1、水 稻 种 质 资 源 的 分 子 评 价 和 利 用姜 亮 郭 龙 彪 钱 前*( 中 国 水 稻 研 究 所 水 稻 生 物 学 国 家 重 点 实 验 室 , 浙 江 杭 州 3 1 0 0 0 6 ;*通 讯 作 者 , E - m a i l : q i a n q i a n 1 8 8 h o t m a i l . c o m )水 稻 是 世 界 上 最 重 要 的 粮 食 作 物 之 一 , 全 球 一 半以 上 的 人 口 以 稻 米 为 主 食 。 以 矮 秆 育 种 和 杂 种 优 势 利用 为 特 征 的 水 稻 品 种 改 良 使 我 国 水 稻 单 产 产 生
2、了 两 次飞 跃 , 为 解 决 我 国 的 粮 食 问 题 作 出 了 巨 大 贡 献 。 近 些年 , 分 子 技 术 在 水 稻 育 种 上 逐 步 得 到 发 展 和 完 善 , 分 子标 记 具 有 挖 掘 与 目 标 表 型 相 连 锁 基 因 的 优 点 , 种 质 资源 的 分 子 评 价 弥 补 了 过 去 利 用 表 型 进 行 种 质 资 源 评 价的 不 足 , 这 些 都 预 示 分 子 利 用 或 分 子 设 计 育 种 将 成 为水 稻 育 种 第 三 次 飞 跃 的 突 破 口 , 为 水 稻 的 品 种 改 良 指明 了 新 的 方 向 。1 种 质 资 源
3、的 分 子 评 价优 异 的 种 质 资 源 作 为 开 展 育 种 工 作 的 物 质 基 础 历来 受 到 世 界 各 国 的 重 视 。 世 界 各 国 收 集 并 保 存 的 水 稻及 其 近 缘 野 生 种 的 种 质 资 源 大 约 有 2 5 万 余 份 , 保 留 了水 稻 育 种 赖 以 生 存 的 几 乎 所 有 基 因 资 源 , 但 是 如 何 有效 利 用 这 么 大 数 量 的 种 质 资 源 , 成 为 育 种 家 们 共 同 面对 的 难 题 。 由 于 以 往 对 水 稻 种 质 资 源 的 研 究 和 评 价 仅局 限 于 形 态 特 征 及 农 艺 性 状
4、 的 一 些 简 单 鉴 定 与 描 述 ,所 以 , 目 前 虽 然 拥 有 了 大 量 的 种 质 资 源 却 不 能 有 效 利用 1 。随 着 分 子 生 物 学 向 其 他 生 物 学 科 的 渗 透 , 将 分 子标 记 引 入 种 质 资 源 的 评 价 突 破 了 过 去 利 用 表 型 鉴 定 评价 的 局 限 性 。 分 子 标 记 具 有 精 确 定 位 遗 传 图 谱 及 挖 掘与 目 标 表 型 相 连 锁 基 因 的 优 点 , 这 弥 补 了 过 去 利 用 表型 进 行 种 质 资 源 评 价 的 不 足 。1 . 1 种 质 资 源 冗 余 与 遗 传 狭 窄
5、 性 的 评 估数 以 万 计 的 作 物 种 质 资 源 被 称 作 基 础 种 质 , 它 们携 带 的 基 因 有 很 多 是 重 复 的 。 根 据 国 际 植 物 遗 传 资 源委 员 会 统 计 表 明 , 有 超 过 3 6 0 0 0 0 0 个 种 质 资 源 的 编 号保 存 在 国 际 和 各 国 的 基 因 库 ( g e n e b a n k ) 中 , 其 中 来 自水 稻 的 有 9 0 0 0 0 份 、 小 麦 有 1 2 0 0 0 0 份 、 玉 米 有 2 5 0 0 0份 , 对 于 这 么 多 的 种 质 资 源 进 行 遗 传 多 样 性 的 评
6、 价 、 遗传 结 构 分 析 和 基 因 利 用 是 非 常 重 要 的 。 尤 其 是 遗 传 距离 的 估 算 , 有 利 于 挖 掘 尚 未 充 分 估 算 的 种 质 资 源 。种 质 资 源 在 收 集 过 程 中 , 造 成 冗 余 的 主 要 原 因 有两 个 : 一 是 同 一 品 种 有 不 同 的 名 称 或 同 一 种 质 的 重 复取 样 ; 二 是 取 样 来 自 同 一 系 谱 之 内 的 品 种 、 近 等 基 因系 , 大 多 数 的 遗 传 位 点 是 相 同 的 。 例 如 , 美 国 栽 培 稻 品种 M 5 、 M 3 0 1 、 M 1 0 3 、
