吳昊+陳濤+姚姝等
摘要:綜述了分子標(biāo)記的概念、特點(diǎn)、種類(lèi),對(duì)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和影響因素進(jìn)行了介紹,同時(shí)對(duì)其在質(zhì)量性狀(稻米品質(zhì)、抗病、抗蟲(chóng)性等)改良和數(shù)量性狀(稻米產(chǎn)量、抗逆性、株型等)改良兩方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納,并對(duì)研究中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析,對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:分子標(biāo)記輔助選擇;水稻;質(zhì)量性狀;數(shù)量性狀;定向改良;研究進(jìn)展
中圖分類(lèi)號(hào): S511.035文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2014)02-0022-06
收稿日期:2013-07-02
基金項(xiàng)目:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào):CARS-01-47);農(nóng)業(yè)部超級(jí)晚稻新品種選育和示范項(xiàng)目;江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào):CX(12)1003];江蘇省科技支撐計(jì)劃(編號(hào):BE2013301)。
作者簡(jiǎn)介:吳昊(1988—),男,河南駐馬店人,碩士,主要從事水稻遺傳育種研究。E-mail:wuhao11219@gmail.com。
通信作者:王才林(1959—),男,江蘇無(wú)錫人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事水稻遺傳育種研究。Tel:(025)84390307;E-mail:clwang@jaas.ac.cn。水稻(Oryza sativa L.)是世界上大多數(shù)人的主要食物,在除南極洲和北極洲之外的各大洲均有種植,面積超過(guò)1.5億hm2[1],但主要產(chǎn)區(qū)在亞洲。20世紀(jì)60年代,國(guó)際水稻研究所(IRRI)推動(dòng)的“綠色革命”以及我國(guó)雜交水稻的研制成功大幅度提高了水稻產(chǎn)量。然而在過(guò)去的10多年里,水稻產(chǎn)量停滯不前。為了填補(bǔ)不斷增加的世界人口所造成的糧食缺口,進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量是育種工作者們刻不容緩的任務(wù)。但是,傳統(tǒng)的育種方法主要是依據(jù)作物在田間的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇,要求育種工作者具有非常豐富的育種經(jīng)驗(yàn),而且需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間。另外,對(duì)一些數(shù)量性狀的直接選擇還受到許多條件的限制。因此,提高選擇效率并減少育種過(guò)程中的盲目性成為進(jìn)一步拓展品種生產(chǎn)力的關(guān)鍵[2]。
近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的基于DNA的分子標(biāo)記技術(shù)為育種工作提供了嶄新的途徑。國(guó)內(nèi)外育種工作者對(duì)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)(molecular marker-assisted selection,MAS)做了很多有益的嘗試,并以此改良或育成了不少品種,其中一些已開(kāi)始在生產(chǎn)上應(yīng)用。本文綜述了分子標(biāo)記輔助選擇的概念、特點(diǎn)、種類(lèi),重點(diǎn)介紹了分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在改良水稻質(zhì)量性狀、數(shù)量性狀兩方面的研究進(jìn)展和利用現(xiàn)狀,同時(shí)討論了該技術(shù)存在的問(wèn)題,并展望了其應(yīng)用前景。
1DNA分子標(biāo)記和分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)
