中国水稻信息网 C.N.R.R.I.

　　沈阳农业大学水稻研究所于2000年开始了以常规粳稻辽粳454为轮回亲本的分子育种杂交工作，2001年加入了农业部“全球水稻分子育种计划”的重大专项课题，截止到2004年秋，辽粳454受体共与101份供体亲本杂交，其中 BC₃ 以上78份，育成近等基因系2404个；有76份上交上海市农业生物基因中心种质库保存；另外23份的约500个近等基因系将在2005年末完成构建，为北方粳稻常规育种和分子育种创造了育种材料和研究平台。

1 全球水稻分子育种计划简介

1.1 定义和目标

　　全球水稻分子育种计划可以定义为：一个国际性的育种协作网以及技术和材料的平台，在这样的平台上或协作网中，通过大规模的回交育种、种质资源中有利基因的深层发掘、严格和准确的目标性状选择等与基因流向的分子标记跟踪、大规模有利等位基因的发现 (allelic mining) 及其相关遗传信息累积、遗传背景优良一致的材料平台的构建以及在此基础上的大规模分子标记辅助聚合育种(分子育种过程)进行完全的整合，达到高效率持续培育能适应亚洲不同生态区域且在产量、稳定性及品质上都有显著提高的优良常规稻新品种或杂交稻新组合，同时培养新一代的水稻分子育种家。这一计划的总体目标是高效持续培育能适应亚洲乃至全球主要水稻生态区域并在产量、稳定性和品质上都有显著提高的优良常规或杂交稻新品种，发现和定位大量的影响主要水稻育种目标性状的有利基因，并建立永久的水稻分子育种的材料(包括不同生态区和类型)、信息和技术平台，具体目标为从水稻种质资源初级库中大规模发掘重要农艺性状的有利遗传变异，包括隐蔽的遗传变异；大规模发现和定位种质资源中影响重要农艺性状的有利等位基因 /QTL，并同步将这些有利基因 /QTL 导入到优良水稻遗传背景中去；构建以优良水稻品种遗传背景为基础的大批近等基因导入系作为分子育种的材料平台；建立优良水稻品种遗传背景下的农艺性状基因 /QTL 表达的基因型(分子标记)和表型的数据库；培养新一代的水稻分子育种家。

1.2 技术路线

　　优良轮回亲本基因库 (elite gene pool，EGP) 选用来自14个亚洲国家的57个大面积推广水稻良种或杂交稻组合，供体基因库 (donor gene pool，DGP) 为来自全世界34个水稻种植国的146份水稻核心种质资源，包括当地的推广良种、农家品种、特殊育种材料等，这些供体亲本在来源、适应区域和农艺性状上与轮回亲本库互补。总之，EGP 和 DGP 包含了水稻初级库中很大一部分的遗传变异，可认为是有代表性的核心种质样本。以当地的表现优良的亲本为轮回亲本，与供体基因库的水稻品种进行轮回杂交与选择，回交与自交的世代以 BC₂F₄～BC₃F₃ 为宜，这样可以保证所选择的后代大部分的遗传背景是以轮回亲本为主，继而进行目标性状的筛选，对筛选出的材料进行重复鉴定和分子标记基因型鉴定和基因 /QTL 发现和定位，然后通过带有互补非连锁的有利基因 /QTL 子妹导入系间的杂交，聚合有利基因或 QTL，淘汰不良基因或 QTL，培育综合目标性状改良的新品种和可用于功能基因组研究的重要农艺性状基因 /QTL 的近等基因系。

2 北方常规粳稻分子育种的研究进展

2.1 以辽粳454为遗传背景的近等基因系的构建

　　沈阳农业大学水稻研究所以辽粳454为轮回亲本，在2000～2002年间，用辽粳454与100多个供体亲本进行杂交和回交，由于生态型间差异太大，使得少部分供体亲本和组合在沈阳和海南三亚都表现为抽穗晚，不能正常结实，没有被保存下来。经过4年的杂交、自交和特异基因型的鉴定，于2004年夏在沈阳获得了以辽粳454为主要遗传背景的近等基因系约3000份，与99个供体亲本进行了回交，回交世代从 BC₂F₄～BC₄F₂ 不等，以 BC₃F₃ 为主要的回交世代，在所进行的回交群体中，1950份形成了近等基因系材料，已经交由上海农业生物基因中心库进行了备份保存。这些材料的育成为进一步发挥北方常规粳稻的育种优势和分子育种研究创造了广泛的材料平台。

