籼稻开花期耐热性鉴定与QTL定位分析

高温热害是水稻生产的重要制约因素之一。本研究利用籼稻恢复系蜀恢527为轮回亲本,以来自不同来源的6个籼稻品种为供体亲本构建了131个BC2F3:4选择导入系群体,在正常大田和温室大棚高温胁迫条件下进行连续两年(2011年和2012年)的耐热性鉴定,并结合基因型分析进行产量相关性状和耐热性QTL定位。耐热表型分析结果表明,尽管轮回亲本和供体本身不具备很强的耐热性,但绝大多数导入系后代出现了耐热性的超亲分离。本研究通过分子标记基因型和表型分析的单向方差分析进行产量相关性状(每穗总粒数,结实率,千粒重,单株产量)和耐热性(热胁迫指数)QTL发掘,共定位的到39个产量相关性状QTL,贡献率为7.3%~39.7%和12个耐热性QTL,贡献率为14.7%~30.2%。12个耐热性QTL中,有9个也在产量相关性状中检测到。40例QTL有利等位基因来自供体亲本,61.5%的QTL能在不同群体或环境中被重复检测到。产量性状和耐热性QTL在染色体上大多成簇分布,每个簇往往同时影响几个性状(多效性)。其中,第2染色体上RM341(Bin2.8)对每穗总粒数、千粒重和单株产量影响较大;第7染色体RM051(Bin7.1)则是主要控制结实率、单株产量和耐热指数等性状。第10染色体RM258(Bin10.5)则是主要控制每穗总粒数和耐热指数等性状。研究结果将为水稻耐热性改良及其分子标记辅助育种提供有益信息。     

利用选择导入系QTL聚合设计方法改良水稻产量相关性状

培育和种植高产水稻品种是解决粮食短缺危机最有效的方法之一。利用轮回亲本明恢86和供体亲本ZDZ057、辐恢838和特青构建了3个BC2F4高产选择导入系群体,从中选择5个稳定的高产导入系培育了4个聚合群体WD135/WD190、WD190/WD250、WD208/WD258、WD135/WD258。通过对4个F4聚合群体进行大田表型鉴定,考察产量及其相关性状。选取55个SSR多态性标记对聚合群体进行基因型鉴定,并利用性状-标记间的单项方差分析进行产量及相关性状的QTL检测和根据遗传搭车理论对增产的聚合系基因型的分析结果进行卡方检测。方差分析结果表明,穗长和单株产量在所有4个聚合群体中都存在显著或者极显著基因型差异,抽穗期没有差异,其余性状在不同群体中表现不尽一致。在4个聚合群体中,一共有57个聚合系产量高于轮回亲本,增产幅度从0.36%～72.7%,其中有40个聚合系高于其各自的聚合亲本。与轮回亲本和导入系亲本相比,高产聚合系的单株有效穗数、每穗实粒数和每穗颖花数有了一定程度的提高。高产聚合系增产的主要原因是由于单株有效穗数、每穗实粒数和每穗颖花数得到了改良。利用卡方检验和单项方差分析分别检测到22和20个与产量及相关性状有关的QTLs,其中10个QTL与前人定位的结果一致。聚合亲本携带的QTL在聚合群体的效应与导入系群体估算的不完全一致。说明利用选择回交导入系进行复杂性状聚合改良虽然可以部分消除QTL与遗传背景的互作,但是QTL之间的上位性互作可能仍然起着一定的作用。本研究采取的产量聚合系定位方法可靠性较好,为复杂性状的聚合系定位提供了一个新途径。     

