孫 偉，臧家祥，陳賓賓，杜金嶺

（黑龍江省農(nóng)墾科學院 水稻研究所，黑龍江 佳木斯 154000）

寒地粳稻耐冷害育種概述

孫 偉，臧家祥，陳賓賓，杜金嶺

（黑龍江省農(nóng)墾科學院 水稻研究所，黑龍江 佳木斯 154000）

冷害是寒地粳稻生產(chǎn)極其重要的限制因素。培養(yǎng)耐冷害品種，是防御低溫冷害的根本手段。從耐冷水稻資源的挖掘、水稻耐冷性基因定位、相關(guān)基因的轉(zhuǎn)基因工程及耐冷性遺傳等方面綜述耐冷害育種的相關(guān)進展，為耐冷害育種奠定基礎(chǔ)。

寒地粳稻；耐冷育種；研究進展

冷害是寒地粳稻生產(chǎn)極其重要的限制因素，其具有普遍性、多發(fā)性和嚴重性，其中以夏季低溫冷害發(fā)生最為頻繁、影響最重[1]。張海娜等研究表明，低溫冷害發(fā)生率呈增加趨勢[2]。李健陵等研究表明，若在孕穗期遭遇低溫冷害，枝梗及穎花會分化不良，結(jié)實率大幅下降，造成水稻減產(chǎn)高達30%[3]。曾憲國等研究表明，隨著低溫強度降低及時間延長，水稻空殼率顯著增加[4]。張榮萍等研究表明，灌漿前期低溫脅迫，稻谷產(chǎn)量呈不同程度的下降趨勢，主要是通過影響水稻結(jié)實率，尤其是降低二次枝梗結(jié)實率，從而導致產(chǎn)量降低[5]。目前，對寒地粳稻冷害的防御還沒有有效的防御手段[6-9]。因此，筆者從耐冷水稻資源的挖掘、水稻耐冷性基因定位、相關(guān)基因的轉(zhuǎn)基因工程及耐冷性遺傳等方面進行綜述，闡述寒地粳稻耐冷育種研究進展，為寒地粳稻的耐冷性育種提供依據(jù)。

1 耐冷水稻資源的挖掘

王翠玲等采用深冷水串灌的方法對13份黑龍江省第二積溫帶水稻品種（系）進行孕穗期的耐冷性評價，結(jié)果篩選出4份強耐冷性材料[10]。孫世臣等通過人工培養(yǎng)箱模擬低溫的方法對黑龍江省76份水稻品系進行了萌芽期耐冷性評價，篩選出強抗冷性材料8份，中間類型材料29份[11]。胡曉晨等對95份水稻種質(zhì)資源進行苗期耐冷性鑒定，并篩選出10份苗期耐冷（存活率≥60%）材料[12]。韓龍植等將一定的低溫條件下（10～15℃）、特定時間內(nèi)（5～15 d）的種子發(fā)芽率作為指標，對新收集的879份水稻種質(zhì)資源進行了水稻芽期耐冷性的鑒定與評價，從中篩選出芽期耐冷性極強的39份水稻種質(zhì)資源，均為貴州地方粳稻品種[13]。并且發(fā)現(xiàn)，水稻苗期耐冷性與孕穗期耐冷性存在相關(guān)性，可以將苗期耐冷性鑒定結(jié)果做為其他時期的耐冷性的重要參考標準[14-15]。劉廣林等利用人工氣候室創(chuàng)造的低溫條件，對在自然低溫條件下初步鑒定具有耐冷性的82份種質(zhì)材料進行抽穗揚花期耐冷性鑒定評價，分別篩選出抽穗揚花期耐冷性極強（1級）和強（3級）的種質(zhì)資源7份和14份，占供試材料的8.54%和17.07%；在21份耐冷性強或極強的種質(zhì)中，屬于遲熟類群的有15份，占71.43%，從遲熟類群中挖掘強或極強耐冷種質(zhì)資源的潛力較大；鑒定出的耐冷性種質(zhì)可作為親本或者橋梁親本應用于耐冷育種中[16]。

