智能育种工厂在多倍体水稻育种中的应用

隗志松，舒园园，蔡得田，刘育华，王庆飞，王 群，马雪寒

（武汉多倍体生物科技有限公司，武汉 430300）

水稻（Oryza sativaL.）是一种重要的粮食作物，世界上大概50%以上人口以大米为主食，如中国、印度、巴基斯坦等［1］。多倍体水稻的研究国际上可以追溯至1937年［2］，中国的多倍体水稻育种研究由鲍文奎先生于1953年开创［3］。多倍体水稻育种是不同于二倍体水稻育种的一种新型育种途径，多倍体植物对环境的适应性强，抗旱、抗寒等优势明显，仅从地理分布上看，多倍体大多出现在环境变化剧烈的地区，说明多倍体植物能够更好地适应不利自然条件［4-6］。虽然一些相关研究取得了进展，但是多倍体水稻结实率低的问题仍没有得到实质性突破。多倍体水稻具备增产潜力大和抗逆性强的优势，但结实率低一直制约着其发展。因多倍化伴随着基因剂量的成倍增加，减数分裂的控制机制变得异常复杂，导致水稻花粉发育模式和种子早期发育的改变，绝大多数多倍体水稻花粉严重败育且结实率低，制约多倍体水稻育种研究的发展进程。多倍体水稻关键种质减数分裂稳定品系PMeS的成功选育为多倍体水稻育种提供了种质，同时也突破了多倍体水稻低结实的瓶颈［7］。

蔡得田教授与袁隆平院士、卢兴桂研究员得益于自然界的重要启示，共同提出了“利用远缘杂交和多倍体双重优势选育超级稻”的新思路［4］。该育种思路与常规育种相比具备远缘杂种和多倍体杂种的双重优势，理论上可以带来产量的大幅增加。多倍体水稻关键种质减数分裂稳定品系PMeS的成功选育是多倍体水稻育种过程中的重要突破，为多倍体水稻育种提供了关键种质。但目前，关于其高结实机制的研究还有待进一步深入开展，解析关键种质PMeS的高结实特性，选育优良的高结实多倍体水稻品系，并将其运用于育种实践是使多倍体水稻造福于人类的根本性育种策略。

多倍体水稻育种经过多年的科研积累已经取得了一系列的成果，如湖北省重大科技成果（EK040192）和十余项发明专利。水稻远缘杂交和多倍化后染色体数目成倍增加，遗传背景复杂且基因重组类型多，性状稳定慢，育种年限拉长，因此迫切需要利用现代细胞工程、基因工程等技术的协同攻关［8，9］。智能育种工厂可以模拟大自然环境，缩短水稻的基本营养生长时间，使其快速进入生殖生长阶段，在室内进行全生育期的加代快繁，改变目前包括南繁在内的一年只能繁殖两代的育种现状。在智能育种工厂里能实现从种子到种子，每年可实现3～4代的快速繁殖，缩短育种周期；并在单倍体快速加代稳定的同时，结合基因芯片进行基因检测、靶向定位、高通量分子标记等高科技育种辅助手段，在智能育种工厂里淘汰含不良性状的单株，保留含优良性状的单株移栽到大田进行扩繁和鉴定，最终选育出符合育种目标的品种。

为了加快多倍体水稻的育种进程，武汉多倍体生物科技有限公司于2019年初新建了多倍体水稻全生育期智能育种工厂（PGBS），承建单位为武汉双绿源创芯科技研究院有限公司，并于同年6月正式投入使用。经近2年的使用，育种工厂主要作用于加代快繁、组织培养、抗性改良等几个方面。多倍体水稻育种不同于二倍体水稻，四倍体水稻有四套染色体组，因其遗传与分离的复杂性，需要长时间才能稳定。在自然条件下一年两代的繁殖速度远不能满足多倍体水稻的育种需求，而在智能育种工厂里一年3～4代的繁殖速度加快了多倍体水稻的育种进程；优异种质资源是多倍体水稻育种的基础，在利用组培技术创制多倍体水稻种质资源过程中倍性检测是必不可少的重要环节，利用智能育种工厂进行多倍体水稻的形态学检测可免受气候及区域的限制；另外，在多倍体水稻材料的杂交改良、分子辅助选择育种以及四倍体恢复二倍体水稻的培养中智能育种工厂都有重要作用。多倍体水稻全生育期智能育种工厂的合理应用势必加快多倍体水稻的育种进程。

