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华中农业大学博士学位论文纹枯病对双季倒伏和产量的影响及其机理研究姓名：吴伟申请学位级别：博士专业：作物栽培学与耕作学指导教师：彭少兵；黄见良201206 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究摘要水稻群体大小及其空间构型与纹枯病流行、倒伏抗性和产量形成密切相关，研究群体结构与它们之间的内在关系，可以为合理调控栽培措施提供理论与技术支撑。本研究以高产杂交稻品种两优287和T优207为试验材料，自2008．2010年在大田条件下采用裂区试验设计，通过不同氮素水平和移栽密度构建不同群体结构，并设置纹枯病接种处理和打药处理来研究不同群体结构下双季稻纹枯病流行、倒伏抗性和产量的变化特点及其相互关系，主要研究结果如下：(1)在自然发病区病情指数均随施氮水平和移栽密度的增加而增加。高氮高密条件下具有高茎蘖数、高叶面积指数和高生物量的冠层则具有较为密集的群体结构。密集的群体结构叶片相交频率较大且群体透光率较低，促进了纹枯病的流行。人工接种纹枯病后，由于提供了足够的菌源，纹枯病的流行并不受到蔸与蔸之间的传播速度的影响，它主要受到蔸内垂直扩散速度的影响。即纹枯病扩展的微环境(蔸内)并没有发生较大的改变，因此由氮素水平或移栽密度所构建的群体结构在接种条件下对纹枯病的流行影响较小。(2)采用牙签接种方法进行接种并调查接种后病斑长度可以高效准确地评价纹枯病抗性水平。在接种条件下，不同的氮素水平与移栽密度均对纹枯病病斑长度无显著性影响，并且病斑长度与茎蘖数、叶面积指数和生物量相关性均不显著。群体结构对纹枯病抗性的影响不显著，因此，在自然发病条件下，群体结构主要通过改变叶片相交频率对纹枯病流行产生显著影响。(3)合理调控氮肥用量和适宜的移栽密度可以改善水稻株型如提高叶基角来提高群体透光率和降低叶片相交频率从而在一定程度上控制纹枯病的流行。(4)高氮条件下茎秆倒伏指数上升，茎秆抗折力显著下降，对单位长度干重和茎秆直径无显著影响；密植条件下，茎秆抗折力、弯曲力矩、直径、和单位长度干重均明显下降，同时倒伏指数增加。即随着群体大小的增加，茎秆倒伏指数逐渐增加，群体发生倒伏的风险要明显增大。(5)通过提高茎秆抗折力可以降低倒伏指数从而提高水稻抗倒能力。双季稻茎秆抗折力与茎秆直径和单位节间干重都呈显著正相关，而倒伏指数与茎秆直径和单位节间干重都呈显著负相关，即可以通过提高茎秆直径和单位节间干重来提高茎秆抗折力。通过改善群体透光率，例如通过影响群体内部叶片分布规律，提高叶基角，即可以在相似的群体大小条件下提高群体透光率，同时茎秆基部节间抗折力增加，倒伏指数降低。(6)早稻产量在氮水平为120．180埏Nha-1并且密植(13．3×20cm)条件下最 华中农业大学2012届博士学位论文高。对于晚稻，中密(13．3X26．7cm)和120kgNha。1有利于获得高产。晚稻倒伏发生的风险要明显高于早稻，其倒伏指数在2009和2010年分别比早稻高58％和45％，选择适宜的密度和氮施用量还可以有效防止晚稻倒伏的发生。(7)早稻产量显著低于晚稻，其在2008、2009和2010年分别比晚稻低46％、38％和21％。原因主要由于早稻营养生长期温度过低导致水稻前期生长缓慢，在抽穗期干物质积累不够，早稻库容显著低于晚稻。另外，早稻灌浆期日平均温度要明显高于晚稻，并且早稻在开花前后各一周内容易出现极端高温(大于340C)，这极易导致早稻结实率降低，最终导致早稻产量的下降。(8)纹枯病的流行显著降低了茎秆抗折力，倒伏指数明显增加。纹枯病对群体茎蘖数的影响较小，对水稻生育后期叶面积指数和干物质积累的影响较大。特别在群体较大的情况下(高密或高氮)效果更明显，均显著地提高了群体叶面积指数和干物质积累。(9)纹枯病接种和不防治纹枯病均明显降低了双季稻产量，一般在高氮或高密植条件下产量损失较大并且其绝对产量最低，纹枯病接种处理在2009和2010年共4季中产量损失最高分别达到了30．1％、23．8％、23．7％和48．6％。纹枯病的流行主要是通过降低干物质积累量而非通过降低收获指数来影响产量的。另一方面纹枯病的流行主要是通过降低结实率而非通过降低单位面积颖花数和千粒重来影响产量。关键词：双季稻；群体结构；倒伏；氮肥；移栽密度；产量损失；流行病学；纹枯病接种2 Lodgingandgrainyieldofdouble—seasonric—eas．affectedbysheathblightandtheassociatedmechanismAbstractThecanoPYstructurehadadeepinfluenceonricegrainyieldandlodging—resistance·Me觚、砌le，canopystructureanditsmicro—climaticareessentialfactorsfordlseaSedevelopment．Canopystructuremayaffectsheathblightepidemicdirectlyorindirectly．So．inordertosettlepresentproblem，wemustinvestigatetherelationshipsofcanopystmcturewithsheathblightepidemic，lodging—resistanceandgrinyieldperformance·Fieldexperimentswereconductedinbothearlyandlateseasonsin2008，2009and2010·Thee妇融ctsofnitrogenrate，hilldensity,fungicidetreatment，andinoculationwithR·so细Hfonsheathbli。ghtseverity,lodging-relatedtraitsandgrianyieldperformancewereinvestigated．Themainresultsareasfollows：(1)Sheathblightindexincreasedwiththeincreaseofnitrogenrateandhilldensity．Tillermmlber’leafareaindexandbiomassproductionWashighunderdenseCanoPYstnIctureduetohighnitrogenanddensedensityinnon-inoculatedplants·Densecanopystmd鹏ledtohigherleafcontactfrequencyandlesserlighttransmittance，whichwasconducivetosheathblightepidemic．Ininoculatedplants，howevegsheathblightseveritywasnotnecessarilyrestrictedbyautoinfectionbecauseenoughhyphaWasavailabJeminfectedtillers，wmchismainlycontrolledbyverticalspreadofthepathogenwithineachhill．Micr0．climatewitllinallinfavorabletosheathblightdevelopmentregardlessofnitrogenrateandhilldensitywasnotchanged．So，canopystructureduetodinfe佗ncemnitrogenrateaJld11iUdensityhaslesseffectonsheathblightepidemic·(21AneffectiveinoculationmethodwithshortwoodytoothpicksISacriticalcomponentofanaccuratediseaseassayforquantifyinglevelsofsheathblightresistance·NitrogenrateaJldhilldensityhavenosigni【ficanteffectonlesionlengthininfectedplants，aIldtherelationshipsoflesionlengthwithtillernumber,leafareaindexandbiomassproductionwaSnotconsistentandsignificant．Theseresultssuggestthatcanopystructuredeepinnuencesshea_mblightepidemicunderthecommonfieldconditionsduetochangeinleafcontactfrequency，lighttransmittance，leafareaindex，tillernumberandblomaSsDroduction，buthaSlittleeffectonplantresistancetosheathblightinthesevereinfectloncondition．(3)Adaptationofchealthy’canopystructureresultingfromappropriatecropmanagementpracticessuchasrationaluseoffertilizersandoptimumplantingdensitycall3 华中农业大学2012届博士学位论文suppresssheathblight．Improvingplanttraitssuchaserectleavesbasedoncropmanagementorbreedingselectionisanefficientwaytocontroldiseaseinfestation．(4)Lodgingindexincreasedandbreakingresistancedecreasedwiththeincreasesofnitrogenrate．Nitrogenratehavenoconsistenteffectondryweighperunitlengthandstemdiameter．Breakingresistance，bendingmoment，stemdiameteranddryweightperlengthdecreasedwiththeincreasesofhilldensity,followingbyanincreaseinlodgingindex．So，lodgingindexincreasedwiththeincreasesofcanopystructure．(5)It’Sfeasibletodecreaselodgingindexwithincreaseinbreakingresistance．CorrelationanalysisrevealedthatbreakingresistanceWaspositivelyrelatedwitllstemdiameteranddryweightperunitlengthsignificantly；lodgingindexwasnegativelyrelated诵thstemdiameteranddryweightperunitlengthsignificantly．So，itisfeasibletoincreasebreakingresistancewithincreaseinstemdiameteranddryweightperunitlength．Improvementlighttransmittancesuchasincreasingleafangle，callaffecttheleafdistributingincanopyunderthesamecanopystructure，andthenbreakingresistanceincreased．(6)Inearlyseason，theattainableyieldWashigherunderdenseplanting(13．3×20cm)whenNWasappliedatarateof120-180kgha"1．