我國(guó)水稻重要農(nóng)藝性狀分子遺傳研究進(jìn)展及在育種上的應(yīng)用

李潛龍 王慧,2 方玉,2 張從合,2*

（1 上海中科荃銀分子育種技術(shù)有限公司，上海 200233；2 安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜交水稻新品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088；*通迅作者：zhangch7201@vip.sohu.com）

水稻（Oryza sativa L）是我國(guó)的主要糧食作物，具有悠久的種植歷史，詩(shī)經(jīng)記載“豐年多黍多稌”，其中“稌”即為糯稻。我國(guó)水稻發(fā)展經(jīng)歷兩次巨大的飛躍：一是20世紀(jì)60年代半矮稈化水稻品種革命，使水稻單產(chǎn)提高20%以上；二是在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的三系和細(xì)胞質(zhì)雄性不育系統(tǒng)的雜交水稻品種，使水稻平均產(chǎn)量又大幅度提高了20%[1]。然而，隨著耕地面積的不斷減少、環(huán)境污染加劇、生態(tài)環(huán)境壓力逐漸增大以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)水稻生產(chǎn)又提出了新的要求，不僅要高產(chǎn)、抗病、抗倒伏，還要求優(yōu)質(zhì)。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)人口將會(huì)達(dá)到16.5億，糧食生產(chǎn)將產(chǎn)生巨大的缺口。在這種情況下，傳統(tǒng)的育種技術(shù)已經(jīng)很難滿足當(dāng)前水稻生產(chǎn)的需要，尋找新的水稻育種技術(shù)迫在眉睫。常規(guī)育種技術(shù)是通過(guò)表型間接選擇基因型，一般只對(duì)質(zhì)量性狀有效，而對(duì)數(shù)量性狀則效果不明顯。這是由于數(shù)量性狀的連續(xù)變化是由多基因和環(huán)境因素控制的。近幾十年來(lái)，分子標(biāo)記、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)傳統(tǒng)水稻育種的概念和手段產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，使得分子育種技術(shù)在水稻上的應(yīng)用成為可能。分子育種是現(xiàn)代生物技術(shù)手段與傳統(tǒng)育種方法的結(jié)合，用于開(kāi)發(fā)水稻新品種。主要涉及利用分子標(biāo)記與決定目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)分子標(biāo)記，即可檢測(cè)到目的基因存在的分子標(biāo)記輔助選擇育種（MAS）和將特定的目的基因與轉(zhuǎn)化載體進(jìn)行體外重組，然后轉(zhuǎn)入水稻中進(jìn)行穩(wěn)定的整合、表達(dá)和遺傳的基因工程育種（GEB）[2]。

21世紀(jì)初，我國(guó)開(kāi)始了水稻功能基因組學(xué)的研究，一批與水稻重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）/基因、基因組變異和單倍型的克隆，為水稻的直接選擇和分子育種提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 水稻重要農(nóng)藝性狀基因的克隆

1.1 水稻產(chǎn)量相關(guān)基因的克隆

水稻產(chǎn)量性狀是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，受自然環(huán)境影響較大。水稻的產(chǎn)量構(gòu)成主要分為單位面積有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和粒質(zhì)量[3]。其中，有效穗數(shù)決定于每株水稻的有效分蘗，MOC1是我國(guó)科研人員克隆的首個(gè)調(diào)控水稻分蘗的基因，MOC1突變體由于不能形成分蘗芽而只有主莖沒(méi)有分蘗，該基因編碼GARS家族的核蛋白，過(guò)表達(dá)則分蘗數(shù)增加、株高變矮[4]。葉原基形成間隔期調(diào)控基因（PLA1）編碼細(xì)胞色素P450 CYP78A11，可以調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期葉片起始發(fā)育的速率，影響葉片數(shù)和分蘗數(shù)，從而調(diào)節(jié)有效穗數(shù)。PLA1還可以通過(guò)調(diào)節(jié)一次枝梗的發(fā)育來(lái)影響穗數(shù)[5]。

