Analysis for Rice Submergence Seedling of Japonica Varieties in Jiang-Huai Region

Chi Ming　Liu Yan　Xing Yungao　Sun Zhiguang　Xu Bo　Lu Baiguan　Fang Zhaowei　Chen Tingmu　Yang Bo　Liu Jinbo　Li Jian　Song Zhaoqiang　Wang Baoxiang　Xu Dayong ^*

Lianyungang Agriculture Science Institute, Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Corp Production, Lianyungang, 222006

* Corresponding author, xudayong3030@sina.com

Abstract　The seed tolerance to anoxia were analyzed in vitro germination tolerance in tubes and under soil-media in order to simulate the field environment .Coleoptile length of seedlings under anoxia situation for 7 days as survey indicator among 95 rice varieties with 4 ecological types. Results show that: (1) the coleoptile length among different rice varieties had rich variatio. (2) the germination of rice seeds in the two kinds of flooding methods in vitro and soil medium is very different. The most significant inhibition of seed scabbard growth under soil-media is the low temperature environment of soil medium after flooding to seed germination. (3) Tthe rice varieties of Lianjing 9, Yanjing 7, Lianjing 7, Lianjing 15 had high tolerance to low temperature and anoxia through two methods,which provide the direct seedling cultivars for the local rice area.

Keywords　Jianghuai rice area, Japonica rice, Submergence, Screening method

近年来，随着条纹叶枯病在江淮地区对秧苗造成的危害逐渐加重、农村劳动力紧张以及粮食生产效益不高等原因，具有显著的省工、省力、高效、利于机械化操作等优点的直播稻越来越受到喜睐，推广面积较快(张涛等, 2008; 卢百关等, 2009; 陈雪飞等, 2018)。直播稻的播种方式和栽培措施不同于移栽稻，因此直播品种的选择将直接影响到稻谷的产量和品质。当前直播稻生产上全部采用移栽稻品种，直播品种的筛选上既要适于直播环境，又有适当的熟期，因此适于直播的水稻品种数量有限，难以满足不同的生态地域或直播生产。随着水稻直播技术日益推广，稻田灌溉、排水设施的的不健全，稻田水环境控制不理想，直播后的水稻种子存在田间遭遇不良气候的风险，因此直播稻在生产中除了缺少直播稻可用品种，还存在着播种后易水淹全苗难、易倒伏等弊端，对直播稻产量影响较大。低温和低氧是影响直播稻出苗率的主要不良环境因素，国内外学者研究发现不同水稻品种之间的耐低温、低氧能力差异明显(Gibbs et al., 2000; Miura et al.,2004; 覃宝祥等, 2015; 王慧, 2017)。已有研究表明，耐缺氧种质资源的胚芽鞘通常比不耐缺氧种质资源的胚芽鞘更长，淹水发芽时胚芽鞘的长度可以直接反应水稻的耐淹性(Magneschi et al., 2009)，Fujino等(2004)研究发现，Italica Livorno和Hayamasari两品种在低温发芽能力方面存在巨大差异，15°5条件下7天的种子萌发率分别为98.7% 和26.8%。因此，在低温、低氧不良环境下，适于直播的水稻品种逆境萌发和成苗能力应强于一般水稻品种。

全苗匀苗是直播稻能否高产的关键，除了可以通过耕作措施和种子包衣等处理技术来提高出苗率外(李珣等, 2013; 姜心禄等, 2017)，从育种源头改良直播稻品种萌发期对逆境的适应性，是解决直播稻出苗率的关键。研究通过不同试验方法对水稻种质进行耐淹性鉴定，以期筛选出耐淹能力较好的种质，为该稻区直播稻品种的选育提供理论参考。

1结果与分析

1.1试管内水稻种子耐淹能力测定

95份水稻品种平均芽鞘长度为4.13±0.51 cm，全部萌发。试管内缺氧条件下水稻品种芽鞘长度在2.77±0.56 cm~5.70±0.47 cm之间，其中芽鞘最短品种是扬粳687，最长的是连粳446，表明水稻品种间耐淹能力存在较大的变异范围。

试验结果表明，试管内缺氧条件下品种间芽鞘长度的变异范围较大，生态型I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ芽鞘长度的次数分布(图1)。四个生态类型芽鞘长度(表1)分别为：中熟中梗(Ⅰ) 4.34±0.67 cm，迟熟中粳(Ⅱ) 4.04±0.58 cm，早熟晚粳(Ⅲ) 4.00±0.56 cm，中熟晚粳(Ⅳ) 4.01±0.33 cm。生态型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的遗传变异系数分别为15.4%、14.4%、14.0%、0.80% (表1)。中熟中粳(Ⅰ)生态型的幼苗耐水淹能力在四个不同生态型群体中遗传变异系数相对较高，中熟中粳、迟熟中粳这两种生态型的芽鞘长度主要集中在3.5~5.0 cm之间，在一定程度亦说明中熟中粳、迟熟中粳这两种类型品种耐淹能力高于其他生态型(图1)。

