湖南兩系雜交水稻制種基地氣象決策支持系統(tǒng)研究

1、 湖南兩系雜交水稻制種基地氣象決策支持系統(tǒng)研究1雷東陽,陳立云,肖層林湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻科學(xué)研究所,湖南長沙 (410128E-mail:Leidongyang1980摘要:制種基地和時段的選擇是兩系雜交稻制種的成敗的關(guān)鍵,本文提出了兩系雜交稻制種三個安全期的概念,根據(jù)湖南省50年氣象資料;在考慮氣象要素與經(jīng)、緯度及海拔高度的基礎(chǔ)上,運用地理信息系統(tǒng)的空間分析方法,對湖南省兩系雜交稻制種的風(fēng)險進(jìn)行了評估,研制出兩系雜交稻種子生產(chǎn)的基地氣象決策支持系統(tǒng),依據(jù)此系統(tǒng)確定湖南省兩系雜交稻制種的適宜區(qū)域與時段。為兩系雜交稻的高產(chǎn)高效安全制種提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。關(guān)鍵詞:兩系雜交稻;制種;基地選擇;風(fēng)險

2、;氣象系統(tǒng)兩系雜交水稻是我國首創(chuàng)的水稻雜種優(yōu)勢利用方法,是繼三系法雜交水稻之后作物遺傳育種上的又一次重大技術(shù)革新1-3。在國家“863”計劃支持下,我國兩系法雜交水稻已經(jīng)開始大面積用于生產(chǎn),并且在稻米品質(zhì)、產(chǎn)量、抗性等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。截至2000年,已累計推廣330萬hm2以上4。湖南省已審定的兩系法雜交水稻組合就達(dá)40多個,其中一季超級稻兩優(yōu)培九、準(zhǔn)兩優(yōu)527、Y兩優(yōu)1號、C兩優(yōu)396和早稻超級稻陸兩優(yōu)996、株兩優(yōu)819、株兩優(yōu)02等組合,增產(chǎn)潛力大,在生產(chǎn)上已經(jīng)或正在發(fā)揮重要作用,近年兩系雜交稻呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭和廣闊的產(chǎn)業(yè)前景。湖北、安徽等省兩系雜交稻的種植面積已經(jīng)或即將超過三系

3、雜交稻的面積?；仡檭上惦s交水稻的歷史,其發(fā)展并非一帆風(fēng)順,盡管兩系法雜交水稻的選育已取得了很大成就,但兩系雜交水稻制種由于光溫敏核不育系的育性受光溫條件的控制,外界光溫條件的變化可引起不育系的育性波動,易導(dǎo)致不育系自交結(jié)實,與三系法比較,雜交制種風(fēng)險要大得多5-9。特別是近年來,隨著溫室效應(yīng)的加劇,災(zāi)害性天氣頻發(fā),氣溫年季間變化較大,一些種子企業(yè)和制種基地對兩系法雜交水稻制種產(chǎn)生了畏懼心態(tài),使制種面積難以落實。由于現(xiàn)在生產(chǎn)上使用一些兩用核不育系不育起點溫度偏高,雜交制種風(fēng)險較大,遇到特殊年份,給種子企業(yè)帶來難以承受的經(jīng)濟(jì)損失,從而極大地影響了兩系雜交稻的推廣速度10。從1993年衡兩優(yōu)1號制種

4、母本不育性產(chǎn)生嚴(yán)重波動,造成制種受挫起至2005年,湖南省大面積發(fā)生兩系制種不育系育性波動的事件已有五個年份。因此兩系法雜交水稻種子的安全生產(chǎn)問題成為制約兩系雜交水稻發(fā)展的主要瓶頸。筆者認(rèn)為,在我國兩系法雜交水稻制種的過程中對兩系法雜交水稻制種效益風(fēng)險的認(rèn)識偏差和研究的深度不夠是影響兩系法雜交水稻穩(wěn)步健康發(fā)展的重要原因。而兩系雜交水稻制種成敗的關(guān)鍵是最佳基地和時段的選擇,只有通過三個安全期的合理選擇,才能將氣象風(fēng)險控制到能夠接受的程度,達(dá)到兩系雜交稻種子生產(chǎn)的高產(chǎn)、高純度高效益。為此,筆者系統(tǒng)研究了三段氣候生態(tài)安全期的診斷評估方法,研制了兩系雜交稻種子生產(chǎn)的基地氣象決策支持系統(tǒng),并據(jù)此確定了湖

