水稻耐低钾种质资源的苗期筛选

王广洋，陆文怡，陈慧男，张晓勤，薛大伟

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

水稻耐低钾种质资源的苗期筛选

王广洋，陆文怡，陈慧男，张晓勤，薛大伟

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 310036)

摘要：以257份水稻种质为材料，通过水培实验比较它们对低钾耐性的基因型差异.结果表明，在两种不同的K+浓度处理下，供试水稻种质在低钾耐性上存在显著差异.通过比较根长、株高、地上与地下部分干质量等4个性状相关指数及由其均值组成的综合指数，作为苗期筛选耐低钾品种的标准，从中筛选出8个耐低钾品种.

关键词：水稻；低钾；综合指数；种质筛选

钾(K)是农作物生长必不可少的三大元素之一，K广泛分布于作物各组织和器官，为其生长代谢起重要的调节作用[1].K可促进作物叶绿素的形成、活化各种酶类、促进碳水化合物代谢、增强阳离子渗透性等生理作用，增强作物抗御干旱、霜冻和病虫害，增强抗倒伏的能力.在生长发育过程中钾供应不足，作物茎杆会变柔弱、易倒伏，抗旱及抗寒性降低，叶绿素等物质被分解破坏叶，叶组织会逐渐衰老.在我国长江以南地区，缺钾问题较为普遍[2].研究表明，施用钾肥可有效缓解作物生产中缺钾问题，但我国钾矿资源匮乏，每年需耗巨资进口钾肥.另外作物不同品种对于土壤缺钾的生理反应以及对钾元素的吸收利用效率存在明显差异，且钾营养效率的差异可遗传，说明作物的钾营养效率性状是由遗传基因控制的.

水稻(OryzasativaL.)是世界上重要的粮食作物之一，对钾的需求量较大.不同基因型水稻钾利用效率普遍存在差异.贾彦博等[3]在不同供钾水平下对8个水稻品种钾吸收利用率和稻谷产量的影响进行研究，表明水稻品种的稻谷产量、钾利用效率和各生育期地上部钾积累都存在显著的基因型差异，低钾胁迫显著降低水稻的稻谷产量和各生育期地上部钾积累量，显著提高水稻的钾利用效率.水稻的不同品种在低钾条件下生长时表现出明显差异，刘亨官等[4]从农艺性状方面对不同耐低钾水稻基因型进行比较，发现耐低钾基因型在低钾土壤上种植较低钾敏感基因型增产10%~20%，耐低钾品种植株的钾吸收速率以及钾利用效率明显高于不耐低钾品种.刘国栋等[5]对来自25个国家和地区的200多份不同基因型水稻进行了研究表明，不同基因型水稻的钾吸收速率可相差1倍以上，钾利用效率相差30%~50%，生物量相差1.0~3.6倍.利用水培法对86种不同基因型籼稻进行了比较，吸钾效率存在显著的基因型差异[6].胡泓等[7]田间实验表明水稻对钾肥反应存在明显的品种间差异，在供钾充足条件下，杂交稻协优 46 的钾吸收量显著大于常规稻秀水11，但其钾利用效率却显著低于秀水11；在缺钾条件下，杂交稻的钾吸收量低于常规稻，其钾利用效率与常规稻无明显差异.台德卫等[8]以全球水稻分子育种计划提供的117份核心种质资源为供试材料，进行苗期水培实验，发现不同钾处理下品种间存在显著差异，并从中筛选出9个耐低钾品种和32个较耐低钾品种.

本项目拟以多种水稻种质资源为材料，在苗期受控环境(正常和低钾胁迫)下，通过综合指数并结合稻苗生长情况来筛选、发掘耐低钾的种质资源.

1材料与方法

1.1　实验材料

本实验以275份来源广泛的水稻种质资源为筛选材料，包括主栽常规品种、恢复系、育种材料和地方稻种资源等，全部由中国水稻研究所提供.

1.2　实验方法

1.2.1水稻幼苗培养

不同基因型水稻各选取30粒种子，用蒸馏水漂洗干净，用滤纸包起来后置于30 ℃恒温培养箱中，浸种催芽.待种子长出根时，从中选出长势一致的种子，采用根朝下、芽朝上的方式放在去底的洁净PCR板上，并置于深色水培箱中培养.待苗长至一叶一心期，将水培液由蒸馏水换为低钾营养液或完全营养液，调pH 5.1.筛选选用的营养液为低钾营养液(K+浓度：4 mg/L)和完全营养液(K+浓度：40 mg/L).营养液为国际水稻研究所(IRRI)推荐的水稻常规营养液配方.每3 d更换一次营养液，至五叶期，实验重复3次.

