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摘要：【目的】對广西双季稻区直播生产中常用水稻品种的耐低温和耐低氧能力进行评价，筛选出适合早稻直播的耐低温低氧品种，为解决广西早造直播稻全苗难的问题提供理论参考。【方法】通过人工模拟低温（12、15和18 ℃）和低氧环境，对供试的22份水稻品种进行发芽试验，考察种子活力相关指标，通过变异系数、主成分分析和相关性分析等对其萌发活力进行综合评价。【结果】在低温和低氧条件下，不同品种的各项种子活力指标存在明显差异，耐低温、耐低氧能力不同，其中品种桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号和优质农家种2的耐低温和耐低氧能力均较强。种子活力指标的变异系数分析结果显示，15 ℃低温条件下，发芽指数更具代表性;18 ℃低温条件下，苗干重、根干重和活力指数的代表性和灵敏性更强;低氧条件下胚芽鞘鲜重更具代表性。主成分分析结果表明，低温和低氧条件下各提取到3个和2个主成分，累计贡献率分别为85.643%和80.458%，低温条件下主要由18 ℃的活力指数、苗长、苗鲜重、苗干重、根长和根鲜重等指标决定，低氧条件下主要由缺氧反应指数决定。相关性分析结果显示，低氧条件下的直播性状与低温条件下的直播性状间无显著相关性（P>0.05）。【结论】通过对水稻直播性状指标进行综合分析，筛选出桂育9号等8个耐低温低氧的优良水稻品种，这些品种既可为直播生产提供服务，也为下一步水稻低温低氧相关基因的QTL定位和分子育种打下基础。
关键词： 水稻;直播特性;低温;低氧;变异系数
中图分类号： S511.01 文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）12-2680-08
Evaluation of tolerance to low temperature and anoxia of rice varieties based on direct seeding of early rice（Oryza sativa L.）
ZHANG Xiao-li1， TAO Wei2， WANG Qiang1， CHEN Lei1， GUO Hui1，
LIANG Tian-feng1*， GAO Guo-qing1， TANG Mao-yan1*
（1Rice Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Guangxi Key Laboratory of Rice Genetics and Breeding， Nanning 530007; 2Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning 530007）
Abstract：【Objective】To evaluate the tolerance to low temperature and anoxia of rice varieties that were commonly used in double cropping paddy area in Guangxi，and select the low temperature and anoxia of rice tolerant varieties sui-table for early crop direct seeding and solve the problem of direct seeding rice in Guangxi. 【Method】Germination test was conducted on 22 tested rice varieties. The study investigated the related indexes of seed vigor under simulate artificially low temperature（12， 15 and 18 ℃） and anoxia environment. Using the variation index，multi-component analysis and correlation analysis methods，it evaluated comprehensively the germination vigor of the tested varieties. 【Result】There were obvious differences in seed vigor indexes among different varieties under low temperature and anoxia，and their toleran-ces to low temperature and hypoxia were different，some varieties had strong resistance to low temperature and hypoxia，including Guiyu 9，Guiyu 11，Guyefeng，Baixiang 139，Y Liangyou 1，Zhongzheyou 8，Yuejingsimiao 2 and Youzhinong-jiazhong 2. Through the analysis of the coefficient of variation of seed vigor index，under 15 ℃， germination index was more representative， under 18℃， stem dry weight and vigor index were