CN110839522A - 一种控制水稻生长发育的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制水稻生长发育的方法，属于生物技术领域。该方法的具体步骤如下：(1)浸种催芽；(2)发芽至1‑2cm的种子移植至液体营养液中种植，种植密度为1‑2株/20cm2；(3)种植的光照条件：光照强度为15000‑20000LUX，光照16h+黑暗8h持续处理20d，处理后转入光照10h+黑暗14h进行培养，直到成熟；(4)种植的温度及湿度条件：温度30‑31℃，湿度50‑60％。通过上述步骤的处理，该方法可以缩短水稻生育期约10％，表明该方法可以通过控制光照加速水稻繁育，在加快水稻新品种选育进程及分子育种效率上具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于生物技术领域，尤其涉及一种控制水稻生长发育的方法。
背景技术
至2030年，全球人口预计将增长25％，对谷物的需求预计增加20％。因此，高产优质多抗品种的选育对于满足人类需求至关重要。水稻是我国最重要的粮食作物，其品种选育的进步直接关系我国的粮食安全。常规育种技术与分子标记技术的结合为水稻新品种选育提供了有力支撑，加速了水稻选育进程。但是，水稻是典型的短光喜温作物，在我国的大部分区域一年只能种植1-2个世代，而培育一个水稻新品种通常需8-10个世代约5-6年的时间，这无疑限制了水稻新品种选育的效率，利用人工控制条件加速水稻的繁育是提升水稻品种选育效率的途径之一。
大约150年前，植物学家首次发现植物可以在人造光下生长。Arthur等报道，蔬菜植物、草本植物和花园观赏植物在持续光照下开花加速。在20世纪80年代中期，美国宇航局与犹他州立大学合作，探索在空间站内快速繁殖小麦的可能性。1990年，威斯康星大学评估了发光二极管(LED)对植物生长的影响。受到美国宇航局工作的启发，昆士兰大学的研究人员在2003年创造了“加速繁殖”一词，用于加速小麦育种的一系列改良方法。该技术利用光温控制来加速光合作用和开花，加上早期种子收获以缩短发育时间。这些技术可以应用于高密度生长的小谷物，从而减少相关的空间和成本。加速育种开发的第一个春小麦品种'DSFaraday'于2017年在澳大利亚发布。
与小麦相比，水稻属于典型的短光喜温作物，在我国大部分地区每年只能繁育1-2个世代，水稻的生长时间已成为育种效率的瓶颈。同时，与小麦不同的是，长时间的持续光照抑制了水稻幼穗的发育，无法实现加速繁育的目的。鉴于水稻对于粮食生产的重要性，系统研究适于水稻的加速繁育方法，对于缩短水稻新品种选育历程具有重要意义，但目前未见详细的数据公开。因此，针对水稻发育特点，在提高水稻种植密度、水稻培养的简便方法、合适的光照时间等方面开展研究，提出简便、可靠的控制水稻生长发育的方法具有重要的价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种控制水稻生长发育的方法。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明提供的控制水稻生长发育的方法，包括如下步骤：
(1)取一定量的种子放入水中浸泡，然后用湿布包裹放入培养箱中催芽；
(2)发芽盒底部铺湿润滤纸，取适量催芽的种子置于滤纸上，在30-35℃培养箱中培养；
(3)制备EPE泡沫板，在板上按照一定密度钻圆孔，然后将EPE泡沫板放置于培养盆中，培养盆中加入适量营养液；
(4)取出步骤(2)中培养好的种子，选取一定芽长的种子用海绵包裹，置于EPE泡沫板的园孔中；
(5)将培养盆移入人工气候室中进行培养，在长光照下培养一定天数，然后移入短光照下培养至成熟。
进一步的，所述步骤(1)中种子浸泡时间为22-24h，在30℃中催芽时间为22-24h。
进一步的，所述步骤(2)中种子在30℃培养箱中培养时间为5-7d。
进一步的，所述步骤(3)中按照一定密度钻园孔，其密度为1-2个/20cm2，园孔的直径为1-1.5cm。
