CN108901823A

CN108901823A - 一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法

Info

Publication number: CN108901823A
Application number: CN201810648909.6A
Authority: CN
Inventors: 乔保建; 夏祥华; 任代胜; 付锡江; 陶元平; 彭冲
Original assignee: Anhui Yuan Liang Rice Industry Co Ltd
Current assignee: Anhui Yuan Liang Rice Industry Co Ltd
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2018-11-30

Abstract

本发明公开了一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，涉及品种选育技术领域。采用品种丰富的选择群体构建初始群体，进行两轮重组杂交获得轮回重组群体，利用三轮次的耐低钾高产筛选出具有耐低钾高产特性的多个单株，进行验证后作为选定的耐低钾高产育种材料。本发明可显著提高育种效率，选育的耐低钾水稻育种材料有望用于水稻品种的改良，并为进一步指导分子聚合育种和标记辅助选择以及耐低钾遗传机制研究奠定了良好的基础。

Description

一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法

技术领域

本发明涉及品种选育技术领域，特别涉及一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法。

背景技术

水稻既是世界三大禾谷类作物之一，也是我国最重要的粮食作物，其种植面积占中国谷物播种面积的32.04％，稻谷总产占粮食总产的37.05％。全国约有65％的人口以稻米为主食。化肥对于粮食增产发挥了举足轻重的作用。但是，近30年来，我国粮食过度依赖水肥资源的投入，使得我国化肥使用量持续高速增长，我国粮食安全与资源消耗、环境保护之间的矛盾日益尖锐。钾是作物生长发育所必需三大关键营养元素之一，具有多种重要的生理生化作用。我国耕地土壤普遍缺钾，严重缺钾的土壤(速效钾＜50mg/kg)和一般缺钾的土壤(速效钾在50～70mg/kg之间)面积共0.23×10⁴万公顷，约占全国耕地面积的23％，南方严重缺钾的土壤约为0.093×10⁴万公顷。近年来，由于复种指数和单产的提高，缺钾的严重性加剧。我国钾矿资源短缺，目前已探明的结果表明，只有青海的柴尔汗盐湖有品位较高的钾矿，钾肥的年产量长期徘徊在25万吨左右，而我国钾肥消耗量达690万吨，钾肥的年产量远远不及我国钾肥消费量。要解决作物缺钾问题，除施钾肥外，筛选和培育耐低钾高产作物品种是一条根本途径。

不同植物种类间和同一作物的不同品种间对钾的吸收、积累、运转及利用效率等存在很大差在体内的分布与代谢过程中的作用来判断养分是否高效，一般认为植物钾营养效率高的基因型具有吸钾能力强、钾素利用率高等特性。无论是吸钾速率、钾素利用效率还是生物量，籼稻的基因型差异十分明显，不同籼稻品种间吸钾速率相差可达3倍，最大钾素利用率比最低钾素利用率的品种高66％，生物量的差异也达4.6倍。这就为水稻钾高效的基础研究、钾高效种质资源的筛选以及钾高效品种的选育提供了可能。低钾与正常施钾对耐低钾品种影响不大，而低钾条件下不耐低钾品种的生长及钾素积累都受到抑制。因此，选用耐低钾作物品种，对于减少钾肥的使用、保护环境和提高经济效益具有十分重要的意义。

最近几年，人们对水稻育种目标的要求越来越高，不仅要求有较高的产量，而且对品质和多抗性的要求也日益提高。然而白二十世纪80年代以来，我国水稻育种开始了漫长的“爬坡”阶段，育成品种的产量一直没有大的突破，这部分归因于传统杂交育种方法的局限以及亲本遗传基础的狭窄。一直以来，常规稻育种及恢复系的培育一般都采用人工去雄授粉做杂交的传统方法，因其杂交方式和杂交手段的局限，存在着综合亲本少，种质资源利用效率低，遗传基础狭窄等问题，且不能对群体进行持续的改良，所以难以将多个亲本的有利基因聚合在一起，而水稻的产量、抗逆性等大多农艺性状都是由多基因控制的，且有大量的有利隐蔽基因，要聚合这些基因，传统的杂交育种方法是难以实现的。在杂交稻育种中，若育出的不育系和恢复系同样存在着上述问题，则要育成高产、优质、多抗的杂交稻难度也很大。因此，要持续提高水稻产量，改善水稻品质，增强水稻抗逆性，提高水稻育种效率，必须研究新的水稻育种理论和方法，把众多的育种手段与丰富的种质资源有效地结合起来，把种质资源创新与新品种选育结合起来，创新育种体系。

