2025年5月18日 16:14 星期日
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镉低积累优质常规稻韶香100的培育及试验示范  PDF

    李进 1,2
    ✉
    韶也 2
    尹合兴 3
    余丽霞 4
    黄国龙 5
    彭彦 2
    邵德意 3
    周利斌 4
    毛毕刚 1,2
    ✉
    赵炳然 2
    ✉
1. 海南大学热带农林学院,海口570228; 2. 湖南杂交水稻研究中心杂交水稻全国重点实验室,长沙410125; 3. 华智生物技术有限公司,长沙410000; 4. 中国科学院近代物理研究所重离子加速器国家实验室,兰州730000; 5. 株洲市农业科学研究所,湖南株洲412007

最近更新:2024-11-07

DOI:10.13430/j.cnki.jpgr.20240228003

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目录contents
摘要
关键词
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.2 试验方法
1.3 数据处理
2 结果与分析
2.1 镉低积累香型优质常规稻韶香100的培育
2.2 韶香100多点试验及国家镉低积累品种自主试验情况
2.3 韶香100与原始品系44-5低温耐受性比较
3 讨论
参考文献

摘要

通过重离子诱变香型优质稻材料44-5,结合M1TDS技术,培育出OsNRAMP5基因突变镉低积累水稻韶香100。2021-2023年韶香100在湖南多地进行了试验示范,并参加国家镉低积累品种自主试验。OsNRAMP5基因突变降镉(Cd)的同时锰(Mn)的积累也显著降低,而Mn是植物生长必须的微量元素。本研究比较了韶香100及其原始品系44-5的籽粒镉积累特性、产量、品质及低温耐受性等。研究结果表明:韶香100在多地试验示范中表现出稳定的稻谷镉低积累特性,植株Mn的积累下降,但产量相比原始品系44-5无显著差异,除株高外,其他主要农艺性状也无明显差异。随着播期推迟,韶香100与原始品系44-5结实率均明显下降,相对耐冷系数和品种耐冷指数分别为0.75和0.75,47.2%和49.2%,孕穗期低温耐受性均为4级(敏冷)。韶香100相比原始品系44-5并未因OsNRAMP5基因突变引起植株Mn积累降低而造成低温耐受性下降,鉴定结果表明两者都是耐冷性一般的品种。鉴于此,韶香100在湖南、江西作为双季晚稻种植时,建议适时早播,避免生长后期因低温胁迫造成产量损失。

关键词

水稻; 镉低积累; 韶香100; 试验示范; 低温耐受性

中国是水稻生产和消费大国,稻米是中国近半数以上人口的主要食物来源[

参考文献 1
百度学术    
1]。随着工业化的发展和大量的人类活动,农业用地重金属污染面积逐年扩张,成为当今世界多个国家和地区所面临的挑战。耕地重金属污染对粮食生产和人类健康带来不利影响。在这种背景下,粮食安全越来越得到人们的重视。早期Rizwan等[
参考文献 2
百度学术    
2]研究报道镉(Cd,cadmium)是一种有毒的重金属,水稻是一种高积累Cd的作物。长期食用Cd超标大米会对身体造成严重伤害。例如20世纪60年代,日本富士县曾经流行过一种“痛痛病”,调查发现是当地稻田Cd污染严重,居民长期食用“镉大米”而造成的中毒症状。有调查显示,我国受重金属污染的耕地面积达2000万hm2,占全国耕地面积的1/6[
参考文献 3
百度学术    
3]。根据环境保护部和国土资源部2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》(https://www.mee.gov.cn/gkml/sthjbgw/qt/201404/W020140417558995804588.pdf)披露中国10多个省(市)近25个地区,重金属镉的点位超标率为7.0%。“镉大米”问题已成为当下中国南方水稻生产亟待解决的重大问题[
参考文献 4-5
4-5]。培育镉低吸收、优质、广适的水稻品种是解决该问题的最有效手段。