1 智能育种工厂的基础设备

智能育种工厂的LED灯光可以对光谱进行精准的控制，模拟自然光。依据三色调色原理，通过LED光源阵列进行不同光谱的混合，模拟出不同的光谱，满足不同植物的生长需求。智能育种工厂的LED植物光照系统的光照度可以达到1 800μmol/（m2·s）（光量子通量密度），能够满足几乎所有植物生长的需求［夏季光照度一般为1 800μmol/（m2·s）左右，中午为2 550μmol/（m2·s）左右］。LED灯光属于冷光源，其释放的热量比高压钠灯少很多，可以在很小的空间范围内实现温度的精准控制。LED灯光使用寿命长，光衰慢，使用5年都不需要更换，且光强几乎不会减弱。

智能育种工厂可以实现精准的环境控制：智能育种工厂通过中央控制系统对环境做到精准控制；控制器通过采集传感器信号和设定值进行比对，通过PID+PWM输出自动调节加热功率或制冷剂流量，使设备箱内的空气温湿度达到动态平衡；可以按照用户的需求设计温度和湿度的控制范围，温度控制精度为±1℃，湿度控制精度为±5%～8%（RH）。采用暗藏式空气处理机组，设计采用管道分区域定点送回风方式，可以保证各区域的温湿度同时达到所设定参数，并且升降温过程平稳，无明显过冲现象。模拟自然界温湿度变化，气流分布均匀，温湿度场合理。新风和循环风同时并行，既保证足量的新风和CO2浓度，又可以循环利用，节约能源。智能控制系统有温湿度、光照等参数实时数据显示功能，为了保证历史数据安全性，该系统具有历史数据储存功能，同时能通过USB接口将历史数据导出，可保存半年的相关试验数据，便于追溯和重复。

目前，中国农业科学院、中国科技大学以及航天登月工程中，利用智能育种工厂在密封的空间培育出各种蔬菜。研究者可以利用智能育种工厂辅助选育出符合生产应用的优良水稻品种进行推广，为农民和国家增收、增益。

2 智能育种工厂在多倍体水稻加代快繁中的应用

在二倍体水稻的育种过程中，需要5～8代的系统选育，选育品种才会趋于稳定［10，11］。四倍体水稻有四套染色体，因其遗传与分离的复杂性，其难以像二倍体水稻那样经过几年的加代即可基本稳定，往往需要种植几十代才能稳定［12］。受自然条件限制，在湖北省农作物每年只能种植一代，多倍体水稻新品种的选育周期长，南繁即使一年两代的种植对于多倍体水稻的育种进程来说都是缓慢的，全生育期水稻智能育种工厂的建设正好解决了该问题［13］。智能育种工厂通过对光谱、光照度、光照时长、温度、湿度、CO2浓度的调节，从而能缩短水稻的整个生长周期。

2.1 智能育种工厂二倍体和四倍体水稻全生育期比较

2.1.1 试验材料 试验品种（品系）：二倍体籼稻有丰两优四号、野香优莉丝、Y两优多回14；二倍体粳稻有南粳46、龙粳31、RBD-1；四倍体籼稻有A3、T7、17HD391；四倍体籼稻有DBT01、DBT02、DBT03。

2.1.2 试验方法

1）自播种开始前20 d为长日照处理。光照处理12 h，温度32℃，湿度70%，CO2浓度450 cm2/m3；暗处理12 h，温度27℃，湿度50%，CO2浓度350 cm2/m3。

2）第21天至成熟为短日照处理。光照处理10 h，温度32℃，湿度60%，CO2浓度450 cm2/m3；暗处理14 h，温度27℃，湿度40%，CO2浓度350 cm2/m3。

3）播种后一个月施肥一次。试验所使用的为32孔穴盘，每穴盘施10 g水溶肥。水溶肥的成分及含量为N 20%、P 10%、K 20%、Cu 0.05%、Zn 0.1%、Fe 0.1%、Mn 0.1%。全生育过程保证穴盘不缺水。

2.1.3 结果与分析 表1为水稻品种（品系）在智能育种工厂与田间种植的全生育期比较。从表1可以看出，在智能育种工厂里种植的水稻全生育期相对于田间种植都有明显缩短，缩短幅度在1.4%～38.0%；如果按照智能育种工厂中的水稻全生育期计算，理论上可以实现一年3～4代的快繁体系建设，而且粳稻的效果好于籼稻。

