施利利，王有偉，孫寧，張欣，丁得亮，崔晶，王松文，

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模塊育種的理論與方法

施利利1,2，王有偉1，孫寧1，張欣1,2，丁得亮1,2，崔晶1,2，王松文1,2，通信作者

（1. 天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津300384；2. 天津中日水稻品質(zhì)食味研究中心，天津300384）

以‘揚稻6號’（‘93-11’）為出發(fā)品種，通過設(shè)計育種的方法，選育出水稻品種‘93-11Y’，并解析出該品種的5個模塊。基于5個模塊特征，將秈稻可以劃分為兩個亞群。在構(gòu)建遺傳群體和育種群體過程中，可以選擇粳稻與秈稻亞群2雜交。依據(jù)構(gòu)建遺傳模塊和育種模塊的育種原理可以實施種質(zhì)鑒定、親本塑造、雜交組合的策略，這種模塊育種的理論與方法可用于新時期育種。

水稻；模塊；模塊育種；理論

1996年，楊守仁等提出新品種的選育遠不像“部件”（性狀）之可以組裝為“機器”（品種）[1]，薛勇彪等提出“分子模塊育種”[2]。圍繞“模塊育種”，一些學(xué)者提出了相關(guān)的理論與方法。2003年，Peleman Johan D 等提出了設(shè)計育種（Breeding by Design）分3步進行：（1）定位所有QTL（基因）；（2）鑒定所有等位基因（Allele）；（3）設(shè)計育種[3]。針對設(shè)計育種過程，提出了基于染色體片段代換系群體的育種。在理論上，應(yīng)對產(chǎn)量、品質(zhì)等這些復(fù)雜性狀進行基因組改良。但以染色體片段代換系作為材料，只能是對少數(shù)基因（性狀）進行遺傳操作。2005年，Ashikari M等提出了作物定制改良（Tailor-made crop improvement，TCI）[4]，實現(xiàn)了水稻的基因和聚合，培育出矮桿大穗新品種。2017年，曾大力等提出了優(yōu)化設(shè)計育種[5]，實現(xiàn)了3個品種、28個基因的聚合，選育出‘RD1’、‘RD2’、‘RD3’3個新品種。另外，還有核心種質(zhì)育種[6]、超級雜交稻育種等新概念、新方法[7]。圍繞模塊育種有兩種基本觀點。一種觀點認為是可行的，主要依據(jù)是多數(shù)農(nóng)藝性狀受多基因控制，并具有“模塊化”特性[2]。另一種觀點認為，生物是有機體，不能像機器那樣，由部件進行組裝[1]。本課題組認為，在某些條件下，可以近似于“部件組裝成機器”，模塊育種是可能的。本研究以‘揚稻6號’（1997年審定的新品種，又名‘93-11’）改良為例，解析了一些遺傳模塊和育種模塊，選育出‘93-11Y’，以期為模塊育種的理論探索和育種實踐提供依據(jù)和參考。

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

1.2 方法

1.2.1 KASP標(biāo)記與生物信息學(xué)分析

KASP是競爭性等位基因特異性PCR（Kompetitive Allele Specific PCR）的縮寫[7]。設(shè)計KASP引物時，關(guān)鍵是設(shè)計兩個競爭性的正向引物，這兩個競爭性引物參與擴增反應(yīng)的幾率相等。因為在KASP標(biāo)記中要用紅藍熒光分別標(biāo)記兩個競爭性正向引物[8]。所以隨著PCR反應(yīng)的進行，以兩種不同的信號（紅光、藍光）自動記錄下來。KASP技術(shù)的要點是SNP位點的兩側(cè)序列已知，3 000個水稻品種的重測序信息為KASP標(biāo)記檢測提供了可能[9]。KASP與SNP標(biāo)記相比，KASP檢測不像SNP那樣基于基因芯片，KASP在檢測SNP位點的同時還檢測了SNP位點上游的多態(tài)信息，并實現(xiàn)了高通量。

按水稻基因組2～5 cM間隔，選取600個SNP標(biāo)記，對51個品種進行基因組掃描和多態(tài)性篩選，選出363個多態(tài)性標(biāo)記。363個標(biāo)記按標(biāo)記純合、雜合以不同顏色顯示基因型，雜合時以黑色表示。純合帶型以紅、粉紅等不同顏色標(biāo)出其帶型特征及位置。圖示基因型使用Flapjack按照文獻[10]進行。

