节水抗旱稻显性核不育轮回选择群体构建与种质创新

张安宁,王飞名,罗星星,刘 毅,张分云,刘国兰,余新桥,罗利军

(上海市农业生物基因中心,上海 201106)

节水抗旱稻是既具有水稻高产优质特性,又具有旱稻节水抗旱特性的栽培稻新类型。在灌溉条件下,其产量、米质与水稻基本持平,但可节水50%以上;在望天田具有较好地抵抗干旱的能力(或基本具有旱稻品种的抗旱能力)。在栽培上,简单易行,投入低,节能环保[1]。目前,节水抗旱稻已在安徽、湖南、湖北、江西、浙江、广西等地大面积推广[2-4]。2016年,节水抗旱稻术语(NY∕T 2862—2015)和节水抗旱稻抗旱性鉴定技术规范(NY∕T 2863—2015)等农业行业标准的实施为节水抗旱稻持续有序发展提供有力支撑。

节水抗旱稻新品种的选育,不但要保持其抗旱性好的特点,还需进一步扩大遗传背景,提高抗病虫害能力、稻米食味品质、产量潜力等。在现有节水抗旱稻亲本的遗传基础上,导入水稻品种的高产、优质、抗病虫等优良性状,将是今后节水抗旱稻品种改良的主要方向[5]。然而,抗旱、高产、优质和抗病虫等是复杂的数量性状,由许多微效基因控制,并且这些性状表型鉴定困难。利用常规育种方法,需要进行大量的杂交和回交及多年多点的表型鉴定,工作量大、效率低。

2010年上海市农业生物基因中心从三明市农业科学研究所引进水稻显性核不育材料,开展节水抗旱稻轮回选择种质创新的研究。根据不同育种目标,建立了不同类型的轮回选择群体,拓宽了节水抗旱稻遗传基础,获得了一批综合性状优良的节水抗旱稻新种质。

1 轮回选择在水稻育种中的应用

水稻是典型的自花授粉作物,通过人工去雄进行杂交育种是水稻品种选育的主要方法。受人工杂交技术和育种周期的限制,育种过程中往往仅利用少数亲本进行杂交。虽然可以快速实现短期育种目标,但易导致育成品种遗传基础狭窄,市场上品种同质化严重。生产上对水稻的产量、米质、抗病虫、抗旱和轻简化栽培等都有新的要求,水稻育种目标在不断变化,传统的育种方法已很难满足农业生产的需要,因而打破常规寻求新的育种途径势在必行。

轮回选择是一种周期性的群体改良方法,通过“选择-重组-再选择-再重组”的循环过程,群体内的有利基因频率逐步增加,可达到改善群体内目标性状的目的。作物育种实践证明,轮回选择是作物群体改良和种质创新最有效的方法,尤其适用于同时进行多个复杂农艺性状的改良。1919年,Hayes和Garber提出了轮回选择的设想,随后在异花授粉作物尤其是玉米的群体改良育种中获得了巨大成功[6]。

水稻轮回选择育种的探索始于不育材料的发现,借助核不育基因在水稻中进行轮回选择育种,可创制出许多优良品种和育种中间材料[7-8]。相较于隐形核不育材料,显性核不育材料创制的轮回选择群体中不育株比例更高,有利于群体内异花授粉,提高育种效率。水稻中已有5份显性核不育材料被用于轮回选择育种之中,包括萍乡显性核不育、低温敏显性核不育、三明显性核不育、‘浙9248’突变体M1和‘Orion’突变体1783[9]。其中,萍乡显性核不育水稻在30℃以上可育,低温敏显性核不育水稻8987在26℃以上可育,育性受温度影响。黄显波等[10]在田间发现的不育株S211为无花粉型,其后代不育株与可育株1∶1分离,育性受1对显性核基因控制且不受温度和光照影响,后命名为“三明显性核不育”材料。该显性核不育材料是进行轮回选择的理想种质,可用于建立高效轮回选择育种群体,整体提高现有品种的抗性、品质、产量水平[11]。

2 基于节水抗旱稻显性核不育系的轮回选择技术

以三明显性核不育材料为载体,构建包含节水抗旱稻和优良水稻品种的轮回选择群体。通过轮回选择让亲本的遗传基因进行广泛重组,在一定的选择压力下,既可利用多基因控制的加性效应创造出超亲优势,也能利用质量性状的重组获得聚合系,从而创制出高产、优质、多抗的节水抗旱新种质。

节水抗旱稻轮回选择群体构建的关键是创制节水抗旱显性核不育株系。其具体步骤如图1所示:

图1 节水抗旱稻轮回选择育种技术路线Fig.1 Recurrent selection breeding of WDR

(1)以水稻显性核不育材料为母本,节水抗旱稻核心亲本为父本进行杂交并回交5次以上,以获得节水抗旱稻显性核不育株系。

(2)以步骤(1)中的节水抗旱稻显性核不育株系为母本,以具有优良性状的15—30株水稻和节水抗旱稻为父本,杂交获得F1种子。

(3)将步骤(2)中的F1种子等量混合种植,抽穗期辅助授粉,成熟期收获农艺性状优良不育株上的种子,获得第一轮轮回选择群体。

(4)将步骤(3)中第一轮轮回选择群体在旱地种植,全生育期依靠自然降雨,不进行人工灌溉。抽穗期进行人工隔离和辅助授粉,成熟期收获优良不育株上的种子,获得第二轮轮回选择群体。

(5)重复步骤(4),可得到第3轮至第n轮轮回选择群体。轮回选择群体在高盐、高碱、稻瘟病、白叶枯、褐飞虱、低氮和低磷等环境条件下筛选。并根据育种需求,在轮回选择群体中添加具有目标性状的亲本。

(6)在步骤(5)所得群体中,挑选符合育种目标的可育单株,进入常规育种程序。

3 节水抗旱稻显性核不育轮回选择群体的构建

2010年,笔者从三明市农业科学研究所引进显性核不育系,分别与籼型节水抗旱稻优良恢复系旱恢3号和籼型常规节水抗旱稻‘沪旱15’杂交并多次回交,选育出旱恢3号显性核不育株系和‘沪旱15’显性核不育株系。这两个株系其他农艺性状与轮回亲本基本一致。利用这两个不育株系分别构建轮回选择群体。

3.1 籼型恢复系轮回选择群体

(1)2012年上海夏季,以节水抗旱稻旱恢3号显性核不育株系为母本,以‘75-1-127’(Pi9)、‘IRBB21’(Xa21)、‘CBB23’(Xa23)、‘S2041’(Pi2、xa5、Xa23)、旱恢12、旱恢15、旱恢37、旱恢49、旱恢57、辐恢838、明恢86、明恢63、‘华占’、成恢727、闽恢3301、‘CR66’、宜恢、‘H570’、‘黄华占’、华恢305和‘E1573’等具有优良性状的水稻和节水抗旱稻育种材料为父本,杂交获得F1种子。

(2)2013年海南春季,将F1种子等量混合种植,抽穗期人工隔离并辅助授粉,成熟期收获不育株上的种子,获得第一轮轮回选择群体。

(3)2013年上海夏季,将第一轮轮回选择群体在旱地种植,全生育期依靠自然降雨,不进行人工灌溉。抽穗期人工隔离并辅助授粉,成熟期收获优良不育株上的种子,获得第二轮轮回选择群体。

(4)2014—2016年上海和海南,重复步骤(3),得到第3—第n次轮轮回选择群体。轮回选择群体在干旱、稻瘟病、白叶枯和褐飞虱等环境条件下筛选。

(5)从第4次轮回选择群体开始,在群体中挑选农艺性状优良且抗旱的可育单株,加代自交以获得纯合稳定株系。

3.2 籼型常规稻轮回选择群体

2012年上海夏季,以节水抗旱稻‘沪旱15’显性核不育材料为母本,以‘绿旱1号’‘鄂中5号’‘黄华占’‘Basmati’‘美香占’‘NETMAT’‘油占8号’‘SAGC04’‘中组14’‘粤晶丝苗’‘黄丝占’‘中华1号’‘泰澳丝苗’‘黄丝桂占’‘茉莉新占’‘五山丝苗’‘桂育9号’‘桂禾丰’‘玉香占’‘科育08’‘粤晶丝苗2号’和‘粤禾丝苗’等具有优良性状的水稻育种材料为父本,杂交获得F1种子;后续籼型常规稻轮回选择群体构建步骤同3.1部分(2)—(5)。

4 节水抗旱稻显性核不育轮回选择的关键技术

亲本选择至关重要。节水抗旱稻轮回选择涉及的亲本较多,既包括已选育的节水抗旱稻核心亲本,还包括具有高产、优质、抗病虫的优良水稻品种。选配亲本时必须兼顾主要性状互补,具体包括一般配合力、产量、抗病虫性、抗逆性、生态适应性、稻米品质等。根据育种实际需求,随时在轮回选择群体中添加具有目标性状的亲本,当群体遗传多样性指数显著下降时,需要调整选择压力,保证轮回选择群体的动态更新,持续分离重组出优良单株。

不育株的选择是关键。轮回选择群体中不育株的选择影响轮回选择群体中优良基因频率,关乎下一轮群体的组成。不育株上异交结实的种子构成下一轮轮回选择群体,因此,不育株的选择于轮回选择群体的各个世代进行。在群体抽穗前,广泛标记优良的不育株。在收获前,根据育种目标,在标记的优良不育株中,挑选异交结实的不育株留种,同时注意选择不同类型的不育株,以提高群体的遗传多样性。