2.2 分子育种特异基因型的鉴定

2.2.1 抗旱基因型的鉴定及其聚合

　　2003年夏在沈阳对达到 BC₁F₂ 代的共83个组合材料进行了耐干旱基因型的选择，以回交亲本辽粳454为对照，选择群体数量每个组合在300穴以上，处理的方法是在分蘖盛期开始断水，一直保持干旱状态到收获，经抗旱筛选后的材料以结实正常为第一选择目标，同时以叶片持绿性和生物产量作为辅助选择目标，在这种双重选择压力下，在83个供体亲本的回交群体中有50个群体被全部淘汰。对36个群体中存活的入选单株按组合混合于2003年冬季在海南三亚对这36个群体进行了复选，选择方法全生育期干旱方法，即在插秧之后除了在施肥时灌水或在进行干旱处理达到生理胁迫极限给予恢复性给水外，其它时候均不给水，所用的选择方法与2003年夏所选择的方法相同，同时并进行了产量性状的选择，共选择到了86份材料，2004年将这86份材料送中国农科院作物所进行耐干旱基因型的 QTLs 定位工作，经过2个生长季的选择，获得了主要以成恢448、Teqing、Xunza36 等为供体亲本的耐干旱基因型材料。入选的材料大多表现出较强的抗旱性，生物产量较高，叶片持绿性好，根系比较发达，给水后恢复较快，结实率下降小，对产量的最终形成影响较小。

　　经过两年的鉴定试验和田间跟踪调查，对入选的材料于2004年冬季种植在海南三亚进行第二轮聚合杂交，共配组合171个，2005年种植在沈阳农业大学试验水田，如果试验顺利有望于冬季在海南进行初步的抗旱鉴定。

2.2.2 抗稻瘟病基因型的鉴定

　　2004年夏生长季在辽宁省东港市对达到了 BC₃F₂ 代的36个供体亲本基因的回交群体进行了田间天然抗稻瘟病基因型的鉴定，每个供体组合的群体为3000个单株左右。收获时对每一个回交群体的材料都进行严格选择，首先选择稻瘟病抗性强的组合，然后再以高抗穗茎瘟和枝梗瘟的单株为选择目标，同时对产量性状进行选择，共收获了高抗稻瘟病的材料28份。这些综合性状好的材料的育成，为北方粳稻抗稻瘟病育种创造了材料。

2.2.3 抗低温基因型的鉴定

2.2.3.1 苗期抗寒性基因型的鉴定

　　试验于2003年春季在沈阳农业大学北地实验水田进行，采用开闭式保温旱育苗，鉴定的材料为53个组合的 BC₂F₂ 群体，每个群体3000苗左右，以轮回亲本辽粳454作对照。4月8日播种，4月27日撤去保护膜进行自然低温处理，5月13日对秧苗进行耐低温性调查，处理期间平均气温为16.9℃，气温变幅为5～28℃。由于处理期间平均气温较高，大多数秧苗存活下来，选择13个表现较好的组合插秧，在大田条件下进行农艺性状的选择，同时收获种子准备下一年重复鉴定。2004年的鉴定方法同2003年，所用材料为 BC₂F₂ 或 BC₃F₂ 的群体和2003年的13个表现较好的组合，总计96个群体，该部分材料于4月3日播种，4月25日撤去保护膜，苗龄为2～2.5叶，处理时间为4月25日到5月10日，对在低温下存活的苗全部插入田间，秋后收获种子。

2.2.3.2 后期耐低温性基因型鉴定

　　鉴定于2003年秋季和2004年秋季分别在沈阳农业大学试验田和四方台实验站进行，供试材料为 BC₁F₂、BC₂F₂ 或 BC₃F₂ 群体，83个组合。秋后在经过一次秋霜后的次日对所有组合进行选择，以叶片不死为标准，同时对结实率等性状进行选择，选择629份材料。北方地区由于秋季低温来的早，使一些大穗超高产品种的穗下部二次枝梗籽粒充实不良，影响大穗型超高产品种产量的发挥，这些后期耐低温材料为北方粳稻抗寒性育种和分子育种直接或间接提供了材料，将为进一步培育直立大穗型品种奠定材料基础。

