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    寒地粳稻耐冷害育種概述

    2016-12-16 06:25:26臧家祥陳賓賓杜金嶺
    北方水稻 2016年6期
    關(guān)鍵詞:冷性寒地粳稻

    孫 偉,臧家祥,陳賓賓,杜金嶺

    (黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 水稻研究所,黑龍江 佳木斯 154000)

    寒地粳稻耐冷害育種概述

    孫 偉,臧家祥,陳賓賓,杜金嶺

    (黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院 水稻研究所,黑龍江 佳木斯 154000)

    冷害是寒地粳稻生產(chǎn)極其重要的限制因素。培養(yǎng)耐冷害品種,是防御低溫冷害的根本手段。從耐冷水稻資源的挖掘、水稻耐冷性基因定位、相關(guān)基因的轉(zhuǎn)基因工程及耐冷性遺傳等方面綜述耐冷害育種的相關(guān)進(jìn)展,為耐冷害育種奠定基礎(chǔ)。

    寒地粳稻;耐冷育種;研究進(jìn)展

    冷害是寒地粳稻生產(chǎn)極其重要的限制因素,其具有普遍性、多發(fā)性和嚴(yán)重性,其中以夏季低溫冷害發(fā)生最為頻繁、影響最重[1]。張海娜等研究表明,低溫冷害發(fā)生率呈增加趨勢(shì)[2]。李健陵等研究表明,若在孕穗期遭遇低溫冷害,枝梗及穎花會(huì)分化不良,結(jié)實(shí)率大幅下降,造成水稻減產(chǎn)高達(dá)30%[3]。曾憲國(guó)等研究表明,隨著低溫強(qiáng)度降低及時(shí)間延長(zhǎng),水稻空殼率顯著增加[4]。張榮萍等研究表明,灌漿前期低溫脅迫,稻谷產(chǎn)量呈不同程度的下降趨勢(shì),主要是通過(guò)影響水稻結(jié)實(shí)率,尤其是降低二次枝梗結(jié)實(shí)率,從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低[5]。目前,對(duì)寒地粳稻冷害的防御還沒(méi)有有效的防御手段[6-9]。因此,筆者從耐冷水稻資源的挖掘、水稻耐冷性基因定位、相關(guān)基因的轉(zhuǎn)基因工程及耐冷性遺傳等方面進(jìn)行綜述,闡述寒地粳稻耐冷育種研究進(jìn)展,為寒地粳稻的耐冷性育種提供依據(jù)。

    1 耐冷水稻資源的挖掘

    王翠玲等采用深冷水串灌的方法對(duì)13份黑龍江省第二積溫帶水稻品種(系)進(jìn)行孕穗期的耐冷性評(píng)價(jià),結(jié)果篩選出4份強(qiáng)耐冷性材料[10]。孫世臣等通過(guò)人工培養(yǎng)箱模擬低溫的方法對(duì)黑龍江省76份水稻品系進(jìn)行了萌芽期耐冷性評(píng)價(jià),篩選出強(qiáng)抗冷性材料8份,中間類型材料29份[11]。胡曉晨等對(duì)95份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行苗期耐冷性鑒定,并篩選出10份苗期耐冷(存活率≥60%)材料[12]。韓龍植等將一定的低溫條件下(10~15℃)、特定時(shí)間內(nèi)(5~15 d)的種子發(fā)芽率作為指標(biāo),對(duì)新收集的879份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行了水稻芽期耐冷性的鑒定與評(píng)價(jià),從中篩選出芽期耐冷性極強(qiáng)的39份水稻種質(zhì)資源,均為貴州地方粳稻品種[13]。并且發(fā)現(xiàn),水稻苗期耐冷性與孕穗期耐冷性存在相關(guān)性,可以將苗期耐冷性鑒定結(jié)果做為其他時(shí)期的耐冷性的重要參考標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。劉廣林等利用人工氣候室創(chuàng)造的低溫條件,對(duì)在自然低溫條件下初步鑒定具有耐冷性的82份種質(zhì)材料進(jìn)行抽穗揚(yáng)花期耐冷性鑒定評(píng)價(jià),分別篩選出抽穗揚(yáng)花期耐冷性極強(qiáng)(1級(jí))和強(qiáng)(3級(jí))的種質(zhì)資源7份和14份,占供試材料的8.54%和17.07%;在21份耐冷性強(qiáng)或極強(qiáng)的種質(zhì)中,屬于遲熟類群的有15份,占71.43%,從遲熟類群中挖掘強(qiáng)或極強(qiáng)耐冷種質(zhì)資源的潛力較大;鑒定出的耐冷性種質(zhì)可作為親本或者橋梁親本應(yīng)用于耐冷育種中[16]。

