基于QTL聚合与快速育种技术协同提升甘蓝型油菜千粒重与产量的创新研究

《Oil Crop Science》：Rapid improvement of seed weight and yield by combining QTL pyramiding with speed breeding in Brassica napus L.

本研究针对甘蓝型油菜千粒重(TSW)多基因调控难题，通过整合标记辅助选择(MAS)与快速育种(SB)技术，将6个TSW相关QTL等位基因导入优良恢复系621R，在24个月内创制13个具不同QTL组合的株系。田间试验表明多数株系在春/冬季环境中TSW显著提升，其中两个最优杂交组合小区产量分别提高13.0%和6.8%。该研究为油菜高产杂交种选育提供了新策略和遗传资源。

　　

油菜作为全球重要的油料作物，其产量提升始终是育种研究的核心目标。而种子重量（Seed Weight, SW）作为构成产量的三大要素之一，其遗传改良却因受多基因调控而进展缓慢。传统育种方法每年仅能完成1-2个世代，对于千粒重（Thousand-Seed Weight, TSW）这类复杂数量性状的表型选择效率低下，导致高产油菜品种的选育周期漫长。

为解决这一瓶颈，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室的研究团队在《Oil Crop Science》上发表论文，创新性地将标记辅助选择（Marker-Assisted Selection, MAS）与快速育种（Speed Breeding, SB）技术相结合，开展了甘蓝型油菜（Brassica napus L.）千粒重的精准遗传改良研究。该研究以含有6个TSW相关数量性状位点（Quantitative Trait Loci, QTL）的优良等位基因为靶点，通过多轮回交与聚合杂交，在24个月内成功将不同QTL组合导入到优良恢复系621R中，创制出13个综合性状优良的进阶株系（Advanced Lines, ALs），并系统评价了这些株系及其杂交组合在三种环境下的农艺性状表现，为油菜高产育种提供了新思路和优良种质资源。

关键技术方法概述

研究以TSW较低的优良恢复系621R为轮回亲本，以含有重要TSW QTL（包括来自浙油50的qSW.A3-1、qSW.A3-2、qSW.A3-3、qSW.A7-1、qSW.A8和来自中双11的qSW.A9）的品种为供体亲本。通过整合标记辅助回交（Marker-Assisted Backcrossing）和快速育种协议，在BC_nF₁代利用16个分子标记进行前景选择，同时利用16-26个标记进行背景选择。经过六轮回交和聚合杂交，再经过两代自交，最终获得13个纯合的BC_nF₄株系。全基因组重测序用于评估基因组相似性，田间试验在甘肃民乐（春性环境）和湖北武汉、江陵（冬性环境）进行，对千粒重、单株产量、每角果粒数（Number of Seeds per Silique, NSS）等关键农艺性状进行系统测定。

3.1. 进阶株系的创制

通过系统的MAS与SB策略，成功将供体亲本中的6个TSW QTL优良等位基因导入到621R遗传背景中，在24个月内完成了8个世代，最终获得了13个具有不同TSW单倍型的纯合进阶株系，包括单个QTL、双QTL、三QTL乃至六QTL聚合的不同组合类型。

3.2. QTL聚合株系的遗传相似性

全基因组重测序分析显示，13个进阶株系与轮回亲本621R的基因组相似度在91.79%至98.56%之间。不同株系中供体片段的数量（2-14个）和总长度（13.85-78.91 Mb）存在差异，其中qSW.A3-2位点在所有携带该位点的株系中均存在一个约17 Mb的大片段导入，提示可能存在连锁累赘。

3.3. 13个进阶株系的农艺性状表现

在三环境下的TSW评价表明，所有进阶株系的TSW均显著高于轮回亲本621R。平均TSW提升幅度在春性环境（甘肃民乐）达57.92%，在冬性环境（武汉和江陵）分别达30.87%和33.22%。携带qSW.A9等位基因的株系（如621R^A3-1/A9）在所有环境中均表现出最高的TSW（常超过4.1 g）。研究还观察到QTL间存在上位性效应，例如621R^A3-1/A9的TSW显著高于仅含A9的株系。在其它农艺性状方面，多数株系的开花时间（Flowering Time, FT）和分枝数（Branch Number, BN）有所降低，而分枝起始高度（Branch Initiation Height, BH）、主花序长度（Length of Main Inflorescence, LMI）和株高（Plant Height, PH）有增加趋势。每角果粒数（NSS）在多数株系中显著下降，但621R^{A3-1/A3-2/A3-3}在武汉环境下NSS高于621R，表明可能共导入了来自浙油50的增产片段。单株产量（Yield per Plant, YP）在各株系间无显著差异，但部分株系的小区产量（Yield per Plot, YPP）有显著提升。

3.4. 以616A为母本的杂交组合农艺性状表现

以细胞质雄性不育系616A为母本，与13个进阶株系杂交获得的F₁代在三种环境下的表现各异。在甘肃民乐（春性环境），10个杂交组合的TSW显著高于对照（616A/621R）；在湖北武汉，仅3个组合TSW显著增加，7个组合反而显著下降；在湖北江陵，10个组合TSW显著提升。两个表现最佳的杂交组合（616A/621R^A3-2/A3-3和616A/621R^{A3-1/A7-1/A8/A3-2/A3-3/A9}）的小区产量分别比对照提高6.8%和4.3%。

3.5. 以RG430A为母本的杂交组合农艺性状表现

以基因型雄性不育系RG430A为母本的杂交组合在不同环境下表现更为一致。在甘肃民乐，9个组合TSW显著高于对照；在湖北武汉，所有组合TSW均显著高于对照；在湖北江陵，9个组合TSW显著提升。特别值得注意的是，杂交组合RG430A/621R^A3-1/A9的小区产量比对照提高了13.0%，表现出显著的杂交优势。

研究结论与意义

该研究成功地将MAS与SB技术相结合，实现了甘蓝型油菜千粒重这一复杂数量性状的高效遗传改良。通过在短时间内聚合多个TSW QTL，创制出的进阶株系及其杂交组合在TSW上均有显著提升，且部分组合实现了产量的突破性增加，证明了通过精准的等位基因聚合可以克服种子大小与种子数量间的传统权衡关系。研究还揭示了不同遗传背景下QTL效应的差异以及QTL间存在的上位性互作，强调了在设计QTL聚合策略时进行实证验证的重要性。这些研究成果不仅为油菜高产育种提供了宝贵的遗传资源和有效技术路径，也为其它作物的复杂数量性状改良提供了重要借鉴。