利用耐低磷选择回交导入系群体定位水稻产量性状QTL

水稻磷素利用率低是影响水稻产量的重要因素之一。为了发掘水稻耐低磷有利基因、培育磷高效品种,选用生产上大面积推广应用的恢复系‘蜀恢527’、‘明恢86’作为轮回亲本,以‘爷驼崽’为供体亲本,构建了2个BC2F4耐低磷选择回交导入系群体。分别在正常施肥量条件下和低磷条件下对2个群体进行产量性状鉴定和分析,同时对2个群体进行了分子标记检测,利用性状-标记间的单向方差分析,对耐低磷选择回交导入系群体的产量性状进行QTL定位。分析结果表明：在不同环境、不同遗传背景下单株有效穗数、每穗实粒数与单株产量之间呈极显著正相关;产量构成因素中,单株有效穗数受低磷胁迫影响较大,是造成低磷条件下减产的主要原因。2个群体在正常条件和低磷条件下共检测到控制单株有效穗数QTL 11个,控制每穗实粒数QTL 10个,控制结实率QTL 10个,控制千粒重QTL 9个,控制单株产量QTL 13个;检测到一因多效的位点12个。研究结果对低磷品种的选育、相关有利基因的发掘利用和分子标记辅助选择有重要参考作用,选择导入系也为耐低磷育种提供了材料。     

高产、抗旱和耐盐选择对水稻产量相关性状的影响

水稻生产受到许多环境因素的胁迫,其中干旱和盐害是两大最重要的非生物逆境,培育抗旱和耐盐品种是减轻这两种逆境危害最经济有效的措施。利用籼型供体广恢122、Bg94-1和粳型供体原粳7号、沈农89366导入高产优质籼型品种丰矮占1号背景,创建BC3F5导入系群体,经目标性状筛选,以获得的2个高产抗旱导入系丰矮占1号/广恢122和丰矮占1号/原粳7号为亲本进行高产抗旱聚合,以高产耐盐导入系丰矮占1号/沈农89366和丰矮占1号/Bg94-1进行高产耐盐聚合。以聚合亲本为对照,在2个F2聚合群体中分别进行抗旱、耐盐、高产筛选,每个聚合群体分别获得30～42个不等的抗旱、耐盐和高产性状的极端个体,不同性状的选择强度变幅为8.3%～11.7%。3个目标性状极端选择后代在正常水田种植,其产量相关性状抽穗期、单株有效穗数、穗总粒数、穗实粒数、结实率、千粒重等均呈现明显的分离,各性状的变异方向因不同的选择群体和选择性状而异。在2个聚合组合的6个选择群体后代,有效穗数和每穗实粒数对单株产量的贡献最大,前者平均贡献率为18.5%,变幅为12.9%～27.4%,后者平均贡献率为13.1%,变幅为9.0%～21.2%。经过不同性状的交叉筛选,2个聚合组合的抗旱选择群体分别出现10.0%和36.7%耐盐的株系,其平均耐盐水平与耐盐选择群体相当,表明水稻抗旱和耐盐存在一定程度的遗传重叠。提出了利用回交导入系先进行抗旱、耐盐筛选,再进行产量选择和在此基础上对3个性状进一步聚合的高产抗旱和高产耐盐新品种培育策略。     

利用籼稻资源中的“隐蔽有利基因”提高粳稻苗期耐冷性

苗期低温是制约东北水稻生产的一个重要逆境因子,培育苗期耐低温的水稻品种是解决这一问题最有效的途径之一。以粳型恢复系C418为轮回亲本与7个来自不同地域的供体杂交和回交培育BC₂F₂群体，利用沈阳春季田间自然低温进行耐冷筛选，并对入选的177个苗期耐冷导入系后代在自然和人工气候室两种不同强度的低温胁迫条件下的苗期表现进行评价。结果表明，虽然供体亲本均为苗期耐冷性弱的品种，但在全部回交后代中均出现耐冷的超亲分离，表明这些供体亲本均携带对耐冷性有利的“隐蔽基因”, 不过组合间的耐冷性选择效率存在较大差异。以人工气候室低温胁迫后的存活率为耐冷性鉴定指标，导入系之间出现广泛分离，田间筛选入选比例高的BG300和中413导入系群体中出现存活率高的导入系后代比例较其它群体高，说明在同一轮回亲本遗传背景下回交后代的耐冷水平取决于供体。在室内严格低温条件下表现为强耐冷性的导入系在相对温和的自然低温胁迫下表现为苗高、苗干重较非胁迫条件生长抑制不明显，且能够促进根系生长。结果表明，大量的耐冷有利基因以“隐蔽”的形式存于水稻种质资源中。通过利用来源广泛的种质资源作为供体进行回交育种，对回交后代进行严格耐冷筛选，可有效选育高产耐冷水稻品种和有价值的育种材料。     

