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我国水稻种质资源创新研究与利用进展(2):水稻新种质创制与基因资源挖掘

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-04-28  来源:中国种业  作者:杨德卫 张海峰 等  浏览次数:1005
 

      水稻种质资源按照育种目标进行资源集中和优异基因交流置换,是实现水稻种质资源与水稻遗传育种成功对接的重要载体,通过种质资源与遗传育种合理的融合,创制优异水稻新品系,从而育成重大突破性大品种。

      1 水稻新种质创制

      1.1水稻新品系的创制

      IR30是国际水稻所的种质资源之一,1998年谢华安以IR30为母本,以圭630为父本,通过杂交,成功创制了恢复力强、配合力好、抗稻瘟病、综合农艺性状优良的恢复系明恢63。目前明恢63作为亲本,是我国选育的三系恢复系中贡献最大的。

      28占作为国际水稻所的种质资源之一,周少川等以丰矮占1号为母本,以28占为父本,成功选育了常规稻品种丰八占,以丰八占为母本、华丝占为父本,选育了常规稻品种丰华占,接着以黄新占为母本、丰华占为父本,成功选育出突破性大品种黄华占。周少川等以丰八占为关键核心种质,经过多年的努力,选育了以黄华占、黄莉占、五山油占(华占)、黄粤丝苗、黄广油占和五山丝苗等为代表的系列突破性大品种。江苏省农业科学院赵凌等以关东194为种质资源,通过系谱选育的方法,成功选育了具有优良食味的南粳46、南粳5055、南粳9108和南粳3908等系列新品种。

      除了恢复系和常规品种新材料创制外,在不育系新材料创制方面,以普通种质资源为基础材料,同样创制了具有影响力的水稻不育系。例如,福建省农业科学院水稻研究所抗病育种课题组,以稻瘟病抗源谷农13、IRs48B、IRs24B(IRs58023B)、IRs58025B为初级种质资源,以V41B、龙特甫B、金23B、中9B、浙农8010B、珍汕97B、Ⅱ-32B、新香B为核心种质,通过杂交的方法,先后选育了地谷A、福伊A、夏丰A、谷丰A、连丰A、昌丰A、安丰A、长丰A、乐丰A、富丰A、成丰A、捷丰A、民源A、正源A、祥源A、和源A、繁源A、延源A、创源A、启源A和庆源A等22个抗稻瘟病三系不育系;宁波市农业科学研究院马荣荣以双九S和京52为种质资源,成功选育了籼粳交系列不育系甬粳15A、甬粳16A和甬粳26A等,为籼粳交杂交育种做出重要贡献。

      1.2水稻杂种优势的利用

      通过聚合具有优良系统基因的恢复系可实现杂交水稻综合优良性状完全表达。谢华安等自创制恢复系明恢63以来,截至2010年,以明恢63配制的杂交组合,通过省级或省级以上审定的杂交水稻新品种有34个,累计推广面积有3.10亿亩(汕优63除外);以明恢63为核心种质资源,通过杂交的方法,选育的恢复系有543个,利用这些恢复系配制杂交组合,有922个新品种通过省级或省级以上审定。周少川等以丰八占为关键核心种质,培育了以黄华占为代表的系列恢复系,利用这些恢复系配制的杂交组合有27个,共计68次通过省级及省级以上审定。而以黄华占为核心种质,成功选育出华占、五山丝苗、黄粤丝苗、黄华占和黄莉占等系列恢复系新材料,目前华占已成为我国配制杂交组合最广的恢复系,其累计推广面积超过亿亩。雷捷成创制的细胞质雄性不育系谷丰A是全国应用最广泛的不育系之一,应用于生产20余年,稻瘟病抗性持久不衰,目前已配制出45个品种通过56次审定,其中国审品种8个,这些品种中多数品种的稻瘟病抗性表现中抗以上。马荣荣创制的籼粳交不育系甬粳15A,目前已配制出甬优1510、甬优1512、甬优1538和甬优1540等品种,其中甬优1540在浙江、江苏、湖北、安徽、福建、广西、上海等省市区大面积推广,累计推广面积达41.8万公顷。