进一步的，所述步骤(3)中培养盆中加入4L营养液，营养液配方为：含有NaH2PO4·2H2O 0.7485g，K2SO41.305g的溶液15ml；含有MnCl2·4H2O 0.054054g，(NH4)6MoO24·4H2O0.002754g，H3BO30.03294g，ZnSO4·7H2O 0.001337g，CuSO4·5H2O 0.001248g，FeCl3·6H2O0.29214g和一水柠檬酸0.44625g的溶液30ml；含有MgSO4·7H2O 25.08g的溶液60ml，Ca(NO3)2.NH4NO3.10H2O 3.33g，加双蒸水定容至30L，并将溶液PH调至4.5。
进一步的，所述步骤(5)中培养盆中加入3-4L营养液，在培养过程中，当营养液消耗到二分之一时，补充营养液至3-4L。
进一步的，所述步骤(4)选取一定芽长的种子用海绵包裹，其芽长为1-2cm，用海绵包裹时应芽朝上放置。
进一步的，所述步骤(5)中将培养盆移入人工气候室中进行培养，培养温度为30-31℃，湿度50-60％。
进一步的，所述步骤(5)中在长光照下培养一定天数，然后移入短光照下培养至成熟，长光照为在光照16h、黑暗8h下培养15-20d，短光照为光照10h、黑暗14h下培养至稻谷成熟；所述光照为红、蓝、白三色复合LED，强度为15000-20000LUX。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
与光照12h+黑暗12h处理比较，该方法可以缩短水稻生育期约10％，表明本发明可以加速水稻繁育，在加快水稻新品种选育进程上具有广泛的应用价值。
附图说明
图1a-1d为实施例1中光照时间对水稻叶片生长的影响结果图。
图2a-2d为实施例1中光照时间对水稻株高的影响结果图。
图3a-3b为实施例1中光照对水稻叶片SPAD的影响结果图。
图4a-4d为实施例1中光照时间对水稻净光合速率的影响结果图。
图5为实施例1中的流程图。
具体实施方式
实施例1
1.试验品种：
供试水稻品种为粳稻“日本晴”与籼稻“华航39”。
2.试验材料：
LED人工气候室、光合仪、定植棉、珍珠泡沫板、蓝色方形盆(规格：65.5cm×41.5cm×19.4cm)等，营养液：30L营养液的配方为：含有NaH2PO4·2H2O 0.7485g，K2SO41.305g的溶液15ml；含有MnCl2·4H2O 0.054054g，(NH4)6MoO24·4H2O 0.002754g，H3BO30.03294g，ZnSO4·7H2O 0.001337g，CuSO4·5H2O 0.001248g，FeCl3·6H2O 0.29214g和一水柠檬酸0.44625g的溶液30ml；含有MgSO4·7H2O 25.08g的溶液60ml，Ca(NO3)2.NH4NO3.10H2O3.33g，定容后加入5M的NaOH，将溶液PH调至4.5。
3.处理方法：
(1)取一定量的种子放入双蒸水中浸泡24h，然后用湿布包裹放入30℃培养箱中催芽24h；
(2)在10cm×10cm发芽盒底部铺湿润双层滤纸，取50粒萌动的种子置于滤纸上，在30℃培养箱中培养；
(3)制备65cm×41cm×0.5cm的EPE泡沫板，在板上按照一定密度钻圆孔(直径2cm)，种植密度每盆100、150、200株，每个处理设置三个重复；
(4)将EPE泡沫板放置于65.5cm×41.5cm×19.4cm的培养盆中，培养盆中加入4L营养液，培养过程中，当营养液消耗1/2时，补充营养液至4L；
(5)取出培养7d的种子，选取1-2cm芽长的种子，胚芽向上用海绵包裹，置于EPE泡沫板的园孔中；
(6)将培养盆移入人工气候室中进行培养，在长光照下培养一定天数，然后移入短光照下培养至成熟。人工气候室中光源为红、蓝、白三色LED，光照强度15000-20000LUX。长光照设计为22h光照+2h黑暗，16h光照+8h黑暗两种，处理时间分别为10d、15d、20d、25d，然后转入短光照处理10h光照+14h黑暗条件，直到稻谷成熟。另外设置12h光照+12h黑暗作为对照。培养温度为30℃，湿度为50％。
4.调查方法：
(1)生育期调查：详细记录水稻播种、移栽、孕穗(第六期颖壳现)、始穗、齐穗的日期。有10％的稻株抽出时，为始穗期。有80％出穗时，为齐穗期。
(2)株高与水稻叶龄调查：对于水稻株高调查每7天测量一次，叶龄每天观察以便详细记载水稻叶数变化。
(3)叶片SPAD调查：齐穗期测量水稻剑叶，每7天用SPAD仪测定两品种各处理剑叶片叶绿素含量(SPAD)值，每张叶片上部、中部、下部各测一次，取平均值作为该叶片的SPAD值，每个处理每盆选三株。
