利用关键性状优良预育种系增强旱直播水稻作物抗逆性研究

本文综述了通过基因组辅助育种策略（GAB）将19个旱直播水稻（DDSR）关键性状及生物胁迫相关基因/数量性状位点（QTLs）导入优良水稻品种背景，成功培育出高产、抗逆DDSR新品系。研究开发的渗入系（ILs）在DDSR和移栽水稻（TPR）条件下均表现优异，部分优良品系已进入国家品种审定程序，为应对气候变化、实现水稻可持续生产提供了重要遗传资源和可行方案。

　　

引言

全球农业格局因气候变化正迅速转变。水稻（Oryza sativaL.）作为数十亿人的主食，其传统栽培方式因耗水量大、温室气体（GHG）排放高而受到批评，同时面临水资源短缺、劳动力限制和可持续性问题的挑战。旱直播水稻（DDSR）作为一种有前景的替代方案，具有节水、减少温室气体排放、降低劳动强度、提高水资源利用效率和机械化水平等显著优势。然而，大规模采用DDSR技术面临的主要限制是缺乏适宜的品种。国际水稻研究所（IRRI）的“OneRice”育种策略整合了基因组选择、快速育种和预测技术，旨在最大化遗传增益并缩短育种周期。DDSR已成为IRRI的标志性项目，并建立了专门的育种管道，如适用于灌溉生态系统的直接播种、早熟、长粒、软米（DELS-I）和适用于高地雨养生态系统的直接播种、早熟、长粒、软米（DELS-R）。

本研究旨在通过基因组辅助育种策略（GAB），将多个DDSR关键性状和生物抗性基因/数量性状位点（QTLs）导入到流行品种MTU 1010和有前景的育种系IR91648-B-89-B的遗传背景中，以开发适合DDSR的品种。这些DDSR就绪的资源将主要惠及国家农业研究和推广系统（NARES）的水稻育种家。

材料与方法

植物材料与育种策略

研究针对8个DSR相关性状（厌氧萌发AG、早出苗EMM、早期营养活力EVV、根毛密度RHD、节根数NR、秆强度CS、抗倒伏性LR、DSR下谷物产量GYDS）和3种生物胁迫（稻瘟病、褐飞虱BPH、稻瘿蚊GM）抗性。共使用了11个供体亲本，针对19个目标基因/QTL进行基因聚合。

育种计划于2016年干季（DS）启动，采用多亲本杂交和回交策略。通过分子标记辅助选择（MAS）技术，利用简单序列重复（SSR）标记进行前景选择，追踪目标基因的导入。利用1k-RiCA SNP芯片对渗入系（ILs）进行基因分型，以鉴定其他重要性状相关的基因/QTL。

表型与农艺评价

在BC₂F₄和BC₂F₅世代，对超过150个ILs进行筛选，最终选出48个ILs进行深入评价。这些ILs在DDSR和TPR条件下进行了连续两个生长季的田间试验，评估了产量、产量构成因素以及关键DDSR性状。

渗入系的非生物和生物胁迫抗性评价

采用标准方案对ILs进行厌氧萌发、秆强度、早期营养活力、节根数等性状的评价。同时，在专用设施中对稻瘟病、褐飞虱、稻瘿蚊等生物胁迫进行了抗性鉴定。

谷物品质测试

对48个ILs进行了谷物品质分析，包括整精米率（HRR）、锌（Zn）和铁（Fe）含量、粒长（KL）、粒宽（KB）、长宽比（LBR）和直链淀粉含量（AC）。

结果

目标基因的渗入

SSR基因分型显示，48个ILs成功导入了目标基因/QTLs。其中，qAG_9.2、qCS_1.1、qEVV_9.1、qGYDS_1.1、qGYDS_9.1、qLDG_3.1、Gm4、Gm8等基因在超过40个ILs中存在。每个IL携带7-15个目标基因/QTLs。1k-RiCA SNP芯片分析进一步揭示了每个IL还携带2-49个与非目标性状（生物/非生物胁迫、产量、品质）相关的基因/QTLs，例如干旱耐受QTL（qDTY_3.2、qDTY_2.2等）、稻瘟病抗性基因（Pid3、Pid2等）、褐飞虱抗性基因（Bph32、Bph17等）以及粒型基因（GS3）等。