    2 水稻耐冷性基因定位

    水稻耐冷性基因定位是進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇培育耐冷品種的前提,水稻耐冷性是多基因控制的數(shù)量性狀,具有復(fù)雜的遺傳背景和廣泛的遺傳多樣性[17]。不同的遺傳群體,群體具有的主效基因不一定相同,應(yīng)分別進(jìn)行耐冷基因的定位研究。

    彭強(qiáng)等用213個(gè)IR24/Asominori重組自交家系為作圖群體,以苗期的死亡率為指標(biāo),對(duì)親本及213個(gè)IR24/Asominori重組自交家系進(jìn)行了耐冷性QTL定位,在第6、第11和第12染色體上檢測(cè)到3個(gè)苗期耐冷性QTL,分別命名為qCTS-6、qCTS-11、qCTS-12,這3個(gè)QTL的LOD值分別為3.194 3、4.688 2和3.797,對(duì)應(yīng)表型變異的解釋率分別為5.662 7%、8.549 6%和12.787 7%,且抗性等位基因均來(lái)自苗期耐冷性親本Asominori[18]。

    楊洛淼等用粳稻品種空育131和東農(nóng)422構(gòu)建的F7代重組自交系190個(gè)家系為作圖群體,光照培養(yǎng)箱中15℃低溫處理,以平均發(fā)芽天數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、日平均發(fā)芽率、發(fā)芽峰值、發(fā)芽值和發(fā)芽系數(shù)為指標(biāo),利用完備區(qū)間作圖法分別對(duì)低溫發(fā)芽力和芽期耐冷性進(jìn)行QTL定位并分析其加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)。結(jié)果檢測(cè)到控制芽期耐冷性的1個(gè)加性QTL位于4號(hào)染色體上,貢獻(xiàn)率16.84%;17個(gè)控制低溫發(fā)芽力的加性QTL分別位于第 1、2、3、6、7、9、12 染色體上,貢獻(xiàn)率為5.64%~35.67%;控制芽期耐冷性的上位性QTL 2對(duì),累積貢獻(xiàn)率19.3%;控制發(fā)芽期耐冷性的上位性QTL 33對(duì),各性狀累計(jì)貢獻(xiàn)率介于18.35%~91.08%,分別控制第7、10、11、15天的發(fā)芽率和平均發(fā)芽天數(shù)的表達(dá),累積貢獻(xiàn)率分別為87.88%、87.38%、91.08%、78.68%和 18.35%。上位性在水稻發(fā)芽期和芽期耐冷性遺傳中作用重大。同時(shí),研究還發(fā)現(xiàn),低溫發(fā)芽力和芽期耐冷性是具有相關(guān)性的[19]。

    林靜等以秈稻品種9311為受體、粳稻品種日本晴為供體構(gòu)建的95個(gè)染色體片段置換系為材料,在5℃低溫條件下,進(jìn)行芽期耐冷性鑒定。結(jié)果表明,6個(gè)置換系低溫處理后的成苗率與受體親本9311有一定差異,其耐冷性略強(qiáng)于9311。利用代換作圖法共鑒定出4個(gè)與芽期耐冷性相關(guān)的QTL,分別位于水稻第5和第7染色體上。其中qCTB-5-1、qCTB-5-2和qCTB-5-3分別被定位在第 5染色體 RM267與 RM1237、RM2422與RM6054、RM3321與RM1054之間遺傳距離分別為21.3 cM、27.4 cM和12.7 cM的置換片段上;qCTB-7被定位在第7染色體RM11-RM2752區(qū)間遺傳距離為6.8 cM的置換片段上[20]。

    劉曉等以低溫導(dǎo)致葉片卷曲的卷曲度作為水稻苗期耐冷性指標(biāo),采用182個(gè)越光 (粳型)/kasalath(秈型)//越光回交重組自交系和162個(gè)RFLP分子標(biāo)記,對(duì)苗期耐冷性進(jìn)行QTL定位分析。結(jié)果表明,BIL群體中苗期耐冷性均呈連續(xù)分布,屬于數(shù)量性狀遺傳,并檢測(cè)到4個(gè)控制苗期耐冷性的 QTL,分布在第 1、3、11、12 染色體上,其貢獻(xiàn)率為7.4%~21.9%;并在其目標(biāo)區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步設(shè)計(jì)分子引物把位于第12染色體上的主效qCTS-12定位在約77 kb區(qū)域內(nèi)。此研究結(jié)果及其檢測(cè)到的QTLs兩側(cè)的連鎖分子標(biāo)記可為水稻苗期耐冷性分子育種以及相關(guān)基因克隆提供理論依據(jù)[21]。

