超级早籼稻“中早39”的高产育种研究

2018-01-31 | 作者: 季芝娟 曾宇翔 梁燕 杨长登 | 标签: 水稻高产育种 中早39

作者单位:中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室
来源:《中国生物工程杂志》2017,37(12):21-26


摘要:通过回顾超级早籼稻中早39的选育过程,并针对中早39高产且稳产的特点,测定中早39与其系谱亲本嘉育253和中组3号的光合特性和光合色素含量,比较三个品种间生理指标的区别,解析中早39高产育种的思路,为水稻高产育种提供了理论依据。


随着世界人口的不断增加和耕地面积的持续减少,粮食安全问题日益受到世界各国的重视。我国水稻(OryzasativaL.)高产育种经历了从20世纪50年代的矮化育种,到70年代的杂交水稻育种,及至近年的超级稻育种。为保证粮食安全,我国于20世纪90年代中期启动了超级稻育种计划,截止于2016年4月,全国认定的超级稻品种达125个,一批优质高产的超级稻新品种已经广泛应用于生产。

常规早籼稻品种中早39,2009年通过浙江省审定,2012年通过国家审定,2013年被农业部认定为超级稻品种,连续6年列为农业部主导品种。该品种优良性状突出,高产、广适,耐肥抗倒,非常适合轻型栽培和机械化种植,受到农民的喜爱。中早39在两年国家区试中,比对照品种株两优819(2006年农业部认定的超级稻)增产3.13%,生产试验中,比株两优819增产6.1%。2013年,中早39单产和百亩方平均亩产分别达到705.33公斤和682.67公斤,创浙江省早稻单产和百亩方平均亩产的吉尼斯纪录;2016年,中早39以最高单产747.85公斤,百亩方平均亩产713.84公斤,再创浙江农业之最。

作物产量性状是由多基因控制的,生物技术的应用可提高作物育种的速度。但是,只有对决定作物产量潜力的生理特性的深入研究,才有可能进一步通过分子生物途径寻找“产量基因”。中早39高产和稳产特性突出,其高产形成原因亟待进一步解析。

1材料与方法

1.1材料

中早39及其系谱亲本中组3号和嘉育253种植于中国水稻研究所试验基地,每个品种种植3个重复小区,每个小区行株距为5寸×5寸,面积为10.3平方米,按常规方法进行田间管理。


1.2中早39的选育
以高产早籼嘉育253为母本,以高产抗稻瘟病早籼新品种中组3号为父本杂交,并多代连续自交,分离世代全程进行自然病圃鉴定,在高世代结合稻瘟病混合菌株人工接种抗性筛选方法,获得稳定的抗稻瘟病新株系,进行小区产量鉴定,最终获得综合农艺性状优良的新品种中早39。具体选育流程如图1。



1.3生理数据测定

在三个品种的穗分化始期、齐穗期、齐穗后20天共3个时期,测定光合速率和叶面积指数(LAI);取样测定齐穗期的光合色素含量。

选择在晴朗无风的上午,各品种随机选取5株,于上午9∶00~11∶00采用美国LI-COR公司生产的LI-6400便携式光合测定仪测定稻株最上部全展叶的净光合速率,每叶重复测5次。
各品种随机取最上部全展叶10片,液氮固定之后保存于-80°C冰箱中,比色法测定叶绿素a含量、叶绿素b含量和类胡萝卜素含量等光合色素成分。

选取单株具有代表性的20片完全叶作为标叶,用米尺测量叶片长宽,叶面积=长×宽×0.75。

1.4产量相关性状测定

每个品种调查5个单株的主要农艺性状和产量性状,包括全生育期、株高、穗数、每穗总粒数、结实率、千粒重和小区产量。


1.5数据分析
数据用MicrosoftExcel2010软件和DPS数据处理系统分析。

2结果与分析

2.1中早39的选育过程及其特征特性


2.1.1中早39的选育过程
利用组织培养和体细胞无性变异,选育获得稻瘟病抗性水平高的早籼稻品种中组3号。我们进一步以高产早籼嘉育253为母本,以中组3号为父本杂交,2003年夏杭州收获F1代,2004年夏杭州种植F2代,从中选择34株系翻秋种植F3代,并从中选择26株系于海南种植成F4代;2005年夏杭州种植F5代27株系,从中选择35株系翻秋为F6代,于2006年春海南F7定型。

