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(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）

經(jīng)過六十多年的育種，我國已經(jīng)選育出7萬多優(yōu)良的水稻品種。在各增產(chǎn)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(nèi)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(gòu)成及貢獻[2]，另一種研究是根據(jù)設(shè)計育種原理進行分步驟育種設(shè)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(shè)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(chǎn)量為主要目標。在保持育種階段，以改善品質(zhì)或提高抗性為主。以水稻為例，第一次產(chǎn)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(chǎn)量大幅度提高是以推廣雜交稻為特征。作物育種學(xué)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(nèi)，審定并推廣的品種往往沒有大幅度的提高，只是品質(zhì)的改良或抗性的提高。近年來，正在實現(xiàn)由經(jīng)驗育種向精準育種轉(zhuǎn)變，而基于跨組學(xué)技術(shù)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(shè)計育種，其基本路徑是沿著設(shè)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(xué)技術(shù)進行育種示蹤的初步研究結(jié)果，以期探索有關(guān)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(gòu)建作圖群體材料的基礎(chǔ)上進行擴建?；疽罁?jù)是：（1）用最少的樣品盡量多的代表水稻種質(zhì)的遺傳多樣性；（2）選取一定量的高產(chǎn)品種和優(yōu)質(zhì)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(chǎn)優(yōu)質(zhì)；‘津原89’創(chuàng)造了天津地區(qū)水稻高產(chǎn)紀錄。

1.2 方法

跨組學(xué)示蹤包括組學(xué)技術(shù)和水稻育種綜合技術(shù)。在組學(xué)技術(shù)中，包括基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組、表型組，水稻育種綜合技術(shù)包括常規(guī)育種技術(shù)、育種新技術(shù)（如分子標記技術(shù)、基因工程技術(shù)等）。本研究依據(jù)這些技術(shù)，主要利用基因組測序結(jié)果、轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果、蛋白組分析結(jié)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(zhuǎn)錄組測序、蛋白組測序由北京諾禾致源生物信息技術(shù)有限公司完成。

育種分析、組學(xué)分析、生物信息學(xué)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(jié)果與分析

2.1 跨組學(xué)技術(shù)綜合分析

跨組學(xué)技術(shù)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 跨組學(xué)分析技術(shù)構(gòu)成

采用重測序技術(shù)對‘小站95’進行了基因組測序，在基因組測序的基礎(chǔ)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(zhuǎn)錄組測序?qū)Α蛟?9’‘津川1號’等高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種進行分析。蛋白質(zhì)組測序采用iTRAQ技術(shù)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(jié)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(chǎn)量QTL、秈粳分化區(qū)及與雜種優(yōu)勢相關(guān)的QTL。

通過對轉(zhuǎn)錄組的分析，測得與淀粉合成相關(guān)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(guān)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(zhì)組的分析，高產(chǎn)品種和優(yōu)質(zhì)食味品種（產(chǎn)量中等，多數(shù)品種的產(chǎn)量低于高產(chǎn)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(chǎn)品種與優(yōu)質(zhì)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(chǎn)品種，‘越166’‘越16’為優(yōu)質(zhì)食味品種，糖苷合成酶活性明顯低于高產(chǎn)品種。

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

圖3 高產(chǎn)品種與優(yōu)質(zhì)食味品種糖苷合成酶活性比較

2.2 高產(chǎn)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(fù)系到現(xiàn)代恢復(fù)系演化，都表現(xiàn)為產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)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(jīng)過復(fù)交）的產(chǎn)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(chǎn)量不如‘9311’（‘揚稻6號’），‘明恢63’和‘9311’的產(chǎn)量都明顯低于現(xiàn)代品種的產(chǎn)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(xué)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(jié)實率高的‘偉27’。‘U-1’/‘偉27’后代中可以選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、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(jīng)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(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、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(shù)及其在育種中的應(yīng)用

Zeng等利用3個品種示蹤了28個重要農(nóng)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(chǎn)品種的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，同時這些新品系也具有‘日本晴’的優(yōu)質(zhì)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(fù)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(shè)計育種。

Zhou等以中國華南地區(qū)廣泛種植的優(yōu)質(zhì)水稻品種‘黃華占’及其譜系品系為對象，通過重測序相關(guān)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(chǔ)和新思路[2]。在這一研究中，結(jié)合QTL定位、HTBs（‘黃花占’追溯片段）鑒定，在QTL分析的基礎(chǔ)上對應(yīng)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(xué)技術(shù)的綜合應(yīng)用，結(jié)合品種系譜的溯源與示蹤，培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新品種。

3.2 跨組學(xué)技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)代品種選育

陸姝歡運用跨組學(xué)技術(shù)研究了小球藻培養(yǎng)過程的代謝機制，開辟了跨組學(xué)技術(shù)的新領(lǐng)域[9]。在作物育種中，少有運用跨組學(xué)技術(shù)進行育種示蹤的報道。但是，粳稻品種‘日本晴’已經(jīng)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(chǔ)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(jīng)克隆了2 218個水稻重要農(nóng)藝性狀基因[13-16]。在基因分子生物學(xué)的新領(lǐng)域，已經(jīng)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(chǎn)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(shù)與現(xiàn)代育種技術(shù)難以整合、生物學(xué)信息學(xué)發(fā)展難于結(jié)合骨干品種更新?lián)Q代等原因，利用跨組學(xué)技術(shù)進行現(xiàn)代品種選育尚缺乏系統(tǒng)的研究，本文的研究結(jié)果及相關(guān)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(xué)和技術(shù)上的支持。