(4)净光合速率测定：用便携式光合作用测定系统L1-6400于晴天9:00-11:00测定各处理的三个剑叶的光合速率。采用LI-6400型光合仪对各处理剑叶进行测定。选择长势和大小一致的剑叶进行测定，测定部位为叶片中下部。光照梯度2000、1800、1500、1300、1000、500、300、200、100、50、20、0μmol/(m2·s)，每处理重复测定3次。进行净光合速率(Pn,μmol/(m2·s))、表观量子效率(AQE)、最大净光合速率(Amax,μmol/(m2·s))、暗呼吸速率(Rd,μmol/(m2·s))、光饱和点(LSP,μmol/(m2·s))和光补偿点(LCP,μmol/(m2·s))的拟合计算。
(5)农艺性状调查：在成熟期每个处理每盆选取三株，考查每盆水稻每穗粒数、千粒重、结实率等。每个处理取50粒种子，每个处理三个重复，放入发芽盒中发芽，统计发芽率。在水稻开花时，取适量花粉于载玻片上加入碘-碘化钾染色，统计染色花粉数量，计算花粉活力。
5.结果分析：
(1)种植密度对性状的影响
合理的种植密度对水稻高产高效的重要技术途径，研究合理的种植密度对水稻的发育、产量、品质具有重要影响，找出个体群体最佳结合点，对合理调节群体结构、指导水稻生产具有十分重要的意义。由表1可知，在其他条件不变的情况下，随着种植密度的增加，水稻的株高、总粒数、实粒数呈递减趋势，说明株高、总粒数、实粒数与种植密度呈负相关；而结实率、千粒重与种植密度无显著相关性，说明他们受密度影响较小。从劳动成本、单株产量来说，水稻种植密度为100株最为合适。
表1种植密度对于农艺性状的影响
(2)光照时间对水稻生育期的影响
粳稻日本晴在16h光照条件下处理10d、15d、20d、25d之间的孕穗、始穗、齐穗相差2d左右，不存在显著性差异，且成熟时间相同；22h光照条件下处理10d、20d的孕穗、始穗、齐穗依次相差8d、2d、2d，成熟时间相同；处理15d、25d的孕穗期、始穗期、齐穗期都依次相差1d、2d、2d，收获时间相同，但处理15d、25d收获时间比处理10d、20d少14d，孕穗期、始穗期、齐穗期也相对较短。与对照12h光照相比，16h光照缩短生育期8d，且不同处理天数对于生育期缩短的效果一致。
籼稻华航3916h光照条件下处理10d、15d、20d、25d之间的孕穗、始穗、齐穗相差2d左右，不存在显著性差异，且收获时间相同；22h光照条件下处理10d、20d的孕穗、始穗、齐穗依次相差3d、3d、3d，但成熟时间相同；处理15d、25d的孕穗期、始穗期、齐穗期都依次相差7d、7d、8d，成熟时间相同；处理15d、25d收获时间比处理10d、20d少6d，孕穗期、始穗期、齐穗期也相对较短一些。与对照12h光照相比，16h光照缩短生育期15d，且不同处理天数对于生育期缩短的效果一致。
综上所述，无论粳稻还是籼稻，16h光照处理后，水稻的生育期均比对照缩短。
表2光照时间对于水稻生育期的影响
(3)光照时间对水稻叶片生长的影响
由图1a可知，与对照12h处理相比，在16h光照条件下经不同天数处理的华航39总叶数都增加1-2叶，其中，对照3、4、7、8、9、11叶生长所用时间都比16h光照要长；由图1b可知，与对照12h处理相比，在22h光照经不同天数处理的华航39总叶数都增加1-4叶，其中，对照3、4、6、9、10、11叶生长所用时间都比22h光照要长。由图1c可知，与对照12h处理相比，在16h光照经不同天数处理的日本晴总叶数都增加1-3叶，其中，对照3-9叶生长所用时间都比16h光照要长；由图1d可知，与对照12h处理相比，在22h光照经不同天数处理的日本晴总叶数都增加1-4叶，其中，对照3、4、6、9、10叶生长所用时间都比22h光照要长。综上可知，延长光照时间、天数会增加水稻总叶数，光照时间越长，天数越多，叶数增加越多。
(4)光照时间对水稻株高的影响
由图2a-2d可知，不同处理华航39、日本晴的变化趋势相似，先以近似线性生长，后缓慢生长近似曲线，最后停止生长。与对照相比，长光照均促进了株高的增加，并且随着光照时间的增加，株高也呈现增加趋势。这种增加与光照推迟株高生长有关，与对照相比(12h，第56d左右停止生长)，16h不同处理华航39停止生长时间提前，在第77d左右停止生长；与对照相比(12h，第56d左右停止生长)，22h不同处理华航39停止生长时间延迟，在第105d左右停止生长。与对照相比(12h，第56d左右停止生长)，16h不同处理日本晴停止生长时间延迟，在第77d左右停止生长；与对照相比(12h，第56d左右停止生长)，22h不同处理日本晴停止生长时间延迟，在第91d左右停止生长。