水稻抗旱选择导入系产量相关性状分析

为广泛利用水稻种质资源隐蔽抗旱有利基因来全面改善品种抗旱性,以粳型恢复系C418为轮回亲本,以3个籼型品种(Manawthukha,粤香占,特青)为供体构建了抗旱极端选择导入群体.3个群体两种水分条件对比,千粒重和单株有效穗数均表现出正相关,最大相关系数分别为r=0.88**和r=0.64**;不同水分条件下产量构成因子与产量的相关分析结果显示,水分胁迫下单株有效穗数和每穗总粒数在所有群体中都是对产量贡献较大的因子;不同水分条件下产量构成因子与产量的通径分析结果显示,不同群体的产量构成因子之间存在着相互促进或相互制约关系;优良株系在胁迫下单株产量极显著高于轮回亲本充分体现了远缘杂交优势,说明应用回交导入方法利用籼稻优良基因改良粳稻品种是可行的.     

全生育期耐盐恢复系在正常灌溉条件下性状表现及耐盐杂交稻的选育

利用前期以明恢86为轮回亲本与全球水稻分子育种计划的4个供体亲本(Gayabyeo、沈农265、早籼14和Y134)杂交构建的高代回交导入群体,在浙江省三门县沿海滩涂采用0.5%盐浓度的海水全生育期灌溉,筛选出150个耐盐恢复系群体,考察了耐盐恢复系在正常灌溉条件下的性状分离及与两个三系不育系测交种的优势表现。结果表明,耐盐恢复系在正常灌溉条件下的产量及其相关性状出现明显的分离,性状分离的类型及特点因选择群体和性状本身不同而异,从中选育出30个单株产量和耐盐性显著好于轮回亲本明恢86的株系,这些株系大多表现穗长缩短,株高和千粒重下降,但单株有效穗和结实率显著增加,导致产量的显著提高。4个组合的耐盐恢复系群体与两个三系不育系(II-32A和川345A)测交种的性状分离明显,与明恢86和两个三系不育系的测交种相比,多数测交种表现穗长缩短,株高降低,单株有效穗数相仿,但与II-32A测交的杂种千粒重显著增加,杂种表现趋势与耐盐恢复系本身不完全相同。分别鉴定出22个和23个耐盐恢复系,其与两个不育系测交的杂种产量显著高于明恢86与相应不育系的测交种,表现出较强的杂种优势,其中比生产对照种汕优10号显著或极显著增产的测交组合分别有7个(II-32A为母本)和4个(川345A为母本)。研究表明,利用优良恢复系的回交导入后代在大田盐胁迫条件下筛选耐盐单株,结合耐盐后代在正常灌溉条件下产量及相关性状的鉴定筛选,可以有效地改良恢复系的耐盐性,并选育出耐盐性提高的强优势组合。     

