秈粳不同形態(tài)性狀水稻的耐低磷特性研究

秈粳不同形態(tài)性狀水稻的耐低磷特性研究

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的17個(gè)必要因素之一。全世界43%耕地缺磷，中國(guó)2/3的農(nóng)田缺磷。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-1的水田占50%以上，集中分布在低海拔、氣溫高、雨量充沛的熱帶、亞熱帶紅壤地區(qū)。國(guó)內(nèi)外水稻耐低磷特性及其基因定位克隆進(jìn)展顯著，如耐低磷基因Pup1與S10043標(biāo)記共分離；克隆了OsPTF1基因能顯著增強(qiáng)水稻耐低磷脅迫能力。迄今秈粳亞種及其中間型耐低磷特性有無(wú)明顯差異尚未有人研究，耐低磷特性和秈粳分化相互關(guān)系不十分清楚。云南是中國(guó)最大稻種遺傳多樣性中心和廣親和品種分布中心，也是亞洲栽培稻的秈粳分化中心，尤其是秈粳中間型十分豐富。云南稻核心種質(zhì)無(wú)效磷的活化特性因地州和稻作區(qū)存在明顯差異；糙米低磷含量是水稻磷高效種質(zhì)鑒定評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，嚴(yán)重缺磷酸性紅壤馴化出眾多的肥高效、高鐵稻米品種。以5285份云南地方稻種經(jīng)形態(tài)、同工酶和分子標(biāo)記相結(jié)合聚類獲得548份云南稻種核心種質(zhì)，代表了云南地方稻種約90%的遺傳多樣性。因此，在低磷脅迫下用程氏指數(shù)分類法對(duì)548份云南地方稻核心種質(zhì)研究秈粳亞種分類形狀與形態(tài)性狀間的關(guān)系，為云南水稻耐低磷基因源的挖掘及稻種演化的關(guān)系提供有力證據(jù)，為云南缺磷紅壤區(qū)磷高效品種選育提供參考。1材料和方法1.1水稻趨勢(shì)分析tp盆栽試驗(yàn)土壤采用昆明阿子營(yíng)鄉(xiāng)（海拔2150m)20多年未施過(guò)化肥的酸性紅壤20cm的表層土，經(jīng)云南省農(nóng)科院土肥所經(jīng)測(cè)定有效磷為6.26mg/kg。548份云南稻種核心種質(zhì)2003年2月25日于昆明播種，4月1日移栽，每盆4.0kg土壤栽3苗，每個(gè)材料栽2盆，設(shè)不施磷肥和施用磷肥兩種處理，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，獲得地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量和總干物質(zhì)量，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(SD)及變異系數(shù)(CV%)，用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性。1.2核心種質(zhì)的六性狀指數(shù)積分按程侃聲(1993)方法調(diào)查548份核心種質(zhì)的六個(gè)秈粳形態(tài)性狀，六性狀形態(tài)指數(shù)積分為0～8屬秈,9～13屬偏秈，14～17屬偏粳，18～24屬粳。2結(jié)果與分析2.1形態(tài)性狀間的相關(guān)分析6.26mg/kg低磷脅迫與40mg/kg正常有效磷條件下548份核心種質(zhì)的12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12個(gè)相對(duì)性狀組成的66對(duì)性狀中有32對(duì)性狀間達(dá)極顯著(R0.01=0.112**)相關(guān)，9對(duì)性狀間達(dá)顯著(R0.05=0.088*)相關(guān)；其中相關(guān)系數(shù)0.2以上有19對(duì)性狀，僅有4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)總干物質(zhì)量>相對(duì)地上干物質(zhì)量>相對(duì)地下干物質(zhì)量；其余7個(gè)性狀與相對(duì)分蘗相關(guān)系數(shù)為-0.121**～0.009；相對(duì)地上干物質(zhì)量與相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地下干物質(zhì)量與相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地上干物質(zhì)量與相對(duì)地下干物質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.5以上（0.906**～0.508**），暗示了云南稻核心種質(zhì)耐低磷指標(biāo)性狀存在內(nèi)在聯(lián)系。