一種人工輔助授粉緩解高溫對水稻穎花育性傷害的方法與流程

本發明屬于農作物抗熱減災栽培技術領域，更具體涉及一種人工輔助授粉緩解高溫對水稻穎花育性傷害的方法，該方法可應用于水稻大田生產，在水稻遭受花期高溫時利用該技術可以有效降低高溫導致的產量損失。

背景技術：

人類活動導致氣候變暖，地表溫度增加。IPCC(2014)報告表明過去100年間全球地表面平均溫度升高了0.85℃，預計21世紀末地表氣溫將比1850–1900年間升高1.0–3.7℃。生長季高溫一般不利于水稻產量形成，極端高溫天氣則嚴重影響我國水稻高產、穩產，例如我國長江流域2003年7–8月份出現的持續、極端高溫天氣對水稻產量造成了嚴重損失。未來極端高溫事件出現的頻率表現出增加的趨勢，將嚴重威脅我國水稻生產，因此緩解高溫對水稻傷害的合理、有效措施在保障國家糧食安全方面具有重要意義。

抽穗揚花期是水稻高溫最敏感的時期之一，該時期高溫主要通過影響穎花育性而降低水稻產量。水稻穎花育性由花藥開裂、花粉育性和胚囊育性共同決定，但是胚囊育性對高溫的反應不如雄性花器敏感，高溫對穎花育性的影響主要在于花藥開裂和花粉育性。正常條件下，水稻柱頭上需要保證＞10萌發的花粉粒才能保證胚囊順利受精，而保證＞10顆萌發的花粉粒的必要條件是柱頭上散落＞20顆花粉粒，高溫條件下花粉萌發率降低，為保證足量的花粉萌發則要求柱頭上接受更多的花粉數。然而，高溫導致柱頭接受的花粉數和花粉萌發數降低正是其限制水稻穎花育性的主要因素，高溫一方面抑制了花藥開裂，并引起花粉粒黏連成團，不利于花粉粒散落，導致柱頭上接受的花粉數不足，對柱頭授粉造成不利影響；另一方面，高溫抑制柱頭上的花粉萌發及萌發花粉粒花粉管伸長等過程而影響胚囊受精，最終導致穎花育性下降。因此，促進花藥開裂、花粉散落和柱頭花粉粒萌發的方法是緩解花期高溫對水稻穎花育性傷害的關鍵技術。

花藥開裂及散粉除了受基因遺傳控制外也受到外界物理刺激的影響，如人為觸碰、風等物理干擾會促進正在開放的穎花中花藥開裂及花藥內花粉散落。因此，在緩解水稻授粉障礙方面，可以利用人工輔助趕粉促進花藥散粉，對緩解高溫對水稻授粉的不利影響具有較大的潛力。礦質元素(如Ca²⁺，K⁺)、生長調節物質(如植物激素，多胺)和糖類物質促進花粉萌發及花粉管伸長，如內源激素參與誘導花粉萌發和花粉管伸長，蔗糖具有為花粉萌發提供能量和作為滲透調節物質的雙重作用，Ca²⁺和K⁺調節花粉粒吸水膨脹和引導花粉管向胚囊延伸。高溫通過破壞組織內離子平衡、影響生長調節物質含量和減緩糖代謝等生理過程而阻礙花粉萌發和花粉管伸長。因此，在緩解水稻受粉障礙方面，可以通過施用礦物質、生長調節物質或糖類物質維持組織內各化學物質間的平衡，減輕高溫對花粉粒生理活動的不利影響，從而緩解高溫對花粉萌發和花粉管伸長的傷害。本發明研究的目的就是利用人工輔助授粉的措施，通過人工趕粉并配合噴施化學調控劑的方法以緩解高溫對水稻穎花育性的傷害。

技術實現要素：

針對花期高溫對水稻授粉的不利影響而導致的穎花不育，本發明的目的是在于提供了一種人工輔助授粉緩解高溫對水稻穎花育性傷害的方法。該方法先通過人工趕粉促進花藥開裂和花粉散落，提高了柱頭上接受的花粉數，緩解了高溫對授粉的不利影響，然后對趕粉的植株噴施化學調控劑以促進柱頭上的花粉萌發，提高了胚囊受精的幾率，最終提高了花期高溫處理下水稻的穎花育性，保證了水稻花期遭受高溫時產量的穩定。