1.1DNA分子標(biāo)記的概念及特點(diǎn)
在遺傳學(xué)的發(fā)展中,先后出現(xiàn)了形態(tài)標(biāo)記、細(xì)胞標(biāo)記、生化標(biāo)記和分子標(biāo)記[3]。相對(duì)于傳統(tǒng)的形態(tài)標(biāo)記來(lái)說(shuō),分子標(biāo)記有著眾多的優(yōu)勢(shì)。最近利用分子標(biāo)記進(jìn)行水稻品種的改良上有很多的報(bào)道,這些報(bào)道主要涉及強(qiáng)調(diào)了分子標(biāo)記在一般作物改良及雜種優(yōu)勢(shì)育種中的應(yīng)用及其使用限制[4-9]。DNA分子標(biāo)記較以往的形態(tài)標(biāo)記具有減少育種時(shí)間、表現(xiàn)為中性、操作簡(jiǎn)便高效、能更準(zhǔn)確地選擇復(fù)雜性狀等特點(diǎn)。
1.2DNA分子標(biāo)記的種類(lèi)
根據(jù)王軍等的研究[10-13],并作部分增添和刪改,將分子標(biāo)記劃分為3代4類(lèi)(表1)。 第1代分子標(biāo)記是以Southern雜交為核心的分子標(biāo)記技術(shù)。第2代分子標(biāo)記技術(shù)主要分為2類(lèi):第1類(lèi)為基于PCR(polymerase chain reaction,多聚鏈?zhǔn)椒磻?yīng))的DNA分子標(biāo)記,根據(jù)所用引物的差異,該類(lèi)標(biāo)記又分為隨機(jī)引物PCR標(biāo)記、特異引物PCR標(biāo)記2種;第2類(lèi)為基于PCR與限制性酶切技術(shù)結(jié)合的DNA標(biāo)記。第3代分子標(biāo)記技術(shù)是基于單核苷酸多態(tài)性的DNA分子標(biāo)記。
1.3分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)
分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)是將上述分子標(biāo)記應(yīng)用于作物育種或改良的一種手段[14],其基本原理是利用與目標(biāo)基因緊密連鎖或共分離的分子標(biāo)記對(duì)選擇個(gè)體進(jìn)行目標(biāo)基因以及全基因組篩選,從而減少連鎖累贅,以獲得所需的個(gè)體,達(dá)到提高育種效率的目的[15-16]。主要分子標(biāo)記原理及特點(diǎn)見(jiàn)表2。MAS是分子標(biāo)記技術(shù)用于作物改良的重要領(lǐng)域,是常規(guī)育種技術(shù)和現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。
1.3.1分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的優(yōu)越性通過(guò)大量理論研究發(fā)現(xiàn),相比常規(guī)的育種技術(shù),MAS有很大的優(yōu)越性。輔助選擇可以在植物發(fā)育的任何階段進(jìn)行,而且不受基因表達(dá)和環(huán)境因素的影響;共顯性標(biāo)記可區(qū)分純合基因型和雜合基因型,所以能在分離世代的早期進(jìn)行選擇;對(duì)一些表型鑒定困難的性狀(如抗病性、抗逆性等)也可進(jìn)行基因型鑒定;可聚合多個(gè)控制不同性狀的基因以提高育種效率,延長(zhǎng)品種使用年限[17]。
1.3.2影響分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的主要因素MAS雖是提高選擇效率的一種有效方法,但由于其研究設(shè)計(jì)的內(nèi)容廣泛,有很多遺傳和生物學(xué)的因素影響其效率,如基因與標(biāo)記間表1分子標(biāo)記的分類(lèi)及名稱(chēng)