more sensitive， and under anoxia condition， coleoptile was more representative. Through principal component analysis，under low temperature and hypoxia conditions， three and two principal components were extracted respectively，the cumulative contribution rates were respectively 85.643% and 80.458%. Under low temperature， it was determined by 18 ℃ vigor index， seedling length， seedling fresh weight， seedling dry weight， root length and root fresh weight， and under hypoxia condition， it was decided by hypoxia index. The correlation analysis showed that there was no significant correlation in direct seeding traits between low tempe-rature and hypoxia（P>0.05）. 【Conclusion】Based on the comprehensive analysis on rice direct seeding characters， eight low temperature and hypoxia tolerant rice varieties such as Guiyu 9 are selected. They can be used in direct seeding and can lay a good foundation for the QTL mapping and molecular breeding of related genes of low temperature and hypoxia tolerant rice varieties in the next step. Key words： rice; direct seeding characters; low temperature; anoxia; variation coefficient
0 引言
【研究意义】随着土地流转的发展、田间基础设施的改善、化学除草技术的完善及水稻种植人工成本的不断攀升，南方稻区尤其是双季稻区的轻简化稻作方式成为水稻生产中关注的焦点和社会发展的迫切需求。在此背景下，直播稻因其省去秧田期和移栽环节，具有省工省力和节约成本等优点而逐渐受到青睐。近年来，直播稻在我国上海、安徽、江苏和江西等地推广面积较大（卢百关等，2009;陈雪飞等，2018;王新龙，2018）。广西双季稻区温光资源充足，具备采用直播技术的有利自然条件，但早稻播种后的倒春寒、冷水浇灌等因素引起的低温低氧会影响种子正常发芽出苗，导致种子出苗慢且参差不齐，难以达到一次出全苗（吕和平等，2004，姜心禄等，2017），是直播稻在广西推广的主要障碍。因此，针对目前广西双季稻区直播生产中常用品种进行耐低温和低氧能力评价，对推动广西乃至南方直播稻的发展具有积极意义。【前人研究进展】近年来，针对如何降低低溫低氧对水稻生产的影响，国内外学者已开展了大量研究，发现不同水稻品种的耐低温低氧能力存在明显差异（Gibbs et al.，2000）。潘孝武等（2015）从湖南地区推广的16个早籼稻品种中筛选耐冷品种，发现品种间耐冷性差异明显，部分早籼稻品种不适宜采用直播栽培。熊英等（2015）通过对种芽进行10 d低温（5 ℃）淹水（5 cm深）胁迫处理，对204份水稻育种材料的耐低温淹水特性进行评价，筛选出5份耐受性较强的品种。黄永兰等（2016）在自然低温和人工低温胁迫下对江西省48份早稻品种进行芽期耐冷性鉴定，发现杂交水稻组合的芽期耐冷性强于常规水稻品种。夏秀忠等（2016）研究发现，419份广西地方品种在芽期和苗期的极强耐冷种质（1级）仅有24和27份，所占比例较低。在生理生化及分子技术方面，侯名语（2003）、李晓丹（2016）利用群体定位出种子低温、低氧发芽力的QTL;徐春梅等（2016）研究短期低氧胁迫对水稻幼苗根系生长、呼吸功能和氮代谢的影响，发现低氧情况下，叶片叶绿素含量、根系氮素吸收量及可溶性蛋白质含量受到抑制。【本研究切入点】在以往的水稻品种选育中，极少将耐低温低氧作为品种选育的筛选性状，导致目前市场上推广的许多水稻品种不完全适合早期直播（姚义，2012），同时针对生产中常用水稻品种进行直播特性评价的研究也较少。【拟解决的关键问题】通过设定低温和低氧条件，对广西双季稻区直播生产中常用的22份水稻品种进行耐低温低氧能力评价，筛选适合早稻直播的耐低温低氧水稻品种，为解决广西直播早稻全苗难的问题提供理论参考。
1 材料与方法
1. 1 供试材料
供试材料包括22个水稻品种（表1）。其中，优质高产常规稻品种桂育9号、桂育11号、桂野丰、桂禾丰及杂交稻品种特优582和特优831由广西农业科学院水稻研究所提供;其他优质稻品种包括黄华占、百香139、野香优2号、野香优3号、Y两优1号、中浙优8号、柳沙油占202、五山丝苗、金农丝苗、新香占、象州香米、粤晶丝苗2号、优质农家种1、优质农家种2、河西丰占和河西丰占2号。将22个品种进行预发芽试验，确保发芽率均在95%以上。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 低温发芽试验