水稻的粒質(zhì)量主要是由粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚以及籽粒灌漿的充實(shí)度來(lái)決定。GS3是水稻中克隆的第1個(gè)與粒長(zhǎng)和粒質(zhì)量有關(guān)的主效QTL，同時(shí)也是控制水稻粒寬和籽粒充實(shí)度的微效QTL。它包括N端的OSR結(jié)構(gòu)域、1個(gè)跨膜區(qū)、TNFR/NGFR家族富半胱氨酸結(jié)構(gòu)域、以及C端的VWFC，通過(guò)負(fù)調(diào)控穎殼細(xì)胞數(shù)目來(lái)控制水稻的粒長(zhǎng)[6]。GW2基因編碼1個(gè)環(huán)型E3泛素連接酶，位于細(xì)胞質(zhì)中，通過(guò)將其底物錨定到蛋白酶體進(jìn)行降解，從而負(fù)調(diào)節(jié)細(xì)胞的分裂。其功能喪失不能將泛素轉(zhuǎn)移到靶蛋白上，因而使得本應(yīng)降解的底物不能被特異識(shí)別，從而激活穎花外殼細(xì)胞的分裂，導(dǎo)致穎殼變大，間接地，灌漿速率加快，最終使粒寬和粒質(zhì)量增加，進(jìn)而產(chǎn)量得到提高[7]。2015年，傅向東課題組和李家洋課題組同時(shí)發(fā)表論文，揭示了1個(gè)控制水稻粒型的基因GL7，該基因編碼擬南芥LONGIFOLIA蛋白的同源蛋白，而LONGIFOLIA能調(diào)節(jié)細(xì)胞的縱向伸長(zhǎng)，GL7位點(diǎn)發(fā)生了17.1kb的DNA大片段串聯(lián)重復(fù)，這一基因組結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致了GL7基因表達(dá)量的上升，同時(shí)還引起了其臨近的負(fù)調(diào)控因子表達(dá)的下調(diào)，引起粒長(zhǎng)增加，堊白度和堊白率降低，從而顯著改善稻米外觀品質(zhì)[8-9]。此外，GW5[10]、GW8[11]、GS5[12]、qTGW3[13]等基因均能調(diào)控水稻的產(chǎn)量性狀。

2010年，李家洋院士團(tuán)隊(duì)克隆了控制水稻理想株型形成的主效基因IPA1，該基因編碼1個(gè)含有SBPbox結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，其功能獲得性突變體具有無(wú)效分蘗少、莖稈粗壯抗倒伏、穗大粒多產(chǎn)量高等優(yōu)異農(nóng)藝性狀[14]。2018年，陳學(xué)偉研究小組發(fā)現(xiàn)，IPA1不僅促進(jìn)正常條件下水稻的生長(zhǎng)，而且在受到稻瘟病菌侵染時(shí)受誘導(dǎo)磷酸化而增強(qiáng)免疫反應(yīng)，這一機(jī)理使得在含有IPA1的功能獲得性基因型的水稻中，產(chǎn)量和稻瘟病抗性同時(shí)得到提高，這種機(jī)制打破了單個(gè)基因不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)和抗病的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為高產(chǎn)高抗育種提供了重要理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用新途徑[15]。

