水稻種質(zhì)資源核心種質(zhì)的研究進(jìn)展

朱業(yè)寶，王金英，江 川

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 水稻研究所/福建省稻種質(zhì)資源庫（圃），福建 福州 350018）

水稻是我國重要的糧食作物，其對保證我國糧食安全的重要性不言而喻。超級雜交稻的培育成功引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注，世界水稻組織將其稱為“繼矮化育種和雜交稻問世以后水稻生產(chǎn)的第二次綠色革命”。水稻產(chǎn)量的重大突破都與稻種資源的發(fā)掘與利用有關(guān)，如矮稈基因sd-1在資源中的發(fā)現(xiàn)并在矮化育種中的廣泛應(yīng)用、天然的雄性不育野生稻在三系雜交水稻育種中的成功利用，改寫了世界水稻育種史。因此，科研工作者越來越重視對種質(zhì)資源的收集、保存、鑒定與評價。截至目前，全世界保存了谷物類遺傳資源253萬份，其中稻類42萬份，我國保存了7.4萬份，位居世界第3位。

如何對龐大數(shù)量的種質(zhì)資源進(jìn)行深入的評價和利用？核心種質(zhì)概念由此而被提出。核心種質(zhì)(core collection)這個概念首先由Frankel于1984年提出，并與Brown一起發(fā)展了該理論，即選擇整個種質(zhì)資源的一部分，以最小的群體達(dá)到最大程度代表整個種質(zhì)資源的多樣性，具有異質(zhì)性、多樣性、代表性、實用性和動態(tài)性等特征。核心種質(zhì)在種質(zhì)資源交流、遺傳育種、分子生物學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用有顯著優(yōu)勢和重要價值，主要體現(xiàn)在3個方面：第一，提高鑒定效率，加快優(yōu)異種質(zhì)資源的交流；第二，提高遺傳育種研究中篩選高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病和適應(yīng)機(jī)械化育種等目標(biāo)性狀的效率；最后，加快優(yōu)異基因的篩選與克隆，有利于開展重要性狀遺傳規(guī)律的研究。筆者總結(jié)了前人在稻種核心種質(zhì)構(gòu)建、鑒定與評價以及利用等方面的研究進(jìn)展，以期為稻種資源核心種質(zhì)構(gòu)建和利用提供一定的借鑒。

1 稻種資源核心種質(zhì)的構(gòu)建進(jìn)展

核心種質(zhì)首先就是要收集整個種質(zhì)資源中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，包括基本數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和評價鑒定數(shù)據(jù)。稻種資源樣品特征數(shù)據(jù)的搜集是一項龐大而艱巨的工作，需要獲得盡可能準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)用于構(gòu)建核心種質(zhì)。目前絕大多數(shù)核心種質(zhì)均是采用兩類數(shù)據(jù)構(gòu)建的：一類是農(nóng)藝、形態(tài)等表型數(shù)據(jù)；另一類是分子標(biāo)記信息數(shù)據(jù)。水稻核心種質(zhì)的構(gòu)建研究進(jìn)展較快，研究人員陸續(xù)構(gòu)建了一定范圍的核心種質(zhì)。在國內(nèi)，中國栽培稻和中國野生稻都已建立了初級核心種質(zhì)、核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)等不同規(guī)模的種質(zhì)材料，為滿足不同研究需求奠定了基礎(chǔ)［1-7］。李自超等［2］以50526份國家品種資源庫編目入庫的中國地方稻種資源為材料，從分組原則、組內(nèi)取樣比例和組內(nèi)取樣方法等3個方面研究了最佳取樣方法，最終以丁穎分類體系作為分組原則，按平方根或?qū)?shù)比例在組內(nèi)隨機(jī)取樣的策略，計算機(jī)隨機(jī)取6%，人工選擇極值2%左右，最終獲得中國地方稻種資源初級核心種質(zhì)4310份，約占總資源的8%。Zhang等［3］以4310份中國地方稻種資源初級核心種質(zhì)為研究材料，利用36對SSR引物構(gòu)建了核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)，其中核心種質(zhì)932份，其對原始庫和初級核心種質(zhì)的遺傳多樣性保留比例分別為85.71%和91.24%；微核心種質(zhì)189份，其對原始庫和初級核心種質(zhì)的遺傳多樣性保留比例分別為70.65%和75.21%，遺傳多樣性指數(shù)0.7957，高于初級核心種質(zhì)的0.7911。黎毛毛等［8］以3187份江西地方種為材料，采用丁穎分類體系和來源地綜合分組，每組篩選30%資源量構(gòu)建初級種質(zhì)庫，根據(jù)12對SSR的聚類分析結(jié)果，采用優(yōu)先保留—雙重聚類取樣策略，建立了一套包含296份江西地方稻種資源的核心種質(zhì)。孫強(qiáng)等［9］以收集的3170份遺傳穩(wěn)定材料為研究對象，確定了以總體取樣量15%，按代碼分組、組內(nèi)簡單比例取樣及組內(nèi)聚類取樣的最佳取樣方案，獲得了477 份核心樣品資源，可代表總體資源98%以上的遺傳多樣性。在國外，科研工作者利用美國農(nóng)業(yè)部從全球各地收集的水稻種質(zhì)資源陸續(xù)構(gòu)建了初級核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)，為資源鑒定與評價奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；利用分層隨機(jī)抽樣法，最終獲得了1790份初級核心種質(zhì)，之后研究者利用初級核心種質(zhì)的26個表型性狀和70個SSR分子標(biāo)記構(gòu)建了217份微核心種質(zhì)［10-11］；印度也構(gòu)建了水稻初級核心種質(zhì)和微核心種質(zhì)，首先采用來源地分組、隨機(jī)抽樣法從印度國家植物資源庫保存的94000份種質(zhì)資源獲得了6912份初級核心種質(zhì)［12］。前人的研究采用的取樣方法主要為聚類分析法，分析數(shù)據(jù)主要有來源地、農(nóng)藝性狀和分子標(biāo)記等，其中利用SSR為代表的分子標(biāo)記構(gòu)建核心種質(zhì)具有較好的代表性，能有效降低環(huán)境對核心種質(zhì)構(gòu)建的影響，取樣率主要在5%~25%之間［13-26］，具體稻種資源核心種質(zhì)構(gòu)建策略見表1。隨著高通量測序技術(shù)的高速發(fā)展，測序成本急速下降，使通過全基因組重測序來大規(guī)模鑒定種質(zhì)資源基因型成為可能，該方法能提升遺傳相似度和雜合度的鑒別能力，更加精確地反映種質(zhì)資源基因水平的遺傳多樣性，相信越來越多核心種質(zhì)的構(gòu)建將采用該方法獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 稻種資源核心種質(zhì)研究構(gòu)建策略