7、S 2 0 1 、 C a l r o s e 、 C a l r o s e 7 6 、 C S -M 3 和 C a l m o c h i - 2 0 2 在 所 有 的 1 0 0 个 R F L P 标 记 的 带型 是 相 同 的 。 所 有 这 些 栽 培 稻 品 种 都 能 追 溯 到 相 同 的祖 先 C a l o r o , 在 C a l r o s e 和 C a l r o s e 7 6 的 6 0 个 S S R 位点 都 没 有 检 测 到 多 态 , 这 是 由 于 C a l r o s e 7 6 是 由 C a l -r o s e 化 学 诱 变 而
8、 来 的 2 。通 过 比 较 两 个 不 同 种 质 资 源 的 所 有 分 子 标 记 等 位位 点 的 频 率 , 可 以 找 到 不 同 的 等 位 位 点 、 等 位 组 合 和 等位 频 率 的 类 型 。 具 有 较 大 差 异 的 等 位 频 率 的 位 点 是 能够 确 定 出 在 染 色 体 上 的 位 置 的 。 X u 等 2 研 究 发 现 , 在 特定 环 境 下 选 择 所 引 起 的 等 位 基 因 组 合 或 等 位 频 率 类 型变 化 的 基 因 区 域 , 利 用 这 段 区 域 就 可 以 从 变 化 很 复 杂的 种 质 中 区 分 出 一 组 有
9、较 少 差 异 的 种 质 。 例 如 , 3 个 美国 栽 培 稻 品 种 D e l l a 、 R e x m o n t 和 C a l o r o 中 丢 失 了 一 些普 通 种 质 的 标 记 位 点 , 如 R F L P ( C D O 6 8 6 / H i n d I I I 和B C D 8 0 8 / X b a I ) 等 , 仅 D e l l a 在 3 7 个 标 记 中 就 丢 失 了 2 4个 位 点 ( 占 6 4 . 9 % ) , 而 D e l l a 的 两 个 最 原 始 亲 本 恰 恰 是R e x o r o 和 D e l i t u s
10、 , 说 明 美 国 栽 培 稻 源 于 较 小 范 围 的 种质 资 源 。 这 一 事 实 解 释 了 为 什 么 这 些 栽 培 稻 虽 然 有 丰富 的 基 因 , 而 在 后 期 选 育 的 栽 培 稻 中 基 因 频 率 出 现 下降 。摘 要 : 水 稻 育 种 通 常 包 括 两 方 面 重 要 的 工 作 , 首 先 是 对 育 种 材 料 中 目 标 性 状 的 种 质 资 源 进 行 评 价 , 其 次 是 采 用有 效 的 方 法 把 目 标 基 因 转 移 到 品 种 中 。 本 文 系 统 介 绍 了 水 稻 种 质 资 源 的 分 子 评 价 , 列 举 了 一
11、些 优 先 应 用 的 种 质 或 基因 , 并 综 述 了 分 子 育 种 的 最 新 进 展 。关 键 词 : 水 稻 ; 种 质 资 源 ; 分 子 评 价 ; 分 子 育 种专 论 与 综 述 2 0 0 8 年 第 3 期收 稿 日 期 : 2 0 0 8 - 0 4 - 0 78 姜 亮 等 : 水 稻 种 质 资 源 的 分 子 评 价 和 利 用2 0 0 8 年 第 3 期1 . 2 遗 传 漂 变 的 监 控种 质 资 源 保 存 的 重 要 目 标 之 一 就 是 保 持 遗 传 多 样性 和 防 止 遗 传 漂 移 。 作 为 自 花 授 粉 的 水 稻 , 一 般 说
12、 来 ,自 交 的 水 平 不 会 超 过 在 一 定 随 机 方 法 控 制 的 预 期 值 ,但 是 暂 时 的 变 异 和 选 择 也 会 引 起 重 大 的 偏 离 。种 子 在 长 时 间 储 藏 过 程 中 , 遗 传 信 息 可 能 发 生 改变 , 其 影 响 因 素 主 要 有 三 个 方 面 : 一 是 突 变 的 发 生 ; 二是 染 色 体 畸 变 的 发 生 ; 三 是 外 来 群 体 基 因 型 的 变 化 引起 的 基 因 频 率 的 漂 移 。 R o o s 3 指 出 , 染 色 体 畸 变 而 引 起的 遗 传 变 化 并 没 有 充 分 的 证 据 。
13、然 而 , 随 着 储 藏 期 的 增长 , 不 同 的 种 子 寿 命 能 显 著 降 低 遗 传 变 化 。在 体 外 培 养 引 起 的 种 质 遗 传 变 化 、 种 质 遗 传 的 稳定 性 可 以 用 核 内 的 染 色 体 数 目 和 形 状 来 判 断 , 细 胞 学上 的 变 异 被 看 作 是 引 起 体 细 胞 变 异 的 重 要 原 因 。 L a s s -n e r 和 O r t o n 4 报 道 体 外 培 养 芹 菜 时 , 其 同 工 酶 标 记 在 细胞 水 平 上 有 明 显 变 异 , 发 现 体 外 培 养 会 产 生 遗 传 漂 变 。种 质 资