    3 相關(guān)基因的轉(zhuǎn)基因工程研究

    國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心基因數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)資料顯示,截至2014年,已經(jīng)有38個(gè)水稻耐冷性相關(guān)基因被克隆[22-23]。

    楊悅等將ICE1基因轉(zhuǎn)入粳稻品種墾鑒稻10號(hào)中,研究4℃低溫脅迫對(duì)水稻幼苗膜脂過(guò)氧化程度和抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明,低溫脅迫期間,ICE1基因的過(guò)量表達(dá)減輕了膜脂過(guò)氧化程度,保護(hù)了細(xì)胞膜系統(tǒng);ICE1基因的過(guò)量表達(dá)可能通過(guò)減輕膜脂過(guò)氧化程度與調(diào)整抗氧化酶活性來(lái)增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因水稻的耐冷性[24]。

    沈春修等將東鄉(xiāng)野生稻(極強(qiáng)耐冷性)中低溫誘導(dǎo)下的螺旋—環(huán)—螺旋結(jié)構(gòu)域蛋白基因BGIOSGA013293-DX導(dǎo)入水稻受體品種93-11,獲得了9株過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻植株,經(jīng)潮霉素抗性標(biāo)記基因PCR陽(yáng)性檢測(cè)和GUS檢測(cè),植株為陽(yáng)性[25]。

    陳能剛等分別用17.5℃和12℃恒溫對(duì)孕穗期和開(kāi)花期材料轉(zhuǎn)ipt基因ey-105(鄂宜105)和組培苗(對(duì)照)各處理5 d,通過(guò)相對(duì)電導(dǎo)率、葉綠素含量、根系活力等生理指標(biāo)的測(cè)定以及成熟后不同處理的粒重、單株產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率等性狀的觀測(cè),對(duì)轉(zhuǎn)ipt基因ey-105與對(duì)照在低溫下的耐冷性表現(xiàn)進(jìn)行分析,并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度對(duì)不同的處理進(jìn)行分析判斷觀測(cè)指標(biāo)與單株產(chǎn)量的關(guān)系。結(jié)果表明,在孕穗期和開(kāi)花期低溫處理下,轉(zhuǎn)ipt基因ey-105的相對(duì)電導(dǎo)率的變化量和葉綠體受低溫的危害小于對(duì)照,而根系活力大于對(duì)照,對(duì)產(chǎn)量的影響則對(duì)照大于轉(zhuǎn)ipt基因ey-105;在不同生育期的低溫處理下電導(dǎo)率、根系活力、葉綠素a/b和百粒重對(duì)單株產(chǎn)量的影響較大[26]。

    孫琦等通過(guò)RT-PCR的方法從水稻中克隆了受低溫誘導(dǎo)上調(diào)表達(dá)的功能未知的C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)域蛋白新基因,構(gòu)建了其植物過(guò)表達(dá)載體,并通過(guò)農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)入水稻基因組中,獲得了其過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻株系,為進(jìn)一步研究該基因的功能并探討其在水稻耐冷分子育種中的應(yīng)用價(jià)值奠定了基礎(chǔ)[27]。

    胡曉晨等通過(guò)對(duì)95份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行苗期耐冷性鑒定,篩選出10份苗期耐冷(存活率≥60%)和9份冷敏感的材料(存活率為零),并對(duì)水稻冷脅迫響應(yīng)基因OsSADMC進(jìn)行了表達(dá)分析,發(fā)現(xiàn)對(duì)照和冷脅迫處理?xiàng)l件下該基因在耐冷品種中的表達(dá)量都顯著高于冷敏感品種。對(duì)耐冷材料麗江新團(tuán)黑谷和冷敏感材料IR29的基因編碼區(qū)域進(jìn)行了克隆和測(cè)序分析,在兩個(gè)品種間鑒定了10個(gè)SNP位點(diǎn),其中第749堿基處存在的一個(gè)堿基變異(C突變?yōu)門),從而使絲氨酸變?yōu)榱涟彼帷8鶕?jù)其中一個(gè)SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)了OsSADMC的功能標(biāo)記,該標(biāo)記可以準(zhǔn)確地鑒定出19份耐冷性不同水稻種質(zhì)資源OsSADMC的基因型和耐冷性[12]。

