杨宇尘 夏原野 闫志强 汪磊 闫秉春 王镜博 王祎玮 栾金华 徐海

(1沈阳农业大学 水稻研究所/农业部东北水稻生物学与遗传育种重点实验室/北方超级粳稻育种教育部重点实验室/辽宁省北方粳稻遗传育种重点实验室, 沈阳 110866; 2黑龙江省农垦科学院 水稻研究所, 哈尔滨 150038; *通信联系人, E-mail: chinaxuhai@163.com)

籼稻和粳稻是亚洲栽培稻的两个亚种，籼粳亚种间杂交可产生强大的杂种优势，因此，众多育种工作者将籼粳亚种间杂种优势的直接利用视为大幅度提高水稻产量的重要途径之一[1-3]。籼粳杂交虽然具有很大的产量提升潜力，但在实际生产中仍面临着诸多困难，花时不遇便是其中之一。籼粳亲本间花时不遇，极大地降低了授粉成功率导致异交结实率严重偏低[4]。因此，研究水稻花时的调控措施，可以为亚种间杂种优势利用提供理论依据。

茉莉酸类化合物（JAs）是茉莉酸（JA）、茉莉酸甲酯（MeJA）和茉莉酸-异亮氨酸复合物等一系列衍生物的统称。JAs在植物体内广泛存在，而MeJA是JAs的一种重要衍生物[6-7]。1999年，曾晓春[8]以两份籼稻和两份粳稻为试验材料，将稻穗浸入4 mmol/L MeJA溶液中，首次发现在MeJA处理下，颖花会提前开放的现象。王义[9]以Ⅱ32A、珍汕97A两个不育系为试验材料，对其在MeJA溶液处理下各日的开花分布进行了研究，结果发现两个品种在 MeJA处理后花时花期均与对照变化显著，花时显著提前。闫志强等[10]利用6个典型籼稻和6个粳稻品种，研究了在不同浓度MeJA处理下品种花时性状的敏感性差异，结果发现粳稻花时对MeJA不如籼稻敏感，仅在4 mmol/L MeJA处理下，粳稻始花时间、盛花时间和终花时间显著早于对照组。蒋海燕等[11]、张旺等[12]分别开展了MeJA在三系杂交籼稻和三系杂交粳稻上应用研究，发现MeJA能够快速诱导不育系进入盛花状态，并以此调节父母本的花时，使二者开花时间相近，从而使母本的异交结实率显著提升，制种产量亦有显著增加。王依明等[13]选取BT型三系不育系浦粳36A、光温敏雄性核不育系浦矮粳15S作为实验材料，分别于上午7时、上午9时、下午3时三个时间对材料进行MeJA喷雾处理，结果显示，浦粳36A在午前经MeJA诱导达到盛花，盛花持续时间长但响应速度慢，而浦矮粳15S白天都可以经MeJA诱导达到盛花，盛花持续时间短且响应速度快。

前人研究中，已发现MeJA对颖花开放具有显著促进作用。由于籼稻花时普遍比粳稻早，在杂交制种实际生产上为使二者花时相遇，MeJA只能作用于粳型亲本。而粳稻种植范围广，类型多种多样，来自不同生态区的粳稻材料对MeJA调控的响应和敏感性是否有差异？闫志强等[13]的研究结果显示，粳稻的花时仅对4 mmol/L MeJA处理敏感，那么适当提高MeJA处理浓度，能否使粳稻花时进一步提前？同时，MeJA对粳稻的株型性状是否有影响？本研究以来自不同生态区的35份粳稻品种为试材，研究不同浓度MeJA调控不同生态区粳稻花时性状的效果及其对株型性状的影响，为利用MeJA调控杂交亲本的花时，提高亚种间杂交稻的制种产量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以来自黑龙江、吉林、辽宁、新疆、宁夏稻区共35份粳稻材料为试材(表1)。

1.2 试验设计

2018年将所有试验材料种植于沈阳农业大学水稻研究所试验田，为保证花期相遇，分两期播种，第一期于4月21播种，5月19日移栽；第二期于5月4日播种，6月4日移栽。每个品种种植4行，每行种植30株，单本插秧，行距30 cm，株距13.3 cm。试验采用双因素裂区设计，其中主因素为品种，副因素为MeJA处理浓度，3次重复。

表1 本研究所用品种Table 1. Materials used in the study.