物理诱变育种是作物育种的重要途径之一,主要有X射线、γ射线、高能电子、重离子等诱变手段。重离子束的能量传输密度较γ射线和X射线更高,相对生物学效应大,多产生不易修复的DNA双链断裂及团簇损伤。重离子束对遗传背景影响较小,仅破坏其径迹经过的染色体区域,对基因组的其他区域不产生直接影响。重离子诱变获得的突变种质能够快速成为遗传稳定并可直接应用的新品种、新品系[

参考文献 6
百度学术    
6]。韶也等[
参考文献 7
百度学术    
7]发明了M1TDS技术(ZL20191223356.0),建立了“重离子诱变+M1TDS”诱变育种定向改良技术体系,实现了Cd吸收基因OsNRAMP5高效诱变与精准筛选,将优异“底盘品种”臻两优8612(国审稻20206139)的亲本进行重离子诱变,筛选获得OsNRAMP5基因突变体,组配后培育出镉低积累新品种莲两优1号(低镉型臻两优8612)。通过该技术体系同期创制了本研究中的镉低积累优质香型常规稻韶香100。

OsNRAMP5是水稻根系和茎秆中吸收和转运Cd、锰(Mn,manganese)的关键蛋白[

参考文献 8
百度学术    
8]。前人研究表明,OsNRAMP5基因突变导致水稻稻谷Cd含量减少90%以上,是培育镉低积累水稻的重要目标基因[
参考文献 9-12
9-12]。Mn是植物生长发育所必需的营养元素,缺Mn会削弱植物的光合作用和抗氧化功能,引起植株生长衰弱,产量下降,可能也会使植株抗逆性降低[
参考文献 13
百度学术    
13]。Tang等[
参考文献 10
百度学术    
10]的研究表明,OsNRAMP5基因突变植株秸秆中的Mn含量相比原始品系降低了80.6%~82.6%,但高于150 mg/kg,仍能满足植株正常生长所需Mn含量。水稻幼苗期及生殖生长期对低温的反应最敏感,25 ℃~30 ℃是其最适生长温度;孕穗期17 ℃以下的气温对育性有影响,特别是在花粉母细胞减数分裂时期[
参考文献 14
百度学术    
14];传粉期若是有持续3 d的气温在20 ℃以下,则会对胚囊造成不可逆的伤害[
参考文献 15-16
15-16]。裴峰等[
参考文献 17
百度学术    
17]的研究表明,OsNRAMP5基因敲除系与对照在温室极端高温和低温条件下结实率变化趋势一致。说明因OsNRAMP5基因突变导致的Mn下降可能不足以影响水稻的高、低温耐受性,进而降低结实率,这为生产上培育广适的镉低积累水稻提供了参考。目前关于水稻OsNRAMP5基因突变系的田间自然低温耐受性研究鲜有报道。

本研究利用重离子诱变结合M1TDS技术创制了镉低积累优质香型常规稻韶香100,开展了韶香100大田试验示范,与其原始品系44-5的镉积累特性和农艺性状,特别是低温耐受性进行了比较研究,为韶香100及其他OsNRAMP5基因突变镉低积累水稻品种的应用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用的品种韶香100是通过重离子诱变香型优质稻材料44-5,并结合M1TDS技术筛选获得的OsNRAMP5基因突变镉低积累水稻。原始品系44-5由湖南杂交水稻研究中心选育并保存,玉针香购自湖南农丰种业有限公司,分期播种耐低温鉴定对照品种创两优丰占(耐冷强)和农香32(耐冷弱)由华智生物技术有限公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 韶香100的创制

2020年原始品系44-5的种子送到中国科学院近代物理研究所,利用重离子加速器装置进行诱变。种植M1代诱变群体,100株构建混池,送北京贝瑞和康生物技术有限公司开发OsNRAMP5基因液体捕获探针高深度测序,分析混池低频嵌合突变株,开发韶香100 OsNRAMP5基因突变位点的一代测序引物SX100-F(5ʹ-CGAAG CGATGATGATGAGGCG-3ʹ),SX100-R(5ʹ-GGTTT CTTGGACATCAGGATGAGG-3ʹ)确定嵌合突变株,在M2代进行基因分型确定纯合突变株,KASP分型引物FAM(5ʹ-GAAGGTGACCAAGTTCATGCTCC TGATGACAAGAACCATCGCCA-3ʹ),HEX(5ʹ-GA AGGTCGGAGTCAACGGATTCCTGATGACAAGAACCATCGTCG-3ʹ),COMMON(5ʹ-ATGCTGACCG AAGCGATGATGA-3ʹ)。