1. 2. 1. 1 低温12和15 ℃发芽试验 每个品种选取200粒饱满健康种子，随机分为4个重复，每个重复50粒。放置在铺有两层滤纸的9 mm培养皿中，统一用移液枪加入10 mL无菌超纯水，将培养皿放入铺有两层湿润滤纸的密封盒（59.5 cm×41.5 cm×31.0 cm）中放入培养箱中培养，培养条件：12 ℃下24 h黑暗处理。记录放入培养箱后第15 d每个重复的发芽数量，发芽标准为胚根或胚芽长度大于1 mm，计算发芽率，发芽率（%）=发芽的种子数/供检测的种子数×100。
15 ℃发芽试验将培养温度设定为15 ℃，其余步骤与12 ℃发芽试验相同。
1. 2. 1. 2 低温18 ℃发芽试验 每个水稻品种选取200粒饱满健康种子，随机分为4个重复，每个重复50粒，放置在铺有两层滤纸的发芽盒（12.0 cm×12.0 cm×6.0 cm）中，统一用移液枪加入20 mL无菌超纯水。将发芽盒放置于培养箱中，培养条件：18 ℃下24 h黑暗处理。记录第1～12 d每个重复种子的发芽数量，发芽标准为胚根或胚芽长度大于1 mm，发芽结束的第12 d，将所有水稻品种每个重复的幼苗进行扫描，并使用Image J V1.48测量所有重复幼芽和根的长度。每次扫描结束后，迅速从每个重复中随机选取15个植株，测量其幼芽和根的鲜重，随后放入烘箱105 ℃杀青，再转入85 ℃烘箱中烘干，测量其干重。最后，计算发芽率、发芽指数和活力指数。
发芽指数=∑Gt /Dt
式中，Gt为浸种后t日的发芽数;Dt为相应的发芽日数。
活力指数=发芽指数×苗长
1. 2. 2 低氧发芽试验 每个水稻品种选取100粒饱满健康种子，随机分为2个重复，每个重复50粒，分别放入2个10×10格的冷冻盒（14.2 cm×14.2 cm×9.5 cm）中，每个格子放5粒，每个品种放1行（10格）。用移液枪统一在每个格子中加入10 mL无菌超纯水，确保每粒种子均被水覆盖。以正常发芽条件为对照，即每个品种100粒种子同样放于冷冻盒中，每个5粒，放10格，2个重复，用移液枪统一加入500 μL无菌超纯水。然后将所有冷冻盒放入铺有两层湿润滤纸的密封盒（59.5 cm×41.5 cm×31.0 cm）中，随后放入28 ℃的恒温箱中进行发芽试验，设定条件为16 h光照/8 h黑暗。发芽第7 d，将所有植株进行扫描，扫描结束后立即从每个重复中随机选取30个植株进行胚芽鞘的分离与称重，随后使用Image J V1.48对扫描植株的胚芽鞘长度进行测量，并统计发芽率及缺氧反应指数。 缺氧反应指数=缺氧条件下胚芽鞘长度/正常发芽条件下胚芽鞘长度
1. 3 统计分析
采用Excel 2010进行数据整理，利用SPSS 19.0进行主成分分析，以DPS 7.5进行方差分析和相关性分析。
2 结果与分析
2. 1 低温或低氧条件下不同水稻品种的种子活力指标评价及变异系数分析
由表2可看出，低温或低氧胁迫下不同水稻品种的种子活力指标存在明显差异。在发芽率和发芽指数方面，培养后第15 d，12 ℃低温条件下22个品种中仅有8个品种发芽，发芽率在8.0%～72.0%;15 ℃低温条件下22个品种全部发芽，发芽率在42.0%～98.0%，其中品种2、3和5的发芽率在97.0%以上，且其发芽指数（13.6～14.2）相对较高。在18 ℃低温条件下，发芽率变幅在68.0%～98.0%，其中品种2、3、4、8、12、17和22的发芽率在90.0%以上，且其发芽指数均在10.0左右。从幼苗生长指标来看，品种2、3、5、6、11和12的苗长在1.30 cm以上，苗鲜重在160 mg以上;从根的生长指标来看，品种2、3、5、8、11、13、16和18的根长在3.00 cm以上，根鲜重在50 mg以上，品种2、3、5、6、11和19的根干重在13 mg以上。低氧条件下，发芽率变幅在66.0%～100.0%，其中品种1、2、3、4、8、11、13、18、19和21的发芽率在90.0%以上;在胚芽鞘长方面，品种1、3、4、11、18和19在2.30 cm以上，品种8、10、12、15、17和18的缺氧反应指数在2.30以上。
低温或低氧条件下种子活力指标的变异系数分析结果（表2）表明，在15 ℃低温条件下，发芽率的变异系数为17.39%，小于发芽指数的26.64%;在18 ℃低温条件下，发芽率的变异系数为8.63%，小于发芽指数的19.34%，说明发芽指数能更好地反映遗传差异。同时，18 ℃低温条件下其他种子活力指标的变异系数排序为：苗干重（67.63%）>根干重（62.53%）>活力指数（61.86%）>根鲜重（49.49%）>苗鲜重（48.71%）>苗长（45.07%）>根长（30.95%），说明表型上苗干重、根干重和活力指数代表性和灵敏性更强。低氧条件下，变异系数表现为胚芽鞘鲜重（23.87%）>胚芽鞘长（20.00%）>缺氧反应指数（19.81%）>发芽率（15.43%），说明胚芽鞘鲜重能更好地反映遗传差异。
2. 2 水稻品种耐低温或低氧萌发的主成分分析
2. 2. 1 耐低温萌发的主成分分析结果 因12 ℃低温条件下能发芽的品种较少，所以耐低温萌发主成分分析的指标选择以15和18 ℃为主。由表3可看出，低温条件下前3个主成分（Principal component，PC）的累积贡献率达85.643%，说明这3个主成分包含的指标为低温条件下评价水稻耐冷性特征的重要指标。其中，第一主成分（PC1）的特征值为6.100，贡献率为55.459%，主要由18 ℃活力指数、18 ℃苗长、18 ℃苗鲜重、18 ℃苗干重、18 ℃根长和18 ℃根鲜重决定;第二主成分（PC2）的特征值为2.039，贡献率为18.540%，主要由15 ℃发芽率、15 ℃发芽指数、18 ℃发芽率和18 ℃发芽指数决定;第三主成分（PC3）的特征值为1.281，贡献率为11.644%，主要由15 ℃发芽率和15 ℃发芽指数决定。