利用高代回交导入群体进行水稻耐盐碱鉴定与筛选

以粳稻吉粳88为轮回亲本与11个来自不同国家的供体品种杂交和回交培育的BC2F4群体,在吉林省白城市盐碱地进行全生育期耐盐碱筛选,对入选的耐盐碱单株后代分别进行苗期耐盐和耐碱鉴定。结果表明,在大田盐碱胁迫条件下绝大多数回交后代均出现耐盐碱的超亲分离,表明这些供体均带有控制这些性状的有利基因。各个组合间的耐盐碱筛选效率存在较大差异,表明回交后代的耐盐碱表现不仅取决于供体本身,还取决于受体品种与供体品种的不同组合。对筛选出的耐盐碱株系进行苗期耐盐和耐碱鉴定,结果显示全生育期耐盐碱的株系在苗期的耐盐和耐碱性表现不一,一部分株系表现不耐盐碱,一部分株系具有较强的耐盐或耐碱性,还有少数株系表现既耐盐又耐碱,表明水稻不同生育期的耐盐碱性存在差异,而且耐盐与耐碱可能存在不同的遗传机制。筛选出的耐盐碱导入系将成为耐盐碱有利基因发掘以及通过有利基因高效聚合定向改良水稻耐盐碱性的材料平台。     

从回交导入群体中筛选耐盐和抗旱水稻植株

盐害和干旱已经成为水稻产量的限制因子。培育耐盐和抗旱水稻品种的前提是高效筛选携带耐盐和抗旱基因的单株。本研究以黄华占为轮回亲本,来源于不同国家的46个品种为供体培育的BC2F2群体为材料,进行苗期耐盐和生殖生长期抗旱筛选。尽管供体和受体本身不具备耐盐性和抗旱性,但导入后代普遍出现耐盐和抗旱的超亲分离,表明供体品种普遍存在提高导入后代耐盐和抗旱的有利"隐蔽基因"。与耐盐性表现相比,导入后代出现抗旱株的组合数和每个群体中筛选出的抗旱株数均显著多于耐盐性,表明抗旱"隐蔽基因"更广泛分布在不同籼粳水稻品种中,而且抗旱性可能比耐盐性具有更广泛的适应机制。研究表明,培育回交导入系加以适当的选择压是发掘耐盐和抗旱"隐蔽基因"的有效方法。     

利用分子标记辅助选择回交转育培育早粳稻空育131(fgr)导入系

为了改良综合性状优良的早粳稻空育131的香味性状,培育水稻空育131(fgr)导入系,以非香米空育131为受体亲本,香米稻花香2号为香味基因fgr供体亲本,利用功能性SNP-fgr标记鉴定选择香味基因,同时利用34个双亲间具有多态性的SSR标记进行背景选择,经过3次回交转育创制了背景恢复率达100%的候选水稻空育131(fgr)导入系。对候选水稻空育131(fgr)导入系的农艺性状、抗稻瘟病性、耐冷性、抗倒伏性及香味性状进行鉴定,培育出了除香味以外其他性状与空育131相似或相同的早粳稻空育131(fgr)导入系。水稻空育131(fgr)导入系可以在黑龙江省香米水稻生产中示范试种。     

Simultaneous improvement in cold tolerance and yield of temperate japonica rice (Oryza sativa L.) by introgression breeding

To combine high yield and improved cold tolerance (CT) in a japonica rice variety, ‘Chaoyou1’ (CY1), 324 BC₂F₅ introgression lines (ILs) selected for CT from 11 CY1 BC₂F₄ populations were evaluated in replicated experiments for their CT at the reproductive and seedling stages. A mean realized heritability of 0.747 was achieved in this study for CT. Evaluation of 116 ILs from five BC populations in replicated experiments under stress and normal conditions identified 18 promising ILs that had greatly improved CT and yield compared with CY1. Detailed comparisons between the ILs and CY1 for CT and yield‐related traits under stress and non‐stress conditions provided useful information and better understanding of important issues such as donor selection, selection efficiency and associated changes in non‐target traits in the BC breeding process. The large numbers of CT ILs developed provide useful materials for genetic, physiological and molecular dissection of CT and yield traits using DNA markers and ‐omic tools, and as parents for further improving these traits by designed QTL pyramiding.     