表1對(duì)角線下方列出了548份核心種質(zhì)在6.26mg/kg低磷脅迫下12個(gè)形態(tài)性狀間的相關(guān)系數(shù)，由12個(gè)形態(tài)性狀組成的66對(duì)性狀中有55對(duì)性狀間達(dá)極顯著或顯著性相關(guān)(R0.01=0.112**,R0.05=0.088*)，相關(guān)系數(shù)高于0.2共37對(duì)性狀，其中相對(duì)分蘗力與有效穗、總干物質(zhì)量、地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量、穗長(zhǎng)的相關(guān)均高于0.2;7對(duì)性狀相關(guān)達(dá)0.949**～0.503**，依次為總干物質(zhì)量與地上干物質(zhì)量>總干物質(zhì)量與地下干物質(zhì)量>穗下節(jié)長(zhǎng)與株高>地上干物質(zhì)量與地下干物質(zhì)量>分蘗與有效穗>穗長(zhǎng)與株高>結(jié)實(shí)率與實(shí)粒數(shù)?？傊粌H低磷脅迫下云南稻核心種質(zhì)的分蘗力與有效穗、總干物質(zhì)量、地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量呈極顯著的相關(guān)性，而且低磷與適磷條件下相對(duì)分蘗力與相對(duì)有效穗、相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地上干物質(zhì)量、相對(duì)地下干物質(zhì)量呈極顯著的相關(guān)性；鑒于低磷脅迫的相對(duì)分蘗力和相對(duì)生物量是廣泛認(rèn)可的水稻耐低磷協(xié)迫參數(shù)，因此，相對(duì)分蘗力、相對(duì)有效穗、相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地上干物質(zhì)量和相對(duì)地下干物質(zhì)量是水稻耐低磷評(píng)價(jià)的理想指標(biāo)；低磷脅迫下耐低磷指標(biāo)性狀可作為水稻磷高效基因型篩選指標(biāo)。2.2相對(duì)形態(tài)性狀與條件比較由表1可知，548份云南稻核心種質(zhì)秈粳亞種6個(gè)鑒別性狀（稃毛、酚反應(yīng)、酚反應(yīng)、葉毛、殼色、1～2節(jié)長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比）組成的15對(duì)性狀間有14對(duì)性狀呈極顯著相關(guān)(R0.01=0.112**)，1對(duì)性狀也達(dá)顯著相關(guān)，這表明秈粳亞種鑒別性狀間的內(nèi)在聯(lián)系十分緊密。6.26mg/kg低磷脅迫與40mg/kg正常有效磷條件下548份核心種質(zhì)的12個(gè)相對(duì)形態(tài)性狀與6個(gè)秈粳鑒別性狀間的相關(guān)系數(shù)列于表1對(duì)角線下方：秈粳6個(gè)鑒別性狀與12個(gè)相對(duì)形態(tài)性狀組成的72對(duì)性狀有31對(duì)性狀呈極顯著或顯著的相關(guān)性，其中6個(gè)秈粳鑒別性狀與相對(duì)分蘗力(-0.175**～-0.264**)、相對(duì)有效穗(-0.089*～-0.215**)均呈極顯著或顯著的相關(guān)性，5個(gè)秈粳鑒別性狀與相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地下干物質(zhì)量均呈極顯著或顯著的相關(guān)性；相對(duì)地上干物質(zhì)量與秈粳鑒別性狀關(guān)系不大；6個(gè)秈粳鑒別性狀與4個(gè)耐低磷指標(biāo)性狀的相關(guān)系數(shù)多數(shù)呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，即水稻平均耐低磷特性隨程氏指數(shù)的增加而降低，這表明云南稻核心種質(zhì)耐低磷特性與秈粳亞種的遺傳分化有關(guān)。