2. 2. 2 耐低氧萌发的主成分分析结果 由表4可看出，低氧条件下的4個指标共提取了2个主成分，PC1和PC2的特征值分别为1.950和1.268，贡献率分别为48.749%和31.709%，累计贡献率为80.458%，说明这2个主成分适用于低氧条件下评价水稻耐冷性特征。其中，PC1中缺氧反应指数为最高荷载，其次是发芽率和胚芽鞘长;PC2主要由胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数决定。
2. 3 水稻品种直播性状的相关性分析
根据低温或低氧条件下种子活力的主成分分析结果，选择3个不同发芽试验（低温15 ℃、低温18 ℃和低氧条件）共6个具有代表性的指标进行相关性分析，结果（表5）表明， 15 ℃发芽指数与15 ℃发芽率、18 ℃苗长与18 ℃活力指数呈极显著正相关（P<0.01），18 ℃活力指数和18 ℃苗长与15 ℃发芽指数呈显著正相关（P<0.05，下同），胚芽鞘长与缺氧反应指数呈显著正相关，其他指标间的相关性未达显著水平（P>0.05，下同）。由此可知，同一低温或低氧条件下不同指数间具有显著的相关性，不同条件下指数间的相关性存在差异，低氧条件下的直播性状与低温条件下的直播性状间的相关系数较低，且未达显著水平。
2. 4 水稻品种直播特性的综合评价
以影响低温的前3个主要成分和影响低氧的前2个主要成分的方差贡献率为权重，对每个因子加权求和后计算得分，对主成分的得分进行分析，结果（表6）表明，低温条件下表现较好的品种有5、11、2、6、3、17和12，低氧条件下表现较好的品种有19、11、17、18、10、8和13。
以22份供试水稻品种低温条件下的综合得分为X轴、低氧条件下的综合得分为Y轴进行二维排序，低温综合得分和低氧综合得分的均值点分别为0.35和0，以该点为中心，横纵坐标轴将二维排序图分为4个象限。如图1所示，各品种在象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中的分布频率分别为36.0%、32.0%、23.0%和9.0%。象限Ⅰ为低温和低氧条件下综合得分均为高值的品种，共8份，分别为品种桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号、优质农家种2;象限Ⅱ为低温条件下综合得分较低，低氧条件下综合得分较高的品种，共7份，分别为品种野香优2号、野香优3号、象州香米、柳沙油占、金农丝苗、新香占、河西丰占;象限Ⅲ为低温和低氧条件下综合得分均为低值的品种，共5份，包括品种桂禾丰、黄华占、优质农家种1和五山丝苗;象限Ⅳ为低温条件下综合得分较高、低氧条件下综合得分较低的品种，共2份，包括特优831和特优582。 3 讨论
除劳动力缺乏和成本不断攀升等被动因素外，土地流转使稻田由小块变大块，田间基础设施的改善及化学除草技术的完善为水稻直播栽培创造了有利条件（Mahender et al.，2015）。直播稻生产中，全苗难是导致水稻产量不高不稳的首要因素，即能否全苗直接影响群体的起点苗数，进而影响群体质量及直播稻的推广（吴文革等，2006），直播机器的改进、田间平整度的精细调整、生长调节剂包衣技术、液体地膜（陈伟通等，2010）的使用及防鼠害措施的实施，仅能在耐低温低氧直播品种的基础上辅助提高出苗率，因此，选育并应用耐低温低氧，尤其是耐低温的水稻品种是保证全苗匀苗的根本。
本研究采用人工培养箱，模拟12、15和18 ℃的低温条件及低氧环境，通过发芽率、发芽指数、活力指数、苗长、根长、苗鲜重、根鲜重、苗干重、根干重、胚芽鞘长、胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数等12个指标对22个优质水稻品种进行耐低温和耐低氧能力综合评价。从筛选指标来看，12 ℃低温环境下培养15 d，发芽的水稻品种仅有8个，占36.3%;在15和18 ℃低温条件下，发芽指数的变异系数均大于发芽率，能更好地反应品种间的遗传差异。为贴合实际生产并最大程度地减少劳动量，本研究中使用的种子未进行浸种，如果浸种破肚，成苗率会相对提升，在前人的研究中已得到充分印证（段里成等，2018）。在18 ℃低温条件下，苗干重、活力指数和根干重的变异系数相对较大，也是可参考的代表性指标。主成分分析结果显示，PC1的贡献率为55.459%，主要由18 ℃的活力指数、苗长、苗鲜重、苗干重、根长和根鲜重决定。因此综合分析来看，活力指数和苗干重更具代表性。
曹微等（2018）研究表明，与发芽率相比，胚芽鞘长度、胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数等指标的变异系数相对较大，更适合低氧萌发活力的评价。本研究结果显示，在低氧条件下萌发，胚芽鞘长、胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数的变异系数也大于发芽率，对评价低氧萌发活力来讲更具代表性，与曹微等（2018）的研究结果相似。但就主成分贡献率来讲，PC1的贡献率为48.749%，主要决定因素为缺氧反应指数、发芽率和胚芽鞘长。孙凯等（2019）认为高活力指数与发达的胚芽鞘为重要因素，缺氧反应指数是由低氧条件下和正常条件下胚芽鞘长相比较所得，因此表型上看胚芽鞘长度为决定因素。
本研究中，低温和低氧環境下萌发活力的相关性分析结果显示，低氧环境下指标和低温环境下指标的相关性均不显著，与曹微等（2018）研究认为15 ℃低温和低氧间各项指标的相关系数均为负值，且未达显著水平，18 ℃低温和低氧下的各项指标间也无显著相关性的结论基本一致。但熊英等（2015）在低温和淹水条件下进行水稻种质综合评价时，发现两个环境下的指标间具有一定的相关性。本研究筛选出耐低温和耐低氧能力均较强的品种有桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号和优质农家种2，这些品种可用来作直播稻备选品种，其中的常规稻品种也可用于直播稻品种育种供体资源，为生产上培育更多适合直播的水稻品种。