选择压力的高低直接影响群体的遗传构成。以种质创新为目的的轮回选择,其选择压力要与目标性状遗传变异规律相结合,避免优异基因型的丢失并保持群体的遗传变异水平。对于多基因控制的数量性状,如抗旱性、耐盐碱、产量、株型等,在前期选择时应适当降低选择压力,使微效基因充分重组,但随着轮回选择次数增加,选择压力应逐步加大。对于质量性状,如稻瘟病抗性、白叶枯病抗性、褐飞虱抗性、粒型、生育期等,在选择时应适当提高选择压力,缩小群体规模,降低育种成本。

可育株的选择。构建节水抗旱稻轮回选择群体的目的是通过亲本之间广泛的遗传重组,提高获得符合育种目标可育单株的效率。由于第1—3轮轮回选择群体内未进行广泛的遗传重组,群体内的可育单株不需留种。但第4次轮回选择后,轮回选择群体内的可育单株需进行严格选择,入选的可育株混合播种,后期选株系进行鉴定。

5 节水抗旱稻轮回选择的育种成效与展望

笔者利用显性核不育轮回选择方法创建了籼型恢复系、籼型常规稻和粳型常规稻等节水抗旱稻轮回选择群体。群体内优良基因频率大幅提高,轮回选择群体的整体抗旱性、抗病性和产量逐年提高。同时,按系谱育种方法构建节水抗旱稻轮回选择可育株选种圃,获得具有节水抗旱、耐盐碱、抗稻瘟病、抗白叶枯病等特性的优良育种材料14份(表1),拓展了节水抗旱稻种质资源,可为新品种的选育提供坚实的材料基础。

表1 节水抗旱稻轮回选择育种创制的优异种质Table 1 New germplasm accessions developed by the recurrent selection breeding of WDR

优良恢复系旱恢780具有节水抗旱、茎秆粗壮、抗稻瘟病、杂种优势强等特性。为分析旱恢780的系谱组成,对整个基因组进行区间划分,每个区间大小100 kb,共3 648个区间,通过计算每个区间与12份亲本的相似性程度,推测材料中每个染色体片段的来源,重构旱恢780的伪系谱,结果见图2。旱恢780具有多个亲本的染色体片段,但大部分来源于旱恢3号和旱恢9号。

图2 旱恢780中来自不同亲本的染色体片段分布图Fig.2 Schematic diagram of chromosomal fragments of Hanhui 780 putatively contributed by different parental lines

节水抗旱稻三系不育系沪旱7A与旱恢780配制的杂交组合‘旱优780’于2018年通过上海市品种审定(沪审稻2018009)。该组合在上海作单季稻种植,全生育期121.2 d,株高118.6 cm,穗长23.5 cm,有效穗数225万穗∕hm2,每穗总粒数184.7粒,结实率82.0%,千粒重27.9 g。稻瘟病综合指数为4.9,抗旱性达2级。两年区试平均产量比对照增产4.3%。

优质常规稻‘沪旱明轮1号’具有节水抗旱、优质、抗稻瘟病、抗倒伏等特性。该品种抗旱性为2级,稻米品质达优质二等,其中,糙米率78.3%,精米率68.4%,整精米率55%,粒长7.0 mm,长宽比3.9,垩白粒率3%,垩白度0.8,直链淀粉16.5%,胶稠度84 mm,碱消值6.0,透明度1级,有香味。

显性核不育轮回选择育种在节水抗旱稻遗传育种上有着广阔的应用前景。首先,节水抗旱稻轮回选择群体的建立,可省去人工去雄所需的人力和物力,且能获得大量的杂交组合。其次,根据育种目标,可以随时添加亲本,建立一个动态且广泛重组的基因库,不断拓展群体的遗传基础,保持丰富的遗传多样性,为育种提供源源不断的优良材料。同时,利用轮回选择育种技术与分子标记辅助选择技术,在导入抗稻瘟病、白叶枯病、褐飞虱和条纹叶枯病等目标基因过程中,建立高效便捷的分子育种体系。利用轮回选择不断进行抗旱、耐盐碱和养分高效利用等复杂性状的交叉筛选,通过基因累加聚合,创制具有重要应用前景的高产优质、节水抗旱、氮磷高效等绿色性状的新种质,为今后选育节水抗旱稻突破性品种奠定基础。

致谢:三明市农业科学研究所黄显波研究员提供的“三明显性不育”材料是构建节水抗旱稻轮回选择群体的基础,在此对黄显波研究员的馈赠表示诚挚谢意。