利用自然异常高温开展耐高温水稻品种大群体筛选的方法研究与应用

申广勒，张从合，王 慧，严 志，周桂香，杨 韦，黄艳玲，汪和廷，张云虎，陈 琳，庞战士，王 林

(安徽荃银高科种业股份有限公司/安徽省水稻商业化分子育种工程研究中心/农业农村部杂交稻新品种创制重点实验室，安徽合肥 230088)

全球气候变暖已成为不争的事实，并有不断加剧的趋势。中国在1960—2010年的50年间平均地表气温上升了1.2 ℃。到21世纪末，预计还要上升1～5 ℃。水稻是中国最主要的粮食作物之一，气候因素，尤其是高温对水稻生产的影响越来越大。夏季极端高温天气频发，且持续时间更长，对水稻生产极为不利，特别是我国长江流域每年都会出现持续性的高温天气，对水稻生产造成了严重危害。相关研究表明，抽穗开花期是水稻对高温胁迫最敏感的时期，35 ℃以上高温会引起花器官发育不良和授粉行为障碍，进而引起结实率下降，造成水稻大幅度减产，甚至绝收。2003年夏季高温给湖南、湖北、安徽等长江中下游地区的一季中稻生产造成了巨大损失，长江流域受害面积达 3×10hm，损失稻谷达5.18×10t，经济损失近百亿元。以安徽省为例，2003年受灾面积3.3×10hm，损失稻谷1.28×10t。田间调查结果表明，明显受害的田块中，不同田块和不同品种受灾程度各异，减产幅度70%～10%，大部分受害田块的结实率为40%～60%，受害的品种既有杂交稻也有常规稻。2006年江淮地区水稻高温受灾面积达6.67万 hm。2013年7月下旬至8月中旬，安徽省江淮地区出现连续27 d高温35 ℃以上的天气。因此，选育耐高温品种并大面积推广，具有重要意义。

合肥市是长江中下游中籼主产区之一，也是长江流域夏季极端高温频发的地区之一。利用合肥地区频发高温天气，研究一种经济高效的方法对水稻品种大群体耐高温性进行鉴定十分必要。 鉴于此，笔者利用合肥地区频发高温天气进行多年大群体耐高温筛选，在1985—2010年的实践的基础上筛选了大量耐高温材料和品种，并从中总结出了一种经济可行、简单高效的水稻耐高温性鉴定方法，以期为大田耐高温育种提供参考。

1 气象资料分析

合肥地区1985—2010年26年间7月20日—8月20日的气象资料(表1)显示，日最高温度累计4 d达到35 ℃以上的年份达21年，占比超过80%，其中日最低温度高于27 ℃且日最高温度高于35 ℃累计达4 d以上的年份为18年，占近70%(表1)。在气象资料分析的基础上，通过调整水稻播种期和分期播种的办法，将待鉴定材料和组合的抽穗期安排在7月20日—8月20日间遇到自然高温，进行耐高温筛选，因此合肥地区气候为自然高温环境胁迫进行大群体耐高温水稻品种的筛选提供了天然鉴定环境。

2 技术路线与方法

对鉴定材料(包括低世代育种材料、常规稻、恢复系和不育系测配组合)采取分期播种的方式，同时播种耐高温对照品种，使抽穗开花期在7月20日—8月20日，并记录每日气温的最高温、最低温及日平均温度，对遇到日均温在32 ℃以上、连续2 d最低温度高于27 ℃且最高温度高于35 ℃高温胁迫的穗子进行标记；成熟期考察已标记的待鉴定材料穗子和耐高温对照品种的穗子结实率；选择结实率高于耐高温对照品种且结实率在73%以上的材料和组合进入下1年高温筛选，同时结合材料选育，从低世代开始反复大群体筛选。中选鉴定材料放在模拟大田高温(27～39 ℃)的人工气候箱中进行，从见穗到齐穗开花期为期6 d的高温验证，确认鉴定材料在高温条件下的耐高温特性，最终选育出耐高温亲本和组合(图1)。该设计可对大群体材料的耐高温定性筛选，通过多年反复大群体筛选，同时对于中选的鉴定材料进行人工气候箱高温验证，最终获得耐高温性好的组合和材料。

表1 1985—2010年7月20日—8月20日合肥地区温度情况统计Table 1 Statistics of temperature situation in Hefei area from July 20 to August 20 in 1985-2010 次

大群体自然高温筛选。以见穗期日均温在32 ℃以上、连续2 d最低温度高于27 ℃且最高温度高于35 ℃作为已受到高温胁迫的标准进行标记，并以标记穗子的平均结实率作为高温胁迫条件下的结实率，以其他非高温时间段的最高结实率作为常温条件下的结实率。耐高温对照品种处理同上。选择结实率高于耐高温对照品种且结实率在73%以上的材料为耐高温性较强的中选材料，进入下一年试验。

