CN112825766B - 利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，其包括步骤1)选取水稻材料进行育秧并移栽；2)对移栽后的秧苗进行遮阴处理；3)在不同生育时期对各种水稻进行取样，测量水稻器官的干物质重量；4)在水稻成熟前，对各种水稻的稻穗进行采样，统计各样品的二次枝梗数；5)分别统计t₁、t₂、T、V₁和V_t与水稻器官干物质重量之间的关系；6)以二次枝梗数、t₁、t₂、T、V₁和V_t为作为选择高产品种的评价指标，并在步骤4)和步骤5)的统计结果基础上综合考虑各评价指标，得到需要的品种。本发明利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，能获得适于低光照条件的高产水稻品种，有利于降低光照条件对水稻产量的影响。

Description

利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法

技术领域

本发明涉及作物选种育种技术领域，特别涉及一种利用低光钝感性进行作物选种的方法。

背景技术

提高水稻产量潜力一直是众多国家育种家的研究目标。从1966年至今，水稻产量经历了矮化育种、杂种优势利用两次飞跃，两次飞跃将水稻的收获指数大幅度提高。水稻产量是生物量与收获指数的乘积，然而目前水稻收获指数已经接近理论值，因此提高总生物量进而提高产量是未来水稻产量潜力提高的主要途径。物质累积是产量形成的基础，与经济产量显著正相关。对1966年发布的水稻品种的产量、收获指数、生物量累积的大规模调查清楚的表明，1980年以后发布的水稻品种的产量与生物量累积高度相关(Peng et al.,2000；Hubbart et al.,2007)。水稻生物量与株高、分蘖、SPAD值和弱光下光合值等均为正相关关系(Mingnan et al.,2017)。良好的株型是高产的基础，任何育种手段和途径与优良的形态特征和强的杂种优势结合有助于水稻产量提升(袁隆平,2018)。超级杂交稻通过形态改良和亚中间杂种优势利用取得了良好成绩(袁隆平,2018)。从形态学的角度来看，提升株高是增加生物量有效可行的方法(袁隆平,2018)。株高、分蘖是水稻株型的基础指标，对植株形态特征(如分枝多少、长短和角度，叶片大小、形状、层次和调位性，叶柄长短和角度)等均有显著的影响(袁隆平,2018)。

光合有效辐射是作物进行光合作用的能量基础。在非生物因素中，光合有效辐射强度是影响作物产量形成最关键的环境因素之一(Wang et al.,2018)。光照可显著影响水稻生长发育、干物质累积及产量形成，光照不足对水稻生育前期的生长发育影响较大(杨东et al.,2013)。

除环境因素外，作物群体的自身遮阴也会导致群体内部的光照强度减弱。Qu等(Mingnan et al.,2017)研究表明，低光下水稻光合作用能力对干物质累积起决定性作用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，以降低低光照条件对水稻产量所产生影响的技术问题。

本发明利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，包括以下步骤：

1)选取若干种水稻材料进行育秧，并将育好的秧苗移栽至田间；

2)对移栽后的秧苗采用透光率为50％的遮阳网进行遮阴处理，遮阴处理时间为移栽后22天-移栽后80天；

3)在不同生育时期对各种水稻进行取样，测量水稻器官的干物质重量；

4)在水稻成熟前，对各种水稻的稻穗进行采样，统计各样品的二次枝梗数；

5)根据步骤3)测得的水稻器官干物质重量，采用Logistic模型进行拟合，得到移栽后天数与水稻干物质总重之间关系的动态生长曲线，根据动态生长曲线将水稻移栽后时间划分为0至t₁阶段，t₁至t₂阶段和t₂至以后共三个阶段，其中t₁为干物质快速累积开始时间，t₂为干物质快速累积结束时间，并计算干物质快速累积持续时间T，T＝t₂-t₁；并根据采样数据和动态生长曲线，求得水稻器官干物质快速累积开始前的平均累积速率V₁和水稻干物质快速累积期内的平均累积速率V_t；

分别统计t₁与水稻器官干物质重量之间的关系、t₂与水稻器官干物质重量之间的关系、T与水稻器官干物质重量之间的关系、V₁与水稻器官干物质重量之间的关系和V_t与水稻器官干物质重量之间的关系；

6)以二次枝梗数、干物质快速累积开始时间t₁、干物质快速累积结束时间t₂、干物质快速累积持续时间T、水稻干物质快速累积开始前的平均累积速率V₁和水稻干物质快速累积期内的平均累积速率V_t为作为选择高产品种的评价指标，并在步骤4)和步骤5)的统计结果基础上综合考虑各评价指标，得到需要的品种。