表1 水稻品种（品系）在智能育种工厂与田间种植的全生育期比较

2.2 智能育种工厂在多倍体水稻组织培养中的应用

2.2.1 形态学倍性鉴定 多倍体水稻种质资源的创制是多倍体水稻育种的物质基础，而倍性的鉴定在多倍体水稻新型种质资源的创制中是一个必不可少的环节。二倍体水稻经过诱导愈伤、加倍培养、恢复培养、分化出苗、生根等一系列的试验过程创制出的组培苗是否被成功诱导为四倍体水稻，倍性的鉴定是关键一步。当季节不适宜水稻的生长时，可以将组培苗移栽至智能育种工厂里进行形态学的鉴定，并收获加倍成功的多倍体水稻种子。图1为编号2020wzm组培加倍苗在智能育种工厂里的形态鉴定情况。二倍体水稻在组培加倍后得到的同源（亚同源）四倍体水稻结实率降低、子粒增大、有芒，植株较二倍体更高、茎秆更粗、分蘖降低、株形松散。

图1 2020wzm组培加倍苗形态学鉴定结果

2.2.2 花药组织培养 利用水稻花药培养可以实现单倍体育种，也可以尝试利用秋水仙素两次加倍的方法快速得到纯合的四倍体水稻［14］。水稻的花药培养，取材是关键，既要保持花药新鲜，又要取材时期恰当。武汉市当地一年一季的水稻种植限制了花药组织培养的试验进程。在智能育种工厂内可以实现一年3～4次的试验取材，且取材方便，加快了试验进度。图2为从智能育种工厂取材的花药组培。

2.2.3 杂种胚挽救 杂交是常用的一种水稻育种手段，水稻有很多杂种因胚乳未发育完全以至需要胚挽救；利用普通的浸种方法难以出苗，四倍体水稻杂种更是如此，利用组织培养进行胚挽救可以很好地解决这一问题。因水稻的杂种有很多褶皱的部分，在组培中很难消毒彻底，这时会存在染菌风险，长出的幼苗一但染菌必须及时处理，这时只有一种方法就是杀菌后进行移栽。胚挽救的苗因内生菌的问题导致移栽的苗一般都很弱小，移栽到田间很难做到精细化管理，而在智能育种工厂中则可以进行精细化的水肥管理，待苗长茁壮后再移至田间，增加胚挽救苗的成活率；若自然条件不适宜时也可直接在智能育种工厂里种植至成熟。

图3 胚挽救苗

2.3 智能育种工厂在多倍体水稻抗性改良中的应用

现有多倍体水稻种质有限，尤其在抗性、品质等方面的优异资源匮乏，已严重影响了多倍体水稻育种的进一步发展，所以急需大力创制优质、抗病的多倍体水稻种质资源［15］。2019—2020年利用组培技术结合武汉双绿源创芯科技研究院有限公司的GSR40K水稻高密度全基因组SNP芯片在智能育种工厂里创制并改良了含稻瘟病抗性基因的高结实四倍体水稻株系。图4为含稻瘟病抗性基因的高结实率四倍体改良过程，其中2次苗期取叶片进行稻瘟病抗性筛选的过程均在育种工厂内进行，筛选后将含有抗性基因的幼苗移至大田进行选种；杂交试验也在智能育种工厂中完成。

图4 含稻瘟病抗性基因的高结实率四倍体改良过程

表2为稻瘟病抗性基因的筛选结果。从表2中可以看出，SYY1、SYY2、SYY3、SYY4、SYY5、SYY6、SYY7、SYY9、SYY10均含有Pia抗性位点；在Xa21抗性位点上，其核心区域的基因型和代表品种一致，核心区域下游35 kb范围内发生了重组，其抗性有待进一步验证；SYY8含有Pia及Pi d 3抗性位点；SYY143-1、SYY143-2含有Pi2、Pi5及Xa21抗性位点；SYY416-1、SYY416-2含有Pi2、Pi 5、Pia及Pi t a抗性位点，在X a21抗性位点上，其核心区域的基因型和代表品种一致，核心区域下游60 kb范围内发生了重组，其抗性有待进一步验证。

表2 利用基因芯片进行稻瘟病抗性基因的筛选结果

3 小结

自育种工厂建成投入使用至今，进行了大量试验，结果表明，在全生育期智能育种工厂内可实现一年3～4代的从种子到种子水稻加代快繁体系建设；可以正确地进行多倍体水稻加倍苗的倍性形态学鉴定；可以一年反复多次进行水稻幼穗和花药组培试验取材工作；可以在育种工厂内实现杂交育种，并大大增加胚挽救苗成活率；可以辅助完成优质、高抗的高结实四倍体水稻新材料的创制及改良工作等。多倍体水稻全生育期智能育种工厂的建设可以加快多倍体水稻的育种进程。