寒地粳稻耐冷害育种概述

孙 伟，臧家祥，陈宾宾，杜金岭

（黑龙江省农垦科学院 水稻研究所，黑龙江 佳木斯 154000）

寒地粳稻耐冷害育种概述

孙 伟，臧家祥，陈宾宾，杜金岭

（黑龙江省农垦科学院 水稻研究所，黑龙江 佳木斯 154000）

冷害是寒地粳稻生产极其重要的限制因素。培养耐冷害品种，是防御低温冷害的根本手段。从耐冷水稻资源的挖掘、水稻耐冷性基因定位、相关基因的转基因工程及耐冷性遗传等方面综述耐冷害育种的相关进展，为耐冷害育种奠定基础。

寒地粳稻；耐冷育种；研究进展

冷害是寒地粳稻生产极其重要的限制因素，其具有普遍性、多发性和严重性，其中以夏季低温冷害发生最为频繁、影响最重[1]。张海娜等研究表明，低温冷害发生率呈增加趋势[2]。李健陵等研究表明，若在孕穗期遭遇低温冷害，枝梗及颖花会分化不良，结实率大幅下降，造成水稻减产高达30%[3]。曾宪国等研究表明，随着低温强度降低及时间延长，水稻空壳率显著增加[4]。张荣萍等研究表明，灌浆前期低温胁迫，稻谷产量呈不同程度的下降趋势，主要是通过影响水稻结实率，尤其是降低二次枝梗结实率，从而导致产量降低[5]。目前，对寒地粳稻冷害的防御还没有有效的防御手段[6-9]。因此，笔者从耐冷水稻资源的挖掘、水稻耐冷性基因定位、相关基因的转基因工程及耐冷性遗传等方面进行综述，阐述寒地粳稻耐冷育种研究进展，为寒地粳稻的耐冷性育种提供依据。

1 耐冷水稻资源的挖掘

王翠玲等采用深冷水串灌的方法对13份黑龙江省第二积温带水稻品种（系）进行孕穗期的耐冷性评价，结果筛选出4份强耐冷性材料[10]。孙世臣等通过人工培养箱模拟低温的方法对黑龙江省76份水稻品系进行了萌芽期耐冷性评价，筛选出强抗冷性材料8份，中间类型材料29份[11]。胡晓晨等对95份水稻种质资源进行苗期耐冷性鉴定，并筛选出10份苗期耐冷（存活率≥60%）材料[12]。韩龙植等将一定的低温条件下（10～15℃）、特定时间内（5～15 d）的种子发芽率作为指标，对新收集的879份水稻种质资源进行了水稻芽期耐冷性的鉴定与评价，从中筛选出芽期耐冷性极强的39份水稻种质资源，均为贵州地方粳稻品种[13]。并且发现，水稻苗期耐冷性与孕穗期耐冷性存在相关性，可以将苗期耐冷性鉴定结果做为其他时期的耐冷性的重要参考标准[14-15]。刘广林等利用人工气候室创造的低温条件，对在自然低温条件下初步鉴定具有耐冷性的82份种质材料进行抽穗扬花期耐冷性鉴定评价，分别筛选出抽穗扬花期耐冷性极强（1级）和强（3级）的种质资源7份和14份，占供试材料的8.54%和17.07%；在21份耐冷性强或极强的种质中，属于迟熟类群的有15份，占71.43%，从迟熟类群中挖掘强或极强耐冷种质资源的潜力较大；鉴定出的耐冷性种质可作为亲本或者桥梁亲本应用于耐冷育种中[16]。

2 水稻耐冷性基因定位

水稻耐冷性基因定位是进行分子标记辅助选择培育耐冷品种的前提，水稻耐冷性是多基因控制的数量性状，具有复杂的遗传背景和广泛的遗传多样性[17]。不同的遗传群体，群体具有的主效基因不一定相同，应分别进行耐冷基因的定位研究。

彭强等用213个IR24/Asominori重组自交家系为作图群体，以苗期的死亡率为指标，对亲本及213个IR24/Asominori重组自交家系进行了耐冷性QTL定位，在第6、第11和第12染色体上检测到3个苗期耐冷性QTL，分别命名为qCTS-6、qCTS-11、qCTS-12，这3个QTL的LOD值分别为3.194 3、4.688 2和3.797，对应表型变异的解释率分别为5.662 7%、8.549 6%和12.787 7%，且抗性等位基因均来自苗期耐冷性亲本Asominori[18]。

