東鄉(xiāng)野生稻研究進(jìn)展及育種利用策略

毛一劍 李三峰 吳榮梁 王躍星 李春生

（中國(guó)水稻研究所，杭州 311400；*通訊作者）

東鄉(xiāng)野生稻屬普通野生稻，是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的分布最北（N 28°14′、E 116°36′）的野生稻特異種質(zhì)資源。孫傳清等[1]對(duì)東鄉(xiāng)野生稻和栽培稻的核DNA序列分析認(rèn)為，東鄉(xiāng)野生稻屬于栽培稻近緣祖先種。因此，更容易實(shí)現(xiàn)將其優(yōu)良基因?qū)朐耘嗟?，已有的關(guān)于東鄉(xiāng)野生稻的育種研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。東鄉(xiāng)野生稻具有豐富的遺傳多樣性。張曉麗等[2]研究發(fā)現(xiàn)，東鄉(xiāng)野生稻遺傳多樣性顯著高于被選用的栽培稻，XIE等[3]的研究也得出了相似結(jié)論。因此，相較于其他野生稻類型，東鄉(xiāng)野生稻更有利于作為栽培稻遺傳改良的優(yōu)異種質(zhì)資源加以利用。一直以來，為了充分挖掘東鄉(xiāng)野生稻的有利基因?yàn)樵耘嗟酒贩N改良所用，我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)開展了不少研究，并取得了顯著進(jìn)展。

1 東鄉(xiāng)野生稻的抗病性研究

前人對(duì)東鄉(xiāng)野生稻抗病性方面的研究主要集中在稻瘟病、白葉枯病和細(xì)菌性條斑病的抗性上。早期研究認(rèn)為，東鄉(xiāng)野生稻具有較強(qiáng)的稻瘟病抗性[4]。但早期研究采用的東鄉(xiāng)野生稻材料和抗性鑒定方法或多或少存在一定局限性，其研究結(jié)果不具普遍性，隨后的研究結(jié)果與早期的研究結(jié)果也不盡相同。對(duì)東鄉(xiāng)野生稻抗病性研究比較全面和典型的有黃瑞榮、李湘民等[5-7]，并得出了較為一致的結(jié)論。黃瑞榮等[5]研究發(fā)現(xiàn)，東鄉(xiāng)野生稻對(duì)白葉枯病和細(xì)條病的抗性總體較強(qiáng)，而對(duì)稻瘟病抗性較差，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了集以上3種病害抗性于一身的5份珍貴材料。黃瑞榮等[6]進(jìn)一步的研究再次證實(shí)東鄉(xiāng)野生稻材料總體對(duì)稻瘟病的抗性較差，但對(duì)白葉枯病和細(xì)菌性條斑病抗性良好，且兩者呈顯著正相關(guān)。李湘民等[7]利用222個(gè)單株對(duì)東鄉(xiāng)野生稻的抗病性進(jìn)行研究，結(jié)果僅發(fā)現(xiàn)2個(gè)單株表現(xiàn)為中抗稻瘟病，其他單株則普遍感病；對(duì)白葉枯病表現(xiàn)抗和中抗的單株占比合計(jì)高達(dá)50.45%，沒有出現(xiàn)高抗或高感的單株；對(duì)細(xì)菌性條斑病表現(xiàn)出抗與中抗的單株占比合計(jì)高達(dá)51.35%；對(duì)紋枯病表現(xiàn)中抗的單株占比為8.11%；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，東鄉(xiāng)野生稻材料的白葉枯病、細(xì)菌性條斑病抗性之間存在著顯著的正相關(guān)，而與稻瘟病、紋枯病抗性的相關(guān)性不顯著。此外，卻志群等[8]在東鄉(xiāng)野生稻中發(fā)現(xiàn)了類Xa1的抗白葉枯病同源基因，進(jìn)一步證實(shí)了東鄉(xiāng)野生稻對(duì)白葉枯病具有抗性。李信申等[9]的研究則進(jìn)一步證實(shí)了東鄉(xiāng)野生稻對(duì)于細(xì)菌性條斑病的優(yōu)良抗性。根據(jù)前人研究結(jié)果，認(rèn)為東鄉(xiāng)野生稻存在著較多的白葉枯病和細(xì)菌性條斑病抗源，且這兩者之間存在著顯著正相關(guān)關(guān)系，這十分有利于從中挖掘具有白葉枯病、細(xì)菌性條斑病雙重抗性的優(yōu)良抗源材料。

