節水抗旱稻顯性核不育輪回選擇群體構建與種質創新

張安寧,王飛名,羅星星,劉 毅,張分云,劉國蘭,余新橋,羅利軍

(上海市農業生物基因中心,上海 201106)

節水抗旱稻是既具有水稻高產優質特性,又具有旱稻節水抗旱特性的栽培稻新類型。在灌溉條件下,其產量、米質與水稻基本持平,但可節水50%以上;在望天田具有較好地抵抗干旱的能力(或基本具有旱稻品種的抗旱能力)。在栽培上,簡單易行,投入低,節能環保[1]。目前,節水抗旱稻已在安徽、湖南、湖北、江西、浙江、廣西等地大面積推廣[2-4]。2016年,節水抗旱稻術語(NY∕T 2862—2015)和節水抗旱稻抗旱性鑒定技術規范(NY∕T 2863—2015)等農業行業標準的實施為節水抗旱稻持續有序發展提供有力支撐。

節水抗旱稻新品種的選育,不但要保持其抗旱性好的特點,還需進一步擴大遺傳背景,提高抗病蟲害能力、稻米食味品質、產量潛力等。在現有節水抗旱稻親本的遺傳基礎上,導入水稻品種的高產、優質、抗病蟲等優良性狀,將是今后節水抗旱稻品種改良的主要方向[5]。然而,抗旱、高產、優質和抗病蟲等是復雜的數量性狀,由許多微效基因控制,并且這些性狀表型鑒定困難。利用常規育種方法,需要進行大量的雜交和回交及多年多點的表型鑒定,工作量大、效率低。

2010年上海市農業生物基因中心從三明市農業科學研究所引進水稻顯性核不育材料,開展節水抗旱稻輪回選擇種質創新的研究。根據不同育種目標,建立了不同類型的輪回選擇群體,拓寬了節水抗旱稻遺傳基礎,獲得了一批綜合性狀優良的節水抗旱稻新種質。

1 輪回選擇在水稻育種中的應用

水稻是典型的自花授粉作物,通過人工去雄進行雜交育種是水稻品種選育的主要方法。受人工雜交技術和育種周期的限制,育種過程中往往僅利用少數親本進行雜交。雖然可以快速實現短期育種目標,但易導致育成品種遺傳基礎狹窄,市場上品種同質化嚴重。生產上對水稻的產量、米質、抗病蟲、抗旱和輕簡化栽培等都有新的要求,水稻育種目標在不斷變化,傳統的育種方法已很難滿足農業生產的需要,因而打破常規尋求新的育種途徑勢在必行。

輪回選擇是一種周期性的群體改良方法,通過“選擇-重組-再選擇-再重組”的循環過程,群體內的有利基因頻率逐步增加,可達到改善群體內目標性狀的目的。作物育種實踐證明,輪回選擇是作物群體改良和種質創新最有效的方法,尤其適用于同時進行多個復雜農藝性狀的改良。1919年,Hayes和Garber提出了輪回選擇的設想,隨后在異花授粉作物尤其是玉米的群體改良育種中獲得了巨大成功[6]。

水稻輪回選擇育種的探索始于不育材料的發現,借助核不育基因在水稻中進行輪回選擇育種,可創制出許多優良品種和育種中間材料[7-8]。相較于隱形核不育材料,顯性核不育材料創制的輪回選擇群體中不育株比例更高,有利于群體內異花授粉,提高育種效率。水稻中已有5份顯性核不育材料被用于輪回選擇育種之中,包括萍鄉顯性核不育、低溫敏顯性核不育、三明顯性核不育、‘浙9248’突變體M1和‘Orion’突變體1783[9]。其中,萍鄉顯性核不育水稻在30℃以上可育,低溫敏顯性核不育水稻8987在26℃以上可育,育性受溫度影響。黃顯波等[10]在田間發現的不育株S211為無花粉型,其后代不育株與可育株1∶1分離,育性受1對顯性核基因控制且不受溫度和光照影響,后命名為“三明顯性核不育”材料。該顯性核不育材料是進行輪回選擇的理想種質,可用于建立高效輪回選擇育種群體,整體提高現有品種的抗性、品質、產量水平[11]。

2 基于節水抗旱稻顯性核不育系的輪回選擇技術

以三明顯性核不育材料為載體,構建包含節水抗旱稻和優良水稻品種的輪回選擇群體。通過輪回選擇讓親本的遺傳基因進行廣泛重組,在一定的選擇壓力下,既可利用多基因控制的加性效應創造出超親優勢,也能利用質量性狀的重組獲得聚合系,從而創制出高產、優質、多抗的節水抗旱新種質。

節水抗旱稻輪回選擇群體構建的關鍵是創制節水抗旱顯性核不育株系。其具體步驟如圖1所示:

圖1 節水抗旱稻輪回選擇育種技術路線Fig.1 Recurrent selection breeding of WDR

(1)以水稻顯性核不育材料為母本,節水抗旱稻核心親本為父本進行雜交并回交5次以上,以獲得節水抗旱稻顯性核不育株系。

(2)以步驟(1)中的節水抗旱稻顯性核不育株系為母本,以具有優良性狀的15—30株水稻和節水抗旱稻為父本,雜交獲得F1種子。

(3)將步驟(2)中的F1種子等量混合種植,抽穗期輔助授粉,成熟期收獲農藝性狀優良不育株上的種子,獲得第一輪輪回選擇群體。

(4)將步驟(3)中第一輪輪回選擇群體在旱地種植,全生育期依靠自然降雨,不進行人工灌溉。抽穗期進行人工隔離和輔助授粉,成熟期收獲優良不育株上的種子,獲得第二輪輪回選擇群體。

(5)重復步驟(4),可得到第3輪至第n輪輪回選擇群體。輪回選擇群體在高鹽、高堿、稻瘟病、白葉枯、褐飛虱、低氮和低磷等環境條件下篩選。并根據育種需求,在輪回選擇群體中添加具有目標性狀的親本。

(6)在步驟(5)所得群體中,挑選符合育種目標的可育單株,進入常規育種程序。

3 節水抗旱稻顯性核不育輪回選擇群體的構建

2010年,筆者從三明市農業科學研究所引進顯性核不育系,分別與秈型節水抗旱稻優良恢復系旱恢3號和秈型常規節水抗旱稻‘滬旱15’雜交并多次回交,選育出旱恢3號顯性核不育株系和‘滬旱15’顯性核不育株系。這兩個株系其他農藝性狀與輪回親本基本一致。利用這兩個不育株系分別構建輪回選擇群體。

3.1 秈型恢復系輪回選擇群體

(1)2012年上海夏季,以節水抗旱稻旱恢3號顯性核不育株系為母本,以‘75-1-127’(Pi9)、‘IRBB21’(Xa21)、‘CBB23’(Xa23)、‘S2041’(Pi2、xa5、Xa23)、旱恢12、旱恢15、旱恢37、旱恢49、旱恢57、輻恢838、明恢86、明恢63、‘華占’、成恢727、閩恢3301、‘CR66’、宜恢、‘H570’、‘黃華占’、華恢305和‘E1573’等具有優良性狀的水稻和節水抗旱稻育種材料為父本,雜交獲得F1種子。

(2)2013年海南春季,將F1種子等量混合種植,抽穗期人工隔離并輔助授粉,成熟期收獲不育株上的種子,獲得第一輪輪回選擇群體。

(3)2013年上海夏季,將第一輪輪回選擇群體在旱地種植,全生育期依靠自然降雨,不進行人工灌溉。抽穗期人工隔離并輔助授粉,成熟期收獲優良不育株上的種子,獲得第二輪輪回選擇群體。

(4)2014—2016年上海和海南,重復步驟(3),得到第3—第n次輪輪回選擇群體。輪回選擇群體在干旱、稻瘟病、白葉枯和褐飛虱等環境條件下篩選。

(5)從第4次輪回選擇群體開始,在群體中挑選農藝性狀優良且抗旱的可育單株,加代自交以獲得純合穩定株系。

3.2 秈型常規稻輪回選擇群體

2012年上海夏季,以節水抗旱稻‘滬旱15’顯性核不育材料為母本,以‘綠旱1號’‘鄂中5號’‘黃華占’‘Basmati’‘美香占’‘NETMAT’‘油占8號’‘SAGC04’‘中組14’‘粵晶絲苗’‘黃絲占’‘中華1號’‘泰澳絲苗’‘黃絲桂占’‘茉莉新占’‘五山絲苗’‘桂育9號’‘桂禾豐’‘玉香占’‘科育08’‘粵晶絲苗2號’和‘粵禾絲苗’等具有優良性狀的水稻育種材料為父本,雜交獲得F1種子;后續秈型常規稻輪回選擇群體構建步驟同3.1部分(2)—(5)。

4 節水抗旱稻顯性核不育輪回選擇的關鍵技術

親本選擇至關重要。節水抗旱稻輪回選擇涉及的親本較多,既包括已選育的節水抗旱稻核心親本,還包括具有高產、優質、抗病蟲的優良水稻品種。選配親本時必須兼顧主要性狀互補,具體包括一般配合力、產量、抗病蟲性、抗逆性、生態適應性、稻米品質等。根據育種實際需求,隨時在輪回選擇群體中添加具有目標性狀的親本,當群體遺傳多樣性指數顯著下降時,需要調整選擇壓力,保證輪回選擇群體的動態更新,持續分離重組出優良單株。

不育株的選擇是關鍵。輪回選擇群體中不育株的選擇影響輪回選擇群體中優良基因頻率,關乎下一輪群體的組成。不育株上異交結實的種子構成下一輪輪回選擇群體,因此,不育株的選擇于輪回選擇群體的各個世代進行。在群體抽穗前,廣泛標記優良的不育株。在收獲前,根據育種目標,在標記的優良不育株中,挑選異交結實的不育株留種,同時注意選擇不同類型的不育株,以提高群體的遺傳多樣性。