4 结论
本研究通过对水稻直播性状指标进行综合分析，筛选出桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号和优质农家种2等8个耐低温低氧优良水稻品种。这些品种既可为直播生产提供服务，也为下一步水稻耐低温低氧相关基因的QTL定位和分子育种打下基础。
参考文献：
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关键词： 水稻;直播特性;低温;低氧;变异系数
中图分类号： S511.01 文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）12-2680-08
Evaluation of tolerance to low temperature and anoxia of rice varieties based on direct seeding of early rice（Oryza sativa L.）
ZHANG Xiao-li1， TAO Wei2， WANG Qiang1， CHEN Lei1， GUO Hui1，
LIANG Tian-feng1*， GAO Guo-qing1， TANG Mao-yan1*
（1Rice Research Institute，Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Guangxi Key Laboratory of Rice Genetics and Breeding， Nanning 530007; 2Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning 530007）
Abstract：【Objective】To evaluate the tolerance to low temperature and anoxia of rice varieties that were commonly used in double cropping paddy area in Guangxi，and select the low temperature and anoxia of rice tolerant varieties sui-table for early crop direct seeding and solve the problem of direct seeding rice in Guangxi. 【Method】Germination test was conducted on 22 tested rice varieties. The study investigated the related indexes of seed vigor under simulate artificially low temperature（12， 15 and 18 ℃） and anoxia environment. Using the variation index，multi-component analysis and correlation analysis methods，it evaluated comprehensively the germination vigor of the tested varieties. 【Result】There were obvious differences in seed vigor indexes among different varieties under low temperature and anoxia，and their toleran-ces to low temperature and hypoxia were different，some varieties had strong resistance to low temperature and hypoxia，including Guiyu 9，Guiyu 11，Guyefeng，Baixiang 139，Y Liangyou 1，Zhongzheyou 8，Yuejingsimiao 2 and Youzhinong-jiazhong 2. Through the analysis of the coefficient of variation of seed vigor index，under 15 ℃， germination index was more representative， under 18℃， stem dry weight and vigor index were more sensitive， and under anoxia condition， coleoptile was more representative. Through principal component analysis，under low temperature and hypoxia conditions， three and two principal components were extracted respectively，the cumulative contribution rates were respectively 85.643% and 80.458%. Under low temperature， it was determined by 18 ℃ vigor index， seedling length， seedling fresh weight， seedling dry weight， root length and root fresh weight， and under hypoxia condition， it was decided by hypoxia index. The correlation analysis showed that there was no significant correlation in direct seeding traits between low tempe-rature and hypoxia（P>0.05）. 