2 東鄉(xiāng)野生稻的抗蟲性研究

稻飛虱和螟蟲是對(duì)水稻危害嚴(yán)重的兩大蟲害，一直以來對(duì)東鄉(xiāng)野生稻抗蟲性方面的研究也主要集中在這兩大蟲害。早期研究發(fā)現(xiàn)，東鄉(xiāng)野生稻莖稈具有堅(jiān)韌、稈細(xì)、壁厚、腔小、維管束發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不利于螟蟲侵入，因而使得其具有高抗二化螟、三化螟、大螟和稻縱卷葉螟的優(yōu)良特性[10]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，水稻科技工作者們意識(shí)到，從栽培稻中發(fā)現(xiàn)的抗蟲基因抗譜相對(duì)較窄，因此，從20世紀(jì)90年代以來，從野生稻中挖掘新的抗蟲基因逐步成為研究的熱點(diǎn)。陳潔[11]利用東鄉(xiāng)野生稻和栽培稻的回交重組自交系群體和SSR、RFLP標(biāo)記構(gòu)建了遺傳連鎖圖譜，對(duì)稻飛虱抗性開展研究，共檢測(cè)到4個(gè)抗蟲QTL，其中2個(gè)抗褐飛虱QTL分別位于第2和第7染色體，2個(gè)抗白背飛虱QTL分別位于第5和第9染色體。進(jìn)一步研究表明，位于第9染色體的抗白背飛虱QTL qWph9遺傳效應(yīng)最為穩(wěn)定[12]；黃水金等[13]利用若干東鄉(xiāng)野生稻不同來源材料進(jìn)行抗性篩選，獲得6份中抗褐飛虱材料；黃得潤(rùn)等[14]則利用協(xié)青早B//協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻的BC1F5群體進(jìn)行QTL分析，檢測(cè)到了來自于東鄉(xiāng)野生稻的2個(gè)抗褐飛虱QTL qBph2和qBph7，分別位于第2和第7染色體，前者抗褐飛虱生物型Ⅰ和生物型Ⅱ，后者抗褐飛虱生物型Ⅰ和 生物型Ⅲ。由上可見，東鄉(xiāng)野生稻具有抗稻飛虱、抗螟蟲的優(yōu)良特性，進(jìn)一步對(duì)其抗蟲分子機(jī)制進(jìn)行探索，并與高產(chǎn)育種相結(jié)合，有利于選育出抗蟲、高產(chǎn)的栽培稻品種。