1.2 水稻品質(zhì)相關(guān)基因的克隆

水稻品質(zhì)主要由外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)、食味品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)共同決定。初期研究水稻品質(zhì)相關(guān)的基因是胚乳中淀粉合成相關(guān)基因，包括控制蔗糖合成酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶等的基因。這些基因通過(guò)影響直鏈淀粉含量高低來(lái)影響稻米的食味品質(zhì)。上世紀(jì)90年代，洪孟民院士率先克隆了水稻蠟質(zhì)基因Wx，該基因是控制直鏈淀粉合成的主效基因，直接影響水稻胚乳和花粉中直鏈淀粉的含量[16]。蠟質(zhì)基因的克隆揭示了糯稻與非糯水稻形成的分子機(jī)理，對(duì)我國(guó)稻米品質(zhì)改良具有重要意義。2014年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的何予卿課題組克隆了1個(gè)影響水稻籽粒堊白的基因Chalk5，該基因編碼1個(gè)液泡質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸酶（V-PPase），具有無(wú)機(jī)焦磷酸鹽（PPi）水解活性和質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)活性，影響水稻籽粒堊白的形成和精米率等品質(zhì)性狀。提高該基因的表達(dá)量可以增加胚乳堊白，可能是通過(guò)干擾發(fā)育中種子內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的pH穩(wěn)態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程影響了蛋白體的形成并且與囊泡類(lèi)結(jié)構(gòu)顯著增加相耦連，因此在胚乳儲(chǔ)存物質(zhì)中形成了氣體空間，從而導(dǎo)致了籽粒堊白的形成[17]。同年，何予卿課題組又鑒定了1個(gè)控制籽粒蛋白含量的關(guān)鍵基因qPC1，其通過(guò)調(diào)控谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白、清蛋白和淀粉的合成與累積來(lái)調(diào)控水稻籽粒蛋白質(zhì)含量[18]。2019年揚(yáng)州大學(xué)嚴(yán)長(zhǎng)杰課題組克隆了1個(gè)控制稻米蛋白質(zhì)總含量的關(guān)鍵基因Os－GluA2（qGPC-10），該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)400多份水稻種質(zhì)資源的總蛋白以及貯藏蛋白含量分別進(jìn)行測(cè)定，確定了胚乳中谷蛋白含量的變異是水稻總蛋白變異的決定因子；在不同環(huán)境中同時(shí)鑒定出了2個(gè)能夠穩(wěn)定遺傳的控制水稻蛋白質(zhì)含量的關(guān)鍵QTLs，并通過(guò)圖位克隆與功能研究明確了qGPC-10（OsGluA2）能夠顯著影響稻米蛋白質(zhì)含量并最終影響稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[19]。水稻香味是評(píng)價(jià)水稻品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，香味基因Os－BADH2（fgr）編碼甜菜堿醛脫氫酶，其功能喪失能夠?qū)е孪阄段镔|(zhì)2-乙酰基-1-吡咯啉不斷積累，形成具有香味的水稻葉片和籽粒[20]。除此之外，還有GW8[11]、FLO6[21]、GIF1[22]等基因通過(guò)不同的途徑調(diào)控稻米的品質(zhì)。