本发明的有益效果：

本发明利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，能获得适于低光照条件的高产水稻品种，有利于降低光照条件对水稻产量的影响。

附图说明

图1是不同光照条件下水稻株型特征的生育期变化图；

图2是不同光照对干物质分配的影响图；

图3是基于Logistic模型的水稻生长动态曲线及特征参数间的函数关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，包括以下步骤：

1)选取若干种水稻材料进行育秧，并将育好的秧苗移栽至田间；

2)对移栽后的秧苗采用透光率为50％的遮阳网进行遮阴处理，遮阴处理时间为移栽后22天-移栽后80天；

3)在不同生育时期对各种水稻进行取样，测量水稻器官的干物质重量；

4)在水稻成熟前，对各种水稻的稻穗进行采样，统计各样品的二次枝梗数；

5)根据步骤3)测得的水稻器官干物质重量，采用Logistic模型进行拟合，得到移栽后天数与水稻干物质总重之间关系的动态生长曲线，根据动态生长曲线将水稻移栽后时间划分为0至t₁阶段，t₁至t₂阶段和t₂至以后共三个阶段，其中t₁为干物质快速累积开始时间，t₂为干物质快速累积结束时间，并计算干物质快速累积持续时间T，T＝t₂-t₁；并根据采样数据和动态生长曲线，求得水稻器官干物质快速累积开始前的平均累积速率V₁和水稻干物质快速累积期内的平均累积速率V_t；

分别统计t₁与水稻器官干物质重量之间的关系、t₂与水稻器官干物质重量之间的关系、T与水稻器官干物质重量之间的关系、V₁与水稻器官干物质重量之间的关系和V_t与水稻器官干物质重量之间的关系；

6)以二次枝梗数、干物质快速累积开始时间t₁、干物质快速累积结束时间t₂、干物质快速累积持续时间T、水稻干物质快速累积开始前的平均累积速率V₁和水稻干物质快速累积期内的平均累积速率V_t为作为选择高产品种的评价指标，并在步骤4)和步骤5)的统计结果基础上综合考虑各评价指标，得到需要的品种。

下面结合试验对本实施例中的利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法进行验证。

试验设计

试验于2020年在西南大学水稻研究所歇马试验基地进行。试验选取60个水稻材料，于4月育秧，5月16日移至田间插秧，栽插规格为株行距16.67cm×26.66cm，每个试验小区10行×10列，共100株。试验以自然光照为对照组(natural light,NL)，以透光率为50％遮阳网处理为遮阴组(low light,LL)，遮阴处理时间为移栽后22天-移栽后80天，对照组和遮阴组划分为若干试验小区，各试验小区均采用顺序排列。试验区3米高处运用防鸟网完全覆盖，以防止鸟类采食影响试验结果。

研究方法

在不同生育时期(移栽后20天、30天、50天、70天、90天、135天)对水稻进行取样，每个试验小区取代表性植株三株，洗净根部泥土，然后测量相关指标。测量指标包括株高、分蘖数量、比叶重、单株叶面积、各器官干重、色素含量。

单株叶面积(m²)＝叶片干重(g)/比叶重(g·m^-2)

单位质量叶绿素含量Chl(a+b)(mg·g^-1)＝Chl(a+b)(mg·m^-2)/比叶重(g·m^-2)

比叶面积(Specific Leaf Area，SLA)(cm²·g^-1)＝1/比叶重(g·m^-2)*10000

产量的调查：水稻成熟前，调查每个小区的单株有效分蘖数，每个小区取三个代表性穗考种，考种指标包括穗长、一次枝梗、二次枝梗、每穗实粒数和瘪粒数，计算结实率和单株产量。

光合色素含量测定方法：用切割法切下部分叶片(叶片可用游标卡尺量叶片的长度并计算面积)，然后加入10ml丙酮和乙醇1:1混液，黑暗环境浸提48小时，每隔12小时混匀一次，最后用紫外分光光度计测量吸光度。测定时提前20分钟将紫外分光光度计预热，待预热结束后，以丙酮和乙醇1:1混液作为空白对照，分别在645nm、663nm两个波长下测定提取液的OD值，按下列公式计算叶片光合色素浓度。

Chl a＝12.2A663-2.81A645

Chl b＝20.13A645-5.03A663

Chl(a+b)＝17.32A645+7.18A663

A645、A663分别为在波长645nm、663nm下测得的吸光值，Chl a、Chl b、Chl(a+b)分别代表叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素的浓度，单位均为mg·L^-1。

