隨著功能基因組研究的深入和現(xiàn)代分子生物學技術的發(fā)展，作物育種正由傳統(tǒng)的“經(jīng)驗育種”“標記輔助育種”階段向高效精準的“全基因組設計育種”階段過渡。目前，對全基因組設計育種技術體系的進一步完善是作物遺傳育種領域的研究熱點。由于品種選育固有的地域特性及年代特性，設計育種的成功實施依賴于對基因功能或基因組的深入注釋，也在很大程度上有賴于人們對過去經(jīng)驗育種歷史經(jīng)緯的充分認知。然而，長期以來，從全基因組視角系統(tǒng)詮釋特定區(qū)域經(jīng)驗育種規(guī)律始終頗具挑戰(zhàn)性。
2月9日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所儲成才團隊、李家洋院士團隊，聯(lián)合東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所卜慶云團隊等，在National Science Review上，發(fā)表了題為Genomic Decoding of Breeding History to Guide Breeding-by-Design in Rice的研究論文，構建了我國東北稻區(qū)經(jīng)驗育種史的分子詮釋模型，歸納并驗證了該地區(qū)不同時期水稻育種規(guī)律與未來趨勢。
水稻作為南方溫熱地區(qū)起源的作物，在高緯度地區(qū)的栽培歷史較短。其中，我國東北是全球稻米種植區(qū)域中緯度最高的地區(qū)之一。得益于育種家長期對水稻抽穗期、耐冷性、抗病性、食味品質、抗倒伏性等關鍵性狀的選擇和改良，使其能夠適應高緯度環(huán)境并借助獨特的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)出最為優(yōu)質的大米。當前，東北稻區(qū)已成為國內最重要的優(yōu)質稻米產(chǎn)區(qū)。東北地區(qū)水稻栽培及育種史相對簡明且可追溯，使得從全基因組層面解碼經(jīng)驗育種規(guī)律、建立基礎詮釋模型，并為全基因組設計育種提供范本成為可能。同時，該稻區(qū)在我國優(yōu)質稻米供應上占據(jù)的重要地位，也使得相關研究在保障我國優(yōu)質稻米生產(chǎn)方面具有重要的實踐意義和緊迫性。
為全面闡釋東北地區(qū)品種性狀演變趨勢以及基因型組合和利用情況，研究團隊收集了涵蓋東北稻區(qū)自1940年代到2010年代選育或引種的546份水稻品種資源，并進行重測序，同時，對22個農藝性狀表型進行調查和全基因組關聯(lián)分析。研究發(fā)現(xiàn)，不同地理來源品種表現(xiàn)出顯著的農藝性狀差異，反映其環(huán)境適應需要和品種特性偏好。生育期、低溫結實率、稻瘟病抗性和粒型上表現(xiàn)出顯著的年代差異，意味著栽培技術和市場需求變化影響育種家對產(chǎn)量、抗性、品質的選擇。也就是說，不同育種家對育種的領悟、偏好及經(jīng)驗等在整體上具有區(qū)域以及年代特征，這些特征最終體現(xiàn)在品種表型所對應的基因型上。全基因組SNP標記的群體結構分析揭示，東北地區(qū)水稻品種可歸類到3個具有不同進化特征的亞群，以石狩白毛為骨干的K3G1亞群在20世紀80年代前的黑龍江品種中占主導地位，隨后被以蝦夷和空育131為骨干的K3G2亞群取代;而以富士光和藤系138為骨干的K3G3亞群主要分布在遼寧和吉林，但隨著時間推移，其在黑龍江省的占比越來越高。
遺傳背景狹窄是溫帶粳稻育種的重要限制因素。我國東北地區(qū)的育種家很早提出并引入秈稻遺傳成分對粳稻品種進行改良。研究采用群體結構分析、遺傳滲入分析、全基因組關聯(lián)分析和染色體片段代換系等技術手段，確認了秈稻滲入對東北水稻育種的重要貢獻，特別是對稻瘟病抗性等位基因(如Pi-ta、Ptr)的引入以及穗產(chǎn)量性狀(qSB2、qSB8、qSB10、qPL9等)改良的重要作用。進一步通過將品種選育印記追溯到123個已知或新檢測到的QTL位點以及大量秈稻滲入片段，研究總結了一些具有年代特征的關鍵性QTL位點或滲入片段，為后繼的品種設計選育提供了依據(jù)。
2009年，李家洋率領的育種團隊，對東北水稻品種的現(xiàn)狀與需求開展了深入的實地考察與系統(tǒng)分析，在此基礎上建立了分子設計育種體系，快速培育了高產(chǎn)、高抗、優(yōu)質的“中科發(fā)”系列水稻品種。其中，代表性品種“中科發(fā)5號”于2018年通過國家審定，隨后在東北大面積推廣，迅速成為黑龍江省與吉林省的主載品種。本研究解析中科發(fā)5號發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)異等位基因組合與上述分析所揭示的東北地區(qū)品種選育趨勢高度契合，是上述全基因組詮釋分析的最佳例證。中科發(fā)5號通過將富含秈稻滲入片段的南方優(yōu)質粳稻品種長粒粳、東北地區(qū)骨干穩(wěn)產(chǎn)品種空育131以及K3G3亞群的吉粳88進行組配，整合了抽穗期決定基因Hd1.稻瘟病抗性位點Pita、Ptr、Pib，抗倒伏位點SCM2.粒型位點GW5、GS3、GL7.穗產(chǎn)量性狀位點qSB2、qSB8、qSB10等一系列分子模塊，在高緯度稻區(qū)實現(xiàn)了豐產(chǎn)、優(yōu)質、抗病、抗倒伏等優(yōu)異性狀聚合，取得了東北水稻育種和生產(chǎn)推廣上的成功。
該成果全面解析了中國東北地區(qū)水稻遺傳結構和育種關鍵位點，揭示了經(jīng)驗育種反饋在基因組上的普遍規(guī)律，為東北水稻品種的全基因組設計育種提供參考依據(jù)和范例，有望進一步推動水稻分子設計育種的完善和實施，并為其他作物經(jīng)驗育種史的解析和分子設計育種研究提供參考。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金的支持。
2023年2月15日
來源：中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所