Speed breeding for multiple disease resistance in barley

To respond faster to the changing climate, evolving pathogens and to feed a global population of 9–10 billion by 2050, plant breeders are exploring more efficient crop improvement strategies. In this study, we applied novel methodology for rapid trait introgression to the European two-rowed barley cultivar Scarlett. Scarlett is widely-grown in Argentina and is preferred for malting and brewing, yet lacks adequate disease resistance. We used four donor lines combining multiple disease resistance (i.e. leaf rust, net and spot forms of net blotch and spot blotch) in a modified backcross strategy, which incorporated both multi-trait phenotypic screens and the rapid generation advance technology ‘speed breeding’, to develop 87 BC₁F_3:4 Scarlett introgression lines (ILs) within two years. Phenotyping this set of lines in disease nurseries located in Australia and Uruguay revealed the ILs had high levels of multiple disease resistance. Preliminary yield testing of the 12 most promising ILs in Argentina identified three ILs that were significantly higher yielding than Scarlett at Balcarce, whereas all 12 ILs displayed yield equivalent to Scarlett at Tres Arroyos. We propose that this approach is useful to rapidly transfer genes for multiple target traits into adapted cereal cultivars or pyramiding desirable traits in elite breeding material.     

以珍汕97B和9311为背景的导入系构建及其筛选鉴定

以我国主要推广的优良杂交稻亲本（珍汕97B和9311）为受体亲本,以从国际合作网络所征集的品种资源150多份为供体材料,进行了大规模杂交、3-4次回交,1～2次自交,培育珍汕97B和9311为背景的近等基因导入系近5000多份。通过对导入系材料进行品质、耐盐、耐旱、磷高效、氮高效利用等性状的筛选鉴定,获得了大量目标性状的导入系。通过对品质性状导入系的基因型分析,定位了影响粒型的15个染色体区段（或基因）。同时,构建了一套来源于粳稻日本晴的单片段导入系群体。创建的近等基因导入系（群体）为目标基因的发掘、新品种的培育提供重要的材料基础。     

Marker-assisted introgression of QTLs for yield under moisture stress into elite varieties of rice (Oryza sativa)

Rice production is severely constrained by the moisture stress. The present study was undertaken to transfer two important QTLs viz., (qDTY2.2 and qDTY4.1), which controls yield under moisture stress (DTY) into two elite varieties, that is, MTU1010 and NLR34449 through marker-assisted breeding. Foreground and background selections of backcross generations, that is, BC₁F₁, BC₂F₁ and BC₂F₂ identified several promising introgression lines (ILs) with two QTLs and single QTLs with an appreciable level of recovery of recipient parent genome. In ILs, the recovery of MTU1010 genome content was estimated to be 83%–93% while the recovery of NLR34449 was 84%–92%. The two-QTL ILs of MTU1010 and NLR34449 backgrounds (qDTY2.2 and qDTY4.1) have shown substantial yield advantage (32 to 84%) over the single-QTL ILs (either qDTY2.2 or qDTY4.1) under moisture stress conditions. Among all, two ILs, MBC-124 and NBC-127 are the best high yielding lines under moisture stress conditions. These outyielded ILs have the potential to be released as varieties in rainfed ecosystem and also can be used as donors in the existing breeding programme in rice.     

