绿色超级稻及其品种选育技术-徐建龙

徐建龙研究员中国农科院作物科学研究所Email:xujlcaas@126.com绿色超级稻及其品种选育技术绿色超级稻的概念（少打农药、少施化肥、节水抗旱、优质高产）。绿色超级稻的绿色性状如抗旱、氮磷高效利用、耐高（低）温、耐盐碱等大多是受多基因控制的复杂性状，受环境影响非常大，表型准确鉴定很困难，常规选育的效果不太理想。另一方面，过去的水稻育种一直关注品种产量水平的提高，对绿色性状的有利基因发掘和育种利用重视不够。因此，目前绿色超级稻育种面临着可资利用的有利基因少、育种技术复杂等困境。复杂性状的分子改良依赖于多基因的聚合技术。有利基因的匮乏是目前水稻常规育种乃至分子育种的瓶颈。因此，绿色性状基因的获得是前提。种质资源贮藏着育种利用几乎所有的有利基因。目前种质资源的利用率不到5%。为促进种质资源重要性状基因的深层发掘，中国农科院、深圳华大基因和国际

绿色性状基因的获取水稻研究所共同完成了3000份全球水稻核心种质资源的重测序，为种质资源有利基因发掘奠定了基础。(519)来自89个国家，平均深度14X，获得1890万SNPFigure2classificationof3000riceaccessionsintofivedistinctvarietalgroupsbasedon5setsof200000randomsetsfromthe18.9milliondiscoveredSNPvarieties全部材料分5组：籼、Aus/boro、Basmati/sadri、热带粳稻和温带粳稻基于测序种质资源绿色性状基因的挖掘

1正向遗传学途径：选择一套种质资源进行多年多点表型鉴定，评价种质资源的表型，结合重测序SNP基因型鉴定，关联分析定位和挖掘控制重要性状的优异等位基因。

存在困难：（1）种质资源抽穗期、株高和适应性等差异很大。而产量与品种的适应性有关，抗逆性与生育阶段有关，因此在大田条件下表型精准鉴定的难度大。（2）大量表型鉴定的可控性差，误差大。

采取对策：将不同来源生育期相近的资源分组进行表型鉴定。目前，国内外通过种质资源的关联分析，定位到许多控制重要农艺性状的新基因。Huangetal.（2012）利用来自全球的950个农家品种低倍重测序构建的高密度单倍型图谱，通过关联分析鉴定到影响籽粒相关性状的32个主效QTL及其对应的候选基因

2反向遗传学途径：利用目前已经克隆或精细定位的基因信息，先分析克隆基因位点上重测序品种的单倍型。根据基因单倍型将种质资源分组进行多年多点表型鉴定，分析不同单倍型之间表型效应及差异，鉴定现有基因位点上控制重要性状的最佳优异等位基因。

优点：(1)通过基因单倍型分析将资源材料分组，可以针对每个基因进行不同等位基因的表型评价，大大减少资源数量，有利于表型的精准鉴定。(2)水稻重要农艺性状功能基因组研究成果（克隆、精细定位和转录因子）提供了重要农艺性状的大量的基因信息。水稻粒形、抽穗期和产量相关性状基因基因性状染色体

