基于分子标记辅助选择的优质、高产、抗稻瘟病水稻新品种育种综述

宋云生，于雅洁，曹鹏辉，袁彩勇

（江苏太湖地区农业科学研究所，江苏 苏州 215000）

0 引言

水稻作为全球最重要的粮食作物之一，对人类的生存和发展具有极其重要的意义［1-2］。然而，水稻生产过程中受到各种病害和虫害的威胁［3-4］，极大地影响了水稻的产量和品质。同时，随着人口的增加和人们对稻米品质和食品安全的要求不断提高［5-6］，培育出优质、高产、抗病、抗虫的水稻新品种已成为当今水稻育种领域的重要研究方向［7-10］。

传统的水稻育种主要是通过选育具有良好性状的材料，再进行复交或者自交等传统方法，逐步筛选出优异的新品种。这种方法虽然历史悠久且经验丰富，但存在着一些问题［11］，如缺乏有效筛选手段，对于分子水平上的基因表达和遗传规律无法深入探究，而且存在育种周期长、效率低、难以鉴别基因型等问题，无法满足现代农业发展的需要。因此，随着分子生物学和基因组学技术的快速发展，分子标记辅助选择的育种(Molecular Markerassisted Selection, MAS)技术应运而生［12-13］，利用DNA分子标记辅助育种，不仅可以快速、准确地鉴定基因型，提高育种效率，而且还可以实现对多基因聚合选育，从而为水稻育种提供了新的思路和方法。

本文重点综述了基于分子标记辅助选择技术进行优质、高产、抗稻瘟病水稻品种育种的研究进展，从分子标记的开发、数据库的构建，到聚合抗性基因的策略及实现方式，探讨了分子标记辅助选择技术在水稻育种中的应用前景。

1 水稻分子标记的开发与构建

随着基因组学和生物技术的迅猛发展，分子标记辅助选择育种［14-15］已成为当前水稻育种领域中备受关注的研究内容。分子标记作为一种特异性强、可重复性好、检测精度高的分子工具，在水稻育种中具有广泛的应用前景，开发并构建水稻分子标记数据库是进行分子标记辅助选择育种的前提和基础。

1.1 水稻分子标记的开发方法及验证

在水稻分子标记的开发方面，早期采用了多态性DNA随机扩增RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA)和扩增片段长度多态性AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism)等［16-17］无须先验序列的随机扫描DNA技术，但由于其数据生成及分析过程存在不确定性，容易产生假阳性结果，因而逐渐被简单序列重复SSR(Simple Sequence Repeat)和单核苷酸多态性标记SNP(Single Nucleotide Polymorphism)等［18-19］遗传标记代替。目前，在水稻育种中应用较多的分子标记类型见表1，主要用于水稻的遗传图谱构建、基因定位和品种鉴定等方面，这些分子标记为水稻育种的高效性和精准性提供了强有力的技术支持。

表1 不同类型分子标记在水稻育种中的应用比较

其中，SSR分子标记因其重复序列长度短、易扩增、多态性高、信息含量丰富等优点而成为水稻分子标记的主要类型之一。Ngernmuen等［20］基于计算机模拟开发方法，在稻瘟病参考基因组中检查了11072个SSR位点，鉴定了14个高度多态性的SSR位点，每个位点有2～7个等位基因，PIC值为0.07～0.56，可以有效地用于水稻遗传图谱构建和分子标记辅助育种。

另外，SNP分子标记作为一种高效、准确的遗传标记，在水稻分子标记的开发和应用中也备受关注。崔傲［21］对江苏地区11个具有代表性的粳稻品种进行了10X测序研究，成功筛选出681个品种间SNP位点；通过利用3000份水稻品种的重测序信息，又筛选出江苏粳稻7179个品种间SNP位点，为水稻优质、高产、抗稻瘟病分子标记的筛选和应用提供了强有力的支撑。卿冬进等［22］根据Pi1与Piks、Pikh、Pikm、Pikp、Pik、Pi7基因序列之间的SNP，开发了荧光分子标记，并利用其对94份水稻亲本材料进行检测，验证了分子标记的准确性。

1.2 构建水稻分子标记数据库

在构建水稻分子标记数据库方面，近年来，也涌现了许多新的研究成果，国内外多个研究机构均已开发出包括SSR、SNP等多种类型标记的水稻分子标记数据库。（1）Gramene［23］作为一个综合性植物基因组数据库，包括了许多植物物种的基因组信息和生物学数据，其中也包括了水稻的基因组数据和分子标记信息；（2）RiceVarMap［24］是一个基于高通量测序数据的水稻遗传变异数据库，提供了大量的水稻遗传变异位点和相应的分子标记信息；（3）Oryzabase［25］是一个专门针对水稻的生物数据库，包含了大量的水稻基因组和表型数据，同时也包括了许多水稻分子标记信息；（4）RGAP(Rice Genome Annotation Project)［26］作为一个全面的水稻基因组注释项目，提供了大量的水稻基因和分子标记信息。以上数据库不仅收集了大量的水稻分子标记资源，而且提供了许多数据查询和分析工具，为水稻优质、高产、抗稻瘟病育种提供了丰富的基础信息和技术支持。

