袁華陳薇蘭王淏王玉平馬炳田涂斌欽鵬李仕貴,*

（1西南作物基因資源發(fā)掘與利用國家重點實驗室，成都611130；2四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水稻研究所，成都611130；第一作者：yuanhua14536@sicau.edu.cn；*通訊作者：lishigui@sicau.edu.cn）

悠悠萬事，吃飯為大。水稻是我國最重要的糧食作物之一，60%以上人口以稻米為主食，水稻生產(chǎn)對保障我國糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。2022年3月6日，習(xí)近平總書記看望參加全國政協(xié)十三屆五次會議的農(nóng)業(yè)界、社會福利和社會保障界委員時講話強調(diào)，糧食安全是“國之大者”。2022年6月8日上午，習(xí)近平總書記在四川省眉山市考察了由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)馬均教授指導(dǎo)的水稻高產(chǎn)高效示范區(qū)，提出打造新時代更高水平的“天府糧倉”，體現(xiàn)了總書記對我國糧食安全的極大重視。優(yōu)良品種是保障我國糧食安全的關(guān)鍵，是農(nóng)業(yè)的“芯片”，良種可以貢獻糧食增產(chǎn)量的45%以上。我國水稻育種經(jīng)歷了矮化育種、雜交稻育種和超級稻培育3次飛躍[1]，水稻產(chǎn)量實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，解決了我國人口持續(xù)增長與糧食不足的問題，取得了巨大的社會經(jīng)濟效益。

水稻育種就是對株型等農(nóng)藝性狀不斷改良的過程，1968年，DONALD最先提出作物的理想株型概念[2]。后來一些育種家根據(jù)不同稻區(qū)生態(tài)條件差異，提出了不同的理想株型模式。例如，黃耀祥院士提出適宜廣東等地區(qū)種植的“半矮稈、叢生、早長”超高產(chǎn)株型模式[3]；楊守仁教授等[4]認(rèn)為，水稻超高產(chǎn)育種需要理想株型與優(yōu)勢利用相結(jié)合，并且要重視優(yōu)化性狀組配，提出適宜北方地區(qū)種植的“葉短挺、直立大穗”模式；袁隆平院士[5]提出“高冠層、矮穗層、中大穗”的超高產(chǎn)雜交水稻模式；周開達院士等[6-7]提出適宜西南稻區(qū)種植的“重穗型”超高產(chǎn)雜交稻模式。

1 重穗型雜交稻育種理論與實踐

1.1 重穗型雜交稻

水稻產(chǎn)量由有效穗數(shù)、單穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實率等4個因素構(gòu)成，也可以簡化為有效穗數(shù)和單穗重兩個因素。因此，提高水稻產(chǎn)量主要有兩個途徑，一是通過增加栽插密度或增強分蘗力，提高單位面積有效穗數(shù)；二是增加單穗重。但在西南稻區(qū)“寡日照、高濕度、小溫差”的生態(tài)條件下，增加穗數(shù)會導(dǎo)致葉片密集，相互遮蔽，光合效率下降，病蟲害嚴(yán)重，個體和群體的矛盾難以協(xié)調(diào)?；诖饲闆r，周開達院士等[6-8]提出亞種間重穗型雜交稻育種路線，即利用亞種間強雜種優(yōu)勢，提高庫容量，培育高光效的重穗型雜交稻，并從株葉形態(tài)、抗性、米質(zhì)等方面提出具體的育種指標(biāo)。采用常規(guī)育種技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合的方法，通過秈粳交、秈爪交、地理遠緣雜交等方式，成功育成Ⅱ優(yōu)6078、Ⅱ優(yōu)162、岡優(yōu)725等系列亞種間重穗型雜交稻。隨后進一步育成高配合力、優(yōu)質(zhì)、抗病的重穗型雜交稻骨干親本蜀恢527[9]，并組配出系列重穗型超高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗病雜交稻，包括D優(yōu)527、協(xié)優(yōu)527、川江優(yōu)527等5個超級稻。