代別類(lèi)別種類(lèi)縮寫(xiě)全稱(chēng)第1代RFLPrestriction fragment length polymorphism,限制性?xún)?nèi)切酶片段長(zhǎng)度多態(tài)性第2代第1類(lèi)第1種RAPDrandom amplified polymorphic DNA,DNA隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性ISSRinter-simple sequence repeats,內(nèi)部簡(jiǎn)單重復(fù)序列AP-PCRarbitrarily primed polymerase chain reaction,任意引物PCRDAFDNA amplification fingerprinting,DNA擴(kuò)增指紋印記第2種SSRsimple sequence repeats,簡(jiǎn)單重復(fù)序列STSsequence-tagged site,序列標(biāo)記位點(diǎn)SCARsequence-characterized amplified region,序列特異性擴(kuò)增區(qū)SPARsingle primer amplification reaction,單引物擴(kuò)增反應(yīng)SSCPsingle strand conformation polymorphism,DNA單鏈構(gòu)象多態(tài)性ddFdideoxy fingerprints,雙脫氧化指紋法第2類(lèi)AFLPamplified fragment length polymorphism,擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性CAPScleaved amplified polymorphic sequence,酶切擴(kuò)增多態(tài)性序列第3代SNPsingle nucleotide polymorphisms,單核苷酸多態(tài)性
2分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在水稻品種改良上的應(yīng)用
2.1分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在水稻質(zhì)量性狀改良上的應(yīng)用
2.1.1稻米食味品質(zhì)改良劉巧泉等經(jīng)過(guò)回交轉(zhuǎn)育并結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)向特青品種導(dǎo)入Wx基因,在保持原有親本主要農(nóng)藝性狀的基礎(chǔ)上選育了3個(gè)優(yōu)質(zhì)品系,改良品系胚乳突變基因表達(dá)量明顯下降,稻米中直鏈淀粉含量減少[18]。周屹鋒等以具有中等直鏈淀粉含量的優(yōu)質(zhì)保持系宜香1B為優(yōu)質(zhì)源,與協(xié)青早B雜交、回交和自交,在分離早世代以特異性分子標(biāo)記對(duì)直鏈淀粉含量進(jìn)行檢測(cè)和選擇,最終選育出具有中等直鏈淀粉含量的的秈型三系不育系浙農(nóng)3A[19]。許勇等以分子標(biāo)記輔助選擇對(duì)協(xié)優(yōu)57的父母本的Wx基因進(jìn)行改良,利用改良后的親本進(jìn)行配組,其后代雜交稻米的AC值降到中等偏低水平,蒸煮食味品質(zhì)明顯改善[20]。夏明元等利用Wx基因的CAPS標(biāo)記對(duì)4384/舟903//4384的雜交后代進(jìn)行單株選擇,經(jīng)過(guò)7代的選育,獲得92個(gè)Wx基因純合的株系,從中選出2個(gè)產(chǎn)量較高及直鏈淀粉含量適中的品系[21]。李浩杰等以美國(guó)光身稻Lemont為優(yōu)質(zhì)基因供體親本,優(yōu)良保持系岡46B為輪回親本,利用與Wx基因緊密連鎖的分子標(biāo)記484/485進(jìn)行目標(biāo)基因型選擇,同時(shí)進(jìn)行岡46B的背景選擇,選出具有中等直鏈淀粉含量且綜合性狀與輪回親本岡46B相似的個(gè)體,從而提高育種效率[22]。
2.1.2抗病性水稻條紋葉枯病(rice stripe disease,RSD)是由灰飛虱作為傳毒媒介的水稻條紋葉枯病毒(rice stripe virus,RSV)引起的病毒病。因此水稻對(duì)該病的抗性可分為對(duì)病毒的抗性和對(duì)介體昆蟲(chóng)的抗性,其中對(duì)病毒的抗性更為重要[23]。目前,已經(jīng)定位的水稻條紋葉枯病抗性相關(guān)的QTL有40多個(gè),它們分布于第1、2、3、5、6、7、8、10、11等9條染色體[24-33]。然而這些QTL中能實(shí)際用于生產(chǎn)的卻很少,目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)上應(yīng)用的條紋葉枯病抗性品種大多是利用來(lái)自秈稻Modan的位于第11染色體上的Stv-bi基因[34]。潘學(xué)彪等為了改良武育粳3號(hào)的條紋葉枯病抗性,在連續(xù)回交和自交過(guò)程中,以緊密連鎖的雙側(cè)分子標(biāo)記Stv-bi對(duì)其進(jìn)行選擇,在短期內(nèi)育成抗條紋葉枯病的武陵粳1號(hào),大幅度提高了其條紋葉枯病抗性水平[35]。