分子標記輔助選擇在水稻新品種系培育中的應用進展

楊淑珂等

摘要：近年來，分子標記輔助選擇在水稻遺傳育種改良中發揮著重要作用，為水稻新品種（系）的培育提供了新的途徑。本文首先介紹了分子標記輔助選擇的原理及其在水稻育種中的優勢；著重綜述了運用分子標記輔助選擇技術在水稻產量、品質及抗性等相關性狀育種中的應用進展；最后簡要介紹了該技術在實際應用中存在的一些問題，并提出了相應的對策。

關鍵詞：水稻；分子標記；分子標記輔助選擇；品種

中圖分類號：S511.035.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）01-0137-06

水稻是我國第一大糧食作物，其生產在我國糧食生產和農業發展中具有舉足輕重的戰略意義。近年來，隨著水稻播種面積的逐年縮減和自然災害的頻繁發生，糧食安全生產仍面臨嚴峻的挑戰。高產優質多抗水稻新品種的培育是水稻育種家們長期追求的目標，而育種技術的進步是水稻增加產量、提高品質和增強抗病的主要途徑之一。如何將新型的生物技術更加有效而又安全地應用到作物育種中成了新的課題。分子標記輔助選擇（Marker-assistedselection，MAS）將目標基因型的鑒定與傳統育種相結合，通過有性雜交將目的基因轉移到需要改良的親本中，提高了作物育種的目標定向性和中間育種材料的篩選效率，在過去十幾年中逐漸得到普遍應用。本文就MAS在水稻新品種（系）培育上的應用作簡要的介紹。

1MAS的原理及在水稻遺傳育種中的優點

1.1MAS的原理

MAS是利用分子標記跟蹤目的基因，從而成為作物遺傳改良的一種輔助手段[1]。其基本原理是利用與目的基因緊密連鎖或共分離的分子標記，對育種分離群體中的個體進行目標區域和全基因組篩選（目的是為了減少連鎖累贅），獲得期望的個體，從而達到提高育種效率、加速育種進程的目的。

MAS主要包括前景選擇和背景選擇。前景選擇是直接對目標基因進行選擇，其可靠性主要取決于分子標記與目標基因之間的連鎖程度。若只利用一個標記對目標基因進行選擇，只有該標記與目標基因緊密連鎖時，才能夠達到較高的選擇效率。若用目標基因兩側相鄰的兩個或兩個以上的標記對其跟蹤選擇，可大大提高選擇的正確率。背景選擇是對基因組中除目標基因之外的其它性狀（即遺傳背景）進行選擇。與前景選擇相比，背景選擇包括了整個基因組。背景選擇主要有兩個作用：一是可加快遺傳背景恢復為輪回親本基因組的速度，縮短育種年限；二是可以避免或減輕連鎖累贅[2]。水稻上，已建立了高密度分子標記連鎖圖譜，使得我們對選育群體中各單株的全基因組選擇成為可能。Young等[3]發展了一種用圖示基因型分析整個基因組的方法，在各染色體上選取多個標記，后代各單株的整個基因型用圖示的方式顯示出來，然后通過圖示基因型來選擇具有最佳基因組合的單株，這也為水稻全基因組篩選從而獲得需要的目標單株提供了參考。

1.2MAS在水稻遺傳育種中的優點

MAS是在育種群體中選擇具有某些理想基因型或基因型組合的個體，并結合常規育種手段培育優良的作物品種。其優點主要表現在可同時以多個基因為目標進行材料的篩選，將多個基因聚合到同一個育種材料中，使其品質得到改良；可提前對目標性狀進行篩選。例如，提前1代進行育性恢復的鑒定，在苗期即可鑒定后期性狀等；利用MAS還可延遲對目標性狀的鑒定，如對多種病蟲害的抗性鑒定，因某種病蟲害的危害可能導致植物死亡或種子絕收，難以同時鑒定，且可能喪失在其他性狀上具有優異表現的材料，采用分子標記則可先鑒定多個性狀的目標基因，收種后再分類進行表型驗證[4]。

總之，MAS利用與目的基因緊密連鎖或者基因本身的分子標記（功能標記）選擇基因型，由于是在DNA水平上選擇差異，反映的是DNA的遺傳變異，因此，能夠在植物體的各個時期進行選擇，不會受到自然環境的影響，大大提高了目的基因選擇的效率和準確性，拓寬了水稻育種的方法和途徑。