1.2 重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻

通過對重穗型品種的株葉型、光合效率和產(chǎn)量構(gòu)成因素的系統(tǒng)研究，李仕貴教授[10]提出在重穗型育種理論基礎(chǔ)上，進一步改良重穗型雜交稻的株葉型態(tài)，選育“重穗?yún)f(xié)調(diào)型”雜交稻的思路，即保持單穗重5 g左右，適當(dāng)增加分蘗力，提高有效穗數(shù)，株型適當(dāng)緊湊，葉內(nèi)卷直立，提高光合效率，保證光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運流暢，根系發(fā)達，莖粗抗倒。在此理論指導(dǎo)下，利用本團隊克隆的無花粉隱性核不育材料[11]為橋梁，構(gòu)建了重穗型雜交稻恢復(fù)系和保持系輪回選擇群體，結(jié)合抗病蟲基因（稻瘟病、白葉枯和飛虱等）、抗逆基因（干旱、低溫和高溫等）和稻米品質(zhì)相關(guān)基因的分子標(biāo)記輔助選擇，建立了分子標(biāo)記輪回育種新方法，為西南稻區(qū)水稻育種提供了高效的育種新體系。利用該體系成功育成了優(yōu)質(zhì)、抗病恢復(fù)系蜀恢498和不育系川農(nóng)1A等重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻骨干親本，并組配了F優(yōu)498、Ⅱ優(yōu)498和川農(nóng)優(yōu)498等重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻新組合，其中F優(yōu)498被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部認(rèn)定為超級稻，是長江上游國家區(qū)試對照品種。

2 重穗型雜交稻及骨干親本的遺傳基礎(chǔ)解析進展

西南稻區(qū)重穗型雜交稻育種取得了巨大成就，為保障我國糧食安全做出重要貢獻。針對重穗型水稻品種的株型、穗型和抗倒等性狀的遺傳基礎(chǔ)解析取得了初步進展，有利于進一步改良和指導(dǎo)培育新的品種。

2.1 株型相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)

株型是決定水稻產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，包括株高、分蘗、葉形等方面。馬均等[12]以15個不同穗重型雜交稻為材料，研究發(fā)現(xiàn)重穗型品種株高相比中輕穗型品種有所增加，重穗型品種上部3葉的長、寬、厚和面積均顯著大于中輕穗型品種，而且這些性狀與每穗粒數(shù)、單穗重和產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，表明重穗型的葉層結(jié)構(gòu)有利于提高光能利用率，尤其是在寡日照的四川盆地，對水稻高產(chǎn)具有重要意義。

為了解析重穗型水稻品種的株型遺傳基礎(chǔ)，王石光等[13]利用株型相關(guān)性狀差異較大的重穗型雜交稻骨干恢復(fù)系蜀恢498和蘗強穗小的宜恢3551為親本，構(gòu)建了一套包含410個單株的重組自交系群體（RILs），并構(gòu)建了該套RIL群體的高密度遺傳連鎖圖譜用于QTL分析。共鑒定到19個與株型性狀相關(guān)的QTL位點，其中株高QTL位點qPH1（蜀恢498型為正向加性效應(yīng)）、分蘗QTL位點qTN1（蜀恢498型為負向加性效應(yīng)）和葉寬QTL位點qFLW1（蜀恢498型為正向加性效應(yīng)）的效應(yīng)最大，且位于1號染色體相近的區(qū)間，推測這3個株型相關(guān)性狀是由同一基因或不同緊密連鎖基因控制，并且這3個位點可能是塑造蜀恢498株高較高、分蘗較少和葉片寬大的關(guān)鍵位點。該研究為培育高光效的重穗型水稻品種提供了株型改良的關(guān)鍵遺傳位點，打破qTN1位點與qPH1和qFLW1位點連鎖，有望適當(dāng)增加分蘗數(shù)，培育“重穗?yún)f(xié)調(diào)型”水稻新品種。

2.2 重穗形成的遺傳基礎(chǔ)