【Conclusion】Based on the comprehensive analysis on rice direct seeding characters， eight low temperature and hypoxia tolerant rice varieties such as Guiyu 9 are selected. They can be used in direct seeding and can lay a good foundation for the QTL mapping and molecular breeding of related genes of low temperature and hypoxia tolerant rice varieties in the next step. Key words： rice; direct seeding characters; low temperature; anoxia; variation coefficient
0 引言
【研究意义】随着土地流转的发展、田间基础设施的改善、化学除草技术的完善及水稻种植人工成本的不断攀升，南方稻区尤其是双季稻区的轻简化稻作方式成为水稻生产中关注的焦点和社会发展的迫切需求。在此背景下，直播稻因其省去秧田期和移栽环节，具有省工省力和节约成本等优点而逐渐受到青睐。近年来，直播稻在我国上海、安徽、江苏和江西等地推广面积较大（卢百关等，2009;陈雪飞等，2018;王新龙，2018）。广西双季稻区温光资源充足，具备采用直播技术的有利自然条件，但早稻播种后的倒春寒、冷水浇灌等因素引起的低温低氧会影响种子正常发芽出苗，导致种子出苗慢且参差不齐，难以达到一次出全苗（吕和平等，2004，姜心禄等，2017），是直播稻在广西推广的主要障碍。因此，针对目前广西双季稻区直播生产中常用品种进行耐低温和低氧能力评价，对推动广西乃至南方直播稻的发展具有积极意义。【前人研究进展】近年来，针对如何降低低溫低氧对水稻生产的影响，国内外学者已开展了大量研究，发现不同水稻品种的耐低温低氧能力存在明显差异（Gibbs et al.，2000）。潘孝武等（2015）从湖南地区推广的16个早籼稻品种中筛选耐冷品种，发现品种间耐冷性差异明显，部分早籼稻品种不适宜采用直播栽培。熊英等（2015）通过对种芽进行10 d低温（5 ℃）淹水（5 cm深）胁迫处理，对204份水稻育种材料的耐低温淹水特性进行评价，筛选出5份耐受性较强的品种。黄永兰等（2016）在自然低温和人工低温胁迫下对江西省48份早稻品种进行芽期耐冷性鉴定，发现杂交水稻组合的芽期耐冷性强于常规水稻品种。夏秀忠等（2016）研究发现，419份广西地方品种在芽期和苗期的极强耐冷种质（1级）仅有24和27份，所占比例较低。在生理生化及分子技术方面，侯名语（2003）、李晓丹（2016）利用群体定位出种子低温、低氧发芽力的QTL;徐春梅等（2016）研究短期低氧胁迫对水稻幼苗根系生长、呼吸功能和氮代谢的影响，发现低氧情况下，叶片叶绿素含量、根系氮素吸收量及可溶性蛋白质含量受到抑制。【本研究切入点】在以往的水稻品种选育中，极少将耐低温低氧作为品种选育的筛选性状，导致目前市场上推广的许多水稻品种不完全适合早期直播（姚义，2012），同时针对生产中常用水稻品种进行直播特性评价的研究也较少。【拟解决的关键问题】通过设定低温和低氧条件，对广西双季稻区直播生产中常用的22份水稻品种进行耐低温低氧能力评价，筛选适合早稻直播的耐低温低氧水稻品种，为解决广西直播早稻全苗难的问题提供理论参考。
1 材料与方法
1. 1 供试材料
供试材料包括22个水稻品种（表1）。其中，优质高产常规稻品种桂育9号、桂育11号、桂野丰、桂禾丰及杂交稻品种特优582和特优831由广西农业科学院水稻研究所提供;其他优质稻品种包括黄华占、百香139、野香优2号、野香优3号、Y两优1号、中浙优8号、柳沙油占202、五山丝苗、金农丝苗、新香占、象州香米、粤晶丝苗2号、优质农家种1、优质农家种2、河西丰占和河西丰占2号。将22个品种进行预发芽试验，确保发芽率均在95%以上。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 低温发芽试验
1. 2. 1. 1 低温12和15 ℃发芽试验 每个品种选取200粒饱满健康种子，随机分为4个重复，每个重复50粒。放置在铺有两层滤纸的9 mm培养皿中，统一用移液枪加入10 mL无菌超纯水，将培养皿放入铺有两层湿润滤纸的密封盒（59.5 cm×41.5 cm×31.0 cm）中放入培养箱中培养，培养条件：12 ℃下24 h黑暗处理。记录放入培养箱后第15 d每个重复的发芽数量，发芽标准为胚根或胚芽长度大于1 mm，计算发芽率，发芽率（%）=发芽的种子数/供检测的种子数×100。
15 ℃发芽试验将培养温度设定为15 ℃，其余步骤与12 ℃发芽试验相同。