表型验证

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  厌氧萌发：ILs的厌氧萌发百分比在31%至97%之间，半数ILs的萌发率超过64%。所有ILs携带1-4个AG相关基因组合。
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  秆强度和抗倒伏性：ILs的秆直径在4.57–6.1 mm之间，多数ILs超过5.5 mm。所有ILs均表现出良好的抗倒伏性。
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  早期营养活力和根系：ILs在早期营养活力（如 shoot length, root length, shoot dry weight, root dry weight）和节根数（平均6.3，最高达10）方面表现良好。
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  生物胁迫抗性：
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    稻瘟病：40个ILs表现高抗（SES评分0-2），8个感病。
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    褐飞虱：19个ILs抗性，29个中抗。
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    稻瘿蚊：在测试的26个ILs中，10个高抗，12个中抗，4个中感。
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    白叶枯病（BLB）：虽非主要目标，但多数ILs（40个）表现中抗。

农艺评价比较

48个ILs在DDSR和TPR条件下经过两个季节的测试，平均产量表现相似。在DDSR条件下，平均产量分别为5183 kg/ha（WS2021）和5216 kg/ha（DS2022）。在TPR条件下，平均产量分别为5796 kg/ha（WS2021）和5138 kg/ha（DS2022）。DDSR和TPR条件下的产量呈正相关（r= 0.35），表明这些ILs具有广泛的适应性。ILs在关键农艺性状（如50%开花天数DTF、株高、穗长）上在不同季节和栽培方式间表现一致。值得注意的是，性状差异更多体现在干湿季之间，而非DDSR与TPR之间。

谷物品质评估

ILs的米粒品质总体良好。粒长范围5.4-7.4 mm，多数为中等细长粒型（40个）。26个ILs的整精米率高于60%。铁含量10-19 ppm，锌含量14-21 ppm。直链淀粉含量中等至高。

优良渗入系的选择与国家品种审定

基于产量表现和导入的基因/QTLs，从48个ILs中筛选出10个精英ILs（5个来自MTU 1010背景，5个来自IR91648-B-89-B背景）。这10个ILs在DDSR条件下的平均产量为5756 kg/ha，在TPR条件下为5665 kg/ha，相比轮回亲本平均增产约15%-17%。这些ILs携带1-4个DDSR下产量相关QTLs（qGYDS_1.1、qGYDS_6.1、qGYDS_9.1、qGYDS_10.1）组合，并且在关键DDSR适应性性状（抗倒伏、早期活力、厌氧萌发、秆强度等）和生物胁迫抗性（稻瘟病、稻瘿蚊、褐飞虱）方面表现优异。

其中4个最优ILs被提名进入印度农业研究理事会（ICAR）的全印水稻协调研究项目（AICRPR）进行多点试验。两个ILs（IR144572-20-4-1-1-B 和 IR144575-61-2-1-1-B）在初始品种试验（IVT 1）中表现突出，被提升至高级品种试验（AVT 1）阶段，其产量显著超过国家对照和区域对照，展现出良好的推广应用前景。

讨论

目标基因的成功渗入

研究成功地将大多数目标DDSR和生物胁迫基因/QTLs导入到ILs中。部分基因（如qEMM_3.1和qEMM_11.1）渗入率较低，表明其转移存在挑战。1k-RiCA分析揭示了ILs中携带大量非目标但重要的基因/QTLs，如多个抗旱QTLs、其他稻瘟病抗性基因、粒型基因等，这极大地丰富了这些ILs的遗传价值。表型验证确认了目标性状的成功表达，尽管某些性状（如厌氧萌发）的表现可能受到遗传背景互作的影响。

农艺表现与评价

ILs在DDSR和TPR条件下均表现良好，且两者产量正相关，这为农民提供了灵活性：若错过DDSR最佳播期，仍可进行TPR栽培而不牺牲产量潜力。这种广适性是这些新品种的一大优势。

精英品系的选择与意义

选出的顶级ILs不仅在高产和抗逆方面表现突出，而且已进入国家品种审定体系，部分品系在多点试验中表现优于现有对照品种甚至杂交种。这表明基因组辅助育种策略在快速培育适应气候变化和新型栽培模式的水稻品种方面具有高效性。这些ILs本身也是宝贵的预育种资源，可供全球水稻育种项目利用，以进一步开发适应不同生态区的DDSR品种。

结论

本研究通过基因组辅助育种，成功将多个DDSR关键性状和生物抗性基因/QTLs导入优良水稻背景，开发出48个高产、抗逆、适应DDSR且兼抗多种生物胁迫的渗入系。这些品系在DDSR和TPR条件下均表现优异，部分已进入国家品种释放高级阶段。它们不仅为推广节水节劳、环境友好的DDSR技术提供了品种支撑，也为未来水稻育种提供了丰富的遗传资源，对应对气候变化、保障粮食安全和促进农业可持续发展具有重要意义。