1.2.2 幼苗CdCl2溶液水培试验

2021年纯合突变单株和原始品系在人工气候室生长至2叶1心期,在含有0.5 μmol/L Cd(CdCl2溶液)的Yoshida水稻营养液中处理14 d后,分别取根系烘干磨粉,消解处理,利用电感耦合等离子体质谱仪(Thermo Scientific™ iCAP™ RQ ICP-MS, 美国)测定Cd的含量,设置3个生物学重复。根系Cd含量由湖南杂交水稻全国重点实验室检测中心完成。

1.2.3 Cd污染大田农艺性状比较试验

2022年5月至10月分别在株洲市醴陵市(土壤Cd 0.71 mg/kg,pH 5.1)、岳阳市湘阴县(土壤Cd 1.05 mg/kg,pH 5.4)、湘潭市湘潭县(土壤Cd 1.52 mg/kg,pH 5.6)等不同镉污染程度的大田开展试验示范。土壤污染程度参照《全国土壤污染调查公报》(2014)划分为5个等级:无污染(Cd≤0.3 mg/kg),轻微污染(0.3<Cd≤0.6 mg/kg),轻度污染(0.6<Cd≤0.9 mg/kg),中度污染(0.9<Cd≤1.5 mg/kg),重度污染(Cd>1.5 mg/kg)[

参考文献 18
百度学术    
18]。肥水管理、病虫害防治等参照常规田间管理施行。醴陵市采用的对照品种是原始品系44-5,湘阴县和湘潭县采用的对照品种是玉针香。Cd积累特性测试品种分小区种植,每个品种设3个重复,每个重复种植192株。成熟后收获韶香100、44-5、玉针香稻谷各30 g,稻谷脱壳成糙米,用于测定稻谷Cd含量。2022年5-10月和2023年5-10月,在醴陵市(该试验点2023年韶香100、44-5的重复设置、种植规模、常规田间管理与2022年一致)于抽穗期对韶香100、44-5每个重复随机挑选3株摘取剑叶叶片,每株摘取6~7片剑叶,用清水洗净,放置80 ℃烘箱烘48 h,用于测定叶片样品Cd、Mn含量。糙米和叶片样品经过高通量粉碎机粉碎均匀,消解处理,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定Cd、Mn含量。糙米Cd含量、叶片Cd、Mn含量均由湖南杂交水稻全国重点实验室检测中心完成。

在株洲市醴陵市试验点调查韶香100与原始品系44-5综合农艺性状。每个重复取6株水稻,测定农艺性状,包括株高、有效穗数、穗长、每穗总粒数、结实率、千粒重等。每个重复收割100株测定百株产量。取300 g稻谷样本检测米质,包括糙米率、精米率、整精米率、垩白度、垩白粒率、透明度、碱消值、胶稠度、直链淀粉含量、粒长、长宽比等指标。米质性状由湖南杂交水稻全国重点实验室检测中心完成。

1.2.4 国家镉低积累水稻品种自主试验

2022年至2023年韶香100(代号:也香100)参与了国家镉低积累水稻品种自主试验,试验方法参照《低镉水稻品种自主试验技术规程》(湖南省地方标准DB43/T2599-2023)。

