綠色超級稻及其品種選育技術(shù)-徐建龍

徐建龍研究員中國農(nóng)科院作物科學(xué)研究所Email:xujlcaas@126.com綠色超級稻及其品種選育技術(shù)綠色超級稻的概念（少打農(nóng)藥、少施化肥、節(jié)水抗旱、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)）。綠色超級稻的綠色性狀如抗旱、氮磷高效利用、耐高（低）溫、耐鹽堿等大多是受多基因控制的復(fù)雜性狀，受環(huán)境影響非常大，表型準(zhǔn)確鑒定很困難，常規(guī)選育的效果不太理想。另一方面，過去的水稻育種一直關(guān)注品種產(chǎn)量水平的提高，對綠色性狀的有利基因發(fā)掘和育種利用重視不夠。因此，目前綠色超級稻育種面臨著可資利用的有利基因少、育種技術(shù)復(fù)雜等困境。復(fù)雜性狀的分子改良依賴于多基因的聚合技術(shù)。有利基因的匱乏是目前水稻常規(guī)育種乃至分子育種的瓶頸。因此，綠色性狀基因的獲得是前提。種質(zhì)資源貯藏著育種利用幾乎所有的有利基因。目前種質(zhì)資源的利用率不到5%。為促進(jìn)種質(zhì)資源重要性狀基因的深層發(fā)掘，中國農(nóng)科院、深圳華大基因和國際

綠色性狀基因的獲取水稻研究所共同完成了3000份全球水稻核心種質(zhì)資源的重測序，為種質(zhì)資源有利基因發(fā)掘奠定了基礎(chǔ)。(519)來自89個國家，平均深度14X，獲得1890萬SNPFigure2classificationof3000riceaccessionsintofivedistinctvarietalgroupsbasedon5setsof200000randomsetsfromthe18.9milliondiscoveredSNPvarieties全部材料分5組：秈、Aus/boro、Basmati/sadri、熱帶粳稻和溫帶粳稻基于測序種質(zhì)資源綠色性狀基因的挖掘

1正向遺傳學(xué)途徑：選擇一套種質(zhì)資源進(jìn)行多年多點表型鑒定，評價種質(zhì)資源的表型，結(jié)合重測序SNP基因型鑒定，關(guān)聯(lián)分析定位和挖掘控制重要性狀的優(yōu)異等位基因。

存在困難：（1）種質(zhì)資源抽穗期、株高和適應(yīng)性等差異很大。而產(chǎn)量與品種的適應(yīng)性有關(guān)，抗逆性與生育階段有關(guān)，因此在大田條件下表型精準(zhǔn)鑒定的難度大。（2）大量表型鑒定的可控性差，誤差大。

采取對策：將不同來源生育期相近的資源分組進(jìn)行表型鑒定。目前，國內(nèi)外通過種質(zhì)資源的關(guān)聯(lián)分析，定位到許多控制重要農(nóng)藝性狀的新基因。Huangetal.（2012）利用來自全球的950個農(nóng)家品種低倍重測序構(gòu)建的高密度單倍型圖譜，通過關(guān)聯(lián)分析鑒定到影響籽粒相關(guān)性狀的32個主效QTL及其對應(yīng)的候選基因

2反向遺傳學(xué)途徑：利用目前已經(jīng)克隆或精細(xì)定位的基因信息，先分析克隆基因位點上重測序品種的單倍型。根據(jù)基因單倍型將種質(zhì)資源分組進(jìn)行多年多點表型鑒定，分析不同單倍型之間表型效應(yīng)及差異，鑒定現(xiàn)有基因位點上控制重要性狀的最佳優(yōu)異等位基因。

優(yōu)點：(1)通過基因單倍型分析將資源材料分組，可以針對每個基因進(jìn)行不同等位基因的表型評價，大大減少資源數(shù)量，有利于表型的精準(zhǔn)鑒定。(2)水稻重要農(nóng)藝性狀功能基因組研究成果（克隆、精細(xì)定位和轉(zhuǎn)錄因子）提供了重要農(nóng)藝性狀的大量的基因信息。水稻粒形、抽穗期和產(chǎn)量相關(guān)性狀基因基因性狀染色體

基因性狀染色體

基因性狀染色體GW2粒寬和粒重2

qSSP7每穗粒數(shù)

7

qHY-8抽穗期8GS5籽粒大小

5

SPP1每穗粒數(shù)

1

Hd-q抽穗期6GW5粒寬和粒重

5

Ghd7每穗粒數(shù)、株高7

Hd3a抽穗期6

qSW5粒寬基因

5

Gn1a每穗實粒數(shù)

1

Ghd10抽穗期10Srs5粒型和粒重

11

PROG1生長習(xí)性和每穗粒數(shù)