回交高代选择导入系的纹枯病抗性与抗旱性的遗传重叠研究

利用来自抗旱性较好的供体亲本（BG300和BG304）、具有两种遗传背景（IR64和特青）的水稻高代回交（BC2）抗旱选择导入系，通过人工接种的方法鉴定纹枯病抗性，考察纹枯病抗性与抗旱性之间可能存在的遗传重叠。通过与受体亲本的纹枯病抗性表现比较发现，具有特青背景的抗旱选择导入系倾向于纹枯病抗性的降低，而IR64背景的抗旱选择导入系则倾向于纹枯病抗性的增强。基于基因型与表型的方差分析共鉴定到6个与纹枯病抗性相关的位点，其中QSbr6在不同供体和背景的两个群体中分别检测到，而QSbr10则在同一供体的两个遗传背景下均检测到；有3个位点（QSbr6、QSbr8和QSbr10）与同一群体中检测到的抗旱性位点位置相近，很可能是两种抗性重叠的遗传基础。尽管方差分析的方法在选择导入系的非选择目标性状相关位点的鉴定中存在相当程度的偏低估计，本研究所检测到的纹枯病抗性位点，特别是那些与抗旱性重叠位点的分子标记以及相关的抗性株系仍将为进一步的水稻纹枯病抗性和抗旱性的多抗性育种和深入的遗传重叠研究提供有用的信息和材料。     

Identification of genomic regions carrying QTL for agronomic and quality traits in rye (Secale cereale) introgression libraries

Introgression libraries can be used to localize genomic regions carrying quantitative trait loci (QTL). We used this approach to detect QTL regions affecting the per se performance of agronomic and quality traits with two rye (Secale cereale L.) introgression libraries. Our objectives were to detect candidate introgression lines (pre‐ILs) that have a different per se performance than the recurrent parent and to identify the underlying QTL regions. The introgression libraries containing 40 BC₂S₃ lines each were established with marker‐assisted backcrossing from crosses of the heterozygous Iranian primitive rye accession Altevogt 14160 and the elite inbred line L2053‐N. To assess the phenotypic effect of the donor chromosome segments (DCS) the pre‐ILs were evaluated for grain yield, plant height, thousand‐kernel weight, test weight, falling number and protein content in replicated field trials at five locations in Germany over 2 years. In total, 58 significant (P < 0.05) differences between pre‐ILs and L2053‐N were observed in each introgression library. The DCS in pre‐ILs differing from the recurrent parent possess most likely the responsible QTL. Genomic regions carrying favourable QTL alleles were detected for test weight, thousand‐kernel weight and protein content. We conclude that Altevogt 14160 can not only be used to enrich the genetic variation of the restricted hybrid rye gene pools but will also allow the breeder to efficiently detect favourable QTL for marker‐assisted selection.     

水稻抗纹枯病QTL qSB-9TQ和抗条纹叶枯病基因Stv-bi的聚合育种

以携带抗纹枯病QTL qSB-9^TQ的籼稻品种特青和携带抗条纹叶枯病基因Stv-bⁱ的粳稻品种镇稻88为优良等位基因供体亲本,江苏省推广的粳稻品种武育粳3号和武粳15为受体亲本,分别杂交并连续回交。在回交及自交分离世代,利用开发的覆盖目标基因区间的双侧分子标记对目标基因进行辅助选择。至回交BC₄F₁世代,同一遗传背景2个回交方向的中选单株间聚合杂交,获得2个目标基因位点均纯合的聚合F₃株系。条纹叶枯病抗性鉴定和纹枯病抗性接种鉴定结果表明,聚合株系对条纹叶枯病均表现抗病;以0~9级评级标准评价,聚合株系的纹枯病较相应的轮回亲本分别低1.1~1.6级和0.8~1.4级。结合回交低世代抗性鉴定结果分析,自行开发的分子标记对目标基因的辅助选择是有效的。讨论了抗纹枯病育种及分子标记辅助选择聚合育种的相关问题。     

我国水稻分子育种计划的策略

从种质资源中发掘和利用优异基因是实现突破性育种的关键。现有常规育种技术对种质资源的低利用率及其在性状改良上的局限性是近几十年来水稻改良出现徘徊局面的根本原因。本文首次提出应用大规模回交育种构建我国优良水稻导入系群的方法和以此为基础材料建立我国水稻分子育种协作网的策略，简要地阐述了应用分子标记和导入系进行水稻种质资源中有利基因/QTL的大规模发掘和复杂性状QTL聚合改良的分子育种技术路线，并简要地展望了这一分子育种策略的应用前景。