3 東鄉(xiāng)野生稻的抗逆性研究

具有強(qiáng)耐寒性是東鄉(xiāng)野生稻一個(gè)標(biāo)志性的優(yōu)良特性，對(duì)其耐寒性研究主要集中在耐寒性鑒定上。研究表明，東鄉(xiāng)野生稻發(fā)育起點(diǎn)溫度低，不僅苗期耐寒性特強(qiáng)，能夠抵御低溫冷害，防止?fàn)€秧，而且抽穗期耐寒性也很強(qiáng)，能夠抵御較強(qiáng)“寒露風(fēng)”[15-18]。東鄉(xiāng)野生稻耐寒性在育種上的利用也取得了較好進(jìn)展，陳大洲等[19]利用東鄉(xiāng)野生稻對(duì)粳稻0298進(jìn)行耐寒性改良，育成了耐寒粳型新品種東野1號(hào)；賀浩華等[20]利用東鄉(xiāng)野生稻與普通栽培稻雜交，成功育成了具有穩(wěn)定強(qiáng)耐寒性的10個(gè)越冬品系和3個(gè)越冬不育系；陳明亮等[21]利用東鄉(xiāng)野生稻的耐冷和耐低氧萌發(fā)能力，育成了具有相應(yīng)抗逆性狀的三系不育系贛野A。在東鄉(xiāng)野生稻耐寒生理機(jī)制上，黃濤等[22]測(cè)定了耐寒的東鄉(xiāng)野生稻和不耐寒品種6225葉片內(nèi)源脫落酸（ABA）和赤霉素（GA）含量，發(fā)現(xiàn)水稻耐寒性與ABA含量上升、GA含量下降有關(guān)，而東鄉(xiāng)野生稻在低溫下，ABA、GA含量水平的變化要比6225快得多；張成良等[23]等研究了東鄉(xiāng)野生稻的根系抗氧化系統(tǒng)對(duì)冷脅迫的反應(yīng)，認(rèn)為其在冷脅迫條件下，根系抗氧化酶活性增加是其耐寒的生理機(jī)制之一。在東鄉(xiāng)野生稻耐寒QTL的鑒定上，陳大洲等[24]利用協(xié)青早B/東鄉(xiāng)野生稻的BC1F1群體，在第4和第8染色體上檢測(cè)到2個(gè)能提高苗期耐寒性的QTL，分別與標(biāo)記RM280、RM337緊密連鎖；劉鳳霞等[25]以東鄉(xiāng)野生稻、桂朝2號(hào)為親本構(gòu)建了高代回交群體，從中檢測(cè)到了2個(gè)可顯著提高抽穗期耐寒性的主效QTL qRLT1-1和qRLT6-1，分別來源于東鄉(xiāng)野生稻的第1和第6染色體。夏瑞祥等[26]利用東鄉(xiāng)野生稻、南京11號(hào)構(gòu)建的BC2F1分離群體，檢測(cè)到了2個(gè)貢獻(xiàn)率分別高達(dá)34.1%、37.0%的苗期耐寒性主效QTL qRC10-1、qRC10-2，均來源于東鄉(xiāng)野生稻的第10染色體。另外，左佳等[27]檢測(cè)到了2個(gè)貢獻(xiàn)率分別高達(dá)16.3%、19.2%與耐寒性相關(guān)的QTL qSCR3、qSCR11，來源于東鄉(xiāng)野生稻的第3和第11染色體。然而，盡管定位到了不少高貢獻(xiàn)率的耐寒性QTL，也有研究對(duì)相關(guān)QTL的可能候選基因進(jìn)行了克隆[28-30]，但是迄今尚未有明確的來自東鄉(xiāng)野生稻耐寒基因被克隆的報(bào)道。除了具有強(qiáng)耐寒性，東鄉(xiāng)野生稻還具有抗旱優(yōu)良特性，這已被較多的研究證實(shí)[31-33]。值得關(guān)注的是，ZHOU等[34]在對(duì)東鄉(xiāng)野生稻的抗旱性QTL分析中，共檢測(cè)到 了12個(gè)抗旱QTL，其中在第12染色體檢測(cè)到的qSDT12-2在不同的重復(fù)中均檢測(cè)到，是1個(gè)穩(wěn)定存在的抗旱QTL。此外，王會(huì)民等[35]還利用東鄉(xiāng)野生稻和9311構(gòu)建的BC1F2群體分離鑒定到了1個(gè)耐旱主效QTL qDR7。耐低氮也是東鄉(xiāng)野生稻的一個(gè)優(yōu)良特性。吳婷等[36]在施氮肥和不施氮肥兩種環(huán)境下，利用協(xié)青早B//東鄉(xiāng)野生稻/協(xié)B BC1F12回交重組自交系進(jìn)行QTL分析，檢測(cè)到24個(gè)來自于東鄉(xiāng)野生稻的QTL與耐低氮相關(guān)。

4 東鄉(xiāng)野生稻的育性研究

東鄉(xiāng)野生稻的育性研究主要集中在利用東鄉(xiāng)野生稻培育細(xì)胞質(zhì)雄性不育系方面，并取得了很好的成效。20世紀(jì)80年代和90年代應(yīng)用廣泛的矮敗型三系不育系協(xié)青早A，就是吳讓祥利用東鄉(xiāng)野生稻中的矮稈不育株轉(zhuǎn)育而成[37]。隨后，肖曉春等[38-42]先后育成了東B11A、中早35A、47A等一批具有東鄉(xiāng)野生稻細(xì)胞質(zhì)的雄性不育系。值得一提的是，已克隆的且完全獨(dú)立于野敗型的D1型水稻細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因，就是首次在東鄉(xiāng)野生稻中被發(fā)現(xiàn)[43]。D1型雜交水稻的發(fā)展應(yīng)用極大豐富了雜交水稻類型，對(duì)促進(jìn)雜交水稻的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。另外，在恢復(fù)基因研究方面，已有的研究表明，東鄉(xiāng)野生稻對(duì)矮敗型及印尼水田谷型不育胞質(zhì)的恢復(fù)性表現(xiàn)為質(zhì)量-數(shù)量性狀遺傳，其恢復(fù)性極有可能由1對(duì)或2對(duì)基因控制，且主要表現(xiàn)為完全顯性遺傳[44-46]。

