水稻核心种质育种体系的构建

回顾中国超高产水稻育种概况,将中国的超级稻育种分为超高产水稻育种和超级稻育种两个阶段。构建水稻核心种质育种体系,从理论体系和育种材料体系两个方面进行论证。水稻核心种质育种体系是水稻育种理论与实践结合的产物,水稻核心种质是指具有某些优良性状的育种材料中,控制某些优良性状的特殊基因群体或基因系统,在品种改良过程中,它能够沿着育种目标置换和扩充基因群体,直至全面符合育种目标。建设水稻核心种质育种平台(产量性状育种研究部分),从水稻核心种质的遗传演变和理想遗传模型研究、影响产量基因的分子育种、栽培稻和野生稻高产基因的发掘、根系生物学育种研究4个方面展开遗传育种探索。     

9个抗稻瘟病基因在291份水稻种质资源中的分布及组合特征

通过对Pib抗、感稻瘟病基因型序列进行比对,开发分子标记,并搜集已报道的8个抗稻瘟病基因(Pi9、Pi-k^h、Pit、Pi5、Pita、Pb1、Pi2、Pikm)的分子标记,分析这9个抗稻瘟病基因在291份水稻种质资源(以黄淮海区域种质为主)中的分布及组合特征,为今后抗稻瘟病分子标记辅助选择育种提供理论依据。结果表明,成功开发了Pib基因分子标记。单份水稻种质资源中携带的抗稻瘟病基因数目为0～6个,携带3个抗稻瘟病基因的种质资源最多,占比40.9%,其次为携带2个(20.3%)和4个(19.2%)抗稻瘟病基因的种质资源,携带6个抗稻瘟病基因的种质资源最少(0.4%)。9个抗稻瘟病基因在水稻种质资源中出现的频率存在较大差异,介于7.2%～59.1%,Pi9基因出现频率最高(59.1%),Pi-k^h次之(50.8%),随后依次为Pib(41.2%)、Pi5(36.4%)、Pita(29.2%)、Pb1(28.8%)、Pi2(19.5%)、Pikm(17.1%),Pit基因出现频率最低(7.2%)。291份水稻种质资源中共有抗稻瘟病基因组合93个,...     

利用CRISPR/Cas9技术编辑BADH2-1/BADH2-2创制香米味道玉米新种质

【目的】香味是作物的重要食味品质之一。2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline,2-AP）是主要香味物。BADH2是控制水稻等作物香味性状的关键基因,敲除该基因可以产生香味稻米。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术在北京市农林科学院自育的玉米骨干亲本京724上敲除BADH2同源基因,以期获得有香米味道的玉米新种质材料。【方法】利用Ensembl数据库在线BLAST工具,将水稻OsBADH2蛋白序列在拟南芥、水稻和玉米蛋白序列数据库中进行序列比对,获得上述3个物种的BADH基因家族成员,并利用UniProt蛋白数据库中的结构域信息进行验证。进一步使用MEGA软件进行系统进化分析,获得玉米BADH2同源基因作为候选编辑靶标。基于CRISPR/Cas9基因编辑技术的原理,在候选基因的外显子处设计特异性靶点,并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体。再以玉米自交系京724为受体,利用农杆菌介导的遗传转化方法,通过磷酸甘露糖异构酶基因（phosphomannose isomerase,PMI）抗性筛选获得阳性转基因植株。转基因株系经测序明确其在靶基因中产生的突变类型。利用气相色谱质谱联用仪（gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS）检测基因编辑株系T₁籽粒中香米主要香味物质2-AP的含量,以确认京724在基因编辑前后2-AP含量的变化。【结果】系统进化分析发现,玉米中存在2个BADH2同源基因,分别命名为ZmBADH2-1和ZmBADH2-2。ZmBADH2-1位于第4染色体,ZmBADH2-2位于第1染色体。2个基因均包含15个外显子和14个内含子,第4外显子间的核苷酸序列高度同源。在2个基因的第4外显子区域设计靶点并构建入CRISPR/Cas9基因编辑载体,通过遗传转化获得28株转基因株系。PCR扩增及测序分析结果显示,其中10株材料的2个ZmBADH2s在靶点区域均发生突变,突变基因型包括双等位突变和多等位突变,突变类型为不同数量的碱基缺失和插入。质谱检测结果显示玉米ZmBADH2双基因突变体籽粒中存在与香稻同样成分的2-AP。随机选取的4个T₁代基因编辑株系籽粒中,2-AP平均含量分别为438.29、404.63、348.65和161.82 μg·kg^-1,而未经过编辑的京724中未检测到2-AP。【结论】利用CRISPR/Cas9技术对玉米ZmBADH2-1和ZmBADH2-2同时进行定点敲除,创制出籽粒中具有香米味道的玉米骨干亲本新种质材料。     