為了實現上述的目的，本發明采用如下技術方案：

一種人工輔助授粉緩解高溫對水稻穎花育性傷害的方法，其步驟是：

(1)配制化學調控劑：配制總體積為1L的化學調控劑溶液，分別稱取100g蔗糖、0.1g硼酸、0.111g氯化鈣、0.236g硝酸鈣、0.0745g氯化鉀、0.3g酶水解酪蛋白、0.1g肌醇、0.1g檸檬鐵胺、0.0145g亞精胺、1.031gγ-氨基丁酸和0.5×10^-3g 2,4-表油菜素內酯溶入100ml純水中，然后轉移至1000ml容量瓶中定容至刻度并搖勻，pH調至7.8–8.2于4℃環境下冷藏，噴施前滴1-2滴Tween-20(Tween，為聚氧乙烯去水山梨醇單月桂酸酯和一部分聚氧乙烯雙去水山梨醇單月桂酸酯的混合物)；

(2)進行人工趕粉：在水稻兩優培九，汕優63開花當日分別在09:30-11:00用竹竿進行3－5次人工趕粉，趕粉時用竹竿輕輕敲擊水稻穗部促使花粉散落。趕粉關鍵時刻在盛花的時候，一般在開花當日的10:00-10:30，此時合理、有效的趕粉可以最大程度的提高花粉有效利用率，促進水稻柱頭授粉；

(3)化學調控劑施用：在每次趕粉結束后立即對兩優培九和汕優63稻穗噴施一次化學調控劑(步驟1所述)，按6–8(ml/株/次)的用量噴施，均勻噴施使穗部穎花表面呈薄霧狀，噴施化學調控劑一方面可以促進花粉萌發，另一方面可以保證柱頭濕潤，促使更多的花粉粒粘附在柱頭上，有助于高溫(平均溫度28.6–31.5℃)下柱頭授粉。

本發明與現有技術相比，具有以下效果和優點：

花期高溫不利于柱頭授粉，降低水稻穎花育性，導致水稻產量顯著下降。趕粉和趕粉并噴施化學調控劑均不同程度提高各溫度處理下水稻的穎花育性，趕粉和趕粉并噴施化學調控劑對緩解高溫對兩優培九、汕優63穎花育性傷害的效果比對照溫度下的更明顯。對照溫度(T0:27.6℃)條件下，與空白處理相比，趕粉并噴施化學調控劑使兩優培九和汕優63的穎花育性分別增加了4.9％和3.7％。高溫(T1:28.6℃、T2:29.2℃和T3:31.5℃)條件下，與自然授粉處理(無人工輔助授粉)比，趕粉并噴施化學調控劑使兩優培九和汕優63的穎花育性分別增加了4.9％和3.7％；白天高溫條件下，人工輔助授粉對穎花育性的效果更明顯，其中28.6℃，29.2℃，31.5℃下趕粉使兩優培九和汕優63的穎花育性分別提高了5.4％、16.6％、61.1％和2.4％、7.1％、12.0％，趕粉并噴施化學調控劑使兩品種的穎花育性分別提高了15.8％、33.8％、133.0％和6.7％、10.7％、28.6％。該技術可實時操作，靈活應對水稻花期高溫傷害。

附圖說明

圖1為一種對照、高溫及對照和高溫下趕粉處理對花藥散粉的表現示意圖。

圖2為一種人工輔助授粉技術對水稻品種兩優培九花藥散粉影響的示意圖。

A為對照溫度下水稻花藥散粉的表現；B為對照溫度下趕粉對花藥散粉的影響；C為對照溫度下趕粉并噴施化學調控劑對花藥散粉的影響；D為高溫處理下水稻花藥散粉的表現，該圖顯示高溫不利于水稻花藥散粉，大量花粉殘留在花藥內部；E為高溫處理下趕粉處理對花藥散粉的影響，該圖顯示高溫下趕粉處理后花藥內無花粉粒殘留；F為高溫處理下趕粉并噴施化學調控劑處理對花藥散粉的影響，該圖顯示顯示高溫下趕粉并噴施化學調控劑處理后花藥內無花粉粒殘留，說明高溫可通過影響花粉散落而限制了授粉，趕粉處理可以人為的促進花粉散出，從而為水稻正常授粉創造有利條件。

