杂交水稻制种辅助授粉技术研究

杂交水稻制种辅助授粉技术研究

水稻是主要的食物。世界上50%以上的人口主要以大米为主，中国超过60%。据研究分析,2030年我国人口可能增至16亿,届时粮食需求总量将达7.4亿t。据联合国粮农组织预测,世界人口在2050年将上升至91亿人,全球粮食产出需增长70%才有可能满足迅速增长的人口需求。由此可见水稻生产作为主要粮食来源不仅关系到我国粮食安全而且直接影响到世界粮食安全。水稻是一种适应性广的高产作物,而杂交水稻更是一项先进的粮食增产技术。2000年、2004年、2011年我国相继实现了超级稻第一期亩产700kg、第二期800kg、第三期900kg的目标,由此可见杂交水稻在粮食增产中的绝对优势,杂交水稻的推广应用将是解决世界粮食危机的最有效途径。而目前杂交水稻制种仍采用劳力密集型的生产技术,机械化程度低,已不适应社会和现代农业发展的需求,如何实现杂交水稻制种全程机械化将成为近期水稻产业中最重要的技术突破。1杂交水稻配制的时间与强度水稻是自花授粉作物,而杂交水稻制种是异花授粉的异交栽培过程,不育系自身花粉完全败育,必须依靠父本的花粉受精结实。母本异交结实率的高低决定制种产量的高低,而母本异交结实率的高低取决于父本可提供的有效花粉数量。因水稻花粉靠风传播,飘散距离小,且自然风力又不稳定,所以杂交水稻制种需要人工辅助授粉。水稻的花期约10d,且日开花时间短,约在每天10:00~12:00开花,晴好天气时一般每天授粉3~4次,每次授粉间隔20~30min。因此,杂交水稻制种辅助授粉是一项时间紧、劳动强度大的工作。目前在我国及东南亚国家主要采用的是以绳索或竹木杆为工具的人工辅助授粉方法,在美国采用有人驾驶的小型直升机辅助授粉的方法。1.1组合4不同授粉方法中国的杂交水稻制种技术是建立在20世纪70年代中后期的人工作业的劳力密集型技术。在制种实践过程中,各地根据实际和习惯形成了不同的辅助授粉方法和父母本配套种植方式,大体可归纳为绳索赶粉法、单杆赶粉法、双杆赶粉法3种授粉方法。(1)绳索赶粉法。此法是制种上应用最多、效率较高的辅助授粉方法。授(赶)粉时需2人使用一条50m左右的长绳同时作业,绳索平行父本行向放置,2人在垂直父本行向田埂上快速行走拉动绳索,绳索滑动父本,使花粉飘散到母本厢中,完成授粉。此法2人每天可完成授粉面积0.7~1.3hm2,配套父母本相间种植行比为1~2∶10~12,父本行种植宽度约为60cm(单行)、75cm(双行),母本厢种植宽为160~185cm。(2)单杆授粉法。此法又可分为单杆扫动父本授粉法和单杆推震父本授粉法。单杆扫动授粉法是作业者手持4~6m长杆的一端,在父母本行间行走,将授粉杆左右扫动父本穗层,使父本花粉散出并传播到母本厢实现授粉。单杆推震父本授粉法是作业者手握8~10m长杆中部,与父本行垂直方向行走,将长杆置父本中上部,推震父本2次,使父本花粉向母本厢散播完成授粉。此2种方法每个作业者每天可授粉面积在0.2~0.3hm2,作业效率较低。此授粉方法父母本种植方式与绳索赶粉法相同。(3)双杆赶粉法。赶粉时,操作者双手各握一约2m的短杆,从两行父本间行走,双杆置于父本植株的中上部,快速用力向两边振动父本2~3次,使父本花粉飘散至母本厢中完成授粉。该法虽能使父本花粉传播较远、充分散出且较均匀,但作业效率低,每个作业者每天可授粉面积仅0.07~0.13hm2。配套的父母本相间种植行比为2∶14~16,父本行种植宽度为80cm,密度为17cm×(20-30-20)cm,母本种植宽度和密度同绳索和单杆赶粉法。采用人工辅助授粉的方法,因父本花粉传播的距离短,限制了父母本相间种植行比和厢宽。试验研究和实践结果表明,父母本种植宽度一般为200~240cm,其中父本种植宽度为60~75cm,难以实现对父本的机械化种植和机械化分收,成为实现杂交水稻全程机械化制种的技术瓶颈。1.2杂交水稻机械化制备技术研发过程作为高度工业化、城市化的美国从事农业生产人口只占3%,而每个农场主拥有几百至上千公顷的土地,劳力又昂贵,水稻制种只能采用机械化。