浅析我国水稻种质资源的筛选

浅析我国水稻种质资源的筛选

氮是水稻生长发育所必需的矿质元素，与蛋白质、氨基酸和茶多酚的合成密切相关。因此，氮是限制水稻产量的重要因素之一。水稻是我国的主要粮食作物之一,种植面积约3000万hm2、居世界第2位,总产量约17000亿t,居世界第1位。但我国人口多,可耕地少,人均产量不高,要提高水稻的总产量,只有提高单位面积产量,但提高单位面积产量就要增加化学肥料的投入,主要是增加氮肥的投入量。近年来,氮肥在农业生产中的投入量不断加大,氮素的生产效率呈下降趋势,而环境污染却日益加重。不同基因型的水稻品种对氮素利用率存在着显著的差异,因此充分挖掘和利用水稻自身的遗传潜力是提高氮素利用率的理想途径。近年来,对水稻的氮高效基因型品种的选育开展了大量的研究工作,也取得了很大的进展。本文主要从氮素在土壤中的存在形式、水稻氮高效种质资源的筛选和水稻耐低氮的机理3个方面进行了综述,以期为氮高效基因型的水稻育种提供参考。1土壤矿化及矿化特性氮是农业生产中最主要的养分限制因子,在各种营养元素中,氮素对水稻生长发育和产量的影响最大。氮与水稻体内的蛋白质、核酸、磷脂、叶绿素、植物激素及某些维生素的合成都有着密切的联系,因此氮素在维持和调节水稻生理功能上具有多方面的作用。土壤的供氮能力主要取决于土壤有机质、有效氮的含量以及总氮量。Stevenson研究表明,表层土壤中的氮素90%以上为有机化合物,有机氮只有转变成无机态的铵态氮或硝态氮才能被作物吸收利用,这一转化过程则主要依赖于土壤氮素矿化,因此土壤矿化对土壤供氮能力具有重要的影响。而土壤中有机氮的组分及矿化特性又受耕作制度、作物种类、施肥类型、种植条件及利用方式等因素的影响。朱兆良研究了稻田土壤的矿化特性,发现氮肥的增加对土壤矿化氮量的促进作用和水稻生长对土壤氮素的矿化促进作用都是一种表观现象。我国为了增加农作物的产量,每年都投入了大量的氮肥,氮素的损失又会给环境带来很大的污染。农田中氮肥的损失途径主要有硝化-反硝化、氨挥发、淋洗、径流、生物量及枯落物的消除,其中氨挥发在适宜的条件下损失量可达到施氮量的40%~50%,是氮肥损失的主要途径;有关稻田的土壤淋洗和径流所损失的研究表明,径流损失的氮是造成地表水氮富营养化的重要原因之一。为了提高水稻的氮素吸收利用率、降低氮素的损失率以及改善生态环境,应找出能够提高氮肥利用率的方法,如合理的施肥技术、新型肥料的研发、氮高效作物的选育等。2高效期水稻氮评价2.1不同的试验方法对于植物基因型的影响水稻氮高效基因型的筛选方法有田间试验方法和盆栽模拟试验方法,盆栽模拟试验根据生长介质的不同又可分为土培试验方法、水培试验方法和沙培试验方法。田间试验一般是在近于生产和自然条件下进行的,更贴近生产实际,试验条件较复杂,但由于时间长,生育期内受各种因素的影响比较多,因此难以控制试验条件,不能进行大批量的快速、精确的筛选;盆栽模拟试验由于生长环境与田间试验有很大差别,因此所得结果不能直接应用于大田,多用于植物营养、土壤养分等机理性质的研究及探索性研究,但是这些模拟试验也各有优劣。土培盆栽试验是以土壤为介质的试验方法,由于土壤是作物生长的介质,更贴近实际生产,因此是筛选耐低氮基因型最直接最可靠的方法,但是难以进行根系形态及生理生化特性的研究;水培试验中植物生长所需要的全部营养物质都靠人工供给,营养液中养分的浓度、形态、种类、供应时间均由人工控制,且养分分布比较均匀,这是土培试验和田间试验无法比拟的,但液相环境缺乏空气,浓度易变,营养液缓冲性能小,因此水培试验也有其自身的局限性;砂培试验是介于土培试验与水培试验的一种研究方法,可以将介质的化学状况简化集中到某一组分上来,但其介质的化学缓冲能力差,准备过程比较复杂。因此不同的研究者分别采用不同的筛选方法或者两两结合的方法来用于水稻耐低氮基因的筛选,通常采用苗期盆栽初筛和田间全生育期复筛相结合的方法来进行筛选氮高效基因型。2.2促进种子生化活性及对耐低氮性状的影响研究证明,水稻氮高效基因型的筛选时期主要包括苗期筛选和全生育期筛选。传统的筛选时期主要集中在全生育期[1，18]。