14、 源 中 存 在 自 交 形 成 的 异 质 性 , 对 保 持 遗 传多 样 性 和 防 止 遗 传 漂 移 起 到 缓 冲 作 用 , 对 异 质 种 质 的监 控 有 利 于 制 定 合 适 的 种 质 资 源 再 生 方 案 , 并 且 不 让异 质 提 供 的 遗 传 多 样 性 丢 失 。 一 般 来 说 , 传 统 的 栽 培 稻具 有 较 高 水 平 的 异 质 性 , X u 等 2 报 道 , 在 2 3 6 个 水 稻 品种 中 , 在 1 2 0 个 品 种 中 至 少 有 一 个 R F L P 和 S S R 位 点是 杂 合 的 , 杂 合 位 点 的 数 目 一
15、 般 是 从 0 个 到 3 9 个 。 所以 , 不 管 品 种 是 否 纯 合 , 可 以 用 混 合 收 种 或 保 留 杂 合 体的 方 式 来 保 持 这 些 种 质 。1 . 3 鉴 别 控 制 优 异 种 质 资 源 的 基 因一 旦 商 业 化 的 杂 交 育 种 体 系 建 立 起 来 , 具 有 一 个或 更 多 优 良 性 状 的 亲 本 和 杂 交 种 就 代 表 了 杂 交 育 种 的新 进 展 , 这 些 进 展 取 决 于 两 个 方 面 : 第 一 , 发 掘 和 产 生杂 种 优 势 和 农 艺 性 状 的 遗 传 变 异 ; 第 二 , 精 确 筛 选 不
16、同基 因 重 组 产 生 的 稀 有 基 因 型 。 过 去 一 个 世 纪 里 , 现 代 育种 方 法 成 就 主 要 是 培 育 了 高 产 的 栽 培 稻 和 杂 交 稻 。 由于 对 产 量 和 其 他 单 个 目 标 性 状 的 要 求 不 断 提 高 , 越 来越 多 培 育 的 新 品 种 来 自 于 现 代 优 良 的 栽 培 稻 和 杂 交稻 , 这 样 就 使 得 一 些 具 有 很 大 遗 传 多 样 性 的 、 产 量 较 低的 原 始 亲 本 在 育 种 中 被 逐 步 淘 汰 了 。 随 着 水 稻 全 基 因组 测 序 的 完 成 和 克 隆 技 术 的 迅 速
17、 发 展 , 人 们 对 优 异 种质 资 源 的 基 因 定 位 、 克 隆 、 转 移 和 累 加 越 来 越 受 到 关注 。 自 从 在 水 稻 中 成 功 分 离 X a 2 1 基 因 以 来 , 已 克 隆 了约 8 0 个 水 稻 突 变 体 基 因 , 其 中 包 括 我 国 克 隆 的 水 稻 分蘖 控 制 基 因 M O C 1 、 脆 秆 控 制 基 因 b c 1 和 控 制 米 质 的A L K 等 基 因 。1 . 4 核 心 种 质 资 源 库 的 构 建核 心 种 质 就 是 用 最 少 的 样 本 最 大 限 度 地 代 表 基 础种 质 的 多 样 性 。
18、 澳 大 利 亚 的 F r a n k e l 于 1 9 8 4 年 提 出 了构 建 核 心 种 质 方 法 , 随 后 一 系 列 聚 类 等 方 法 出 现 5 - 6 。 核心 资 源 库 的 目 标 是 筛 选 1 0 % 种 质 资 源 , 却 代 表 约 为7 0 % 的 遗 传 多 样 性 。 除 了 表 型 评 价 外 , 分 子 标 记 能 在 分子 水 平 上 评 价 遗 传 多 样 性 , 为 构 建 核 心 种 质 资 源 库 提供 了 新 的 工 具 。 综 合 利 用 不 同 类 型 标 记 能 了 解 到 不 同水 平 的 遗 传 多 样 性 , 这 样 所
19、 构 建 的 种 质 资 源 库 就 有 更广 泛 的 遗 传 多 样 性 。 共 有 等 位 位 点 的 频 率 和 携 带 稀 有等 位 位 点 是 构 建 核 心 种 质 资 源 库 两 个 重 要 的 标 准 。X u 等 1 基 于 单 一 的 R F L P 和 S S R 标 记 频 率 为 基础 , 以 水 稻 种 质 为 例 , 选 择 核 心 种 质 的 子 库 。 每 个 子 库采 用 等 重 抽 样 设 定 2 0 0 个 重 复 , 并 且 将 每 个 子 - 母 库 的等 位 位 点 数 目 作 比 较 , 结 果 发 现 : 多 样 性 更 丰 富 的 种质 库