2 核心種質(zhì)利用的研究進(jìn)展

核心種質(zhì)具有規(guī)模小、遺傳多樣性豐富和代表性強(qiáng)等優(yōu)點，能有效降低鑒定與利用成本，有利于綜合開展鑒定和評價工作。隨著不同稻種資源核心種質(zhì)的成功構(gòu)建，大量科研工作者正在卓有成效地開展鑒定評價工作，以期為基因挖掘和新品種選育奠定堅實基礎(chǔ)。

2.1 優(yōu)異性狀的鑒定與評價

在水稻生長發(fā)育過程中，會受到生物脅迫和非生物脅迫的影響，其中非生物脅迫因子有干旱、鹽堿、缺營養(yǎng)元素、高溫、低溫等，生物脅迫因子有病蟲害等，這些都會影響水稻正常的生長發(fā)育，進(jìn)而影響水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，從稻種資源核心種質(zhì)中篩選出抗逆資源是經(jīng)濟(jì)、高效的方法。在非生物脅迫方面，金銘路等［27］對204份中國水稻微核心種質(zhì)的發(fā)芽期、芽期、幼苗期、孕穗期等4個時期的耐冷性進(jìn)行了鑒定評價，發(fā)現(xiàn)粳稻的耐冷性明顯強(qiáng)于秈稻，有7份粳稻資源和4份秈稻資源在水稻各生育時期均表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐冷性。李自超等［14］研究了不施肥條件下856份云南稻種核心種質(zhì)的再生力。夏秀忠等［28］對209 份廣西地方稻種資源核心種質(zhì)的芽期和苗期進(jìn)行了耐冷性鑒定，發(fā)現(xiàn)芽期、苗期耐冷等級達(dá)到高抗的品種個數(shù)分別有17和15個。申時全等［29］研究了1281份云南稻種核心種質(zhì)分蘗初期的耐熱性，發(fā)現(xiàn)水稻的耐熱性與秈粳、水陸和有無穎毛有密切關(guān)系，并獲得了2份強(qiáng)耐熱品種。臺德衛(wèi)等［30］對117 份全球水稻分子育種核心種質(zhì)進(jìn)行了耐低鉀篩選，獲得了9個耐低鉀品種。申時全等［31］對827 份云南稻種核心種質(zhì)的抗旱能力進(jìn)行鑒定，獲得了抗旱品種262份。姚國新等［32］利用197份栽培稻微核心種質(zhì)共篩選到11份攜帶廣親和基因S5n的資源。在生物脅迫方面，李旭升等［33］利用3K水稻的1217份核心種質(zhì)資源，進(jìn)行了稻瘟病等苗瘟、葉瘟和穗瘟的自然誘發(fā)抗性鑒定，獲得了144 份抗苗瘟、葉瘟和穗瘟的種質(zhì)。夏小東等［34-35］對203份中國稻種資源初級核心種質(zhì)的白葉枯病和稻瘟病的抗性進(jìn)行了鑒定評價，發(fā)現(xiàn)有8個品種對供試的8個白葉枯病菌株（系）的抗性頻率達(dá)到62.5%以上，28個品種對供試的16個稻瘟病菌系抗譜在70%以上。雖然前人對核心種質(zhì)開展了許多非生物脅迫和生物脅迫研究，但在生產(chǎn)應(yīng)用研究方面還鮮有報道?？蒲泄ぷ髡呖梢愿鶕?jù)前人鑒定出的優(yōu)異材料，創(chuàng)制抗性材料，為水稻產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展服務(wù)。