1.2.5 大田分期播种耐低温鉴定试验

2022年6月至10月,在长沙市长沙县明月村稻作公园基地(113°22ʹ94ʺ E,28°42ʹ13ʺ N)开展大田耐低温试验。参试品种为韶香100、44-5、创两优丰占和农香32。通过分期播种,利用当地每年9月中下旬至10月初自然低温条件,结合4个参试品种不同温度下的结实率进行田间自然低温耐受性鉴定。分5期(6月11日、6月21日、7月1日、7月11日、7月21日)播种,5叶期左右移栽,栽插规格20 cm×20 cm,每个品种设2次重复,每重复栽100株,每穴插单苗。记录每期参试品种的播种、抽穗等生育时期。从始穗期开始,每个参试品种分别挂牌20个分蘖,黄熟期每个品种收割挂牌的20个单穗作为考种样,并同时收割3株水稻也作为考种样,分别考察结实率。肥水管理、病虫害防治参照常规田间管理施行。利用高集成农业气象站(HZ-QXZ01)采集气象数据,每隔1 h进行一次大气温度(℃)实时记录。始穗期连续或超过3天Tave(每日平均气温)小于或等于23 ℃作为已受到冷害胁迫的标准,将抽穗期当天以及之后的一段时间内受到冷害胁迫的播期平均结实率作为低温的结实率,而其他播期的最高结实率作为常温下的结实率。

采用2种评价体系评价品种耐冷性。相对耐冷系数R(供试材料与耐低温对照品种在低温条件下的平均结实率的比值):R≥1.10为强,级别为1级;0.90≤R<1.10为较强,级别为3级;0.70≤R<0.90为一般,级别为5级;0.50≤R<0.70为较弱,级别为9级[

参考文献 19
百度学术    
19]。品种耐冷指数(低温冷害下品种结实率/常温下品种结实率×100):低温结实率≥85%,耐冷(1级);75%≤低温结实率<85%,中等耐冷(2级);60%≤低温结实率<75%,感冷(3级);低温结实率<60%,敏冷(4级)[
参考文献 20
百度学术    
20]。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2016和SPSS 23.0软件进行数据处理及方差分析。将考察的农艺性状数据和检测的稻谷Cd含量及剑叶Cd、Mn含量数据利用Microsoft Excel 2016整理成表,确保每组数据至少有3组重复,再将数据导入到SPSS 23.0,采用独立样本T检验,各播期结实率比较采用单因素(ANOVA)方差分析;绘图采用Graphpad Prism 8.0.2软件完成,同样利用Microsoft Excel 2016整理后导入软件绘制折线图,图表中数据均为各处理的平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 镉低积累香型优质常规稻韶香100的培育

2020年3月在兰州中科院近代物理研究所,利用高能重离子束辐照(80 MeV/U碳离子12C6+,剂量为120 Gy)处理具有玉针香血缘的优质香稻材料44-5种子约5000粒。诱变第一代(M1)种子于5月在长沙本部试验田播种,种植了4200株。分蘖后期分单株取样,以30株构建混池提取叶片DNA,靶向深度测序检测到1个OsNRAMP5基因突变株。其11号外显子缺失3个碱基,没有发生移码,但导致372位丙氨酸(Ala)和373位L-异亮氨酸(lle)突变为缬氨酸(Val)(图1A)。利用Sanger测序分析每个穗剑叶的基因型,收获突变剑叶对应的穗子,分单穗收取M1代种子。2021年春季在海南陵水种植M2代,进行KASP基因分型筛选纯合突变株,筛选出纯合突变单株分蔸扩繁,M3代纯合系定名“也香100”,后改名韶香100。纯合突变单株和原始品系植株经含CdCl2溶液水稻营养液处理14 d后,根系Cd含量分别为11.1 mg/kg和192.2 mg/kg。韶香100相比原始品系根系Cd含量下降94.2%,差异达到极显著水平(P<0.01),表现出显著的镉低积累特性(图1B)。2021年在株洲醴陵基地进行了示范种植,韶香100与44-5成熟期植株的表型无明显差异(图1C)。

图1  原始品系44-5与韶香100比较

Fig.1  Comparison between the original strain 44-5 and Shaoxiang 100

A:突变位点比较;B:根部Cd积累量比较;C:植株表型比较;**表示在P<0.01水平上差异显著

A: Comparison of mutation loci; B: Comparison of Cd accumulation in roots; C: Comparison of plant phenotypes;** denotessignificant difference at P<0.01 level