水稻耐逆境种质创新研究十年回顾

十多年来,我们围绕中国南方水稻生产遇到的主要逆境因素,开展了水稻种质挖掘和创新研究。克隆或优化了耐旱基因AtDREB1A和CbDREB1A,抗除草剂基因Epsps~#、Pat~#和Mat~#,抗螟虫基因Cry2Aa~#和Cry1Ca~#,以及植酸酶-牛乳铁蛋白肽融合基因PhyLf。培育出了抗除草剂早籼稻新种质Bar68,抗2种除草剂水稻新种质EB7001S,抗除草剂、具植酸酶和抗菌肽活性的水稻新种质BPL9K,抗螟虫、抗除草剂的水稻新种质B2A4008S、B2A68、B1C893和B1C106,以及一些耐旱、耐盐、耐低温并抗除草剂的水稻新种质。从爪哇稻、籼爪交重组自交系、粳稻中筛选出了一些耐高温、耐旱性较好的种质资源。改良了华占、岳恢9113、Y58S、广占63S等骨干杂交稻亲本的褐飞虱和白叶枯病抗性。培育出了耐涝中间材料Sub-1BS。这些耐逆境新种质的创制,将为水稻耐逆境育种提供有力的技术支撑。     

水稻稻瘟病抗性研究与展望

稻瘟病是造成水稻(Oryza sativa L.)减产危害最严重的病害之一。为了发掘、鉴定和筛选水稻抗性种质资源,有效利用抗病的水稻品种来抑制稻瘟病的发生,解决水稻生产的障碍并掌握抗性种质资源的抗瘟基因及其分布,从水稻抗稻瘟病基因的抗性鉴定、抗性资源的筛选与利用、抗性遗传规律及抗病基因定位4个方面,对水稻稻瘟病抗性的研究进展进行了综述,为水稻抗稻瘟病资源的收集、选育和抗稻瘟病基因鉴定,加快抗性育种进程提供了理论依据。     

寒地水稻核心种质龙粳10号和垦稻10号抗瘟性基因分析

为明确寒地核心种质抗病基因组成,利用日本7个单基因鉴别菌系(P-2b、研53-33、稻72、北1、研54-20、研54-04、稻168)接种鉴定了丽江新团黑谷×龙粳10号、丽江新团黑谷×垦稻10号组合10套F3系统,采用"累积分布曲线法"进行分析。结果表明:龙粳10号对P-2b、研53-33、稻72和北1四个菌系的抗性是由2对显性基因控制的,对研54-20的抗性是由3对显性基因控制的,对研54-04和稻168的抗性是由2对显性基因和1对隐性基因控制的。垦稻10号对研53-33的抗性基因是由2对显性基因控制的,对研54-20的抗性基因是由1对显性基因控制的,对研54-04的抗性是由2对显性互补基因控制。龙粳10号、垦稻10号可作为寒地水稻抗稻瘟病的核心种质,为抗病育种者选择亲本提供优质粳稻抗瘟源,并为寒地水稻核心种质库构建打下良好基础,在生产上应用具有重要意义。     