2.2 基因發(fā)掘與利用

水稻核心種質(zhì)表型豐富的遺傳多樣性，是復(fù)雜性狀基因挖掘、等位基因鑒定與關(guān)聯(lián)分析的優(yōu)良平臺，科研工作者在該方面研究進(jìn)展顯著。Wei等［36］研究了光周期調(diào)控基因Hd1在微核心種質(zhì)中變異情況，發(fā)現(xiàn)編碼區(qū)的多點突變和短日照條件下開花時間有很大的關(guān)聯(lián)性，同時發(fā)現(xiàn)栽培稻的部分突變位點僅在華南野生稻中發(fā)現(xiàn)，這說明華南地區(qū)是栽培稻的起源中心。豈長燕等［37］利用Pib、Pita、Pi5、Pi25和Pi54等抗稻瘟病基因的功能性分子標(biāo)記檢測了這些基因在我國水稻微核心種質(zhì)中的分布情況。裔傳燈等分別開發(fā)了粒形調(diào)控基因GS3［38］、GS5［39］、GW5［19］、GW8［40］、qGL3［41］等的功能性分子標(biāo)記，并檢測了這些基因在中國水稻微核心種質(zhì)的基因型分布情況。Moraes等［42］利用美國農(nóng)業(yè)部水稻微核心種質(zhì)研究了不同基因型水稻對冷脅迫反應(yīng)基因表達(dá)的影響，篩選出12個耐寒基因型，其中6 個耐寒基因型在營養(yǎng)期表現(xiàn)出耐寒性。Li等［43］利用美國水稻微核心種質(zhì)203份與產(chǎn)量有關(guān)的QTL進(jìn)行定位研究，共發(fā)現(xiàn)30個與產(chǎn)量相關(guān)的位點，部分位點同時與多個性狀相關(guān)，這些與產(chǎn)量相關(guān)的標(biāo)記可以直接應(yīng)用到遺傳育種，加速育種進(jìn)程。Lou等［44］采用氣相色譜—飛行時間質(zhì)譜（gas chromatography time-of-flight mass spectrometry，GC-TOF-MS）技術(shù)對48份水稻核心種質(zhì)的代謝譜進(jìn)行了研究，根據(jù)內(nèi)標(biāo)法對41種代謝物進(jìn)行了鑒定和相對定量，發(fā)現(xiàn)所有代謝產(chǎn)物在不同材料中含量差異很大，并利用218個分子標(biāo)記，對影響代謝物濃度的染色體位點進(jìn)行了關(guān)聯(lián)定位，共鑒定出20個與29種代謝物濃度相關(guān)的分子標(biāo)記。鄭加興等［45］利用2份廣西普通野生稻核心種質(zhì)與9311構(gòu)建染色體片段代換系，鑒定與苗期耐冷性相關(guān)的QTL，在3號染色體鑒定出1個與苗期耐冷相關(guān)的主效QTL。

