的進(jìn)展。本文主要從氮素在土壤中的存在形式、水稻氮高效種質(zhì)資源的篩選和水稻耐低氮的機(jī)理3個(gè)方面進(jìn)行了綜述,以期為氮高效基因型的水稻育種提供參考。1土壤礦化及礦化特性氮是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最主要的養(yǎng)分限制因子,在各種營(yíng)養(yǎng)元素中,氮素對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響最大。氮與水稻體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸、磷脂、葉綠素、植物激素及某些維生素的合成都有著密切的聯(lián)系,因此氮素在維持和調(diào)節(jié)水稻生理功能上具有多方面的作用。土壤的供氮能力主要取決于土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮的含量以及總氮量。Stevenson研究表明,表層土壤中的氮素90%以上為有機(jī)化合物,有機(jī)氮只有轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)態(tài)的銨態(tài)氮或硝態(tài)氮才能被作物吸收利用,這一轉(zhuǎn)化過(guò)程則主要依賴于土壤氮素礦化,因此土壤礦化對(duì)土壤供氮能力具有重要的影響。而土壤中有機(jī)氮的組分及礦化特性又受耕作制度、作物種類、施肥類型、種植條件及利用方式等因素的影響。朱兆良研究了稻田土壤的礦化特性,發(fā)現(xiàn)氮肥的增加對(duì)土壤礦化氮量的促進(jìn)作用和水稻生長(zhǎng)對(duì)土壤氮素的礦化促進(jìn)作用都是一種表觀現(xiàn)象。我國(guó)為了增加農(nóng)作物的產(chǎn)量,每年都投入了大量的氮肥,氮素的損失又會(huì)給環(huán)境帶來(lái)很大的污染。農(nóng)田中氮肥的損失途徑主要有硝化-反硝化、氨揮發(fā)、淋洗、徑流、生物量及枯落物的消除,其中氨揮發(fā)在適宜的條件下?lián)p失量可達(dá)到施氮量的40%~50%,是氮肥損失的主要途徑;有關(guān)稻田的土壤淋洗和徑流所損失的研究表明,徑流損失的氮是造成地表水氮富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一。為了提高水稻的氮素吸收利用率、降低氮素的損失率以及改善生態(tài)環(huán)境,應(yīng)找出能夠提高氮肥利用率的方法,如合理的施肥技術(shù)、新型肥料的研發(fā)、氮高效作物的選育等。2高效期水稻氮評(píng)價(jià)2.1不同的試驗(yàn)方法對(duì)于植物基因型的影響水稻氮高效基因型的篩選方法有田間試驗(yàn)方法和盆栽模擬試驗(yàn)方法,盆栽模擬試驗(yàn)根據(jù)生長(zhǎng)介質(zhì)的不同又可分為土培試驗(yàn)方法、水培試驗(yàn)方法和沙培試驗(yàn)方法。田間試驗(yàn)一般是在近于生產(chǎn)和自然條件下進(jìn)行的,更貼近生產(chǎn)實(shí)際,試驗(yàn)條件較復(fù)雜,但由于時(shí)間長(zhǎng),生育期內(nèi)受各種因素的影響比較多,因此難以控制試驗(yàn)條件,不能進(jìn)行大批量的快速、精確的篩選;盆栽模擬試驗(yàn)由于生長(zhǎng)環(huán)境與田間試驗(yàn)有很大差別,因此所得結(jié)果不能直接應(yīng)用于大田,多用于植物營(yíng)養(yǎng)、土壤養(yǎng)分等機(jī)理性質(zhì)的研究及探索性研究,但是這些模擬試驗(yàn)也各有優(yōu)劣。土培盆栽試驗(yàn)是以土壤為介質(zhì)的試驗(yàn)方法,由于土壤是作物生長(zhǎng)的介質(zhì),更貼近實(shí)際生產(chǎn),因此是篩選耐低氮基因型最直接最可靠的方法,但是難以進(jìn)行根系形態(tài)及生理生化特性的研究;水培試驗(yàn)中植物生長(zhǎng)所需要的全部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都靠人工供給,營(yíng)養(yǎng)液中養(yǎng)分的濃度、形態(tài)、種類、供應(yīng)時(shí)間均由人工控制,且養(yǎng)分分布比較均勻,這是土培試驗(yàn)和田間試驗(yàn)無(wú)法比擬的,但液相環(huán)境缺乏空氣,濃度易變,營(yíng)養(yǎng)液緩沖性能小,因此水培試驗(yàn)也有其自身的局限性;砂培試驗(yàn)是介于土培試驗(yàn)與水培試驗(yàn)的一種研究方法,可以將介質(zhì)的化學(xué)狀況簡(jiǎn)化集中到某一組分上來(lái),但其介質(zhì)的化學(xué)緩沖能力差,準(zhǔn)備過(guò)程比較復(fù)雜。