另外，相對(duì)分蘗力與秈粳6個(gè)鑒別性狀相關(guān)系數(shù)最高，分蘗力強(qiáng)弱是秈粳亞種差異的標(biāo)志性狀之一；相對(duì)分蘗力被認(rèn)為是水稻低磷脅迫下可靠的磷高效鑒定指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證了低磷特性與秈粳分化的密切關(guān)系。鑒于6個(gè)秈粳鑒別性狀間存在某種一致性，這已為同工酶、RFLP和數(shù)值分類等實(shí)踐所證實(shí)。因此程侃聲的“形態(tài)指數(shù)法”對(duì)云南稻核心種質(zhì)的分類數(shù)據(jù)是可靠的。2.3由于主要品種水稻育種中低磷性能的差異，2.3.1云南稻核心種質(zhì)采用不同品種間的耐低指標(biāo)性狀間的差異按秈粳6個(gè)鑒別性狀(稃毛、1～2節(jié)長(zhǎng)、抽穗時(shí)殼色、酚反應(yīng)、長(zhǎng)寬比、葉毛)將548份云南地方稻核心種質(zhì)劃分為秈(95份)、偏秈(178份)、偏粳(85份)、粳(190份)4種類型(表2),其組成比例依次為粳(34.7%)>偏秈(32.5%)>秈(17.3%)>偏粳(15.5%),其中秈粳分化不徹底的偏秈和偏粳中間型占云南稻核心種質(zhì)48%,這表明多數(shù)云南地方稻具有原始保守性、秈粳分化多樣性和不徹底性，進(jìn)一步驗(yàn)證了云南是亞洲栽培稻秈粳分化中心。云南稻核心種質(zhì)秈粳亞種間耐低指標(biāo)性狀間的差異列于表2：(1)云南地方稻核心種質(zhì)相對(duì)分蘗力和相對(duì)有效穗的平均值由大到小依次為秈、偏秈、偏粳、粳，由秈-粳隨著程氏指數(shù)的增大，分蘗力及有效穗遞減，耐低磷特性也減弱。(2)LSR法多重比較表明:秈、偏秈與粳的相對(duì)分蘗力差異顯著，其余類型間不顯著。秈與偏粳、粳的相對(duì)有效穗差異顯著，偏秈與粳差異顯著，其余不顯著。2.3.2相對(duì)地下干物質(zhì)量低磷脅迫下核心種質(zhì)秈粳亞種間的相對(duì)干物質(zhì)量差異列于表2。(1)核心種質(zhì)秈粳亞種間平均相對(duì)地上干物質(zhì)量由大到小依次為:秈、偏秈、偏粳、粳,但差異均未達(dá)到顯著水平。(2)相對(duì)地下干物質(zhì)量的平均值由大到小依次為：秈、偏秈、粳、偏粳，粳（67.52）和偏粳（67.44）接近；秈與偏秈、偏粳、粳的相對(duì)地下干物質(zhì)量LSR檢驗(yàn)差異顯著，偏秈和粳差異顯著，其余類型間不顯著。(3)相對(duì)地下干物質(zhì)量的平均值由大到小依次為：秈、偏秈、偏粳、粳，秈和粳的相對(duì)總干物質(zhì)量LSR檢驗(yàn)差異顯著，其余類型間不顯著。總之，云南地方稻核心種質(zhì)秈粳亞種相對(duì)分蘗數(shù)、有效穗、總干物質(zhì)量、地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量的平均值隨著程氏指數(shù)的增大，由秈至粳依次遞減，稻種的耐低磷特性也減弱。這進(jìn)一步證實(shí)了秈粳亞種間的平均耐低磷能力的差異。3討論3.1云南稻核心種質(zhì)抗低磷能力鑒定分蘗力是秈粳亞種間差異的標(biāo)志性狀之一，也是水稻重要的栽培特性，分蘗芽在低磷脅迫條件下會(huì)受到抑制。鑒于低磷脅迫下的相對(duì)分蘗力作為水稻耐低磷協(xié)迫參數(shù)已精細(xì)定位克隆了磷高效基因；653份云南糙米磷含量與莖蘗數(shù)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)-0.2043**，用相對(duì)分蘗力評(píng)價(jià)低磷脅迫下548份云南地方稻核心種質(zhì)的耐低磷特性效果較好。因此，相對(duì)分蘗數(shù)是云南稻耐低磷特性鑒定的首選指標(biāo)。6.26mg/kg的低磷脅迫下云南稻核心種質(zhì)分蘗力與有效穗、總干物質(zhì)量、地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)為0.237**～**0.585,總干物質(zhì)量與地上干物質(zhì)量、地下干物質(zhì)量間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.596**～0.949**；6.26與40mg/kg條件下相對(duì)分蘗力與相對(duì)有效穗、相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地上干物質(zhì)量、相對(duì)地下干物質(zhì)量呈極顯著相關(guān)性（0.226**～0.386**），相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地下干物質(zhì)量、相對(duì)地上干物質(zhì)量間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.508**～0.906**。