2.2 韶香100多点试验及国家镉低积累品种自主试验情况

2.2.1 韶香100多点试验情况

韶香100稻谷Cd含量在醴陵市、湘阴县和湘潭县分别为0.03 mg/kg、0.04 mg/kg、0.05 mg/kg,对照品种稻谷Cd含量分别为0.38 mg/kg、0.89 mg/kg、1.35 mg/kg,韶香100稻谷Cd含量相比对照品种(44-5或玉针香)分别下降92.1%、95.5%、96.3%,差异达到极显著水平(P<0.001),均远低于国家稻米安全标准的上限0.20 mg/kg(表1)。对醴陵市的韶香100和44-5的农艺性状进行比较,两者间除株高外的主要农艺性状无明显差异;韶香100相比44-5稻谷Cd显著下降,但产量无显著差异(表2)。

表1  3个试验示范点土壤背景及试验材料稻谷Cd含量
Table 1  Soil background and Cd content of rice grains of test materials at three experimental demonstration sites

试验地点

Test site

土壤含镉量

(mg/kg)

Soil Cd content

土壤pH值

Soil pH value

土壤污染程度

Level of soil contamination

韶香100稻谷Cd

含量(mg/kg)

Shaoxiang 100 rice Cd content

对照品种稻谷Cd

含量(mg/kg)

Control variety rice grain Cd content

对照品种

Control variety

醴陵市

Liling city

0.71 5.1 轻度 0.03±0.01*** 0.38±0.05 44-5

湘阴县

Xiangyin county

1.05 5.4 中度 0.04±0.03** 0.89±0.13 玉针香

湘潭县

Xiangtan county

1.52 5.6 重度 0.05±0.01** 1.35±0.02 玉针香

**、***分别表示在P<0.01、P<0.001水平上差异显著;下同

**,*** indicate significant differences at the P<0.01 and P<0.001 levels, respectively; The same as below

表2  韶香100与原始品系44-5农艺性状比较
Table 2  Comparison of agronomic traits between Shaoxiang 100 and the original line 44-5
品种名称Variety name

株高(cm)

Plant height

有效穗数

Number of effective ear

穗长(cm)

Ear length

每穗总粒数

Total number of grains per ear

结实率(%) Fruiting rate

千粒重(g)

Thousand kernel weight

百株产量(kg) Yield per 100 plants
SX100 109.9±3.11* 14.4±1.63 23.7±0.42 133±5.20 74.2±0.04 24.9±0.65 3.43±0.16
44-5 116.7±2.49 13.1±1.86 23.8±0.43 128±7.00 77.3±0.06 25.9±0.29 3.46±0.28

SX100:韶香100;*表示在P<0.05水平上差异显著;下同

SX100:Shaoxiang100;*Indicates significant differences at the P<0.05 level; The same as below

Mn是植物重要的微量元素,植物生长对Mn的需求一般大于50 mg/kg、不超过100 mg/kg,但是水稻对Mn有很大的耐受性,能累积5000 mg/kg的Mn且不会表现中毒症状。对醴陵市试验点2022年和2023年韶香100和原始品系44-5剑叶金属元素含量分析表明:韶香100剑叶Cd元素含量分别为0.05 mg/kg,0.06 mg/kg,相比原始品系44-5分别下降80%和77.8%,差异均达到极显著水平(P<0.01);韶香100剑叶Mn元素含量分别为1519.26 mg/kg,1618.24 mg/kg,相比原始品系44-5分别下降39.5%和47.3%,达极显著水平(P<0.001),但是韶香100剑叶的Mn含量均远高于植物需要Mn的最低限度(表3)。在土壤Mn含量适宜的地区种植镉低积累水稻,Mn吸收量降低但并不影响正常生长。

表3  韶香100与原始品系44-5的剑叶Cd、Mn含量比较
Table 3  Comparison of Cd and Mn contents of flag leaves between Shaoxiang 100 and the original strain 44-5

年份

Year

剑叶Cd含量(mg/kg)

Cd content in flag leaf

剑叶Mn含量(mg/kg)

Mn content in flag leaf

SX10044-5SX10044-5
2022 0.05±0.01** 0.25±0.01 1519.26±219.00*** 2511.89±228.62
2023 0.06±0.01** 0.27±0.01 1618.24±184.22*** 3070.53±192.98