1.3 水稻抗病蟲(chóng)害相關(guān)基因的克隆

稻瘟病、白葉枯病和紋枯病是影響水稻生產(chǎn)的三大病害，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致大面積減產(chǎn)甚至絕收。早在2004年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王石品課題組鑒定了水稻白葉枯抗病基因Xa26，該基因在粳稻中具有廣譜且持久的抗性[23]。最新研究表明，水稻磷酸丙糖異構(gòu)酶TPI1.1通過(guò)與Xa3/Xa26結(jié)合增強(qiáng)自身酶活，通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)活性氧的含量來(lái)參與Xa3/Xa26介導(dǎo)的白葉枯抗病途徑[24]。2014年，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院萬(wàn)建民院士課題組克隆了水稻中首個(gè)抗條紋葉枯基因STV11，該基因的抗病等位基因STV11-R編碼1個(gè)磺基轉(zhuǎn)運(yùn)酶OsSOT1，該酶催化水楊酸（SA）轉(zhuǎn)化為磺化水楊酸，從而使水稻對(duì)條紋葉枯病毒具備持久抗性，而感病等位基因STV11-S失去這種活性[25]。目前為止，水稻中報(bào)道了40多個(gè)水稻抗白葉枯病QTL位點(diǎn)，其中被克隆的有11個(gè)基因，包括Xa1[26]、Xa3/Xa26[23]、Xa4[27]、Xa5[28]、Xa10[29]、Xa13[30]、Xa21[31]、Xa23[32]、Xa25[33]、Xa27[34]、Xa41[35]。2017年，廣譜持久抗稻瘟病基因Pigm被報(bào)道，揭示了水稻廣譜抗病性與產(chǎn)量平衡的表觀遺傳調(diào)控新機(jī)制，為解決作物高抗與產(chǎn)量之間的矛盾提供了新理論[36]。2018年陳學(xué)偉課題組在《Science》上發(fā)表了水稻理想株型關(guān)鍵基因IPA1在水稻抗稻瘟病過(guò)程中的作用，IPA1結(jié)合DEP1等穗發(fā)育相關(guān)基因的啟動(dòng)子，促進(jìn)其表達(dá)，調(diào)控水稻理想株型的建成與水稻產(chǎn)量；受稻瘟病菌誘導(dǎo)后，IPA1發(fā)生磷酸化修飾并改變其與DNA序列的結(jié)合特性，使得IPA1結(jié)合抗病相關(guān)基因WRKY45的啟動(dòng)子，促進(jìn)其表達(dá)，增強(qiáng)免疫反應(yīng)，提高抗病性[15]。2019年萬(wàn)建民院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了1個(gè)水稻稻瘟病抗性的“閘門(mén)”基因OsCNGC9，該基因?qū)Φ疚敛】剐跃哂姓蛘{(diào)控作用，能夠介導(dǎo)PAMP誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流，這對(duì)于PAMPs觸發(fā)的ROS爆發(fā)和誘導(dǎo)PTI相關(guān)防御基因表達(dá)具有重要作用。進(jìn)一步研究表明，PTI相關(guān)的受體樣胞質(zhì)激酶Os－RLCK185能夠與OsCNGC9互作，并通過(guò)磷酸化修飾改變其通道活性，揭示了OsCNGC9在介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)鈣離子升高和水稻抗病中的作用，為水稻稻瘟病抗性改良育種提供了重要的材料和新的理論基礎(chǔ)[37]。

褐飛虱是一種主要的水稻害蟲(chóng)，每年造成水稻產(chǎn)量的大量損失。BPH14是水稻中克隆的第1個(gè)抗褐飛虱的主效基因，該基因編碼一種具有卷曲螺旋、核苷酸結(jié)合以及富含亮氨酸重復(fù)序列的蛋白，通過(guò)激活水楊酸（SA）信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)介導(dǎo)對(duì)褐飛虱的抗性[38]。2015年，萬(wàn)建民院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了抗褐飛虱基因BPH3，1個(gè)編碼3種質(zhì)膜凝集素激酶受體的基因簇，它們共同發(fā)揮作用，賦予廣譜和持久的抗蟲(chóng)性[39]。迄今為止，已從栽培稻和野生稻中鑒定出至少35個(gè)抗飛虱基因，其中Bph14、Bph3、Bph18、Bph26、Bphi008a和Bph29已被克隆[40]。