其中,在品种选育的F2代开始,利用稻瘟病自然病圃进行低世代群体抗性的筛选,在高世代,进行混合菌株人工接种鉴定并结合自然诱发鉴定体系评价新品系的稻瘟病抗性,针对性地选育出高产且抗稻瘟病的新品种中早39。人工接种比自然诱发鉴定不易受环境条件的影响,确保了接种结果的可靠性;混合菌种比单一菌种接种可以筛选更多的稻瘟病抗性基因。通过田间抗性鉴定、稻瘟病抗性基因分子标记检测和基因测序等方法,证实中早39聚合了Pi-d2、Pi-d3、Pi36、Pi37、Pi5、Pib、Piz、Pik-h、Pi-ta、Pizt、Pi9和Pi64等12个稻瘟病抗性基因,确保了中早39稻瘟病的持久抗性。

中早39参加2008-2009年的浙江省区域试验和生产试验,于2009年通过浙江省水稻品种审定,2012年始,中早39为浙江省早籼稻区域试验新的对照品种。汇总2008-2009年和2012-2017年中早39在浙江省早籼稻区域试验中稻瘟病抗性的结果(表1),发现其抗性水平在3级或3级以下,多年度间都保持抗或高抗水平。说明中早39在近10年的稻瘟病抗性未出现退化,表现出持久的稻瘟病抗性,为其高产和稳产特性的重要因素。



2.1.2中早39的特征特性
中早39全生育期112天左右,比对照株两优819长0.7天,适合在长江流域的浙江、江西、安徽、湖南、湖北等省作双季早稻栽培。移栽后返青快,且整个生育期间生长势旺盛,分蘖能力中等。株叶形态理想,株高82.0cm,茎秆粗壮,抗倒伏能力强;叶鞘叶缘紫色,叶片挺直、较厚,宽窄适中,叶色中等偏深,谷粒稃尖紫色,无芒。后期较耐高温,穗基部灌浆较饱满,熟期转色好。

2007年中早39推荐参加浙江省联品试验,平均亩产519.13公斤,居第1名,比对照嘉育293增产10.71%,达极显著。2008年参加浙江省早稻区试,平均亩产474.5公斤,比对照嘉育293增8.3%,居第1名,增产极显著。2009年续试,平均亩产500.7公斤,比对照嘉育293增4.9%,比对照嘉育293增产显著。浙江省两年区试平均亩产487.6公斤,比对照嘉育293增6.5%。2009年同步参加浙江省生产试验,平均亩产510.2公斤,比对照嘉育293增产3.9%。2009年参加长江中下游早籼早中熟组区域试验,平均亩产507.8公斤,比对照株两优819增产2.0%;2010年续试,平均亩产458.1公斤,比株两优819增产4.4%。两年区域试验平均亩产482.9公斤,比株两优819增产3.1%。2011年生产试验,平均亩产523.7公斤,比株两优819增产6.1%。


2.2中早39及其系谱亲本产量相关性状比较分析


基于中早39的高产表现,我们调查了中早39及其系谱亲本嘉育253和中组3号的产量相关性状。从表2可知,虽然嘉育253在有效穗数上比中早39和中组3号要多,且差异显著,但中早39在每穗总粒数优于嘉育253和中组3号,且达极显著水平,中早39和中组3号的结实率则极显著高于嘉育253。因此,超级稻品种中早39库源更协调,产量潜力好。最终的小区产量结果表明,中早39极显著高于嘉育253和中组3号。



2.3中早39及其系谱亲本光合速率比较分析

我们进一步分析了三个品种在3个时期光合效率上的差异表现。图2表明,在穗分化始期和齐穗期,中早39的净光合速率并没有表现为最高,嘉育253的净光合速率最高;齐穗期时,中早39的净光合速率高于中组3号,但低于嘉育253;到齐穗后20天,中早39的净光合速率高于嘉育253和中组3号。因此,中早39在抽穗后,其光合速率下降趋势要比嘉育253缓慢,表现出更好的叶片光合功能。中组3号的净光合速率则自始至终为三个品种中最低的水平。中早39田间表现为抗早衰、青秆黄熟。