However,theeffectofhilldensityongrainyieldwasrelativelysmallforlateseason，whilemoderatehilldensity(13．3×26．7cm)andlownitrogenrate(120kgha’1)wererecommendedfortheiradvantagesintermsofgrainyieldandlodgingresistant．Thelodingindexoflateseasonwashigherthanthoseofearlyseasonby58％and45％in2009and2010，respectively．(7)Remarkablyhighergrainyieldswereachievedinlateseasonthaninearlyseason，aslateseasonhadadvantagesoverearlyseasoninsinksizeandbiomassproduction．Thecomparativelylessyieldunderearlyseasonriceresultedduetotheslowergrowthduringvegetativephase，whichcanbeascribedtothelowertemperatureratherthanreducedmeandailyradiation．Inaddition，theaveragedairtemperatureduringgrainfillingandthenumberofdayswithmaximumtemperatureabove340Caroundfloweringstageweresignificantlygreaterinearlyseasonthaninlateseasonacrossthethreeyears，whichmighthaveledtoadecreaseingrain-fillingpercentage．(8)ThedirecteffectofsheathblightinfestationonlodgingresistanceWasfoundbyusingfungicidetreatmentandinoculationofR．solani．Sheathblightdevelopmentdoesnotaffecttillernumber．But，ithasagreateffectonleafareaindexandbiomassproductionafterflowering．Comparedwithcontr01．fungicidetreatmenthassignificantlyincreasedleafareaindexandbiomassproduction，especiallyunderdensecanopy4 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究structure．(9)Comparedwithcontrol，inoculationwithR．SO．hitreatmenthasdecreasedgrainyieldsignificantly．Generally,theyieldlosswasgreathighunderhighnitrogenanddenseplanting．followingbythelowestattainableyield．nlemaximumyieldlossbysheathblightinoculationinearly·andlate-seasonof2009and2010were30．1％，23．8％，23．7％and48．6％．Sheathblightinfestationcausedyieldlossisdrivenmainlybythedecreasedbiomassproduction，ratherthandecreasedharvestindex．Ontheotherhand，sheathblightepidemicraisedyieldlossiscontributedbythedecreasedgrainfilling，ratherthanspikeletspermzorgrainweight．Keywords：Double-seasonrice；Canopystructure；Lodgingresistance；Nitrogen；Hilldensity；Yieldloss；Epidemiology；InoculationofR．so肠ni5 本研究得到国家重点基础研究发展规划973项目(2009CB118605)农业公益性行业科技计划(201103003，201203096)共同资助 华中农业大学2012届博士学位论文缩略语表AbbreviationTable堕兰笪量塑塑TRTransplantingstageMTMid-tilleringstagePIPanicleinitiationstageHDHeadingstagePMPhysiologicalmaturitySPlADShBIRLHLSDo．05NLAIBMNSDMSPDFungiINONSERLRDSSoilandplantanalyzerdevelopmentSheathblightindexRelativelylesionheightLeastsignificantdifferenceatO．05levelNitrogenrateLeafareaindexBendingmomentStandarddeviationMikestagePlantingdensityFungiciderateInoculationtreatmentNosignificantEarly—seasonriceLate．seasonriceDouble—seasonriceDASDaysaftersowingDATDaysaftertransplantingFLFloweringstage6 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究刖吾水稻(OryzasativeaL．)为世界主要粮食作物，世界上有半数以上的人口以稻谷为主粮，有1．5亿公顷的土地面积，占世界可耕作土地面积10％以上被用来种植水稻(FAOSTAL2009)。在1993年，110个国家共生产5．3亿吨稻谷，稻谷生产量大约占全部谷类生产的30％。FAO(2001)预测到2025年由于人口的不断增长全球水稻产量必须要达到800吨才能基本满足人1：3的温饱问题，并且这一预测值比目前水稻总产量要高出200吨左右。亚洲为水稻的主要产区，其稻谷产量占世界总产量的90％，然而随着现代工业的发展，耕地面积在逐年减少以及世界人口的不断增加，因此提高水稻单产将是保障粮食安全的主要途径(Cassman，1999)。按照推算亚洲产稻国应从目前较低的产量，即每公顷5吨提高到8．5吨才能基本满足人口增长的需要，而水稻的产量潜力也应由现在的每公顷10吨提高到15吨的产量。该目标的实现必须要通过新品种的选育如超级稻育种和新株型改良来进一步提高生物量和产量，同时进一步加强水稻栽培管理措施充分利用温光资源发挥品种的产量潜力，也将发挥其重要的作用(袁隆平，1987、1997、2001；彭少兵，2008)。然而随着水稻产量水平的进一步提高以及全球气候变化，病虫害对水稻产量的制约越来越明显(居为民等，2000；王艳青等，2006)，农药化肥施用量不断增加也带来了更为严重的经济问题和环境污染等问题，据报道我国过量使用化肥和农药已经达到极限(Guoeta1．，2010)，同时由于基于提高生物量的高产高秆型品种的大面积推广以及全球极端气候的频频发生，水稻倒伏问题已经成为限制水稻产量高效的最主要因素(邓文等，2006；王勇等，2007)。水稻籽粒产量形成于地上冠层的干物质积累及其转动，地上部一般被称为群体即水稻产量源库交集之处，群体结构的优劣对水稻产量和倒伏抗性起着决定性的作用，同时群体结构与其冠层小气候是病虫害滋生之所，群体结构的大小及空间构型直接或间接地影响纹枯病的传播(唐启源，2005；Savaryeta1．，2001；Andoeta1．，2007)，因此要解决水稻生产面临的实际问题，必须深入研究水稻群体结构特性及其对纹枯病流行、倒伏抗性和产量的影响，并通过栽培措施进行合理的调控。1水稻群体的冠层结构特性1．1群体结构的定义及其相关指标冠层一般指的是由地上部植冠层和与之相伴的气冠层所组成，该组成也一般被称为群体，根系尽管也是植株必不可少的一部分，但由于水稻群体干物质生产的90％以上积累在冠层，因此通常只将地上部的植冠层定义为群体，该群体内部的空间构造一般被称为群体结构(唐启源，2005)。凌启鸿等(2007)认为合理的生理功能和形态空间结构是水稻高产群体必须具备的，同时群体结构也应该具备较强的光合生7 华中农业大学2012届博士学位论文产能力，对群体光合积累和产量起决定作用的形态和生理指标称之为群体质量指标，因此水稻群体质量指标体系就是指这些质量指标的最优化组合。1．2若干栽培措施对群体结构的影响栽培措施对水稻群体结构有较大影响，科研工作者因此主要通过最佳的栽培管理来构建合理的冠层结构来提高产量，其中以氮肥对群体结构的影响很大，前人做过大量的相关研究，有关这方面的报道也较多(秦德荣等，1993；杜永林等，1999；冯惟珠，2000；叶永印等，2001；钟旭华等，2006；Wueta1．，2012)。大量研究表明，随着施氮的增加，叶面积指数和生物量均逐步增加，但是过量施用氮肥尽管会进一步提高叶面积指数，但往往会伴随着群体衰老加重，结实率、千粒重显著下降，最终导致产量的下降，不过在适宜的总施氮量的情况下，减少基肥的施入量，将氮肥后移至开花期将有利于后期干物质快速向籽粒转运，抽穗后净同化率和合光合作用增强，结实率、千粒重和产量提高。大量氮肥实验也表明，随着施氮量的增加，水稻叶片长度、宽度、叶面积、叶色值与单位面积含氮量均增加，同时叶片也表现更加披垂，叶片厚度下降。因此，氮肥对水稻群体建成和产量形成具有正负双重作用，只有充分理解了氮肥在构建群体结构中的作用后，才能更好地使氮肥在生产中发挥较大的作用。提高水稻产量除优化施氮量外，还可以通过调节栽培密度进一步优化群体结构，在这方面研究得比较多(丁克坚等，1998；贾汝志等，2007；刘海燕等，2008；Wheta1．，2012)，从水稻高产栽培技术的演变过程来看，20世纪60年代以前，由于种植的是高秆良种，因此水稻种植密度一向采用稀植。60．70年代，随着矮秆抗倒品种的推广密植栽培技术系统的发展受到了重视，使原来高秆品种的亩产从250．300kg提高到400kg左右。除在中国以外，例如在日本60年代以前水稻种植的移栽密度较低，但是随后的移栽逐渐增加，当然其中最主要的一个原因是大量的抗倒品种的成功选育同时这些品种的抗病能力也较强，一般认为依靠足够的主穗来保证产量在极端环境下不受到较大的影响，但是随着当地产量水平的进一步提高，地上部生物量的进一步提高，这种栽培途径的弊端逐渐显露出来，如营养生长期生长过快，抽穗后早衰过快。在70年代未80年代初，随着杂交水稻的大面积推广，大量的从事栽培生理的水稻栽培专家对稀植壮秧进行详细探讨，水稻稀植也可以是提高水稻高产的一条有效途径，稀植强调的是主要利用品种的强分蘖力发挥个体优势，研究发现它不仅提高了有效分蘖数，同时稀植增加了二次枝梗数，每穗粒数也明显增加，进而增加水稻产量。白20世纪80年代以后，水稻栽培技术又发生了较大转变以稀植栽培为主，形成穗粒兼顾结构，有效地解决了密植条件下感病以及倒伏所带来的恶果，为发挥个体优势以及稳产高产打下了良好的基础。1979年之后，蒋彭炎(1985) 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究根据研究结果，提出了水稻“稀少平”栽培法，其技术要点是：稀播培育多蘖壮秧，少本插，减少群体主茎数，强调中后期施肥比重，中期多次轻搁，后期干湿交替，增加根系活力。80年代初，凌启鸿等(2007)提出了水稻器官相关理论．水稻叶龄模式，其后又提出了群体质量栽培法，以培育高产优质群体结构为目标。