1.4 水稻耐逆相關(guān)基因的克隆

水稻在生長(zhǎng)過(guò)程中，不僅會(huì)受到蟲(chóng)害、病害和雜草危害等生物逆境脅迫，還會(huì)受到洪水、干旱、高溫、低溫以及土壤鹽堿化和重金屬污染等非生物逆境脅迫。近年來(lái)，水稻非生物抗逆性分子育種研究得到了一系列重要的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)并克隆了一些基因和QTL，這些基因和QTL在水稻抗逆性育種中具有較高的應(yīng)用潛力。2015年，中國(guó)科學(xué)院林鴻宣課題組克隆了第1個(gè)耐高溫的QTL基因OsTT1，該基因編碼1個(gè)參與泛素化蛋白降解的26S蛋白酶體α2亞基。泛素化組學(xué)分析表明，OsTT1通過(guò)更有效降解有毒變性蛋白以及維持高溫應(yīng)答過(guò)程，進(jìn)而保護(hù)植物細(xì)胞[41]。同年，種康課題組在粳稻中鑒定到了1個(gè)水稻重要耐寒性QTL基因COLD1，冷處理時(shí)，COLD1與G-蛋白α 亞基RGA互作，激活Ca2+通道，觸發(fā)下游耐寒防御反應(yīng)，而后加速G蛋白GTP酶活性以平衡G蛋白動(dòng)態(tài)活性[42]。2016年，薛勇彪課題組克隆了1個(gè)新的水稻耐熱關(guān)鍵基因TOGR1，該基因編碼一種溫度介導(dǎo)和節(jié)律調(diào)控的DEAD-Box RNA解旋酶，TOGR1參與高溫條件（25℃～40℃）下正常rRNA前體的加工，是細(xì)胞核仁SSU復(fù)合體的伴侶蛋白，對(duì)高溫下的細(xì)胞增殖十分重要，調(diào)控水稻耐熱生長(zhǎng)[43]。2019年，中國(guó)科學(xué)院陳彩艷課題組與湖南雜交水稻研究中心袁隆平團(tuán)隊(duì)克隆了1個(gè)水稻抗寒關(guān)鍵基因HAN1，該基因編碼1個(gè)氧化酶，能催化有生物活性的茉莉酰-L-異亮氨酸（JA-Ile）轉(zhuǎn)化為非活性形式12羥基-茉莉酰-L-異亮氨酸（12OH-JA-Ile），并微調(diào)JA介導(dǎo)的冷凍反應(yīng)[44]。

鹽脅迫是造成水稻減產(chǎn)的重要環(huán)境因素之一。2005年，林鴻宣課題組在水稻中克隆了第1個(gè)耐鹽QTL基因skc1,該基因編碼1個(gè)HKT家族的鈉離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，主要集中在木質(zhì)部，地上部多余的Na+通過(guò)木質(zhì)部卸載回流到根部，從而降低Na+的毒性，增強(qiáng)水稻耐鹽性[45]。2018年，湖南大學(xué)劉選明課題組發(fā)現(xiàn)1個(gè)可以在鹽脅迫條件下明顯提高水稻耐鹽性和產(chǎn)量的類(lèi)受體胞質(zhì)激酶基因STRK1，STRK1在受到高鹽滲透后發(fā)生自磷酸化，并通過(guò)磷酸化與其相互作用的過(guò)氧化氫酶C的210位的酪氨酸殘基，顯著提高過(guò)氧化氫酶活性，從而將過(guò)量有害的過(guò)氧化氫分解為水和氧氣，降低高鹽滲透造成的危害，提高水稻耐鹽性和產(chǎn)量[46]。

鎘是環(huán)境毒性污染的重金屬元素之一，水稻容易吸收和積累鎘元素，人體攝入鎘超標(biāo)的大米會(huì)嚴(yán)重危害身體健康。2018年龔繼明課題組克隆了1個(gè)水稻葉片鎘積累的關(guān)鍵基因CAL1，該基因編碼植物防御素類(lèi)似蛋白，通過(guò)螯合鎘并將其排除出細(xì)胞來(lái)降低細(xì)胞內(nèi)的鎘濃度[47]。2019年，何振艷課題組采用全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到了1個(gè)參與鎘轉(zhuǎn)運(yùn)的主要協(xié)助轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族成員OsCd1。該研究發(fā)現(xiàn)了參與水稻鎘吸收和籽粒鎘積累的OsCd1基因及其低鎘積累的自然變異Os－Cd1V449，對(duì)水稻鎘積累分子機(jī)制的闡釋和低鎘水稻品種的培育具有重要參考[48]。隨著基因組學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多參與調(diào)控水稻鎘積累的基因被克隆，如OsHMA3[49]、OsPDR5[50]、LCD[51]、OsMTP1[52]等。