1. 2. 1. 2 低温18 ℃发芽试验 每个水稻品种选取200粒饱满健康种子，随机分为4个重复，每个重复50粒，放置在铺有两层滤纸的发芽盒（12.0 cm×12.0 cm×6.0 cm）中，统一用移液枪加入20 mL无菌超纯水。将发芽盒放置于培养箱中，培养条件：18 ℃下24 h黑暗处理。记录第1～12 d每个重复种子的发芽数量，发芽标准为胚根或胚芽长度大于1 mm，发芽结束的第12 d，将所有水稻品种每个重复的幼苗进行扫描，并使用Image J V1.48测量所有重复幼芽和根的长度。每次扫描结束后，迅速从每个重复中随机选取15个植株，测量其幼芽和根的鲜重，随后放入烘箱105 ℃杀青，再转入85 ℃烘箱中烘干，测量其干重。最后，计算发芽率、发芽指数和活力指数。
发芽指数=∑Gt /Dt
式中，Gt为浸种后t日的发芽数;Dt为相应的发芽日数。
活力指数=发芽指数×苗长
1. 2. 2 低氧发芽试验 每个水稻品种选取100粒饱满健康种子，随机分为2个重复，每个重复50粒，分别放入2个10×10格的冷冻盒（14.2 cm×14.2 cm×9.5 cm）中，每个格子放5粒，每个品种放1行（10格）。用移液枪统一在每个格子中加入10 mL无菌超纯水，确保每粒种子均被水覆盖。以正常发芽条件为对照，即每个品种100粒种子同样放于冷冻盒中，每个5粒，放10格，2个重复，用移液枪统一加入500 μL无菌超纯水。然后将所有冷冻盒放入铺有两层湿润滤纸的密封盒（59.5 cm×41.5 cm×31.0 cm）中，随后放入28 ℃的恒温箱中进行发芽试验，设定条件为16 h光照/8 h黑暗。发芽第7 d，将所有植株进行扫描，扫描结束后立即从每个重复中随机选取30个植株进行胚芽鞘的分离与称重，随后使用Image J V1.48对扫描植株的胚芽鞘长度进行测量，并统计发芽率及缺氧反应指数。 缺氧反应指数=缺氧条件下胚芽鞘长度/正常发芽条件下胚芽鞘长度
1. 3 统计分析
采用Excel 2010进行数据整理，利用SPSS 19.0进行主成分分析，以DPS 7.5进行方差分析和相关性分析。
2 结果与分析
2. 1 低温或低氧条件下不同水稻品种的种子活力指标评价及变异系数分析
由表2可看出，低温或低氧胁迫下不同水稻品种的种子活力指标存在明显差异。在发芽率和发芽指数方面，培养后第15 d，12 ℃低温条件下22个品种中仅有8个品种发芽，发芽率在8.0%～72.0%;15 ℃低温条件下22个品种全部发芽，发芽率在42.0%～98.0%，其中品种2、3和5的发芽率在97.0%以上，且其发芽指数（13.6～14.2）相对较高。在18 ℃低温条件下，发芽率变幅在68.0%～98.0%，其中品种2、3、4、8、12、17和22的发芽率在90.0%以上，且其发芽指数均在10.0左右。从幼苗生长指标来看，品种2、3、5、6、11和12的苗长在1.30 cm以上，苗鲜重在160 mg以上;从根的生长指标来看，品种2、3、5、8、11、13、16和18的根长在3.00 cm以上，根鲜重在50 mg以上，品种2、3、5、6、11和19的根干重在13 mg以上。低氧条件下，发芽率变幅在66.0%～100.0%，其中品种1、2、3、4、8、11、13、18、19和21的发芽率在90.0%以上;在胚芽鞘长方面，品种1、3、4、11、18和19在2.30 cm以上，品种8、10、12、15、17和18的缺氧反应指数在2.30以上。
低温或低氧条件下种子活力指标的变异系数分析结果（表2）表明，在15 ℃低温条件下，发芽率的变异系数为17.39%，小于发芽指数的26.64%;在18 ℃低温条件下，发芽率的变异系数为8.63%，小于发芽指数的19.34%，说明发芽指数能更好地反映遗传差异。同时，18 ℃低温条件下其他种子活力指标的变异系数排序为：苗干重（67.63%）>根干重（62.53%）>活力指数（61.86%）>根鲜重（49.49%）>苗鲜重（48.71%）>苗长（45.07%）>根长（30.95%），说明表型上苗干重、根干重和活力指数代表性和灵敏性更强。低氧条件下，变异系数表现为胚芽鞘鲜重（23.87%）>胚芽鞘长（20.00%）>缺氧反应指数（19.81%）>发芽率（15.43%），说明胚芽鞘鲜重能更好地反映遗传差异。
2. 2 水稻品种耐低温或低氧萌发的主成分分析
2. 2. 1 耐低温萌发的主成分分析结果 因12 ℃低温条件下能发芽的品种较少，所以耐低温萌发主成分分析的指标选择以15和18 ℃为主。由表3可看出，低温条件下前3个主成分（Principal component，PC）的累积贡献率达85.643%，说明这3个主成分包含的指标为低温条件下评价水稻耐冷性特征的重要指标。其中，第一主成分（PC1）的特征值为6.100，贡献率为55.459%，主要由18 ℃活力指数、18 ℃苗长、18 ℃苗鲜重、18 ℃苗干重、18 ℃根长和18 ℃根鲜重决定;第二主成分（PC2）的特征值为2.039，贡献率为18.540%，主要由15 ℃发芽率、15 ℃发芽指数、18 ℃发芽率和18 ℃发芽指数决定;第三主成分（PC3）的特征值为1.281，贡献率为11.644%，主要由15 ℃发芽率和15 ℃发芽指数决定。
2. 2. 2 耐低氧萌发的主成分分析结果 由表4可看出，低氧条件下的4個指标共提取了2个主成分，PC1和PC2的特征值分别为1.950和1.268，贡献率分别为48.749%和31.709%，累计贡献率为80.458%，说明这2个主成分适用于低氧条件下评价水稻耐冷性特征。其中，PC1中缺氧反应指数为最高荷载，其次是发芽率和胚芽鞘长;PC2主要由胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数决定。
2. 3 水稻品种直播性状的相关性分析