叶绿素含量(mg·m^-2)＝色素浓度(mg·L^-1)×提取液体积(mL)×10^-3/样品面积(m²)

干物质的测定方法：将水稻各器官分别装于纸质信封，置于烘箱中105℃杀青30分钟，然后在65℃烘干至恒重，最后用百分之一天平称重。

比叶重的测定方法：用切割法切下部分叶片(叶片可用游标卡尺量叶片的长度并计算面积)，先在105℃杀青30分钟，再在65℃烘至恒重，最后用百分之一天平称重。

数据分析

根据试验获得的数据，运用CurveExpert Professional 2.0.4分析水稻干物质与水稻移栽后天数之间的关系，拟合得到水稻的S型生长曲线(图3A)，方差分析(ANOVA)用于分析试验处理(遮阴)对干物质累积和产量的影响(表1)，相关分析用于分析各对参数的相关性，当相关性达到显著时回归分析应用于拟合相应线性方程(图3B-F)，协方差分析(ANCOVA)用于一般线性方程的差异验证(图3B、3C)，多元线性回归应用于对水稻单株产量构成因素、每穗总粒数构成因素进行多元线性回归模型分析(表3、表4)。不同试验处理相同参数的均值运用LSD在P<0.05和P<0.01水平上分别进行差异显著性分析(图1、图2、表2)。

试验结果分析

1)弱光对水稻株型的影响

为了探索光照环境对水稻株型的调控作用，我们测定了水稻的株型相关指标。试验结果表明，在水稻生育前期，弱光对其株型有显著的调控作用(图1)。水稻株高在生育前期不断增加，在移栽90天后达到最大而后趋于稳定(图1A)，LL与NL株高在水稻生育后期无显著差异，但在移栽30天、50天时，LL株高显著高于NL(P<0.001)。分蘖数量随生育时期推进呈现先增加后减小而后趋于稳定的变化趋势，在移栽30天达到最大值(图1B)，遮阴处理10天时，LL的分蘖数显著低于NL(P<0.001)，这种差异持续至水稻生育后期。在水稻生育前期，水稻单株叶面积随生育时期推进而逐渐增加(图1C)，LL的单株叶面积在移栽50天后不再增大，此时NL单株叶面积还处于快速增长阶段，移栽30天时LL单株叶面积显著高于NL(P<0.001)，移栽50天时LL与NL单株叶面积无显著差异，移栽70时LL的单株叶面积显著低于NL(P<0.001)。在水稻生育前期，水稻叶片单位质量叶绿素含量随生育时期的推进呈先增加后减小的变化趋势，最大值出现在移栽后30天(图1D)，在移栽30天和50天时，LL单位质量叶绿素含量显著高于NL(P<0.001)，移栽70天后，LL与NL水稻叶片单位质量叶绿素含量无显著差异。

2)弱光对干物质分配的影响

为了探索弱光对水稻干物质分配的影响，我们测定了叶/总重和根冠比。试验结果表明，叶/总重随生育时期推进呈现先增加后减少的变化趋势(图2A)，最大值出现在移栽后50天，整个生育期内LL叶/总重显著高于NL(P<0.001)。水稻根冠比随生育时期推进而减小(图2B)，移栽30天和移栽135天时，LL的根冠比显著低于NL(P<0.001)，其余生育时期无显著差异。

3)弱光对水稻S型生长曲线及其特征参数的影响

为了探索水稻生长动态情况，我们对水稻的干物质累积采用Logistic模型进行拟合，由图3A可以看出，LL与NL的动态生长曲线均呈S型可，两条生长曲线均符合植物缓慢-快速-缓慢生长的趋势，LL的S型生长曲线斜率比NL平缓，最大干物质累积量明显低于NL。

W_max(最大干物质累积量)与V₁(快速累积开始前的物质累积平均速率)、V_t(快速累积期间的物质累积平均速率)均存在显著的正相关关系(图3B、3C)，且NL与LL的线性斜率无显著差异(V₁，P＝0.178；V_t，P＝0.067)，因此V₁、V_t与W_max之间均只有一个拟合方程。由于弱光下光照不足，物质累积速率更慢，所以LL分布靠近趋势线下方，而NL在趋势线上方。

t₁、t₂、T均对W_max有显著影响。试验结果表明，W_max与t₁(干物质快速累积开始时间)、t₂(干物质快速累积结束时间)、T(干物质快速累积持续时间)之间均存在显著的正相关关系(图3D，3E，3F)，且LL的线性斜率均比NL小，LL的t₁、t₂、T分布范围比LL更广。