水稻种质资源萌发期与孕穗期耐冷性鉴定

对收集到的230份水稻种质资源进行了水稻萌发期和孕穗期耐冷性鉴定与评价,初步筛选出萌发期耐冷性强的水稻种质资源64份,其中耐冷性极强材料29份;孕穗期耐冷资源43份。研究结果为水稻耐冷育种提供了新的基因资源,同时还为水稻耐冷基因的挖掘提供了物质基础。     

陕西省水稻种质资源的香味基因检测

[目的]明确陕西省主要水稻种质资源中香味基因的存在状况,为香型水稻育种提供依据.[方法]利用针对香味基因fgr开发的四引物扩增受阻突变体系PCR技术,对陕西省164份水稻种质资源的香味基因fgr进行检测.[结果]在164份供试水稻材料中,127份为非香材料,2份为香型纯合体,35份为杂合体.[结论]本试验检测结果真实可...     

豫南香稻种质资源稻米氨基酸含量的检测与分析

【目的】针对豫南香稻种质资源稻米中各种氨基酸含量进行检测,分析其香米中氨基酸含量的差异,为优质香稻新品种的选育提供参考。【方法】以豫南香稻种质资源共18个香稻品种的香米米粉为试验材料,利用酸水解法进行处理,随后采用全自动氨基酸分析仪测定并分析其香米中氨基酸的含量。【结果】豫南香稻种质资源材料中,不同香稻品种香米的氨基酸总含量存在明显差异,黑香稻193与信香粳1号稻米中总氨基酸含量相差23.33 mg·g~(-1);总的必需氨基酸含量变异较大,其变化区间是25.13～34.13 mg·g~(-1);18个香稻品种稻米的限制性氨基酸含量以及芳香族氨基酸含量的变异丰富,其中赖氨酸含量最高的是矮杆香稻丸品种,且该品种稻米中的杂环族氨基酸含量也都相对较高。【结论】通过对豫南香稻种质资源稻米中的氨基酸含量进行检测与分析,发现18个香稻品种中的氨基酸含量存在明显差异,这将为今后选育高营养品质的香稻新品种提供重要的香稻种质资源。     

陕西省水稻种质资源的香味基因检测

【目的】明确陕西省主要水稻种质资源中香味基因的存在状况,为香型水稻育种提供依据。【方法】利用针对香味基因fgr开发的四引物扩增受阻突变体系PCR技术,对陕西省164份水稻种质资源的香味基因fgr进行检测。【结果】在164份供试水稻材料中,127份为非香材料,2份为香型纯合体,35份为杂合体。【结论】本试验检测结果真实可靠,所用四引物扩增变阻突变体系PCR可以作为香型水稻检测认定的有效方法;陕西省水稻种质资源中香味基因占有一定比例。     

香稻Badh2基因单倍型及香气成分2-乙酰-1-吡咯啉代谢通路的研究进展

香米因其具有独特的香味,长期以来深受国际市场青睐。我国香稻种植历史悠久,香稻资源丰富,但缺乏高端优质香米品牌。当前消费者对优质香米的需求不断加大,进而加快了我国优质香稻的育种进程。稻米香味主要由编码甜菜碱醛脱氢酶基因Badh2控制,该基因功能突变能够导致稻米香气成分2-乙酰-1-吡咯啉(2AP)的积累。随着水稻功能基因组学的发展,香稻资源中Badh2基因单倍型得以深入挖掘,2AP生物合成通路被初步解析,它们将进一步加快香稻育种的进程。综述了目前在香稻资源中发现的19种Badh2基因单倍型,重点分析不同类型单倍型的地域分布特性,比较不同单倍型之间的2AP含量;同时阐述2AP生物合成通路涉及的谷氨酸-脯氨酸代谢途径和多胺代谢途径研究现状,总结香稻籽粒中2AP的分布特征,并对目前两种籽粒2AP积累的理论机制进行比较分析,提出利用多组学手段从籽粒动态发育过程研究2AP生物合成通路变化特性的策略,以期为香稻资源基因利用和籽粒2AP特异富集香稻品种的培育提供参考。     