      1.3水稻种质创制的新方法

      传统意义上的杂交育种是水稻种质创制最基本的方法。然而,随着人们对生物体认识的不断深入以及生物技术的不断发展,种质资源创制的方法也不仅仅停留和局限于杂交,还可以通过诱变技术、染色体工程技术、小孢子培养技术、原生质体融合技术以及基因工程等进行种质资源创制。

      生物技术的快速兴起大大提高了人们创造和利用变异的能力,为种质创制提供了多种可利用的手段。近年来,基因编辑技术的快速发展,CRISPR/Cas介导的水稻基因定点编辑可以特异地修饰某个靶向序列,从而创制具有特定优异等位基因的新种质,如创制水稻高产基因Gn1a和DEP1的等位基因新种质,创制水稻抗病基因RBL1的等位基因新种质,创制水稻低镉基因OsNramp5的等位基因新种质。该技术与传统的点突变相比,具有效率更高、速度更快、无多余的随机突变的优点。

      2 水稻基因资源挖掘

      2.1水稻基因组研究

      2002年北京华大基因研究中心和美国的Syngenta公司成功完成了籼稻9311全基因组测序工作,

      (http://rice.genomics.org.cn/)

      2005年水稻《水稻基因组精细图》正式完成,标志着水稻是第一个完成全基因组测序的作物。

      (https://ngdc.cncb.ac.cn/databasecommons/database/id/1088)

      2014年中国农业科学院作物科学研究所利用从不同国家收集的3000份水稻种质资源,通过三代测序技术,成功完成这些材料的深度测序。2016年华中农业大学Zhang等完成珍汕97和明恢63两个籼稻高质量参考基因组。2019年中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所Wang等在全基因组范围内全面系统地鉴定出控制水稻杂种优势的主要基因位点。2021年四川农业大学Qin等联合中科院遗传与发育生物学研究所完成了33个水稻遗传多样性材料的泛基因组分析,并首次发现大量尚未发现的“隐藏”基因和等位变异。2021年Xie等合作完成了普通野生稻高质量基因图谱构建。2023年Shang等完成首个完整的水稻参考基因组,实现了全基因组所有染色体的完整无缺口组装。植物基因组学的快速发展为水稻功能基因组和分子遗传机制研究奠定了重要基础。

      2.2水稻优异基因资源挖掘

      随着水稻基因组、转录组和泛基因组等研究的迅速开展,研究者以水稻种质资源为材料,从中鉴定了一系列控制产量、抗病虫、抗逆和品质等性状的基因。

      ☞2.2.1产量性状基因鉴定

      水稻产量由多基因控制,主要是有效穗数、穗粒数和千粒重3个方面决定的。粒重受水稻粒形大小和灌浆饱满程度的影响,大粒作为重要育种性状在长期的驯化栽培中被保留下来,在实际生产和育种过程中,水稻粒形和粒重成为了水稻品种选育的重要参数。

      GW2是以种质资源WY3为材料克隆的同时控制水稻粒宽和粒重的主效基因,其编码一个环型E3泛素连接酶,GW2能显著增加水稻的粒宽、粒重和有效穗数,是第一个被克隆的水稻粒宽基因。Ghd7是利用汕优63克隆的能同时控制水稻每穗粒数、株高和抽穗期的主效基因,其作为一个转录抑制因子,通过抑制ARE1基因的表达,从而正调控水稻产量性状。GS3是利用核心资源明恢63克隆的同时控制水稻粒长和粒重的主效基因,通过参与G蛋白信号转导来调控水稻粒形,是第一个被克隆的水稻粒长基因。继GW2和GS3问世后,研究者利用不同水稻核心种质对水稻粒形性状开展了深入的研究,克隆出一些新的粒形基因或等位基因,其中同时影响水稻粒形和粒重的基因有GW5、GS5和GS2。研究者以籼稻特青和粳稻02428为研究材料,利用图位克隆的方法鉴定1个水稻增产的重要基因GY3,该基因通过调控细胞分裂素的合成,显著增加水稻每穗的粒数,从而提高水稻的产量。

      ☞2.2.2品质基因鉴定

      稻米品质是一个极为复杂的农艺性状,主要包括稻米的外观品质、研磨加工品质、食味品质和营养品质等方面。而稻米外观品质是最重要的指标之一,直接影响到消费者的喜好,大多数消费者都比较喜欢低垩白且细长的优质米。