20、要 比 构 建 系 谱 相 关 的 种 质 库 所 需 的 样 本 大 ; 综合 利 用 共 有 等 位 位 点 频 率 和 独 特 位 点 能 提 高 核 心 种 质库 的 代 表 性 ; 以 共 有 等 位 位 点 频 率 为 基 础 构 建 的 核心 种 质 资 源 库 , 比 相 同 情 况 下 随 机 抽 取 需 要 样 本 小 ; 用 高 水 平 多 态 性 标 记 描 绘 遗 传 多 样 性 需 要 更 多 的 样本 。 基 于 共 有 等 位 位 点 频 率 和 独 特 等 位 位 点 信 息 , 他 们筛 选 了 一 个 包 含 3 1 个 品 种 的 亚 库 ( 占 总 样
21、 本 的 1 3 % ) ,覆 盖 了 9 4 . 9 % 的 R F L P 标 记 和 7 4 . 4 % 的 S S R 标 记 。 如 果再 引 入 其 它 选 择 标 准 , 则 可 进 一 步 提 高 核 心 种 质 库 的价 值 和 代 表 性 。贾 继 增 等 7 研 究 发 现 , 用 5 % 左 右 的 样 本 可 代 表 基础 种 质 的 9 0 % 的 遗 传 多 样 性 。 5 % 的 概 念 是 一 两 千 份 水稻 种 质 , 数 量 还 是 太 多 , 这 么 多 份 种 质 让 育 种 家 还 是 没法 在 实 际 中 操 作 。 他 们 再 通 过 进 一
22、步 压 缩 , 把 核 心 种 质精 简 成 “ 微 核 心 种 质 ” , 它 可 以 做 到 用 1 % , 即 一 两 百 份左 右 的 样 本 , 代 表 基 础 种 质 7 0 % 以 上 的 遗 传 多 样 性 。当 分 子 标 记 是 从 由 未 知 功 能 的 D N A 序 列 中 得 来时 , 两 个 含 相 同 标 记 的 收 藏 品 种 并 不 一 定 意 味 着 有 与这 个 标 记 连 锁 的 基 因 。 如 果 构 建 核 心 种 质 仅 靠 这 些 标记 为 标 准 , 那 么 一 些 控 制 重 要 性 状 的 遗 传 变 异 就 可 能丢 失 。 随 着 基
23、 因 组 信 息 不 断 被 破 译 和 许 多 基 因 功 能 的剖 析 , 越 来 越 多 基 因 内 的 标 记 是 可 以 利 用 的 。 用 基 因 内的 标 记 和 功 能 已 知 的 基 因 , 构 建 核 心 种 质 圃 就 相 当 于基 因 的 核 心 种 质 圃 。 随 着 基 因 功 能 不 断 地 被 揭 示 , 对 遗传 多 样 性 的 关 注 可 以 只 集 中 在 基 因 的 活 动 部 位 或 者 是关 键 的 启 动 子 区 域 , 有 利 于 筛 选 功 能 核 苷 酸 的 种 质 资源 库 。 如 果 所 用 的 工 具 合 适 , 种 质 可 以 被 维
24、 持 在 一 个 基9 因 序 列 的 形 式 。 种 质 保 存 的 最 终 目 标 是 去 维 持 基 因 和重 组 的 基 因 。 遗 传 操 作 还 能 解 决 远 缘 物 种 的 不 亲 和 性 。所 以 种 质 资 源 评 价 不 一 定 要 精 确 到 每 个 物 种 和 作 物 1 。所 有 的 遗 传 信 息 媒 介 , 如 组 织 、 克 隆 、 基 因 和 序 列 等 , 将来 会 适 合 每 个 作 物 。1 . 5 种 质 资 源 的 基 因 型 数 据 库植 物 遗 传 学 家 和 育 种 家 可 以 利 用 种 质 评 估 数 据 为指 导 , 决 定 哪 种 遗
25、 传 和 育 种 组 合 是 最 有 效 的 , 可 为 分 子设 计 育 种 提 供 最 佳 方 案 。 大 量 作 物 D N A 指 纹 , 包 括 尽可 能 多 的 栽 培 品 种 、 杂 交 亲 本 和 后 代 , 是 在 杂 交 育 种 中应 用 标 记 辅 助 选 择 的 第 一 步 。一 个 筛 选 种 质 的 有 效 方 法 是 建 立 一 个 “ 巢 式 ” 的 核心 种 质 圃 , 这 个 种 质 圃 数 据 包 含 地 理 、 表 型 、 基 因 型 的多 样 性 的 信 息 , 这 样 一 个 系 统 的 建 设 需 要 利 用 一 套 标准 的 标 记 来 大 量