2 水稻耐冷性基因定位

水稻耐冷性基因定位是進行分子標記輔助選擇培育耐冷品種的前提，水稻耐冷性是多基因控制的數(shù)量性狀，具有復雜的遺傳背景和廣泛的遺傳多樣性[17]。不同的遺傳群體，群體具有的主效基因不一定相同，應分別進行耐冷基因的定位研究。

彭強等用213個IR24/Asominori重組自交家系為作圖群體，以苗期的死亡率為指標，對親本及213個IR24/Asominori重組自交家系進行了耐冷性QTL定位，在第6、第11和第12染色體上檢測到3個苗期耐冷性QTL，分別命名為qCTS-6、qCTS-11、qCTS-12，這3個QTL的LOD值分別為3.194 3、4.688 2和3.797，對應表型變異的解釋率分別為5.662 7%、8.549 6%和12.787 7%，且抗性等位基因均來自苗期耐冷性親本Asominori[18]。

楊洛淼等用粳稻品種空育131和東農(nóng)422構(gòu)建的F7代重組自交系190個家系為作圖群體，光照培養(yǎng)箱中15℃低溫處理，以平均發(fā)芽天數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、日平均發(fā)芽率、發(fā)芽峰值、發(fā)芽值和發(fā)芽系數(shù)為指標，利用完備區(qū)間作圖法分別對低溫發(fā)芽力和芽期耐冷性進行QTL定位并分析其加性效應和上位性效應。結(jié)果檢測到控制芽期耐冷性的1個加性QTL位于4號染色體上，貢獻率16.84%；17個控制低溫發(fā)芽力的加性QTL分別位于第 1、2、3、6、7、9、12 染色體上，貢獻率為5.64%～35.67%；控制芽期耐冷性的上位性QTL 2對，累積貢獻率19.3%；控制發(fā)芽期耐冷性的上位性QTL 33對，各性狀累計貢獻率介于18.35%～91.08%，分別控制第7、10、11、15天的發(fā)芽率和平均發(fā)芽天數(shù)的表達，累積貢獻率分別為87.88%、87.38%、91.08%、78.68%和 18.35%。上位性在水稻發(fā)芽期和芽期耐冷性遺傳中作用重大。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，低溫發(fā)芽力和芽期耐冷性是具有相關(guān)性的[19]。

林靜等以秈稻品種9311為受體、粳稻品種日本晴為供體構(gòu)建的95個染色體片段置換系為材料，在5℃低溫條件下，進行芽期耐冷性鑒定。結(jié)果表明，6個置換系低溫處理后的成苗率與受體親本9311有一定差異，其耐冷性略強于9311。利用代換作圖法共鑒定出4個與芽期耐冷性相關(guān)的QTL，分別位于水稻第5和第7染色體上。其中qCTB-5-1、qCTB-5-2和qCTB-5-3分別被定位在第 5染色體 RM267與 RM1237、RM2422與RM6054、RM3321與RM1054之間遺傳距離分別為21.3 cM、27.4 cM和12.7 cM的置換片段上；qCTB-7被定位在第7染色體RM11-RM2752區(qū)間遺傳距離為6.8 cM的置換片段上[20]。

劉曉等以低溫導致葉片卷曲的卷曲度作為水稻苗期耐冷性指標，采用182個越光 （粳型）/kasalath（秈型）//越光回交重組自交系和162個RFLP分子標記，對苗期耐冷性進行QTL定位分析。結(jié)果表明，BIL群體中苗期耐冷性均呈連續(xù)分布，屬于數(shù)量性狀遺傳，并檢測到4個控制苗期耐冷性的 QTL，分布在第 1、3、11、12 染色體上，其貢獻率為7.4%～21.9%；并在其目標區(qū)域內(nèi)進一步設(shè)計分子引物把位于第12染色體上的主效qCTS-12定位在約77 kb區(qū)域內(nèi)。此研究結(jié)果及其檢測到的QTLs兩側(cè)的連鎖分子標記可為水稻苗期耐冷性分子育種以及相關(guān)基因克隆提供理論依據(jù)[21]。