張向陽等[14]利用重穗型秈稻材料千粒稻與輕穗型粳稻材料日本晴為親本，構(gòu)建F2定位群體，檢測到一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、每穗粒數(shù)、穗長以及著粒密度5個穗部性狀相關(guān)QTL共17個。TIAN等[15]利用1個重穗型恢復(fù)系HP與小穗型日本晴構(gòu)建回交F2群體，鑒定到1個控制每穗粒數(shù)的主效QTL位點qGNPP1-1，并將該位點精細定位到標(biāo)記InDel13和InDel18之間的1 137 kb區(qū)間。王石光等[13,16]利用上述穗型和穗質(zhì)量差異較大的蜀恢498和宜恢3551為親本構(gòu)建的RIL群體，共檢測到40個穗部相關(guān)性狀的QTL，包括4個單穗重QTL qGWP1、qGWP2、qGWP6和qGWP9；其中，qGWP1在不同環(huán)境條件下都能穩(wěn)定檢測到，且效應(yīng)最大，能解釋超過20%的表型變異，可能是蜀恢498重穗形成的主要決定因子。單穗重由單穗粒數(shù)和千粒重決定，作者在與qGWP1相同的區(qū)間鑒定到1個主效的每穗穎花數(shù)QTL qNSP1和每穗實粒數(shù)QTL qNGP1，精細定位確定qGWP1/qNSP1/qNGP1位點候選基因是已克隆的主效穗粒數(shù)基因Gn1a/OsCKX2，蜀恢498中Gn1a在編碼區(qū)缺失11 bp。另一方面，精細定位和共分離驗證確認(rèn)蜀恢498的高千粒重基因為功能喪失型gs3。這些研究結(jié)果表明，蜀恢498攜帶的功能喪失型gn1a和gs3，可同步提高穗粒數(shù)和千粒重，是其重穗形成的主要遺傳基礎(chǔ)。

除了上述QTL定位以外，本團隊還構(gòu)建了重穗型雜交稻骨干親本蜀恢527和蜀恢498的EMS誘變突變體庫，鑒定了系列穗粒相關(guān)性狀的突變體，克隆了控制穗粒數(shù)和千粒重的基因OsBAK1/08SG2[17]、OsBSK2/GLW10[18]、GSN1[19]和OsSPL9[20]，以及籽粒灌漿和稻米品質(zhì)相關(guān)基因DG1[21]和GWC1[22]。上述基因在野生型蜀恢527和蜀恢498中均是優(yōu)異基因型，為解析蜀恢527和蜀恢498重穗優(yōu)質(zhì)形成的遺傳基礎(chǔ)提供了線索。

2.3 抗倒伏相關(guān)性狀的遺傳基礎(chǔ)

重穗型雜交稻要求莖稈堅韌彈性好，抗倒力強[6-7]。馬均等[23]研究了18個不同穗重型水稻品種的抗倒伏能力與莖稈的物理性狀、機械組織特性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)重穗型品種莖稈基部各節(jié)間橫切面積和莖壁厚度均顯著增加，機械組織表皮細胞壁厚且木質(zhì)化和纖維化程度高，莖稈中維管束數(shù)目和面積顯著增加，因而重穗型品種的抗倒伏能力也較強。范存留等[24]研究發(fā)現(xiàn)，綿恢725配組的系列重穗型雜交水稻的莖基部各節(jié)間的直徑、壁厚相比對照Ⅱ優(yōu)838明顯增加，表現(xiàn)為莖稈粗壯，是其倒伏指數(shù)明顯低于對照品種的原因。這些研究結(jié)果從莖稈形態(tài)結(jié)構(gòu)和細胞學(xué)機制方面，解析了重穗型水稻品種抗倒伏能力強的原因。

為了解析重穗型雜交稻骨干親本蜀恢498抗倒伏的遺傳機制，王石光[13]利用蜀恢498的近等基因系，將1個莖粗抗倒主效QTL位點qPND1精細定位于第1染色體的183 kb區(qū)間；周雷[25]和TU等[26]通過轉(zhuǎn)基因互補實驗確定Gn1a是該QTL位點的候選基因，蜀恢498中g(shù)n1a為功能喪失型，不但能增加穗粒數(shù)，而且根系發(fā)達、稈粗抗倒。

3 重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻分子設(shè)計育種基因資源

荷蘭科學(xué)家PELEMAN和VAN DER VOORT[27]于2003年最先提出設(shè)計育種（Breeding by Design）的概念，他們認(rèn)為，開展設(shè)計育種之前需要先定位所有農(nóng)藝性狀相關(guān)的QTL位點，然后評價這些位點的等位變異。隨后中國水稻研究所提出“基因設(shè)計育種”的概念，就是在水稻全基因組測序完成后，明確主要農(nóng)藝性狀基因功能基礎(chǔ)上，聚合有利基因，培育產(chǎn)量、米質(zhì)、抗性等多方面提升的突破性新品種。已有大量的株型、產(chǎn)量和稻米品質(zhì)相關(guān)性狀優(yōu)異基因或QTL完成克隆和功能解析（表1），為開展重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻分子設(shè)計育種提供了豐富的基因資源。