而轮回选择被认为是持续改良育种群体性状水平最理想的方法。因此可借鉴玉米、小麦轮回选择育种的成功经验开展水稻的轮回选择育种。轮回选择以遗传基础丰富的群体为基础，经过连续的“选择一互交一选择”，打破不利基因连锁，聚合有利基因，不断提高基因重组体性状水平，从而使群体得到持续的改良。轮回选择最早是由Hayes和Garber在1919年针对异花授粉作物的群体改良提出的，1920年，East和Joins提出了轮回选择育种方案，后来Hull在玉米白交系改良和杂交种选育提出了详细的轮回选择育种方案。轮回选择的主要目的是为育种家提供改良的育种材料，提高育种群体中有利等位基因的频率。同时也可用于改良外来种质的适应性，拓展种质的来源。目前轮回选择已成为作物群体改良的有效方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对传统杂交育种只涉及少数几个亲本，存在着综合亲本少、遗传基础狭窄等问题，利用轮回选择选育耐低钾水稻育种材料。

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

具体操作步骤如下：

一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，包含以下步骤：

(1)利用水稻显性雄核不育品种为媒介构建初始群体，共构建了两套初始群体：初始群体I和初始群体II；

(2)将初始群体I和初始群体II的亲本材料与水稻显性雄核不育品种杂交，具体步骤如下：

(A)父母亲本花期安排在8月中旬，采用播种2期父本的方式，第1期父本在5月上旬播种，9d后播第2期父本，父本播始历期99d，主茎叶片16.3～17.4叶；

(B)母本播始历期81d，主茎叶片15.2～16.1叶，6月上旬播种，父母本播差期19d，叶差5.1～5.8叶；

(C)秧田播种量约145kg/h㎡，秧龄30d，采用旱水育秧和两段育秧方法，单株带4个以上分蘖时移栽到大田，插秧时母本每平米插46～56穴，每穴3株，保证每平米基本苗165株；父本插36～46穴/㎡，每穴2株，基本苗在110株/㎡，父母本行比1:4，株行距17cm x19cm，厢宽2.8m把握好父母本的需肥特点，施肥应坚持“前重、中控、后补”的原则，施足底肥，返青后随即追施分蘖肥；父本在进入幼穗分化后不施氮肥；

(D)花期相遇标准为母本比父本早3d抽穗，母本见穗时可割去剑叶1/5；

(E)人工辅助授粉，保持父母本开花时间基本一致，天气晴好时，早上6:00～7：00赶去母本穗层上的露水，开花后每隔20min人工竹竿赶粉1次，每天持续9～10次，赶粉时间一直持续到花期末，持续时间在11d；

(3)每一个杂交组合随机抽取130粒种子进行等量混合种植，试验田用高2.4米的塑料薄膜隔开以阻止外来花粉的进入，在开花散粉之前，剔除表现差的单株，开花散粉时，人工赶粉以辅助授粉，在成熟后，不育株上的种子混收进入下一轮自由重组；

(4)重复步骤(3)，再进行两轮次重组，不育株上的种子混合收获进入下一轮，而可育株上的种子混合收获用于表型的筛选；

(5)将获得的四套轮回重组群体进行耐低钾的表型筛选，在成熟期，根据株系和单株的整体表现选择优良的耐低钾高产的单株作为最终的育种材料，耐低钾筛选具体方法如下：

(5.1)试验用土为红黄壤土，取土标准为土壤中速效钾含量≤50mg/kg，缓效钾含量≤100mg/kg；

(5.2)采用塑料桶(30cm x 26cm)，每桶装土10kg，每处理重复3次，随机排列；

(5.3)每个材料设施钾和不施钾两个水平，肥料为尿素、钾酸二氢铵、氯化钾，施肥量为N 0.24g/kg土、P₂0₅ 0.12g/kg土、K₂0 0.24g/kg土。钾酸二氢铵与土混匀一次性施入，而尿素和氯化钾的2/3作基肥，1/3作追肥。