(5)光照时间对叶绿素SPAD的影响
叶绿素是植物绿色光合器官吸收、传递和转化光能的基本物质，其含量是反映光合能力和作物衰老状况的一个重要指标。SPAD值能反映叶片叶绿素的相对含量，通常SPAD值低，叶绿素含量也就越少。由图3a和3b可知，不同处理的日本晴、华航39剑叶的叶绿素含量都呈现先增高后下降的趋势。与对照12h相比，不同处理的日本晴、华航39剑叶的叶绿素含量始终都高于对照。说明延长光照处理时间会增加叶绿素的含量，进而增加水稻的光合能力。
(6)光照时间对于水稻净光合速率的影响
由图4a-4d可知，不同处理的华航39、日本晴的光响应曲线的变化趋势基本一致：随着光合有效辐射的升高，净光合速率逐渐升高，在光合有效辐射为0～500μmol·m-2s-1时，净光合速率几乎呈线性增加；随着光合有效辐射继续升高，各处理的净光合速率增加速率减缓并维持在一定水平，这与前人研究结果类似。
(7)光照时间对水稻农艺性状的影响
由表3可知，与对照相比(12h)，光照处理的总粒数、实粒数、结实率、穗长均显著增加，但千粒重降低。光照22h与光照16h比较，10d、15d、20d下的长光照增加了总粒数、实粒数、结实率、穗长；但22h光照处理25d，反而降低了植株的农艺性状表型。对于籼稻华航39号，在16h的光照下，随着处理时间的增加，农艺性状呈现增加趋势；在22h的光照下，农艺性状呈现先增加后减少的趋势。对于粳稻日本晴，在16h和22h的光照下，随着处理时间的增加，农艺性状均呈现先增加后减少的趋势。
综上所述，长光照可以增加总粒数、实粒数、结实率、穗长，随着处理时间的增加，农艺性状呈现先增加后减少的趋势。
表3光照时间对于水稻农艺性状的影响
6.结论
利用营养液可以实现水稻全生育期的培养，从劳动成本、单株产量来说，水稻种植密度为1-2株/20cm2最为合适。无论粳稻还是籼稻，16h光照处理后，水稻的生育期均比对照缩短。延长光照时间、天数会增加水稻总叶数，光照时间越长，天数越多，叶数增加越多。与对照相比，长光照均促进了株高的增加，并且随着光照时间的增加，株高也呈现增加趋势。长光照可以增加总粒数、实粒数、结实率、穗长，随着处理时间的增加，农艺性状呈现先增加后减少的趋势。
终上所述，水稻在营养液培养条件下，利用16h光照+8h黑暗处理20d，然后转入10h光照+14h黑暗条件，其全生育期可以缩短10％，并且对农艺性状无不利影响，籼稻和粳稻趋势一致。本试验提出的控制水稻生长发育的方法可实现每年繁育3个世代，与自然条件下育种历程(2个世代/年)相比，可提升效率50％左右，显著加速水稻育种进程。此外，本研究仅试验了30℃的培养温度，如果提升培养温度，预期可进一步缩短生育期。本研究如果能结合分子标记技术，在人工控制的条件下对目标基因型个体进行连续选择和繁育，将进一步提升水稻育种效率。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种控制水稻生长发育的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取一定量的种子放入水中浸泡，然后用湿布包裹放入培养箱中催芽；
(2)发芽盒底部铺湿润滤纸，取适量催芽的种子置于滤纸上，在30-35℃培养箱中培养；
(3)制备EPE泡沫板，在板上按照一定密度钻圆孔，然后将EPE泡沫板放置于培养盆中，培养盆中加入适量营养液；
(4)取出步骤(2)中培养好的种子，选取一定芽长的种子用海绵包裹，置于EPE泡沫板的园孔中；
(5)将培养盆移入人工气候室中进行培养，在长光照下培养一定天数，然后移入短光照下培养至成熟。
2.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(1)中种子浸泡时间为22-24h，在30℃中催芽时间为22-24h。
3.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(2)中种子在30℃培养箱中培养时间为5-7d。
4.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(3)中按照一定密度钻园孔，其密度为1-2个/20cm2，园孔的直径为1-1.5cm。