26、提 供 基 因 型 信 息 8 。 水 稻 已 建 立 了 一 系列 的 生 物 数 据 库 , 如 日 本 水 稻 基 因 组 计 划 ( R G P ) ( h t t p : / /r g p . d n a . a f f r c . g o . j p ) 、 G r a m e n e ( h t t p : / / w w w . g r a m e n e . o r g /)T I G R ( h t t p : w w w . t i g r . o r g / t d b / r i c e /) 、 水 稻 重 要 性 状 的 功能 基 因 组 学 研 究 网 站 (
27、h t t p : / / w w w . r i f g p . a c . c n /) 等 。 中 国水 稻 研 究 所 建 立 了 国 家 水 稻 数 据 中 心 ( C h i n a I n t e g r a t e dR i c e D a t a C e n t e r , C I R D C ) 网 站 ( w w w . r i c e d a t a . c n ) , 陆 续公 布 了 一 些 “ 水 稻 突 变 体 表 型 - 基 因 克 隆 - 分 子 育 种 ” 的相 关 数 据 。 水 稻 全 基 因 组 序 列 数 据 库 都 已 建 立 起 来 , 并且
28、随 着 序 列 信 息 的 不 断 丰 富 , 能 直 接 鉴 定 基 因 和 对 种质 资 源 中 的 等 位 基 因 进 行 分 类 。 如 果 控 制 某 个 性 状 的基 因 或 基 因 序 列 是 已 知 的 , 那 么 就 可 为 以 D N A 指 纹 或关 键 D N A 序 列 的 变 异 类 型 构 建 的 种 质 资 源 库 的 分 类提 供 便 利 。 利 用 基 因 内 的 多 态 S N P 标 记 分 类 , 能 为 高效 筛 选 育 种 材 料 和 鉴 定 优 异 基 因 减 少 工 作 量 和 时 间 。2 当 前 重 点 应 用 的 水 稻 种 质 研 究2
29、 . 1 种 质 应 用 的 研 究 目 标随 着 新 技 术 的 发 展 , 种 质 利 用 的 途 径 越 来 越 多 。 针对 我 国 目 前 的 国 情 和 水 稻 生 产 发 展 的 新 要 求 , 结 合 当前 已 有 的 水 稻 种 质 材 料 特 点 和 分 子 技 术 , 种 质 应 用 研究 应 从 以 下 几 个 方 面 考 虑 : 培 育 超 高 产 、 优 质 、 耐 储藏 、 环 保 性 水 稻 新 品 种 ; 培 育 有 特 殊 用 途 的 水 稻 新 品种 ; 转 育 一 批 育 性 稳 定 、 优 质 、 配 合 力 好 的 细 胞 质 雄性 不 育 系 和
30、恢 复 系 ; 克 隆 、 分 离 一 批 控 制 重 要 农 艺 性状 基 因 9 。2 . 2 优 先 应 用 的 种 质 / 基 因2 . 2 . 1 超 高 产 种 质两 优 培 九 作 为 我 国 超 高 产 两 系 杂 交 稻 , 目 前 其 父本 的 全 基 因 组 测 序 已 完 成 。 通 过 研 究 父 母 本 基 因 表 达谱 的 不 同 和 对 影 响 杂 交 种 产 量 性 状 位 点 的 分 子 定 位 分析 , 不 仅 有 助 于 我 们 进 一 步 了 解 杂 种 优 势 的 机 理 , 而 且有 利 于 建 立 与 高 产 性 状 相 关 的 分 子 标 记
31、, 进 而 为 田 间育 种 提 供 了 极 大 的 便 利 。 基 于 此 , 通 过 有 效 利 用 两 优 培九 超 高 产 杂 交 稻 的 亲 本 种 质 与 其 他 的 抗 性 种 质 、 耐 储藏 种 质 构 建 的 中 间 材 料 杂 交 , 聚 合 多 种 有 利 性 状 , 将 是今 后 超 高 产 育 种 的 方 向 。2 . 2 . 2 单 蘖 种 质分 子 克 隆 的 控 制 水 稻 分 蘖 的 基 因 M O C 1 为 水 稻 株型 育 种 提 供 了 很 好 的 基 础 。 通 过 构 建 载 体 将 正 义 、 反 义M O C 1 基 因 转 入 到 一 些