2MAS在水稻新品種（系）培育中的應用進展

MAS在水稻新品種培育上的應用，首先需要供體親本（含目標基因）與受體親本（需改良的親本）雜交，然后通過連續回交，借助MAS轉移有利性狀的基因及進行多個基因的聚合，特別是聚合多個抗病基因，培育水稻新品種，從而提高品種的抗性和品質水平。目前，對控制質量性狀的基因的MAS研究取得了較大的成效，對數量性狀的MAS研究進展則相對較緩慢。

2.1MAS在高產水稻新品種（系）培育中的應用

產量性狀屬微效多基因（QTL）控制的數量性狀，在利用MAS培育高產水稻新品種（系）方面取得了一定的進展。據報道，馬來西亞普通野生稻基因組攜帶有兩個高產QTLyld1.1和yld2.1，這兩個QTL分別位于第1和第2染色體，具有顯著的增產效應[5]，為主效QTL。吳俊等[6]以優良恢復系9311為受體和輪回親本，以普通野生稻為供體親本配制雜交組合，通過連續回交，利用緊密連鎖的分子標記（yld1.1界于SSR標記RM9和RM306之間，yld2.1界于RM166和RM208之間）成功將這兩個QTL轉入到9311中，育成了攜帶野生稻高產QTL的強優恢復系R163，并與Y58S配組育成兩系雜交稻新組合Y兩優7號，該組合于2008年3月通過湖南省農作物品種審定委員會審定，同年被湖南省農業廳認定為超級雜交中稻組合。

2.2MAS在優質水稻新品種（系）培育中的應用

水稻品質性狀的改良主要包括外觀品質和食味蒸煮品質的改良。江良榮[7]以優質早秈稻佳幅占為供體，以珍汕97B為受體，利用MAS將與外觀品質性狀相關的基因回交轉入到珍汕97B的基因組中，用以改良稻米的外觀品質，中選株系的粒寬和長寬比得到明顯改良，堊白和腹白顯著減少。周屹峰等[8]利用Wx基因的特異性分子標記對國內常用的保持系進行基因型檢測，從中選出宜香1B作為供體，與協青早B配組，通過常規育種和MAS技術相結合，快速育成中等直鏈淀粉含量、堊白率低和透明度高的不育系浙農3A。endprint

在利用MAS對水稻食味品質改良方面，目前取得了較大的進展。王才林等[9]以高產粳稻品種武香粳14作母本，以具有暗胚乳突變基因的優質粳稻品種關東194作父本配制雜交組合。利用與暗胚乳突變基因Wx-mq直接相關的單核苷酸差異設計CAPS標記，通過MAS技術，最終將關東194的暗胚乳突變基因Wx-mq與高產基因聚合于一體，育成含有暗胚乳突變基因Wx-mq的優良食味粳稻新品種南粳46，該品種稻米品質達國標二級優質稻谷標準，2007年8月在沈陽召開的全國優質粳稻食味品評會上獲得優秀獎，是南方稻區唯一進入前十名的優質粳稻品種。該品種在2008年1月通過江蘇省農作物品種審定，經食味品評，被公認為是目前江蘇省最好吃的大米。

香味和糊化溫度是評價稻米蒸煮品質的重要指標。Bradbury等[10]克隆了水稻第8染色體上控制香味產生的基因fgr，之后關于該基因的分子標記也相繼開發出來[11，12]。糊化溫度的改變是由于alk基因編碼區內發生堿基替換，造成SSSⅡ酶活性改變，最終表現為糊化溫度的改變。王巖等[13]應用alk和fgr基因編碼區的InDel標記，將中國香稻的有利等位基因導入明恢63，改良后的品系稻米糊化溫度顯著降低，膠稠度升高，具有香味。劉巧泉等[14]采用水稻蠟質基因內的1個分子標記（PCR-AccⅠ）進行輔助選擇育種，經回交轉育向特青品種導入來自中等直鏈淀粉含量優質秈稻的Wx基因，選育了仍保持原有親本主要農藝性狀的3個優質品系特青TT-1、特青TT-2和特青TT-3。利用改良品系與培64S所配兩系雜交組合仍能保持較高的結實率及其它優異農藝性狀，而雜交稻米的直鏈淀粉含量明顯改善。