当前，有报道称水稻强化栽培技术体系是可以从一定程度上使水稻品种真正发挥其生物学潜力，该技术不仅可以大幅度提高水稻单产而且还可以节约生产成本，是一种环境友好型的新型栽培技术，该栽培技术均主张扩大行距，单位面积穴数减小，通过增加每蔸穗数提高单位面积粒数，该方法更有利于健康群体结构的形成，防止群体早衰，以及有效提高群体抗倒抗病能力(吴文革等，2003)，但是该方法也受了许多科学家的质疑，该栽培技术有较大的局限性。1．3群体结构中冠层小气候的变化特性唐启源(2005)称作物冠层小气候特性是作物群体中植冠层相伴的气冠特性，该冠层受到植冠层的较大影响，二者互相依存。郭家选等(2006)认为小麦冠层温度高低受到日平均辐射量的较大影响，二者呈显著线性关系。李有(2004)的研究表明冬小麦在不同时期(拔节后期、孕穗期和成熟期)冠层内部的小气候与同期的大气候不同，不同品种间差异不明显，这可以不同品种间的冠层结构相差较大所引起，并且冠层内部的小气候受到栽培方式的影响较大(Ⅵmeta1．，1997)。刘允芬等(2000)Lt较了气象站的气象数据与水稻田的小气象站的数据发现，二者间的太阳总辐射和净辐射间存在显著线性关系。Yooeta1．(2001)研究指出，冠层下方的水温和冠层上部即外界的的大气温度对水稻冠层温度影响较大，冠内温度上升迟于冠层上部，因此通过水温可以一定程度上降低冠层内部的温度，起到防止高温的作用，一般来讲冠层内部的温度要低于附近气象站温度。Maroiseta1．(2004)研究结果表明棉花冠层小气候受到氮肥和行距的影响，一般来讲，越着施氮量的增加，冠层的叶面积指数较大，透光率较小，行距也具有同样的效果，最终导致冠层内的温度显著低于冠层外部的温度，同时也受到株高的影响，株高保持在一米左右时，冠层温度则从外界的33℃降到25℃左右，相对湿度从外界55％提高到85％。施肥对小麦冠层温度所产生影响存在品种间差异，但对于同一品种来讲，养分胁迫越严重则冠层叶面积指数越小，那么透光率越高导致冠层温度增加。Hasegawa(1978)发现在日均温较低时，外界温度与冠层内部的温度相关不大，只有高温条件下，二者温度相关才较大，例如在早上或晚上时，水稻叶温基本上等于外界的气温，与气温相比夜间反而高0．5．1．O℃，随日平均太阳辐射量的逐渐增加，叶温与气温之间差异增大。张邦馄等(1988)的研究结果也表明，冠层内温度变化规律为：中午2点左右最高值出现，此时太阳辐射量最大，稻田中气温日变幅比外界大气候的日变幅要低2．4℃左右。9 华中农业大学2012届博士学位论文水稻冠层内部的温度与大气温度平行变化，湿度则不仅受到外界温度的影响还受到植株繁茂性的较大影响，特别是在最高分蘖期(姚铭辉等，2003；钟旭华等，2006；Du，1995；Haneta1．，2003；Tangeta1．，2007)。Khushueta1．(1991)通过研究了水稻不同生育期内冠层内部温度变化，结果表明冠层内气温峰值出现在下等二点钟左右。王文成等(2005)报道称，通过最佳的大小垄栽培方式可以提高稻田的光温湿等条件，这样不仅利于行间温湿度的降低，提高冠层低部的光照强度和群体透光率，并且改善群体内部小气候。徐思俭(1996)报道称水稻宽窄行栽插模式有利于改善水田小气候，可以在一定程度增加群体透光率，导致水温增高，加强了下部节间叶片的光合作用能力，这特别是对温度较低的地区来讲有着重要的意义。1．4高产水稻群体结构的形成1．4．1高产水稻产量构成因子水稻产量主要决定于单位土地面积粒数、粒重和结实率。库容大小是决定产量的关健因子(Yingeta1．，1998；Yangeta1．，2008)。库容大小可以通过密植或增施氮肥来提高单位面积穗数(San．oheta1．，2004)，或者通过育种手段选育大穗型品种来提高穗粒数(KoutroubasandNtanos，2003)，分蘖是水稻的重要的农艺性状之一，它与单位面积穗数呈显著的正相关关系(Millereta1．，1991；WuandWilson，1998；Aoeta1．，2010)。除此之外，水稻产量可以通过提高单位干重颖花生产效率来达到(Yangeta1．，2008)。另外，水稻籽粒产量也决定于干物质积累量和收获指数的大小。目前通过提高收获数来增加产量的可能性较小，因为收获指数已经达到极限(Mann，1999)，因此，进一步提高水稻产量潜力应该将提高生物量作为主要目标(Yingeta1．，1998；Pengeta1．，2000；BuenoandLafarge，2009)。据报道，提高花后干物质积累对增加产量具有非常重要的意义，因为产量主要决定于花后干物质生产与花前干物质转运量(Calderinieta1．，1997；NtanosandKoutroubas，2002；Takaieta1．，2006；Yangeta1．，2008)。不同品种在不同环境条件下对产量构成因素组合的要求是不一样的，因为产量构成因子之间存在着若干补偿机制，籽粒产量并不是与所有的产量构成因子都呈正相关，因此对于水稻高产来讲，对于不同品种或不同区域条件下高产的主攻方向是不一致的，例如徐正进(1992)就认为超高产以主攻大穗为主，适当地降低单位面积穗数，同时保持粒重的提高并且提高生物量可以获得高产。程在全等(1997)则认为，超高产水稻应该均衡地考虑各产量构成因子之间的关系，应该发挥其品种的特性，而杨惠杰(1999)则主要强调每穗粒数和单位面积穗数的重要性，该结果与张旭(1999)的研究结果比较相近，特别是对于早籼稻来讲特点如此。刘军(1998)则报道二次枝的结实率对水稻超高产来讲有着重要意义。李义珍(1995)与张四海等(2008)的报道同样也强调了单位面积总粒数对产量的贡献最大，而单位面积总IO 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究粒数受到单位面积穗数的影响最大。ChauandBhargava(1993)研究表明提高花后干物质生产、总粒数、库容量、籽粒灌浆期间叶面积指数均对提高产量也有重要作用。YolandaandDas(1995)的研究结果表明，产量与穗长、每穗颖花数、千粒重、收获指数均呈显著正相关，每穗粒数是影响产量的最主要的性状。Yaoeta1．(2012)的研究结果表明，半干旱水稻的产量与单位面积的分蘖数、收获指数和干物质积累量均呈正相关关系。Takaieta1．(2006)的研究表明提高抽穗前贮存物质运转率和提高花后干物质积累量，也是水稻高产的主要途径之一。因此，产量构成因子如：每穗颖花数、有效穗数、结实率和千粒重均与产量有着重要联系，即有利于上述4个因素增加的有关株型性状和生境因素，无疑都可以提高水稻产量，由于水稻品种存在较大差异，以及在不同环境中表现不一致，常常导致最终产量波动较大，但水稻高产栽培的目的，其核心还是在于如何选择最佳的品种，并且在优的栽培条件下构建适宜的水稻群体，在抽穗前构建足够大的库容，抽穗后尽可能保持上三叶片的光合作用能力，保证粒籽的灌浆充实。1．4．2产量构成因子影响因素影响产量构成因子的因素较多，主要以品种以及不同的种植条件对产量构成因子影响最大，杨建昌等(1992)分析表明，千粒重主要受到品种类型的影响，而每穗颖花数受顶部叶长以及SLW、SPAD影响。Katsuraeta1．(2010)和Yaoeta1．(2012)报道称产量及产量构成因子受灌溉方式影响较小，受施氮量的影响相对较大，其原因主要是在在雨养条件下，土壤并未达到一定的干旱胁迫程度。崔一龙等(1996)报道称在稀植条件下二次分蘖增多一次分蘖变化不明显，那么每穗粒数也逐渐增加，但单位面积总粒数并没有明显地增加。黄义德等(1999)研究表明，在水稻覆膜旱种条件下，每穗颖花数、结实率和千粒重均有下降趋势，其主要原因在于单位面积有效穗数增加，即二者存负相关关系，最终产量并没有发生较大变化。Yaoeta1．(2012)研究表明中稻产量在雨养条件下产量表现最好，这可能与在该条件下具有更优的群体结构有关，同时在中氮(135．190kgha"1)水平下更有利于高产，同时以上试验证实，施N肥可增加每蔸分蘖数和穗数，产量与施氮量间存在二次线性关系。除了施氮肥以外，在生产上还可以施用硅肥钾肥或有机肥均可以提高结实率、千粒重和收获指数(Komd6rfereta1．2001)。综上，合理施肥、采用适宜的种植密度和水分管理均有利于产量的增加，增幅大小同时也受到品种和环境因子等有关。1．4．3千物质生产与分配水稻群体干物质生产能力受到群体结构的影响，在叶面积指数较大条件下，则水稻群体干物质积累要快，当然适宜的空间构型也有利于其干物质的分配最终影响到籽粒产量。蒋彭炎等(1993)报道称开花期叶片光合较强则有利于干物质积累的 华中农业大学2012届博士学位论文增加最终导致成穗率的提高。Aoeta1．(20LO)认为，水稻分蘖数对干物质积累有重要影响，它是保证产量的主要因素，尽管其中有大部分无效分蘖的存在，它主要有利于叶面积指数和干物质量的增加。开花期的干物质积累不宜太高，应该着重强调抽穗后干物质积累，并且不同品种间在各个不同生育期内的干物质积累差异较大，杂交稻与常规稻相比，其开花后的生物量积累就明显高，这也可能是二者产量差存在的主要原因(苏祖芳等，1998；Katsuraeta1．，2008)。杨建昌等(1992)的研究结果表明亚种间杂交稻籽粒充实不良结实率较低的最主要的原因在于：合产物向穗部运转充分并且转运率较，光合作用产量的转动还受到其它元素的影响，例如磷钾等元素的转运与干物质的转运就有着密切的联系(黄育民等，1996)。2群体结构与水稻纹枯病流行的关系2．1水稻纹枯病介绍水稻纹枯病是一种土传性病害由立枯丝核菌(RhizoctoniasolaniKiihn)侵染，并它与其它土传性病害(主要侵染地下部分)不一样，它主要侵染地上部分(Srinivasacharyeta1．，2011)。近年来随着氮肥的施用量增加、种植密度的增加以及矮秆、多蘖型高产杂交稻品种的大面积推广进一步地加剧了纹枯病的发生(廖皓年等，1997；Castillaeta1．，1996；Cueta1．，1996；Simoneta1．，2003)。到目前为止，对纹枯病表现高抗的品种还没有找到(Bonmarmeta1．，1992；Srinivasacharyeta1．，2011)。然而采用传统的纹枯病防治方法即使用农药会带来一系列的环境问题。纹枯病侵染植株时一般分为水平传播阶段和垂直传播阶段(Kozaka，1975；Srinivasacharyeta1．，2011)在水平传播阶段群体内的叶片相交频率和温湿度对纹枯病的叶传阶段起重要作用(Savaryeta1．，1995；Castillaeta1．，1996)。水稻纹枯病抗性是一个十分复杂的性状，它可能受到植株本身形态特征和遗传背景的影响(Haneta1．，2003)。尽管到目前为止还没有找到纹枯病高抗品种，但是纹枯病中抗品种已经被大量报道(PrasadandEizenga，2008)。采用分子辅助育种选择抗性较好的品种来控制纹枯病的流行可能是最经济并行之有效的策略。2．2影响纹枯病发生的因素影响纹枯病发生的因素很多，从纹枯病流行学角度出发，影响纹枯病的最主要因素是叶片的相交频率，因为纹枯病的流行与扩展主要是依靠初始病斑处产生菌丝后向健康的组织扩散，然后在产生新的病斑的这样一个过程(Savaryeta1．，1995，1997)，其次就是群体内部的湿度对纹枯病的流行也有很大的间接作用，当冠层内部湿度较大时，病斑所产生的菌丝生长得更快，有利于侵染新的组织，除此之外，纹枯病还受品种、肥料和气候的影响，(Castillaeta1．，1996；Tangeta1．，2007：Prasad12 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究andEizenga,2008；Wueta1．，2012)。不同品种间的群体结构差异较大，特别是叶鞘结构组成差异较大，因为水稻纹枯病菌丝体是从叶鞘内侧侵害稻株组织，对于叶鞘疏松的水稻品种则纹枯病较易浸染。除此之外，不同季节间纹枯病流行还受到当季土壤或水体中残留的带菌体或菌核数量的较大影响(Savaryeta1．，1998)，这也可能是导致不同季节或不同年份间纹枯病发生程度差异的重要影响因素。2．3纹枯病流行规律与群体结构相关的指标对纹枯病流行有着重要影响，例如叶面积指数、群体透光率、SPAD值、干物质积累量和分蘖数(钟旭华等，2007；Tangetal，2008)，但是它们对纹枯病影响都是间接的(Wueta1．