因此不同的研究者分別采用不同的篩選方法或者兩兩結(jié)合的方法來(lái)用于水稻耐低氮基因的篩選,通常采用苗期盆栽初篩和田間全生育期復(fù)篩相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行篩選氮高效基因型。2.2促進(jìn)種子生化活性及對(duì)耐低氮性狀的影響研究證明,水稻氮高效基因型的篩選時(shí)期主要包括苗期篩選和全生育期篩選。傳統(tǒng)的篩選時(shí)期主要集中在全生育期[1，18]。全生育期的重復(fù)篩選結(jié)果可靠,但對(duì)于種質(zhì)資源過(guò)多時(shí),就會(huì)加大人力物力的投入,而且由于周期長(zhǎng),就易受環(huán)境的影響難以真正反映作物耐低氮性狀的遺傳潛力。程建峰等認(rèn)為水稻成熟期的指標(biāo)會(huì)受所有與之相關(guān)指標(biāo)的影響,加上遺傳力低,基因型與環(huán)境互作,結(jié)果常有變動(dòng),因此很難判斷最佳的基因型。找到水稻苗期與耐低氮性狀密切相關(guān)的生理生化特異性指標(biāo)很有意義。通過(guò)對(duì)水稻苗期耐低氮指標(biāo)的研究,得出水稻苗期氮高效品種評(píng)價(jià)與篩選的合適時(shí)期是播種后50d左右。目前通常在苗期進(jìn)行初篩選,再用全生育期加以驗(yàn)證。2.3水稻氮素利用效率研究簡(jiǎn)單、可靠和有效的篩選指標(biāo)的選擇是進(jìn)行準(zhǔn)確快速篩選和培育耐低氮水稻品種的關(guān)鍵。從前人的研究結(jié)果可知,對(duì)水稻耐低氮的篩選指標(biāo)主要包括生理生化指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)以及綜合指標(biāo)。氮是葉綠素的組成成分,水稻葉片中葉綠體數(shù)目、葉綠體基粒結(jié)構(gòu)和類囊體膜上的光合色素含量與葉片含氮量密切相關(guān),因此葉綠素SPAD值與水稻的氮素營(yíng)養(yǎng)密切相關(guān)。黃農(nóng)榮等的研究結(jié)果表明,抽穗期及乳穗期倒2、倒3葉的葉綠素含量可以作為水稻氮素利用效率的評(píng)價(jià)指標(biāo);徐福榮等認(rèn)為葉綠素SPAD值可以作為耐低氮種質(zhì)的篩選指標(biāo);徐富賢等認(rèn)為可以將SPAD值衰減指數(shù)作為預(yù)測(cè)稻谷生產(chǎn)效率的簡(jiǎn)易指標(biāo)。植物組織中氮素氣態(tài)揮發(fā)可能與其氮效率密切相關(guān),陳明霞等研究認(rèn)為水稻植株銨的揮發(fā)速率(AVR)存在基因型差異,在高氮濃度液培條件下,較低的AVR可作為氮高效材料篩選指標(biāo)。前人研究表明可以將株高、分蘗數(shù)等作為水稻耐低氮種質(zhì)篩選的形態(tài)指標(biāo);由于根系形態(tài)影響土壤養(yǎng)分的有效性,因此水稻對(duì)氮素的吸收與根系形態(tài)密切相關(guān)。石慶華等通過(guò)對(duì)水稻氮素營(yíng)養(yǎng)效率的研究認(rèn)為,水稻的生物產(chǎn)量與根系吸氮量呈極顯著正相關(guān),而根系吸氮量與單株干重呈極顯著正相關(guān);張亞麗等認(rèn)為根干物重可以作為不同水稻基因型對(duì)硝營(yíng)養(yǎng)的響應(yīng)時(shí)的主要生理指標(biāo)。在進(jìn)行水稻耐低氮種質(zhì)資源的篩選時(shí),僅利用單一指標(biāo)進(jìn)行篩選會(huì)引起一定的誤差,因此在實(shí)際篩選過(guò)程中,往往采用與產(chǎn)量性狀相關(guān)的多個(gè)次級(jí)指標(biāo)進(jìn)行篩選,可使篩選結(jié)果更加可靠,鄭家奎等認(rèn)為株高、有效穗數(shù)、生物產(chǎn)量、單株產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率可作為耐低氮和氮高效水稻材料的篩選指標(biāo)。3水稻抗低氮機(jī)制的研究3.1對(duì)植物的吸收利用水稻氮效率主要有兩種含義:品種的耐低氮性和耐肥性。前者主要是指當(dāng)生長(zhǎng)介質(zhì)中氮素養(yǎng)分濃度較低時(shí),水稻仍具有維持正常生長(zhǎng)的能力,并獲得與正常氮相近的籽粒產(chǎn)量或生物學(xué)產(chǎn)量;后者主要是指隨著介質(zhì)中氮素濃度的增加,水稻吸收氮素養(yǎng)分并獲得較高產(chǎn)量的潛力。