5、南省兩系雜交稻種子生產(chǎn)的適宜氣候區(qū)域與時段,能夠有效解決兩系雜交稻制種普遍存在的風(fēng)險和效益問題。1. 三個安全期及其統(tǒng)計分析方法1.1 兩系雜交制種的三個安全期1.1.1 不育系的育性轉(zhuǎn)換安全期1本課題得到國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金資助項目(05EFN214300193和湖南省“十一五”重大科技專項(2006NK1001的資助 水稻光溫敏兩用核不育系生長發(fā)育的一定時期,其核不育因子在環(huán)境因子(主要是光照和溫度的控制下決定雄性的可育或不育,這一時期稱為育性敏感期11-12。光溫敏不育系的育性敏感期一般從雌雄蕊形成期至花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期,即幼穗分化的4-6期。這一發(fā)育時期單穗一般需要6-7天時間,

6、群體需要12-15天時間,考慮到年際之間生育期可能的提早或推遲,因此,兩系雜交制種兩用核不育系的育性敏感安全期定為20天,也既在這20天之內(nèi)不出現(xiàn)連續(xù)3d低于不育起點溫度的天氣。育性安全期不育系按不育起點溫度的6個指標(biāo)分別進(jìn)行分析,即按連續(xù)3天日平均氣溫22.0,22.5,23.0,23.5,24.0和24.5分別統(tǒng)計其50年出現(xiàn)的幾率,即制種時育性純度的氣候生態(tài)風(fēng)險率,同一年同一安全期內(nèi)出現(xiàn)幾次低溫時只計一次,算出100%、98%和95%的保證率。1.1.2 抽穗揚(yáng)花授粉安全期在雜交水稻制種中,有利于父母本抽穗、開花、授粉的時期,稱為抽穗揚(yáng)花授粉安全期11。制種產(chǎn)量的高低很大程度上決定于授粉

7、期的天氣狀況。在氣象因子中,對制種授粉影響最大的是溫度和降雨。溫度的影響包括低溫和高溫,低溫的影響主要是使親本不開花或開花很少,延遲花時,父本不散粉,花粉在柱頭上的萌發(fā)受到影響 13。高溫的危害則是使父本花粉活力和母本柱頭活力減弱,影響異交結(jié)實。降雨則會使水稻穎花閉合,不開穎,父本花粉無法散出。另外濕度14、風(fēng)速15均影響異交結(jié)實。抽穗揚(yáng)花期的安全指標(biāo)包括三個方面:一是從見穗至授粉結(jié)束,以晴天為主,在父母本開花時段無連續(xù)3天以上陰雨天,尤其是不出現(xiàn)大雨洗花的天氣。二是整個抽穗授粉期溫度適宜,無連續(xù)3天以上日平均氣溫高于30或低于24;不出現(xiàn)連續(xù)3天以上相對濕度高于90%或低于70%;每天開花時

8、段無干熱風(fēng)11。按照此標(biāo)準(zhǔn),算出在100%,90%和80%保證率下,滿足揚(yáng)花授粉安全的時段。1.1.3 種子收獲安全期種子收獲安全期是指種子成熟時天氣晴好,沒有連續(xù)的陰雨天氣,有利于種子的成熟,防止穗發(fā)芽,也有利于收獲 16-18。種子收獲期天氣是影響雜交稻種子質(zhì)量的重要因素之一19。種子收獲成熟期(7d要求無連續(xù)3天以上的雨日,按此指標(biāo),分別統(tǒng)計在100%、90%和80%保證率下,滿足種子安全成熟收獲的時段。1.2 兩系雜交制種氣候風(fēng)險分析與制種區(qū)分級標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險是指發(fā)生不幸事件的概率20,風(fēng)險的普遍定義表達(dá)式為:R(后果/時間=P(事件數(shù)/單位時間×C(后果/每次事件 將該氣候風(fēng)險的

9、定義運用到地理信息系統(tǒng)中。把湖南省地域按一定分辨率劃分為若干地理網(wǎng)格,將氣象觀測站的逐年觀測資料根據(jù)氣溫與經(jīng)緯度的相關(guān)模型內(nèi)插到地理網(wǎng)格點上,這樣每個網(wǎng)格點就相當(dāng)于一個具有50年氣象資料的氣象臺站,在此基礎(chǔ)上運用地理信息系統(tǒng)的空間分析方法,研究湖南雜交稻的制種風(fēng)險,其中地理信息數(shù)據(jù)(DEM數(shù)據(jù)由中國氣象局提供。安全保證率的計算方法參照殷劍敏21的方法略有修改,以不育系的育性敏感安全期的風(fēng)險概率計算為例,首先統(tǒng)計每年(根據(jù)制種實際,湖南只需要6-10月的氣象資料符合條件 的時間段,對某一年(i 年某不育系不育起點溫度達(dá)標(biāo)的公共初日(C i 與終日(Z i 間隔天數(shù)為L i = Z i C i +