，2012)，尽管它们都与纹枯病病情指数都呈显著的相关性，但这并不能说明这些指标全部都是导致纹枯病流行的直接原因，即有可能是由于某些群体指标仅仅与纹枯病流行的关键因子紧密相关，它们与纹枯病流行并不存在着因果关系，wheta1．(2012)通过逐步回归分析得出叶片相交频率在二年共4季均存在于回归模型中(pS0．01)，因此可以说明叶片相交频率可以作为解释纹枯病流行最直接的因素，该结论与Savaryeta1．(1995)和Castillaeta1．(1996)的结果较一致，即叶片之间的相互交错为纹枯病菌丝的快速扩展提供了途径。在纹枯病叶传阶段，较高的叶片相交频率将促进纹枯病菌丝的快速传播，这说明群体结构最终主要是通过影响到叶片相交频率来影响纹枯病的传播的。同时还发现株高与分蘖数也存在于该回归模型中，钟旭华等(2006)和Haneta1．(2003)研究表明株高和分蘖数与纹枯病流行分别呈显著的负相关和正相关，可以这样解释随着株高的增加，垂直方向上相邻叶片问的节问长度变长，则叶片相交频率降低，同样随着分蘖数的增加会导致单位面积上的叶片相交频率急剧上升，最终影响到纹枯病的流行。纹枯病的流行可以大体上分为二个不同的阶段(Savaryeta1．，1997；Savaryeta1．，2001)，第一阶段叫土传阶段，主要是由土壤或水体中残留的带茵体或菌核侵染茎秆下部节间，因此在该阶段纹枯病的流行主要受到土壤或水体中的残留的带菌体或菌核决定。第二阶段即叶传阶段，主要是纹枯病从群体底部开始向上部扩展，它通过菌丝的快速生长从最原始的侵染病斑向健康的组织曼延，这样健康的组织产生新的病斑后，菌丝又开始向同株或不同株的健康组织进行扩展，不停地产生新的侵染点。这二个阶段也可以将它们划分为二个过程，分别为水平传播和垂直传播(Kozaka，1961)。密集的群体群体结构在叶传阶段因为具有较大的叶片相交频率，所以加速了纹枯病的水平扩展，同时由于在密集群体结构下高湿也利于纹枯病的垂直传播(Savaryeta1．，1995；Castillaeta1．，1996；Willocqueteta1．，2000；Haneta1．，2003；Tangeta1．，2007)。Wuetal，(2012)研究表明在较密集群体结构条件下，纹枯病病情指数较大，同时纹枯病的流行可以直接导致茎秆下部叶片枯黄并加速早衰，倒三节间叶色值明13 华中农业大学2012届博士学位论文显降低、死亡叶片叶鞘重增多(图1．3)、光合作用下降、碳水化合物生产降低，最后导致水稻产量严重减产(MarchettiandBollich，1991)，除此之外，Wueta1．(2012)报道了纹枯病的发生还导致了茎秆倒伏抗性的降低。2．4纹枯病的防治水稻产量和品质严重地受到了病虫害的制约，其中水稻纹枯病是水稻种植过程中的一种最主要的病害。目前，随着我国高产栽培体系的不断发展，水稻种植过程常伴随着氮肥的大量施用以及移栽密度过大等特点，这极易导致水稻生长过旺并且加重了纹枯病的流行(Sharmaeta1．，1995；Castillaeta1．，1996；Slatoneta1．2003；Weeta1．，2012)，使水稻的产量和品质受到严重影响(Tangeta1．，2007)。叶片相交频率是纹枯病流行主要的影响因子，并且它可以较好地作为群体结构是否利于纹枯病流行的预测性指标(Savaryeta1．，1995，1997；Wueta1．，2012)，即在叶片相交频率较小时，较稀疏的群体结构条件下纹枯病发生较轻，但是在该条件下群体干物质生产量小，产量也因此而受到较大的限制(Duyeta1．，2004b)。据报道产量的进一步提高要以进一步提高生物量为前提(Pengeta1．，2000；BuenoandLafarge，2009)，因为收获指数目前已经达到0．5，几乎很难在提高(Yingeta1．，1998)。因此，Wueta1．(2012)研究结果表明必须要综合考虑群体结构与纹枯病流行和产量之间的关系，即在叶片相交频率为500．1000时，产量并没有因为较稀疏的群体而受到限制，同时病情的压力与倒伏的风险都维持在一起程度内。通过最佳的作物管理如合理调控氮肥用量和使用适宜的移栽密度可以控制纹枯病的流行，从而达到了构建健康冠层结构的目的，可以把这种抗病定义为“病害逃避”(Andoela1．，2007)。Groth(2008)报道称目前应用化学杀菌剂仍然是防治水稻纹枯病的最为有效的手段，然而过量施用农药必定会加重土壤环境污染严重，并且易导致病原菌产生抗药性等不利于可持续发展农业的需要(胡秀荣，2006)，同时可以维持生态环境的平衡。传统的农业栽培措施如：打捞越冬菌核、加强栽培管理等都具有很好的防效。但由于大量的人力物力的投入也大大限制了该方法的效果，由于稻农主要以追求高产为目的，采用轻简化栽培技术并且在高密度高施氮量条件下为病原菌创造了适宜的生长环境(王艳青，2006；Sharmaeta1．，1995；)，使得通过栽培措施来防治纹枯病难度增大。目前生物防治的研究取得了很大的进展，该方向较有较好的前景，有大量的研究人员在该方向较得了较好的成绩(ChetandBaker，1981；Howell，1987：JacobsenandBaekman，1993：Tweddelleta1．，1994：Nobutakaeta1．，2003：Marketa1．，2004；Muthukumareta1．，2007)，另外，在具有较高的干物质积累的条件下，同时降低纹枯病病情指数也具有十分重要的意义，因为群体透光率和叶片相交频率与纹枯病分别呈负相关和正相关关系(钟旭华等，2007)，我们可以通过改善水稻株型如提14 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究高叶基角(主要通过作物管理或育种选择)来提高群体透光率和降低叶片相交频率从而控制病害的发生(Pengeta1．，2008)。直立的叶片不仅可以降低病害发生有利于的健康冠层的构建，它还可以降低消光系数从而保持了下部叶片较高的光合作用，有效地解决了病害的发生与水稻高产的矛盾(Wueta1．．2012)。2．5水稻纹枯病对产量的影响纹枯病对水稻产量有很大的影响，一般是随着施氮量以及密度的增加，纹枯病病情加重，从而产量损失增加(Savaryeta1．，1995；Cueta1．，1996；Slatoneta1．，2003；GrothandBond，2007；Tangeta1．，2007；Wueta1．，2012)，前人从50年代起就开始对纹枯病所造成的产量损失进行了大量的研究，一般来讲其产量损失一般在10．30％(Tengeta1．，1990；Tangeta1．，2007)，并且在纹枯病发生较为严重时可达到50％(MarchettiandBollich，1991)，纹枯病所造成的产量损失超过50％还未见报道。Wueta1．(2012)的研究结果也进一步说明了该结论即纹枯病所导致的产量损失可能会高于31％，因为水稻纹枯病的发生会导致倒伏的发生(Wueta1．，2012)，那么倒伏会进一步地加大纹枯病所导致的产量损失，那产量损失最高达到了48．6％。Sharmaeta1．(1995)研究表明，矮秆早熟品种与高秆晚熟品种相比，更易感病，因此产量损失要大。因此，对于双季稻来讲，由于其主要采用矮秆早熟型品种，因此其纹枯病发生与一季稻相比要严重。目前大量研究利用QTL定位找到与纹枯病抗性相关的基因(Paneta1．，1999；Zoueta1．，2000；Liueta1．，2009)，然后这些QTL基因位点的有效性却很难被确认，因为不同研究小组材料所生长的环境是不一样的。2．6栽培措施对纹枯病发生的影响大量报道显示高氮高密由于形成了较大的群体易导致纹枯病的发生。Slatoneta1．(2003)认为高施氮量条件下特别是在分蘖期其纹枯病的水平扩展较快，但是对开花后施氮量对纹枯病的垂直扩展的影响相对较小。氮肥种类对水稻纹枯流行也有较大影响，以硝酸盐作氮源可以显著减轻纹枯病的发生，这可能说明纹枯病菌丝的生长需要一定的营养元素(BasuandGupta，1996)，但针对该研究报道较少。Rodrigueseta1．(2003a；2003b)则报道硅肥对限制纹枯病的发生有较大帮助，并且还可以提高了水稻各个生育期的生物量，施用硅肥后植株各组织中的硅浓度均显著提高。通过接种处理发现在水稻PI期接种效果最好，即在该时期水稻对纹枯病的抗性最差。密度对纹枯病的垂直扩展作用要大于N肥，主要是因为对于移栽稻来讲密植更能使蔸内分蘖高度集中，而氮肥的这种效应不如移栽密度，分蘖高度集中在一起导致篼内湿度明显增加，显著加重了纹枯病的垂直传播(Castillaeta1．，1996；Willocqueteta1．，2000；Wueta1．．2012)。15 华中农业大学2012届博士学位论文2．7群体结构对纹枯病流行的影响Harteta1．(2003)通过偏相关分析表明植株的株型中以松紧度与病级的表型存在最大的偏相关关系，表明株型主要是间接影响纹枯病的发生，株型主要是通过改变田间小气候，例如冠层内部的温湿度等来影响纹枯病的流行程度。Savaryeta1．(1995)和Tangeta1．(2007)认为水稻群体结构中叶的密度、透光率和叶片相交频率等相关指标对纹枯病发病起重要作用，但它们主要是通过增加冠层叶片的湿度、叶片交点个数进而对纹枯病发生作用的。然而Willocqueteta1．(2000)报道，直播稻的纹枯病低于移栽稻，其主要原因是对于移栽来讲，每蔸的分蘖都集中在一起，而对于直播稻尽管单位面积分蘖数较多，但大多数都是分蘖分散的，因此最终尽管直播稻的叶片相交频率却高于移栽稻，最终其纹枯病病情指数却并不高。钟旭华等(2006)研究报道，水稻纹枯病流行与抽穗期叶面积指数、干物质重、分蘖数和叶色值呈显著的正相关关系，因此在抽穗前期通过栽培措施调控群体大小能够有效控制纹枯病的传播。在小麦叶枯病方面，有较多研究者研究了群体结构对叶枯病的流行，研究发现群体叶面积指数、冠层上部叶片长度、株高、叶夹角和节间伸长长度等都对叶枯病的流行有较大的影响(Lovelleta1．，1997；Bannoneta1．，1998；Pielaateta1．，2002；Roberteta1．，2008)。群体结构的差异可以较大程度地影响纹枯病的流行，这仅仅纹枯病发生较轻条件下(Willocqueteta1．，2000)，但是在纹枯病接种条件下却并非如此(Wueta1．，2012)，因为在自然发病条件下，纹枯病的流行主要取决于同一蔸内不同分蘖间或蔸与蔸之间的传播速度(Savaryeta1．1995；Willocqueteta1．，2000)，而在接种条件下人为地提供了足够的菌源，纹枯病的流行并不受同一蔸内不同分蘖间或蔸与蔸之间的传播速度的影响，它主要受到蔸内垂直扩散速度的影响。Willocqueteta1．(2000)报道称，对于常规移栽稻来讲，由于同一蔸内的各个分蘖都集中在一起，那么势必导致蔸内的湿度较大这样就形成的一个非常有利于纹枯病扩展的微环境了，尽管在不同移栽密度处理下，群体大小有所改变，但是这种利于纹枯病扩展的微环境并没有发生较大的改变，因此氮素水平或移栽密度所构建的群体结构在接种条件下对纹枯病的流行影响较小。2．8冠层小气候对纹枯病发生的影响大量研究学者对田间小气候对纹枯病流行做了大量工作，纹枯病在最适宜的温度和温度条件下才能快速地侵染(唐启源，2005；Castillaeta1．，1996；Willocqueteta1．2011)。唐启源(2005)报道称在开花期群体透光率每减少10％，冠层昼温每降低l℃，开花期病情指数将分别提高1．5％和2．4％，冠层湿度每增加10％，纹枯病病情指数将提高3．6％，并且通过对水稻群体植冠性状、冠层小气候指标和植株营养状况指标16 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究分析表明。对于纹枯病病情，发病前期以植冠性状直接影响较大，以后转向受冠层小气候性状的影响较大。Haneta1．(2003)研究表明，株高主要是通过影响冠层内的温湿度和透光率，间接地影响纹枯病的传播的。冠层小气候除对纹枯病有影响外，SingandTripath(1991)报道发现，冠层积温与水稻产量呈负相关关系。