圖3為一種人工輔助授粉技術對水稻品種兩優培九和汕優63柱頭授粉影響的示意圖。

A,G分別為兩優培九和汕優63柱頭接受花粉數及花粉萌發數在對照溫度下的表現；B,H分別為對照溫度下人工趕粉對兩優培九和汕優63柱頭接受花粉數及萌發花粉數的影響；C,I分別為對照溫度下人工趕粉并噴施生長調節物質對兩優培九和汕優63柱頭接受花粉數及花粉萌發數的影響；D,J：分別為兩優培九和汕優63柱頭接受花粉數及萌發花粉數在高溫下的表現；E,K分別為高溫下人工趕粉對兩優培九和汕優63對柱頭接受花粉數及萌發花粉數的影響；F,L分別為高溫下人工趕粉并噴施生長調節物質對兩優培九和汕優63柱頭接受花粉數及萌發花粉數的影響。

具體實施方式

實施例1：

一種人工輔助授粉緩解高溫對水稻穎花育性傷害的方法，其步驟是：

1、材料與方法：

試驗于2014年5月-10月在華中農業大學植物科技學院盆栽場進行，以兩個對花期高溫耐性不同的雜交稻品種汕優63(耐高溫)和兩優培九(高溫敏感)為材料，始穗時搬入人工生長室(4m×4m×4.5m)開始處理。設置T0，T1，T2，和T3四種溫度處理(圖1)，室內通過自動控溫系統(AUTO-Greenhouse monitoring and data management system,Auto,Beijing)控制溫度。

化學調節劑配制：配制總體積為1L的生長調節混合物溶液，分別稱取100g蔗糖、0.1g硼酸、0.111g氯化鈣、0.236g硝酸鈣、0.0745g氯化鉀、0.3g酶水解酪蛋白、0.1g肌醇、0.1g檸檬鐵胺、0.0145g亞精胺、1.031gγ-氨基丁酸和0.0005g 2,4-表油菜素內酯溶入100ml純水中，然后轉移至1000ml容量瓶中定容至刻度，將混合液pH調至7.8–8.2，于4℃下儲藏待用。

2、人工輔助授粉：

2.1、人工趕粉：在水稻品種兩優培九和汕優63開花當日分別于09:30,10:00,10:30和11:00用竹竿進行4次人工趕粉，趕粉時用竹竿輕輕敲擊水稻穗部促使花粉散落。水稻盛花的時候(10:00-10:30)花粉量最大，為趕粉的關鍵時刻，此時進行合理、有效的趕粉可以最大程度的提高花粉利用率，促進水稻柱頭授粉；

2.2、化學調控劑施用：每次人工趕粉結束后對兩優培九和汕優63稻穗噴施一次化學調節劑(pH＝8.0的溶液中含10％蔗糖、1mM氯化鈣、1mM硝酸鈣、1mM氯化鉀、0.01％硼酸、0.01％肌醇、0.1mM亞精胺、0.01％檸檬鐵胺、10mMγ-氨基丁酸、0.03％酶水解酪蛋白和1uM2,4-表油菜素內酯)，確保噴出液為細霧狀，建議按6-8(ml/株/次)的用量噴施。

3、水稻授粉、產量及產量構成因子測定：

3.1、花藥開裂，柱頭授粉與柱頭花粉萌發：

高溫處理第3天取樣測定，取樣前一天掛牌標記翌日即將開放的稻穗，第一次人工輔助授粉處理后(09:30)對掛牌稻穗取樣調查、統計花藥開裂情況，重復4次，每次取掛牌稻穗上總計60朵當日開花的花藥于光學顯微鏡下觀察統計花藥開裂情況。花藥一端或兩端開裂視為開裂，兩端均未開裂視為未開裂，花藥開裂率＝開裂花藥數/鏡檢花藥數×100％。

15:00取掛牌稻穗上的6朵當日開放的穎花(上、中、下各2穎花)于FAA固定液(38％甲醛，乙酸，70％乙醇＝5:5:90)中用于柱頭制片觀察，重復4次。觀察時取出穎花依次置于70％、50％、30％和10％的酒精溶液中復水，再置于蒸餾水中清洗2次，剝出柱頭置于預先加1–2滴苯胺藍溶液(100ml的0.1mol/L K₃PO₄含0.1g水溶性苯胺藍)的載玻片上并壓片，黑暗條件下靜置10min后于熒光顯微鏡下觀察拍片，統計水稻柱頭上接受的花粉總數和萌發的花粉總數，柱頭花粉萌發率＝柱頭萌發花粉數/柱頭接受花粉總數×100％。

3.2、產量及產量構成因子：

生理成熟期取主莖考察產量及產量構成因子，重復4次，每重復考察3主莖。稻穗脫粒后通過先水選、再風選的方法將穎花分為飽粒、半飽和空粒3部分，分別統計并計數。飽粒于80℃下烘干至恒重，作為主莖產量。總穎花數＝飽粒數+半飽數+空粒數，穎花育性＝(飽粒數+半飽粒數)/總穎花數×100％，粒重＝產量/飽粒數。