陳峰等利用與Stv-bi緊密連鎖的分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇,結(jié)合條紋葉枯病田間抗性鑒定及農(nóng)藝性狀分析,通過(guò)回交改良,獲得攜帶Stv-bi的改良品系6個(gè)[36]。李波利用與抗病基因qSTV-11b、qSTV-11c連鎖的分子標(biāo)記對(duì)武育粳3號(hào)、武運(yùn)粳8號(hào)和武運(yùn)粳7號(hào)進(jìn)行輔助選擇,改良受體親本的抗性,并選育對(duì)條紋葉枯病具有抗性的新品種[37]。馬寧以抗病品種鎮(zhèn)稻 88為供體親本、武育粳3號(hào)為輪回受體親本,采用連續(xù)回交并結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇的方法,將抗條紋葉枯病基因轉(zhuǎn)移到武育粳3號(hào)中,育成武育粳3號(hào)改良系[38]。
水稻白葉枯病(bacterial leaf blight,BB)是由革蘭氏陰性菌黃單胞菌水稻變種(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)引起的細(xì)菌性病害,化學(xué)方法難以奏效,種植抗病品種則是最經(jīng)濟(jì)、有效的防治方法。目前已有32個(gè)抗白葉枯病基因被鑒定,分別位于第1、4、5、6、8、11、12染色體上[39]。其中,Xa1、Xa5、Xa13、 Xa21、Xa26、Xa27已被克隆。王興春等以受微效多基因控制白葉枯病抗性的五豐占2號(hào)和主基因Xa5控制的IRBB5為材料,成功地聚合了白葉枯病抗性主基因和微效多基因[40]。薛慶中等利用MAS成功地選育了抗白葉枯病的水稻恢復(fù)系[41]。彭應(yīng)財(cái)?shù)劝寻兹~枯病抗性基因Xa21導(dǎo)入到強(qiáng)優(yōu)恢復(fù)系輻恢838中,選育出抗白葉枯病恢復(fù)系中恢218[42]。蘭艷榮等利用抗性基因Xa21、Xa7,成功改良了華201S的白葉枯病抗性[43]。
稻瘟病是由子囊菌引起的真菌性病害,是世界性的主要稻病之一。應(yīng)用抗病品種防治相對(duì)化學(xué)防治來(lái)說(shuō)不會(huì)污染環(huán)境,是如今防治稻瘟病的主要方法。自20世紀(jì)60年代日本開(kāi)展稻瘟病基因的遺傳研究以來(lái),至今水稻中已經(jīng)有80多個(gè)抗稻瘟病基因被標(biāo)記定位,其中13個(gè)已經(jīng)克隆[44]。被鑒定的廣譜抗性基因包括Pi1、Pi2、Pi3、Pi9、Pi33、Piz、Piz-t、Pigm(t)等[45]。利用與這些基因連鎖的分子標(biāo)記,通過(guò)MAS已經(jīng)育成了許多抗病品種。王忠華等應(yīng)用與Pi-ta連鎖的共顯性標(biāo)記對(duì)350個(gè)雜交F3代株系進(jìn)行早期篩選,得到118個(gè)含Pi-ta的抗病純合株系[46]。劉士平等利用位于第11染色體上的與Pi1緊密連鎖的SSR標(biāo)記對(duì)保持系珍汕97進(jìn)行改良,得到17株含Pi1的純合株系[47]。倪大虎等分別將Pi9導(dǎo)入不同水稻恢復(fù)系M12和閩恢3139中。這些育成的改良品系經(jīng)抗性鑒定,抗瘟性均得到顯著提高[48-49]。陳志偉等將稻瘟病抗性基因Pi1導(dǎo)入受體親本珍汕97B、金山B-1、金山 S-1 等保持系中,用與Pi1基因緊密連鎖的分子標(biāo)記RM224和MRG4766同時(shí)對(duì)雜種后代Pi1基因進(jìn)行MAS選擇的準(zhǔn)確率高達(dá)100%,中選單株抗病性明顯提高[50]。
2.1.3抗蟲(chóng)性不同生物型的稻褐飛虱在侵染具有不同抗性基因的水稻時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不同程度的致害性。迄今為止,已報(bào)道的水稻抗褐飛虱基因共27個(gè),定位的有21個(gè),其中Bph14已被成功克隆[51]。胡杰等利用分子標(biāo)記輔助選擇將水稻抗褐飛虱基因Bph14、Bph15同時(shí)導(dǎo)入到汕優(yōu)63的親本明恢63、珍汕97B中,以改良汕優(yōu)63的褐飛虱抗性[52]。李信通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)將抗褐飛虱基因Qbp1、Qbp2導(dǎo)入到明恢63、珍汕97中,提高明恢63、珍汕97對(duì)稻褐飛虱的抗性[53]。