利用HRM功能标记检测黑龙江省水稻种质资源Wx和fgr的基因型分布

水稻直链淀粉含量与香味作为水稻重要的品质性状,一直是水稻研究热点。HRM（高分辨率熔解曲线）技术作为近年来新兴的PCR分析技术,拥有简便、快速及分辨率高等特点,备受关注。为明确黑龙江省种质资源中Wx及fgr基因的分布情况,利用HRM功能标记Wx-a/b和fgr-E7FNP,在67份部分黑龙江省主栽品种及优异种质资源中进行基因分型,结果表明,67份种质均含有纯合Wx^b基因;4份种质含有纯合的fgr基因,分别为哈99352、龙粳香1号、中龙香粳1号及龙交103970,其余63份种质含纯合野生型BAD2基因。     

利用HRM功能标记检测黑龙江省水稻抗稻瘟病基因Pita和pik的基因型分布

为明确Pita及pik基因在黑龙江省水稻种质资源中的分布情况,本研究以67份黑龙江省主栽品种及优异种质资源作为试验材料,通过HRM技术,利用Pita及pik的HRM功能型分子标记Pita-G/T、Pik2-C/T,对67份材料进行基因分型。结果表明,67份种质中,含纯合Pita有27份,占参试种质的40.3%;纯合pik有22份,占参试种质的32.9%,同时含有两基因的为12份,比例为17.9%。综上,Pita-G/T及Pik2-C/T 标记可以高效准确地对黑龙江水稻资源进行基因分型,同时,通过基因分型,明确了Pita及pik在黑龙江省的分布情况,为抗稻瘟病育种提供了理论基础。     

稻褐飞虱新抗源的鉴定和利用

通过筛选抗源、抗性遗传分析,水稻品系BPHR96对褐飞虱生物型Ⅱ和孟加拉型具有高水平广谱抗性,其抗性遗传受2对显性基因控制.通过抗性基因聚合可以有效地获得高抗广谱的抗虫材料,甚至可以从4~6个抗性基因重组后代中获得1级的高抗材料.同时,利用褐飞虱优异抗源BPHR96,获得一大批抗褐飞虱的创新种质.研究结果表明,BPHR96是具有重要利用价值的BPH抗性资源,抗性基因重组与聚合是培育广谱持久高抗性水稻品种的有效途径,特别是利用BPHR96与其他抗源进行抗性基因重组和聚合可为水稻育种提供更理想的抗性.     

利用基于HRM的功能标记分析水稻Wx和fgr的基因型

Wx和fgr基因分别调控水稻直链淀粉含量和香气形成。在基于凝胶电泳功能标记的基础上，发展基于高分辨率熔解曲线(HRM)的功能标记Wx–a/b和BAD2–E7, 分别用于鉴定88份水稻种质Wx和fgr的基因型。利用LightScanner 96平台进行HRM检测，单次检测在10 min内即可完成最多96个样品的基因型分析。结果表明，88份水稻种质中，25份含纯合Wxa基因型的种质，直链淀粉含量为25.08%；59个含纯合Wxb基因型的种质，直链淀粉含量为15.00%，其余4个杂合型(Wxa/Wxb)的直链淀粉含量为18.13%。携带纯合fgr基因的3份种质(巴太香占、象牙香占和Basmati 370)，其全部米粒均带有香气，而携带杂合fgr的2份种质，只有部分米粒带有香气。     

普通野生稻(O.rufipogon)微核心种质中广亲和基因S5~n的检测与分析

普通野生稻微核心种质中蕴含丰富的优异基因资源,是用于水稻品种改良和基础研究的重要材料。为了筛选携带广亲和基因S5n的普通野生稻种质,利用前人开发的鉴定水稻S5n基因的InDel分子标记,对107份野生稻微核心种质进行了PCR扩增和读带分析。结果筛选出3份携带S5n广亲和基因的野生稻种质,均来自海南省,该基因可能在海南完成演化。野生稻广亲和材料有助于籼粳交育种材料的创制。     