2 水稻重要農(nóng)藝性狀基因的應(yīng)用

2.1 在提高產(chǎn)量上的應(yīng)用

為了提高糧食產(chǎn)量，保證糧食安全，我國(guó)科學(xué)家采用分子育種的方法在水稻產(chǎn)量的提高上取得了顯著成就。李家洋院士團(tuán)隊(duì)將IPA1導(dǎo)入優(yōu)質(zhì)秈、粳稻骨干親本中，充分利用秈粳雜交稻的雜種優(yōu)勢(shì)，將雜種優(yōu)勢(shì)和理想株型相結(jié)合，聚合了控制理想株型、抗稻瘟病、結(jié)實(shí)率、生育期等優(yōu)異性狀的等位基因，育成適宜長(zhǎng)江中下游稻區(qū)種植的“嘉優(yōu)中科”系列水稻新品種[53]。郭龍彪等通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇育種（MAS）將控制粒重的基因GW6轉(zhuǎn)入秈稻品種9311中，構(gòu)建近等基因系，從中選擇出1個(gè)優(yōu)良品系，該品系相對(duì)于輪回親本9311粒長(zhǎng)和粒質(zhì)量分別增加了11.0%和19.0%，單株產(chǎn)量增加了6.7%[54]。

2.2 在品質(zhì)改良上的應(yīng)用

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)稻米品質(zhì)的要求也越來(lái)越高。王巖等把中國(guó)香稻的alk和fgr等位基因片段通過(guò)回交聚合的育種方法導(dǎo)入明恢63中，改良后的明恢63表現(xiàn)出明顯的低糊化溫度（GT）、高凝膠濃度（GC）、堊白度降低、香味增加，稻米外觀、蒸煮和食味品質(zhì)均得到顯著提高[55]。高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交稻中優(yōu)161是莊杰云等利用分子標(biāo)記輔助育種（MAS）選育出的恢復(fù)系中恢161（攜帶有利等位基因wx），與不育系中9A配組而成[56]。LIU等采用PCR-AccI分子標(biāo)記，將Wxb基因?qū)攵i型雜交稻親本龍?zhí)馗驼渖?7中，在后代中選育出低直鏈淀粉含量的改良保持系和恢復(fù)系[57]。

2.3 在提高水稻抗病蟲(chóng)害方面的應(yīng)用

白葉枯病突發(fā)性強(qiáng)，且傳播和侵染速度快，一旦暴發(fā)，便很難控制。為了提高水稻對(duì)白葉枯病的抗性，曹立勇等采用分子標(biāo)記輔助選擇的方法在帶有抗白葉枯基因XA21的材料IRBB21和感病品種IR24的雜交后代中選育出具有抗白葉枯病基因Xa21的恢復(fù)系中恢8006，并配制出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗病雜交稻國(guó)稻1號(hào)[58]。鄧啟明等利用 IRBB60（Xa21、Xa4、Xa13、Xa5）、WBB1（Xa23）、感病品種綿恢725為材料，采用復(fù)合雜交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)（MAS）得到聚合Xa21、Xa23和Xa4的雜交水稻優(yōu)良恢復(fù)系綿恢725[59]。黃大輝等用抗稻瘟病品種合豐占與抗白葉枯病品系粵泰占雜交，經(jīng)過(guò)多代自交選育，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)(MAS)，選育出聚合了多個(gè)抗稻瘟病基因（Pi-ta、Pib、Pi54）和抗白葉枯病兼抗細(xì)條病基因Xa5的優(yōu)質(zhì)、多抗恢復(fù)系桂恢663[60]。

稻瘟病每年都會(huì)造成糧食的大量減產(chǎn)，為了選育出高抗稻瘟病的水稻新品種，世界各國(guó)的水稻育種專家開(kāi)展了大量的工作。劉雄倫等以谷梅4號(hào)和湘晚秈13為材料，通過(guò)連續(xù)回交、自交及分子標(biāo)記輔助選擇（MAS），培育出含有Pigm純合等位基因、高抗苗瘟和穗瘟，且農(nóng)藝性狀與湘晚秈13高度相似的BC株系，實(shí)現(xiàn)了稻瘟病抗性的定向改良目標(biāo)[61]。朱旭東等以C101LAC和C101A51為稻瘟病抗性基因的供體親本、金23B為受體親本，通過(guò)雜交、復(fù)交及一次回交，在分離世代利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)（MAS），獲得了帶有Pi-1、Pi-2和Pi-33基因的金23B導(dǎo)入系，對(duì)稻瘟病具有明顯的抗性[62]。倪大虎等通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)（MAS）與傳統(tǒng)的雜交、自交相結(jié)合的方法，將抗稻瘟病的Pi9(t)基因和抗白葉枯病的Xa21及Xa23基因聚合到了同一株系中[63]。

