为探明不同类型高产籼稻的根系形态特征差异及其与产量的关系, 以7个目前在华南地区大面积推广应用的主导品种(组合)合美占、桂农占、玉香油占、粤晶丝苗2号、五优308、天优998、天优122为材料, 在2010—2011年进行两年盆栽试验, 分别考察分蘖盛期、抽穗期及成熟期的单株、单茎及单条不定根形态性状, 利用WinRhizo根系分析系统分析抽穗期的根系分枝特征, 并计算根系形态特征与产量的相关性。结果表明: (1)杂交籼稻组合各生育时期的单株根数、单株根长、单茎根长及单条根长均显著大于常规籼稻品种; 单株和单茎的根体积与干重差异不明显; 常规稻单条根质量则普遍高于杂交稻。(2)抽穗期不同级别根的表面积和体积均为不定根>粗分枝根>细分枝根, 杂交稻不同级别根的总长度为粗分枝根>不定根>细分枝根, 常规稻则为不定根>粗分枝根>细分枝根; 杂交稻的分枝根总长度及粗分枝根和细分枝根的长度、表面积、体积都显著大于常规稻; 常规稻的平均根直径则显著大于杂交稻。 (3)杂交稻与常规稻根系特征的主要差异是单株根数和长度的差异, 分蘖数和单条根长度的差异是两者根系特征差异的重要原因。(4)单株不定根数、不定根总长、根干重等12个根系性状分别与产量显著或极显著正相关; 单株不定根数和分枝根总表面积分别是影响产量的主要因素。这些结果为水稻根系遗传改良和超高产育种及栽培提供了参考。
Seven inbred and hybrid
根系是水稻的一个重要器官, 也是合成某些氨基酸、激素等物质的重要场所。已有研究表明, 水稻根系的生长发育、形态建成以及活性、活力与地上部生长发育[1,2,3,4]、养分利用[5,6,7]、产量形成[1,2,4,8,9,10]、稻米品质[11,12]等具有密切的关系。根系还与衰老[13]、抗逆性[14,15,16]、信号传导和环境响应[12,17]等生理生化过程息息相关, 在水稻生长发育过程中起到举足轻重的作用。然而以往国内外水稻高产育种和栽培理论的研究中, 大多数是关于地上部农艺性状的遗传改良或者以地上部性状表现作为栽培调控的指示指标, 对水稻根系的研究则相对滞后。原因是水稻根系生长于土壤中, 难以对其形态性状进行长期直观的选择, 加上受研究方法和技术手段的限制, 研究难度较大。近年根系遗传改良在育种中受到越来越多的关注, 更提出了根型育种的概念[18]。
水稻超高产育种实践证明, 杂种优势利用与理想株型相结合是实现超高产育种目标的有效途径[19,20,21]。自20世纪90年代, 华南地区基于“杂种优势+理想株型”的育种策略开展了水稻新品种选育, 育成一批具超高产、特优质和广适应性的水稻新品种(组合), 使该稻区的水稻单产和粮食总产量上了一个新的台阶。然而, 关于华南稻区水稻根系的相关研究较少, 对高产籼稻根系特征的认识仍然比较缺乏。为此, 本研究选用华南稻区通过审定并大面积推广种植的高产、优质、广适型籼稻常规品种和杂交组合, 比较分析其不同生育时期的根系形态特征, 并利用根系扫描分析技术获得如根直径、根表面积以及不同级别分枝根长度、表面积等采用常规测定方法难以获得的根系表型数据。旨在探讨不同类型高产籼稻之间的根系特征差异以及根系特征与产量性状的相互关系, 为华南稻区水稻根系性状改良与超级稻选育提供参考。
选用籼稻常规品种合美占、桂农占、玉香油占、粤晶丝苗2号和籼稻杂交组合天优122、天优998、五优308。合美占、桂农占、玉香油占、天优122、天优998、五优308都是农业部认定国家主推超级稻品种及广东省主导品种, 粤晶丝苗2号是目前广东省种植面积最大的优质稻品种。