2.2.4 相关遗传与生理基础研究

　　研究结果表明，穗数是高产品种＜中产品种＜低产品种，穗粒数和结实率相反，千粒重无显著变化；高产品种生物产量高于中、低产品种，高、中产品种经济系数高于低产品种；产量与穗数呈显著的负相关，与穗粒数、1次枝梗粒数、2次枝梗粒数、着粒密度及经济系数呈显著或极显著的正相关；产量与穗粒数关系最密切，而穗粒数主要由2次枝梗粒数决定，其次是着粒密度和1次枝梗粒数。2次枝梗结实率与整穗结实率呈极显著的正相关，与产量呈显著的正相关；高、中、低产品种1次枝梗数峰值分别在12～14、10～13和8～12；低产品种2次枝梗粒数较少，中、高产品种2次枝梗粒数均较多，前者主要分布于穗轴中、下部而后者主要分布于中、上部(徐正进等，2004b)。

　　谷粒长与谷粒宽和谷粒厚呈极显著负相关，千粒重与谷粒长、谷粒宽和谷粒厚均呈显著或极显著正相关，千粒重主要由谷粒宽和谷粒厚决定。糙米率、精米率和整精米率与谷粒长、谷粒长宽比和谷粒长厚比呈极显著负相关，与谷粒宽、谷粒厚和谷粒宽厚比呈极显著正相关，与稻米相应指标的关系表现相同趋势，减小谷粒长而增大谷粒宽和谷粒厚有利于改善碾磨品质。垩白粒率与千粒重、谷粒宽、谷粒厚和谷粒宽厚比呈极显著正相关，谷粒长与垩白大1J,,n垩白度呈极显著正相关，外观品质与稻米粒形的关系也表现相同趋势，稻谷粒形不是决定稻米外观品质的主要因素。直链淀粉和蛋白质含量与谷粒长、长宽比和长厚比呈极显著正相关，与谷粒宽、谷粒厚和宽厚比呈极显著负相关(徐正进等，2004a)。

　　研究穗部性状特点及其与品质的关系的结果表明，水稻穗部性状和品质性状均存在品种间差异显著；穗数和千粒重与加工品质大多表现为显著或极显著的正相关，而每穗粒数则相反，增加穗数和千粒重、减少每穗粒数有利于提高加工品质；结实率和二次枝梗结实率与垩白粒率和垩白度呈极显著的负相关，提高结实率特别是二次枝梗结实率有利于提高外观品质；二次粒率高对加工品质、外观品质和营养食用品质均有负面影响(徐正进等，2004a)；研究穗型指数 (PTI，二次枝梗粒数最多的一次枝梗所在穗轴节位与一次枝梗数之比) 表明，根据穗型指数将穗型划分为二次枝梗籽粒上部优势型、中部优势型和下部优势型，二次枝梗粒偏向穗轴中上部分布即穗型指数较大不但有利于提高结实性和产量，还有利于改善品质，可能是通过穗部性状协调产量与品质的有效途径(资料待发)。

　　以95个水稻品种(系)为试材，研究食味及与其它品质性状关系的结果，总体看品质性状有较大改善，其中糙米率、整精米率和直链淀粉含量平均数达到国家一级优质稻谷标准，垩白率、垩白度和胶稠度平均数达到国家二级优质稻谷标准；食味品种间差异显著，食味值分布在39.5～84.7区间，4个品种食味接近或略高于越光；食味值与透明度呈显著的正相关，而与蛋白质含量呈极显著的负相关；改善食味品质是辽宁省水稻品质育种的首要任务，降低蛋白质含量，增加透明度有助于改善食味品质(资料待发)。

　　理论分析和物理模拟测定的结果表明，穗型通过使茎秆弯曲的力矩——弯矩和重心影响抗倒伏性，弯矩增大和重心升高则抗倒伏性降低，反之则抗倒伏性升高。弯矩随颈穗弯曲度变化的幅度明显大于重心，因此，弯曲穗型弯矩增加的幅度大而重心降低的幅度小，对抗倒伏性的影响明显大于直立穗型，这可能是北方粳稻直立穗型品种一般抗倒伏性较强的力学基础(徐正进等，2004d)。

3 北方粳稻分子育种材料构建和利用中存在的问题及展望

3.1 存在问题

　　由于用作供体亲本的100多份材料来源于全球各地，在形态和生育时期等方面存在千差万别，这些材料有相当一部分在沈阳地区不能正常开花结实，虽然通过海南南繁加代进行，但花期调配又花费大量精力和时间，因此主要是忙于杂交回交，使得一些特性鉴定工作不够。由于经验不足，有的鉴定工作事倍功半，比如辽粳454受体的苗期抗寒性鉴定。另外，新品种选育也有待加强。