10、1以不育系育性安全的風(fēng)險概率計算為例,當(dāng)L i 20天,則第i 年育性轉(zhuǎn)換期安排在這段時間,制種將成功。由于無法準(zhǔn)確預(yù)測某年某時段20 天以上的天氣, 只能對歷史資料進(jìn)行分析,找出保證率最高的時段。因此在時間維j(j=1, 2, 153上計算歷年i( i = 1, 2, , 50 符合育性轉(zhuǎn)換期指標(biāo)的初終日之間的t ij 制成的二維表見表1。表1中的元素t ij 表示在某一年(i 年中屬于適宜氣象條件公共初終日之間的每一天的t ij 均為1,其它日期(小于初日或大于終日每一天t ij 均為0。M 為資料年代,從1951年到2000年。表1 歷年符合育性敏感安全期的天數(shù)Table 1 the d

11、ays that conform to the periods for fertility sensitivity時間序號 資料年代 1 2 3 64 65 666768808182 153 1951(i=1 1952(i=2 00011111111101953(i=3 00011111110 0 2000(i=50 0 0 00 0 111111 1 0 合計T iM-2M-1MMMMMM M-1M-10 因此定義:C M =j(T j =M 且T j1=M1;(C M 為T j =M 中序號j 最小的這一個j Z M =j(T j =M 且T j+ 1=M1;(Z M 為T j =M 中序

12、號j 最大的這一個j L M =Z M C M+1(L M 為T j = M 的天數(shù),本文L M = L 50,即T j = 50的天數(shù)當(dāng)L M 20d 時,根據(jù)育性轉(zhuǎn)換期對適宜氣象條件要達(dá)到20d 以上的要求,該地把育性轉(zhuǎn)換期安排在C M 與Z M 之間,歷年都沒有出現(xiàn)不滿足氣象指標(biāo)的天氣,從概率統(tǒng)計上講,可稱該時段為無風(fēng)險(P=0下的可制種區(qū)。C M 、Z M 稱為無風(fēng)險下育性轉(zhuǎn)換期最早初日和最遲終日,L M 稱為無風(fēng)險下育性轉(zhuǎn)換期最大長度。依次判斷L M1是否20d ,如L M120d ,則稱該地有M 年1遇的風(fēng)險,風(fēng)險為P=1/M×100% 因此某地的兩系雜交制種失敗風(fēng)險可定

13、義為:P=(K/M×100%(當(dāng)L MK 20,M 為該站點氣象資料年代數(shù),K=0, 1, , M稱該地為保證率為(1P 下的可制種區(qū)。該風(fēng)險下的育性轉(zhuǎn)換最早初日為C MK ,最 遲終日為Z MK ,育性轉(zhuǎn)換期最大長度為L MK 。如某地有50年的氣象資料,經(jīng)計算無風(fēng)險下的可選擇的育性轉(zhuǎn)換期L=18d ,而50年 1遇風(fēng)險下的可選擇的育性轉(zhuǎn)換期L 49=24d ,50年2遇風(fēng)險下的可選擇的育性轉(zhuǎn)換期L 48=35d ,則該地兩系稻制種育性安全最高保證率為98%,安全轉(zhuǎn)育期為24d ,其次為96%,安全轉(zhuǎn)育CCZZZ 期為35d。根據(jù)對三段安全期的分析,結(jié)合湖南省的生產(chǎn)實踐,提出兩系雜

14、交稻制種安全性與適宜性分區(qū)的指標(biāo)。表2 兩系雜交稻制種安全與適宜性分區(qū)等級標(biāo)準(zhǔn)Table 2. The grade standard of the safe and suitable on the two-line hybrid rice seed production育性安全性等級育性安全類別育性安全保證率(%適宜性類別育性安全等級揚(yáng)花安全保證率(%收獲安全保證率(%一級最安全區(qū)最適宜區(qū)一級 90,100 90,100二級安全區(qū) 95,100適宜區(qū)一級二級80,9090,10080,9090,100三級風(fēng)險區(qū) 90,95欠適宜區(qū)一級二級三級<8080,9080,100<8080,

15、9080,100四級危險區(qū)<90 危險區(qū)其它其它其它2. 制種基地氣象決策支持系統(tǒng)的設(shè)計采用Visual Basic語言研制了一個功能齊全、自動化程度高、界面友好的兩系雜交水稻制種基地氣象決策支持系統(tǒng)。使用該服務(wù)系統(tǒng)時,用戶只需用鼠標(biāo)點擊選擇相應(yīng)的參數(shù),系統(tǒng)就會自動求取相應(yīng)的結(jié)果,并可將結(jié)果用彩色圖表顯示出來,直觀方便。系統(tǒng)使用了GIS圖層管理控件,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)更新和動態(tài)查詢功能,系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如下:圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig1. The structure graph of the climate decision-making support system 通過用戶選擇要測試的站點

