利用水稻胚乳休眠主效QTL qSD12等位基因改良收获前发芽抗性的遗传育种研究

《Molecular Breeding》：Genetic improvement of resistance to preharvest sprouting using a major QTL allele for embryo dormancy in rice

本研究针对水稻杂交种F1种子因缺乏休眠性导致的收获前发芽(PHS)和贮藏发芽问题，通过将杂草稻来源的qSD12位点休眠等位基因(D)导入恢复系(RFL)背景，结合QTL定位、表型验证和基因组选择等技术，证实qSD12可显著抑制种子萌发和穗发芽(降低发芽指数34%)，且与qSD3、qSD7-2存在上位性互作。该研究为培育抗PHS水稻品种提供了关键基因资源和育种策略。

　　

在多雨潮湿的收获季节，成熟谷粒在穗上提前发芽的现象——收获前发芽（Preharvest Sprouting, PHS），是水稻、小麦等禾谷类作物生产中的一大顽疾。这不仅导致产量损失和品质下降，更因种子活力降低直接影响下一季播种质量。尤其对于杂交水稻，其F₁种子在制种过程中常因外源赤霉素（GA₃）处理以促进抽穗，反而刺激了种子在成熟后期或储运期间过早萌发，造成所谓“发芽不齐”问题，严重制约杂交稻技术的推广应用。恢复并精准调控种子休眠性（Seed Dormancy, SD），是提高作物抗PHS能力的关键，但过度休眠又可能导致田间落粒种子存活成为杂草。因此，挖掘关键休眠基因，解析其遗传效应，并将其精准导入优良品种，成为育种家们关注的焦点。

在这一背景下，发表于《Molecular Breeding》的研究论文“Genetic improvement of resistance to preharvest sprouting using a major QTL allele for embryo dormancy in rice”报道了利用来源于杂草稻的主效数量性状位点（Quantitative Trait Locus, QTL）qSD12的休眠等位基因，对水稻恢复系进行遗传改良的重要进展。该研究旨在通过将qSD12的休眠（D）等位基因导入优良恢复系ZY1的遗传背景，评估其对抗PHS和改善种子发芽特性的效应，并探索多基因聚合育种策略。

研究人员首先构建了ZY1与携带qSD12-D等位基因的等基因系IL_SD12的杂交F₂群体，利用高密度SNP标记（1k-RiCA阵列）构建遗传图谱，并定位了控制开花期（Flowering Time, FT）、株高（Plant Height, PH）和种子休眠性（SD）的12个QTLs。其中，4个SD相关QTL（qSD3、qSD6-1、qSD7-2和qSD12）被精细定位，qSD12贡献了最大的表型变异（R2=34%）。研究发现，qSD12与qSD3或qSD7-2之间存在显著的上位性互作，qSD12-D等位基因的存在能增强其他位点的休眠效应。此外，研究还评估了室温（24°C）和加热（40°C）两种条件下种子休眠解除的动态，发现高温处理能更快速打破休眠，且qSD12基因型对不同处理时间的响应存在差异。

在验证实验中，通过标记辅助选择（Marker-Assisted Selection, MAS）从F₂植株衍生的F₄和F₅株系中获得了纯合qSD12-D基因型的材料。F₄株系的种子发芽试验表明，qSD12-D能显著降低发芽百分比（GP）和发芽指数（GI），尤其在贮藏14天后，基因型间差异达37%。F₅株系的穗发芽率（Sprouting Rate, SR）评估显示，在开花后55天，携带qSD12-D的株系穗发芽率仅为6-25%，显著低于对照ZY1（约75%），证实了qSD12在抑制穗上发芽方面的主效作用。

研究进一步通过回交育种结合基因组选择（Genomic Selection, GS）策略，将F₂群体中筛选出的强休眠单株（#046，基因型为AaBbCCDD，聚合了来自双亲的休眠等位基因）与ZY1回交，获得BC₁F₁群体。SNP基因分型显示，BC₁F₁植株的遗传背景已部分恢复为ZY1类型，但其种子休眠性（平均GP为48%）仍显著高于ZY1（72%），表明通过后续选择可从其子代中分离出聚合1至4个SD QTLs休眠等位基因的新种质。

关键技术方法包括：利用杂交F₂群体进行QTL定位和上位性分析；通过室内发芽试验和穗发芽率测定评估休眠表型；采用SSR/InDel标记和1k-RiCA SNP阵列进行基因分型；运用标记辅助选择和基因组选择技术进行优良单株选育；通过回交育种将目标QTL导入轮回亲本背景。

QTL定位与效应分析

通过复合区间作图，在F₂群体中检测到12个与开花期、株高和种子休眠相关的QTLs。qSD12表现出最大的加性效应（a = -21.04%），且与qSD3和qSD7-2存在显著的上位性互作。线性回归模型表明，4个SD QTLs的加性及其互作效应共同解释了群体中61.6%的休眠表型变异。

休眠解除的基因型差异

种子贮藏试验表明，qSD12基因型影响休眠解除速率。在40°C加热处理下，qSD12的加性效应（a）和处理时间主效（τ）分别解释了27.5%和23.2%的 germination percentage (GP) 变异，且存在显著的基因型×环境互作（i_τa）。

qSD12在高级世代中的验证

F₄株系中，qSD12-D纯合体在0、7、14天 after-ripening (AR) 后的GP均显著低于sd12纯合体，差异随贮藏时间延长而增大。F₅株系的穗发芽率评估进一步证实，qSD12-D能有效抑制成熟后期穗上发芽。

回交群体的遗传背景与休眠性

BC₁F₁植株的平均遗传背景恢复至43.1%（ZY1等位基因频率），但其种子休眠性仍显著高于ZY1，表明即使在不完全纯合的背景下，聚合多个SD QTLs的D等位基因仍能有效增强休眠性。

该研究结论强调，qSD12是一个对种子休眠和抗PHS具有主效且遗传稳定的QTL，其D等位基因不仅本身具有显著的休眠促进作用，还能通过上位效应调控其他SD基因的表达。通过标记辅助选择和基因组选择相结合的策略，可将qSD12及其他SD位点的有利等位基因高效聚合到优良遗传背景中，为培育抗PHS的水稻品种（包括杂交稻恢复系）提供了切实可行的技术路径。研究结果不仅深化了对水稻种子休眠遗传网络的理解，也为其他禾谷类作物抗PHS育种提供了重要借鉴。未来工作重点在于解析qSD12候选基因的分子功能，并评估多基因聚合材料在不同环境下的应用表现。