      Wx是控制直链淀粉含量的主效基因,在该位点,目前已鉴定了大量的等位变异基因,而且不同的等位基因控制着不同的蒸煮食味品质。Chalk5是目前唯一利用图位克隆获得的调控垩白的主效基因,过表达Chalk5可增加蛋白质体的含量并降低垩白率。目前,很多已报道的粒形基因也影响垩白性状,GW2增加粒宽的同时也显著增加籽粒垩白;控制细长粒形的gw8、GW7/GL7和gs9/gl9都能够降低垩白,显著地改良稻米的外观品质。Zhai等克隆了一个控制水稻穗颈大维管束韧皮部面积性状的基因LVPA4,该基因通过源、库、流性状的协调作用,同时提高了水稻产量和稻米品质,在水稻高产优质育种中具有应用价值。

      ☞2.2.3病虫害基因鉴定

      稻瘟病、白叶枯病、褐飞虱是我国水稻主要的病虫害,而稻瘟病在我国各稻区每年均有不同程度发生。挖掘水稻中抗病、抗虫基因并将其聚合到不同水稻品种中,有利于培育出抗病虫害的水稻新品种。

      稻瘟病是一种世界性真菌病害,严重影响水稻产量和品质,迄今已从不同水稻品种中克隆了超过30个抗瘟基因。其中Pib是最先被成功克隆的抗稻瘟病基因,而Pi9是最早被克隆广谱的抗稻瘟病基因。水稻白叶枯病严重危害水稻生产,目前被定位的水稻抗白叶枯主效基因已超过40个,其中有10个基因被成功克隆,其中Xa23是从野生稻资源中鉴定的一个在全生育期表现广谱、高抗白叶枯病的基因。褐飞虱是水稻生产中危害最严重的害虫之一,严重影响水稻的品质和产量,迄今鉴定到的抗褐飞虱基因位点已超过30个,主要分布在水稻第3、4、6和12号染色体上,其中Bph14是第一个被克隆的来源于药用野生稻资源的抗褐飞虱基因。华中农业大学Sha等克隆了1个名为RBL1的广谱抗病类突变体基因,并通过基因编辑技术成功创制了一个名为RBL1Δ12的新基因,该基因具有广阔的抗病育种应用前景,对稻瘟病、白叶枯病、稻曲病三病的抗性均有显著提高。

      ☞2.2.4抗逆性基因鉴定

      水稻在生长过程中经常受生物及非生物胁迫而导致产量和品质下降,其中非生物胁迫主要包括盐碱、冷害、高温、洪涝、干旱、重金属胁迫等;在漫长的进化过程中,水稻已形成了一系列复杂且有序的机制来感知环境的变化,以抵御环境带来的不利影响,其中一些抗逆基因陆续被挖掘出来并应用于育种实践。

      qSE3编码1个新的转运蛋白OsHAK21,能够提高种子萌发过程中的耐盐性。DST是水稻中发现的一个新型锌指转录因子,该转录因子对水稻的耐旱性和耐盐性表现负调控,当该基因功能缺失时可显著提高水稻的耐旱性和耐盐性。SNAC1基因编码1个NAC转录因子,过表达SNAC1可以显著提高水稻的耐旱性和耐盐性。Deng等鉴定了1个新的水稻耐盐关键基因RST1,并揭示了其通过抑制天冬酰胺合成酶基因表达来调控水稻盐胁迫响应以及产量形成的分子机制。Zu等通过甲基磺酸乙酯(EMS,ethylmethanesulfonate)化学诱变筛选得到1个ospus1抑制子PPR蛋白,该蛋白可以显著增加水稻耐冷性。Fujino等发现qLTG3-1是1个未知功能的蛋白,能控制水稻发芽期的低温耐受性。(参考文献略)

      ☞本文来自《我国水稻种质资源创新研究与利用进展》

      ☞作者:杨德卫,张海峰,余文权

      ☞单位:福建省农业科学院水稻研究所;福建省农业科学院资源环境与土壤肥料研究所;福建省农业科学院茶叶研究所

      ☞刊于《植物遗传资源学报》2024年第4期 转载请注明

 
 
 
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