2.2.2 韶香100与原始品系44-5稻米品质检测

对2022年株洲市试验点韶香100和原始品系44-5的稻米进行检测。结果显示,韶香100与原始品系44-5稻米品质各项指标没有明显差异。按照 NY/T 593-2021《食用稻品种品质》标准评定,两者均达到了优质一级食用长粒形籼稻品质标准(表4),说明在OsNRAMP5基因突变之后,韶香100米质并未受影响。韶香100镉低积累、优质,满足市场需求,具有大面积推广的价值。

表4  韶香100 与44-5稻米品质性状比较
Table 4  Comparison of quality traits between Shaoxiang 100 and 44-5 rice

品种

名称Variety name

糙米率(%)

Rough rice rate

精米率

(%) Refined rice rate

整精米率(%) Ratio of polished rice垩白度(%) Chalkiness垩白粒率(%)Chalky grain percentage透明度Transparency

碱消值

Alkali elimination value

胶稠度

(mm)

Gel consistency

直链淀粉含量(%) Rectilinear starch content粒长(mm) Grain length长宽比Aspect ratio

综合

判定Synthesize judgment

SX100 77.3 71.3 65.3 0.1 1 1 6.8 63 16.9 7.8 4.3 一级
44-5 77.1 70.2 63.0 0.4 3 1 6.1 67 16.0 7.7 4.2 一级

2.2.3 韶香100在国家镉低积累水稻自主试验中的表现

2021-2023年,韶香100(参试名称“也香100”)参加了国家镉低积累水稻品种自主试验长江中下游晚稻中迟熟组试验。13个区域试验点分布在湖南、江西、广东、浙江、广西等5个省区。2021年初试平均亩产549.21 kg,比天优华占(CK)减产4.78%,减产达极显著水平,增产点比例38.5%;全生育期111.8 d,比天优华占早熟4.0 d。2022 年续试平均亩产536.66 kg,比天优华占减产3.28%,减产达极显著水平,增产点比例53.8%;全生育期117.0 d,比天优华占早熟2.4 d。两年区域试验平均亩产542.94 kg,比天优华占减产4.03%,增产点比例36.4%;全生育期114.4 d,比天优华占早熟3.2 d。2023年生产试验平均亩产515.74 kg,比天优华占减产3.07%,增产点比例14.3%;全生育期117.0 d,比天优华占早熟3.0 d。

主要农艺性状两年区域试验综合表现为每亩有效穗数18.9万穗,株高113.0 cm,穗长24.5 cm,每穗总粒数138.3粒,结实率81.1%,千粒重26.4 g。结实率小于65%的试验点2021年为1个,2022年为0个。倒伏试验点比例两年均为0。抗性两年综合表现为稻瘟病综合指数5.2级,穗瘟损失率最高级7级;白叶枯病最高级5级,平均级5级;褐飞虱最高级9级,平均级8级。米质主要指标两年综合表现为糙米率79.0%,精米率69.5%,整精米率55.0%,粒长8.1 mm,长宽比4.5,垩白粒率4%,垩白度0.6%,透明度1级,碱消值6.5级,胶稠度62 mm,直链淀粉含量15.4%。综合评级为部标优质稻2级。池栽鉴定两年区域试验结果为有镉低积累特性。两年区域试验及生产试验检测结果显示糙米中镉含量最高值为0.09 mg/kg。区试结果表明韶香100作为优质香型常规稻品种,镉低积累特性稳定,适应性好、丰产性好、米质优。

2.3 韶香100与原始品系44-5低温耐受性比较

2.3.1 5个播期温度变化情况

2022年6月-11月,在长沙县明月村稻作公园基地开展耐低温试验。以Tave≤23.0 ℃且连续3天或以上为低温胁迫,9月21日-9月23日和10月5日以后为低温胁迫时段,其他时间段均为非低温胁迫时期(图2)。按抽穗期当天以及之后的一段时间内温度情况判定是否受到低温胁迫,韶香100、44-5、创两优丰占、农香32在第Ⅳ期、第Ⅴ期抽穗期间均受到低温胁迫,而第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期播种时为非低温胁迫条件,9月28日-10月3日出现小幅度升温,最高平均温度达到29.5 ℃,10月5日即进入低温胁迫(表5),平均温度为15.0 ℃左右。综上,将第Ⅳ、Ⅴ期的结实率作重点分析比较。