2010—2011年在广东省农业科学院水稻研究所网室内进行盆栽试验。土壤有机质含量29.40 g kg-1、全氮、磷、钾含量分别为1.74、0.87和7.25 g kg-1, 速效氮、磷、钾含量分别为197.60、67.90和221.00 mg kg-1, pH 5.08。土壤经充分研碎、过筛并混匀后, 装入内径26 cm, 高30 cm的塑料桶, 每桶装土15 kg, 逐层装土灌水, 让土壤自然沉实。每桶预施花生麸和过磷酸钙各5 g作为基肥。两年均在7月25日播种, 8月4日移栽。种子按常规方法消毒、催芽、播种, 秧盘育秧。选取三叶一心均匀一致的秧苗移栽至桶内, 每桶栽2株, 返青后各留1株。每品种(组合)种植3行, 每行15桶, 完全随机排列。全生育期内保持土壤表面1~2 cm水层。移栽后5 d追施返青肥(每盆施2 g复合肥)、12 d追施分蘖肥(每盆2 g复合肥和1 g钾肥)、40 d追施穗粒肥(每盆2 g复合肥和1 g钾肥), 若遇强降水天气, 则翌日清除多余积水后施适量复合肥。适期防治病虫害。
1.3.1 根系性状调查 在定期调查分蘖(穗)数的基础上, 分别于分蘖盛期、抽穗期和完熟期从每个品种(组合)每行取具代表性的1个单株, 共3株, 用自来水小心将根表泥土冲洗干净, 将完整根系从植株上分离下来。分别测定每条不定根长和每株的不定根数、总根长度、总根体积、总根干重, 计算单茎根数、根长、根体积、根干重及单条根体积、根干重。用排水法测定根体积, 根系样品经 105℃杀青30 min, 80℃烘干至恒重, 称量根系干重。
1.3.2 根系图像扫描 抽穗期从每个品种(组合)另取具代表性的3个单株, 将根系洗净并从植株上分离下来, 装入密封的保鲜袋中带回实验室备测。将完整根系样本放入装有去离子水的专用无色透明根盘, 用镊子调整根的位置尽量避免交叉重叠, 用扫描仪(型号为EPSON 10000XL)对根系图像进行扫描, 按不同品种、株号将图像分类并保存于电脑中。利用WinRhizo Pro 2004a (加拿大Reagent Instruments公司, WR)软件分析图像, 参照顾东祥等[22]的方法, 按根直径范围0.03~0.10 mm、0.10~0.30 mm、0.30~2.00 mm分别提取相应的根长度、根表面积、根体积等数据。
1.3.3 产量和产量构成 完熟期另取每个品种(组合) 5株, 调查每株穗数、每穗粒数、结实率和测定千粒重、单株谷重。
用Microsoft Excel 2003处理数据和作图, SPSS 16.0软件统计分析。两年试验结果趋势一致, 本文主要分析2011年的数据。
两年试验的产量及产量构成因素结果一致。3个杂交稻组合的平均单株穗数、千粒重、单株谷重均显著高于4个常规稻品种, 其中杂交稻2010年和2011年的平均单株谷重分别比常规稻增产19.92%和18.50%, 差异均达显著水平。常规稻的平均结实率则显著高于杂交稻, 而常规稻与杂交稻的平均每穗粒数差异不明显(表1)。
2.2.1 不同生育时期根系特征的变化 供试材料的单株根数、单株总根长、单株根干重、单茎根数、单茎总根长、单茎根干重及单条根长随生育进程普遍呈增加趋势。而单条根体积、单条根干重、单位长度根干重随生育进程普遍呈先升后降趋势。四常规稻品种的单茎根体积随生育进程而增加, 4个杂交稻组合则呈先升后降, 并且完熟期的单株根体积除了五优308略有增加外, 天优998和天优122较抽穗期都有所下降(表2~表4)。
