基于分子標記輔助選擇的優(yōu)質、高產、抗稻瘟病水稻新品種育種綜述

宋云生，于雅潔，曹鵬輝，袁彩勇

（江蘇太湖地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

水稻作為全球最重要的糧食作物之一，對人類的生存和發(fā)展具有極其重要的意義［1-2］。然而，水稻生產過程中受到各種病害和蟲害的威脅［3-4］，極大地影響了水稻的產量和品質。同時，隨著人口的增加和人們對稻米品質和食品安全的要求不斷提高［5-6］，培育出優(yōu)質、高產、抗病、抗蟲的水稻新品種已成為當今水稻育種領域的重要研究方向［7-10］。

傳統(tǒng)的水稻育種主要是通過選育具有良好性狀的材料，再進行復交或者自交等傳統(tǒng)方法，逐步篩選出優(yōu)異的新品種。這種方法雖然歷史悠久且經驗豐富，但存在著一些問題［11］，如缺乏有效篩選手段，對于分子水平上的基因表達和遺傳規(guī)律無法深入探究，而且存在育種周期長、效率低、難以鑒別基因型等問題，無法滿足現代農業(yè)發(fā)展的需要。因此，隨著分子生物學和基因組學技術的快速發(fā)展，分子標記輔助選擇的育種(Molecular Markerassisted Selection, MAS)技術應運而生［12-13］，利用DNA分子標記輔助育種，不僅可以快速、準確地鑒定基因型，提高育種效率，而且還可以實現對多基因聚合選育，從而為水稻育種提供了新的思路和方法。

本文重點綜述了基于分子標記輔助選擇技術進行優(yōu)質、高產、抗稻瘟病水稻品種育種的研究進展，從分子標記的開發(fā)、數據庫的構建，到聚合抗性基因的策略及實現方式，探討了分子標記輔助選擇技術在水稻育種中的應用前景。

1 水稻分子標記的開發(fā)與構建

隨著基因組學和生物技術的迅猛發(fā)展，分子標記輔助選擇育種［14-15］已成為當前水稻育種領域中備受關注的研究內容。分子標記作為一種特異性強、可重復性好、檢測精度高的分子工具，在水稻育種中具有廣泛的應用前景，開發(fā)并構建水稻分子標記數據庫是進行分子標記輔助選擇育種的前提和基礎。

1.1 水稻分子標記的開發(fā)方法及驗證

在水稻分子標記的開發(fā)方面，早期采用了多態(tài)性DNA隨機擴增RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA)和擴增片段長度多態(tài)性AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism)等［16-17］無須先驗序列的隨機掃描DNA技術，但由于其數據生成及分析過程存在不確定性，容易產生假陽性結果，因而逐漸被簡單序列重復SSR(Simple Sequence Repeat)和單核苷酸多態(tài)性標記SNP(Single Nucleotide Polymorphism)等［18-19］遺傳標記代替。目前，在水稻育種中應用較多的分子標記類型見表1，主要用于水稻的遺傳圖譜構建、基因定位和品種鑒定等方面，這些分子標記為水稻育種的高效性和精準性提供了強有力的技術支持。

表1 不同類型分子標記在水稻育種中的應用比較

其中，SSR分子標記因其重復序列長度短、易擴增、多態(tài)性高、信息含量豐富等優(yōu)點而成為水稻分子標記的主要類型之一。Ngernmuen等［20］基于計算機模擬開發(fā)方法，在稻瘟病參考基因組中檢查了11072個SSR位點，鑒定了14個高度多態(tài)性的SSR位點，每個位點有2～7個等位基因，PIC值為0.07～0.56，可以有效地用于水稻遺傳圖譜構建和分子標記輔助育種。

另外，SNP分子標記作為一種高效、準確的遺傳標記，在水稻分子標記的開發(fā)和應用中也備受關注。崔傲［21］對江蘇地區(qū)11個具有代表性的粳稻品種進行了10X測序研究，成功篩選出681個品種間SNP位點；通過利用3000份水稻品種的重測序信息，又篩選出江蘇粳稻7179個品種間SNP位點，為水稻優(yōu)質、高產、抗稻瘟病分子標記的篩選和應用提供了強有力的支撐。卿冬進等［22］根據Pi1與Piks、Pikh、Pikm、Pikp、Pik、Pi7基因序列之間的SNP，開發(fā)了熒光分子標記，并利用其對94份水稻親本材料進行檢測，驗證了分子標記的準確性。