美国圆环种子公司(RiceTec前身)在1980年代从中国引进杂交水稻技术后,开始研究探索杂交水稻机械化制种技术。历经15年的试验研究,通过采用小型有人驾驶直升飞机进行辅助授粉,配套制种父母本按(8~10)∶(30~40)的行比相间种植,小型直升飞机在父本厢上飞行,飞行速度为37km/h左右,飞行高度距离地面2~3m,每天飞行授粉2~3次,利用旋翼高速转动产生的风力将父本花粉传播到母本完成授粉作业。同时因父本厢宽度达200~240cm,母本厢达到900~1200cm,父本和母本能机械化种植和收割,从而实现了制种从田块机械干耕干整、父母本分开机械旱直播、农用飞机喷施农药和赤霉素、小型直升机辅助授粉、机械分收父本和母本、种子干燥再配套化学除草等的杂交水稻制种全程机械化。2机械化制备技术:经田间试验我国20世纪90年代就开始了杂交水稻制种授粉机械设备和技术的研究[7~9],主要有机械采粉集中授粉法、授粉风机及授粉装置、背负式授粉机等,但大多停留在理论或专利阶段,经田间试验均难以应用。目前生产上尚没有一种能大面积应用的授粉机械及配套授粉技术。为此中国水稻育种家们又提出了父母本混植法的机械化制种技术。其要点是通过选育在颖壳颜色或胚乳荧光颜色、谷粒大小、对某种除草剂敏感致死等方面有显著差异而生育期基本一致的父本和母本,父母本在制种田按一定比例混合种植,成熟期混合收割,混收种子再经特定的色选、筛选设备、或在授粉后喷施某种特定除草剂杀死父本,从而将杂交种子分选出来的方法。此法目前尚在研究探索之中,但如何进行辅助授粉,尚没有报道。2.1助授粉技术1982年,湖南师范大学生物系开始进行水稻花粉贮存研究,并衍生出了机械采粉集中喷粉的辅助授粉技术。这种辅助授粉方法的父母本可以集中分片种植,在父本盛花期机械采粉、低温贮藏,在母本盛花期将花粉取出回醒8~12h,然后连同花粉培养基一起稀释后喷雾授粉。这种方法虽能有效的解决父母本花期、花时不遇的问题,但花粉低温贮藏易丧失活力且萌发率较低,难以实际应用。2.2授粉机装置的研制风机辅助授粉制种的父母本种植方式与传统人工辅助授粉的父、母本种植方式一样。1995年,湖北农学院研究发明了一种主要由风机、导粉膜、固膜板、卷膜筒、撼粉绳、授粉管和手柄组成的授粉器,后经改进,2002年成功研制了“杂交水稻制种授粉机”,授粉管长20m,机组操作人员2人,作业人员可携带授粉机在制种田间行走完成授粉作业。2011年湖南农业大学汤楚宙等发明了一种背负式风机的授粉机械,经试验,授粉效果好。但作业人员背负风机在田间行走困难,制种父本喷施赤霉素后植株均在120cm左右,操作不便,授粉效率低,因而未能得到推广。3基于无人直升机的杂交水稻中样人工动力辅助授粉技术我国农用航空植保技术应用始于1951年,但发展很慢,几乎没有在水稻植保上应用。近年来,随着我国农业机械化技术的快速发展,利用微型或小型遥控操作的无人直升机进行农用航空植保技术的研究和应用发展迅猛,目前已研制有多种机型的无人直升机进行田间植保作业的示范应用。农用无人直升机按动力分有电池动力和燃油动力两种,按旋翼分有单轴、八轴、十八轴、二十四轴等,按负荷分有3kg级、5kg级、10kg级、15kg,现有研发30kg级的,一些小型的无人直升机可负载100kg。我国南方杂交水稻制种生态优势基地多分布在丘陵和山区,基地田块小,地势多不平坦,而即使在平原湖区的制种基地,也有防风林带所限制,因此美国的杂交水稻全程机械化制种技术难以在中国制种基地直接应用。但借鉴美国的直升机辅助授粉方法,利用目前中国所研发的农用航空无人直升机用于杂交水稻制种辅助授粉,同时改变父母本现有种植模式,大幅扩大父母本种植行比和宽度,达到父母本均能进行机械种植和收割,从而可实现杂交水稻全程机械化制种。微型农用无人直升机飞行作业相对比较安全,具有以下优势[12~14]:(1)地形适应性好,对于复杂的田间环境具有更好的适应性,适合我国制种基地;(2)无需专用起降场地,低空作业,不受航空管制;(3)小巧轻便,操控灵活。因此,很有必要开展微型农用无人直升机用于杂交水稻机械化制种辅助授粉技术的研究。主要可从以下四个方面开展:(1)不同类型农用无人直升机辅助授粉效