7

HGW抽穗期6GS3粒長和粒重

3

LAX2;Gnp4稀穗;每穗粒數(shù)基因

4

RFL;APO2抽穗期4Mi3粒長和籽粒大小

3

Os11Gsk增產(chǎn)

1

Hd1抽穗期6qGL7-2粒長7

qGY2-1增產(chǎn)QTL2

Hd17抽穗期6

gw3.1粒重3

OsTB1;FC1分蘗調(diào)控基因

3

Hd4抽穗期7

gw9.1粒重9

D88/D14株高

3

Hd6;CK2α抽穗期3

qGW8粒重8

d-3單株穗數(shù)

6

OsMADS50抽穗期3SGL粒長和株高5

GIF1籽粒充實度

4

CKI;EL1;Hd16抽穗期3

GS7粒形7

RSR1水稻淀粉調(diào)節(jié)因子

5

Hd-3抽穗期6

BSG1粒形、粒重2

OsBADH2;fgr香味基因

8

OsFCA抽穗期調(diào)控9SG1短?；?/p>

9

Chalk5堊白

5

Se5;OsHY1抽穗期6TGW6千粒重6

qGC-6膠稠度

6

Ghd8開花抑制8

Mi3(t)小?；?/p>

3

DTH2生育期

2基因性狀Chr基因性狀Chr基因性狀ChrSKC1耐鹽1OsMTP1;OZT1隔和鋅的耐受性5OSINV3低溫相關(guān)2Saltol耐鹽1Ospdr9隔轉(zhuǎn)運1Oshsp18.0-CII高溫抗性1Sub1耐淹9LCD隔轉(zhuǎn)運1GAD3耐高溫3Pup1耐低磷12qCdT7;OsHMA3鎘運輸7OsMYB55耐高溫5NIGT1氮應(yīng)答2STAR2解除鋁害5OsHSP17.7耐高溫3OsMAP1干旱、鹽和冷3OsYSL6解除錳毒4OsHSF7耐高溫3OsLEA3干旱、鹽5OsHsfA4a耐鎘1MYBS3耐冷10Oshox22干旱和鹽脅迫4ASR5耐鋁11OsNUS1;V1耐冷害3OMTN6干旱敏感8OsTPP1耐冷和抗旱等6Osgr-rbp4耐熱相關(guān)12Oshox4干旱相關(guān)9OsMGT1耐鋁和鎂吸收1OsDREB11;CR350干旱相關(guān)4OsCDT3耐鋁性基因1OsDPK4高鹽、干旱4OsIBR5旱敏感6OsbZIP72抗旱9OsETOL1耐旱3OsDIL耐旱10SERF1耐鹽5OsSUV3耐鹽3RSS3耐鹽11水稻耐旱、鹽、極端氣溫和不良土壤因子基因水稻抗病抗蟲基因基因

性狀

Chr基因性狀

Chr基因

性狀

ChrOsBRR1抗稻瘟3DEPG1抗細(xì)條病5C3H12抗白葉枯1OsCPK10抗稻瘟7STV11條紋葉枯

11Xa-1抗白葉枯4

Pi-d3抗稻瘟6RF2b東格魯病3xa-5抗白葉枯5Pi-d3抗稻瘟6

RF2a東格魯病9Xa27;Xa-min(t)抗白葉枯6

OsGLP8抗稻瘟8Rymv1黃斑駁病毒4Xa21抗白葉枯11

Pi56(t);qBR9.1抗稻瘟9OsMPK13褐飛虱2Xa25;x25抗白葉枯12

OsALDH7抗稻瘟9OsMPK17褐飛虱5OsPAD4抗白葉枯11PiCO39抗稻瘟11Bphi008a褐飛虱6Xa21抗白葉枯12OsSL抗稻瘟12Bph14褐飛虱3OsLOL2抗白葉枯1OsNAC19抗稻瘟3Bph6褐飛虱4OsNPR1;NH1抗白葉枯1Pi-t抗稻瘟1BPH27褐飛虱4Xb3抗白葉枯5Pish抗稻瘟1

Pita3(t)褐飛虱12pi21抗稻瘟4

BPH7褐飛虱12Pi9;Pi2/Piz-5;Pi50;Piz抗稻瘟6Bph27(t)褐飛虱4Pi25;Pid3抗稻瘟6

Bph28(t)褐飛虱11Pid2抗稻瘟6OsERF3抗二化螟1Pi5;Pi5-1抗稻瘟9

Pi56(t);qBR9.1抗稻瘟9

Pia;RGA4,RGA5抗稻瘟11Pik-h;Pi54;Pi54rh抗稻瘟11Pita;Pi-4a抗稻瘟12

綠色性狀基因聚合培育綠色超級稻的育種技術(shù)回交結(jié)合分子標(biāo)記輔助聚合育種技術(shù)分子輪回選擇聚合育種技術(shù)回交結(jié)合分子標(biāo)記輔助聚合育種技術(shù)優(yōu)良品種