MeJA订购于Sigma Aldrich试剂公司，纯度≥95%。共设置3个喷施浓度，由低到高分别为4、8、16 mmol/L，其余田间管理措施与当地生产田一致。为防止不同处理间溶液混杂，喷施时不同处理行间用塑料布间隔开。配制MeJA溶液时用少量无水乙醇作助溶剂，终体积分数为2.5%，同时为保证溶液尽可能吸附在植株上利于吸收，配制相应浓度溶液时均加入体积分数为 1.0%的乳化剂吐温 20。对照组溶液无水乙醇和吐温 20体积分数均与各浓度处理保持一致。MeJA在抽穗开花期喷施，具体时间为调查前一日晚17点。

1.3 调查指标与测量方法

采用目测法来观测花时，以每一处理行除边行外的连续3株作为一个基本观察单位，每个处理行下共设3次重复。于水稻抽穗开花期，观察记录始花时、盛花时、终花时。调查标准以一天中稻穗上第一朵颖花开放的时间作为始花时，以一天中颖花开放量最大且最集中的时间作为盛花时，以所有颖花全部关闭的时间作为终花时，并计算始花时至盛花时的持续时间(简写为始-盛时间)、盛花时至终花时的持续时间(简写为盛-终时间)、始花时至终花时的持续时间(简写为始-终时间)。

齐穗后15 d调查各生态区品种的株型性状。每个处理取5株长势中等的植株，每株剪取1个长势中等的单茎，采用徐正进等[14]的方法测量颈穗弯曲度（剑叶叶枕到穗尖的连线与茎秆的夹角）、剑叶和倒2、3叶的叶基角、叶长、叶宽。

为便于对花时性状数据进行统计分析，将始花时、盛花时、终花时的记录结果转换为以北京时间7:30为零起点持续至始花、盛花、终花的时间，以分钟为单位表示，并计算各品种对照下各花时性状与各浓度处理间相应花时性状的差值，即始花时差、盛花时差、终花时差、始-盛时间差、盛-终时间差、始-终时间差。

试验数据采用DPS 12.5软件进行统计分析，以Excel 2013软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 抽穗开花期田间气温和日照长度的变化

抽穗开花期田间的气温和日照长度变化可影响水稻开花进程。图1显示了沈阳农业大学水稻研究所试验田2018年7月19日至8月18日正值试验材料抽穗开花期最高气温、最低气温和日照长度的变化。最高气温在28～36 ℃间波动，最低气温在21～27 ℃间波动，最高气温和最低气温在这一个月间的下降趋势不明显。日照长度从889.43 min/d到825.40 min/d稳步缩短。

2.2 不同浓度MeJA对粳稻花时性状的影响

各品种抽穗期调查前一日晚 17点喷施不同浓度的MeJA，并观测处理后连续3 d的花时性状。将供试品种在各浓度MeJA处理下的花时性状进行统计。结果如图2所示，处理后第一天MeJA对所有粳稻品种的花时具有极显著的正向促进效果。各浓度MeJA处理下粳稻花时性状均与对照呈极显著差异。低浓度处理下，始花时较对照提前约100 min，盛花时较对照提前约 115 min，终花时较对照提前140 min左右，始-盛时间较对照缩短约30 min，盛-终时间较对照缩短约50 min，始-终时间较对照缩短约80 min。且随着MeJA浓度的升高，除盛-终时间逐渐增加，其余花时性状均逐渐减小，各浓度处理间差异均达到极显著水平。

处理后第二天，不同浓度MeJA处理对所有粳稻品种各花时性状的影响较处理后第一天有较大变化。从图3可以看出，在高浓度处理下未观察到开花现象，可知MeJA诱导花时提前效应较处理后第一天明显减弱。低浓度、中浓度处理下始花时、始-盛时间、始-终时间均与对照差异极显著，各浓度处理下盛花时与对照差异均不显著，终花时、盛-终时间仅低浓度处理与对照差异极显著，各浓度处理间仅终花时差异极显著，其余花时性状在各浓度处理间差异均不显著。

处理后第三天，中、高浓度MeJA处理组无开花现象（图4），可知MeJA对粳稻花时性状诱导效应进一步减弱。4 mmol/L浓度处理下粳稻始花时、始-盛时间、盛-终时间与对照间差异均不显著，盛花时、终花时、始-终时间均极显著高于对照。

图1 2018年抽穗开花期田间气温、日照长度变化Fig. 1. Change curve of maximum and minimum temperature and sunshine duration in the field in 2018.