32、当 家 品 种 中 , 发 现 转 反 义 基 因的 株 系 分 蘖 数 明 显 下 降 , 有 效 分 蘖 增 多 。 由 于 对 这 些 株系 尚 未 做 完 整 的 栽 培 研 究 , 其 产 量 评 价 还 有 待 进 一 步研 究 。2 . 2 . 3 脆 茎 种 质分 离 了 控 制 木 质 素 合 成 途 径 中 的 B C 1 基 因 。 这 不仅 拓 宽 了 水 稻 育 种 的 思 路 , 加 快 了 饲 料 稻 育 种 的 步 伐 ,而 且 对 于 解 决 我 国 当 前 一 些 高 产 品 种 易 倒 伏 问 题 有 很大 帮 助 。 因 为 B C 1 基 因 与 植
33、物 抗 机 械 强 度 有 很 大 关系 , 通 过 向 易 倒 的 品 种 转 正 义 B C 1 基 因 , 能 够 选 育 出抗 倒 伏 的 株 系 , 同 时 也 可 把 反 义 B C 1 基 因 转 入 其 他 物种 中 , 如 蔬 菜 、 牧 草 等 , 为 其 他 作 物 的 育 种 提 供 新 种 质 。2 . 2 . 4 抗 病 ( 虫 ) 种 质我 国 已 加 入 W T O , 稻 米 国 际 贸 易 一 直 裹 足 不 前 。很 重 要 的 原 因 之 一 是 我 国 的 稻 米 农 药 含 量 超 标 , 卫 生品 质 不 过 关 。 因 此 , 增 加 品 种 本
34、 身 的 抗 性 是 当 今 育 种 的一 个 重 点 。 我 国 过 去 育 种 对 抗 性 种 质 利 用 相 对 比 较 单一 , 导 致 抗 性 品 种 抗 病 ( 虫 ) 单 一 化 且 持 久 性 差 。 当 前 ,应 研 究 将 已 有 的 抗 性 种 质 或 中 间 材 料 聚 合 进 高 产 、 优质 品 种 中 。2 . 2 . 5 专 用 米 种 质随 着 我 国 经 济 水 平 不 断 提 高 , 功 能 米 在 市 场 上 得到 普 遍 欢 迎 , 说 明 稻 米 用 途 已 开 始 精 细 分 工 , 利 用 专 用米 种 质 进 行 稻 米 成 分 育 种 是 今
35、 后 又 一 个 育 种 方 向 。 目前 我 们 已 育 成 巨 胚 、 软 米 、 甜 米 , 其 中 甜 胚 乳 基 因 、 巨 胚基 因 均 已 精 细 定 位 , 分 离 工 作 正 在 顺 利 进 行 。 由 于 我 国这 方 面 工 作 起 步 较 晚 , 种 质 筛 选 和 利 用 都 不 够 , 应 迎 头赶 上 。3 水 稻 分 子 育 种 的 进 展姜 亮 等 : 水 稻 种 质 资 源 的 分 子 评 价 和 利 用2 0 0 8 年 第 3 期1 0 尽 管 迄 今 为 止 在 水 稻 育 种 中 成 功 应 用 分 子 标 记 辅助 选 择 的 例 子 不 多 ,
36、但 在 一 些 简 单 性 状 以 及 已 有 基 于P C R 分 子 标 记 性 状 的 改 良 中 仍 取 得 了 一 定 进 展 9 。3 . 1 超 级 稻 分 子 育 种在 超 级 稻 育 种 方 面 , G N 1 、 s d 1 是 日 本 名 古 屋 大 学等 三 个 研 究 小 组 与 中 国 水 稻 研 究 所 的 科 学 家 合 作 , 利用 每 穗 粒 数 分 别 为 1 6 4 粒 和 3 0 6 粒 的 双 亲 K o s h i h i k a r i( 株 高 1 1 1 c m ) 和 H a b a t a k i ( 株 高 9 3 c m ) , 首
37、次 在 世 界上 克 隆 出 一 种 增 加 水 稻 穗 粒 数 的 水 稻 高 产 基 因 , 并 利用 分 子 辅 助 选 择 培 育 出 了 既 高 产 、 又 抗 倒 伏 的 新 型 超级 水 稻 。在 我 国 这 方 面 的 研 究 也 取 得 了 显 著 的 进 展 。 中 国水 稻 研 究 所 利 用 筛 选 出 的 籼 粳 特 异 标 记 , 选 育 出 籼 粳中 间 型 恢 复 系 R 9 3 0 8 , 进 而 配 制 出 杂 交 稻 组 合 协 优9 3 0 8 。 它 具 有 较 高 的 产 量 水 平 和 超 高 产 潜 力 , 抗 稻 瘟 病和 白 叶 枯 病 ,
38、米 质 优 良 , 株 型 挺 拔 , 青 秆 黄 熟 。 另 外 , 从辐 恢 8 3 83/ / 辐 恢 8 3 8 / I R B B 2 1 的 B C3F1的 自 交 群 体 中 育成 强 优 恢 复 系 R 2 1 8 , 从 L 14/ / L 1 / I R B B 6 0 ( L 1 为 多 系 1号 / R 2 0 7 0 的 杂 交 后 代 ) B C4F1的 自 交 群 体 中 育 成 强 优 恢复 系 R 8 0 0 6 。 两 份 恢 复 系 均 表 现 出 良 好 的 抗 病 性 和 优良 的 品 质 。 国 家 杂 交 水 稻 工 程 技 术 研 究 中 心 采