1.2 構建水稻分子標記數據庫

在構建水稻分子標記數據庫方面，近年來，也涌現了許多新的研究成果，國內外多個研究機構均已開發(fā)出包括SSR、SNP等多種類型標記的水稻分子標記數據庫。（1）Gramene［23］作為一個綜合性植物基因組數據庫，包括了許多植物物種的基因組信息和生物學數據，其中也包括了水稻的基因組數據和分子標記信息；（2）RiceVarMap［24］是一個基于高通量測序數據的水稻遺傳變異數據庫，提供了大量的水稻遺傳變異位點和相應的分子標記信息；（3）Oryzabase［25］是一個專門針對水稻的生物數據庫，包含了大量的水稻基因組和表型數據，同時也包括了許多水稻分子標記信息；（4）RGAP(Rice Genome Annotation Project)［26］作為一個全面的水稻基因組注釋項目，提供了大量的水稻基因和分子標記信息。以上數據庫不僅收集了大量的水稻分子標記資源，而且提供了許多數據查詢和分析工具，為水稻優(yōu)質、高產、抗稻瘟病育種提供了豐富的基礎信息和技術支持。

除了現有的水稻分子標記數據庫外，近年來還出現了一些新的研究方向。如利用比較基因組學的方法［27-28］，對水稻與其他禾本科植物進行比較分析，探索其共性和差異，為水稻分子標記的開發(fā)奠定更深入的理論基礎；同時，利用單細胞測序技術［29-30］對水稻體內各類細胞的轉錄組和表觀遺傳特征進行分析，可以在更高的分辨率上獲取水稻基因表達和調控信息，為分子標記的開發(fā)和選擇提供更準確的依據。

總之，水稻分子標記的開發(fā)和構建是分子標記輔助選擇育種技術的基礎，隨著技術的不斷進步和研究的深入，水稻分子標記數據庫將變得越來越全面、精準、高效，從而可以為水稻優(yōu)質、高產、抗稻瘟病新品種的育種提供更可靠的技術支持。

2 基于分子標記輔助選擇的水稻新品種育種技術體系

2.1 基本原理和技術路線

在分子標記輔助選擇育種技術體系中［31-32］，首先要開發(fā)并構建水稻分子標記數據庫，并利用分子標記對目標性狀的遺傳基礎進行深入的研究。在對目標性狀的遺傳特點有了比較全面、深入的了解后，可以篩選出具有優(yōu)良性狀和含有目標抗性基因的親本材料，使用常規(guī)育種技術(如雜交、回交、聚合雜交、自交等)進行組配制種。通過分子標記檢測，篩選出帶有目標抗性基因的單株，然后繼續(xù)進行回交，直到獲得同時具備優(yōu)良性狀和抗性基因的新品種［33-34］。許多研究機構開始將分子標記輔助選擇技術與常規(guī)育種技術相結合，研究開發(fā)具有優(yōu)良性狀和抗性基因的水稻新品種。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所開展的水稻分子育種項目，利用分子標記輔助選擇技術成功地培育了多個優(yōu)質、高產、抗病性強的新品種［35］。中國水稻研究所也在水稻分子育種方面取得了一系列重要的研究進展［36］。