2.3MAS在抗性水稻新品種（系）培育中的應用

2.3.1MAS在水稻抗白葉枯病育種中的應用Xa21是第1個被克隆的具有廣譜抗性的白葉枯病抗性基因。中國水稻研究所利用MAS轉育Xa21，培育了中恢218和中恢8006等恢復系及其配置的系列組合，表現出抗性強、米質優、高產穩產等特點，在生產上得到大面積應用[15，16]。李進波等[17]以攜帶Xa23的CBB23為供體，以9311等優良材料為受體親本，經MAS和農藝性狀鑒定，獲得5份Xa23基因純合株系，分別與不育系培矮64S、廣占63S和粵泰A配制雜交組合，15個組合在苗期和成株期對白葉枯病均表現為中抗以上，其中6個組合同時進行品比試驗，有4個組合產量高于兩優培九。Zhou等[18]將Xa23轉育到恢復系明恢63、YR293和Y1671中，分別與珍汕97A、南豐A和中9A組配，新組合的產量在非脅迫條件下與原組合持平，在病原菌脅迫條件下比原組合顯著增加。

抗性基因聚合方面，Huang等[19]以抗白葉枯病基因Xa4、xa5、xa13和Xa21為目標，分別獲得了聚合2～4個白葉枯病抗性基因的IRBB品系。鄧其明等[20，21]將Xa21、Xa23和Xa4聚合到雜交稻優良恢復系綿恢725中，共獲得各種不同基因組合的累加系91個，從中選出同時攜帶Xa21和Xa4的4個高抗白葉枯病株系R207-1、R207-2、R207-3和R207-4，其中R207-2與G46A組配獲得的雜交稻抗病性強、抗譜廣且具有良好的生產潛力。

2.3.2MAS在水稻抗稻瘟病育種中的應用稻瘟病普遍發生于世界各稻區。目前，已報道60個抗稻瘟病位點，近70多個主效抗性基因。在單個抗稻瘟病主效基因的轉育上，李仕貴等[22]利用微衛星標記RM262，對含有抗病基因Pi-d（t）的地方品種地谷與感病品種江南香糯、8987的F2群體進行選擇，發現應用該標記選擇純合和雜合帶型抗性植株的準確率達98%以上。王忠華等[23]利用與Pi-ta連鎖的共顯性標記對F3代株系進行早期篩選，得到118個含有Pi-ta的抗病純合株系。劉士平等[24]利用位于第11染色體上與Pi-1緊密連鎖的SSR標記RZ536和RM144對保持系珍汕97進行改良，得到17株含Pi-1的純合株系。金素娟等[25]以含有廣譜稻瘟病抗性基因Pi-1的秈稻材料BL122為供體，優質感病溫敏核不育系GD-8S為受體，通過雜交、多次回交和自交，結合MAS，將Pi-1基因導入GD-8S中，篩選獲得5個改良株系RGD8S-1、RGD8S-2、RGD8S-3、RGD8S-4和RGD8S-5。官華忠等[26，27]利用與Pi-9緊密連鎖的分子標記SRM22為選擇標記，成功地將水稻品系75-1-127中的Pi-9導入優質水稻雄性不育系金山B-1中；以水稻品系5173為抗性供體親本，通過連續回交和MAS技術將稻瘟病抗性基因Pi-2導入優質低溫敏核不育系金山s-2的遺傳背景中，篩選出的4個單株有望替代不抗病的金山s-2，直接應用于生產。

在稻瘟病抗性基因聚合育種方面，陳紅旗等[28]將Pi-1、Pi-2和Pi-33導入金23B中，培育出廣譜、持久抗稻瘟病新材料W1，其抗性明顯高于只攜帶單個抗性基因的供體親本；柳武革等[29]以攜帶Pi-1和Pi-2的BL122為供體親本，溫敏核不育系GD-7S為受體，借助MAS獲得5個攜帶2個抗性基因的改良株系。董巍等[30]利用MAS技術將稻瘟病抗性基因Pi-1、Pi-2從供體BL6中回交聚合到培矮64S中，并篩選得到10株改良株系，既改良了該系的抗瘟性，又保存了長日低溫條件下的高不育率。陳學偉等[31]利用MAS將3個抗稻瘟病基因Pi-d（t）1、Pi-b、Pi-ta2聚合到優良保持系岡46B中，其稻瘟病抗性明顯提高。