有关水稻冠层营养特性与纹枯病之间的关系前人也做过相关研究，例如纹枯病病情指数与水稻组织的含N量、还原糖含量和可溶性糖含量等营养状况紧密相关，高含氮量则发病重(唐启源，2005；Castillaeta1．，1996；Slatoneta1．，2003；Waiterseta1．，2007)，但Savaryeta1．(1995)和唐启源(2005)报道纹枯病的发展不仅受到氮含量的影响，还受到冠层小气候的影响。Savaryeta1．(1997)研究表明氮肥并不是直接影响纹枯病流行，它是通过影响叶片相交频率，进而对纹枯病流行产生作用。2．9水稻纹枯病接种方法纹枯病接种是鉴定水稻纹枯病抗性通常方法，保证每株都具有较一致的发病程度，高效的接种方法为准确评价在不同品种问的纹枯病的抗性水平提高了有力的保障，对于抗源筛选，接中方法和鉴定方法都必须简单易行，对于遗传研究，必须保证在不改变田间小气候并且田间植株的自然状态未发生较大变化，以防田间小气候对鉴定结果的准确性产生影响。纹枯病接种方法主要有如下六种：2．9．1撒施法首先将稻谷和稻壳按1：2的比例进进充分混合，在灭菌后放入锥形瓶中接种培养15至20天左右，待在培养口罩长满菌核时，在进行扩大培养，三天左右均匀撒施在需要接种蔸数的基部，接种量控制在30mum左右，应根据培养物所含茵丝的多少进行适应调整(唐启源，2005)。该方法最先是由Rush等在国际水稻所(1985)建立，优点是简单易行，缺点是该方法很难保证每蔸所获取的接种量_致，人为操作误差较大，容易导致各单株的发病时间不一致，发病程度也不均匀，此法可用于抗源筛选，但不适合用于遗传研究。2．9．2外贴法先将纹枯病病菌在PDA培养基上恒温培养3天左右，用保鲜膜或胶带将已充分培养好的菌丝块(保证每个接种点的菌丝块大小一致)外贴于植株基部，每丛分别接种3个分蘖，接种点一般位于在倒三节间。此法发病不均匀，且工作量大，不适宜用于抗源鉴定。2．9．3捆扎法与外贴法相似，先准备长约15cm的水稻茎秆，灭菌后进行纹枯病接种，并在17 华中农业大学2012届博士学位论文培养瓶中进行培养，大概10天左右，培养瓶中长满大量菌核时，即可以进行大田接种。田间接种一般在水稻分蘖未期进行，这样接种效果较好，每蔸水稻的基部放入一枝接种茎秆，以胶带使稻株的多数分蘖接触接种物。过崇俭等(1985)认为此方法操作简便适合用于抗源鉴定。但由于捆扎法改变了植株的原有的状态，一定程度上会混淆遗传效应和环境的作用，由于接种物与每株分蘖接触不一致会导致发病不均，因此不宜用作遗传研究。2．9．4嵌入法由Panetal．(1999)提出的接种方法。具体做法是，先将木质牙签剪成1cm左右，灭菌后将均匀平放在培养皿的底部，并加入10ml的PDB培养基，恒温下培养三天后，菌丝密集地布满整个培养基时即可用进行接种，每蔸一般接种三个茎秆，接种位点在倒三叶鞘之间，接种时间一般在幼穗分化期，在该时期接种由于倒三节间的不再伸长，因此接种对叶鞘的包茎状态不会有较大的改变，也不会影响植株的自然状态，由于短牙签接种法因为是将牙签放入在叶鞘里面，菌丝在这样一个保持高湿度的条件下可以保证接种效率。wheta1．(2012)结果表明采用牙签接种方法可以高效准确地评价不同品种或家系间纹枯病抗性水平，因为在本试验条件下该方法并未受到不同品种间群体结构的影响，该结果与其他报道一致(Paneta1．，1999；Zoueta1．，2000；Haneta1．，2003；PrasadandEizenga，2008；Srinivasacharyeta1．，2011)。因此该方法适合于抗病遗传研究，缺点是接种较费时。2．9．5微室法由于纹枯病的接种过程需要较高的湿度，因此人为地制造的一种微环境使该湿度达到饱和，然后在进行纹枯病接种。例如Jiaeta1．(2007)将幼苗放在可乐瓶中生长，使下幼苗基部保持较高的湿度然后在进行接种，这些方法可适用于遗传研究。2．9．6注射法具体做法是在PDA培养基上对纹枯病病原菌进行扩大培养，数天后去除菌核，用研钵将菌核磨成均匀一致的菌液后，然后用注射器将菌液注入到倒三叶叶鞘内，每个株系接种10个分蘖，每个分蘖的接种量为0．25ml，该方法最大的优点是保证每个分蘖的接种量较一致，但是缺点是受到叶鞘结构的影响较大，可以用于遗传研究。总之应根据不同的研究目标采取相应的纹枯病接种方法3群体结构与水稻倒伏的关系3．1水稻倒伏简介倒伏是水稻产量的主要限制因子，倒伏不仅降低稻谷产量，同时也影响稻谷品 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究质，并伴随着生产成本的增加。实际生产中一般将水稻倒伏分为二种类型，即根倒和茎倒，根倒指稻株根系扎根力较弱而导致全株倒伏，此类倒伏常见于旱稻或直播稻，茎倒指稻株地上茎秆弯折或折断而引起的倒伏，其多见于移栽稻。目前，由于氮肥的施用量和移栽密度的不断增加、全球极端天气的频频发生以及高产大穗型品种的大面积推广，水稻倒伏问题日益严重(Wueta1．，2012)。据报道，水稻倒伏后，群体结构发生永久性改变，群体内部通风透光条件变差，下部叶片枯黄腐烂，功能叶面积下降，叶片光合速率锐减，茎秆输导系统受阻，籽粒灌浆不充分，稻米垩白粒率及碎米率增加，精米的光泽度变差(Hitaka,1969；HoshikawaandWang，1990；Settereta1．，1997)。除此之外，倒伏的发生还增加了水稻收割的难度，因此倒伏问题是水稻高产稳产优质高效的重要限制因素之一。水稻倒伏一般发生在基部节间(HoshikawaandWang，1990)。Islameta1．(2007)报道茎秆直径与单位节间长度干重与茎秆抗折力呈显著正相关关系，并且发现茎秆抗折力对提高抗倒伏性有很大帮助。茎秆基部因为有叶鞘包裹因此抗折力大大增加了30．60％(Chang，1964；OokawaandIshihara,1992)。由于水稻纹枯病初始病斑一般发生基部叶鞘，这样势必会削弱叶鞘所起的作用，降低了茎秆抗折力，同时倒伏指数上升，那么水稻发生倒伏机率将会大大增加。自20世纪50年代以来，国际水稻所矮化育种的成功基本上解决了水稻的倒伏问题，同时水稻的产量也有了很大的提高(Pengeta1．，1999)。3．2倒伏对水稻生产及产量的影响倒伏是水稻产量的主要限制因子，倒伏不仅降低稻谷产量，而且也影响稻谷品质并伴随着生产成本增加，水稻倒伏后群体结构发生永久性改变，群体内部通风透光条件变差，下部叶片枯黄腐烂，功能叶面积以及光合速率显著下降，茎秆输导系统和籽粒灌浆受阻，稻米恶白粒率及碎米率增加，精米的光泽度变差(王勇等，2007；Hitaka,1969：HoshikawaandWang，1990；Settereta1．，1997)。不同时期倒伏的发生所导致的产量损失是不一样的，李文熙(1991)报道称水稻在乳熟期发生倒伏所造成的产量损失最大为34％，其次是腊熟期和黄熟期，产量损失分别为21％和20％，倒伏发生后稻米品质也大大下降，淀粉崩解值和最高粘度降低，直链淀粉和蛋白质含量升高。刘利华等(2009)的研究结果同样表明了水稻产量损失随着倒伏时离成熟时间越长产量损失越大，并且通过伏正可以显著降低产量损失，对提高水稻产量和增加农民收益都有十分重要的意义。同时倒伏问题还增加了水稻收割的难度，使水稻大面积推广受到一定限制，因此，倒伏问题是限制水稻高产稳产优质高效的重要限制因素之一。19 华中农业大学2012届博士学位论文3．3水稻倒伏的主要影响因子3．3．1株高正是因为通过降低了株高，水稻抗倒能力与收获指数都得到了较大的提高，第一次水稻绿色革命才得己成功，因此水稻产量的提高应该建立在以提高茎秆的抗倒能力为前提。同时大量研究结果表明株高是水稻倒伏的重要影响因子(郭玉华等，2003；马均等，2004；李红娇等，2008；王秀凤等，2008)，株高与倒伏指数呈显著或极显著正相关，茎秆的抗折断力与株高的平方成反比(张秋英等，2005；Islameta1．，2007)。水稻发生倒伏的实质是茎秆的抗倒力矩与自身的弯曲力矩相互平衡的一个过程，当茎秆的株高、重心和鲜重较大时，那么当其组合值大于其茎秆的抗折力矩时，则倒伏就会发生，并且一般在基部节间极易出现这种情况，也就是说倒伏一般只发生在基部节间(HoshikawaandWang，1990；OokawaandIshihara,1992；Islameta1．，2007)，而茎秆上部节间长度可以影响到株高，从而对倒伏产生一定的影响，株高可以显著增加茎秆的弯曲力矩，倒伏指数增加。因此在茎秆物理性状不良充实度较低下，茎秆的抗倒力矩较弱，极易导致倒伏的发生(OokawaandIshihara，1992)。但也有研究认为除株高以外可能是其它因素在影响倒伏，株高可能不是造成倒伏的真正原因，若株高控制在一定范围内，株高并不会影响到茎秆的抗倒能力(华泽田等，2003)。同样张忠旭等(1999)的研究结果也表明，不同品种间倒伏抗性存在基因型差异，矮秆品种不一定就抗倒，高秆品种由于茎秆抗折力强也可能不会发生倒伏，比如有些杂交稻尽管株高较高，但其茎秆粗壮抗倒伏能力较强。3．3．2茎秆形态特性以前大量研究表明基部各伸长节间长度、直径、充实程度(鲜重)、秆壁厚度、单茎重、叶鞘包茎度等对茎秆抗倒性有重影响，且基部各伸长节间短，秆壁厚，茎秆直径大，充实程度高，单茎越重叶鞘包茎度大均有利于增强茎秆的抗折力从而提高抗倒伏能力(邹德堂等，1997；杨惠杰等；2000；霍中洋等，2003；华泽田等，2003；万宜珍和马国辉，2003：穆平等，2004)。但是杨惠杰等(2000)的研究却表明茎秆的粗细对倒伏指数影响较小，尽管与抗折力有一定的相关关系，究其原因可能是由于在茎秆较粗的条件，一般该茎秆的穗子都较大，导致弯曲力矩较大，也容易引起倒伏的发生。3．3．3茎秆生理特性3．3．3．1可用性糖、淀粉大量研究表明茎秆基部节间充实度受到节间贮存的可用性糖含量的较大影响，因此其与倒伏有着密切关系。刘立军等(2002)研究表明移栽稻的抗倒能力强于直20 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究播稻，其主要原因是旱直播稻的水稻基部节间淀粉和可用性糖含量要明显低于水种水稻，节间充实不良易导致抗倒伏能力下降，而郭玉华等(2003)的研究却认为二者之间并不存在明显的相关性，因为倒伏抗性主要受到基部节间机械强度的影响，尽管如此，较高的淀粉和糖含量对提高产量是非常有意义的。3．3．3．2纤维素、半纤维素及微管束数目纤维素和半纤维素对茎秆的机械强度有较大影响，并且微管束在水稻茎秆中起重要的支撑作用，因此其对茎秆倒伏抗性有重要影响(郭玉华等，2003)。同时，马国辉等(2000)通过比较不同品种间倒伏抗性的差异发现纤维素、半纤维素是解释其差异存在的关键因子。3．3．3．3钾、硅等元素除钙元素、锌元素等对倒伏抗性有较大影响外，钾和有益营养元素硅也对茎秆倒伏抗性有作用，它不仅是水稻生长发育所必需的大量营养元素同时也可以促进茎秆的生长发育，增强其抗折力，马国辉等(2000)在比较不同品种间抗倒能力中发现，抗倒性较高的品种其钾、硅元素含量也较高。3．3．3．4植株生理活性过早的发生早衰特别是在水稻生育后期，与水稻倒伏能力有着直接关系。因为植株早衰严重影响茎秆充实度，基部节间贮存的可用性糖和淀粉含量降低，容易引起倒伏。植株的生理活性还包括合成植株生长的一些相关酶类，刘立军等(2002)研究表明，叶片的SPAD值和根源激素等对茎秆倒伏抗性也有重要影响。3．3．4穗型穗型也是影响抗倒伏性的重要因素，根据穗子的大小可以将穗型分为三种类型：直立、半直立和弯曲穗型结构(徐正进等，2004)，穗型主要是间接影响到茎秆倒伏抗性的，主要是通过弯曲力矩和重心高度影响抗倒伏性，对于大穗会导致植株重心下降和弯曲力矩降低最终倒伏指数下降，反之则抗倒伏性上升(都兴林等，2004；徐正进等，2004；马均等，2004；周丽华等，2006；胡江等，2008)。3．3．5栽培措施栽培条件主要是通过影响构成茎秆材料生化成分来作用于倒伏抗性的，在该研究方面的报道较多，主要集中在研究不同氮肥硅肥施用量、移栽密度、水分管理模式、种植模式或施肥方式等对倒伏抗性的影响，一般来讲，在高氮高密条件茎秆抗折力下降倒伏指数上升，施用硅肥也可以显著提高茎秆的抗倒能力，并且可以通合理施肥的方式来提高茎秆的倒伏抗性，不同的水分管理条件下以半干旱处理下茎秆倒伏指数最低，直播稻的抗倒伏能力要明显低于移栽稻，其主要原因在于基部节间21 华中农业大学2012届博士学位论文的抗折力要明显低于移栽稻，因此倒伏问题是直播稻大面积推广所面临的一个巨大难题(戴元才等，1996；李荣田等，1996；魏朝富等，1997；张忠旭等，1999；马国辉等，2000：顾掌根等，2001；周青等，2001；刘立军等，2002：郭玉华等，2003；唐拴虎等，2004；杨长明等，2004；吴文革等，2006；Wueta1．