39、 用 分 子标 记 辅 助 选 择 技 术 , 初 步 育 成 具 有 野 生 稻 高 效 Q T L 的强 优 恢 复 系 Q 6 1 1 , 并 选 育 出 高 产 优 质 组 合 J 2 3 A / Q 6 1 1 ;利 用 整 体 D N A 导 入 方 法 , 育 成 携 有 稗 草 D N A 片 段 的强 优 恢 复 系 R B 2 0 7 , 并 选 育 出 产 量 潜 力 可 达 1 0 0 0 0 k g /h m2的 超 级 杂 交 稻 组 合 G D S / R B 2 0 7 。3 . 2 抗 病 虫 水 稻 分 子 育 种在 抗 病 虫 性 改 良 方 面 , 分
40、子 标 记 辅 助 选 择 提 高 了选 择 效 率 , 进 而 加 快 了 育 种 进 程 。 抗 白 枯 病 基 因 X a 2 1和 标 记 p T A 2 4 8 的 连 锁 关 系 在 育 种 中 得 到 应 用 。 含X a 2 1 的 I R 2 4 近 等 基 因 系 选 育 出 纯 合 抗 病 植 株 。 利 用抗 稻 瘟 病 基 因 P i - z 5 两 侧 连 锁 标 记 进 行 辅 助 选 择 , 发现 纯 合 抗 病 F2植 株 的 选 择 准 确 率 达 1 0 0 % 。 在 我 国 , 薛庆 中 等 利 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 成 功 地 选 育
41、了 抗 白 叶 枯病 的 水 稻 恢 复 系 1 0 。 他 们 对 杂 交 后 代 的 2 4 3 个 品 系 进行 P C R 分 子 标 记 检 测 , 从 中 筛 选 出 纯 合 抗 性 系 4 6 个 ,其 中 4 3 株 为 纯 合 抗 病 , 准 确 率 高 达 9 3 . 5 % 以 上 。 四 川农 业 大 学 应 用 与 稻 瘟 病 抗 性 基 因 P i - d( t) 紧 密 连 锁 的微 卫 星 标 记 R M 2 6 2 对 含 有 该 抗 病 基 因 的 品 种 地 谷 与感 病 品 种 江 南 香 糯 和 8 9 8 7 的 F2群 体 进 行 分 子 标 记
42、辅助 选 择 , 结 果 发 现 应 用 标 记 的 抗 性 纯 合 和 杂 合 带 型 选择 抗 性 植 株 的 准 确 率 可 达 9 8 % 以 上 。为 了 建 立 持 久 的 抗 性 , 有 许 多 研 究 将 多 个 不 同 的抗 性 基 因 聚 合 到 同 一 个 水 稻 品 种 中 。 如 : 多 个 抗 白 叶 枯病 基 因 X a 4 、 X a 1 3 和 X a 2 1 分 子 聚 合 到 品 系 I R B B 6 0中 。 国 际 水 稻 研 究 所 ( I R R I ) 已 通 过 分 子 标 记 选 择 的 方法 成 功 地 获 得 分 别 聚 合 3 个 抗
43、 稻 瘟 病 基 因 和 3 个 抗 白叶 枯 病 基 因 的 株 系 。 I R R I 以 I R 2 4 为 轮 回 亲 本 , 获 得 分别 携 带 X a 4 、 x a 5 、 x a 1 3 和 X a 2 1 的 近 等 基 因 系 , 通 过 几轮 杂 交 和 分 子 标 记 辅 助 选 择 后 , 获 得 分 别 携 带 1 、 2 、 3和 4 个 抗 性 等 位 基 因 的 一 整 套 近 等 基 因 系 。 I R R I 的 这套 抗 白 叶 枯 病 材 料 已 在 中 国 杂 交 水 稻 育 种 中 发 挥 了 重要 的 作 用 。 华 中 农 业 大 学 作 物
44、 遗 传 改 良 国 家 重 点 实 验室 利 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 技 术 已 成 功 地 将 广 谱 抗 白 叶枯 病 基 因 X a 2 1 导 入 优 良 恢 复 系 明 恢 6 3 中 1 1 , 获 得 了除 X a 2 1 外 绝 大 多 数 位 点 上 为 明 恢 6 3 等 位 基 因 的 纯 合单 株 。 I R R I 应 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 将 抗 稻 瘟 病 基 因P i - z5转 入 I R 5 0 的 遗 传 背 景 后 , 再 应 用 转 基 因 技 术 导入 抗 白 叶 枯 病 基 因 X a 2 1 , 获 得 了 兼 抗 白