表1 部分已克隆重要農(nóng)藝性狀相關(guān)主效基因/QTL

3.1 株型相關(guān)基因

水稻株型包括株高、分蘗、分蘗角、葉夾角、葉形以及穗型等，是決定水稻產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀，相關(guān)基因的克隆和功能研究為株型塑造提供了理論基礎(chǔ)。

3.1.1 株高基因

水稻中已克隆了大量株高相關(guān)基因，但大多基因除了影響株高還會影響其他農(nóng)藝性狀，難以育種利用。目前生產(chǎn)上應(yīng)用的半矮稈基因主要是sd1、OsSPY和SB1。sd1被譽為“綠色革命”基因，編碼1個赤霉素20-氧化酶[28]，在矮化育種中發(fā)揮重要作用，但最近研究發(fā)現(xiàn)，SD1可正調(diào)控氮吸收和穗型結(jié)構(gòu)，其功能喪失會導(dǎo)致氮肥利用效率下降，穗粒數(shù)減少[29-30]。因此，sd1結(jié)合氮肥高效基因和優(yōu)異產(chǎn)量基因應(yīng)用，或許會迎來新的“綠色革命”。YANO等[31]對169個粳稻品種的8個株型相關(guān)性狀進行主成分分析，鑒定到影響水稻株型的關(guān)鍵基因OsSPY，其編碼1個N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶。OsSPY能激活GA信號抑制蛋白SLR1的表達，抑制GA信號，從而導(dǎo)致株高和穗長減小，穗數(shù)增加。進化分析表明，OsSPY的HapⅠ型在溫帶粳稻的矮化育種過程中受到人工選擇。LIU等[32]克隆了1個控制莖稈基部節(jié)間長度的基因SBI，其編碼1個赤霉素2氧化酶，能將活性赤霉素轉(zhuǎn)化為非活性赤霉素化合物，從而抑制莖稈伸長，為改良水稻莖稈節(jié)間長度和株高表型，培育高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的抗倒伏水稻新品種提供了新的基因資源，利用SBI基因培育了系列高產(chǎn)、抗倒伏的新品種。最近，谷曉峰團隊[33]通過全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到1個株高相關(guān)的位點SD8，其編碼1個擬南芥生長素運輸載體ABCB1的同源蛋白，影響IAA運輸速率并介導(dǎo)生長素的極性運輸。SD8基因編輯突變體表現(xiàn)為株高降低，葉夾角減小，正常種植密度條件下不影響產(chǎn)量，而密植條件下相比野生型增產(chǎn)10%左右，為培育耐密植、適宜直播的水稻品種提供了新策略。

3.1.2 分蘗基因

分蘗是直接影響水稻產(chǎn)量的重要因素之一，保證合適的分蘗數(shù)，控制無效分蘗對水稻產(chǎn)量至關(guān)重要。MOC1是首個克隆的分蘗基因，編碼1個GRAS家族蛋白，調(diào)控分蘗芽的形成，該基因突變后表現(xiàn)為單稈，過表達則分蘗增加[34]。水稻DELLA蛋白SLR1與MOC1相互作用抑制MOC1的降解，而GA會促進SLR1和MOC1降解，導(dǎo)致株高增加和分蘗減少[35]。MOC3編碼1個WOX家族轉(zhuǎn)錄因子，可與MOC1直接互作，調(diào)控下游靶基因FON1表達，調(diào)控分蘗芽的伸長[36]。OsTB1編碼1個TCP家族轉(zhuǎn)錄因子，可抑制水稻側(cè)芽伸出，負調(diào)控水稻分蘗；過表達OsTB1，分蘗減少，莖稈更粗壯，對培育重穗抗倒品種有潛在的應(yīng)用價值[37]。WANG等[38]解析華占株型遺傳基礎(chǔ)時鑒定到1個調(diào)控分蘗的主效QTL位點HTD1，其編碼1個類胡蘿卜素裂解雙加氧酶，來源于華占的HTD1HZ能增加分蘗并且為顯性，單倍型分析發(fā)現(xiàn)，HTD1HZ與sd1DWGW兩種優(yōu)異等位基因在現(xiàn)代秈稻品種中已被共同選擇利用，對培育抗倒伏、高產(chǎn)的重穗型水稻品種有重要應(yīng)用價值。