水稻细胞质雄性不育恢复基因Rf6功能标记开发及微核心种质中Rf6基因的筛选

核恢复基因Rf6是红莲型杂交水稻特有的新恢复基因,为了寻找更多具有Rf6恢复基因的种质,以扩展红莲型杂交水稻的恢复系来源,组配更多优良杂交品系,利用Rf6及其等位基因的序列差异,开发Rf6基因的功能标记,并利用该标记对中国水稻微核心种质进行PCR扩增,筛选具有Rf6恢复基因的种质。结果表明,在324 bp插入片段(Rf6较其等位基因插入324 bp)两侧设计引物(正向引物:5'-ATGACAAGAGGACCAGCGATGCAATGG-3',反向引物:5'-ATTCTTGCAGAGATAGACCATGAGCGTG-3'),利用该引物可扩增出条带清晰且无杂带的差异片段,可用于Rf6基因的鉴定。利用该标记在197份中国水稻微核心种质中筛选出22份具有Rf6恢复基因的种质,可为拓宽红莲型杂交水稻的恢复系来源提供材料。     

河南沿黄稻区粳稻种质资源香味基因筛选

利用水稻香味基因Badh2第2外显子和第7外显子特异的分子标记筛选了河南沿黄稻区208份粳稻种质资源,从中筛选出15份含有香味基因的种质材料,其中Badh2基因第2外显子突变类型12份,第7外显子突变类型3份。在河南沿黄稻区光周期条件下,这15份种质材料的开花日期从7月下旬至9月上旬不等,全生育期115~170 d。     

水稻核心种质育种体系创建及优质稻育种实践

为实现水稻育种学和水稻种质资源学的无缝对接,常规育种技术与先进适用技术的有效融合,创建了水稻核心种质育种理论和材料体系。概述了水稻核心种质育种理论体系,包括水稻核心种质概念、理想基因系统与突破性大品种对应假说、理想模型(模式)构建、前景选择与背景选择统筹、基因集的生物学意义、核心种质基因型和表现型云数据、先进适用综合育种方法研究和核心种质杂种优势利用等8个部分。阐述了黄华占核心种质育种材料体系、美香占核心种质育种材料体系和丰八占衍生恢复系华占核心种质育种材料体系等三套育种材料体系创建历程,并对其衍生的重大品种即当前我国籼稻推广面积最大的品种黄华占、我国连续三届获得全国优质稻品种食味品质鉴评金奖唯一籼稻品种美香占2号、我国配组组合最多恢复系华占等突破性品种(恢复系)作了简介,讨论了水稻遗传育种学的现状和方向。     

宁夏水稻种质资源主要抗稻瘟病基因的鉴定和评价

针对宁夏地区水稻抗稻瘟病主要基因尚不清楚的现状,采用已克隆抗稻瘟病基因的功能标记对143份宁夏水稻种质资源进行抗稻瘟病基因的分子扫描。同时,利用宁夏地区致病性强且致病力频率高的10个稻瘟病菌菌株混合悬浮液进行人工接种与自然诱发相结合的方法鉴定其抗病性。进而开展稻瘟病抗性性状与抗性基因的关联分析。结果表明：在宁夏水稻种质资源中表现主要的抗病基因有Pikm、Pi9、Pi2、Pi5和Pid2。在此基础上,对主要抗病基因在宁夏水稻品种中的应用进行评价,发现Pikm、Pi9、Pi5、和Pid2基因在宁夏水稻种质资源中的分布频率比较低,分别为0.56、0.35、0.30、和0.11。所以这些基因是今后改良宁夏水稻稻瘟病抗性的主要抗病基因。