图2  2022年长沙县稻作公园基地9-10月温度变化情况

Fig.2  Changes in September-October temperatures at the Changsha County Rice Park site in 2022

表5  参试品种各播期生育时期及低温胁迫情况
Table 5  Record of fertility period and low temperature stress of the participating varieties at each sowing stage

品种名称

Variety name

第Ⅰ期

Phase I

第Ⅱ期

Phase Ⅱ

第Ⅲ期

Phase Ⅲ

第Ⅳ期

Phase Ⅳ

第Ⅴ期

Phase Ⅴ

播种期SP

抽穗期

TS

低温

胁迫LTS

播种期SP

抽穗期

TS

低温

胁迫LTS

播种期

SP

抽穗期

TS

低温

胁迫LTS

播种期

SP

抽穗期

TS

低温

胁迫LTS

播种期

SP

抽穗期

TS

低温

胁迫LTS

SX100 6/11 8/29 N 6/21 9/2 N 6/29 9/15 N 7/11 9/26 Y 7/21 10/10 Y
44-5 6/11 8/28 N 6/21 9/3 N 6/29 9/14 N 7/11 9/25 Y 7/21 10/8 Y
CLYFZ 6/11 9/2 N 6/21 9/7 N 6/29 9/17 N 7/11 9/28 Y 7/21 10/9 Y
NX32 6/11 9/5 N 6/21 9/5 N 6/29 9/18 N 7/11 10/1 Y 7/21 10/14 Y

SX100:韶香100;CLYFZ: 创两优丰占;NX32: 农香32;N表示否;Y表示是;下同

SX100:Shaoxiang100; CLYFZ: Chuangliangyoufengzhan; NX32: Nongxiang32; SP:Sowing period;TS: Tasseling stage;LTS: Low-temperature stress; N means No;Y means Yes;The same as below

2.3.2 不同播期品种结实率及耐冷性评价

第Ⅰ期韶香100结实率显著高于对照创两优丰占和农香32;第Ⅱ期韶香100结实率与创两优丰占无差异,但仍显著高于农香32;第Ⅲ期参试品种间的结实率均没有明显差异;第Ⅳ期参试品种间的结实率仍然没有显著性差异,耐冷性较强的创两优丰占结实率相比第Ⅲ期反而升高;第Ⅴ期农香32的结实率显著低于其他参试品种。参试品种韶香100、44-5、农香32等第Ⅰ期相比其他播期结实率最高。总体来看,第I期、II期未受到低温胁迫,韶香100结实率分别为81.3%、72.6%,高于所有对照品种,表明温度正常条件下其结实性好。随着播期推迟和气温逐渐下降,第Ⅲ期和第IV期结实率也明显下降,至第Ⅴ期达到最低值(25.2%)(表6)。韶香100与44-5第IV、Ⅴ期结实率没有明显差异,韶香100与原始品系44-5的相对耐冷系数R分别为0.75、0.75,品种耐冷指数分别为47.2%、49.2%,相对耐冷系数级别均为5级,品种耐冷指数级别均为4级,都表现为敏冷。说明韶香100与原始品系44-5的耐冷性相当,同时相对耐冷系数和耐冷指数都高于弱耐冷对照品种农香32(0.61,46.9%)。综上所述,低温胁迫下OsNRAMP5基因突变的镉低积累水稻韶香100耐冷性不变,但其耐冷性一般。

表6  参试品种各播期结实率及耐冷性评价
Table 6  Evaluation of fruiting rate and cold tolerance of the participating varieties at each sowing stage

品种

名称

Variety name

结实率(%)

Fruiting-rate

相对耐冷系数

Relative cooling resistance

品种耐冷指数

Species cold tolerance index

第Ⅰ期Phase I第Ⅱ期Phase Ⅱ第Ⅲ期Phase Ⅲ第Ⅳ期Phase Ⅳ第Ⅴ期Phase Ⅴ

常温

OT

低温

LT

系数

Ratio

级别

Rank

耐冷性

Cold resistance

指数(%)