5 東鄉(xiāng)野生稻的產(chǎn)量性狀研究

早先對(duì)東鄉(xiāng)野生稻產(chǎn)量性狀的研究?jī)H僅局限于植株外觀性狀的研究，直到21世紀(jì)初，在分子生物學(xué)層面的研究才逐步得以開展。李德軍等[47]以東鄉(xiāng)野生稻為供體，桂朝2號(hào)為受體構(gòu)建了一套高代回交群體，并運(yùn)用AB-QTL（advanced backcross QTL）分析法進(jìn)行了QTL分析，共檢測(cè)到了51個(gè)產(chǎn)量相關(guān)QTL。更為重要的是，在第2和第11染色體上檢測(cè)到了2個(gè)來源于東鄉(xiāng)野生稻的高產(chǎn)QTL，分別使桂朝2號(hào)單株產(chǎn)量增加25.9%和23.2%，其中第2染色體RM233A附近的qGY2-1的貢獻(xiàn)率高達(dá)16.0%，是一個(gè)主效基因。羅小金[48]進(jìn)一步利用染色體片段代換定位法，將其精細(xì)定位在標(biāo)記RM279與SBG1之間的102.9 kb區(qū)域內(nèi)，基因組分析發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)包含了1個(gè)由LRK1~LRK8 8個(gè)富含亮氨酸受體激酶（leucine-rich repeat receptorlike kinase，LRK）基因組成的基因簇，基因簇內(nèi)表現(xiàn)出顯著的等位基因變異。查笑君[49]用來自東鄉(xiāng)野生稻的LRK1基因進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)LRK1蛋白位于質(zhì)膜上，過表達(dá)LRK1基因降低了株高，促進(jìn)了細(xì)胞分裂和植株生長(zhǎng)，提高了水稻有效分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)、二次枝梗數(shù)，因此推測(cè)其與植株分枝發(fā)育有關(guān)。田豐[50]以東鄉(xiāng)野生稻為供體、桂朝2號(hào)為受體的滲入系為材料，在北京和海南對(duì)產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行QTL檢測(cè)，在兩個(gè)環(huán)境中同時(shí)檢測(cè)到17個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀的QTL，其中有6個(gè)來自東鄉(xiāng)野生稻的QTL表現(xiàn)為有利于產(chǎn)量性狀的正效應(yīng)，并且大多與粒數(shù)有關(guān)。值得一提的是，該研究檢測(cè)到的1個(gè)控制穗數(shù)的QTL qPN2與前述已經(jīng)精細(xì)定位的qGY2-1位點(diǎn)相同。上述4個(gè)研究涉及到的親本材料均為東鄉(xiāng)野生稻和桂朝2號(hào)。黃得潤(rùn)等[51]則利用東鄉(xiāng)野生稻與協(xié)青早B構(gòu)建的BC1F5群體檢測(cè)到了23個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL，其中有9個(gè)來自東鄉(xiāng)野生稻的QTL表現(xiàn)為有利于產(chǎn)量性狀的正效應(yīng)，包括2個(gè)單株穗數(shù)QTL，1個(gè)每穗實(shí)粒數(shù)QTL，5個(gè)每穗穎花數(shù)QTL，1個(gè)千粒重QTL。根據(jù)這些研究結(jié)果，可以推斷在東鄉(xiāng)野生稻中確實(shí)存在著產(chǎn)量相關(guān)性狀的有利基因，可為改良栽培稻所用。