自上個(gè)世紀(jì)70年代以來(lái)，各國(guó)科研工作者都展開(kāi)了水稻抗飛虱基因的發(fā)掘與育種應(yīng)用工作。朱永生等以抗褐飛虱材料B5（攜帶Bph14和Bph15）及攜帶白背飛虱抗性位點(diǎn)qsI-4的秈型恢復(fù)系水稻品種?；?011為供體親本、以骨干恢復(fù)系?；?76為輪回親本，采用低世代分離群體田間表型結(jié)合單株鑒定與高世代穩(wěn)定株系室內(nèi)篩選和分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）相結(jié)合的方法，并對(duì)抗蟲(chóng)株系及其測(cè)交后代進(jìn)行考查和農(nóng)藝性狀分析，選育出聚合Bph14、Bph15和qsI-4的恢復(fù)系材料[64]。徐鵬等以R1813為父本，利用分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）和回交轉(zhuǎn)育技術(shù)，將MD12086-41中攜帶的稻瘟病抗性基因Pi9、白葉枯病抗性基因Xa23、褐飛虱抗性基因Bph14和Bph15滲入到R1813得到聚合3種抗性基因的改良系[65]。

2.4 在提高水稻的耐逆性方面的應(yīng)用

我國(guó)的鹽堿（漬）地面積大約9 913萬(wàn)hm2，其中嚴(yán)重鹽漬化土壤大約3 667萬(wàn)hm2，是世界鹽堿地大國(guó)。因此，開(kāi)展水稻耐鹽研究，通過(guò)遺傳改良脅迫選擇提高水稻的耐鹽性，選育出耐鹽水稻品種將使鹽堿稻作區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到有效改善，使糧食生產(chǎn)安全得到保障。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院等單位通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）與常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，建立耐鹽、優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)多基因聚合育種技術(shù)體系，將優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)、耐鹽基因聚合到優(yōu)良水稻品種中，育成適宜沿海灘涂種植的耐鹽水稻品種南粳9108等[66]。郭龍彪等通過(guò)基因工程的方法將CMO、BADH、mtlD、gutD和SAMDC導(dǎo)入秀水11中，得到9份耐鹽的優(yōu)良株系或中間材料[67]。2018年全國(guó)“海水稻”區(qū)域試驗(yàn)，共有28個(gè)品種表現(xiàn)較好。