2.2 聚合抗性基因的策略及實現方式

在聚合抗性基因的實際應用中，除了利用單一抗性基因外，還可以利用多個抗性基因的聚合來提高新品種的抗病能力［37］，這種策略通常被稱為“多基因抗性”。在實現多基因抗性方面，分子標記輔助選擇育種技術起到了重要作用，一個典型的例子是水稻的4個BB-R基因即Xa4、xa5、xa13、Xa21的聚合［38］，這種方法可以有效地提高水稻對稻瘟病的抗性，并確保水稻的產量和品質。通過分析目標抗性基因的遺傳特點，開發(fā)相應的分子標記，并利用PCR等技術進行檢測，可以快速地篩選出帶有目標抗性基因的單株，從而實現快速聚合抗性基因的目標。蔡躍等［39］將具有高抗病性的Pigm、Pi33基因以及Xa21、Xa23基因導入到揚稻6號品種中，通過基因聚合創(chuàng)制了性狀優(yōu)良且包含所有4個抗性基因的優(yōu)良株系R156，可作為水稻優(yōu)質、高產、抗稻瘟病分子育種的核心種質。

近年來，隨著NGS(Next Generation Sequencing)技術的廣泛應用，新的分子標記開發(fā)方法也不斷涌現。例如，利用全基因組重測序數據，結合生物信息學分析方法，可以大規(guī)模地挖掘水稻抗性基因和分子標記，實現對復雜性狀的高效、快速分析和育種［40-41］。

3 分子標記輔助選擇技術在水稻新品種選育中的應用研究進展

3.1 抗稻瘟病的水稻新品種選育

稻瘟病是水稻最為致命的病害之一，對提高水稻產量和品質構成了嚴重威脅。因此，開發(fā)抗稻瘟病的水稻新品種一直是水稻育種的重要目標。在分子標記輔助選擇育種技術的幫助下，許多研究者已經成功地選育出了一些具有優(yōu)良性狀和抗稻瘟病特性的水稻新品種［42-43］。

例如，中國水稻研究所的董俊杰等［44］利用SSR分子標記對不同來源的水稻材料進行了遺傳多樣性分析，并篩選出一批具有稻瘟病抗性的單株，通過連續(xù)回交和分子標記輔助選擇，最終選育出了一系列抗稻瘟病的水稻新品種。這些新品種不僅具有較高的產量和優(yōu)良的品質，而且能夠有效地抵御稻瘟病。類似的研究還有很多，如江蘇里下河地區(qū)農業(yè)科學研究所等［45-47］多個機構的相關研究均證明了分子標記輔助選擇育種技術在抗稻瘟病水稻新品種選育中的重要作用。

3.2 優(yōu)質、高產的水稻新品種選育

除了對稻瘟病的抗性外，培育優(yōu)質、高產水稻也是水稻育種的重要目標。近年來，利用分子標記輔助選擇技術篩選出多個具有優(yōu)良性狀的水稻新品種。國內研究者游佳等［48］利用SSR和SNP標記對超級稻雜交后代進行遺傳分析，鑒定出多個對秈稻千粒重、粒長、粒寬和長寬比等重要農藝性狀具有顯著影響的數量性狀基因，成功地選育出多個優(yōu)質、高產的水稻新品種。江蘇省農業(yè)科學院的陳濤等［49］通過分析不同水稻材料的分子標記，篩選出了一批具有高品質和高產量特性的單株，經過逐代選擇和分子標記驗證，最終成功地選育出了一系列優(yōu)質、高產的水稻新品種。

3.3 其他抗性基因的引入及多基因聚合選育

除了抗稻瘟病和優(yōu)質高產的應用外，還有其他的抗性基因也在分子標記輔助選擇育種中得到應用。例如，利用QTL-seq技術，陳天曉等［50］對不同基因型的水稻材料進行了基因組關聯(lián)分析，成功地鑒定出多個與水稻白葉枯病抗性相關的QTLs，為水稻白葉枯病抗性基因的分子標記輔助選擇提供了理論依據。此外，趙鵬［51］利用多基因聚合技術，將不同來源的抗性基因導入目標親本中，成功地選育出多個具有多種抗性基因的水稻新品種。

4 分子標記輔助選擇技術在水稻育種中的應用前景

隨著分子生物學和基因組學等技術的不斷發(fā)展，分子標記輔助選擇技術在水稻育種中的應用前景日益廣闊。近年來，許多研究已經證明了這種技術在水稻新品種選育中的優(yōu)越性，以下是一些具有代表性的研究進展。