4)弱光对水稻产量及其构成因素的影响

NL和LL的单株产量与各生育期的干物质累积量均呈显著正相关关系(表1，P<0.001)，干物质累积越大，产量越高。从水稻产量及其构成因素可知，LL的有效分蘖数、每穗总粒数、二次枝梗数和产量显著低于NL(表2，P<0.001)，LL的穗长、一次枝梗数、千粒重以及结实率与NL无显著差异。

表1.水稻单株产量和各生育时期干物质累积量的相关系数

表中NL：对照组，LL：遮阴组；**表示试验处理在0.01水平上存在显著差异。

表2.光照对水稻产量及其构成因子的影响

表中NL：对照组，LL：遮阴组；表中数值为平均值±标准偏差；数值后不同字母表示在0.05水平上处理间差异显著(a、b均表示在0.05水平上处理间差异显著)。NL，n＝152；LL，n＝147，n为样品数。

表3表4分别是对水稻单株产量、每穗总粒数进行多元线性回归模型分析。未标准化系数适于用来计算变量，标准化系数与各因子的重要性有关，系数越大，对变量影响越大。水稻单株产量NL标准化回归方程为Y＝0.981X₁+0.627X₂+0.514X₃+0.296X₄，LL标准化回归方程为Y＝0.864X₁+0.440X₂+0.495X₃+0.250X₄，在回归方程中：Y为单株产量；X₁为每穗总粒数；X₂为有效分蘖数；X₃为千粒重；X₄为结实率。从结果可知，正常光照环境对水稻单株产量影响因素按重要性排序为每穗总粒数>有效分蘖数>千粒重>结实率，弱光环境对水稻单株产量影响因素按重要性排序为每穗总粒数>千粒重>有效分蘖数>结实率。水稻每穗总粒数NL标准化回归方程为Y＝0.090X₁+0.152X₂+0.803X₃，LL标准化回归方程为Y＝0.165X₁+0.178X₂+0.756X₃。在回归方程中：Y为每穗总粒数；X₁为穗长；X₂为一次枝梗数；X₃为二次枝梗数。从结果可知，正常光照环境和弱光环境下对水稻每穗总粒数影响因素按重要性排序均为二次枝梗数>一次枝梗数>穗长。

表3.水稻单株产量的回归模型系数

表中VIF为方差膨胀系数。NL，n＝152；LL，n＝147。

表4.水稻每穗粒数的回归模型系数

表中VIF为方差膨胀系数。NL中n＝152；LL中n＝147。

5)结论

5.1)水稻生育前期的物质累积速率和干物质快速累积起始时间对水稻最大干物质量具有显著的调控作用。

从图3A可以看出，两种光照环境下水稻的干物质累积过程均呈S型增长趋势，符合植物缓慢-快速-缓慢生长的趋势。遮阴处理后，弱光下的干物质累积量一直低于自然光照环境，最大快速累积速率(S曲线的斜率)低于正常光照，两个拐点t1、t2相对于正常光照往后延迟，低光照条件下的T相对于正常光照延长，这表明弱光照会使水稻生长速率减慢，但水稻会通过调节生育期缩小与正常光照下水稻的干物质累积量的差距。

从图3B、C做进一步分析可知，V₁、V_t均对W_max有显著的调节作用。V₁、V_t分别是水稻快速累积开始前和快速累积期内的平均累积速率，分别代表水稻前期和中后期的生长发育情况。水稻前期的营养生长可以为后期生殖生长打下物质基础。即V₁、V_t越大W_max越大。正常光照和遮阴两种处理下，W_max与V₁、V_t的线性斜率均无显著差异，也就是说，V₁、V_t对W_max的调节能力并未因光照强度不同而存在差异。因此，能够将V₁、V_t作为筛选弱光照条件下水稻高产品种的指标。

从图3D-F进一步分析可知，t₁、t₂、T均对W_max有显著的调节作用。t₁、t₂、T分别是物质快速累积期的起始时间、终止时间、持续时间，W_max与t₁、t₂、T均存在显著的正相关关系，即t₁、t₂、T值越大，W_max也越大。从实验结果可知，生育期延后且快速累积持续时间延长的水稻材料最大干物质累积量更大，因此能够将t₁、t₂和T作为筛选弱光照条件下水稻高产品种的指标。当然在具体实施中，同时也要考虑当地的实际情况，生育期往后推迟，物质快速累积期的持续时间延长理论上物质累积会增加，但如果水稻生育后期遭遇光照不足、病虫害加重、异常天气频繁出现等问题，水稻可能会消耗更多能量维持生存导致最终生物量减少或不能及时转移到籽粒中。