前者更具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值,因此我們應(yīng)該著重挖掘水稻的耐低氮的能力,培育耐低氮基因型的水稻品種。大量試驗(yàn)結(jié)果表明不同的水稻品種(或品系)之間存在著氮效率差異。3.1.1吸收硝態(tài)氮和銨態(tài)氮能力的差異不同水稻品種對(duì)硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的吸收能力有很大的差異,銨態(tài)氮是主要的氮肥形態(tài),植物通過(guò)銨轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從土壤溶液中吸收NH4+,通過(guò)硝酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從土壤中吸收硝態(tài)氮。楊肖娥等研究表明水稻根系對(duì)NH4+的親和力在氮素高效吸收中發(fā)揮重要作用,水稻地上部物質(zhì)生產(chǎn)與根系對(duì)氮素吸收密切相關(guān)。隨著分子水平的提高,人們正在利用分子手段來(lái)研究銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收系統(tǒng),Anthony等研究發(fā)現(xiàn)決定著根系對(duì)無(wú)機(jī)氮素的吸收有3個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng),分別為低親和運(yùn)輸系統(tǒng)(low-affinitytransportsystems,LATs)和高親和運(yùn)輸系統(tǒng)(high-affinitytransportsystems,HATs),高親和運(yùn)輸系統(tǒng)又可分為構(gòu)成型(eonstitutivehigh-affinitytranportsystem,eHATS)和誘導(dǎo)型(indueiblehigh-affihitytransportsystems,iHATS)。3.1.2硝酸還原酶等酶的水平和活性的差異硝酸還原酶(NR)是硝酸鹽同化過(guò)程中的第一個(gè)酶,也是限速酶,NR活性的高低不僅表明了植物體內(nèi)硝酸鹽的吸收、積累水平,也反映著植物對(duì)氮素的利用水平。曹云等研究認(rèn)為不同基因型水稻葉片NR活性具有很大的差異,氮高效水稻品種NR活性顯著高于氮低效水稻品種。谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)是植物氨同化的主要酶系,段英華等研究表明氮高效水稻品種對(duì)NO3－同化利用能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮低效水稻品種。董芙蓉研究認(rèn)為GOGAT活性隨著氮水平升高而增強(qiáng),兩種類型水稻品種葉片中GOGAT活性隨氮水平升高而增強(qiáng),其中拔節(jié)期葉片氮高效型品種GOGAT活性受氮水平影響比氮效型品種更顯著。3.1.3體內(nèi)無(wú)機(jī)氮貯存庫(kù)大小的差異植物體內(nèi)無(wú)機(jī)氮主要為硝酸鹽,硝酸鹽是植物吸收的主要氮素形態(tài),但硝酸鹽中的無(wú)機(jī)氮不能被植物直接吸收利用,只有通過(guò)相關(guān)酶的作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮的形式才能被植物體所利用,因此植物體內(nèi)無(wú)機(jī)氮貯存庫(kù)的大小與植物吸收利用氮素有著密切的關(guān)系。3.1.4氮在體內(nèi)運(yùn)輸和積累的差異氮素是水稻籽粒形成過(guò)程中關(guān)鍵的物質(zhì)基礎(chǔ)之一,因此氮素在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累對(duì)水稻籽粒的形成非常重要。不同基因型的水稻品種在籽粒形成期氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累方面表現(xiàn)出差異,葉利庭等研究認(rèn)為氮高效、低效水稻氮素積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特征的差異主要表現(xiàn)在齊穗期以后,氮高效水稻具有強(qiáng)的氮素吸收或者轉(zhuǎn)運(yùn)能力。3.2低氮脅迫對(duì)水稻幼苗氮素吸收及相關(guān)性狀的ql分析氮效率是一個(gè)受遺傳控制的復(fù)雜的數(shù)量性狀,其相關(guān)性狀一般表現(xiàn)為連續(xù)性變異。