6 東鄉(xiāng)野生稻的其他優(yōu)良特性研究

陳小榮等[52-53]對(duì)東鄉(xiāng)野生稻的耐低磷能力進(jìn)行研究，結(jié)果表明，其具有強(qiáng)耐低磷特性。曹娟芳[54]運(yùn)用CIM方法對(duì)以東鄉(xiāng)野生稻為供體、協(xié)青早B為受體構(gòu)建的BC1F10回交重組自交系群體進(jìn)行苗期耐低磷QTL檢測(cè)，在8個(gè)性狀上共檢測(cè)到22個(gè)與耐低磷相關(guān)的QTL位點(diǎn)。李晨等[55]利用東鄉(xiāng)野生稻和桂朝2號(hào)構(gòu)建的BC1群體，對(duì)控制花藥長(zhǎng)度和柱頭外露率的QTL進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到2個(gè)控制花藥長(zhǎng)度的QTL，分別來源于東鄉(xiāng)野生稻的第2和第9染色體。此外，還檢測(cè)到2個(gè)控制柱頭外露率的QTL，分別來源于東鄉(xiāng)野生稻的第5和第8染色體。這2個(gè)栽培稻和野生稻重要分類性狀的QTLs定位，為進(jìn)一步研究東鄉(xiāng)野生稻進(jìn)化到栽培稻的分子機(jī)理提供了有益信息；此外，胡標(biāo)林等[56]還對(duì)東鄉(xiāng)野生稻的礦質(zhì)含量QTL進(jìn)行了研究，并檢測(cè)到了若干礦質(zhì)含量QTLs，其中增效等位基因來自于東鄉(xiāng)野生稻的2個(gè)控制糙米鐵含量的QTL qFe1、qFe11，貢獻(xiàn)率高達(dá)38.8%和23.1%。XIE等[57]則在東鄉(xiāng)野生稻的第9染色體定位到了莖稈木質(zhì)化基因，可以解釋12.0%的表型變異。

7 東鄉(xiāng)野生稻的育種利用策略

東鄉(xiāng)野生稻雖然具有諸多優(yōu)良性狀，但由于其本身植株過高、產(chǎn)量過低等缺點(diǎn)十分顯著，所以直接利用傳統(tǒng)育種技術(shù)對(duì)其進(jìn)行育種改良難度很大。筆者認(rèn)為，利用分子育種技術(shù)將其優(yōu)良性狀基因?qū)朐耘嗟酒贩N中，是東鄉(xiāng)野生稻育種利用的最佳策略。主要有4條途徑：一是基于東鄉(xiāng)野生稻有利主效基因/QTL的分子標(biāo)記輔助育種。該途徑是利用已知有利基因/QTL，對(duì)目標(biāo)性狀開展分子標(biāo)記輔助選擇（Marker assistant selection，MAS），可以避免環(huán)境因素的影響以及等位基因間顯隱性狀關(guān)系的干擾，選擇結(jié)果可靠、準(zhǔn)確。其優(yōu)點(diǎn)是可在育種早代進(jìn)行并完成輔助選擇過程，從而大幅縮短育種周期，顯著提高育種效率。二是基于東鄉(xiāng)野生稻多個(gè)有利等位基因/QTL的聚合育種。該途徑是利用其多個(gè)已知的對(duì)改良水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等性狀有利的等位基因/QTL，運(yùn)用分子標(biāo)記輔助選擇的方法，把這些有利等位基因/QTL聚合到一個(gè)目標(biāo)品種上。三是基于東鄉(xiāng)野生稻一系列優(yōu)良基因/QTL的分子設(shè)計(jì)育種。該途徑是通過多種技術(shù)的集成與整合，分析東鄉(xiāng)野生稻一系列已知優(yōu)良基因/QTL的遺傳及互作效應(yīng)，同時(shí)對(duì)東鄉(xiāng)野生稻諸多優(yōu)良性狀基因育種轉(zhuǎn)移過程中的各種因素進(jìn)行模擬、篩選和優(yōu)化，從而提出并驗(yàn)證東鄉(xiāng)野生稻高效育種的分子設(shè)計(jì)育種模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)育種。四是東鄉(xiāng)野生稻獨(dú)特優(yōu)勢(shì)基因/QTL的轉(zhuǎn)基因育種。該途徑是通過轉(zhuǎn)基因的方法把有利靶基因/QTL導(dǎo)入目標(biāo)品種，從而使目標(biāo)品種具有靶基因/QTL控制的優(yōu)良性狀。上述4條途徑都離不開東鄉(xiāng)野生稻有利性狀的基因/QTL的定位或克隆，隨著越來越多的東鄉(xiāng)野生稻優(yōu)良性狀的基因/QTL被定位或克隆，將為分子技術(shù)在東鄉(xiāng)野生稻育種中的應(yīng)用提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。