1.2.2 模塊鑒定

鑒定模塊的基本標(biāo)準是：（1）以‘93-11Y’（‘93-11’的染色體片段代換系（代換系））為材料，片段不是來自于其親本‘廣陸矮4號’；（2）片段來自于粳稻類型；（3）依據(jù)連續(xù)的兩個標(biāo)記（代表相應(yīng)的染色體片段）片段（代表一個染色體片段），在確定3個區(qū)域（模塊）的基礎(chǔ)上，另選擇了第1染色體片段（1個比標(biāo)記片段）和第8染色體片段（1個標(biāo)記片段）。這樣，符合3個條件的模塊共有5個模塊（遺傳模塊）。模塊育種的第一步是力求建立分布于整個基因組的多基因模塊，而在不斷更新的模塊認知應(yīng)用中關(guān)聯(lián)于特定的育種計劃。

1.2.3 ‘93-11Y’（‘93-11’染色體片段代換系）的選育

以‘津稻108’（‘廣陸矮4號’ב東鄉(xiāng)野生稻P16’）為基因供體與‘93-11’雜交，獲得F1，再與‘93-11’回交，經(jīng)選擇獲得‘93-11Y’。

1.2.4 秈稻兩個亞群的劃分

依據(jù)圖示基因型選擇‘93-11’的5模塊（依據(jù)1.2.2的3個標(biāo)準）確定秈稻亞群2，包括‘T001’、‘HC-66’、‘巴西稻’、‘淡綠葉’、‘IPM秈3’、‘褐穎101’、‘58025’、‘矮46’、‘廣陸矮4號’等9個品種，其余14個秈稻劃分為秈稻亞群1。

2 結(jié)果與分析

2.1 圖示基因型

將KASP標(biāo)記（SNP標(biāo)記）的基因型轉(zhuǎn)變成圖示基因型信息，用Flapjack軟件做出12個染色體的圖示基因型，其中一個樣品的第6條染色體的圖示基因型如圖1所示。

圖1表明，樣品47（‘93-11Y’）的KASP標(biāo)記、A004086（第7個標(biāo)記）、A004088（第8個標(biāo)記）的帶型與樣品51（‘廣陸矮4號’）不同（不是來源于‘廣陸矮4號’），同樣，樣品7、10、12、45、31、39、40、15都不具有這個帶型。而另外的秈稻具有這個帶型。說明秈稻可以分為兩個亞型，將樣品7、10、12、45、31、39、40、15定名為秈稻亞型2，其余秈稻劃分為秈稻亞型1，所有粳稻與亞型1親緣關(guān)系遠。

圖1 第6染色體圖示基因型

2.2 模塊鑒定與模塊特征

2.2.1 模塊

模塊01-01 位于第1染色體。01代表第1 染色體，-01代表第1 染色體上的第1 個模塊。在01-01 模塊左側(cè)有基因（多穗粒數(shù)基因），右側(cè)有/基因。這樣，-01-01-/構(gòu)成一個育種模塊（圖2）。

圖2 模塊01-01

圖3表明，遺傳模塊由位于第6染色體上6 948 457 bp處和8 231 471 bp處的染色體片段組成，育種模塊包括左側(cè)的基因（膠稠度）和右側(cè)的基因（抽穗期）。

圖3 模塊06-01

圖4表明，遺傳模塊由位于第7染色體上的7 651 467～8 123 732 bp的片段組成，育種模塊由7 651 467～9 155 185 bp 的片段組成，包括基因（淀粉合成）和基因（單株產(chǎn)量）。

圖4 模塊07-01

圖5表明，遺傳模塊是位于3 854 233 bp的區(qū)段，育種模塊包括從3 854 233～5 353 700 bp的區(qū)段，包括基因（抽穗期）和基因（淀粉合成）。

