[发明专利]一种高NUE水稻筛选标志及筛选方法

说明书

本发明涉及一种高NUE水稻品种筛选标志以及筛选高NUE水稻品种的方法。本发明提出了一种新的表示水稻NUE性状的方法，并鉴定了高NUE水稻的量化表型。本发明在针对高NUE的水稻品种筛选和水稻田间智能管理方面开发了量化标准，为高通量筛选高NUE水稻品种以及水稻田间精准氮肥管理提供了必要的理论准备，为颠覆传统的农业和育种领域方法提供了基础，是精准农业和智慧农业道路上的进一步探索，将有力地推动精准农业和智慧农业的发展。

基金支持

本项目的研发受到国家水稻产业体系(CARS-01-07)的资助。

技术领域

本发明涉及智慧农业领域，更特别地，涉及基于遥感的植物性状表示方法及其应用。

背景技术

氮元素(N)是植物生长不可或缺的营养元素，无论在光合作用、能量转换、结构组成还是生物合成方面都起着重要作用。植物从土壤吸收N，并通过维管系统转运至特定的器官中积累为含氮化合物，然后分解并迁移至目的器官参与到植物的各项生命活动中，维持植物内部的营养平衡。

粮食生产中，高氮肥的施用是影响产量的关键因素之一。然而，近年来，随着氮肥施用的增长，粮食作物产量的并没有相应增长，而是达到了平台期。从1980年到2010年，我国氮肥施用量增长了512％，而谷物产量只增长了65％。过度的氮肥施用不仅提高了成本，而且导致了氮利用率降低以及氮损失。田间氮肥的溢出，进入到土壤和水中，还会引起一些严重的环境问题。根据测算，如果氮利用效率提高1％，全世界每年的肥料成本可降低23亿美元。

水稻是世界上重要的粮食作物之一，为全球近一半的人口提供食物。我国的水稻产量世界最高，但是，我国稻田中的平均氮肥施用量为180-209kg/hm²，远高于世界平均水平105kg/hm²，并且实际使用效率仅有约30-35％。通过优化田间管理来提高水稻的氮利用效率(Nitrogen Use Efficiency，NUE)可将氮肥施用量降至150-165kg/hm²。然而，为了达到最大产量潜能(10-15Mt/hm²)，绝大多数超级稻品种需要高达300kg/hm²的氮肥施用量。因此，单单从田间管理的角度来降低氮肥施用量不能从根本上解决氮利用效率的问题。育种者希望能够筛选具有高NUE的水稻品种，以彻底解决这个问题。

水稻育种领域对高NUE育种选择做了许多努力，但是迄今仍然进展缓慢。主要障碍是，没有一种简单易行的方法来捕捉水稻中的氮含量变化，并进一步表征为氮利用效率。因为，水稻中的氮含量变化既表现在空间水平方面(冠层形态变化)，又表现时间水平方面(整个生育周期中的发育变化，例如营养生长和生殖生长的转换)。

由于水稻对氮的摄取和利用是一个复杂的综合行为，涉及多种生命活动，目前育种者尚且无法找到某一个基因或归集一个基因群来作为高NUE的分子标志。依靠传统的方法在特定的生育阶段(例如抽穗期或乳熟期)采集水稻样本测定氮含量来表征NUE，一方面无法准确表征氮利用率，另一方面费时费力，无法用于高通量筛选。

因此，高NUE的表型到底是什么，以及如何描述高NUE表型，本身就是一个难题，给育种者筛选具有高NUE的水稻品种造成巨大障碍。

随着遥感技术和无人机的发展，以及摄像头分辨率的提高，其与遥感技术的结合逐渐用于农业生产和研究。Lukas Prey等将光谱仪置于小麦冠层上方约1m处，测量冠层的反射率并用以评估相应的生理数据。南京农业大学的郑恒彪等使用无人机搭载相机拍摄作物影像，并以这些影像为基础来分析和评估作物的生理参数，显示出一些生理参数与无人机拍摄的影像计算的VI之间存在一定的相关性。然而，这些研究都集中于探索使用VI估算相关生理参数的测量方法学上，目前没有研究将这些测量方法学上的成果应用于探索NUE表型的描述上，更没有找到水稻的高NUE性状标准，以及如何筛选高NUE的水稻品种。

因此，需要一种新的表示NUE性状的方法，以及根据这种新的NUE表示方法来筛选高NUE水稻品种。