根据低温或低氧条件下种子活力的主成分分析结果，选择3个不同发芽试验（低温15 ℃、低温18 ℃和低氧条件）共6个具有代表性的指标进行相关性分析，结果（表5）表明， 15 ℃发芽指数与15 ℃发芽率、18 ℃苗长与18 ℃活力指数呈极显著正相关（P<0.01），18 ℃活力指数和18 ℃苗长与15 ℃发芽指数呈显著正相关（P<0.05，下同），胚芽鞘长与缺氧反应指数呈显著正相关，其他指标间的相关性未达显著水平（P>0.05，下同）。由此可知，同一低温或低氧条件下不同指数间具有显著的相关性，不同条件下指数间的相关性存在差异，低氧条件下的直播性状与低温条件下的直播性状间的相关系数较低，且未达显著水平。
2. 4 水稻品种直播特性的综合评价
以影响低温的前3个主要成分和影响低氧的前2个主要成分的方差贡献率为权重，对每个因子加权求和后计算得分，对主成分的得分进行分析，结果（表6）表明，低温条件下表现较好的品种有5、11、2、6、3、17和12，低氧条件下表现较好的品种有19、11、17、18、10、8和13。
以22份供试水稻品种低温条件下的综合得分为X轴、低氧条件下的综合得分为Y轴进行二维排序，低温综合得分和低氧综合得分的均值点分别为0.35和0，以该点为中心，横纵坐标轴将二维排序图分为4个象限。如图1所示，各品种在象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ中的分布频率分别为36.0%、32.0%、23.0%和9.0%。象限Ⅰ为低温和低氧条件下综合得分均为高值的品种，共8份，分别为品种桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号、优质农家种2;象限Ⅱ为低温条件下综合得分较低，低氧条件下综合得分较高的品种，共7份，分别为品种野香优2号、野香优3号、象州香米、柳沙油占、金农丝苗、新香占、河西丰占;象限Ⅲ为低温和低氧条件下综合得分均为低值的品种，共5份，包括品种桂禾丰、黄华占、优质农家种1和五山丝苗;象限Ⅳ为低温条件下综合得分较高、低氧条件下综合得分较低的品种，共2份，包括特优831和特优582。 3 讨论
除劳动力缺乏和成本不断攀升等被动因素外，土地流转使稻田由小块变大块，田间基础设施的改善及化学除草技术的完善为水稻直播栽培创造了有利条件（Mahender et al.，2015）。直播稻生产中，全苗难是导致水稻产量不高不稳的首要因素，即能否全苗直接影响群体的起点苗数，进而影响群体质量及直播稻的推广（吴文革等，2006），直播机器的改进、田间平整度的精细调整、生长调节剂包衣技术、液体地膜（陈伟通等，2010）的使用及防鼠害措施的实施，仅能在耐低温低氧直播品种的基础上辅助提高出苗率，因此，选育并应用耐低温低氧，尤其是耐低温的水稻品种是保证全苗匀苗的根本。
本研究采用人工培养箱，模拟12、15和18 ℃的低温条件及低氧环境，通过发芽率、发芽指数、活力指数、苗长、根长、苗鲜重、根鲜重、苗干重、根干重、胚芽鞘长、胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数等12个指标对22个优质水稻品种进行耐低温和耐低氧能力综合评价。从筛选指标来看，12 ℃低温环境下培养15 d，发芽的水稻品种仅有8个，占36.3%;在15和18 ℃低温条件下，发芽指数的变异系数均大于发芽率，能更好地反应品种间的遗传差异。为贴合实际生产并最大程度地减少劳动量，本研究中使用的种子未进行浸种，如果浸种破肚，成苗率会相对提升，在前人的研究中已得到充分印证（段里成等，2018）。在18 ℃低温条件下，苗干重、活力指数和根干重的变异系数相对较大，也是可参考的代表性指标。主成分分析结果显示，PC1的贡献率为55.459%，主要由18 ℃的活力指数、苗长、苗鲜重、苗干重、根长和根鲜重决定。因此综合分析来看，活力指数和苗干重更具代表性。
曹微等（2018）研究表明，与发芽率相比，胚芽鞘长度、胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数等指标的变异系数相对较大，更适合低氧萌发活力的评价。本研究结果显示，在低氧条件下萌发，胚芽鞘长、胚芽鞘鲜重和缺氧反应指数的变异系数也大于发芽率，对评价低氧萌发活力来讲更具代表性，与曹微等（2018）的研究结果相似。但就主成分贡献率来讲，PC1的贡献率为48.749%，主要决定因素为缺氧反应指数、发芽率和胚芽鞘长。孙凯等（2019）认为高活力指数与发达的胚芽鞘为重要因素，缺氧反应指数是由低氧条件下和正常条件下胚芽鞘长相比较所得，因此表型上看胚芽鞘长度为决定因素。
本研究中，低温和低氧環境下萌发活力的相关性分析结果显示，低氧环境下指标和低温环境下指标的相关性均不显著，与曹微等（2018）研究认为15 ℃低温和低氧间各项指标的相关系数均为负值，且未达显著水平，18 ℃低温和低氧下的各项指标间也无显著相关性的结论基本一致。但熊英等（2015）在低温和淹水条件下进行水稻种质综合评价时，发现两个环境下的指标间具有一定的相关性。本研究筛选出耐低温和耐低氧能力均较强的品种有桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号和优质农家种2，这些品种可用来作直播稻备选品种，其中的常规稻品种也可用于直播稻品种育种供体资源，为生产上培育更多适合直播的水稻品种。
4 结论
本研究通过对水稻直播性状指标进行综合分析，筛选出桂育9号、桂育11号、桂野丰、百香139、Y两优1号、中浙优8号、粤晶丝苗2号和优质农家种2等8个耐低温低氧优良水稻品种。这些品种既可为直播生产提供服务，也为下一步水稻耐低温低氧相关基因的QTL定位和分子育种打下基础。
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