×優(yōu)異等位基因供體（RP）

（DP）F1s

×

RPBC1F1s×RP~25BC2F1s

×

RPxBulkBC2F5－6populations1,2,3,4,5,6,……集團(tuán)加代產(chǎn)生同一優(yōu)良品種背景不同綠色性狀的選擇導(dǎo)入系綠色性狀篩選不同供體來源的同一性狀或不同目標(biāo)性狀選擇導(dǎo)入系互交來自不同供體有利基因的聚合體，培育綠超新品種MAS目標(biāo)性狀選擇導(dǎo)入系培育及QTL定位標(biāo)記輔助目標(biāo)性狀有利基因聚合QTL定位黃華占背景導(dǎo)入系群體的培育

8個供體親本導(dǎo)入黃華占背景的BC1F2群體抗旱篩選耐淹篩選3個耐淹株系311個不同供體來源的高產(chǎn)抗逆導(dǎo)入系109個抗旱株系高產(chǎn)篩選82個高產(chǎn)株系耐鹽篩選120個耐鹽株系153抗旱171耐淹212高產(chǎn)211耐鹽497具備1種以上抗逆性的優(yōu)良導(dǎo)入系交叉篩選用于構(gòu)建黃華占背景導(dǎo)入系的供體親本及來源群體編號供體來源世代HHZ5OM1723Vietnam(I)BC1F7-9HHZ8

PhalgunaIndia(I)BC1F7-9HHZ9IR50IRRI(I)BC1F7-9HHZ11IR64IRRI(I)BC1F7-9HHZ12TeqingChina(I)BC1F7-9HHZ15PSBRc66Philippines(I)BC1F7-9HHZ17CDR22India(I)BC1F7-9HHZ19PSBRc28Philippines(I)BC1F7-9

導(dǎo)入系親本信息HHZvsPSBRC28HHZvsPSBRC66HHZvsIR64HHZvs特青HHZvsCDR22HHZvsOM1723HHZvsPhalgunaHHZvsIR50經(jīng)1X重測序，8個群體共檢測到37萬個SNP，以自然交換點為bin基因型的分界點，共繪制出4613個bin基因型，各群體的SNP分布如下圖。497份HHZ導(dǎo)入系產(chǎn)量鑒定497份HHZ導(dǎo)入系抗旱鑒定497份HHZ導(dǎo)入系氮高效利用鑒定497份HHZ導(dǎo)入系孕穗期耐低溫鑒定

高產(chǎn)（6個環(huán)境）抗旱氮高效利用孕穗期耐冷（2個環(huán)境）HHZ5211103HHZ85021HHZ92423HHZ115605HHZ121021014HHZ1513007HHZ177233HHZ193120合計66162936來自8個HHZ回交群體497份導(dǎo)入系定位到高產(chǎn)、抗旱、氮高效利用和孕穗期耐冷的QTL匯總HHZ19

chrdisbindisbinLODPVEAddEnvM562HHZ9181.5C9M226222.5C9M2854.627.8-3.62011HN-GY22.117.8

2012HN-GY34.120

2012HZ-GY27.118.7

2012SZ-GY41.230.5

2013SZ_W_GY19.620.7

Mean28.821.5HHZ5

chrdisbindisbinLODPVEAddEnv.M79HHZ2256.5C2M314264.5C2M3263.318.7-1.62012IR_D_GY21.89.4

2012IR_W_GY2924.6

2012IR_DI_GY-0.249-0.62

Mean25.417HHZ9

chrdisbindisbinLODPVEAddEnv.M242HHZ4310.5C4M342312C4M3442.616.5-8.92013SZ_W_BY44.51

2013SZ_W_GY20.120.7

2013SZ_N_BY26.42

2013SZ_N_GY14.1110.8

2013SZ_I_BY-40.65

2013SZ_I_GY-29.78-47.5HHZ5

chrdisbindisbinLODPVEAddEnv.M6

3147.5C3M199148.5C3M2012.520.2-0.1玉溪重復(fù)10.80.8

玉溪重復(fù)20.770.76

玉溪平均值

0.780.78

尋甸重復(fù)10.710.53

尋甸重復(fù)20.750.59

Mean0.730.56篩選出的帶有目標(biāo)主效QTL且目標(biāo)性狀表現(xiàn)突出的導(dǎo)入系，用于多個復(fù)雜性狀標(biāo)記輔助聚合育種HHZ12-DT10-SAL1-DT1中廣優(yōu)2號2分子輪回選擇聚合育種技術(shù)輪回選擇是以遺傳基礎(chǔ)豐富的群體為基礎(chǔ)親本，經(jīng)過不斷的“選擇--互交--選擇”，打破不利基因連鎖，聚合有利基因，從而不斷提高基因重組體后代群體的性狀水平，達(dá)到持續(xù)改良群體的目的。水稻輪回選擇經(jīng)歷了人工去雄雜交利用隱性核不育系基因（IR36ms)提高異交率利用顯性核不育系基因提高異交率的過程。福建省三明市農(nóng)科所在水稻雜交組合SE21S/