2.4中早39及其系谱亲本叶面积指数比较分析


对3个时期的叶面积进行测量和分析,获得三个品种的叶面积指数,如图3所示。结果表明,穗分化始期时中早39的叶面积指数虽然在两个亲本之间,但是在齐穗期和齐穗后20天,则一直保持在三个品种中最高。后期较高的叶面积指数为中早39的后期高光合效率奠定了基础。



2.5中早39及其系谱亲本光合色素比较分析

从图4可知,无论是叶绿素a含量、叶绿素b含量,还是类胡萝卜素含量,中早39在三个品种中都保持最高水平。较高的叶绿素含量为具有超高产潜力的水稻品种叶片吸收更多光能提供了生理基础。



3讨论

根据育种目标正确选配杂交亲本,才能达到预期的效果。选用亲本性状的好坏直接关系到杂种后代的优劣,因此,正确选配亲本是新品种选育能否成功的关键之一。本研究中,早籼稻新品种的选育,首要目标就是高产,因此在选用杂交亲本时将高产的嘉育253作为亲本之一,而中组3号的稻瘟病抗性的导入,则有利于新品种的稳产。

库容量大是超高产水稻的共同特征,即超高产水稻有较多的每穗粒数、较高的千粒重以及与对照相当的结实率。其中,群体颖花量的增加是产量增加的直接原因,大幅度增加穗粒数或培育大穗是超级稻扩大库容的主要途径。本研究发现,三个品种的千粒重没有显著区别,但中早39具有较高的结实率和每穗粒数,而中组3号只是具有较高结实率,嘉育253则只是在穗数上占有优势。因此,中早39具有较大的库容,表现出超级稻的产量优势。

在增加库的基础上扩大源,才能进一步增加水稻的产量。水稻的源是由绿色的茎、鞘、叶以及根系等组成,其中功能叶是最主要的源。光合作用是作物产量形成的根源,超高产水稻应具有超高产的光合生理基础。光合物质生产能力、光合同化产物的运转和分配决定了产量的高低。王强等以超级杂交稻两优培九为材料,研究认为较高的光能是其超高产的重要原因。翟虎渠等比较研究认为,抽穗前、后的物质生产能力和灌浆后期的光合功能是协优9308获得超高产的关键。水稻要高产,就必须增强叶的光合速率,提高适宜的叶面积指数。本研究中,中早39较其两个系谱亲本而言,在齐穗期后具有更高的净光合速率和叶面积指数,各光合色素含量也保持最高,因此,中早39具有超高产光合生理特性。

水稻产量的提高总是伴随着源、库关系的不断改善以及与新型源库关系的建立。已有的研究针对超高产水稻产量形成和生理的关系时,一般都基于超级稻品种和对照品种进行比较研究,比较的品种之间遗传背景不同;而本研究针对超级早籼稻品种中早39的高产稳产特性,分析了中早39及其系谱亲本中组3号和嘉育253在光合特性和光合色素上的差异,中早39的遗传背景来自两个系谱亲本。而产量潜力的增长是在育种过程中,高产基因的逐步积累和不利基因逐步去除的结果。将超级稻品种与其系谱亲本进行比较,则是从表型上体现出高产基因的积累和不利基因去除的过程。中早39结合了中组3号高结实率的优点,未发挥嘉育253单株穗数的优势,但是却表现出很高的每穗总粒数,体现出中早39的大穗型特点;在源方面,中早39生育后期的光合特性和叶面积指数、光合色素等都优于其系谱亲本,暗示中早39较其系谱亲本增大了库容,并相应地进行了开源。

本研究表明,中早39库容大、产量高,其生育后期具有较高的净光合效率和叶面积指数,这与程式华等提及的“后期功能型”概念相一致,超级稻的高产生理特性具体表现为在生育后期光合效率等生理特征特性上表现出明显的优势。因此,中早39的选育,是扩库的基础上,整合了优良源相关基因,田间表现为理想的超级稻株叶形态和“后期功能型”光合特性,这为水稻高产育种的进一步提升提供理论依据。 

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来源:《中国生物工程杂志》2017,37(12):21-26

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