基于跨組學技術的育種示蹤研究

程萌杰，施利利,2，孫寧，張欣,2，丁得亮,2，崔晶,2，邊嘉賓,2,通信作者，王松文,2,通信作者

（1.天津農學院 農學與資源環(huán)境學院，天津 300384；2.天津中日水稻品質食味研究中心，天津 300384）

經過六十多年的育種，我國已經選育出7萬多優(yōu)良的水稻品種。在各增產要素中，品種的貢獻占40%。多年來，育種者追求的兩個重要目標是定向育種和提高育種效率[1]。縱觀國內外育種專家的研究發(fā)現(xiàn)，一種育種示蹤研究是追溯親本系譜和父母雙親的基因構成及貢獻[2]，另一種研究是根據設計育種原理進行分步驟育種設計和單元劃分，比如：定位所有QTL、鑒定有利等位基因、綜合考慮多種因素進行育種設計[3-6]。有研究表明，育種可以分為提高育種和保持育種[7]。在提高育種階段，往往以提高產量為主要目標。在保持育種階段，以改善品質或提高抗性為主。以水稻為例，第一次產量大幅度提高是以‘IR8’‘矮腳南特’‘廣陸矮4號’等矮桿品種推廣為特征；第二次產量大幅度提高是以推廣雜交稻為特征。作物育種學的規(guī)律是品種更替以里程碑式的品種出現(xiàn)為特征。比如，‘汕優(yōu)63’于1980年育成，至2002年，‘兩優(yōu)培九’的推廣面積超過了‘汕優(yōu)63’[8]。在保持育種的一段時間內，審定并推廣的品種往往沒有大幅度的提高，只是品質的改良或抗性的提高。近年來，正在實現(xiàn)由經驗育種向精準育種轉變，而基于跨組學技術的育種示蹤更是研究的熱點。育種示蹤一方面有助于研究品種形成的機制，另一方面可以實現(xiàn)設計育種，其基本路徑是沿著設計育種的路線，一步步改良品種和創(chuàng)造新品種。本文報道本課題組基于跨組學技術進行育種示蹤的初步研究結果，以期探索有關育種方法，實現(xiàn)育種的定向性和快周期性。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料如表1所示。

表1 試驗材料

試驗材料在國家水稻基因組計劃構建作圖群體材料的基礎上進行擴建?；疽罁牵海?）用最少的樣品盡量多的代表水稻種質的遺傳多樣性；（2）選取一定量的高產品種和優(yōu)質水稻品種；（3）部分材料進行了特別改造，如‘U-1’的千粒重31.2 g；‘鄂豐絲苗’高產優(yōu)質；‘津原89’創(chuàng)造了天津地區(qū)水稻高產紀錄。

1.2 方法

跨組學示蹤包括組學技術和水稻育種綜合技術。在組學技術中，包括基因組、轉錄組、蛋白組、代謝組、表型組，水稻育種綜合技術包括常規(guī)育種技術、育種新技術（如分子標記技術、基因工程技術等）。本研究依據這些技術，主要利用基因組測序結果、轉錄組測序結果、蛋白組分析結果，以及課題組多年積累的育種成果進行綜合分析。

‘小站95’測序由北京六合華大基因科技有限公司完成。

轉錄組測序、蛋白組測序由北京諾禾致源生物信息技術有限公司完成。

育種分析、組學分析、生物信息學分析等由課題組獨立完成或利用Internet在線軟件工具分析完成。

2 結果與分析

2.1 跨組學技術綜合分析

跨組學技術構成如圖1所示。

圖1 跨組學分析技術構成

采用重測序技術對‘小站95’進行了基因組測序，在基因組測序的基礎上對部分染色體區(qū)段、基因組可追溯片段（traceable block，TB）進行了基因組從頭測序。采用轉錄組測序對‘津原89’‘津川1號’等高產優(yōu)質品種進行分析。蛋白質組測序采用iTRAQ技術分析。本研究對‘津優(yōu)294’（‘津26S’/‘U-1’，課題組選育品種）、‘津原89’（‘津原11’/‘津原E28’）等品種進行了育種示蹤。

結果表明，‘小站95’具有粳型特征，第1染色體短臂上端有秈稻序列特征，0～7 569 978 bp為秈稻特征區(qū)，8 169 158～28 125 264 bp為粳稻區(qū)，28 704 482～38 029 446 bp為秈粳雜交區(qū)（分子特征為雜合），39 300 025 bp～末端為粳稻區(qū)。因為雜合區(qū)的分離，后代出現(xiàn)母本型、父本型、雜交分子型，在雜合區(qū)段具有產量QTL、秈粳分化區(qū)及與雜種優(yōu)勢相關的QTL。

通過對轉錄組的分析，測得與淀粉合成相關的代謝途徑，涉及了10個淀粉合成的酶類及基因，其中，在4個關鍵酶中，第1個限速酶——糖苷合成酶的活性有顯著差異。

通過對蛋白質組的分析，高產品種和優(yōu)質食味品種（產量中等，多數(shù)品種的產量低于高產品種）的淀粉合成酶活性如圖2所示。

圖2 不同品種的糖苷合成酶活性

圖2表明，高產品種與優(yōu)質食味品種糖苷合成酶活性具有明顯差別，‘U-1’‘H27’‘W108’均為高產品種，‘越166’‘越16’為優(yōu)質食味品種，糖苷合成酶活性明顯低于高產品種。