图 1  4个生态类型品种试管内幼苗耐淹能力测定试验芽鞘长度的次数分布 Figure 1 Frequency distribution of coleoptile length in four types of rice varieties under waterlogged conditions in tubes

表 1 4个生态类型品种试管内幼苗耐淹能力测定试验芽鞘长度的遗传变异 Table 1 The genetic variation of coleoptile length for four ecotypes under the flooding in tubes

1.2模拟大田水稻种子耐淹能力测定

模拟大田水稻种子耐淹能力测定试验中，95份水稻品种平均芽鞘长度为2.68±0.31 cm，全部萌发。水稻品种芽鞘长度在1.93±0.3 cm~3.31±0.22 cm之间，其中芽鞘最短品种是淮稻13号，最长的是连粳9号，也表明水稻品种间耐淹能力变异范围较大。

试验结果表明，模拟大田耐淹试验中四个生态类型水稻品种芽鞘长度分别为：中熟中梗(Ⅰ) 2.79±0.31 cm，迟熟中粳(Ⅱ) 2.61±0.31 cm，早熟晚粳(Ⅲ) 2.48±0.28 cm，中熟晚粳(Ⅳ) 2.48±0.29 cm，生态类型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的遗传变异系数分别为11.11%、11.87%、11.29%、11.69%(表2)。迟熟中粳(Ⅱ)生态型的幼苗耐淹能力在四个不同生态型群体中遗传变异系数相对较高(图2)。

表 2 4个生态类型品种土壤介质幼苗耐淹能力测定试验中芽鞘长度的遗传变异 Table 2 The genetic variation of coleoptile length for four ecotypes in soil medium

图 2 4个生态类型品种土壤介质幼苗耐淹能力测定试验中芽鞘长度的次数分布图 Figure2 Distribution of the number of times of coleoptile length in soil waterlogged conditions of four types of rice varieties

迟熟中粳、中熟中粳两种类型的芽鞘长度主要集中在2.5~3.0 cm之间，亦说明了中熟中粳、迟熟中粳这两种类型水稻品种耐淹能力高于其它生态型。

另外还可看出无论是试管内还是土壤介质内的水淹环境下，中熟中梗、迟熟中粳这两种类型群体种子耐淹萌发能力变异度都相对较高。

1.3试管内和模拟大田两种不同耐淹试验结果比较

95份水稻品种，在两种耐淹萌发试验中，模拟大田种子耐淹试验结果显示水稻品种芽鞘长度平均值为2.68±0.31 cm，试管内种子耐淹试验芽鞘长度平均值为4.13±0.51 cm，两种耐淹试验芽鞘长度存在很大差异(表3)。

表 3 两种水淹方式下95个水稻种质资源缺氧萌发芽鞘长度及芽长降低值 Table 3 The length and Reduced value of bud length germination sheath in 95 rice germplasm resources with hypoxia under two types of flooding

在模拟大田种子耐淹能力测定中，95份水稻品种中芽鞘长度前十依次为连粳9号(3.31 cm)、盐粳7号(3.27 cm)、连粳15号(3.26 cm)、连粳7号(3.21 cm)、徐稻4号(3.20 cm)、华粳6号(3.17 cm)、扬粳186 (3.14 cm)、临稻11号(3.14 cm)、南粳45 (3.10 cm)和连粳446 (3.09 cm)。在试管内耐淹试验中，芽鞘长度前十依次为连粳446 (5.7 cm)、临稻11号(5.58 cm)、连粳6号(5.52 cm)、连粳7号(5.17 cm)、临稻18 (5.06 cm)、徐稻3号(5.05 cm)、徐稻6号(5.02 cm)、武2401(4.99 cm)、连粳15号(4.99 cm)和连嘉粳(4.97 cm)。说明不同品种对发芽环境敏感性各不相同。

1.4两种不同耐淹试验差异性分析

1.4.1土壤介质对水稻萌发的影响

试管内水淹环境下，萌发介质只是纯水时，水稻品种的平均芽鞘长度为4.05 cm；萌发介质为纯水和土壤时，水稻品种的平均芽鞘长度为3.93 cm，平均值降低了0.12 cm，降低了2.96%。试验结果表明，萌发介质土壤对芽鞘长度影响不大(图3)。

图 3 试管内水淹环境下不同萌发介质对芽鞘伸长的影响 Figure 3 Effect of different germination medium on coleoptile elongation under flooded environment in test tube

1.4.2试验条件对水稻萌发的影响

为找出两种耐水淹鉴定方法下同一水稻品种芽鞘长度差异显著的原因，将两种水淹试验的环境因素进行了比较(表4)。在相同的培养温度(室内)下，试管内芽鞘生长温度与室温相同为25°C，而大田模拟条件下，芽鞘的生长温度仅18.2°C，较室内温度低了6.8°C。研究发现当水层深度大于或等于5cm且保持水层深静止时即满足缺氧条件，水中微量的溶解性氧对发芽没有影响(Frantz and Bugbee, 2002)。水稻种子中贮藏大量淀粉、脂肪和蛋白质等营养物质，当种子萌发时，作为幼胚生长的营养物质，在水淹状态时，只有种子胚芽鞘快速生长，不需要进行光合作用，所以光照对水稻幼苗无显著性影响。