將復(fù)雜的數(shù)量性狀剖解為單個(gè)的QTL,是進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇育種和圖位克隆的基礎(chǔ)。分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展和水稻高密度遺傳連鎖圖譜的出現(xiàn),為在全基因組內(nèi)檢測(cè)相關(guān)QTL提供了基礎(chǔ)。3.2.1水稻氮吸收量及相關(guān)性狀的QTL定位在低氮威脅下,增加根系對(duì)土壤氮素的吸收是植物耐低氮的主要生理機(jī)制。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)水稻氮素吸收利用相關(guān)性狀的QTL的研究很多,主要集中在蛋白質(zhì)含、株高、根干重、莖葉干重、收獲指數(shù)、穗長(zhǎng)、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收能力等方面。王彥榮等以Koshihikari/Kasalath//Koshihikar的回交重組自交系群體為材料,采用流動(dòng)液體培養(yǎng)和同位素示蹤技術(shù)對(duì)水稻苗期氮素吸收速率及其相關(guān)性狀進(jìn)行QTL分析,結(jié)果表明在地上部干質(zhì)量(SW)、根系干質(zhì)量(RW)、植株含氮量、氮素吸收力(NAA)、高氮下的氮吸收速率(HNAE)和低氮下的氮吸收速率(LNAE)上分別檢測(cè)到1、4、1、3、1和1個(gè)主效QTL,主要分布在第6、7、8和10染色體上;R/S、RGRS和RGRR沒(méi)有檢測(cè)到主效QTL;NAA、LNAE和RW間存在明顯的QTL一因多效或鄰近表達(dá)現(xiàn)象。唐江云等采用66個(gè)水稻秈粳交片段導(dǎo)入系群體,利用單標(biāo)記作圖法,對(duì)正常與低氮脅迫條件下水稻有效穗、單株產(chǎn)量、株高和生物學(xué)產(chǎn)量等性狀進(jìn)行QTL定位的研究,結(jié)果共檢測(cè)到24個(gè)QTLs,其中20個(gè)為新檢測(cè)出的QTL,而qph-1、qpn-1、qby-2、qby-4與前人研究結(jié)果相似,另外,qph-1a和qph-1b為在不同處理下均能影響株高的位點(diǎn);生物學(xué)產(chǎn)量的QTL僅在低氮處理下被檢測(cè)到;qpn-2b與qyd-2具有共同的連鎖標(biāo)記RM521;qpn-1b、qpn-2a、qpn-2b等加性效應(yīng)值都小于1。3.2.2水稻氮素利用率的QTL定位在低氮脅迫下增加體內(nèi)氮的利用率是植物耐低氮的另一個(gè)主要的適應(yīng)機(jī)制。李亞非等通過(guò)在田間條件下以旱稻IAPAR-9分別與水稻遼鹽241和秋光雜交而創(chuàng)制的2個(gè)F7粳粳交重組自交系群體為試驗(yàn)材料,進(jìn)行了水稻全生育期氮素利用率及其相關(guān)性狀的QTL定位分析,結(jié)果表明:在IAPAR-9/遼鹽241重組自交系群體中檢測(cè)出31個(gè)氮素利用率相關(guān)性狀的QTL,分布于除第6、第7和第10染色體外的9條染色體上,氮素利用率相關(guān)QTL成簇分布區(qū)間有9個(gè);在IAPAR-9/秋光重組自交系群體中檢測(cè)出33個(gè)氮素利用率相關(guān)性狀的QTL,分布于除第4和第10染色體外的10條染色體上,氮素利用率相關(guān)QTL成簇分布區(qū)間有7個(gè),對(duì)水稻氮高效分子標(biāo)記輔助選擇育種有重要的利用價(jià)值。4關(guān)于水稻耐低氮能力的研究隨著植物育種學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展,對(duì)水稻氮高效種質(zhì)資源篩選及其耐低氮生理生化機(jī)制方面的研究取得了很大的進(jìn)展,但仍存在一些不足之處,主要表現(xiàn)在:(1)雖然對(duì)水稻耐低氮種質(zhì)資源的篩選已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,也取得了較大的進(jìn)展,但對(duì)水稻耐低氮能力的篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)并沒(méi)有形成統(tǒng)一的看法,也難以找到有效的次級(jí)篩選指標(biāo)。因此應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行水稻形態(tài)結(jié)構(gòu)等農(nóng)藝性狀與氮素利用