，2012)，同时也有大量研究表明施用硅肥对倒伏抗性并没有较好的效果，它受到当地气候以及土壤是否缺硅等的较大影响。3．4群体结构对倒伏的影响由于倒伏一般发生在基部，因此通常只测定基部节间的倒伏指数及倒伏相关指标(HoshikawaandWang，1990)，在与倒伏相关性状中以抗折力与倒伏指数最为相关(Islameta1．，2007)，因此以前有大量研究就直接以基部茎秆的抗折力来衡量水稻的倒伏抗能力。一般来讲，倒伏指数随着施氮水平和移栽密度增加而增加(Duyeta1．2004a；Islameta1．，2009；Wueta1．，2012)。Wueta1．(2012)报道称在高氮水平下降低了茎秆倒伏指数，尽管对单位长度干重和茎秆直径没有显著影响，在密植条件下，均降低了茎秆抗折力、弯曲力矩、直径、和单位长度干重，因为茎秆抗折力的下降程度大于弯曲力矩的下降程度，因此密植最终增加了倒伏指数。在大群体条件下，主要由于茎秆的形态结构发生了较大变化，个体与群体发育存在较大矛盾，群体生长过旺，个体发育受限，单株特别是下部节间充实度和直径下降，最终导致抗折力的显著下降，Islameta1．(2007)也论证了抗折力的下降主要原因是下部节间充实度和茎秆直径下降导致的。随着群体大小(分别用抽穗期叶面积指数、茎蘖数和干物质积累来表示)的增加，茎秆倒伏指数都极显著增加，这充分说明在大群体条件下，群体发生倒伏的风险要明显增大，因此尽管群体大小对产量的形成具有非常重要的作用(Yingeta1．，1998；KoutroubasandNtanos，2003；Lazaeta1．，2003)，但水稻高产群体还应具有较强的抗倒伏能力，因此，凌启鸿等(2007)认为水稻高产群体更应具有合理的形态空间结构和生理功能。3．5水稻抗倒性评价方法与指标3．5．1倒伏级别倒伏级别是衡量水稻发生倒伏后，倒伏面积占总小区面积的多少，倒伏级别越高，说明倒伏面积越多，Islameeta1．(2007)根据倒伏程度将倒伏分为1N9级，9级为全部倒伏，l级为未发生任何倒伏。国内的研究学者也有直接以植株发生倒伏的植株数占小区总株数的百分率来衡量倒伏级别。该方法较直观但该方法必须受制于气候条件，且把这一数量性状作为质量性状对待存在很大的局限性。 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究3．5．2倾斜角度法根据植株倾斜的角度来衡量茎秆的抗倒能力，根据倾斜角度的大小将倒伏程度划分为三种类型，分别为：倒伏型，倾斜型和直立型，它们所对应的倾斜角分别为40．45度，46．60度，61．90度(张忠旭等，1999；王勇等，2007)3．5．3抗折力矩这个指标是衡量倒伏能力最常见的一个值，它代表使其一特定高度的茎秆折断所需要的力，当这个力越大时说明茎秆的抗倒能力越强，当然国内学者也有用其它方法来表述，例如可以用抗折力直接代替抗折力矩。3．5．4倒伏指数等综合指标目前在国内外的有关倒伏方面的研究大多是引用这些倒伏指数相关的评价指标。节间弯曲力矩=节间至穗顶端的总长度X总重量，倒伏指数=节间弯曲力矩＼节间抗折力，节间抗折力是用仪器测定，不同研究人员所使用的仪器不一样，但其原理都是一样的。弯曲力矩越大说明茎秆越容易发生倒伏，抗折力越大说明茎秆抗倒。该方法考虑了节间的物理强度与植株重心高度可以较好地衡量茎秆的抗倒(Amanoeta1．，1993；Islameta1．，2008；Wueta1．，2012)3．5．5抗倒因子(Clr值、)万宜珍等(2003)在研究超级杂交稻抗倒力学差异时采用了Clr值作为茎秆抗倒能力的评价指标，抗倒伏系数(Clr值)=Mmax／H，Mmax表示茎秆弯曲时最大承载重，H表示最大承载重时穗弯曲顶端与地面的最短距离，茎秆所能承载的重量越重说明越抗倒，H值越大说明越容易发生倒伏，Clr值是首先在小麦抗倒伏研究上提出的，同样可以借鉴到水稻抗倒伏的研究中。Ookawaeta1．(2010a)也用同样用Clr值来表示茎秆的抗倒伏性能。3．6提高水稻倒伏抗性对策茎秆抗折力与倒伏指数呈显著负相关关系(申广勒等，2007；OokawaandIshihara，1992；Islameta1．，2008；Wueta1．，2012)，这说明通过提高茎秆抗折力可以提高倒伏指数从而提高水稻的抗倒能力。Wueta1．(2012)报道称双季稻茎秆抗折力与茎秆直径和单位节问干重都呈显著正相关关系，而倒伏指数与茎秆直径和单位节间干重都呈显著负相关关系，这充分说明可以通过提高茎秆直径和单位节间干重来提高茎秆抗折力，同时降低倒伏指数提高茎秆的抗倒能力。群体透光率与茎秆抗折力和倒伏指数分别呈极显著正相关和负相关关系(Wueta1．，2012)，这说明通过改善群体透光率，例如通过影响群体内部叶片分布规律，提 华中农业大学2012届博士学位论文高叶基角，即可以在相似的群体大小条件下提高群体透光率，提高了下部节间叶片光合作用速率，同时茎秆基部节间抗折力增加，倒伏指数降低。在通过栽培手段提高产量的同时，那么茎秆倒伏指数也在逐渐地增加(钟旭华等，2007)，即倒伏机率也在逐渐增加，因此可以进一步提高茎秆抗折力来降低茎秆倒伏指数，可以将茎秆抗折力作为品种选育工作的一项重要指标以提高品种的抗到能力，茎秆直径或单位节间长度干重更易于观察与测量可以作为抗倒品种的重要形态指标(Ookawaeta1．，2010a,2010b)。3．7水稻抗倒性遗传研究通过选育抗倒品种可能是解决倒伏问题的关键，因此从遗传学角度来研究水稻倒伏具有非常重要的意义(朱军等，1993；向波等，2008)。谭震波等(1996)定位到了若干QTL位点，通过分析该遗传效应表明，控制开花期的仅有一个QTL，其它的均为微效基因，控制节间长度单个QTL对表型的贡献率达8．18％，其加性效应控制的节间长度可使节间增加大约1．6．3．6cm。非常有价值的是，控制相关性状的一些QTL并且作用方向相同的QTL出现在同一染色体的相同或相近区段上。这也充分说明了这些性状相关的遗传基础，在水稻育种中运用这些QTL将有助于对株高以及倒伏抗性进行精细的遗传研究。Kashiwagieta1．(2004)在第4，5，6，11，12条染色体上分别检测到与水稻抗倒伏性相关的QTL位点，其中6号染色体的一个区间的QTL贡献率达到了17．4％，LOD高达3．98，同样，张秋英等(2005)也检测到了与水稻抗倒非常相关的QTL的区RMl97．RZ516，它们都同样位于6号染色体的短臂，二者相距很近。肖应辉等(2005)检测到与水稻倒伏指数及倒伏相关的若干形态指标关联的QTL分布于6条染色体上共有12个，其中有大量控制株高、单株生物量的QTL位点，并且发现其中几个位点是存在连锁关系的，加性QTL的增效等位基因一部分来自于母本或交本，qLI一3来自于3号染色体与抗倒伏性能有较大关系，总之以后通过分子标记辅助育种或通过生物技术并辅以农艺性状改良，选育兼顾高产和抗倒的水稻品种是有希望的。4本研究目的和意义水稻(OryzasativeaL．)是世界上主要的粮食作物，全球大概有半数以上的人口以稻谷为主粮，有1．5亿公顷的土地面积，占世界可耕作土地面积10％以上被用来种植水稻(FAOSTAT,2009)。在1993年，110个国家共生产5．3亿吨稻谷，稻谷生产量大约占全部谷类生产的30％。据估计，到2025年全球水稻产量必须达到800吨才能满足人口增长的需要(Bruinsma，2009)，并且这一预测值比1995年全世界水稻总产量高200吨左右(FA0，2001)。水稻的主要产区在亚洲，其稻谷产量占世界总产量的90％，中国水稻种植面积在2006和2008年平均为29．3千万公顷，大约占24 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究世界水稻种植面积的l8．7％(FAOSTAT,2009)，其中以双季稻占主要地位(Frolkingeta1．，2002)，1985年双季早稻水稻生产面积占全国水稻总生产面积的32％，生产了全国水稻总产量的31％。双季晚生产面积占全国水稻总生产面积的33％，生产了全国水稻总产量的30％(Papademetrioueta1．，2000；Zhu，2000)。然而随着现代工业的发展，世界人口在逐年增加，而耕地面积在逐年减少，提高水稻单产是保障粮食安全的主要途径(Cassman，1999)。因此，亚洲产稻国的单产水平应由现在的每公顷5吨提高到8．5吨，而水稻的产量潜力也应由现在的每公顷10吨提高到15吨。近年来，特别是随着氮肥的大量施用，水稻产量潜力有了进一步的提高，但水稻倒伏与纹枯病已经成为水稻高产的主要限制因子，系统了解水稻群体与茎秆抗倒伏性能、纹枯病流行特点和产量形成特点，对于建立水稻健康冠层促进水稻持续高产稳产具有重要意义。本研究目的在于：(1)明确不同群体结构下水稻纹枯病流行特点及影响因素；(2)明确不同群体结构下茎秆倒伏抗性的变化特点及提高倒伏抗性策略；(3)明确不同群体结构下双季稻产量形成特点及提高双季稻产量的对策；(4)阐明纹枯病流行对双季稻茎秆倒伏抗性的影响及机理研究；(5)阐明纹枯病流行对双季稻生长及产量的影响及分析 华中农业大学2012届博士学位论文第一章群体结构对双季稻纹枯病流行规律影响及其机理研究水稻产量形成于地上部冠层，一般被称为群体，群体是水稻产量源库交集之处，群体结构的优劣对水稻产量和纹枯病流行起着决定性的作用(钟旭华等，2006；Tangeta1．，2007；Wueta1．，2012)。水稻纹枯病是由立枯丝核菌(RhizoctoniasolaniKiihn)侵染，危害水稻地上部分的一种重要真菌病害，是世界稻作的三大病害之一。该病害与其它土传性病害不一样的是，它并不侵染地下部，而是地上部，因此纹枯病的流行程度对群体结构的优劣有着重要影响。群体结构与其冠层小气候是病虫害滋生之所，群体结构的大小直接或间接地影响纹枯病的传播(唐启源，2005)。因此要解决水稻生产面临的实际问题，必须深入研究不同水稻群体结构下纹枯病流行的规律，并通过栽培措施进行合理的调控。目前，很多研究主要集中在不同品种或不同基因型间纹枯病抗性差异，或研究它们在不同病害级别下的产量损失(MarchettiandBollich，1991；Cueta1．，1996；Zoueta1．，2000；Haneta1．，2003；GrothandBond，2007；Tangeta1．，2007；Groth，2008)。尽管还没有发现纹枯病高抗品种(Bonmanneta1．，1992；Srinivasacharyeta1．，2011)，但是有报道发现通过转基因技术可以在一定程序上提高纹枯病抗性，同时大量研究也表明QTL定位发现了大量控制纹枯病抗性的QTL位点(Paneta1．，1999；Zoueta1．，2000；Liueta1．，2009)。但是不同研究团队所得到的QTL位点一致性较差(Pinsoneta1．，2005)，所定位到的QTL位点受环境影响较大，因此不同年份即使是同一实验条件可能所得到的结果并非一致。该方法除受到环境的影响较大外，可能还受到群体结构(群体大小和空间构型)的影响(Haneta1．，2003)。当群体结构不一样时，那么冠层内部的微气候环境(如温、湿度和光照等)、叶片相交频率、透光率、叶面积指数等都会发生一定程度的变化，那么这些因素都会导致纹枯病的流行发生改变(Castillaetal，1996；Savaryeta1．，2001；Tangeta1．，2007；Srinivasacharyeta1．，2011)，这样势必会导致在对不同基因型或不同品种间进行纹枯病抗性评价时还会受到群体结构的影响。因此本研究以此为切入点，系统地验证在自然条件下或纹枯病接种条件下，群体结构对纹枯病流行和抗性的影响。不同的氮水平及不同的栽插密度均能显著地影响若干群体结构，如株高、叶面积、干物质积累、叶倾角、透光率和消光系数等(Duyeta1．，2004；San．oheta1．，2004)。