    4 耐冷性遺傳

    韓龍植等利用秈粳雜交后代探討了水稻幼苗期耐冷性選擇對(duì)主要農(nóng)藝性狀的影響,結(jié)果表明,在F2和F3代水稻幼苗期進(jìn)行耐冷性選擇對(duì)穗數(shù)并不產(chǎn)生顯著的影響,但選擇獲得的幼苗期耐冷性強(qiáng)的F2個(gè)體群的孕穗期耐冷性(結(jié)實(shí)率)及F3系統(tǒng)群的分蘗期耐冷性(赤枯度)和孕穗期耐冷性(結(jié)實(shí)率)均顯著強(qiáng)于隨機(jī)個(gè)體群和冷敏系統(tǒng)群。提出在水稻幼苗期以葉赤枯度來(lái)選擇幼苗期耐冷性強(qiáng)的個(gè)體是獲得高產(chǎn)耐冷后代材料的有效途徑[28]。

    同時(shí),韓龍植等以秈粳交“密陽(yáng)23/吉冷1號(hào)”的F3系統(tǒng)群為試材,探討了水稻芽期耐冷性遺傳變異以及與其他耐冷性狀的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明,F(xiàn)3系統(tǒng)群的芽期耐冷性表現(xiàn)為近似正態(tài)的連續(xù)分布,是由多基因控制的數(shù)量性狀。在自然低溫或冷水處理下水稻幼苗生長(zhǎng)能力、抽穗天數(shù)、穗抽出度、孕穗期耐冷性(低溫下結(jié)實(shí)率)和成熟期綜合耐冷性等性狀均與芽期耐冷性有著密切的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)芽期耐冷性強(qiáng)弱所選擇的耐冷系統(tǒng)群在自然低溫或冷水處理下幼苗生長(zhǎng)能力、穗抽出度、孕穗期耐冷性和成熟期綜合耐冷性均明顯強(qiáng)于冷敏系統(tǒng)群和選擇前F3系統(tǒng)群。通過(guò)對(duì)秈粳交低世代芽期耐冷性的嚴(yán)格選擇,可以間接獲得幼苗低溫生長(zhǎng)能力、孕穗期耐冷性和成熟期綜合耐冷性較強(qiáng)的系統(tǒng)[13]。

    選擇耐冷品種是防御冷害最為有效的方法之一。李亞非等利用人工低溫氣候室,采用15℃、17℃、19℃ 3種脅迫溫度,4 d和6 d 2種脅迫時(shí)間,3×2交互式設(shè)計(jì)的方法,對(duì)來(lái)自黑龍江、吉林、遼寧和云南的12份粳稻種質(zhì)進(jìn)行了孕穗期耐冷性強(qiáng)度的研究。結(jié)果表明,在15℃/6 d脅迫下,供試品種平均空殼率的方差和變異系數(shù)達(dá)到最大,該脅迫強(qiáng)度可被選用于孕穗期強(qiáng)耐冷種質(zhì)的篩選[29]。姜麗霞等研究表明,品種的冷積溫與空殼率存在顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01),隨著冷積溫的增加,水稻空殼率明顯升高,但品種間的增幅不同[30]。

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    [30]姜麗霞,季生太,李 帥,等.黑龍江省水稻空殼率與孕穗期低溫的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(7):1725-1730.

    (責(zé)任編輯:李明)

    Review of Japonica Rice Cold-resisting Breeding

    SUN Wei,ZANG Jia-xiang,CHEN Bin-bin,DU Jin-ling
    (Rice Research Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences,Jiamusi Heilongjiang 154007,China)

    Cold is an extremely important limiting factor for the production of japonica rice in cold regions.To culture a cold-resisting breed is the fundamental means to defense the cold.This paper reviews the current research status of cold-resisting breeding from the discovery of the resources of cold-resisting rice,the cold-resisting gene mapping,the transgenosis of relevant genes,the heredity of cold-resistance and so forth to lay the foundation for cold-resisting breeding.

    Japonica rice in cold region;Cold-resisting breeding;Research progress

    S511.034 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-6737(2016)06-0050-04

    國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201403002-2-3),黑龍江省應(yīng)用技術(shù)與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GA1 38101),“黑龍江粳稻春玉米大面積均衡增產(chǎn)技術(shù)集成研究與示范”子課題(2012BAD04B01-01-04)。

    2016-02-18

    孫偉(1983-),女,碩士,助理研究員,從事水稻遺傳育種研究。

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