图2 处理后第一天不同浓度MeJA处理对粳稻花时性状的影响Fig. 2. Flowering time traits of japonica rice as affected by different concentrations of MeJA on the first day after treatment.

2.3 各生态区粳稻对MeJA调控响应的敏感性差异

将 35份粳稻品种按不同的生态区分组，进一步研究不同生态区育成的粳稻品种的花时对 MeJA的敏感性差异。方法是将各品种不喷施MeJA（CK）的花时性状与各自喷施不同浓度MeJA处理的花时性状做差，差值越大代表其在相应处理下的花时性状提前程度越大，统计后作单因素方差分析，结果如表2所示。

各浓度处理下，不同生态区育成的粳稻品种的始花时差均无显著差异，辽宁稻区的盛花时差显著大于其他各生态区，黑龙江稻区第三积温带的盛花时差显著小于其余各生态区，说明在MeJA处理下辽宁粳稻更快达到盛花时，黑龙江稻区第三积温带粳稻达到盛花时的时间最长，响应最慢。在终花时差上，新疆稻区显著大于其余各生态区，黑龙江第三积温带粳稻显著小于其余各生态区。在始-盛时间差上，辽宁粳稻提前量显著大于其余各生态区，黑龙江稻区第三积温带粳稻提前量均极显著小于其余各生态区。在盛-终时间差上，辽宁稻区粳稻提前量极显著小于其余各生态区，始-终时间差上，黑龙江稻区第三积温带粳稻极显著小于其余各生态区。综上所述，不同MeJA浓度处理下，辽宁稻区粳稻对MeJA最为敏感，黑龙江稻区第三积温带粳稻对MeJA最为钝感。

图3 处理后第二天不同浓度MeJA处理对粳稻各花时性状的影响Fig. 3. Flowering time of japonica rice as affected by different concentrations of MeJA on the second day after treatment.

图4 处理后第三天不同浓度MeJA处理对粳稻各花时性状的影响Fig. 4. Flowering time of japonica rice as affected by different concentrations of MeJA on the third day after treatment.

表2 各生态区粳稻花时对不同浓度MeJA处理响应的差异Table 2. Difference in response of flowering time of japonica rice from different ecological areas to different concentrations of MeJA treatment. min

2.4 MeJA对粳稻株型性状的影响

进一步研究了 MeJA对粳稻株型性状的影响（表 3），MeJA对不同生态区粳稻品种的株高具有负向调控效应。随着MeJA浓度的升高，各生态区粳稻株高整体呈逐渐下降趋势，各浓度处理下与对照间差异极显著，各浓度处理间差异显著。随着MeJA浓度的升高，粳稻穗颈弯曲度呈下降趋势，中浓度、高浓度处理下与对照差异极显著，中、高浓度处理间差异极显著，低浓度处理与对照差异不显著；倒二叶基角逐渐增大，仅高浓度与对照差异极显著；倒三叶基角有增大趋势，中浓度处理下与对照差异极显著；剑叶长有增长趋势，中浓度处理下与对照差异显著；剑叶宽逐渐增大，低、中浓度处理与对照差异显著；倒二叶逐渐变长，各浓度处理与对照均呈极显著差异，但处理间差异不显著。

表3 不同浓度MeJA处理对粳稻株型性状的影响Table 3. Influence of MeJA treatment on plant type traits of japonica rice from different ecological areas.

3 讨论

20世纪50年代，杨守仁[15]针对籼粳稻杂交育种开展了一系列基础性研究工作，系统地阐述了籼粳杂交后代结实率低、性状难以稳定、籼粳双亲间各自优势及杂种优势能否结合、保持与利用等核心问题。1973年，我国学者石明松首次发现光温敏核不育水稻材料[16]。1984年，Ikehashi提出了“广亲和”基因理论[17]。自此，我国籼粳亚种间杂种优势利用开始逐步实现籼粳配组自由，并稳步向前发展[18]。21世纪初，甬优6号的育成，在产量、株型上均实现较大突破，为亚种间杂种优势利用开辟了一条新途径[19]，“粳不籼恢”继而成为杂交稻生产上较为固定的配组模式。然而，籼粳亲本花时不遇严重制约亚种间杂交稻制种产量的提高。MeJA可有效促进花时提前[8]，最适宜应用于粳型亲本，研究MeJA调控不同生态区育成的粳稻品种的花时，对提高亚种间杂交稻的制种产量具有重要意义。