(5.4)备选材料于7月播种，每盆定苗8株，年底收获。除施肥外，其他管理按常规进行。成熟期收获，分单株调查株高、穗长。将其分为籽粒与茎杆两个部分，于80℃烘干，称重磨碎(过0.6mm筛网)，进行分析测定，浓H₂SO₄-H₂0₂法消化，火焰光度法测定各部分钾元素含量。

(5.5)统计数据并计算相对经济产量、相对生物产量、钾利用指数、钾经济效率比，筛选低钾条件下经济产量钾利用指数(EKUI)≥5000，生物学产量的钾利用指数(BKUI)≥6000，钾经济效率比(EKER)≤20的株系入选育种材料。

优选地，所述初始群体I由30个优良的导入系构成；初始群体II由25个在我国杂交稻育种中常用的恢复系构成。

优选地，所述耐低钾高产的表型筛选，包括一轮高产的单株筛选以及连续两轮的耐低钾和高产的交叉筛选。

优选地，所述水稻显性雄核不育品种为“佳不育”。

进一步优选地，所述导入系是以丰优香占为轮回亲本和7个不同来源的供体杂交再连续回交得到的BC₂F₅群体，经过高产、耐低钾筛选选育而成。

本发明的有益效果：

本发明涉及亲本品种多，遗传背景丰富，且能对群体持续进行改良，有助于从分子水平改良水稻耐低钾性，提高育种效率，选育的耐低钾水稻育种材料有望用于水稻品种的改良，并为进一步指导分子聚合育种和标记辅助选择以及耐低钾遗传机制研究奠定了良好的基础。

附图说明

图1轮回选择群体的构建过程。

LK1和LK2表示从群体I第1轮和第2轮可育株上混收的种子；DG1和DG2表示从群体II第1轮和第2轮可育株上混收的种子。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1：

试验材料包括4套轮回选择群体(表1)。利用品种“佳不育”为媒介构建初始群体。共构建了两套初始群体，将这些亲本材料与“佳不育”杂交。

初始群体I由30个优良的导入系构成，这些导入系是以丰优香占为轮回亲本和7个不同来源的供体杂交再连续回交得到的BC₂F₅群体(具体方法参见中国专利CN102524046A)，经过高产、耐低钾筛选选育而成；初始群体II由25个在我国杂交稻育种中常用的恢复系构成，具体步骤如下：

每一个杂交组合随机抽取130粒种子进行等量混合种植，试验田用高2.4米的塑料薄膜隔开以阻止外来花粉的进入，在开花散粉之前，剔除表现差的单株，开花散粉时，人工赶粉以辅助授粉，在成熟后，不育株上的种子混收进入下一轮自由重组；

在成熟后，不育株上的种子混收进入下一轮自由重组。在接下来的两轮次重组中，不育株上的种子混合收获进入下一轮，而可育株上的种子混合收获用于表型的筛选。通过这种方式，我们得到了4套轮回重组群体，包括两套来自于群体I的命名为LK1和LK2，两套来白于群体II的命名为DG1和DG2。试验材料还包括标准对照材料，其中高产对照品种是冈优22，耐低钾对照品种是桂朝13号。

这4套轮回重组群体LK1、LK2、DG1和DG2进行耐低钾的表型筛选，包括一轮的高产的单株筛选以及连续两轮的耐低钾和高产的交叉筛选。耐低钾筛选具体方法如下：

试验用土为红黄壤土，取土标准为土壤中速效钾含量≤50mg/kg，缓效钾含量≤100mg/kg；

采用塑料桶(30cm x 26cm)，每桶装土10kg，每处理重复3次，随机排列；

每个材料设施钾和不施钾两个水平，肥料为尿素、钾酸二氢铵、氯化钾，施肥量为N0.24g/kg土、P₂0₅ 0.12g/kg土、K₂0 0.24g/kg土。钾酸二氢铵与土混匀一次性施入，而尿素和氯化钾的2/3作基肥，1/3作追肥。