杨洛淼等用粳稻品种空育131和东农422构建的F7代重组自交系190个家系为作图群体，光照培养箱中15℃低温处理，以平均发芽天数、发芽指数、日平均发芽率、发芽峰值、发芽值和发芽系数为指标，利用完备区间作图法分别对低温发芽力和芽期耐冷性进行QTL定位并分析其加性效应和上位性效应。结果检测到控制芽期耐冷性的1个加性QTL位于4号染色体上，贡献率16.84%；17个控制低温发芽力的加性QTL分别位于第 1、2、3、6、7、9、12 染色体上，贡献率为5.64%～35.67%；控制芽期耐冷性的上位性QTL 2对，累积贡献率19.3%；控制发芽期耐冷性的上位性QTL 33对，各性状累计贡献率介于18.35%～91.08%，分别控制第7、10、11、15天的发芽率和平均发芽天数的表达，累积贡献率分别为87.88%、87.38%、91.08%、78.68%和 18.35%。上位性在水稻发芽期和芽期耐冷性遗传中作用重大。同时，研究还发现，低温发芽力和芽期耐冷性是具有相关性的[19]。

林静等以籼稻品种9311为受体、粳稻品种日本晴为供体构建的95个染色体片段置换系为材料，在5℃低温条件下，进行芽期耐冷性鉴定。结果表明，6个置换系低温处理后的成苗率与受体亲本9311有一定差异，其耐冷性略强于9311。利用代换作图法共鉴定出4个与芽期耐冷性相关的QTL，分别位于水稻第5和第7染色体上。其中qCTB-5-1、qCTB-5-2和qCTB-5-3分别被定位在第 5染色体 RM267与 RM1237、RM2422与RM6054、RM3321与RM1054之间遗传距离分别为21.3 cM、27.4 cM和12.7 cM的置换片段上；qCTB-7被定位在第7染色体RM11-RM2752区间遗传距离为6.8 cM的置换片段上[20]。

刘晓等以低温导致叶片卷曲的卷曲度作为水稻苗期耐冷性指标，采用182个越光 （粳型）/kasalath（籼型）//越光回交重组自交系和162个RFLP分子标记，对苗期耐冷性进行QTL定位分析。结果表明，BIL群体中苗期耐冷性均呈连续分布，属于数量性状遗传，并检测到4个控制苗期耐冷性的 QTL，分布在第 1、3、11、12 染色体上，其贡献率为7.4%～21.9%；并在其目标区域内进一步设计分子引物把位于第12染色体上的主效qCTS-12定位在约77 kb区域内。此研究结果及其检测到的QTLs两侧的连锁分子标记可为水稻苗期耐冷性分子育种以及相关基因克隆提供理论依据[21]。

3 相关基因的转基因工程研究

国家水稻数据中心基因数据库的统计资料显示，截至2014年，已经有38个水稻耐冷性相关基因被克隆[22-23]。

杨悦等将ICE1基因转入粳稻品种垦鉴稻10号中，研究4℃低温胁迫对水稻幼苗膜脂过氧化程度和抗氧化酶活性的影响。结果表明，低温胁迫期间，ICE1基因的过量表达减轻了膜脂过氧化程度，保护了细胞膜系统；ICE1基因的过量表达可能通过减轻膜脂过氧化程度与调整抗氧化酶活性来增强转基因水稻的耐冷性[24]。

沈春修等将东乡野生稻（极强耐冷性）中低温诱导下的螺旋—环—螺旋结构域蛋白基因BGIOSGA013293－DX导入水稻受体品种93-11，获得了9株过表达转基因水稻植株，经潮霉素抗性标记基因PCR阳性检测和GUS检测，植株为阳性[25]。

陈能刚等分别用17.5℃和12℃恒温对孕穗期和开花期材料转ipt基因ey-105（鄂宜105）和组培苗（对照）各处理5 d，通过相对电导率、叶绿素含量、根系活力等生理指标的测定以及成熟后不同处理的粒重、单株产量、结实率等性状的观测，对转ipt基因ey-105与对照在低温下的耐冷性表现进行分析，并通过灰色关联度对不同的处理进行分析判断观测指标与单株产量的关系。结果表明，在孕穗期和开花期低温处理下，转ipt基因ey-105的相对电导率的变化量和叶绿体受低温的危害小于对照，而根系活力大于对照，对产量的影响则对照大于转ipt基因ey-105；在不同生育期的低温处理下电导率、根系活力、叶绿素a/b和百粒重对单株产量的影响较大[26]。