4、試驗結果分析：

表1結果顯示，對照溫度(T0:24.8–31.8℃)和三種高溫處理(T1:24.6–34.3℃；T2:24.1–35.9℃；T3:25.7–38.3℃)的日平均溫度分別為27.6,28.6,29.2,31.5℃，表明高溫處理下的溫度均超過水稻花期最適溫度(26–28℃)。此外，水稻植株遭受高溫時若伴隨高濕還會使高溫傷害加劇，溫室內各處理下的相對濕度(81.2％–82.3％)高達80％以上，本實例屬于高溫、高濕環境。

表1.處理溫(℃)、濕度(％)

注：白天07:00-19:00；夜間19:00-次日07:00

高溫處理使水稻品種兩優培九和汕優63的花藥開裂率顯著下降(表2)，大量花粉殘留在花藥內部(圖2-D)，柱頭上接受的花粉數減少(表2；圖3-D,J)，說明高溫一方面阻礙或延遲了水稻的花藥開裂，另一方面不利于水稻藥室內花粉脫離，最終導致散粉障礙，從而影響柱頭授粉。高溫引起花藥內部水分代謝及其它生理活動紊亂，致使大量花粉粒沾黏成團，可能是高溫導致散粉障礙的生理原因。總之，高溫對花藥開裂及散粉的不利影響導致了柱頭授粉障礙。

趕粉處理一方面可以提高花藥開裂率(表2)，另一方面有助于花藥內殘留的花粉粒脫離藥室(圖2-B,E)，從而為水稻正常授粉創造有利條件。對柱頭的考察結果表明，趕粉對柱頭授粉有明顯的促進作用，其中對照溫度和高溫處理條件下，趕粉處理均可以明顯提高柱頭上接受的花粉數(圖3-B,E,H,K)，柱頭花粉萌發數也有所增加，說明趕粉處理可以有效緩解高溫對水稻授粉的不利影響。人工趕粉有助于花粉散落，該方法一方面促進花藥開裂，另一方面振落殘留于花藥內部的花粉粒，再者還可以驅使附著在穎殼、葉片等組織上的花粉粒彈起，從而提高水稻授粉過程中稻穗空間范圍內的花粉密度，增加水稻柱頭授粉(自交或異交)的幾率。化學調控劑的施用可以誘導花粉萌發，由本發明在高溫下應用的結果可知，趕粉后追噴生長調節劑同時有效提高了各溫度處理下柱頭接受的花粉數和柱頭萌發的花粉數(表2；圖3-C,F,I,L)，從而緩解了高溫對水稻授粉的不利影響，在應對高溫對水稻穎花育性傷害方面具有較大的潛力。

表2.人工輔助授粉對水稻花藥開裂及柱頭接受和萌發花粉數的影響

LYPJ：兩優培九；SY63：汕優63；NAP：空白處理；ADP：趕粉處理；AMP：趕粉并噴施化學調控劑

產量和穎花育性考察的結果表明，與對照溫度相比，水稻品種兩優培九和汕優63的產量隨花期溫度增加而顯著下降，該時期高溫主要降低水稻穎花育性而降低水稻產量(表3)。通過趕粉和趕粉并噴施化學調控劑的應用，可以不同程度提高各溫度處理下的水稻穎花育性。對照溫度條件下，趕粉及噴施化學調控劑處理下兩優培九和汕優63的穎花育性分別提高了4.9％和3.7％。高溫條件下，趕粉和趕粉并噴施化學調控劑對水稻的穎花育性的效果更明顯，且溫度越高穎花育性的提高越趨于顯著，其中T1，T2，T3下趕粉對兩優培九和汕優63穎花育性的增幅分別為5.4％、2.4％，16.6％、7.1％和61.1％、12.0％，趕粉并噴施化學調控劑對兩品種穎花育性的增幅分別為15.8％、6.7％，33.8％、10.7％和133.0％、28.6％(表3)。因此，人工輔助授粉能夠不同程度提高各溫度下的水稻穎花育性，從而提高了水稻產量，緩解花期高溫對水稻的不利影響。

表3.人工輔助授粉對水稻產量及產量構成因子的影響

LYPJ：兩優培九；SY63：汕優63；NAP：空白處理；ADP：趕粉處理；AMP：趕粉并噴施化學調控劑。