隨著以二代測序技術(shù)為代表的高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展，測序成本逐步降低，全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study, GWAS) 已成為研究水稻重要農(nóng)藝性狀的新手段。而GWAS要求研究的水稻材料盡可能地包括全部遺傳信息，具有豐富的多樣性，且核心種質(zhì)完全符合要求。目前，應(yīng)用GWAS開展核心種質(zhì)的研究較多，趙宏亮等［46］利用6704個SNP標(biāo)記對261份秈稻核心種質(zhì)資源的千粒重、單株產(chǎn)量等9個性狀進(jìn)行GWAS研究，共檢測到68個與庫源性狀關(guān)聯(lián)的QTL。Fumio等［47］利用103份核心種質(zhì)和1596個分子標(biāo)記進(jìn)行了GWAS研究，定位了1個窄葉調(diào)控基因NARROW LEAF 1。Wang等［48］利用133份核心種質(zhì)的重測序數(shù)據(jù)進(jìn)行GWAS分析，發(fā)現(xiàn)異丙酚甲基轉(zhuǎn)移酶變異與生育酚的含量變化有關(guān)。Agramad等［49］對547份核心種質(zhì)資源進(jìn)行了GWAS分析，獲得了與抗青枯病相關(guān)的遺傳區(qū)域，發(fā)現(xiàn)與青枯病相關(guān)的引物RM413和RM277可用于分子標(biāo)記輔助選擇育種。Song等［50］對211份美國核心種質(zhì)的直鏈淀粉含量、籽粒蛋白質(zhì)含量和堿消值等3個稻米品質(zhì)性狀及其單核苷酸多態(tài)性進(jìn)行檢測，獲得了品質(zhì)較好的種質(zhì)資源及22947個高質(zhì)量的SNP信息，并通過GWAS分析，鑒定出與這些品質(zhì)性狀顯著相關(guān)的位點10個。陳燦等［51］采用簡化基因組測序法對419份廣西地方種核心種質(zhì)的稻瘟病抗性進(jìn)行GWAS分析，共檢測出8個候選抗稻瘟病基因，其中3個為新位點。雖然前人通過GWAS對核心種質(zhì)的相關(guān)性狀進(jìn)行了基因定位研究，但未見通過該方法克隆和解析新基因的研究，后續(xù)需要在基因功能解析方面加強(qiáng)研究。

2.3 種質(zhì)創(chuàng)新與新品種培育

水稻核心種質(zhì)在育種中利用逐漸增加。周少川等［52-53］在總結(jié)水稻種質(zhì)資源學(xué)的核心種質(zhì)和水稻育種學(xué)中骨干親本的基礎(chǔ)上，提出了水稻核心種質(zhì)育種理論，并歷時30年構(gòu)建完成了1~10級的核心種質(zhì)，上一級核心種質(zhì)是下一級核心種質(zhì)的優(yōu)異基因的供體。周少川等［54-56］利用廣東優(yōu)質(zhì)稻核心種質(zhì)先后構(gòu)建了3個株型和品質(zhì)理想模型，建立了優(yōu)質(zhì)稻核心種質(zhì)育種平臺，通過該方法陸續(xù)育成黃華占、黃絲占、黃莉占等30多個優(yōu)質(zhì)稻品種，有效減少了工作量，縮小了育種規(guī)模，提高了育種效率，成效明顯，使廣東優(yōu)質(zhì)稻育種水平在全國處于前列。

3 討論與展望

水稻核心種質(zhì)研究從1995年列入國家種質(zhì)資源“九五”科技攻關(guān)計劃以來，我國從全國到地方，從野生稻到栽培稻，陸續(xù)構(gòu)建完成了水稻核心種質(zhì)，構(gòu)建策略和評價研究進(jìn)展顯著，都是以保存最大的遺傳多樣性為基本條件，但對材料表型等基礎(chǔ)信息的采集不完整、不精確或不準(zhǔn)確，不可避免地會導(dǎo)致部分重要的變異類型材料的丟失，這些問題需要進(jìn)一步通過研究新的方法或鑒定技術(shù)來予以規(guī)避。當(dāng)前構(gòu)建的水稻核心種質(zhì)都是通用型核心種質(zhì)，專用核心種質(zhì)的研究還比較少，在今后工作中應(yīng)重視專用核心種質(zhì)的構(gòu)建，如抗稻瘟病核心種質(zhì)、抗白葉枯病核心種質(zhì)、優(yōu)質(zhì)稻核心種質(zhì)、耐冷核心種質(zhì)、耐淹核心種質(zhì)等，打通種質(zhì)資源研究工作與生產(chǎn)利用的“最后一公里”，滿足生產(chǎn)對不同類型資源的需求。

核心種質(zhì)構(gòu)建的目的是利用核心種質(zhì)對遺傳資源進(jìn)行精準(zhǔn)鑒定與評價，或是篩選生產(chǎn)上有利用價值的基因進(jìn)行遺傳育種研究。前人對水稻核心種質(zhì)表型和基因型鑒定評價研究較多，取得了較大成效，但在育種利用方面的研究還是較少，原因可能主要有以下幾個方面：（1）核心種質(zhì)材料鑒定評價信息不夠完善，沒有提供育種家感興趣的種質(zhì)信息；（2）核心種質(zhì)所包含的材料無法滿足育種家的特別需求；（3）核心種質(zhì)材料大多是地方種，具有較多的不良性狀，直接利用難度大。因此，在構(gòu)建完成核心種質(zhì)后，要及時進(jìn)行表型性狀的精準(zhǔn)鑒定，并對其開展基因挖掘與鑒定工作，構(gòu)建生產(chǎn)上急需表型的中間材料，加快優(yōu)異種質(zhì)材料的利用。