2.3.3MAS在水稻抗條紋葉枯病育種中的應用水稻條紋葉枯病是當前粳稻主產區危害最嚴重的病害之一。近幾年，隨著栽培技術、氣候變化以及感病品種的推廣應用，傳毒介體灰飛虱種群不斷擴大，水稻條紋葉枯病的發生逐年加重，成為中國黃淮及長江流域等粳稻區的重要病害[32]。隨著分子標記技術的發展，條紋葉枯病抗性基因的分子定位也取得了重要進展[33，34]。目前，在通過MAS技術將Stv-bi基因轉入感病品種中，培育抗條紋葉枯病水稻新品種方面取得了極大進展。陳峰等[35，36]設計了與Stv-bi緊密連鎖的分子標記，對3個抗條紋葉枯病的混合群體進行基因型檢測，其結果與田間抗性鑒定結果符合率分別為99.3%、87.7%和91.8%；以感病品種圣稻13、圣稻14為受體，以抗病品種鎮稻88及高代抗病品系圣稻519為抗條紋葉枯病基因供體，采用自交改良和回交改良兩種方法，利用與Stv-bi緊密連鎖的分子標記H11-8、H11-12和H21進行MAS，結合條紋葉枯病田間抗性鑒定及農藝性狀分析，將Stv-bi轉移到圣稻13和圣稻14中，培育出抗條紋葉枯病水稻新品系。潘學彪等[37]將鎮稻88中的Stv-bi基因轉育到武育粳3號的遺傳背景中，提高了其對條紋葉枯病抗性，保持了原品種的基本農藝性狀。新品種具有豐產性、穩產性和優異的食味品質，命名為武陵粳1號，并于2009年2月通過江蘇省農作物新品種審定。endprint

另外，在聚合多個不同抗病基因方面，Domingo等[38]將多個抗白葉枯病基因、稻瘟病基因聚合在一起，拓寬了對白葉枯病和稻瘟病的抗譜。Narayanan等[39]將Piz-5和Xa21基因聚合到IR50中，同時提高了對白葉枯病和稻瘟病的抗性；Sugiura等[40]通過MAS將條紋葉枯病抗病基因Stv-bi和抗稻瘟病基因Pb1聚合，選育出新的抗性品種愛知106。

3問題與展望

目前，通過MAS與常規育種技術相結合，育種專家們在高產優質多抗水稻新品種的培育上取得很大成效，育出了一批水稻新品系，有些品系（組合）已經通過了省級或國家級品種審定。但是，MAS在水稻育種上取得的進展主要是在質量性狀基因（主效基因）的轉移和聚合上，而在由多基因（QTL）控制的產量性狀上，雖然取得了一定的育種成效[41]，但總體上還處于技術途徑探索的階段，目前MAS在水稻超高產育種中的應用還很不夠[42]。另外，目前鑒定和發掘出的對水稻育種有利用價值的基因還不是很多，可用于MAS的基因更是有限，加之在回交轉移有利基因時，目標基因往往與不利性狀連鎖，對利用MAS培育水稻新品種（系）造成困難。可喜的是，近年來發展的基因組重測序等高通量檢測技術可大大加快復雜性狀基因的發掘和鑒定[43，44]。而且，隨著技術的不斷突破和創新，以目標基因型鑒定為核心的分子設計育種將進一步促進MAS在水稻育種的應用[45]。

在利用MAS培育水稻新品種（系）上，一定要遵循基因鑒定、定位與育種過程相結合的原則；在選擇雜交親本上盡量使用與育種直接相關的材料，如當前大面積推廣的優良品種；所構建的群體盡可能做到既是遺傳研究群體，又是育種群體，縮短基因定位研究與育種應用的距離，實現基因定位與育種的同步進行。另外，MAS技術要與常規育種緊密結合起來，加快水稻育種進程，提高育種效率，盡快產生較大的經濟效益和社會效益。相信MAS技術將會在今后的水稻品種選育中發揮越來越重要的作用。

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