45、 叶 枯 病 和 稻 瘟病 的 优 良 品 系 。 他 们 还 应 用 转 B t 基 因 、 转 X a 2 1 基 因 和转 激 酶 基 因 的 I R 7 2 为 亲 本 , 配 置 杂 交 组 合 , 应 用 分 子标 记 辅 助 选 择 获 得 了 兼 具 抗 病 和 抗 虫 特 性 的 新 型 水 稻品 系 。3 . 3 优 质 水 稻 分 子 育 种利 用 分 子 标 记 辅 助 选 择 技 术 和 常 规 育 种 技 术 结合 , 选 育 出 了 一 批 优 质 的 抗 病 虫 材 料 。 广 东 省 农 业 科 学院 水 稻 研 究 所 以 育 性 完 全 稳 定 、 品 质
46、 好 的 不 育 系 G D -7 S 和 配 合 力 强 的 恢 复 系 W 8 8 9 为 主 体 , 通 过 分 子 标 记辅 助 选 择 , 将 抗 稻 瘟 病 基 因 P i - 1 、 P i - 2 和 抗 白 叶 枯 病基 因 X a 2 3 或 低 直 链 淀 粉 基 因 分 别 聚 合 到 受 体 G D - 7 S和 W 8 8 9 中 , 获 得 稻 瘟 病 抗 谱 更 广 的 不 育 系 G D - 7 S 和W 8 8 9 中 间 型 改 良 材 料 。 四 川 农 业 大 学 水 稻 研 究 所 和 安徽 省 农 业 科 学 院 水 稻 所 将 抗 虫 基 因 b
47、 t 、 s c k 、 s b k 、 g n a 等导 入 杂 交 水 稻 的 不 育 系 和 恢 复 系 中 , 如 2 3 0 1 S 、 2 3 0 5 S 、培 矮 6 4 S 、 广 占 6 3 S 、 蜀 光 6 1 2 S 和 皖 恢 7 0 5 8 、 皖 恢5 2 1 9 、 蜀 恢 5 2 7 、 蜀 恢 1 6 3 、 D 6 2 B 、 D 2 9 7 B 、 D 7 0 2 B 等 , 获得 了 较 好 的 抗 螟 虫 、 抗 飞 虱 的 水 稻 材 料 , 组 配 的 抗 虫 杂交 稻 D 优 5 2 7( 抗 ) 田 间 抗 虫 性 良 好 。 四 川 农 业
48、 大 学 水稻 研 究 所 利 用 自 己 单 位 发 现 并 精 细 定 位 的 两 个 高 抗 稻瘟 病 基 因 P i - d ( t ) 1 和 P i - d ( t ) 2 , 开 展 分 子 标 记 辅 助 改 良不 育 系 抗 性 的 工 作 , 定 型 了 改 良 金 2 3 A 的 金 谷 A 和 改良 I I - 3 2 A 的 新 I I A , 这 两 份 材 料 不 仅 高 抗 稻 瘟 病 , 同 时米 质 和 配 合 力 也 得 到 改 良 。 另 外 , 以 I R B B 2 1( X a 2 1 ) 、I R B B 6 0( X a 2 1 / X a 4
49、 / x a 5 / x a 1 3 ) 和 C B B 2 3( X a 2 3 ) 为 基 因 供姜 亮 等 : 水 稻 种 质 资 源 的 分 子 评 价 和 利 用2 0 0 8 年 第 3 期1 1 体 , 与多个不育系和恢复系杂交、回交 , 通过分子标记辅助选择 , 定型了蜀恢 527 、蜀恢 881 和绵恢 725 等重要恢复系的抗白叶枯病新恢复系 , 选育出了携带 Xa4 、Xa5 、 Xa13 和 Xa21 基因的高抗白叶枯病的粳型亲籼系、携带 Gm6 基因的抗稻瘿蚊的粳型亲籼系和稻米品质优良的粳型亲籼系 ; 以聚合了抗白叶枯病基因和恢复基因的材料为基因供体 , 以粳型籼系为受体 , 培育出高抗白叶枯病的粳型亲籼恢复材料。在稻米品质改良方面 , 目前的食用优质米主要针对外观、食用和蒸煮品质作出评价。由于每方面内容包含多个性状 , 育种群体中又存在成熟期的极大变异 , 难以在世代繁殖过程中有效鉴定各个体的性状表现。直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度指标对稻米的食用和蒸煮品质起关键作用 , 而位于水稻第 6 染色体短臂的蜡质基因 Wx 对这三个性状的遗传控制具有主效作用 ,应用鉴定 Wx 基因型的微卫星标记改良这些性状 , 取得了良好的效果。根据 Wx