選擇壓力的高低直接影響群體的遺傳構成。以種質創新為目的的輪回選擇,其選擇壓力要與目標性狀遺傳變異規律相結合,避免優異基因型的丟失并保持群體的遺傳變異水平。對于多基因控制的數量性狀,如抗旱性、耐鹽堿、產量、株型等,在前期選擇時應適當降低選擇壓力,使微效基因充分重組,但隨著輪回選擇次數增加,選擇壓力應逐步加大。對于質量性狀,如稻瘟病抗性、白葉枯病抗性、褐飛虱抗性、粒型、生育期等,在選擇時應適當提高選擇壓力,縮小群體規模,降低育種成本。

可育株的選擇。構建節水抗旱稻輪回選擇群體的目的是通過親本之間廣泛的遺傳重組,提高獲得符合育種目標可育單株的效率。由于第1—3輪輪回選擇群體內未進行廣泛的遺傳重組,群體內的可育單株不需留種。但第4次輪回選擇后,輪回選擇群體內的可育單株需進行嚴格選擇,入選的可育株混合播種,后期選株系進行鑒定。

5 節水抗旱稻輪回選擇的育種成效與展望

筆者利用顯性核不育輪回選擇方法創建了秈型恢復系、秈型常規稻和粳型常規稻等節水抗旱稻輪回選擇群體。群體內優良基因頻率大幅提高,輪回選擇群體的整體抗旱性、抗病性和產量逐年提高。同時,按系譜育種方法構建節水抗旱稻輪回選擇可育株選種圃,獲得具有節水抗旱、耐鹽堿、抗稻瘟病、抗白葉枯病等特性的優良育種材料14份(表1),拓展了節水抗旱稻種質資源,可為新品種的選育提供堅實的材料基礎。

表1 節水抗旱稻輪回選擇育種創制的優異種質Table 1 New germplasm accessions developed by the recurrent selection breeding of WDR

優良恢復系旱恢780具有節水抗旱、莖稈粗壯、抗稻瘟病、雜種優勢強等特性。為分析旱恢780的系譜組成,對整個基因組進行區間劃分,每個區間大小100 kb,共3 648個區間,通過計算每個區間與12份親本的相似性程度,推測材料中每個染色體片段的來源,重構旱恢780的偽系譜,結果見圖2。旱恢780具有多個親本的染色體片段,但大部分來源于旱恢3號和旱恢9號。

圖2 旱恢780中來自不同親本的染色體片段分布圖Fig.2 Schematic diagram of chromosomal fragments of Hanhui 780 putatively contributed by different parental lines

節水抗旱稻三系不育系滬旱7A與旱恢780配制的雜交組合‘旱優780’于2018年通過上海市品種審定(滬審稻2018009)。該組合在上海作單季稻種植,全生育期121.2 d,株高118.6 cm,穗長23.5 cm,有效穗數225萬穗∕hm2,每穗總粒數184.7粒,結實率82.0%,千粒重27.9 g。稻瘟病綜合指數為4.9,抗旱性達2級。兩年區試平均產量比對照增產4.3%。

優質常規稻‘滬旱明輪1號’具有節水抗旱、優質、抗稻瘟病、抗倒伏等特性。該品種抗旱性為2級,稻米品質達優質二等,其中,糙米率78.3%,精米率68.4%,整精米率55%,粒長7.0 mm,長寬比3.9,堊白粒率3%,堊白度0.8,直鏈淀粉16.5%,膠稠度84 mm,堿消值6.0,透明度1級,有香味。

顯性核不育輪回選擇育種在節水抗旱稻遺傳育種上有著廣闊的應用前景。首先,節水抗旱稻輪回選擇群體的建立,可省去人工去雄所需的人力和物力,且能獲得大量的雜交組合。其次,根據育種目標,可以隨時添加親本,建立一個動態且廣泛重組的基因庫,不斷拓展群體的遺傳基礎,保持豐富的遺傳多樣性,為育種提供源源不斷的優良材料。同時,利用輪回選擇育種技術與分子標記輔助選擇技術,在導入抗稻瘟病、白葉枯病、褐飛虱和條紋葉枯病等目標基因過程中,建立高效便捷的分子育種體系。利用輪回選擇不斷進行抗旱、耐鹽堿和養分高效利用等復雜性狀的交叉篩選,通過基因累加聚合,創制具有重要應用前景的高產優質、節水抗旱、氮磷高效等綠色性狀的新種質,為今后選育節水抗旱稻突破性品種奠定基礎。

致謝:三明市農業科學研究所黃顯波研究員提供的“三明顯性不育”材料是構建節水抗旱稻輪回選擇群體的基礎,在此對黃顯波研究員的饋贈表示誠摯謝意。