2.2.2 不同类型水稻根系特征的差异 方差分析结果( F值)显示, 杂交稻各个时期的单株不定根数、单株总根长、单茎总根长、单条不定根长都明显大于常规稻, 类型间差异达显著或极显著水平; 杂交稻分蘖盛期根体积和根干重均极显著大于常规稻, 但抽穗期与完熟期类型间的差异不显著; 分蘖盛期与抽穗期的单茎根体积和单茎根干重类型间差异不显著, 完熟期常规稻则显著大于杂交稻; 各个时期的单茎不定根数类型间差异不显著, 但常规稻各个时期单位长度根干重显著大于杂交稻, 抽穗期与完熟期的单条根体积和单条根干重亦显著大于杂交稻(表2~表4)。可见, 杂交稻与常规稻根系的差异主要是单株不定根数量和长度的差异, 杂交稻具有明显的优势, 但单条不定根质量却普遍低于常规稻, 这个负向作用可能是导致根体积和干重差异不明显的原因。从表1可知, 供试材料中杂交稻组合的平均单株产量比常规稻增加约18.5%, 差异达显著水平, 杂交稻的有效分蘖数亦显著高于常规稻。单株根系由单茎根系组成, 其数量和长度取决于单茎根长度和分蘖数, 单茎根系则由单条根组成, 单茎根长度取决于单茎根数和单条根长度。
由表3可知, 杂交稻与常规稻之间的单茎根数差异不明显, 因此, 两者根量上的差异是由分蘖数和单条根长度的差异造成的, 单条根越长, 单茎根系长度就越大, 而分蘖越多, 单株根数和长度则越大。分蘖数的差异既是根量差异的原因之一, 同时也是产量差异的重要原因。
2.2.3 不同类型水稻根系分枝特性的差异 抽穗期各品种(组合)的粗分枝根总长度、总表面积及总体积分别极显著地大于细分枝根。天优122和天优998粗分枝根长度、表面积、体积显著大于其他品种(组合), 天优122细分枝根长度、表面积、体积亦显著大于其他品种(组合)。杂交稻的粗分枝根长度、表面积及体积分别比常规稻高70.6%、65.4%和60.6%, 细分枝根长度、表面积及体积则分别比常规稻高84.3%、84.3%和82.4%, 差异均达极显著水平。但常规稻的平均根直径极显著大于杂交稻(表5)。
除合美占外, 各品种(组合)的分枝根总长度均大于不定根总长度(图1-A); 杂交稻的粗分枝根总长度大于不定根, 常规稻则小于不定根(图1-B); 各品种(组合)的细分枝根长度都小于不定根(图1-C); 粗分枝根与细分枝根的总表面积和总体积均小于不定根(图1-E, F, H, I), 细分枝根的总长度和总表面积均小于粗分枝根(图1-D, G)。杂交稻的分枝根总长度及粗分枝根和细分枝根的长度、表面积、体积都显著大于常规稻, 表明杂交稻的根系分枝明显比常规稻发达。
相关分析表明, 单株产量、千粒重、单株穗数均与抽穗期单株根数、不定根总长、不定根总表面积、单株根重、单茎根长、单条根长、分枝根总长、分枝根总表面积以及粗、细分枝根的长度和表面积显著或极显著正相关, 与单条根体积、单条根干重及单位长度干重显著或极显著负相关; 此外, 单株产量与单株根干重显著正相关; 粒重与单株根体积极显著正相关, 与单茎根体积显著负相关; 每穗粒数与单茎根数和根长正相关, 与其余性状负相关或显著负相关; 结实率与单条根体积、单条根干重及单位长度干重极显著正相关, 与单茎根数、根长及单条根长极显著负相关(表6)。可见, 抽穗期根系性状与产量及其构成因素具有密切的联系。
为进一步明确根系性状对产量的影响程度, 对根系性状与产量进行多元逐步回归分析, 结果表明, 单株不定根数和分枝根总表面积分别对单株产量有较大影响, 回归方程分别为 y= 14.1344 + 0.0588 x ( R2= 0.6686)和 y= 30.9802 + 0.0950 x ( R2= 0.7140), 直接通径系数分别为0.8177和0.8450。说明增加不定根数和分枝根表面积有利于产量提高, 不定根数和分枝根表面积可作为水稻根系性状遗传改良和高产栽培的选择指标。