基因性状染色体

基因性状染色体GW2粒宽和粒重2

qSSP7每穗粒数

7

qHY-8抽穗期8GS5籽粒大小

5

SPP1每穗粒数

1

Hd-q抽穗期6GW5粒宽和粒重

5

Ghd7每穗粒数、株高7

Hd3a抽穗期6

qSW5粒宽基因

5

Gn1a每穗实粒数

1

Ghd10抽穗期10Srs5粒型和粒重

11

PROG1生长习性和每穗粒数

7

HGW抽穗期6GS3粒长和粒重

3

LAX2;Gnp4稀穗;每穗粒数基因

4

RFL;APO2抽穗期4Mi3粒长和籽粒大小

3

Os11Gsk增产

1

Hd1抽穗期6qGL7-2粒长7

qGY2-1增产QTL2

Hd17抽穗期6

gw3.1粒重3

OsTB1;FC1分蘖调控基因

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单株穗数

6

OsMADS50抽穗期3SGL粒长和株高5

GIF1籽粒充实度

4

CKI;EL1;Hd16抽穗期3

GS7粒形7

RSR1水稻淀粉调节因子

5

Hd-3抽穗期6

BSG1粒形、粒重2

OsBADH2;fgr香味基因

8

OsFCA抽穗期调控9SG1短粒基因

9

Chalk5垩白

5

Se5;OsHY1抽穗期6TGW6千粒重6

qGC-6胶稠度

6

Ghd8开花抑制8

Mi3(t)小粒基因

3

DTH2生育期

2基因性状Chr基因性状Chr基因性状ChrSKC1耐盐1OsMTP1;OZT1隔和锌的耐受性5OSINV3低温相关2Saltol耐盐1Ospdr9隔转运1Oshsp18.0-CII高温抗性1Sub1耐淹9LCD隔转运1GAD3耐高温3Pup1耐低磷12qCdT7;OsHMA3镉运输7OsMYB55耐高温5NIGT1氮应答2STAR2解除铝害5OsHSP17.7耐高温3OsMAP1干旱、盐和冷3OsYSL6解除锰毒4OsHSF7耐高温3OsLEA3干旱、盐5OsHsfA4a耐镉1MYBS3耐冷10Oshox22干旱和盐胁迫4ASR5耐铝11OsNUS1;V1耐冷害3OMTN6干旱敏感8OsTPP1耐冷和抗旱等6Osgr-rbp4耐热相关12Oshox4干旱相关9OsMGT1耐铝和镁吸收1OsDREB11;CR350干旱相关4OsCDT3耐铝性基因1OsDPK4高盐、干旱4OsIBR5旱敏感6OsbZIP72抗旱9OsETOL1耐旱3OsDIL耐旱10SERF1耐盐5OsSUV3耐盐3RSS3耐盐11水稻耐旱、盐、极端气温和不良土壤因子基因水稻抗病抗虫基因基因

性状

Chr基因性状

Chr基因

性状

ChrOsBRR1抗稻瘟3DEPG1抗细条病5C3H12抗白叶枯1OsCPK10抗稻瘟7STV11条纹叶枯

11Xa-1抗白叶枯4

Pi-d3抗稻瘟6RF2b东格鲁病3xa-5抗白叶枯5Pi-d3抗稻瘟6

RF2a东格鲁病9Xa27;Xa-min(t)抗白叶枯6

OsGLP8抗稻瘟8Rymv1黄斑驳病毒4Xa21抗白叶枯11

Pi56(t);qBR9.1抗稻瘟9OsMPK13褐飞虱2Xa25;x25抗白叶枯12

OsALDH7抗稻瘟9OsMPK17褐飞虱5OsPAD4抗白叶枯11PiCO39抗稻瘟11Bphi008a褐飞虱6Xa21抗白叶枯12OsSL抗稻瘟12Bph14褐飞虱3OsLOL2抗白叶枯1OsNAC19抗稻瘟3Bph6褐飞虱4OsNPR1;NH1抗白叶枯1Pi-t抗稻瘟1BPH27褐飞虱4Xb3抗白叶枯5Pish抗稻瘟1

Pita3(t)褐飞虱12pi21抗稻瘟4

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

Bph28(t)褐飞虱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

绿色性状基因聚合培育绿色超级稻的育种技术回交结合分子标记辅助聚合育种技术分子轮回选择聚合育种技术回交结合分子标记辅助聚合育种技术优良品种

×优异等位基因供体（RP）

（DP）F1s

×

RPBC1F1s×RP~25BC2F1s

×

RPxBulkBC2F5－6populations1,2,3,4,5,6,……集团加代产生同一优良品种背景不同绿色性状的选择导入系绿色性状筛选不同供体来源的同一性状或不同目标性状选择导入系互交来自不同供体有利基因的聚合体，培育绿超新品种MAS目标性状选择导入系培育及QTL定位标记辅助目标性状有利基因聚合QTL定位黄华占背景导入系群体的培育

8个供体亲本导入黄华占背景的BC1F2群体抗旱筛选耐淹筛选3个耐淹株系311个不同供体来源的高产抗逆导入系109个抗旱株系高产筛选82个高产株系耐盐筛选120个耐盐株系153抗旱171耐淹212高产211耐盐497具备1种以上抗逆性的优良导入系交叉筛选用于构建黄华占背景导入系的供体亲本及来源群体编号供体来源世代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

导入系亲本信息HHZvsPSBRC28HHZvsPSBRC66HHZvsIR64HHZvs特青HHZvsCDR22HHZvsOM1723HHZvsPhalgunaHHZvsIR50经1X重测序，8个群体共检测到37万个SNP，以自然交换点为bin基因型的分界点，共绘制出4613个bin基因型，各群体的SNP分布如下图。497份HHZ导入系产量鉴定497份HHZ导入系抗旱鉴定497份HHZ导入系氮高效利用鉴定497份HHZ导入系孕穗期耐低温鉴定