圖5 模塊08-01

由圖6可以看出，遺傳模塊在14 451 520～15 053 026 bp的區(qū)域，在距離較遠的區(qū)域有一個育種模塊，包括基因（光敏不育基因）。

圖6 模塊12-01

品種要求特異性、一致性、穩(wěn)定性。從長期育種設(shè)計考慮，生產(chǎn)上需要多型品種。根據(jù)51個品種、363個KASP標(biāo)記分析結(jié)果，本課題組解析了5個育種模塊（圖2～圖6），基于5個模塊的基因聚合，結(jié)合品種綜合改良和5次品種更替趨勢，秈稻品種可分為兩個亞群（圖7），亞群1包括第5代品種（包括最新育品種和新品系）。亞群2包括‘T001’、‘HC-66’、‘巴西稻’、‘淡綠葉’、‘IPM秈3’、‘褐穎101’、‘58025’、‘矮46’、‘廣陸矮4號’等秈稻品種及衍生種。如果構(gòu)建定位群體，則是選擇亞群2品種與粳稻雜交。例如，國家水稻基因組計劃就是利用與‘廣陸矮4號’的近緣系‘矮腳南特’與‘東鄉(xiāng)野生稻’（偏粳型野生稻）雜交獲得的。同樣，日本RGP則使用了同屬于秈稻亞群2的秈稻與‘日本晴’（粳稻）雜交獲得的后代群體（F2）。如果構(gòu)建定位群體，則可適當(dāng)放寬遺傳距離，如本課題構(gòu)建的J107S/Jingdao109（Jia，2001），sh-38/L02[11]，如果是粳稻基因定位，多態(tài)性下限可設(shè)置為18%（未發(fā)表資料）。如果是構(gòu)建育種群體，則更可放寬遺傳距離，甚至是近緣系。

圖7 秈稻亞群及雜交模式圖

2.2.2 品種‘93-11’的模塊育種

‘93-11’的改良利用了‘東鄉(xiāng)野生稻’（P16），‘東鄉(xiāng)野生稻’與位于水稻起源中心的東南亞水稻相比，偏粳。經(jīng)與‘廣陸矮4號’雜交、與‘93-11’復(fù)交，再用‘93-11’回交，殘留的野生稻基因組片段已經(jīng)很少。‘93-11Y’（93-11/// 93-11//廣陸矮4號/東鄉(xiāng)野生稻P16）性狀已經(jīng)與‘93-11’相似。綜合性狀優(yōu)良（圖8），攜帶‘東鄉(xiāng)野生稻’或‘93-11’的優(yōu)良基因（QTL），實現(xiàn)了模塊育種的育種目標(biāo)。

圖8 ‘93-11Y’（‘93-11’改良系）的農(nóng)藝性狀

2.3 模塊育種技術(shù)的綜合運用

曾大力等采用3個親本（‘日本晴’、‘93-11’、‘特青’）對28個重要農(nóng)藝性狀基因進行聚合（組裝），培育出‘RD1’、‘RD2’、‘RD3’3個新品系[5]，產(chǎn)量超過高產(chǎn)親本‘特青’，品質(zhì)超過優(yōu)良親本‘93-11’。以RD1為例，從供體親本‘日本晴’中引入、、等重要農(nóng)藝性狀基因，引入‘日本晴’的13個外緣片段；從‘93-11’中引入、等優(yōu)良基因，引入‘93-11’的7個片段，操作時利用‘特青’遺傳背景，引入‘日本晴’和‘93-11’的優(yōu)良基因和分子模塊；用101個微衛(wèi)星標(biāo)記。歷時5年，選育出‘RD1’、‘RD2’、‘RD3’3個改良系（品種），遺傳背景為‘特青’基因組成分，在模塊育種方面提供了一個成功例證。本研究以KASP標(biāo)記作為背景標(biāo)記和鑒定遺傳模塊標(biāo)記，具有高效、低成本、定向性、快周期的特點。本研究解析位于第1、6、7、8、12染色體上的5個遺傳模塊和育種模塊。遺傳模塊由KASP標(biāo)記界定（一般位于兩個KASP標(biāo)記之間）。育種模塊以重要農(nóng)藝性狀基因所在區(qū)域劃分，主要考慮品種改良的育種效果（基因作用和遺傳背景）。育種模塊關(guān)聯(lián)育種信息和性狀信息。在育種程序中，綜合運用了組織培養(yǎng)（野栽組合胚搶救）、快繁、進代、生態(tài)育種（海南周年試驗）等技術(shù)。在KASP標(biāo)記體系建立中，運用了51個品種（參照品種），600個KASP標(biāo)記，一次分子標(biāo)記輔助選擇，實現(xiàn)了模塊育種。