备选材料于7月播种，每盆定苗8株，年底收获。除施肥外，其他管理按常规进行。成熟期收获，分单株调查株高、穗长。将其分为籽粒与茎杆两个部分，于80℃烘干，称重磨碎(过0.6mm筛网)，进行分析测定，浓H₂SO₄-H₂0₂法消化，火焰光度法测定各部分钾元素含量。

统计数据并计算相对经济产量、相对生物产量、钾利用指数、钾经济效率比，筛选低钾条件下经济产量钾利用指数(EKUI)≥5000，生物学产量的钾利用指数(BKUI)≥6000，钾经济效率比(EKER)≤20的株系入选育种材料。

相对经济产量＝低钾条件下的籽粒重量/正常条件下的籽粒重量

相对生物产量＝低钾条件下的生物量/正常条件下的生物量

EKUI＝经济产量(g)/籽粒钾元素含量(g/100g)

BKUI＝生物产量(g)/籽粒钾元素含量(g/100g)

EKER＝稻谷干重(g)/株体组织钾元素含量(g/100g)

表1四套轮回选择群体的亲本材料

筛选试验用土的理化性质符合要求，具体见表2结果：

表2黄壤土理化性质

筛选结果见表3

表3轮回选择群体在3轮次的表型筛选中的得到的耐低钾高产单株的个数及产

量

注：括号中里的数值是优良株系的个数；产量代表单株产量。

表3列出了3轮次的表型筛选结果。第一轮次筛选中每个群体1000个单株种植于大田进行高产的筛选。共筛选了115个单株，群体LK1,LK2,DG1和DG2分别贡献了30,41,25和19个单株。这些单株的平均产量是30.4g。

在第二轮次的表型筛选中第一轮入选的115个单株在低钾条件和正常钾肥条件下分别进行耐低钾高产的筛选。每个单株种3行，每行12株。首先考察株系的整体表现，筛选优良的株系，再根据经济产量钾利用指数，生物学产量的钾利用指数，钾经济效率比选择1～4个最好的单株。在低钾胁迫条件下，从87个株系中共选择了179个耐低钾的单株，入选单株的平均产量是27.5g，在正常肥料条件下，从88个优良株系中选择了205个高产的单株。入选单株的平均产量为31.5g，总计第2轮筛选得到384个耐低钾高产的优良单株。

在第三轮次表型筛选中，第二轮入选的384个单株继续种植于低钾培养液、标准培养液中以进行优良单株的筛选。每个材料种3行，每行种12株。在低钾胁迫条件下，根据经济产量钾利用指数，生物学产量的钾利用指数，钾经济效率比从68个优良的株系中分别选择1～3个最好的单株，共入选单株90个，平均产量为31.6g，在正常肥料条件下，从58个优良株系中选择了88个高产的单株，入选单株的平均产量是33.2g,总计第3轮筛选得到178个优良的单株。

实施例2：耐低钾高产材料的耐低钾及高产验证

为了考察入选单株的产量和整体表现，以及相对于标准对照材料的优势，入选的178个单株和对照材料种植于低钾肥水田和正常水田中以考察产量及其相关性状，低钾肥水田钾肥总施用量为0，正常水田钾肥总施用量K₂O 90kg/公顷，其他肥料按照常规水稻种植规范进行施用。对照材料包括冈优22(高产对照)和桂朝13号(耐低钾对照)。入选的单株及对照材料的种了播种于上2种试验条件下，播种26天之后移栽于大田。每个材料种植4行，每行15株，株行距为17×17cm。采用完全随机区组试验设计，设置2次重复。成熟时，选取每个小区中间整齐一致的3个单株，测量单株产量(grain yield,GY)。这里高产指在正常水田条件下单株产量高于冈优22，耐低钾是指在低钾肥水田条件下相对经济产量、相对生物产量、经济产量钾利用指数，生物学产量的钾利用指数均高于桂朝13号，钾经济效率比低于桂朝13号。