孙琦等通过RT-PCR的方法从水稻中克隆了受低温诱导上调表达的功能未知的C2H2型锌指结构域蛋白新基因，构建了其植物过表达载体，并通过农杆菌介导转入水稻基因组中，获得了其过表达转基因水稻株系，为进一步研究该基因的功能并探讨其在水稻耐冷分子育种中的应用价值奠定了基础[27]。

胡晓晨等通过对95份水稻种质资源进行苗期耐冷性鉴定，筛选出10份苗期耐冷（存活率≥60%）和9份冷敏感的材料（存活率为零），并对水稻冷胁迫响应基因OsSADMC进行了表达分析，发现对照和冷胁迫处理条件下该基因在耐冷品种中的表达量都显著高于冷敏感品种。对耐冷材料丽江新团黑谷和冷敏感材料IR29的基因编码区域进行了克隆和测序分析，在两个品种间鉴定了10个SNP位点，其中第749碱基处存在的一个碱基变异（C突变为T），从而使丝氨酸变为亮氨酸。根据其中一个SNP位点设计了OsSADMC的功能标记，该标记可以准确地鉴定出19份耐冷性不同水稻种质资源OsSADMC的基因型和耐冷性[12]。

4 耐冷性遗传

韩龙植等利用籼粳杂交后代探讨了水稻幼苗期耐冷性选择对主要农艺性状的影响，结果表明，在F2和F3代水稻幼苗期进行耐冷性选择对穗数并不产生显著的影响，但选择获得的幼苗期耐冷性强的F2个体群的孕穗期耐冷性（结实率）及F3系统群的分蘖期耐冷性（赤枯度）和孕穗期耐冷性（结实率）均显著强于随机个体群和冷敏系统群。提出在水稻幼苗期以叶赤枯度来选择幼苗期耐冷性强的个体是获得高产耐冷后代材料的有效途径[28]。

同时，韩龙植等以籼粳交“密阳23/吉冷1号”的F3系统群为试材，探讨了水稻芽期耐冷性遗传变异以及与其他耐冷性状的相关关系。结果表明，F3系统群的芽期耐冷性表现为近似正态的连续分布，是由多基因控制的数量性状。在自然低温或冷水处理下水稻幼苗生长能力、抽穗天数、穗抽出度、孕穗期耐冷性（低温下结实率）和成熟期综合耐冷性等性状均与芽期耐冷性有着密切的相关关系。根据芽期耐冷性强弱所选择的耐冷系统群在自然低温或冷水处理下幼苗生长能力、穗抽出度、孕穗期耐冷性和成熟期综合耐冷性均明显强于冷敏系统群和选择前F3系统群。通过对籼粳交低世代芽期耐冷性的严格选择，可以间接获得幼苗低温生长能力、孕穗期耐冷性和成熟期综合耐冷性较强的系统[13]。

选择耐冷品种是防御冷害最为有效的方法之一。李亚非等利用人工低温气候室，采用15℃、17℃、19℃ 3种胁迫温度，4 d和6 d 2种胁迫时间，3×2交互式设计的方法，对来自黑龙江、吉林、辽宁和云南的12份粳稻种质进行了孕穗期耐冷性强度的研究。结果表明，在15℃/6 d胁迫下，供试品种平均空壳率的方差和变异系数达到最大，该胁迫强度可被选用于孕穗期强耐冷种质的筛选[29]。姜丽霞等研究表明，品种的冷积温与空壳率存在显著的相关关系（P＜0.01），随着冷积温的增加，水稻空壳率明显升高，但品种间的增幅不同[30]。

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（责任编辑：李明）

Review of Japonica Rice Cold-resisting Breeding

SUN Wei,ZANG Jia-xiang,CHEN Bin-bin,DU Jin-ling
(Rice Research Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences,Jiamusi Heilongjiang 154007,China)

Cold is an extremely important limiting factor for the production of japonica rice in cold regions.To culture a cold-resisting breed is the fundamental means to defense the cold.This paper reviews the current research status of cold-resisting breeding from the discovery of the resources of cold-resisting rice,the cold-resisting gene mapping,the transgenosis of relevant genes,the heredity of cold-resistance and so forth to lay the foundation for cold-resisting breeding.

Japonica rice in cold region;Cold-resisting breeding;Research progress

S511.034 文献标志码：A 文章编号：1673－6737（2016）06－0050－04

国家公益性行业（农业）科研专项（201403002-2-3），黑龙江省应用技术与开发计划项目（GA1 38101），“黑龙江粳稻春玉米大面积均衡增产技术集成研究与示范”子课题（2012BAD04B01-01-04）。

2016-02-18

孙伟（1983-），女，硕士，助理研究员，从事水稻遗传育种研究。