3 利用基因工程創(chuàng)制水稻新材料

傳統(tǒng)的水稻育種技術(shù)很難將這些功能基因快速利用起來(lái)，而水稻基因工程育種是利用基因工程的手段，有目的地將外源基因?qū)胨净蚪M，通過(guò)直接表達(dá)外源基因，或調(diào)控內(nèi)源基因的表達(dá)甚至調(diào)控植物相關(guān)基因的表達(dá)，快速、高效的使水稻獲得新性狀的一種新的水稻品種改良技術(shù)?；蚬こ碳夹g(shù)為水稻新品種的培育提供了一個(gè)嶄新的途徑，可以實(shí)現(xiàn)物種之間遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移[68]。中國(guó)水稻研究所水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)轉(zhuǎn)基因的方法將MOC1轉(zhuǎn)基因純系與中超123雜交，獲得了大量分蘗少、農(nóng)藝性狀優(yōu)良、具有高產(chǎn)潛力的中間材料。龍起樟等以廣泛使用的雜交水稻親本華占和五豐B以及常規(guī)水稻品種五山絲苗和中早35為材料，采用CRISPR/Cas9技術(shù)將OsNramp5基因敲除，得到的基因敲除株系籽粒鎘含量低于0.1 mg/kg[69]。胡昌泉等采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將可溶性淀粉合成酶III基因（OsSSIIIa）和淀粉分支酶IIb基因（OsBEIIb）導(dǎo)入秈稻恢復(fù)系明恢86中，可有效的降低直鏈淀粉含量[70]。胡燕等利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將Pi-d2基因轉(zhuǎn)入秈稻品種蜀恢527中，增強(qiáng)了其對(duì)稻瘟病的抗性[71]。向殿軍等利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將擬南芥ICE1基因?qū)雺ㄨb稻10號(hào)中，顯著提高了該品種的耐寒性[72]。朱寶成等利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將大麥的LEA3基因轉(zhuǎn)入水稻中，并對(duì)轉(zhuǎn)基因植株進(jìn)行了抗?jié)B透脅迫能力分析，結(jié)果證明，在環(huán)境脅迫條件下，導(dǎo)入LEA3基因的植株可溶性糖含量、可溶性蛋白含量以及SOD活性均高于對(duì)照[73]。劉耀光等利用Cre/loxP重組系統(tǒng)和新創(chuàng)建的不可逆重組的突變loxP位點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了新一代的高效多基因載體系統(tǒng)TGS II（TransGene Stacking II）。通過(guò)使用該系統(tǒng)，成功把花青素合成相關(guān)的8個(gè)關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)入水稻，實(shí)現(xiàn)了花青素在水稻胚乳特異合成，創(chuàng)造出首例富含花青素的水稻新種質(zhì)“紫晶米”[74]。王克劍等利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，在春優(yōu)84中敲除了4個(gè)水稻生殖相關(guān)基因（PAIR1、REC8、OSD1和MTL），使雜交稻產(chǎn)生了無(wú)融合生殖性狀，并產(chǎn)生了與雜交稻一樣的克隆種子；進(jìn)一步檢測(cè)確定，通過(guò)克隆種子培育的子代植株與一代雜交稻高度相似。該研究證明了雜交稻進(jìn)行無(wú)融合生殖的可行性[75]。周煥斌等利用腺嘌呤堿基編輯器rBE14工具，對(duì)水稻α-微管蛋白基因OsTubA2進(jìn)行了定點(diǎn)核苷酸編輯，獲得了對(duì)靶標(biāo)除草劑二甲戊靈耐受水平達(dá)到推薦劑量的3倍、對(duì)氟樂(lè)靈也有較好的耐受性的水稻新種質(zhì)[76]。

4 展望

近十幾年中，我國(guó)水稻科研工作者在水稻分子育種中取得了矚目的成就。不僅克隆解析了一批調(diào)控水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病、抗蟲(chóng)和耐逆的基因，還將這些基因運(yùn)用于水稻育種，培育出一系列適應(yīng)當(dāng)代種植環(huán)境的水稻新品種。而且基因編輯技術(shù)也將成為一種高效的分子育種途徑。與傳統(tǒng)的雜交育種方法相比，它能縮短聚合優(yōu)異基因的時(shí)間，并且可以得到更加豐富的遺傳種質(zhì)資源。未來(lái)，隨著育種的理論和技術(shù)水平不斷提高、基因組學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水稻分子育種相關(guān)的種質(zhì)資源信息將不斷完善，將會(huì)為水稻分子設(shè)計(jì)育種提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。水稻育種從常規(guī)育種向分子設(shè)計(jì)育種發(fā)展是一個(gè)大趨勢(shì)，從產(chǎn)量、品質(zhì)、選擇效率、抗病蟲(chóng)性、耐逆性等方面改善水稻的農(nóng)藝性狀，為保護(hù)國(guó)家糧食安全和環(huán)境安全做出進(jìn)一步貢獻(xiàn)。