表 4 试管内种子耐淹萌发试验和土壤介质种子耐淹萌发试验的环境因素的比较 Table 4 Comparison of environmental settings for the flooding in tubes and soil medium

本试验研究表明，在模拟大田的试验中土壤介质对种子耐淹萌发试验的平均芽鞘长度短1.45 cm左右，说明种子萌发时的低温环境是抑制芽鞘生长的重要原因。

2讨论

直播稻高产除了具备优异的农艺性状外，还应兼备一些特殊的生理生态特性，如在水淹状态或者深土环境下较强的发芽特性(杨平, 2015)。孙凯等(2019)研究指出，芽鞘长度与耐淹成苗率呈极显著正相关。因此，本试验将水稻在耐淹环境下芽鞘长度作为主要研究指标。

本试验结果表明，不同生态型水稻的耐淹性存在差异，中熟中粳类型水稻品种综合耐低温和耐缺氧能力较强。江淮地区由于播种后，易遭遇低温天气，尤其直播稻田遭遇水淹之后，直播稻耐淹育种必须要综合水稻低氧萌发和低温萌发双重胁迫的抗性。曹微(2018)等研究发现低温和低氧抗性这两个性状在遗传上没有明显的连锁关系，相关系数非常低，但是也有部分品种能够同时具备较好的低温和低氧萌发耐受条件。

本试验通过两种耐淹试验方法比较分析发现，模拟大田耐水淹试验方法更接近田间水稻直播状态，可同时筛选兼具耐低氧和耐低温特性的水稻品种。

在模拟大田水淹和试管内水淹环境下幼苗耐淹能力测定来看，两组实验数据表明连粳15号和盐粳7号等等品种具有较好的耐淹能力，尤其连粳15号，还具有熟期早、抗性好等优点，育成后作为直播稻推广面积较快。连粳15号的亲本之一为连粳446，该品系是由穞稻与连粳3号杂交选育而成的，穞稻又叫水塘稻是中国江淮地区特有水稻资源，主要分布在江苏连云港市云台山地区及其周围的稻田、水塘、沟边等(魏兴华等, 2004)，表现较好的耐水淹特性，在两组耐淹试验中，其芽鞘长度平均值分别为5.7 cm和3.09 cm，可作为优异耐淹水稻种质资源。另外该水稻品种耐水淹遗传机制和生理尚不明确，下一步将加强水稻耐淹机制机理研究，以期为选育更加优良的直播稻品种提供理论支撑。

3材料与方法

3.1供试材料

水稻(Oryza sativa)品种共95份(表3)，共4个生态类型，即中熟中粳品种(生态型I)、迟熟中粳品种(生态型Ⅱ)、早熟晚粳品种(生态型Ⅲ)和中熟晚粳品种(生态型Ⅳ)。

3.2试验方法

每份品种取150粒种子，加入2%H₂O₂浸泡20 min进行灭菌，用纯净水反复冲洗3-4次，在25°C条件下浸泡48 h。挑选吸水膨胀，没有露白的种子，用于耐淹试验。

试管内种子耐淹萌发试验：挑选16粒吸水膨胀，没有露白的种子，放入一个大试管内，试管内注入纯净水，水面维持与种子20 cm的距离。

模拟大田种子耐淹萌发试验：参照刘艳等(2016)方法处理。

试管内土壤介质种子耐淹试验:为检验土壤介质缺氧环境下介质对稻谷萌发的影响，从供试品种中随机挑选10份水稻品种(每个生态型至少2份品种)，10份品种分别为扬粳687、连粳7号、淮稻6号、扬农粳2号、淮稻10号、扬粳糯1号、宁粳1号、镇稻18、武育粳18号和南粳46。

试验方法为：挑选16粒吸水膨胀，没有露白的种子，放入一个大试管内，覆盖1 cm高度的土层在稻种表面上，缓慢注入纯水，水面到稻种底部的距离为20 cm。

每组实验设置二次重复，培养条件：室内温度25°C。

3.3性状调查

以水淹状态下种质萌发7d的胚芽鞘长度作为调查指标，每组试验分别调查每个重复中的10株芽鞘，用直尺测量胚芽鞘长度，去除双极值后统计性状平均值和标准差。

3.4数据分析

数据的次数分布统计、方差分析及相关分析按照文献(2000, 试验统计方法, 中国农业出版社)在Excel软件上进行。

作者贡献

迟铭本实验研究的执行人，完成了论文初稿的写作；刘艳、宋兆强，邢运高、孙志广、徐波、卢百关、方兆伟、陈庭木参与本实验材料的准备及实验设计建议；杨波、刘金波、李健、王宝祥参与部分实验；徐大勇提出实验想法，指导实验设计、完成文章的修改和定稿。全体作者都阅读并同意最终的文本。

致谢

本研究由现代农业技术体系建设专项资金资助(CARS-01-61)、江苏省科技支撑项目(BE2017323)、江苏省科技支撑项目(重点研发BE2018337)和连云港市财政专项(QNJJ1913, QNJJ2001)共同资助。

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