5.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(3)中培养盆中加入4L营养液，营养液配方为：含有NaH2PO4·2H2O 0.7485g，K2SO41.305g的溶液15ml；含有MnCl2·4H2O 0.054054g，(NH4)6MoO24·4H2O 0.002754g，H3BO30.03294g，ZnSO4·7H2O0.001337g，CuSO4·5H2O 0.001248g，FeCl3·6H2O 0.29214g和一水柠檬酸0.44625g的溶液30ml；含有MgSO4·7H2O 25.08g的溶液60ml，Ca(NO3)2.NH4NO3.10H2O 3.33g，加双蒸水定容至30L，并将溶液PH调至4.5。
6.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(5)中培养盆中加入3-4L营养液，在培养过程中，当营养液消耗到二分之一时，补充营养液至3-4L。
7.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(4)选取一定芽长的种子用海绵包裹，其芽长为1-2cm，用海绵包裹时应芽朝上放置。
8.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(5)中将培养盆移入人工气候室中进行培养，培养温度为30-31℃，湿度50-60％。
9.根据权利要求1所述的控制水稻生长发育的方法，其特征在于，所述步骤(5)中在长光照下培养一定天数，然后移入短光照下培养至成熟，长光照为在光照16h、黑暗8h下培养15-20d，短光照为光照10h、黑暗14h下培养至稻谷成熟；所述光照为红、蓝、白三色复合LED，强度为15000-20000LUX。
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| 唐锡华等: "在控制条件下对不同稻种日长和温度反应发育特性的研究", 《植物生理学报》 * |
| 申建波等: "《植物营养研究方法》", 31 May 2011, 中国农业大学出版社 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111480563A (zh) * | 2020-05-29 | 2020-08-04 | 扬州大学 | 一种大棚培育实验水稻的水培方法 |
| CN114027120A (zh) * | 2021-11-05 | 2022-02-11 | 中国农业科学院都市农业研究所 | 一种水稻快速加代育种的方法 |
| CN114027120B (zh) * | 2021-11-05 | 2022-11-22 | 中国农业科学院都市农业研究所 | 一种水稻快速加代育种的方法 |
| WO2023078068A1 (zh) * | 2021-11-05 | 2023-05-11 | 中国农业科学院都市农业研究所 | 一种水稻快速加代育种的方法 |
| US11700796B2 (en) | 2021-11-05 | 2023-07-18 | Institute of Urban Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences | Method of rapid generation-adding breeding of rice |
| US11849683B2 (en) | 2021-11-05 | 2023-12-26 | Institute of Urban Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences | Method of rapid generation-adding breeding of rice |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110839522B (zh) | 2021-08-10 |
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