抽穗开花期喷施MeJA对不同生态区粳稻品种花时性状的调查结果表明，处理后第二天、第三天高、中浓度处理下相继未观察到开花现象，由此推测MeJA显著增加了颖花开放量，可能使原本应在第二、三天陆续开放的颖花提前于处理后第一天开放。这样处理是否能真正达到提高制种产量的目的？ Kobayasi等[20]研究发现，于水稻抽穗期施用MeJA可导致稻穗不育，原因是MeJA诱导了预期在处理后一天开放的颖花提前开放，而这部分颖花的器官发育相对不完善，可能使受精不良进而导致败育。该研究证实了高浓度MeJA会诱导尚未开放的水稻颖花提前开放并可能导致败育这一现象。高浓度MeJA对颖花会有过度刺激，生产中调节杂交亲本花时性状时，若盲目提高 MeJA施用浓度，可能导致颖花败育，即使花时相遇，但对提高制种产量得不偿失。我们将在后续研究中采用不同类型的粳型亲本，于抽穗期进行合适浓度的MeJA处理，模拟杂交制种过程，通过实际测量制种产量来进一步验证。

外源激素可调控水稻株型。宫彦龙等[21]于幼穗分化期对水稻进行细胞分裂素（CTK）喷施处理，结果显示水稻剑叶基角、倒二叶基角、倒三叶基角、倒二叶长、倒三叶长和倒三节长较对照极显著增大。本研究结果表明，喷施外源MeJA可导致粳稻株高降低和穗颈弯曲度减小，推测可能是高浓度的MeJA可抑制穗颈伸长，干扰受精和籽粒发育过程，使株高降低，结实率下降或籽粒灌浆不良，稻穗变轻，导致穗颈弯曲度减小。

花时响应的敏感性差异分析结果表明，辽宁稻区粳稻品种的花时性状对 MeJA的调控最为敏感，黑龙江稻区第三积温带的粳稻品种花时性状对MeJA的调控最为钝感。这可能与辽宁稻区开展籼粳稻杂交育种较早，育成品种中含籼性成分多，黑龙江省第三积温带地处寒地，粳性成分多更有利于提高抗寒性有关。林建荣等[22]建议从粳型不育系和籼粳中间型广亲和恢复系的开花制种特性改良方面着手，通过籼粳杂交从籼稻材料中导入早花时基因，同时选育籼稻成分适当、花时相对较迟、花药大、花粉优的籼粳中间型广亲和恢复系，以缩小父母本的花时差，提高异交结实率。笔者同意上述建议，粳型亲本中可以适度引入籼性成分，缩小同籼型亲本的花时差，有助于提高亚种间杂交稻的制种产量，但籼性成分的引入，可能降低品种的抗寒性，缩小籼粳亲本间的遗传距离，不利于籼粳亚种间杂种优势的充分发挥，育种者需要在二者之间权衡利弊，找到最佳的平衡点。

开花时间与开花速率有较大差异，开花时间只能以较为绝对的数值来反映当日水稻开花的状态，而开花数量和开花速率能较好地反映一天内水稻开花的动态，下一步计划采用点花法来观测花时，以进一步明确 MeJA对粳稻颖花开放速率的影响。肖玉国等[23]通过反向遗传学等分子生物技术手段，得出OsJAR1为JA氨基酸合成酶的结论，且它是水稻颖花开闭和花药开裂所必需的。笔者建议下一步应聚焦 JA诱导水稻开花信号转导通路的建立与完善，进而明确外源MeJA导致水稻颖花提前开放且育性降低的分子机制，并思考抑制这一负面效应的对策。

4 结论

MeJA具有显著促进粳稻花时提前的效应。不同MeJA处理浓度下各粳稻始花时、盛花时、终花时均较对照大幅提前，同时始-盛时间、盛-终时间、始-终时间均较对照大幅缩短，差异均达到极显著水平。随着MeJA浓度的升高，各生态区粳稻对MeJA的敏感性存在差异，其中辽宁稻区粳稻对MeJA的调控最为敏感，黑龙江稻区第三积温带的粳稻对MeJA的调控最钝感。处理后第2天、第3天，MeJA调控效应快速消失，低浓度处理下始终有开花现象，高浓度、中浓度处理下相继无开花现象。

MeJA对粳稻株型性状有一定影响。不同浓度MeJA处理下粳稻株高、穗颈弯曲度均与对照间差异显著，不同生态区粳稻间株高、穗颈弯曲度随着MeJA浓度的升高而下降，各浓度处理与对照间均差异显著，对其他株型性状的影响大多未达到显著水平。