因此，相對(duì)分蘗力、相對(duì)有效穗、相對(duì)總干物質(zhì)量、相對(duì)地上干物質(zhì)量和相對(duì)地下干物質(zhì)量是水稻耐低磷評(píng)價(jià)的理想指標(biāo)；低磷脅迫下耐低磷指標(biāo)性狀可作為水稻磷高效基因型篩選的指標(biāo)。3.2稻核心種質(zhì)間基礎(chǔ)磷系用程氏六個(gè)秈粳鑒別形狀將548份云南稻核心種質(zhì)劃分秈粳亞種類型：秈(95份)、偏秈(178份)、偏粳(85份)和粳(190份)；用相對(duì)分蘗力、相對(duì)有效穗、相對(duì)地下干物質(zhì)量、相對(duì)總干物質(zhì)量的平均值作為水稻耐低磷脅迫參數(shù)揭示了秈粳亞種及中間型的耐低磷特性存在明顯差異，其平均耐低磷特性由強(qiáng)到弱依次為秈、偏秈、偏粳、粳，除地上干物質(zhì)量外，差異均達(dá)到顯著水平；即云南稻核心種質(zhì)的平均耐低磷能力隨著程氏秈粳指數(shù)增大而降低，由秈至粳呈遞減趨勢(shì)。本結(jié)論只是初步結(jié)果，在以后的工作中仍需繼續(xù)驗(yàn)證。就基因型差異論，無(wú)論是秈稻還是粳稻均存在極強(qiáng)的耐低磷品種和不耐低磷品種；56份強(qiáng)耐低磷種質(zhì)中有秈、粳、陸、糯稻和光殼稻，這有利于選育強(qiáng)耐低磷品種。迄今，除本課題組報(bào)道了秈稻平均耐低磷特性強(qiáng)于粳稻外，粳稻品種在分泌質(zhì)子和有機(jī)酸能力對(duì)土壤磷素活化能力比秈稻品種具較高優(yōu)勢(shì);粳稻JX17相對(duì)根干物質(zhì)量、根分泌質(zhì)子、根分泌有機(jī)酸等與磷吸收效率有關(guān)的生理指標(biāo)明顯優(yōu)于ZYQ8。秈粳亞種及中間型平均耐低磷特性的基因型差異迄今在國(guó)內(nèi)外未見系統(tǒng)報(bào)道。云南是中國(guó)稻種最大的遺傳和生態(tài)多樣性中心,人們?cè)跀?shù)萬(wàn)年的起源、馴化和栽培過(guò)程中馴化出多樣性及其突出的亞洲栽培稻，由中國(guó)云南、印度阿薩姆到尼泊爾這一稻種起源中心傳播至全世界，成為世界上一半以上人口的主要糧食。曾亞文認(rèn)為云南苗期耐冷基因源的形成與環(huán)境息息相關(guān)，是低溫脅迫下冷泉水、苗期倒春寒和冬春育秧共同協(xié)同進(jìn)化的結(jié)果。云南稻區(qū)分布復(fù)雜，1400～1600m屬于秈粳交錯(cuò)區(qū)；1400m以下因播種和收獲季節(jié)的不同分布著早中秈、冬秈和晚秈；1600～2700m分布以粳型稻為主。低海拔的熱帶亞熱帶地區(qū)是嚴(yán)重缺磷酸性紅壤的主要分布區(qū)，也是秈稻的主產(chǎn)區(qū)。秈稻耐低磷特性較強(qiáng)與分布地區(qū)有一定聯(lián)系，嚴(yán)重缺乏有效磷的酸性紅壤是形成豐富多彩磷高效基因源的主導(dǎo)因子。王象坤認(rèn)為生態(tài)環(huán)境的選擇壓力是導(dǎo)致秈粳分化的重要原因。水稻耐低磷能力受遺傳和環(huán)境因子的雙重控制，與馴化選擇密切相關(guān)，并可能與其他性狀協(xié)同進(jìn)化。本文研究了云南稻核心種質(zhì)6個(gè)秈粳分類性狀和耐低磷指標(biāo)性狀多數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)，耐低磷指標(biāo)性狀存在明顯的秈粳分化，由秈至粳呈連續(xù)性變異。耐低磷特性和秈粳分化性狀密切相關(guān)，與土壤環(huán)境因素有一定聯(lián)系，三者屬于協(xié)同演化關(guān)系。4世界及水稻耐低磷特性(1）相對(duì)分蘗力、相對(duì)有效穗、相對(duì)總干物質(zhì)量和相對(duì)地下干物質(zhì)量4個(gè)耐低磷指標(biāo)性狀可作為水稻耐低磷能力強(qiáng)弱評(píng)價(jià)的理想指標(biāo)，低磷脅迫下耐低磷指標(biāo)性狀可作為水稻磷高效基因型篩選的