通过不同的施氮水平和密度处理构建不同的群体结构(空间构型和群体大小)。水稻产量形成是建立在适宜的干物质积累、叶面积指数和分蘖数等若干群体指标基础之上的，所以研究若干群体指标与纹枯病的流行之间的关系对健康高产冠层的形成具有非常重要的意义。即本试验的目的主要在：(1)阐明不同的氮素水平和密度对若干群体指标和纹枯病流行的影响；(2)明确若干群体指标对纹枯病的抗性和流行的影响。26 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究1材料与方法1．1试验材料早稻品种为两优287，为湖北大学选育的超级杂交稻品种；晚稻品种为T优207，为湖南杂交水稻研究中心选育的三系杂交水稻品种，两优287和T优207均为当地大面积推广的高产品种，它们生育期与产量潜力相近。1．2试验设计试验于2009．2010年在湖北省武穴市大金镇(29059’N115036’E)进行，土壤基本性状见表2．1。2009年双季稻设置二个氮水平(早稻：0和180kgha"l：晚稻：0和195kgha‘1)和三个密度处理(双季稻均为：13．3x20cm．13．3x26．7cm和13．3x40cm)，采用裂区设计，以氮水平为主区，以密度为裂区。2010年双季稻设置三个氮水平(双季稻：120、180和240kgha。)和三个密度处理(双季稻均为：13．3x20cm，13．3x26．7cm和13．3x40cm)，采用裂区设计，以氮水平为主区，密度为裂区。二年试验共4季均设置4次重复，并且2009和2010年双季稻每个小区均设置纹枯病接种辅助处理。2009年双季稻在抽穗后8天进行纹枯病防治一次，2010双季稻各小区均不防治纹枯病。1．3田间管理2009年小区面积都为30m2，2010年小区面积为45m2。氮素以尿素的形式分别以基肥(BS)、分蘖肥(MT)、幼穗分化肥(PI)和穗肥(HD)分次施入，2009年早稻分次施入的比例为：35％(BS)+20％(MT)+30％(PI)+15％(HD)。2009年晚稻分次施入的比例为：41％(BS)+24％(MT)+35％(PI)，2010年双季稻分次施入的比例为：50％(BS)+30％(MT)+20％(PI)。其它养分投入在不同年份的每个处理均相同，分别为：钾肥(100kgKha"1)、磷肥(40kgPha"1)和锌肥(5埏Znha-1)，分别采用氯化钾、过磷酸钙和硫酸锌的形式施入，除氯化钾是以基肥和幼穗分化肥各50％施入外，其余的全部以基肥的形式施入。2009年早稻3月24日播种，4月30日移栽，晚稻6月19日播种，7月28日移栽；2010年早稻3月23日播种，5月2日移栽，晚稻6月18日播种，7月20日移栽，移栽苗数均为每蔸2粒谷苗。打药处理间用双埂隔开，中间开50cm宽、30cm深的沟，氮肥处理问做宽35cm、高25cm的埂，所有小区田埂均用农用薄膜包裹，各小区进行独立排水灌水。田间采用精细管理，严格防治虫草害。1．4纹枯病接种方法为达到纹枯病侵染一致的效果，试验在2009年和2010年双季稻分别采用纹枯27 华中农业大学2012届博士学位论文病接种处理，纹枯病生理小种(WH．1)是从稻田纹枯病发病植株上进行分离纯化得来的(Xieeta1．，2008)，由华中农业大学植物科学技术学院姜道宏教授提供，大田接种方法采用短牙签接种法(Zoueta1．，2000)，先将灭过菌的lcm短牙签用纹枯病病菌(WH．1)接种后，平放在PDA培养基上恒温(280C)培养4天。最后将短牙签在大田条件下置于水稻茎秆自上而下的第三个叶鞘内，在每个接种小区内，选用24蔸(4×6)进行接种，每蔸接种3个主茎。大田接种在移栽后32天(幼穗分化期)进行。1．5测定项目与方法1．5．1茎蘖数、干物质积累和叶面积指数分别于水稻分蘖中期、孕穗期、抽穗期和成熟期取样，每次每小区取12蔸(生长均匀并具有代表性)，在田间洗净后用塑料袋装好后带回室内进行样品分析。将取样的12蔸的平均分蘖数作为该小区的每蔸分蘖数，并换算成单位面积的分蘖数。将每蔸剪去根部后，将植株分成叶片、茎鞘及穗部(成熟期才有)分开装入网袋中，但在2010双季稻将死亡叶鞘也单独装袋，各部分均在80oC烘至恒重后分别进行称重，然后换算成单位面积地上部总干物质重。叶面积利用叶面积测定仪(Li．CorModel3100，Li．CorInc．，Lincoln，NE)进行测定，然后换算成叶面积指数。1．5．2叶片相交频率叶片相交频率在纹枯病接种后7天左右(孕穗期)进行测定，在每小区中央随机选取二蔸，分别计算每一蔸与其相邻8蔸总的交点个数(包括叶片与叶片或与叶鞘总的交点个数)。将二蔸的总的交点个数的平均数作为每蔸的交点个数，然后根据移栽密度将交点个数转化为单位面积内叶片相交频率，该方法参照Willocqueteta1．(2000)。1．5．3群体透光率群体透光率只在2009年晚稻和2010年早稻进行了测定，测定时间在纹枯病接种后7天左右(孕穗期)采用冠层分析仪(Delta-TDevicesLtd，Burwell，Cambridge，UK)进行测定。透光率(％)I．I群体底层光强／冠层顶部光强x100％。1．5．4叶片SPAD值在抽穗后10天用叶绿素仪(ChlorophyllmeterSPAD502)测定植株自上而下的第三张叶片，取三次测定平均值作为该叶片的SPAD测定值，每小区重复测定10张叶片，取10张叶片的测定平均值作为该小区的SPAD测定值。28 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究1．5．5病斑长度、相对病斑高度与病情指数2010年双季稻接种区测定病斑长度和病情指数，在接种后7天通过直尺测定病斑长度，整个过程全部由一人完成测定，以免引起较大测定误差，病斑长度最后换算为单株总的病斑长度，测定4蔸，每蔸三个主茎。相对病斑高度在抽穗后10天进行(甜m，1986)，相对病斑高度(RLH，％)=病斑高度／株高x100％。病情指数在抽穗后10天左右进行，接种区测定12蔸，记录每株的发病级别。2009年和2010年双季稻均在自然条件下测定病情指数。调查方法在Shaeta1．(1998)与唐启源等(2007)方法的基础上略作修改。每小区调查2个测定点，共30穴，记录每株的发病级别，分级标准如下：4一最高病斑出现在剑叶(叶片或叶鞘)或穗部或全株死亡．(n1)；3一最高病斑出现在倒数第2叶，(n2)；2一最高病斑出现在倒数第3叶，(n3)；1一其它部位有病斑，(n4)：0一无病斑，(n5)。纹枯病病情指数(Sheathblightindex，ShBI％)计算方法如下：ShBI(％)=100x(4n1+3n2+2n3+n4)／4×(n1+I也+n3+114+n5)。1．5．6产量及倒伏指数由于在本章节仅在讨论中涉及到产量及倒伏指数，详细测定方法见第二章1．5和第三章节1．5．1．5．7气象数据气象数据均由武穴气象站提供，日平均辐射量通过改良的Hargreaves—Samani模型计算(HargreavesandSamani，1982；Balleta1．，2004；AbrahaandSavage，2008)．1．6数据整理与分析全部数据分析包括相关性分析、方差分析、多重比较(LSDo．05)和逐步回归分析均采用SAS8．0程序进行，作图采用Sigmaplotl0．0。2结果与分析2．12008—2010年土壤基本性状和双季稻气候条件比较分析29 华中农业大学2012届博士学位论文表2．1武穴市大金镇2008、2009和2010年试验田土壤基本性状Table2．1Soilchemicalpropertiesofthetop0-15cmlayerintwoexperimentalfieldsatWuxueCounty,HubeiProvince，Chinain2008，2009and2010年份pH值有机质总氮有效磷有效钾阳离子交换量20085．7528．01．1039．754．07．020095．4229．61．7233．477．07．920106．0431．51．709．861．09．9由表2．1可知，总氮含量在2008年较2009和2010年低，有效磷在2010年最低，其它土壤基本性状三年相差不大。由表2．2可知，2009．2010年早稻生育期在114天至120天左右，晚稻生育期在119至123天左右，一般来讲早稻和晚稻相比生育期相差不大。早稻日平均温度主要表现为前期营养生长期低，进入生殖生长以后开始逐渐增加，而晚稻则表现刚刚相反。晚稻与早稻相比，移栽至幼穗分化期日平均温度在2008、2009和2010年分别要高4．25、3．95和7．15度。自幼穗分化期至抽穗期晚稻与早稻日平均温度差异逐渐变小，随后从抽穗期至成熟期晚稻温度比早稻目平均温度相比要明显降低。同时，在抽穗期前后一周左右日最高温度大于340C的天数在三年的早稻分别为5、6和5天，而在三年的晚稻日平均温度均没有超过340C。表2．2武穴市大金镇2008、2009和2010年双季稻不同生育期内平均温度、高温天数和生育期变化特点Table2．2Averageairtemperature(oC)fromtransplantingcrR)tomid-tillering(NIT)，MYtopanicleinitiation口I)，PItoflowering伊L)andFLtophysiologicalmaturity(PM)，numberofdaysinwhichthemaximumtemperatureexceeded340Cduringaperiodof14daysi．e．oneweekbeforeandafterflowering，andtotalgrowthduration(d)fromsowingtoPMinearly—andlate-seasonricein2008，2009and2010由表2．3可知，对于早稻在生长前期平均相对湿度要低，随后有增加的趋势，而对于晚稻来讲整个生育期相对湿度变化不大。同时还发现，总的来讲晚稻的总平30 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究均相对湿度比早稻在2008、2009和2010年分别高6．1、5．6和2．9％，期至幼穗分化期表现得更为明显，晚稻平均相对湿度比早稻在2008、年分别高9．6、9．3和8．4％。特别是在分蘖2009和2010表2．3武穴市大金镇2008、2009和2010年双季稻不同生育期内平均相对湿度变化特点Table2．3Meanrelativelyhumidity(％)fromtransplantingfiR)tomid—tillering(M33，MTtopanicleinitiation口I)，PItoflowering皿)，FLtophysiologicalmaturity口旧andTRtoPMinearly—andlate-seasonricein2008，2009and2010表2．4武穴市大金镇2008、2009和2010年双季稻不同生育期内总降雨量变化特点1'able2．4TotalrainfallfromtransplantingOR)tomid-tillering似T)，MTtopanicleinitiation口D，PItoflowering(FL)，FLtophysiologicalmaturity(PM)andTRtoPMinearly-andlate-seasonricein2008，2009and2010由表2．4可知各季节自移栽期到成熟期的的降雨量情况，总的来讲，早稻的降雨量比晚稻多，主要表现在灌浆期早稻降雨量要明显高于晚稻。由表2．5可知，各季节白移栽期到成熟期的日平均辐射量，总的来讲，早稻的日辐射量比晚稻高，主要差异表现在灌浆期，该时期早稻日平均辐射量在2008、2009和2010年要比晚稻分别高4．6、5．2和3．7MJm之d～。31 华中农业大学2012届博士学位论文表2．5武穴市大金镇2008、2009和2010年双季稻不同生育期内太阳日平均辐射量变化特点Table2．5Meandailyradiation(MJm。2d-I)fromtransplanting(TR)tomid．