3.2 材料的利用与评价

　　在创建材料的同时对中间材料进行选择，4年来累计选择350个新品系，其中2005年有1个品系参加辽宁省水稻区域试验中熟组。在新品系选育的同时，对中间材料和亲本进行考查，如亲本在北方地区的适应性，亲本和中间的生理特性和品质差异。目前关于抗寒性的研究大多注重前期的研究，对后期抗寒性研究相对较少，而水稻后期抗寒性对北方地区，特别是东北地区更为重要，由于北方一些地方秋霜或低温来得早，使一些晚熟品种很容易受低温的危害，造成不同程度的减产，从这面讲，后期抗寒材料对今后抗寒品种选育有着重要的意义，通过对材料的深入研究，将丰富水稻的抗寒性研究。

　　目前辽宁主栽品种大多数是直立穗型品种，而在上海、浙江、江苏等地直立穗型品种以开始被大面积种植，本课题选用的轮回亲本为辽粳454，曾是辽宁省主栽品种之一，因此本套等基因系的建立，在进行直立穗型基因的常规和分子等方面研究有着不可估量的作用，在粳型超级稻育种，以把直立大穗型作为超级稻设计的理论基础之一(陈温福等，2003)。遗传分析证明直立穗型是由一对主效基因控制的(张文忠，2001)，本所与中国科学院遗传与发育生物学研究所合作，通过分子标记初步将直立穗型基因定位在第9染色体，并正在进一步深入研究和精细定位。

　　以辽粳454为遗传背景的近等基因系的构建成功，不仅为分子遗传和育种创建了材料，也为北方稻区的常规稻和杂交稻的遗传和育种研究提供大量的、类型丰富的素材。因为作为供体亲本的100余份材料来自全球不同生态区，在形态、生理、遗传等方面存在大量差异，与辽粳454杂交和回交后产生了大量的可利用的中间材料，沈阳农业大学水稻所利用其中籼粳稻杂交研究籼粳分类及其亚种特征性状(徐正进等，2003a；2003b；李金泉等，2002)，利用不同株型的品种杂交和回交展开新株型创造与超高产育种研究及其应用(徐正进等，2004c)；进一步完善北方粳型超级稻育种理论与技术研究；利用轮回亲本和供体亲本及所选出的优良品系比较品种或品系之间穗部性状差异，明确穗部性状特点及其与产量和品质的关系(王嘉宇和徐正进，2005；王淑玲，2005；金雪花等，2003)，为今后的超高产育种提供理论了基础。

3.3 下一阶段计划

　　根据前4年进展和存在问题，针对北方地区特点，本年度及今后初步计划如下。

　　将加强特异性基因的鉴定工作，尤其是苗期抗寒性、全生育期抗旱性、后期抗寒性鉴定，以及品质(直链淀粉含量、蛋白质含量、脂肪含量、食味)相关研究。

　　按计划要求，经3～4次回交、2～3次自交，完成约100个供体亲本的3000个左右近等基因导入系，对筛选出的抗旱性材料在第二轮聚合杂交的基础上再次进行了抗旱筛选，聚合抗旱基因，同时筛选优良的株系，做好品种或品系的选育工作。

　　鉴定、发掘重要目标性状基因，进行分子标记定位，对于初步定位的基因，进行精细定位，如直立穗型基因；继续进行常规的生理生化和遗传育种研究，特别是关于穗部性状相关的研究，在已有的基础上进一步深入系统的研究，阐明其生理生化机制，与直立穗型基因的分子遗传研究相互配合，为直立穗型基因的克隆乃至穗部性状研究奠定基础。目前关于穗部性状的分子研究多集中在抽穗开花期、籽粒长宽和穗长等指标 (谭耀鹏等，2005；方萍等，2002；Cao et al.，2001)，对于穗型的分子研究很少见，相信通过对直立穗型基因的研究必将推动北方粳稻超高产育种更上一层楼。

　　对筛选的品系进一步鉴定，做好性状的跟踪调查，特别是生育期、产量和品质等性状，有目的进行选择和分流，以培育适应不同生态地区栽培或创建不同研究目的的品系，稳定优良品系或组合参加品比试验和区域试验。

    注：
    （1）文章来源：分子植物育种，2005年第３卷第５期；
    （2）作者单位：沈阳农业大学水稻研究所。

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