W_max与t₁、t₂、T关系的散点图(图3D-F)可清晰的知道，弱光环境下的斜率均比正常光照低，这说明t₁、t₂、T对W_max的调节能力减弱，这是由于弱光环境水稻对生育期有一定的调节作用。从弱光环境t₁、t₂、T的变化范围更广也可以解释弱光环境t₁、t₂、T对W_max的调控作用在减弱。综上所述，水稻通过调节t₁、t₂、T去适应弱光。

5.2)在弱光下筛选每穗二次枝梗数较多的水稻品种有利于增加每穗粒数进而提高水稻产量。

试验结果表明，正常光照和遮阴处理下水稻的单株产量与各生育期的干物质累积量均呈显著正相关关系(表1，P<0.001)，这意味着在水稻生育期内任何增加生物量的方法都有可能带来产量的提高。物质累积是产量形成的基础，干物质累积量越大，产量可能越高。

水稻产量由有效穗数、每穗粒数、结实率和千粒重四个因素构成。每穗粒数是影响水稻产量的关键因素，每穗粒数由穗长、一次枝梗、二次支梗三个因素决定。从实验结果可知，光照对水稻产量及其构成因子产生了显著影响，主要表现为降低水稻有效穗数、每穗二次枝梗数和每穗粒数，最终导致水稻产量降低(表2)。弱光环境水稻的结实率和千粒重与自然光照相比无显著差异，可能原因是实验从生育前期开始长达60d的遮阴处理，水稻已经适应弱光环境，能够合理调节物质运转，且生育后期恢复正常光照，可以弥补前期物质累积的不足，为水稻产量的形成提供能量。

对水稻产量构成因素采用逐步法拟合多元线性回归模型，结果表明正常光照环境对水稻单株产量影响因素按重要性排序为每穗总粒数>有效分蘖数>千粒重>结实率，弱光环境对水稻单株产量影响因素按重要性排序为每穗总粒数>千粒重>有效分蘖数>结实率。两种光照条件下每穗总粒数对单株产量的影响均排在第一位，这表明每穗总粒数对单株产量的影响最大。对每穗总粒数构成因素采用输入法拟合多元线性回归模型，结果表明正常光照环境和弱光环境下对水稻每穗总粒数影响因素按重要性排序均为二次枝梗数>一次枝梗数>穗长。两种光照条件下二次枝梗数对每穗总粒数的影响均排在第一位，这表明二次枝梗数对每穗总粒数的影响最大。综上可知，二次枝梗数影响每穗总粒数最终影响产量。因此，能够将二次枝梗数作为筛选弱光照条件下水稻高产品种的指标。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而其不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，则均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.利用低光钝感性进行杂交水稻品种选育的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)选取若干种水稻材料进行育秧，并将育好的秧苗移栽至田间；

2)对移栽后的秧苗采用透光率为50％的遮阳网进行遮阴处理，遮阴处理时间为移栽后22天-移栽后80天；

3)在不同生育时期对各种水稻进行取样，测量水稻器官的干物质重量；

4)在水稻成熟前，对各种水稻的稻穗进行采样，统计各样品的二次枝梗数；

5)根据步骤3)测得的水稻器官干物质重量，采用Logistic模型进行拟合，得到移栽后天数与水稻干物质总重之间关系的动态生长曲线，根据动态生长曲线将水稻移栽后时间划分为0至t₁阶段，t₁至t₂阶段和t₂至以后共三个阶段，其中t₁为干物质快速累积开始时间，t₂为干物质快速累积结束时间，并计算干物质快速累积持续时间T，T＝t₂-t₁；并根据采样数据和动态生长曲线，求得水稻器官干物质快速累积开始前的平均累积速率V₁和水稻干物质快速累积期内的平均累积速率V_t；

分别统计t₁与水稻器官干物质重量之间的关系、t₂与水稻器官干物质重量之间的关系、T与水稻器官干物质重量之间的关系、V₁与水稻器官干物质重量之间的关系和V_t与水稻器官干物质重量之间的关系；

6)以二次枝梗数、干物质快速累积开始时间t₁、干物质快速累积结束时间t₂、干物质快速累积持续时间T、水稻干物质快速累积开始前的平均累积速率V₁和水稻干物质快速累积期内的平均累积速率V_t为作为选择高产品种的评价指标，并在步骤4)和步骤5)的统计结果基础上综合考虑各评价指标，得到需要的品种。

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