tillering㈣，MTtopanicleinitiation口I)，PItoflowering伊L)，FLtophysiologicalmaturity口M)andTRtoPMinearly-andlate—seasonricein2008，2009and2010年份季节移栽至分分蘖至PIPI至开花开花至成移栽至成YearSeason蘖期期PI．FL熟期熟期TR—MTMT-PIFL．PMTR．PM——MJm。d’1——200820092010早稻晚稻早稻晚稻早稻晚稻19．217．119．315．816．518．417．816．518．514．717．816．315．914．218．915．216．414．418．513．918．513．315．912．218．115．118．814．616．614．52．2不同氮素水平和移栽密度对群体结构的影响由表2．6可知，2009年双季稻施氮处理与不施氮处理相比，茎蘖数、叶面积指数和生物量在幼穗分化期和抽穗期都显著地增加了。2009年双季稻在幼穗分化期，增加密度可以明显提高茎蘖数、叶面积指数和生物量，在抽穗期密植均可以显著提高茎蘖数。一般来讲，密植均可以提高茎蘖数、叶面积指数和生物量。由表2．7可知，2010年双季稻施氮量从120增加到240kgNha"1时对茎蘖数、叶面积指数和生物量并没有显著的影响。和2009年双季稻较相似，2010年早稻密植均显著提高茎蘖数、叶面积指数和生物量，但是在2010年晚稻，密植处理显著提高幼穗分化期的叶面积指数和生物量，密植对二个时期的茎蘖数和抽穗期的叶面积指数与生物量并没有较一致的影响。由图2．1可知，2009和2010年双季稻，叶片相交频率均随着氮水平的提高而显著增加。在2009年早稻，密植仅在高氮水平下显著提高叶片相交频率，在2009年晚稻和2010年双季稻密植无论何种氮水平条件下均显著提高了叶片相交频率。由图2．2可知，在2009年晚稻和2010年早稻，群体透光率随氮水平的增加而显著下降。2009年晚稻密植仅在施氮水平下显著降低群体透光率。2010年早稻密植在三个氮水平下均显著降低群体透光率。2010年双季稻，氮素水平仅在早稻对倒三叶叶色值有显著影响，在晚稻差异不显著。一般来讲，2010年双季稻密植在三种氮水平下均降低了倒三叶叶色值，但是仅在2010年早稻(氮水平为180kNhao)和2010年晚稻(氮水平为240kgNha’1)条件下差异显著。32 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究表2．62009年双季稻不同氮素水平和移栽密度在幼穗分化期和抽穗期对分蘖、叶面积指数和生物量积累的影响Table2．6Canopystructureparametersunderdifferentnitrogenratesandhilldensitiesatpaniclesinitiationandheadingstagesinearly-andlate-seasonriceof处理幼穗分化期抽穗期篮￡鋈塾，篷：兰圣望!銎二鏊：墨塑鍪三O18018．728．137．5Mean18．728．137．5Mean109b118b137a121B245b364a406a338A0．44b0．51ab0．55a0．50B1．73b2．55a2．32ab2．20A58b77a85a73B188b28la252ab240A130b152b188a157B245c332b384a320A0．70a0．68aO．73aO．70B2．20a2．64a2．80a2．53A201a204a236a200B506b580ab660a575A2009晚稻018．7187a2．2lb366b164b1．82a584b28．1193a2．33ab424a189a1．94a686a37．5216a2．4la443a193a1．86a702aMean199B2．32B411B182B1．87B657B19518．7332b4．77a469b282b4．29a760a28．1442a5．96a600a357a5．15a’815a37．5367ab5．22a600a354a5．00a799aMean380A5．32A556A331A4．8lA792A注：同一列中，同一个氮肥处理下，相同小写字母表示密度处理差异在0．05水平上不显著；同一列中，同一季节下，相同大写字母表示氮肥处理在O．05水平上差异不显著。Note：Withinacolumnineachseason，meansfollowedbythesameletterarenotsignificantlydifferentaccordingtoLSD(O．05)．Lower-caseandupper-caselettersindicatecomparisonsamongthreehilldensitiesandbetweentwoNtreatments，respectively．由图2．3可知，2010年早稻死亡叶片和叶鞘重在抽穗期和抽穗后10天均随着施氮量的增加而显著增加，2010年晚稻死亡叶片和叶鞘重仅在抽穗后10天随着施氮量的增加而显著增加。一般来讲，2010双季稻密植无论在何种氮水平下均明显提高了死亡叶片和叶鞘重。 华中农业大学2012届博士学位论文表2．72010年双季稻不同氮素水平和移栽密度在幼穗分化期和抽穗期对分蘖、叶面积指数和生物量积累的影响Table2．7Canopystructureparametersunderdifferentnitrogenratesandhilldensitiesatpaniclesinitiationandheadingstagesinearly-andlate-seasonriceof2010注：同一列中，同一个氮肥处理下，相同小写字母表示密度处理差异在0．05水平上不显著；同一列中，同一季节下，相同大写字母表示氮肥处理在0．05水平上差异不显著。Withinacolumnineachseason，meansfollowedbythesameletterarenotsignificantlydifferentaccordingtoLSD(0．05)．Lower-caseandupper-caselettersindicatecomparisonsamongthreehilldensitiesandbetweenthreeNtreatments，respectively．34 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究0180Nitrogen(kgNha。1)0195Nitrogen(kgNha。1)图2．12009和2010年双季稻氮素水平和密度处理对叶片相交频率的影响。18．1、28．7和37．5分别代表单位面积内的移栽蔸数。同一施氮量下不同字母代表差异在O．05水平显著Figure2．1Contactfrequency(no．m。)atdifferentnitrogenrates(1【gha‘1)andhilldensities(no．m‘2)intheearly．andlate．seasonricein2009and2010．Contactfrequencywasmeasuredfromnon—inoculatedplantsat7daysafterinoculation．Errorbarsrepresentstandarderror．DifferentlettersabovebarsforthesamenitrogenrateindicatessignificantlydifferentaccordingtoLSD(O．05)2．3不同氮素水平和移栽密度对纹枯病病斑长度和病情指数的影响由图2．4可知，在2010年双季稻接种条件下，氮水平和密度处理对纹枯病病斑长度均没有显著影响。同样，在2010年双季稻接种条件下，氮水平对纹枯病病情指数没有显著影响。但是，在2010年早稻(氮水平为180埏Nhal)和2010年晚稻(氮水平为120和240kgNha’1)条件下时，密植均可以显著增加纹枯病病情指数。由图2．5可知，在2009年双季稻在不施氮条件下没有纹枯病病斑出现，施氮处理可以显著增加纹枯病病情指数。随着移栽密度的增加纹枯病病情指数增加，在2009年晚稻达到显著水平。在2010年双季稻，随着施氮量的增加纹枯病病情指数均显著上升。在2010年早稻，在三种氮水平条件下密植均显著增加了病情指数，而在2010年晚稻差异仅在氮水平为120和180kgNhal条件下显著。 华中农业大学2012届博士学位论文120]廿u24U120180240Nitrogen(kgNha。1)Nitrogen(kgNha‘1)图2．22009和2010年不同氮素水平和密度处理对群体透光率和倒三叶叶色值的影响。18．1、28．7和37．5分别代表单位面积内的移栽蔸数。同一施氮量下不同字母代表差异在0．05水平显著Figure2．2Lighttransmittance(％)in2009earlyseasonand2010lateseasonandSPADvaluesin2010earlyandlateseasonatdifferentnitrogenrates(kgha吐)andhilldensities(no．m吐)．Lighttransmittancewasmeasuredat7daysafterinoculation．SPADvaluewasrecorded10daysafterheading．ErrorbarsrepresentstandarderroLDifferentlettersabovebarsforthesamenitrogenrateindicatessignificantlydifferentaccordingtoLSD(O．05)2．4若干群体指标与纹枯病病斑长度和病情指数的关系若干群体指标包括茎蘖数、叶面积指数、生物量、叶片相交频率、群体透光率、SPAD值和死亡叶片叶鞘重。由表2．8可知，在2010年双季稻纹枯病接种条件下，茎蘖数、叶面积指数和生物量在二个取样时期与纹枯病病斑长度和病情指数均无显著相关性。但是表2．9显示，在2009和2010年双季稻，茎蘖数、叶面积指数和生物量在二个取样时期与纹枯病病情指数均呈显著正相关，尽管在2010年晚稻抽穗期叶面积指数与病情指数相关性没有达到显著水平。阳∞如∞加∞三叮>o《正∞们∞加佃O加∞加∞加一享一ooc日兰E曲仁巴=c5J一∞nl町>o《正∞ 纹枯病对双季稻倒伏和产量的影响及其机理研究120180240Nitrogen(kgNha。2)120180240Nitrogen(kgNha。2)120180240Nitrogen(kgNha‘2)120180240Nitrogen(kgNha’2)图2．32010年双季稻在抽穗期和穗后10天不同氮素水平和密度处理对死亡叶片叶鞘重的影响。18．1、28．7和37．5分别代表单位面积内的移栽蔸数。同一施氮量下不同字母代表差异在0．05水平显著Figure2．3Deathleafandsheath(gm叱)atdifferentnitrogenrates(kghad)andhilldensities(no．m。2)intheearly．andlate．seasonriceof2010．Deadleafandsheathwasmeasuredfromnon—inoculatedplantsatheadingstageand10daysafterheading,respectively．ErrorbarsrepresentstandarderroLDifferentlettersabovebarsforthesamenitrogenrateindicatessignificantlydifferentaccordingtoLSD(O．05)由表2．10可知，在2009和2010年双季稻叶相相交频率与纹枯病病情指数均呈显著的正相关关系。在2009年晚稻和2010年早稻群体透光率与病情指数均呈极显著的负相关关系。在2010年双季稻叶色值与抽穗期死亡叶片叶鞘重和病情指数分别呈负相关关系和正相关关系，并且均在2010年早稻相关关系达到显著水平。2010年双季稻抽穗后10天死亡叶片叶鞘重与病情指数均达到显著正相关关系。由表2．11可知，通过逐步回归分析发现，叶片相交频率在二年4季中均存在于该模型中(p
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