梁云濤利用MAS,將對(duì)我國(guó)稻褐飛虱生物群體表現(xiàn)為高抗的Bph18(t)基因?qū)氲絻?yōu)質(zhì)雜交水稻恢復(fù)系 9311、測(cè)253中,選育優(yōu)質(zhì)高抗的水稻中間材料[54]。李進(jìn)波等以藥用野生稻滲入系B5為供體親本,以9311、1826為受體親本,利用MAS結(jié)合田間農(nóng)藝性狀的選擇,獲得了目標(biāo)基因Bph14、Bph15純合的穩(wěn)定株系[55]。孫榮科等以攜帶Bph2、Bph3的水稻品系ME1為供體親本與雜交稻親本進(jìn)行雜交、回交和自交,結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇,成功獲得了雙基因純合的株系[56]。
稻癭蚊同樣具有不同的生物型。目前國(guó)際上已鑒定出9個(gè)稻癭蚊抗性基因,分別命名為Gm1至Gm9,不同的基因抗不同的生物型。目前抗性育種進(jìn)程中主要利用的是Gm6基因。柳武革等通過(guò)雜交、多次回交和自交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù),將Gm6基因?qū)霃V恢998中,篩選獲得6個(gè)抗性株系[57]。黃炳超等利用與Gm6緊密連鎖的分子標(biāo)記,成功從豐銀占/大秋其F3家系中,鑒定出15個(gè)抗稻癭蚊的株系,隨后從抗蚊青占/桂99的F4和F6家系中分別鑒定出21個(gè)和7個(gè)抗稻癭蚊株系,并成功地將Gm6基因轉(zhuǎn)入雜交稻的恢復(fù)系[58]。
稻螟蟲(chóng)(包括二化螟、三化螟、稻縱卷葉螟)是水稻的主要害蟲(chóng),但由于自然界缺乏優(yōu)良的抗蟲(chóng)資源,水稻抗螟蟲(chóng)育種研究進(jìn)展不大。近年來(lái),隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的成功應(yīng)用,抗螟蟲(chóng)水稻品種培育已成為可能。研究表明,種植帶有Bt基因的品種可以有效控制螟蟲(chóng)的危害。楊子賢等利用常規(guī)回交育種方法并結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇將Bt基因?qū)?311中,在BC3F3家系中篩選到8個(gè)家系含純合的Bt基因。抗性鑒定結(jié)果表明,帶有Bt基因的株系及其雜交種沒(méi)有受到螟蟲(chóng)危害[59]。沈圣泉等以克螟稻為Bt抗蟲(chóng)基因供體,采用雜交、回交轉(zhuǎn)育方法,結(jié)合GUS(β-葡萄糖苷酸酶)分子標(biāo)記輔助選擇和田間抗螟蟲(chóng)性選擇技術(shù),選育出首個(gè)轉(zhuǎn)Bt抗螟蟲(chóng)基因秈型水稻不育系科龍A,其所配雜種F1代仍保持了高抗螟蟲(chóng)特性[60]。
2.1.4多個(gè)質(zhì)量性狀基因的聚合基因聚合是將多個(gè)有利基因通過(guò)選育途徑聚合到一個(gè)品種中,這些基因可以控制相同的性狀,也可控制不同的性狀,基因聚合突破了回交育種改良個(gè)別性狀的局限,使品種在多個(gè)性狀上同時(shí)得到改良,產(chǎn)生更具有實(shí)用價(jià)值的育種材料[61]。隨著利用水稻抗病蟲(chóng)基因育成水稻品種的不斷推廣,新的病原菌小種或害蟲(chóng)生物型不斷出現(xiàn),促使抗病蟲(chóng)品種需要不斷更新[62]。但由于各種病原微生物和害蟲(chóng)類(lèi)型的易變性,采用單基因品種控制病蟲(chóng)害就存在較大的風(fēng)險(xiǎn),容易因單基因抗性喪失帶來(lái)較大的病蟲(chóng)害發(fā)生;而且不同抗病蟲(chóng)基因間還存在一定的協(xié)同作用,聚合多個(gè)不同類(lèi)型的抗病蟲(chóng)基因?qū)⑹墙鉀Q水稻病蟲(chóng)害問(wèn)題的切實(shí)有效的方法[63]。
王春連等利用與抗白葉枯病基因Xa23緊密連鎖的EST(expressed sequence tag,表達(dá)序列標(biāo)簽)標(biāo)記,培育出了3個(gè)含Xa23的水稻恢復(fù)系[64]。Yoshimura等通過(guò)RFLP和RAPD標(biāo)記將來(lái)自不同組合的5個(gè)白葉枯病抗性基因Xal、Xa3、Xa4、Xas、Xa10聚合在一起[65]。Hittalmani等利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)將抗稻瘟病基因Pi1、Pi-z5、Pi-ta聚合到同一個(gè)水稻品系BI124中,含有2個(gè)或3個(gè)抗性基因的植株比含單個(gè)基因的抗性更強(qiáng)[66]。