1.2.2植株耐低钾能力的测定

测量五叶期植株单株的株高、根长、地上部、地下部干质量.以相对干质量(%)及缺钾症状为标准，相对株高(%)、相对根长(%)为参考对水稻苗期的耐低钾能力进行分级.干质量测量方法为：统计株数，地上部与地下部分开收集，105 ℃杀青10 min，于80 ℃烘至恒重.茎与根干质量(SDW和RDW)取平均值.

表1　耐低钾品种的综合指数评判标准

参考文献注：引自[8]略加修改.

1.2.3耐低钾品种的综合评判标准

按下列公式计算不同品种幼苗各性状相对指数，采用平均分配权重法，选择总根长、苗高、地下部干质量、地上部干质量4个苗期主要性状的相对指数，构成综合指数(SYI)，再结合幼苗的生长情况，按表1所列评判标准，评价和筛选耐低钾品种.TNI(相对指数)=同品种低钾胁迫值/同品种正常处理值，SYI(综合指数)=同品种4个性状的TNI值之和/4.

2结果与分析

2.1　不同钾处理下幼苗株高及根长差异

在五叶期，水稻幼苗在完全营养液和低钾营养液中的生长表现出明显差异.完全营养液中培养的幼苗生长正常，而低钾营养液中培养的水稻幼苗表现出明显的缺钾症状：生长缓慢、植株矮小、叶片发黄、叶尖坏死等一系列症状(图1).

A：低钾培养液(左)，完全营养液(右)；B：低钾胁迫下水稻苗期表现图1　两种钾处理下水稻幼苗的生长情况Fig. 1　Rice seeding growth under two kinds of K treatment

实验品种在低钾胁迫下的株高、根长存在较大的变异(图2).与图1相互印证，低钾胁迫下的幼苗株高显著低于正常培养，相对株高从42%(品种编号P308)到125%(P76)，大部分品种集中在70%~90%之间，均值为79%(图2A).低钾胁迫对根长影响不大，相对根长从37%(P47)到126%(P237)，大部分品种分布在80%~120%之间，均值为95%(图2B).

图2　相对株高(A)及相对根长(B)分布频率Fig. 2　The relative plant height (A) and the relative root length (B) frequency distribution

2.2　不同钾处理下地上部与地下部干质量差异

从图3中可以看出，低钾处理时地上和地下部分的干质量积累明显低于正常处理.地上部分相对干质量范围从11%(P351)到146%(P115)，主要分布在40%~110%(图3A)，均值72%.地下部分相对干质量范围从17%(P231)到169%(P88)，大多分布在50%~100%之间，均值73%(图3B).

图3　地上部相对干质量(A)及地下部相对干质量(B)分布频率Fig. 3　The relative dry weight of shoots (A) and relative dry weight of roots (B) distribution frequency

2.3　耐低钾品种的综合指数筛选

图4为综合指数分布频率，范围从42%(P14)到127%(P149)，均值80%，主要分布于60%~100%之间.根据综合指数从实验品种中筛选到8个耐低钾品种(P185, P190, P22, P138, P222, P101, P102, P149)，TNI>1.1；以及132个较耐低钾品种.

图4　综合指数的分布频率Fig. 4　The frequency distribution of comprehensive index

对各性状相对指数之间的相关性比较(表2)，表明株高与地上及地下部分干质量呈极显著相关(r=0.503，r=0.353，P<0.01)，综合指数与4个性状指标之间均呈极显著相关，且与地上部分干质量相关性指数最高(r=0.869，P<0.01)，与地下部分干质量相关度次之(r=0.832，P<0.01).

表2性状相对指数之间的相关性

Tab. 2The relationship between relative traits index

相对株高相对根长地上部相对干质量地下部相对干质量综合指数相对株高相对根长地上部相对干质量地下部相对干质量综合指数1.000 0.0961.000 0.503**0.146*1.000 0.353**0.167*0.631**1.000 0.629**0.427**0.869**0.832**1.000

注：**在0.01水平上显著相关；*在0.05水平上显著相关.

3讨论

钾是作物生长必需的元素之一，在其生长发育、新陈代谢过程中发挥十分重要的作用.国外开展作物钾营养基因型差异的工作较早，涉及的作物种类有大麦、小麦和野燕麦等.国内这方面的工作起步相对较晚，但在水稻上已积累了较多的资料[3-8].水稻不同基因型之间对低钾耐性的遗传差异，为筛选与培育钾高效水稻基因型提供理论依据和现实可能性.