全生育期的重复筛选结果可靠,但对于种质资源过多时,就会加大人力物力的投入,而且由于周期长,就易受环境的影响难以真正反映作物耐低氮性状的遗传潜力。程建峰等认为水稻成熟期的指标会受所有与之相关指标的影响,加上遗传力低,基因型与环境互作,结果常有变动,因此很难判断最佳的基因型。找到水稻苗期与耐低氮性状密切相关的生理生化特异性指标很有意义。通过对水稻苗期耐低氮指标的研究,得出水稻苗期氮高效品种评价与筛选的合适时期是播种后50d左右。目前通常在苗期进行初筛选,再用全生育期加以验证。2.3水稻氮素利用效率研究简单、可靠和有效的筛选指标的选择是进行准确快速筛选和培育耐低氮水稻品种的关键。从前人的研究结果可知,对水稻耐低氮的筛选指标主要包括生理生化指标、形态指标以及综合指标。氮是叶绿素的组成成分,水稻叶片中叶绿体数目、叶绿体基粒结构和类囊体膜上的光合色素含量与叶片含氮量密切相关,因此叶绿素SPAD值与水稻的氮素营养密切相关。黄农荣等的研究结果表明,抽穗期及乳穗期倒2、倒3叶的叶绿素含量可以作为水稻氮素利用效率的评价指标;徐福荣等认为叶绿素SPAD值可以作为耐低氮种质的筛选指标;徐富贤等认为可以将SPAD值衰减指数作为预测稻谷生产效率的简易指标。植物组织中氮素气态挥发可能与其氮效率密切相关,陈明霞等研究认为水稻植株铵的挥发速率(AVR)存在基因型差异,在高氮浓度液培条件下,较低的AVR可作为氮高效材料筛选指标。前人研究表明可以将株高、分蘖数等作为水稻耐低氮种质筛选的形态指标;由于根系形态影响土壤养分的有效性,因此水稻对氮素的吸收与根系形态密切相关。石庆华等通过对水稻氮素营养效率的研究认为,水稻的生物产量与根系吸氮量呈极显著正相关,而根系吸氮量与单株干重呈极显著正相关;张亚丽等认为根干物重可以作为不同水稻基因型对硝营养的响应时的主要生理指标。在进行水稻耐低氮种质资源的筛选时,仅利用单一指标进行筛选会引起一定的误差,因此在实际筛选过程中,往往采用与产量性状相关的多个次级指标进行筛选,可使筛选结果更加可靠,郑家奎等认为株高、有效穗数、生物产量、单株产量和结实率可作为耐低氮和氮高效水稻材料的筛选指标。3水稻抗低氮机制的研究3.1对植物的吸收利用水稻氮效率主要有两种含义:品种的耐低氮性和耐肥性。前者主要是指当生长介质中氮素养分浓度较低时,水稻仍具有维持正常生长的能力,并获得与正常氮相近的籽粒产量或生物学产量;后者主要是指随着介质中氮素浓度的增加,水稻吸收氮素养分并获得较高产量的潜力。前者更具有实际的应用价值,因此我们应该着重挖掘水稻的耐低氮的能力,培育耐低氮基因型的水稻品种。大量试验结果表明不同的水稻品种(或品系)之间存在着氮效率差异。3.1.1吸收硝态氮和铵态氮能力的差异不同水稻品种对硝态氮和铵态氮的吸收能力有很大的差异,铵态氮是主要的氮肥形态,植物通过铵转运蛋白从土壤溶液中吸收NH4+,通过硝酸转运蛋白从土壤中吸收硝态氮。杨肖娥等研究表明水稻根系对NH4+的亲和力在氮素高效吸收中发挥重要作用,水稻地上部物质生产与根系对氮素吸收密切相关。随着分子水平的提高,人们正在利用分子手段来研究铵态氮和硝态氮的吸收系统,Anthony等研究发现决定着根系对无机氮素的吸收有3个运输系统,分别为低亲和运输系统(low-affinitytransportsystems,LATs)和高亲和运输系统(high-affinitytransportsystems,HATs),高亲和运输系统又可分为构成型(eonstitutivehigh-affinitytranportsystem,eHATS)和诱导型(indueiblehigh-affihitytransportsystems,iHATS)。3.1.2硝酸还原酶等酶的水平和活性的差异硝酸还原酶(NR)是硝酸盐同化过程中的第一个酶,也是限速酶,NR活性的高低不仅表明了植物体内硝酸盐的吸收、积累水平,也反映着植物对氮素的利用水平。曹云等研究认为不同基因型水稻叶片NR活性具有很大的差异,氮高效水稻品种NR活性显著高于氮低效水稻品种。谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸合成酶(GOGAT)是植物氨同化的主要酶系,段英华等研究表明氮高效水稻品种对NO3－同化利用能力远远高于氮低效水稻品种。