Narayanan等先通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇將稻瘟病抗性基因Pi1、Pi-z5聚合到C039中,再將白葉枯病抗性基因Xa21轉(zhuǎn)到已經(jīng)聚合了稻瘟病抗性基因的C039植株中,最后得到同時(shí)含有Pi1、Pi-z5、Xa21的植株,這些植株對(duì)稻瘟病和白葉枯病的抗性有很大提高[67]。陳圣等利用分子標(biāo)記輔助選擇將高抗水稻白葉枯病的Xa23基因、廣譜高抗稻瘟病的Pi9基因、抗水稻螟蟲(chóng)和稻縱卷葉螟的Bt基因聚合到同一株系中,獲得了與3種基因抗性水平相當(dāng)?shù)募兒现晗礫68]。
2.2分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)在改良水稻數(shù)量性狀上的應(yīng)用
2.2.1產(chǎn)量性狀莊杰云等應(yīng)用兩種定位方法,比較了不同世代水稻產(chǎn)量性狀的QTL檢測(cè)結(jié)果,結(jié)果顯示對(duì)產(chǎn)量這一性狀而言,重要的加性效應(yīng)的QTL能夠在不同世代得到穩(wěn)定檢測(cè)[69]。中國(guó)水稻研究所通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇與常規(guī)測(cè)恢相結(jié)合,選育出強(qiáng)優(yōu)恢復(fù)系R8006;應(yīng)用秈粳特異標(biāo)記檢測(cè),選育出秈粳中間型恢復(fù)系R9308[70]。國(guó)家雜交水稻工程中心在馬來(lái)西亞普通野生稻中鑒定出2個(gè)主效高產(chǎn)QTLyld1.1和yld1.2的單株作基因供體,經(jīng)連續(xù)回交并多代自交,采用分子標(biāo)記輔助選擇與田間選擇相結(jié)合,育成攜帶野生稻高產(chǎn)QTL的強(qiáng)優(yōu)晚稻恢復(fù)系Q611[71]。Tanksley等利用分子標(biāo)記輔助選擇實(shí)現(xiàn)了多個(gè)QTL從野生近緣種向優(yōu)良的栽培稻品種的轉(zhuǎn)移[72]。
2.2.2水稻抗逆性狀的改良隨著全球變暖等氣候條件變化的加劇,中國(guó)旱災(zāi)發(fā)生的頻率和范圍也在加大,干旱已成為制約中國(guó)水稻生產(chǎn)的重要因素[73],因此,水稻抗旱品種的培育對(duì)減少旱災(zāi)的影響、提高水稻產(chǎn)量具有十分重要的意義。迄今為止,已定位出水稻抗旱性相關(guān)的QTL超過(guò)680個(gè),其中與根形態(tài)性狀相關(guān)的QTL有228 個(gè),與生理特征(脫落酸、滲透調(diào)節(jié)、相對(duì)含水量)相關(guān)的QTL有40個(gè),其他與植株抗旱性相關(guān)的QTL有418個(gè)[74-75]。Li 等描述了通過(guò)建立等基因?qū)胂颠M(jìn)行抗旱性基因定位和利用分子技術(shù)進(jìn)行抗旱性品種選育的方法,如DTY3.1、DTY1.1、DTY12.1等與干旱脅迫下產(chǎn)量性狀緊密連鎖的標(biāo)記被有效用于抗旱分子輔助育種中,可以對(duì)雜交后代進(jìn)行有效抗旱分子篩選[76]。劉立峰對(duì)定位群體中的粳型抗旱供體親本IRAT109與粳型旱敏感的水稻品種越富、津稻1187進(jìn)行雜交、回交,并利用分子標(biāo)記輔助選擇對(duì)其產(chǎn)生的4個(gè)低世代育種群體進(jìn)行篩選,獲得了抗旱相關(guān)性狀QTL的優(yōu)良近等基因系[77]。
水稻的多個(gè)生長(zhǎng)期都是低溫敏感期,如芽期、苗期、孕穗期和抽穗期等。全國(guó)低溫、冷害造成的損失每年大概 30億~50億kg。近幾十年來(lái),隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,水稻耐冷性QTLs分析有了較大進(jìn)展,成為了一種進(jìn)行耐冷性基因定位的主要方法[78]。劉之熙等以北海PL5(孕穗期耐冷性極強(qiáng))為供體親本,與晚稻品種湘晚秈29號(hào)、湘晚秈31號(hào)及臺(tái)中101號(hào)(孕穗期不耐冷)雜交,在F3代利用CAPS標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇,從3個(gè)F3群體中,共選出攜帶純合耐冷基因的個(gè)體12株,并將其作為改良晚秈稻孕穗期耐冷性的中間材料[79]。