前人的研究表明，水稻的不同品种在低钾条件下生长时表现出明显差异[4,6,8]，从本实验也可以看出，低钾培养条件下，大多数水稻幼苗呈生长迟缓、植株矮小、叶片发黄的症状(图1B).但也有少许品种株高、根长、干质量等部分性状高于正常处理，表明幼苗对于低钾胁迫存在不同的反应.

不同的实验方法得出的结论可能会有差异.本实验采用的方法为营养液培养，该法的优点是容易控制培养过程.其他常用方法还有盆栽法、大田实验法等，但是这些方法很难控制单一元素的缺乏研究，对于大规模筛选来说不可行，而采用营养液培养法相对简便有效，因此可以成为进行大规模品种前期筛选的首选方法[9].

筛选和培育耐低钾水稻品种是有效缓解土壤缺钾的途径之一，采用简便而有效的筛选指标可以加快水稻耐低钾基因型的选育过程.从本实验结果可以看出，257种水稻基因型在低钾和正常处理下，4个苗期性状差异明显，因此仅用1个性状相对值作为衡量指标，不能完全反映品种真实的耐低钾情况.因此，参考前人的研究结果[8,10-11]，结合本实验实际，利用4个性状指数产生的综合指数用于衡量耐低钾的指标.本研究根据4个水稻低钾条件下的苗期性状，以综合指数做出评判，从而筛选出8个耐低钾品种，132个较耐低钾品种，可用于后续研究.

[1] Leigh R, Wyn Jones R. A hypothesis relating critical potassium concentrations for growth to the distribution and function of this ion in the plant cell[J]. New Phytol,1984,97(1):1-13.

[2] 中国农科院肥料研究所.中国化肥区划[M].北京:中国农业科技出版社,1986.

[3] 贾彦博,杨肖娥,王为木.不同供钾水平下水稻钾素吸收利用与产量的基因型差异[J].水土保持学报,2006,20(2):64-72.

[4] 刘亨官,刘振兴,刘放新.水稻耐低钾品种(系)鉴定筛选及钾特性的研究[J].福建农科院学报,1987(2):10-17.

[5] 刘国栋,刘更另.水稻基因型与钾素营养关系的研究[M]//中国土壤学会第五届青年土壤科学工作者学术讨论会论文编委会.现代土壤科学研究.北京:中国农业科技出版社,1994:535-538.

[6] 刘国栋,刘更另.籼稻耐低钾基因型的筛选[J].作物学报,2002,28(2):161-166.

[7] 胡泓,王光火,张奇春.田间低钾胁迫条件下水稻对钾的吸收和利用效率[J].中国水稻科学,2004,18(6):527-532.

[8] 台德卫,张效忠,苏泽胜,等.全球水稻分子育种核心种质资源耐低钾品种的苗期筛选[J].植物遗传资源学报,2004,5(4):356-359.

[9] 赵学强,介晓磊,谭金芳,等.钾高效小麦基因型的筛选指标和筛选环境研究[J].植物营养与肥料学报,2006,12(2):277-281.

[10] 张永清,毕润成,庞春花,等.不同品种春小麦根系对低钾胁迫的生物学响应[J].西北植物学报,2006,26(6):1190-1194.

[11] Gerloff G. Intact-plant screening for tolerance of nutrient deficiency stress[J]. Plant Soil,1987,99:3-16.

Seedling Screening of Rice Germplasm Resources with Low Potassium Tolerance

WANG Guangyang, LU Wenyi, CHEN Huinan, ZHANG Xiaoqin, XUE Dawei

(College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China)

Abstract:A hydroponic experiment is conducted to compare the genotypic difference in low potassium tolerance among 257 rice germplasm. The results show that there are obvious differences in low potassium tolerance among all the genotypes with two kinds of different K+concentrations. Considering the correlation index of the root length, plant height, dry weight of shoots and roots as well as the comprehensive index originated from the mean value of the above four traits as the seedling screening standards for low potassium tolerance, eight varieties with low potassium tolerance are selected.

Key words:rice; low potassium; comprehensive index; germplasm screening

文章编号:1674-232X(2015)01-0044-05

中图分类号:Q89

文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.1674-232X.2015.01.008

通信作者：薛大伟(1978- )，男，副教授，博士，主要从事作物分子遗传学研究. E-mail：dwxue@hznu.edu.cn

基金项目:浙江省科技厅科研项目(2012C22039)；浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目(2012R421001)；杭州市科委科研项目(20130432B04).

收稿日期：2014-06-25