董芙蓉研究认为GOGAT活性随着氮水平升高而增强,两种类型水稻品种叶片中GOGAT活性随氮水平升高而增强,其中拔节期叶片氮高效型品种GOGAT活性受氮水平影响比氮效型品种更显著。3.1.3体内无机氮贮存库大小的差异植物体内无机氮主要为硝酸盐,硝酸盐是植物吸收的主要氮素形态,但硝酸盐中的无机氮不能被植物直接吸收利用,只有通过相关酶的作用转化为有机氮的形式才能被植物体所利用,因此植物体内无机氮贮存库的大小与植物吸收利用氮素有着密切的关系。3.1.4氮在体内运输和积累的差异氮素是水稻籽粒形成过程中关键的物质基础之一,因此氮素在植物体内的转运和积累对水稻籽粒的形成非常重要。不同基因型的水稻品种在籽粒形成期氮素的转运和积累方面表现出差异,叶利庭等研究认为氮高效、低效水稻氮素积累和转运特征的差异主要表现在齐穗期以后,氮高效水稻具有强的氮素吸收或者转运能力。3.2低氮胁迫对水稻幼苗氮素吸收及相关性状的ql分析氮效率是一个受遗传控制的复杂的数量性状,其相关性状一般表现为连续性变异。将复杂的数量性状剖解为单个的QTL,是进行分子标记辅助选择育种和图位克隆的基础。分子标记技术的发展和水稻高密度遗传连锁图谱的出现,为在全基因组内检测相关QTL提供了基础。3.2.1水稻氮吸收量及相关性状的QTL定位在低氮威胁下,增加根系对土壤氮素的吸收是植物耐低氮的主要生理机制。近年来国内外对水稻氮素吸收利用相关性状的QTL的研究很多,主要集中在蛋白质含、株高、根干重、茎叶干重、收获指数、穗长、铵态氮和硝态氮的吸收能力等方面。王彦荣等以Koshihikari/Kasalath//Koshihikar的回交重组自交系群体为材料,采用流动液体培养和同位素示踪技术对水稻苗期氮素吸收速率及其相关性状进行QTL分析,结果表明在地上部干质量(SW)、根系干质量(RW)、植株含氮量、氮素吸收力(NAA)、高氮下的氮吸收速率(HNAE)和低氮下的氮吸收速率(LNAE)上分别检测到1、4、1、3、1和1个主效QTL,主要分布在第6、7、8和10染色体上;R/S、RGRS和RGRR没有检测到主效QTL;NAA、LNAE和RW间存在明显的QTL一因多效或邻近表达现象。唐江云等采用66个水稻籼粳交片段导入系群体,利用单标记作图法,对正常与低氮胁迫条件下水稻有效穗、单株产量、株高和生物学产量等性状进行QTL定位的研究,结果共检测到24个QTLs,其中20个为新检测出的QTL,而qph-1、qpn-1、qby-2、qby-4与前人研究结果相似,另外,qph-1a和qph-1b为在不同处理下均能影响株高的位点;生物学产量的QTL仅在低氮处理下被检测到;qpn-2b与qyd-2具有共同的连锁标记RM521;qpn-1b、qpn-2a、qpn-2b等加性效应值都小于1。3.2.2水稻氮素利用率的QTL定位在低氮胁迫下增加体内氮的利用率是植物耐低氮的另一个主要的适应机制。李亚非等通过在田间条件下以旱稻IAPAR-9分别与水稻辽盐241和秋光杂交而创制的2个F7粳粳交重组自交系群体为试验材料,进行了水稻全生育期氮素利用率及其相关性状的QTL定位分析,结果表明:在IAPAR-9/辽盐241重组自交系群体中检测出31个氮素利用率相关性状的QTL,分布于除第6、第7和第10染色体外的9条染色体上,氮素利用率相关QTL成簇分布区间有9个;在IAPAR-9/秋光重组自交系群体中检测出33个氮素利用率相关性状的QTL,分布于除第4和第10染色体外的10条染色体上,氮素利用率相关QTL成簇分布区间有7个,对水稻氮高效分子标记辅助选择育种有重要的利用价值。4关于水稻耐低氮能力的研究随着植物育种学、植物营养学和分子生物学的发展,对水稻氮高效种质资源筛选及其耐低氮生理生化机制方面的研究取得了很大的进展,但仍存在一些不足之处,主要表现在:(1)虽然对水稻耐低氮种质资源的筛选已经进行了大量的研究,也取得了较大的进展,但对水稻耐低氮能力的筛选评价指标并没有形成统一的看法,也难以找到有效的次级筛选指标。因此应继续进行水稻形态结构等农艺性状与氮素利用