鹽害是導(dǎo)致水稻減產(chǎn)的重要原因之一,而我國(guó)土壤的鹽堿化直接制約了水稻生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展。培育耐鹽水稻品種,深入開(kāi)展水稻耐鹽性研究,通過(guò)遺傳改良提高水稻的耐鹽性,是保證鹽堿稻作區(qū)糧食的安全生產(chǎn)和改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑之一。目前,已定位的耐鹽性QTL 達(dá)70多個(gè)[80]。已經(jīng)克隆的抗鹽性基因包括有抗水分脅迫基因CMO、BADH、mtlD、gutD、SAMDC;另一類(lèi)是抗離子毒害的基因SKC1[81]。2005年,中國(guó)水稻研究所開(kāi)始通過(guò)轉(zhuǎn)基因和常規(guī)育種相結(jié)合的方法在水稻中聚合這兩類(lèi)耐鹽基因,已獲得一系列的含不同抗鹽途徑的耐鹽水稻品系越光-SKC1/BADH-12、秀水11-SKC1/BADH-23,能在1.0%的NaCl 濃度脅迫后恢復(fù)正常生長(zhǎng)[82]。
2.2.3其他數(shù)量性狀的改良水稻的株型是其產(chǎn)量的影響因素之一,而直立密穗是高產(chǎn)的合適株型。程朝平等以?xún)?yōu)良秈稻品種東南恢602(彎穗型)為母本、DW135(直立密穗)為父本配制雜交組合,設(shè)計(jì)合成InDel(insertion deletion length polymorphism,插入缺失長(zhǎng)度多態(tài)性)標(biāo)記,通過(guò)該標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇,最終選出了含有直立密穗基因的純合株系[83]。
為了選育香稻恢復(fù)系,杜雪樹(shù)等以廣東香稻品種美香占為香味基因供體、自育抗性恢復(fù)系豐986和R476為受體,通過(guò)比較編碼BAD2(betaine-aldehyde dehydrogenase,甜菜堿醛脫氫酶)的fgr基因序列和9311序列設(shè)計(jì)功能性STS標(biāo)記Aro,并在回交和復(fù)交的分離世代利用Aro標(biāo)記開(kāi)展香味基因的分子標(biāo)記輔助選擇育種,最終選育出農(nóng)藝性狀較好的香型恢復(fù)系C349 和C354[84]。
3分子標(biāo)記輔助選擇的問(wèn)題與展望
分子標(biāo)記輔助選擇是當(dāng)今水稻育種中不可或缺的一部分,在培育超級(jí)稻、抗病蟲(chóng)及稻米品質(zhì)、農(nóng)藝性狀改良等方面表現(xiàn)出了極大的潛力。從上述的例子也可以看到,分子標(biāo)記輔助選擇能夠達(dá)到較高的準(zhǔn)確性。但從某些方面來(lái)說(shuō),分子標(biāo)記輔助選擇在現(xiàn)階段也顯露出了一些不足。首先,目前基因定位的工作進(jìn)度還不夠快,育種工作者準(zhǔn)備用分子標(biāo)記輔助選擇的基因有些尚未定位或連鎖并不緊密;已經(jīng)精確定位的,隨即可用的以PCR為基礎(chǔ)的標(biāo)記還不多,而且也不一定在群體的雙親間表現(xiàn)多態(tài)。其次,分子標(biāo)記輔助選擇在改良數(shù)量性狀方面的應(yīng)用不如最初設(shè)想的那么廣泛,主要是因?yàn)樗巨r(nóng)藝性狀基因發(fā)掘不足,大量的遺傳信息處于零散的狀態(tài),而且對(duì)不同遺傳背景和環(huán)境條件下的QTL研究不夠系統(tǒng)全面,如今已定位的DNA分子標(biāo)記與目的基因間的遺傳距離多數(shù)超過(guò)5.0 cmol,QTL定位的準(zhǔn)確性和精確度達(dá)不到分子標(biāo)記輔助選擇的要求。針對(duì)這些問(wèn)題,在今后的育種工作中所構(gòu)建的群體要盡可能既是遺傳研究群體,又是育種群體實(shí)現(xiàn)基因定位與育種同步進(jìn)行;尋找與目標(biāo)基因緊密連鎖的兩側(cè)的分子標(biāo)記;充分發(fā)掘QTL的信息等。
我們相信,在不遠(yuǎn)的將來(lái),隨著分子生物學(xué)新成果和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)以及基因組學(xué)、生物信息學(xué)等研究的深入發(fā)展,分子標(biāo)記輔助選擇將會(huì)在品種改良中大展宏圖,這必將對(duì)我國(guó)的作物改良作出革命性的貢獻(xiàn)。
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