经过鉴定的这些耐低钾高产的优良材料，于次年继续种植成更大的小区，每个材料种5行，每行12株。采用完全随机区组设计，设置2次重复。正常施肥及田间管理，在成熟期，混收每个小区中间的30个单株，计算平均单株产量。

实验结果如下：

表4大田验证耐低钾高产株系的各项指标

表5大田验证耐低钾高产株系的产量

由表4-5的结果可知，高产对照材料冈优22在正常水田条件下具有较高的产量，但对低钾肥不耐受，在低钾胁迫条件下的产量明显低于耐低钾对照材料桂朝13号，筛选获得的这些株系中，NDJ1在低钾胁迫条件下依然表现出高产的特性，说明其具有耐低钾高产的表现型，NDJ2-7相比对照组也有较好的耐低钾和高产表现型，NDJ1-7及DJ1-2其相对经济产量、相对生物产量、经济产量钾利用指数，生物学产量的钾利用指数均高于耐低钾对照组，说明其在大田种植环境下具有耐低钾的特性的同时没有损失产量潜力。NDJ1-7及DJ1-2的钾经济效率比均低于耐低钾对照组，说明单位产量下植株对钾元素的利用率更高，体现其耐低钾的能力更高。

其余2个(DJ1-2)株系，在低钾胁迫环境下都与耐低钾对照材料的产量接近，说明在筛选过程中仅保留有耐低钾特性，损失了部分产量潜力，但也可作为进一步筛选的育种材料，改良其他高产品种，使其获得耐低钾特性。

综上所述，本发明涉及亲本品种多，遗传背景丰富，且能对群体持续进行改良，有助于从分子水平改良水稻耐低钾性，提高育种效率，选育的耐低钾水稻育种材料有望用于水稻品种的改良，并为进一步指导分子聚合育种和标记辅助选择以及耐低钾遗传机制研究奠定了良好的基础。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，其特征在于，包含以下步骤：

(C)秧田播种量约145kg/h㎡，秧龄30d，采用旱水育秧和两段育秧方法，单株带4个以上分蘖时移栽到大田，插秧时母本每平米插46～56穴，每穴3株，保证每平米基本苗165株；父本插36～46穴/㎡，每穴2株，基本苗在110株/㎡，父母本行比1:4，株行距17cm x 19cm，厢宽2.8m把握好父母本的需肥特点，施肥应坚持“前重、中控、后补”的原则，施足底肥，返青后随即追施分蘖肥；父本在进入幼穗分化后不施氮肥；

(5.3)每个材料设施钾和不施钾两个水平，肥料为尿素、钾酸二氢铵、氯化钾，施肥量为N 0.24g/kg土、P₂0₅0.12g/kg土、K₂00.24g/kg土，钾酸二氢铵与土混匀一次性施入，而尿素和氯化钾的2/3作基肥，1/3作追肥；

(5.4)备选材料于7月播种，每盆定苗8株，年底收获，除施肥外，其他管理按常规进行，成熟期收获，分单株调查株高、穗长，将其分为籽粒与茎杆两个部分，于80℃烘干，称重磨碎(过0.6mm筛网)，进行分析测定，浓H₂SO₄-H₂0₂法消化，火焰光度法测定各部分钾元素含量；

2.根据权利要求1中一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，其特征在于，所述初始群体I由30个优良的导入系构成；初始群体II由25个在我国杂交稻育种中常用的恢复系构成。

3.根据权利要求1中一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，其特征在于，耐低钾高产的表型筛选，包括一轮高产的单株筛选以及连续两轮的耐低钾和高产的交叉筛选。

4.根据权利要求1中一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，其特征在于，水稻显性雄核不育品种为“佳不育”。

5.根据权利要求2中一种高效选育耐低钾高产水稻育种材料的方法，其特征在于，所述导入系是以丰优香占为轮回亲本和7个不同来源的供体杂交再连续回交得到的BC₂F₅群体，经过高产、耐低钾筛选选育而成。