16、、不育系不育起點溫度,以及輸入三個安全期的保證率,系統(tǒng)將從該站點的XML文件中尋找符合條件的時段,進(jìn)行判斷,通過三個安全期在時間上的銜接,推算出該保證率下合理的時段,如果找不到,系統(tǒng)將給出提示。系統(tǒng)界面如下圖所示: 圖2 系統(tǒng)界面圖Fig2. The interface figure of the climate decision-making support system3. 氣象決策支持系統(tǒng)在湖南省的應(yīng)用3.1 湖南省兩系制種安全性區(qū)劃應(yīng)用上述系統(tǒng),筆者以不育起點溫度為23.0的不育系為例制作了湖南省兩系雜交稻制種安全高產(chǎn)高質(zhì)高效的適宜氣候區(qū)劃圖(圖2,從制種安全性分布圖(圖2左可以看出,

17、湖南制種100%保證率的最安全區(qū)只分布在郴州、道縣、平江、株洲等部分區(qū)域,岳陽、長沙、邵陽一線以東的大部分區(qū)域的制種安全都在95%以上;而湘西北角大部分為危險區(qū),制種安全保證率在90%以下。研究結(jié)果還表明,不育系起點溫度不同,安全制種的區(qū)域差異很大,對于起點溫度為22.5的不育系,最安全區(qū)為湘東南大部分和湘西部分區(qū)域;對于起點溫度為22.0的不育系,全省基本上都是制種100%保證率的最安全區(qū)(圖略。因此應(yīng)加強(qiáng)對新不育系的選育研究,爭取培育出更多的臨界溫度在22.5以下的低溫敏型不育系。3.2 湖南省兩系制種適宜性區(qū)劃綜合考慮三個安全期,得到全省兩系制種適宜性分區(qū)圖(圖3右。由圖可以看出,在考慮

18、揚(yáng)花安全期和種子收割安全期后,得到的制種適宜性區(qū)域比僅考慮育性敏感安全期的區(qū)域已有明顯減少。其中湖南中部偏東以長沙、衡陽等市為主的周邊廣大丘崗低海拔區(qū)和常德、平江等一些偏北縣市因夏季炎熱、少雨、干燥,異交授粉時易受高溫等災(zāi)害天氣的危害,揚(yáng)花危害指數(shù)過高,從而降低了安全等級,不適宜制種。湘西的芷江與湘南的郴州等山間盆地的制種揚(yáng)花安全期風(fēng)險較低,尤其是7、8月份的風(fēng)險低,對制種有利。另外,一些育性敏感期和抽穗揚(yáng)花較安全的區(qū)域也因種子收獲期不夠安全,從而縮小了適宜制種的區(qū)域或縮短了制種安全的時段。 圖3 湖南省兩系雜交稻制種的安全性(左與適宜性行政(右區(qū)劃圖(23.0 Fig3. The safe

19、and suitable regional planning of two-line hybrid rice in Hunan province 4. 討論 兩系法雜交水稻在推廣中遇到的最大障礙就是制種時存在的育性敏感期安全問題。 但兩 系雜交制種只做到育性敏感安全還永遠(yuǎn)不夠，還必須考慮抽穗揚(yáng)花期和成熟收割期的安全 22 ，只有這樣，才能實現(xiàn)兩系雜交水稻制種的高產(chǎn)量、高純度和高效益。本研究設(shè)計的“兩 系雜交水稻制種基地氣象決策支持系統(tǒng)”能夠根據(jù)歷史氣象資料分析兩系雜交稻制種“三個 安全期”的風(fēng)險概率及適宜制種區(qū)域和時段， 同時用GIS的空間分析方法對湖南省兩系雜交稻 的基地選擇做了有益的嘗試。

20、研究結(jié)果表明，決策系統(tǒng)與實際情況基本相符，湖南郴州、芷 江等地適宜兩系雜交稻制種， 而湘北和一些湖區(qū)由于不能確保不育系育性敏感期安全或抽穗 揚(yáng)花期溫度偏高而不能確保制種安全高效。不育起點溫度為23.0的不育系在湖南可以找到 制種風(fēng)險很小的區(qū)域，因此，只要科學(xué)地選擇兩系雜交制種基地，合理地進(jìn)行生產(chǎn)布局和時 間安排，充分利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源，就能夠最大程度降低制種風(fēng)險，進(jìn)一步提高雜交稻制種的 效益。 參考文獻(xiàn) 1 Zou J J, L C G. Practice and Thinking on Rice Breeding for High Yield J. Acta Agronomica Sinica

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