該蛋白質組測試的結果得到了轉錄組測試結果的印證。比較而言，優(yōu)質食味品種的糖苷合成酶活性較低，高產品種的糖苷合成酶活性較高。由圖3可見，高產品種‘津原89’是優(yōu)質食味品種‘津川1號’的3.2倍。

圖3 高產品種與優(yōu)質食味品種糖苷合成酶活性比較

2.2 高產品種的育種示蹤

無論是從野生稻向現(xiàn)代水稻品種演化，或是從第一代恢復系到現(xiàn)代恢復系演化，都表現(xiàn)為產量、產量構成因子的線路變化，如圖4。

圖4 現(xiàn)代品種的二維示蹤

圖4表明，‘矮腳南特’/‘東鄉(xiāng)野生稻’（1次雜交）、‘矮腳南特’/‘東鄉(xiāng)野生稻’//‘9311’（經過復交）的產量都明顯低于現(xiàn)代品種‘U-1’///‘矮腳南特’/‘東鄉(xiāng)野生稻’//‘9311’。從另一個維度看，‘明恢63’的產量不如‘9311’（‘揚稻6號’），‘明恢63’和‘9311’的產量都明顯低于現(xiàn)代品種的產量水平。

從系譜分析看，‘明恢63’ /‘小站95’的后代中選出‘偉27’，‘U-1’/‘偉27’的后代中選育出‘津稻294’。從跨組學的分析看，‘小站95’是具有部分秈稻血緣的地方品種，‘U-1’/‘小站95’可以選育出分蘗力強、結實率高的‘偉27’?！甎-1’/‘偉27’后代中可以選育出高產、優(yōu)質、抗病性好的‘津稻294’，‘津稻294’具有植株高矮好、穗子大小好、分蘗力強弱好的新品種?！虻?94’具有‘小站95’‘明恢63’‘U-1’等水稻品種的血緣，‘津稻294’聚合了秈、粳稻兩個基因組的優(yōu)良基因，經過兩次雜交，跨越了從地方品種到現(xiàn)代品種的快速發(fā)展，實現(xiàn)了高產、優(yōu)質、抗病的有機統(tǒng)一，成為不為多見的優(yōu)良品種，這個品種為水稻家族增添了新成員。

3 討論

3.1 育種示蹤技術及其在育種中的應用

Zeng等利用3個品種示蹤了28個重要農藝性狀基因[5]，研究表明，秈、粳兩個基因組可以進行有效的基因組交流，R1、R2、R3等新品系具有高產品種的產量結構，同時這些新品系也具有‘日本晴’的優(yōu)質特性?！?311’（‘揚稻6號’）為親本的雜交后代并沒有像‘明恢63’那樣出現(xiàn)131個恢復系，審定了249個新組合。但R1、R2、R3等新品系實現(xiàn)了優(yōu)化設計育種。

Zhou等以中國華南地區(qū)廣泛種植的優(yōu)質水稻品種‘黃華占’及其譜系品系為對象，通過重測序相關研究，鑒定得到重要的功能區(qū)域，為現(xiàn)代水稻育種提供了遺傳基礎和新思路[2]。在這一研究中，結合QTL定位、HTBs（‘黃花占’追溯片段）鑒定，在QTL分析的基礎上對應了生物功能基因，這是分子育種和育種示蹤的重大進步。本研究與前人研究有所不同，通過跨組學技術的綜合應用，結合品種系譜的溯源與示蹤，培育出高產優(yōu)質的新品種。

3.2 跨組學技術應用與現(xiàn)代品種選育

陸姝歡運用跨組學技術研究了小球藻培養(yǎng)過程的代謝機制，開辟了跨組學技術的新領域[9]。在作物育種中，少有運用跨組學技術進行育種示蹤的報道。但是，粳稻品種‘日本晴’已經有了水稻基因組的精細圖[10]。在秈稻品種中，‘9311’實現(xiàn)了隨機測序[11]，在繪制‘9311’基因組草圖的基礎上，已有‘兩優(yōu)培九’雜種優(yōu)勢的機制解析研究[12]。近年來，隨著水稻基因組計劃的深入開展，已經克隆了2 218個水稻重要農藝性狀基因[13-16]。在基因分子生物學的新領域，已經有圖位克隆、基因功能分析、兩個基因互作[17]、作物品種的代謝途徑分析[18]、產量與氮素利用的平衡[19]等研究。由于分子育種滯后于現(xiàn)代品種選育、常規(guī)育種技術與現(xiàn)代育種技術難以整合、生物學信息學發(fā)展難于結合骨干品種更新?lián)Q代等原因，利用跨組學技術進行現(xiàn)代品種選育尚缺乏系統(tǒng)的研究，本文的研究結果及相關研究為現(xiàn)代育種提供了新的思路和方法，必然為方興未艾的分子育種提供方法學和技術上的支持。