Index

级别

Rank

耐冷性

Cold resistance

SX100 81.3±6.0a 72.6±2.2a 56.6±7.4a 51.5±11.2a 25.2±0.7a 81.3 38.4 0.75 5 一般 47.2 4 敏冷
44-5 78.2±4.3ab 72.5±0.5a 58.4±18.0a 53.4±8.1a 23.5±0.7a 78.2 38.5 0.75 5 一般 49.2 4 敏冷
CLYFZ 67.1±6.4c 62.7±2.7ab 63.3±11.2a 69.8±6.5a 32.7±10.0a 67.1 51.3 1 / / 76.5 2 中等耐冷
NX32 67.1±2.1bc 55.3±8.8b 58.1±3.6a 47.7±12.1a 15.2±1.8b 67.1 31.5 0.61 7 较弱 46.9 4 敏冷

不同字母表示在P<0.05水平上差异显著

OT: Ordinary temperature;LT; Low temperature;Different letters indicated significant difference at P<0.05

3 讨论

2021-2023年,OsNRAMP5基因突变镉低积累水稻韶香100在湖南多地试验示范,表现出丰产性好、镉低积累特性稳定、米质优等优点,相比原始品系44-5在综合农艺性状(除株高)、产量、品质等方面无明显差异,并没有因为Mn转运基因突变、Mn吸收下降而引起表型发生改变。早期日本学者Sasaki等[

参考文献 11
百度学术    
11]报道粳稻中花11的OsNRAMP5基因突变系产量相比原始品系下降98%,但在本研究中OsNRAMP5突变系韶香100与原始品系44-5的产量和品质无明显差异,前者是T-DNA插入突变体,插入位点在OsNRAMP5基因的第12内含子,检测不到OsNRAMP5基因的mRNA;而后者利用重离子诱变,突变位点位于第11外显子,同时缺失1个氨基酸和突变1个氨基酸,推测可能是突变材料的背景差异和突变位点不同导致了不同的试验结果。“重离子诱变+M1TDS”育种技术可对目标基因高效突变并精准选择,重离子诱变对原始品种的背景影响小,可快速实现对优良“底盘品种”亲本的定向改良,大大提升了作物传统诱变育种效率。

植物对低温的响应是一个非常复杂的过程,受到多个因子的共同作用。低温胁迫可引起发芽率下降、幼苗生长发育延迟甚至死亡、结实率下降等外在物理损伤,并导致叶绿素荧光改变,电解质损失增加,活性氧、丙二醛、蔗糖、脂质过氧化物、脯氨酸等含量增加,进而引发一系列的生理代谢变化,其变化还会影响到其他植物激素的作用[

参考文献 21
百度学术    
21]。在本研究中,OsNRAMP5突变系韶香100在遭遇低温胁迫后,结实率随播期呈现出下降的趋势,韶香100的原始品系44-5也有一样的趋势。并且同期播种的韶香100和原始品系结实率没有明显差异,这与裴峰等[
参考文献 17
百度学术    
17]关于OsNRAMP5敲除系和野生型低温胁迫下结实率变化趋势无差异的研究结果一致。在第Ⅴ期水稻抽穗期最低温度甚至降低到了5 ℃,远远小于23 ℃。极端低温有可能导致花粉器官发育不良、花粉败育、激素在细胞间移动放缓或者停滞,从而导致结实率的骤然下降。经过比较鉴定,韶香100的耐冷性介于创两优丰占和农香32之间;相对耐冷系数级别为5级,耐冷性一般;与原始品系44-5的耐冷性一致,并没有因OsNRAMP5基因突变、Mn积累减少导致低温耐受性进一步降低。

湖南北部晚稻播期通常在6月中旬,湖南中部和南部各推迟2~3 d、3~5 d。结合本研究中分5期播种的结实率和每日温度分析,韶香100在湖南、江西作为双季晚稻种植时,应尽量在本试验结果中第Ⅱ期的播种时间之前,即6月20日之前播种。湘北、赣北应提前3~5 d种植,以避免低温胁迫引起的产量损失,实现镉低积累、优质、稳产。

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