图1 耐高温育种技术路线Fig.1 Technical route of high-temperature tolerance breeding

人工气候室耐高温筛选。每个品种栽8盆，每盆4株，其中4盆在抽穗期(30%以上稻穗开始抽出)放入玻璃温室进行高温胁迫连续处理6 d(07:00—09:30,32.5 ℃；09:31—14:00,40.0 ℃；14:01—17:00,36.5 ℃；17:01—21:00,32.0 ℃；21:01—07:00,29.0 ℃)，对处于高温处理时期的稻穗进行标记；另4盆作为对照在自然条件下生长。高温处理结束后，所有植株均在自然条件下生长至成熟。抽穗20 d后，从每个品种高温处理(带有标记)和自然生长的样本中各取20个单穗，调查结实率，进行耐热性综合评价。耐高温对照品种处理同上。相对耐热系数(HT)=鉴定品种高温结实率/耐热对照品种高温结实率，评判分级标准见表2。

表2 耐高温性的分级评价标准Table 2 Grading evaluation criterion of high-temperature tolerance

3 结果与分析

2004年，笔者所在团队在合肥分期播种水稻育种材料35份编号QY04-1至QY04-35,分7期播种，每隔6 d播种1期，播种时间分别为4月20日、4月26日、5月2日、5月8日、5月14日、5月20日、5月26日，试验所用耐高温对照品种II优838；第1期播种材料遇到7月28—30日高温，统计高温结实率，根据大群体自然高温筛选方法筛选出QY04-5、QY04-7、QY04-12、QY04-16、QY04-19、QY04-33和QY04-35结实率高温耐高温对照品种且结实率达73%以上的7份材料；将筛选出的对应材料在人工气候室进行耐高温鉴定(表3)。结果显示，自然大群体耐高温筛选的7份材料除了QY04-33耐热性5级之外，其余6份材料耐热性均在3级以上，达到较强水平，验证了方法的可行性。同时，将筛选出的耐高温材料进入下1年大群体自然高温筛选试验。

目前，笔者所在团队按照自然大群体耐高温筛选对育种材料及组合进行耐高温选育，已选育出YR0822、荃9311A、荃211S、YR1606等耐高温性强的亲本。

表3 大群体自然耐高温筛选与人工气候室高温筛选验证结果Table 3 Results of large group natural high temperature resistant screening and the high temperature screening verification in artificial climate chamber

2019年通过该试验方法对17个荃两优系列品种进行分期播种耐热性鉴定，2019年7月20日—8月20日合肥日最高温度达到35 ℃以上天数有18 d，7月26—29日连续4 d低温超过27 ℃且高温达35 ℃，平均气温超过32 ℃(表4)，耐热性鉴定结果(表5)与国家级长江中下游审定品种耐热性鉴定结果(表6)比较，结果显示除荃两优136外，其余品种鉴定结果基本一致，达到极显著正相关。其中审定品种耐热性鉴定中，荃两优丝苗和荃两优532耐热性级别1级，耐热性强；荃两优2118、荃两优851等14个品种耐热性都是3级，耐热性较强。育成耐热品种的比例94.1%。

4 结论与讨论

水稻高温热害对我国的粮食安全特别是水稻的生产造成了严重的危害，针对当前水稻高温热害日益严重的现状，国内也开展了大量有关水稻品种耐高温鉴定方法研究以及水稻耐高温性品种的筛选工作。例如，赵森等通过田间分

表4 2019年7-8月合肥高低温记载 Table 4 Records of high and low temperatures from July to August in 2019℃

表5 荃两优系列品种耐热性鉴定结果Table 5 Results of variety heat resistance test of Quanliangyou series

期播种与人工气候室高温处理相结合筛选耐高温品种；张德文等利用智能温室高温胁迫筛选耐高温水稻品种等。笔者所在团队分析近30年合肥地区高温气候特点，利用合肥地区7—8月份的频发高温天气，通过调整水稻播期使抽穗开花期遇到日均温在32 ℃以上、连续2 d最低温度高于27 ℃且最高温度高于35 ℃的自然高温，进行水稻大群体耐高温性筛选，并通过人工气候室进行耐高温验证，筛选出耐高温的材料和组合。2019年对近几年通过审定的品种进行耐热试验，结果与区试耐热结果基本吻合，因此通过自然异常高温开展耐高温水稻品种大群体筛选的方法所选的材料符合耐高温要求。经过18年积累，筛选出一批具有耐高温特性的育种材料和品种，选育出YR1671、荃9311A、荃211S、YR1606等亲本，先后审定了以徽两优898为代表徽两优系列组合、荃优822为代表的荃优系列组合以及荃两优丝苗为代表的荃两优系列组合，耐高温性较强，单一品种年推广面积近13.33万hm，未发生过因高温结实问题而引起的纠纷。

表6 国家区试审定荃两优系列品种耐热鉴定结果Table 6 Results of variety heat resistance test of Quanliangyou series authorized national regional test

水稻耐高温品种的选育工作不仅需要研究制定一套完整的耐高温鉴定体系，还要研究耐高温遗传机理。相关试验证明水稻耐高温遗传是受多基因控制的数量性状遗传。尽管水稻育种学家已鉴定出众多水稻耐热相关QTL，但是水稻耐热功能基因的分离克隆还较少，应用分子标记辅助选择培育耐热水稻品种也鲜见成功报道。因此，克隆鉴定水稻生殖生长期耐热性相关的功能基因将是今后水稻耐热性研究的侧重点。克隆鉴定目标功能基因的同时，还需要进一步加强对水稻耐热性种质资源的筛选和培育研究，进一步深入研究其所介导的水稻耐热性相关分子机制，笔者团队将继续相关研究，以期为培育耐热且高产优质的水稻品种奠定理论基础。