4.1 加速常規(guī)育種進程

傳統(tǒng)的水稻育種方法通常需要數年時間才能完成一個品種的選育，而利用分子標記輔助選擇育種技術，可以大幅縮短選育周期。王志東等［52］利用分子標記輔助選擇法，成功地從約800個候選雜交后代中篩選出了6株具有稻瘟病抗性的單株，并通過連續(xù)回交和自交獲得了優(yōu)質、高產、抗病水稻新品種。李孝瓊等［53］利用分子標記鑒定水稻抗稻褐飛虱和抗稻瘟病的相關基因，成功選育出4份抗性新材料，僅用了2～3 a的時間，而如果采用傳統(tǒng)育種方法可能需要8 a以上。

4.2 提高新品種的選育效率

分子標記輔助選擇育種技術可以幫助篩選具有目標基因的育種材料，提高選育效率。在選育抗稻瘟病品種方面，許多研究已經證明，利用分子標記可以有效篩選出含有抗性基因的育種材料，并將其導入目標親本，最終成功選育出具有高度稻瘟病抗性的新品種。楊瑰麗等［54］利用攜帶香味基因Badh2和抗稻瘟病基因Pita的“B39”作為供體親本，利用分子標記開展連續(xù)回交育種，定向改良了“恒豐B”“廣8B”的品質和抗性性狀。

4.3 推動水稻育種技術的轉型升級

傳統(tǒng)的水稻育種方法存在很多局限性，而分子標記輔助選擇育種技術可以彌補這些缺陷，并提高水稻育種的精準性和效率。此外，隨著人們對水稻抗病、優(yōu)質和高產等方面要求的不斷提高，傳統(tǒng)育種方法也已經無法滿足需求。采用分子標記輔助選擇育種技術可以更加精確地控制優(yōu)良性狀，推動水稻育種的轉型升級。

綜合來看，分子標記輔助選擇育種技術在水稻育種中具有廣泛的應用前景，可以加速常規(guī)育種進程，提高新品種的選育效率，推動水稻育種技術的轉型升級。因此，如何更好地利用分子標記輔助選擇育種技術來提高水稻質量、產量、抗稻瘟病性等問題值得探討，但隨著技術的不斷發(fā)展和深入研究，相信這些問題將會獲得有效解決。

5 結論與展望

分子標記輔助選擇育種已經成為水稻育種領域的重要技術之一，在水稻新品種選育方面取得了顯著成果。通過水稻分子標記的開發(fā)和構建，可以更加準確地鑒定和篩選出具有抗病、抗蟲、優(yōu)質和高產等多種性狀的水稻新品種，為水稻育種提供了更為可靠的技術支持。同時，結合常規(guī)育種技術，采用聚合抗性基因的策略及實現方式，可以將抗性基因導入目標親本，并建立多基因的高效、快速分離鑒定技術體系，實現優(yōu)質、高產、多抗基因的快速聚合。

在過去幾十年的水稻育種工作中，國內外眾多研究機構都進行了大量的水稻分子標記輔助選擇育種的研究，并不斷地完善了相關的理論和技術體系。大量研究［55-58］已經證實分子標記輔助選擇育種技術對于水稻新品種選育的重要性和優(yōu)越性，為水稻育種領域的發(fā)展帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

未來，隨著分子生物學、基因組學和生物技術的不斷發(fā)展，水稻分子標記輔助選擇育種技術將會更加成熟和完善，主要表現在以下3個方面：(1)通過更深入的比較基因組學研究和單細胞測序技術的應用，可以進一步優(yōu)化水稻分子標記的開發(fā)和構建，提高其在水稻新品種選育中的精準度和效率；(2)結合CRISPR/Cas等新型基因編輯技術，可以精確地對水稻基因進行修改和調控，為水稻育種帶來更多的可能性和創(chuàng)新思路；(3)與人工智能和大數據技術的結合，可以實現對水稻育種數據的快速收集、處理和分析，為水稻新品種選育提供更為全面和精準的支持。

綜上所述，水稻分子標記輔助選擇育種技術未來將會在多個前沿領域取得突破，這將為加速選育具有良好農藝性狀、優(yōu)質、高產、抗病的水稻新品種提供更多可能和創(chuàng)新思路。