3 相關(guān)基因的轉(zhuǎn)基因工程研究

國家水稻數(shù)據(jù)中心基因數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計資料顯示，截至2014年，已經(jīng)有38個水稻耐冷性相關(guān)基因被克隆[22-23]。

楊悅等將ICE1基因轉(zhuǎn)入粳稻品種墾鑒稻10號中，研究4℃低溫脅迫對水稻幼苗膜脂過氧化程度和抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明，低溫脅迫期間，ICE1基因的過量表達減輕了膜脂過氧化程度，保護了細胞膜系統(tǒng)；ICE1基因的過量表達可能通過減輕膜脂過氧化程度與調(diào)整抗氧化酶活性來增強轉(zhuǎn)基因水稻的耐冷性[24]。

沈春修等將東鄉(xiāng)野生稻（極強耐冷性）中低溫誘導下的螺旋—環(huán)—螺旋結(jié)構(gòu)域蛋白基因BGIOSGA013293－DX導入水稻受體品種93-11，獲得了9株過表達轉(zhuǎn)基因水稻植株，經(jīng)潮霉素抗性標記基因PCR陽性檢測和GUS檢測，植株為陽性[25]。

陳能剛等分別用17.5℃和12℃恒溫對孕穗期和開花期材料轉(zhuǎn)ipt基因ey-105（鄂宜105）和組培苗（對照）各處理5 d，通過相對電導率、葉綠素含量、根系活力等生理指標的測定以及成熟后不同處理的粒重、單株產(chǎn)量、結(jié)實率等性狀的觀測，對轉(zhuǎn)ipt基因ey-105與對照在低溫下的耐冷性表現(xiàn)進行分析，并通過灰色關(guān)聯(lián)度對不同的處理進行分析判斷觀測指標與單株產(chǎn)量的關(guān)系。結(jié)果表明，在孕穗期和開花期低溫處理下，轉(zhuǎn)ipt基因ey-105的相對電導率的變化量和葉綠體受低溫的危害小于對照，而根系活力大于對照，對產(chǎn)量的影響則對照大于轉(zhuǎn)ipt基因ey-105；在不同生育期的低溫處理下電導率、根系活力、葉綠素a/b和百粒重對單株產(chǎn)量的影響較大[26]。

孫琦等通過RT-PCR的方法從水稻中克隆了受低溫誘導上調(diào)表達的功能未知的C2H2型鋅指結(jié)構(gòu)域蛋白新基因，構(gòu)建了其植物過表達載體，并通過農(nóng)桿菌介導轉(zhuǎn)入水稻基因組中，獲得了其過表達轉(zhuǎn)基因水稻株系，為進一步研究該基因的功能并探討其在水稻耐冷分子育種中的應用價值奠定了基礎(chǔ)[27]。

胡曉晨等通過對95份水稻種質(zhì)資源進行苗期耐冷性鑒定，篩選出10份苗期耐冷（存活率≥60%）和9份冷敏感的材料（存活率為零），并對水稻冷脅迫響應基因OsSADMC進行了表達分析，發(fā)現(xiàn)對照和冷脅迫處理條件下該基因在耐冷品種中的表達量都顯著高于冷敏感品種。對耐冷材料麗江新團黑谷和冷敏感材料IR29的基因編碼區(qū)域進行了克隆和測序分析，在兩個品種間鑒定了10個SNP位點，其中第749堿基處存在的一個堿基變異（C突變?yōu)門），從而使絲氨酸變?yōu)榱涟彼?。根?jù)其中一個SNP位點設(shè)計了OsSADMC的功能標記，該標記可以準確地鑒定出19份耐冷性不同水稻種質(zhì)資源OsSADMC的基因型和耐冷性[12]。