除了现有的水稻分子标记数据库外，近年来还出现了一些新的研究方向。如利用比较基因组学的方法［27-28］，对水稻与其他禾本科植物进行比较分析，探索其共性和差异，为水稻分子标记的开发奠定更深入的理论基础；同时，利用单细胞测序技术［29-30］对水稻体内各类细胞的转录组和表观遗传特征进行分析，可以在更高的分辨率上获取水稻基因表达和调控信息，为分子标记的开发和选择提供更准确的依据。

总之，水稻分子标记的开发和构建是分子标记辅助选择育种技术的基础，随着技术的不断进步和研究的深入，水稻分子标记数据库将变得越来越全面、精准、高效，从而可以为水稻优质、高产、抗稻瘟病新品种的育种提供更可靠的技术支持。

2 基于分子标记辅助选择的水稻新品种育种技术体系

2.1 基本原理和技术路线

在分子标记辅助选择育种技术体系中［31-32］，首先要开发并构建水稻分子标记数据库，并利用分子标记对目标性状的遗传基础进行深入的研究。在对目标性状的遗传特点有了比较全面、深入的了解后，可以筛选出具有优良性状和含有目标抗性基因的亲本材料，使用常规育种技术(如杂交、回交、聚合杂交、自交等)进行组配制种。通过分子标记检测，筛选出带有目标抗性基因的单株，然后继续进行回交，直到获得同时具备优良性状和抗性基因的新品种［33-34］。许多研究机构开始将分子标记辅助选择技术与常规育种技术相结合，研究开发具有优良性状和抗性基因的水稻新品种。中国科学院遗传与发育生物学研究所开展的水稻分子育种项目，利用分子标记辅助选择技术成功地培育了多个优质、高产、抗病性强的新品种［35］。中国水稻研究所也在水稻分子育种方面取得了一系列重要的研究进展［36］。

2.2 聚合抗性基因的策略及实现方式

在聚合抗性基因的实际应用中，除了利用单一抗性基因外，还可以利用多个抗性基因的聚合来提高新品种的抗病能力［37］，这种策略通常被称为“多基因抗性”。在实现多基因抗性方面，分子标记辅助选择育种技术起到了重要作用，一个典型的例子是水稻的4个BB-R基因即Xa4、xa5、xa13、Xa21的聚合［38］，这种方法可以有效地提高水稻对稻瘟病的抗性，并确保水稻的产量和品质。通过分析目标抗性基因的遗传特点，开发相应的分子标记，并利用PCR等技术进行检测，可以快速地筛选出带有目标抗性基因的单株，从而实现快速聚合抗性基因的目标。蔡跃等［39］将具有高抗病性的Pigm、Pi33基因以及Xa21、Xa23基因导入到扬稻6号品种中，通过基因聚合创制了性状优良且包含所有4个抗性基因的优良株系R156，可作为水稻优质、高产、抗稻瘟病分子育种的核心种质。

近年来，随着NGS(Next Generation Sequencing)技术的广泛应用，新的分子标记开发方法也不断涌现。例如，利用全基因组重测序数据，结合生物信息学分析方法，可以大规模地挖掘水稻抗性基因和分子标记，实现对复杂性状的高效、快速分析和育种［40-41］。

3 分子标记辅助选择技术在水稻新品种选育中的应用研究进展

3.1 抗稻瘟病的水稻新品种选育

稻瘟病是水稻最为致命的病害之一，对提高水稻产量和品质构成了严重威胁。因此，开发抗稻瘟病的水稻新品种一直是水稻育种的重要目标。在分子标记辅助选择育种技术的帮助下，许多研究者已经成功地选育出了一些具有优良性状和抗稻瘟病特性的水稻新品种［42-43］。

例如，中国水稻研究所的董俊杰等［44］利用SSR分子标记对不同来源的水稻材料进行了遗传多样性分析，并筛选出一批具有稻瘟病抗性的单株，通过连续回交和分子标记辅助选择，最终选育出了一系列抗稻瘟病的水稻新品种。这些新品种不仅具有较高的产量和优良的品质，而且能够有效地抵御稻瘟病。类似的研究还有很多，如江苏里下河地区农业科学研究所等［45-47］多个机构的相关研究均证明了分子标记辅助选择育种技术在抗稻瘟病水稻新品种选育中的重要作用。

3.2 优质、高产的水稻新品种选育

除了对稻瘟病的抗性外，培育优质、高产水稻也是水稻育种的重要目标。近年来，利用分子标记辅助选择技术筛选出多个具有优良性状的水稻新品种。国内研究者游佳等［48］利用SSR和SNP标记对超级稻杂交后代进行遗传分析，鉴定出多个对籼稻千粒重、粒长、粒宽和长宽比等重要农艺性状具有显著影响的数量性状基因，成功地选育出多个优质、高产的水稻新品种。江苏省农业科学院的陈涛等［49］通过分析不同水稻材料的分子标记，筛选出了一批具有高品质和高产量特性的单株，经过逐代选择和分子标记验证，最终成功地选育出了一系列优质、高产的水稻新品种。