大量研究表明, 不同遗传类型、不同基因型以及不同产量水平品种间的根系性状存在明显的差异[1,10,23,24,25,26]。不同类型水稻间根系性状的差异正是根系性状遗传改良和选择的依据。本研究结果表明, 杂交籼稻与常规籼稻根系形态特征的差异主要是根数和根长的差异, 杂交稻各生育时期的单株根数、单株根长、单茎根长及单条根长都明显高于常规稻。单株根系由单茎根系组成, 单茎根系由单条根组成, 单茎根长决定于单条根长和单茎根数, 而单株根长决定于单茎根长和茎蘖数。由于两者间的单茎根数差异不明显, 因此, 杂交稻单株根数和根长较大来自茎蘖数多和单条根较长。对单条根性状分析表明, 由于杂交稻根系平均直径显著低于常规稻, 其单根体积、单根干重及单位长度干重均普遍低于常规稻, 在这个负向作用下, 单株根体积和根干重增长受限制, 可能是两者差异不明显的主要原因。
以往由于受研究技术和手段的限制, 对水稻不同级别根系数据的分类提取及根系分枝特性的研究少有报 道[22]。近年来, 图像分析法逐渐成为根系形态特征指标数据获取的重要工具和手段, 基于图像分析原理开发的根系分析系统在国内外得到了广泛的应用[22,27,28,29,30]。本研究利用WinRhizo根系分析系统对供试材料抽穗期根系分枝特
性分析发现, 水稻分枝根总长度普遍大于不定根的总长度, 但分枝根的表面积和体积占总根系的比重相对较低,这可能与其根直径的差异有关。粗分枝根的长度、表面积和体积所占的比例都大于细分枝根, 杂交稻粗分枝根总长度甚至大于不定根, 其根系分枝亦明显比常规稻发达。研究表明, 不同品种水稻根系分枝特征的差异导致其氮素利用效率等方面的不同[22]。分枝根较为发达有利于进一步扩大根系的接触面积和活跃吸收范围, 提高养分和水分的吸收利用能力, 有利于地上部的生长发育进而获得高产。
刘桃菊等[9]认为, 齐穗期根干重密度、根长密度等性状与有效穗数及产量显著正相关。梁永书等[27]的研究表明, 单株产量与平均根长、总根长、根表面积、根体积、根尖数和根干重显著正相关。唐文帮等[31]研究表明, 抽穗期根系干重、不定根条数、不定根总长、根系总吸收面积等与单株产量均显著正相关, 并提出可将不定根数作为水稻高产栽培和遗传改良的选择指标。本研究结果也表明, 单株根数、不定根总长、根干重、总根表面积、单茎根长、单条根长以及分枝根的各相关性状等均与单株产量显著或极显著正相关, 与穗数和粒重等产量因素也普遍呈显著正相关, 这与前人的研究结果一致。表明水稻根系形态特征与产量的关系密切, 通过对根系性状的遗传改良有利于产量的提高。多元逐步回归分析显示, 不定根条数和分枝根总表面积分别对产量起重要作用, 表明增加不定根数和分枝根表面积有利于扩大根系在土壤中的分布范围, 增加根系与土壤的接触面积, 提高营养元素和水分的吸收利用效率, 从而提高产量。因此我们认为, 不定根数和分枝根表面积可作为水稻高产育种的根系形态选择指标。
研究认为, 超高产水稻根系具有根量大、深根系比例较高的特点, 其后期根系活力高、吸收面积广、吸收能力强, 根系对肥水等环境胁迫的缓冲能力强[32]。也有研究认为, 根系发达、发根力强, 生育后期根系活力较强、衰退较晚且缓慢也是高产水稻的重要根系特征之一[31]。根据本研究结果, 我们也认为高产水稻应具备根系发达、根量大、根数多的特点, 这有利于植株早生、快发和形成良好的群体结构, 从而有利于群体光合生产能力的提高, 增强光合产物的积累和运输能力。另一方面, 根系发达、扎根深、根系分布广、吸收面积大的特点, 促进了营养元素和水分的吸收和利用, 增强植株的抗倒性和抗逆性, 为高产稳产奠定了基础。然而, 杂交稻生育后期根系往往出现早衰现象, 单根质量下降较快, 限制了根系生物量的进一步提高。因此, 在高产水稻的选育中, 尤其是杂交稻, 除了注重发根力强、根数多、根系面积大、分枝发达等特性外, 还应着重改善单条根质量和延缓根系衰老消亡速度。
致谢: 本文所用WinRhizo根系分析系统由华南农业大学农学院年海教授提供, 杨存义老师、马启斌老师、钟彩霞同学在试验过程中提供了指导和帮助, 在此谨表谢意。