Basmati370后代中發(fā)現(xiàn)顯性核不育無花粉材料（三明顯性核不育），后代遺傳表現(xiàn)穩(wěn)定，不育株的花粉敗育，形態(tài)特別，花藥不開裂，為無花粉型，易于肉眼識別不育花藥可育花藥顯性核不育基因的遺傳模式

單基因控制的顯性核不育株基因型為Rr和RR，可育株基因型為rr，不育株（Rr)與可育株（rr）雜交F1有1/2的可育株（rr）和1/2的不育株（Rr）。不育株在雜交一代即可出現(xiàn)且頻率較高（50%），這就大大提高了輪回選擇的遺傳進(jìn)度和選擇效率。因此，顯性核不育基因是進(jìn)行輪回選擇的理想工具。不同優(yōu)良遺傳背景下的顯性核不育系基于顯性核不育基因的輪回選擇聚合育種基礎(chǔ)群體輪回選擇群體優(yōu)良不育株異交種子混合優(yōu)良可育株綠色超級稻新種質(zhì)剔除不良可育株加入優(yōu)異種質(zhì)資源顯性核不育系不同目標(biāo)基因供體品種X不同綠色性狀基因的聚合體標(biāo)記鑒定不同QTL聚合體結(jié)合綠色性狀鑒定MAS聚合更多目標(biāo)QTL綠色超級稻新品種輪回選擇與全基因組選擇結(jié)合—全基因組分子輪回選擇育種全基因組選擇（Genomicselection,GS）育種策略，即利用一個原始訓(xùn)練群體的全基因組分子標(biāo)記數(shù)據(jù)和性狀表型來建立遺傳預(yù)測模型，估計每個標(biāo)記的遺傳效應(yīng)，進(jìn)而在后續(xù)的育種群體中通過對個體的分子標(biāo)記基因型檢測，通過模型來預(yù)測個體的育種值，根據(jù)預(yù)測的育種值選擇優(yōu)良后代。輪回選擇與全基因組選擇技術(shù)相結(jié)合，可以較好地解決上述問題。訓(xùn)練群體育種群體GS全基因組選擇育種存在的問題對目前的育種分離群體，全基因組選擇育種技術(shù)實施起來尚有一定難度。因為基于全基因組標(biāo)記建立的遺傳選擇模型嚴(yán)重依賴于遺傳背景，對于任何一個分離群體，均需要建立各自的遺傳選擇模型，即遺傳模型不具有通用性。不同有利基因的品種或材料優(yōu)良背景顯性核不育系XF1種植不育株上混收種子種植不育株上收獲群體種植不育株上混收種子多環(huán)境多性狀鑒定隨機混收所有可育株種子高密直播加代穩(wěn)定RIL群體全基因組選擇建模全基因組SNP基因型分析入選個體目標(biāo)性狀的多點鑒定與評價，評估全基因組選擇效果優(yōu)良株系品比試驗隔離混種，輔助人工趕粉隔離混種，輔助人工趕粉種植不育株上混收種子隔離混種，輔助人工趕粉隨機混收所有可育株種子種植不育株上混收種子標(biāo)記基因型鑒定估算個體育種值繼續(xù)重組預(yù)測模型修訂全基因組選擇不斷的分子輪回選擇隔離混種，輔助人工趕粉不同基因個體之間雜交，進(jìn)一步聚合不同性狀基因MAS輪回重組全基因組分子輪回選擇聚合育種技術(shù)輪回重組可育株混收群體一年3代溫室加速穩(wěn)定輪回選擇創(chuàng)制新種質(zhì)和培育綠色超級稻新品種帶有相同目標(biāo)性狀不同基因的資源供體不同類型的基礎(chǔ)親本帶有不同綠色性狀基因的資源供體創(chuàng)制不同基因的聚合體，提高單一綠色性狀的水平聚合不同綠色基因，培育綜合性狀優(yōu)良綠色超級稻新品種分子輪回選擇方案一：利用我國骨為恢復(fù)系為基礎(chǔ)親本構(gòu)建