高产（6个环境）抗旱氮高效利用孕穗期耐冷（2个环境）HHZ5211103HHZ85021HHZ92423HHZ115605HHZ121021014HHZ1513007HHZ177233HHZ193120合计66162936来自8个HHZ回交群体497份导入系定位到高产、抗旱、氮高效利用和孕穗期耐冷的QTL汇总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玉溪重复10.80.8

玉溪重复20.770.76

玉溪平均值

0.780.78

寻甸重复10.710.53

寻甸重复20.750.59

Mean0.730.56筛选出的带有目标主效QTL且目标性状表现突出的导入系，用于多个复杂性状标记辅助聚合育种HHZ12-DT10-SAL1-DT1中广优2号2分子轮回选择聚合育种技术轮回选择是以遗传基础丰富的群体为基础亲本，经过不断的“选择--互交--选择”，打破不利基因连锁，聚合有利基因，从而不断提高基因重组体后代群体的性状水平，达到持续改良群体的目的。水稻轮回选择经历了人工去雄杂交利用隐性核不育系基因（IR36ms)提高异交率利用显性核不育系基因提高异交率的过程。福建省三明市农科所在水稻杂交组合SE21S/

Basmati370后代中发现显性核不育无花粉材料（三明显性核不育），后代遗传表现稳定，不育株的花粉败育，形态特别，花药不开裂，为无花粉型，易于肉眼识别不育花药可育花药显性核不育基因的遗传模式

单基因控制的显性核不育株基因型为Rr和RR，可育株基因型为rr，不育株（Rr)与可育株（rr）杂交F1有1/2的可育株（rr）和1/2的不育株（Rr）。不育株在杂交一代即可出现且频率较高（50%），这就大大提高了轮回选择的遗传进度和选择效率。因此，显性核不育基因是进行轮回选择的理想工具。不同优良遗传背景下的显性核不育系基于显性核不育基因的轮回选择聚合育种基础群体轮回选择群体优良不育株异交种子混合优良可育株绿色超级稻新种质剔除不良可育株加入优异种质资源显性核不育系不同目标基因供体品种X不同绿色性状基因的聚合体标记鉴定不同QTL聚合体结合绿色性状鉴定MAS聚合更多目标QTL绿色超级稻新品种轮回选择与全基因组选择结合—全基因组分子轮回选择育种全基因组选择（Genomicselection,GS）育种策略，即利用一个原始训练群体的全基因组分子标记数据和性状表型来建立遗传预测模型，估计每个标记的遗传效应，进而在后续的育种群体中通过对个体的分子标记基因型检测，通过模型来预测个体的育种值，根据预测的育种值选择优良后代。轮回选择与全基因组选择技术相结合，可以较好地解决上述问题。训练群体育种群体GS全基因组选择育种存在的问题对目前的育种分离群体，全基因组选择育种技术实施起来尚有一定难度。因为基于全基因组标记建立的遗传选择模型严重依赖于遗传背景，对于任何一个分离群体，均需要建立各自的遗传选择模型，即遗传模型不具有通用性。不同有利基因的品种或材料优良背景显性核不育系XF1种植不育株上混收种子种植不育株上收获群体种植不育株上混收种子多环境多性状鉴定随机混收所有可育株种子高密直播加代稳定RIL群体全基因组选择建模全基因组SNP基因型分析入选个体目标性状的多点鉴定与评价，评估全基因组选择效果优良株系品比试验隔离混种，辅助人工赶粉隔离混种，辅助人工赶粉种植不育株上混收种子隔离混种，辅助人工赶粉随机混收所有可育株种子种植不育株上混收种子标记基因型鉴定估算个体育种值继续重组预测模型修订全基因组选择不断的分子轮回选择隔离混种，辅助人工赶粉不同基因个体之间杂交，进一步聚合不同性状基因MAS轮回重组全基因组分子轮回选择聚合育种技术轮回重组可育株混收群体一年3代温室加速稳定轮回选择创制新种质和培育绿色超级稻新品种带有相同目标性状不同基因的资源供体不同类型的基础亲本带有不同绿色性状基因的资源供体创制不同基因的聚合体，提高单一绿色性状的水平聚合不同绿色基因，培育综合性状优良绿色超级稻新品种分子轮回选择方案一：利用我国骨为恢复系为基础亲本构建