3 討論

3.1 模塊定義

模塊首先像街區(qū)（block），這在DNA分子上比較形象。簡單地看作一段DNA雙鏈，有起始位點和終止位點?？赡馨ɑ颍ɑ蚰K），可能是一個特殊的遺傳標(biāo)記（不同于一般的分子標(biāo)記，而較多地是至少兩個分子標(biāo)記的一個區(qū)間，特殊情形下為一個分子標(biāo)記）。薛勇彪等更側(cè)重“功能模塊”，功能模塊與結(jié)構(gòu)模塊有所不同，功能模塊更側(cè)重功能的實現(xiàn)[2]。

在特定的分子育種計劃中，模塊應(yīng)當(dāng)有可操作性。曾大力等認為來自‘日本晴’和‘93-11’ 中的某些片段具有明顯的模塊特征，尤其位于染色體7的RM6574 和RM3755 的片段（模塊）包含、、3個基因[5]，與本研究中的07-01 模塊為同一模塊。

3.2 模塊育種與其他育種方式的兼容

在常規(guī)育種中培育出一些大面積推廣的品種，如‘汕優(yōu)63’、‘培矮64S’、‘廣占63S’、‘揚稻6號’、‘稻花香2號’、‘越光’等都是超親類型的選擇?！骰?3’育成以后，以‘明恢63’為親本，培育出131個恢復(fù)系，以這些恢復(fù)系為親本配置出的249個組合通過了國家或省區(qū)的審定[12]。實際上，育種專家會自覺地運用這些骨干系的模塊。如：日本推廣面積前10的優(yōu)質(zhì)食味品種都有‘越光’的血緣（即利用‘越光’育成），這說明“優(yōu)質(zhì)食味”也有若干“優(yōu)質(zhì)食味”模塊。一般而言，高產(chǎn)育種采用高產(chǎn)親本，優(yōu)質(zhì)育種采用優(yōu)質(zhì)親本。“食味優(yōu)先，高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)兼顧”的理論[13]對新時期育種有一定的理論價值和育種實踐意義。國內(nèi)外提出的大量育種理論多是兼容的，是在特定條件下的理論側(cè)重和再定義。比如在實施模塊育種當(dāng)中，也進行基因聚合（Gene pyramiding）。在本研究的育種程序中，育種分為3步：（1）種質(zhì)鑒定；（2）親本塑造；（3）雜交組合。正常情況下，在親本塑造過程中進行基因聚合（利用多個有利等位基因）。就育種實踐而言，或基于某種理論指導(dǎo)，或遵循于育種家的育種實踐和經(jīng)驗，最終都是揚長避短，實現(xiàn)品種或種質(zhì)創(chuàng)新，進行品種持續(xù)改良和階梯式育種，從一個基準水平（以一個出發(fā)品種為基準）達到一個新的水平（選育出一個新的品種，這個品種或增產(chǎn)顯著，或產(chǎn)量相當(dāng)而品質(zhì)更優(yōu)）。

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責(zé)任編輯：宗淑萍

Theory and Method of Module Breeding

SHI Li-li1,2，WANG You-wei1, SUN Ning1, ZHANG Xin1,2, DING De-liang1,2, CUI Jing1,2, WANG Song-wen1,2,Corresponding Author

（1. College of Agronomy and Resource Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. China-Japan Joint Center on Palatability and Quality of Rice in Tianjin, Tianjin 300384, China）

The‘93-11Y’was bred by the method of design breeding by raising‘Yangdao6’（‘93-11’）. The 5 modules were analyzed. Indica rice can be divided into two subgroups based on the characteristics of the 5 modules. In the process of constructing the genetic population and breeding population, japonica rice and indica rice 2 hybrid. According to the principles of constructing the genetic module and breeding module, we can carry out the strategy of germplasm identification, parental moulding and hybrid combination.

rice; module; breeding by modules; theory

1008-5394（2017）03-0032-05

S336

A

2017-04-10

天津市科技計劃項目“基于SNP標(biāo)記及全基因組選擇的水稻設(shè)計育種”（16ZXZYNC00110）

施利利（1976-），女，天津市人，高級實驗師，碩士，主要從事水稻育種研究。E-mail：dw186001@aliyun.com。王有偉（1989-），男，甘肅武威人，碩士在讀，主要從事水稻育種研究。E-mail：641158595@qq.com。施利利和王有偉對本文具有同等貢獻，為并列第一作者。

王松文（1958-），男，河北滄州人，教授，主要從事水稻育種研究。E-mail：dw186001@aliyun.com。