3.3 其他抗性基因的引入及多基因聚合选育

除了抗稻瘟病和优质高产的应用外，还有其他的抗性基因也在分子标记辅助选择育种中得到应用。例如，利用QTL-seq技术，陈天晓等［50］对不同基因型的水稻材料进行了基因组关联分析，成功地鉴定出多个与水稻白叶枯病抗性相关的QTLs，为水稻白叶枯病抗性基因的分子标记辅助选择提供了理论依据。此外，赵鹏［51］利用多基因聚合技术，将不同来源的抗性基因导入目标亲本中，成功地选育出多个具有多种抗性基因的水稻新品种。

4 分子标记辅助选择技术在水稻育种中的应用前景

随着分子生物学和基因组学等技术的不断发展，分子标记辅助选择技术在水稻育种中的应用前景日益广阔。近年来，许多研究已经证明了这种技术在水稻新品种选育中的优越性，以下是一些具有代表性的研究进展。

4.1 加速常规育种进程

传统的水稻育种方法通常需要数年时间才能完成一个品种的选育，而利用分子标记辅助选择育种技术，可以大幅缩短选育周期。王志东等［52］利用分子标记辅助选择法，成功地从约800个候选杂交后代中筛选出了6株具有稻瘟病抗性的单株，并通过连续回交和自交获得了优质、高产、抗病水稻新品种。李孝琼等［53］利用分子标记鉴定水稻抗稻褐飞虱和抗稻瘟病的相关基因，成功选育出4份抗性新材料，仅用了2～3 a的时间，而如果采用传统育种方法可能需要8 a以上。

4.2 提高新品种的选育效率

分子标记辅助选择育种技术可以帮助筛选具有目标基因的育种材料，提高选育效率。在选育抗稻瘟病品种方面，许多研究已经证明，利用分子标记可以有效筛选出含有抗性基因的育种材料，并将其导入目标亲本，最终成功选育出具有高度稻瘟病抗性的新品种。杨瑰丽等［54］利用携带香味基因Badh2和抗稻瘟病基因Pita的“B39”作为供体亲本，利用分子标记开展连续回交育种，定向改良了“恒丰B”“广8B”的品质和抗性性状。

4.3 推动水稻育种技术的转型升级

传统的水稻育种方法存在很多局限性，而分子标记辅助选择育种技术可以弥补这些缺陷，并提高水稻育种的精准性和效率。此外，随着人们对水稻抗病、优质和高产等方面要求的不断提高，传统育种方法也已经无法满足需求。采用分子标记辅助选择育种技术可以更加精确地控制优良性状，推动水稻育种的转型升级。

综合来看，分子标记辅助选择育种技术在水稻育种中具有广泛的应用前景，可以加速常规育种进程，提高新品种的选育效率，推动水稻育种技术的转型升级。因此，如何更好地利用分子标记辅助选择育种技术来提高水稻质量、产量、抗稻瘟病性等问题值得探讨，但随着技术的不断发展和深入研究，相信这些问题将会获得有效解决。

5 结论与展望

分子标记辅助选择育种已经成为水稻育种领域的重要技术之一，在水稻新品种选育方面取得了显著成果。通过水稻分子标记的开发和构建，可以更加准确地鉴定和筛选出具有抗病、抗虫、优质和高产等多种性状的水稻新品种，为水稻育种提供了更为可靠的技术支持。同时，结合常规育种技术，采用聚合抗性基因的策略及实现方式，可以将抗性基因导入目标亲本，并建立多基因的高效、快速分离鉴定技术体系，实现优质、高产、多抗基因的快速聚合。

在过去几十年的水稻育种工作中，国内外众多研究机构都进行了大量的水稻分子标记辅助选择育种的研究，并不断地完善了相关的理论和技术体系。大量研究［55-58］已经证实分子标记辅助选择育种技术对于水稻新品种选育的重要性和优越性，为水稻育种领域的发展带来了新的机遇和挑战。

未来，随着分子生物学、基因组学和生物技术的不断发展，水稻分子标记辅助选择育种技术将会更加成熟和完善，主要表现在以下3个方面：(1)通过更深入的比较基因组学研究和单细胞测序技术的应用，可以进一步优化水稻分子标记的开发和构建，提高其在水稻新品种选育中的精准度和效率；(2)结合CRISPR/Cas等新型基因编辑技术，可以精确地对水稻基因进行修改和调控，为水稻育种带来更多的可能性和创新思路；(3)与人工智能和大数据技术的结合，可以实现对水稻育种数据的快速收集、处理和分析，为水稻新品种选育提供更为全面和精准的支持。

综上所述，水稻分子标记辅助选择育种技术未来将会在多个前沿领域取得突破，这将为加速选育具有良好农艺性状、优质、高产、抗病的水稻新品种提供更多可能和创新思路。