4 耐冷性遺傳

韓龍植等利用秈粳雜交后代探討了水稻幼苗期耐冷性選擇對主要農(nóng)藝性狀的影響，結(jié)果表明，在F2和F3代水稻幼苗期進行耐冷性選擇對穗數(shù)并不產(chǎn)生顯著的影響，但選擇獲得的幼苗期耐冷性強的F2個體群的孕穗期耐冷性（結(jié)實率）及F3系統(tǒng)群的分蘗期耐冷性（赤枯度）和孕穗期耐冷性（結(jié)實率）均顯著強于隨機個體群和冷敏系統(tǒng)群。提出在水稻幼苗期以葉赤枯度來選擇幼苗期耐冷性強的個體是獲得高產(chǎn)耐冷后代材料的有效途徑[28]。

同時，韓龍植等以秈粳交“密陽23/吉冷1號”的F3系統(tǒng)群為試材，探討了水稻芽期耐冷性遺傳變異以及與其他耐冷性狀的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，F(xiàn)3系統(tǒng)群的芽期耐冷性表現(xiàn)為近似正態(tài)的連續(xù)分布，是由多基因控制的數(shù)量性狀。在自然低溫或冷水處理下水稻幼苗生長能力、抽穗天數(shù)、穗抽出度、孕穗期耐冷性（低溫下結(jié)實率）和成熟期綜合耐冷性等性狀均與芽期耐冷性有著密切的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)芽期耐冷性強弱所選擇的耐冷系統(tǒng)群在自然低溫或冷水處理下幼苗生長能力、穗抽出度、孕穗期耐冷性和成熟期綜合耐冷性均明顯強于冷敏系統(tǒng)群和選擇前F3系統(tǒng)群。通過對秈粳交低世代芽期耐冷性的嚴格選擇，可以間接獲得幼苗低溫生長能力、孕穗期耐冷性和成熟期綜合耐冷性較強的系統(tǒng)[13]。

選擇耐冷品種是防御冷害最為有效的方法之一。李亞非等利用人工低溫氣候室，采用15℃、17℃、19℃ 3種脅迫溫度，4 d和6 d 2種脅迫時間，3×2交互式設(shè)計的方法，對來自黑龍江、吉林、遼寧和云南的12份粳稻種質(zhì)進行了孕穗期耐冷性強度的研究。結(jié)果表明，在15℃/6 d脅迫下，供試品種平均空殼率的方差和變異系數(shù)達到最大，該脅迫強度可被選用于孕穗期強耐冷種質(zhì)的篩選[29]。姜麗霞等研究表明，品種的冷積溫與空殼率存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），隨著冷積溫的增加，水稻空殼率明顯升高，但品種間的增幅不同[30]。

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（責任編輯：李明）

Review of Japonica Rice Cold-resisting Breeding

SUN Wei,ZANG Jia-xiang,CHEN Bin-bin,DU Jin-ling
(Rice Research Institute of Heilongjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences,Jiamusi Heilongjiang 154007,China)

Cold is an extremely important limiting factor for the production of japonica rice in cold regions.To culture a cold-resisting breed is the fundamental means to defense the cold.This paper reviews the current research status of cold-resisting breeding from the discovery of the resources of cold-resisting rice,the cold-resisting gene mapping,the transgenosis of relevant genes,the heredity of cold-resistance and so forth to lay the foundation for cold-resisting breeding.

Japonica rice in cold region;Cold-resisting breeding;Research progress

S511.034 文獻標志碼：A 文章編號：1673－6737（2016）06－0050－04

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201403002-2-3），黑龍江省應用技術(shù)與開發(fā)計劃項目（GA1 38101），“黑龍江粳稻春玉米大面積均衡增產(chǎn)技術(shù)集成研究與示范”子課題（2012BAD04B01-01-04）。

2016-02-18

孫偉（1983-），女，碩士，助理研究員，從事水稻遺傳育種研究。