續(xù)表1。

3.1.3 分蘗角基因

分蘗角度反應(yīng)株型的松散程度，影響植株的種植密度，是水稻育種中株型塑造的重要目標(biāo)性狀之一，重穗?yún)f(xié)調(diào)型品種要求株型適當(dāng)緊湊[10]。PROG1是控制野生稻匍匐生長的關(guān)鍵基因，受到強烈的人工馴化選擇，栽培稻中功能喪失型的prog1導(dǎo)致植株直立生長，對提高水稻產(chǎn)量具有重要意義[39-40]。孫傳清團隊[41-42]先后鑒定到2個正調(diào)控分蘗角度的主效QTL位點TAC1和TIG1，分別在粳稻和秈稻的分蘗角度馴化過程中受到人工馴化選擇，是株型設(shè)計的重要基因資源。其他通過突變體克隆的分蘗角度相關(guān)基因，包括LAZY1[43]、LPA1[44]和TAC4[45]等，也為分蘗角度改良提供了潛在的靶基因。

3.1.4 葉夾角和葉形基因

葉片是水稻光合作用的主要場所，是重要的“源”供應(yīng)器官，其形態(tài)改良是水稻育種的重要目標(biāo)性狀。重穗型品種葉片較寬大、葉內(nèi)卷直立，光合效率高，是“源足”的重要保障[12]。葉夾角小有利于通風(fēng)透光，增強光合效率，能實現(xiàn)密植增產(chǎn)。目前報道的葉夾角基因主要是通過生長素、油菜素內(nèi)酯（BR）和赤霉素等激素途徑調(diào)控葉夾角大小，但由于大部分基因具有多效性，突變或過表達會同時影響多個性狀，育種中很難直接應(yīng)用[46]。最近，ZHANG等[47]克隆到1個新的粒型和葉夾角調(diào)控基因POW1，該基因突變后籽粒和葉夾角均增大，且通過不同的途徑分別調(diào)控籽粒大小和葉夾角；在pow1突變體背景下調(diào)節(jié)BR合成基因OsDWARF4和D11，或者BR信號基因D61能恢復(fù)突變體葉夾角表型，不影響粒型，因此POW1-BR模塊為培育緊湊型高產(chǎn)水稻新品種提供了可行的策略。

目前，大部分克隆葉形基因同樣具有多效性[48]，葉形的變化通常會伴隨植株矮化、實差或小粒等不利性狀，有育種利用價值或潛力的葉形調(diào)控基因主要是NAL1和ROC8。NAL1編碼1個絲氨酸/半胱氨酸蛋白酶，正調(diào)控葉寬和穗粒數(shù)，負調(diào)控光合效率和分蘗[49-52]。前期研究報道，功能完整的粳稻型NAL1導(dǎo)入部分功能喪失的秈稻背景能增加穗粒數(shù)和水稻產(chǎn)量[50,52]，但最近研究表明，部分功能喪失的NAL1有更高的光合效率和穗數(shù)，低密度栽培條件下大田實際產(chǎn)量更高[49]。因此，NAL1是協(xié)調(diào)水稻光合效率和株型的關(guān)鍵因子，對培育適宜稀植、高光效的重穗型雜交稻具有重要應(yīng)用價值。ROC8編碼1個HD-ZIP IV家族轉(zhuǎn)錄因子，負調(diào)控泡狀細胞大小和數(shù)量，該基因突變體表現(xiàn)為葉片背面卷曲，而過表達植株葉片正面卷曲，光合效率增加，株高、穗型、籽粒大小等其他農(nóng)藝性狀均無顯著差異，對塑造葉片內(nèi)卷直立的株型具有重要價值[53-55]。

3.1.5 穗型基因

穗大粒多是保證重穗型品種“庫”大的基礎(chǔ)，改良穗型是重穗型品種選育的重中之重。水稻穗型包括穗長、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、每穗著粒數(shù)和著粒密度等方面，是水稻產(chǎn)量的直接決定因素[56]。根據(jù)穗型形態(tài)，可分為直立穗型、半直立穗型和彎曲穗型型。北方粳稻多為直立或半直立穗型，秈稻以彎曲穗型為主。粳稻的直立穗型主要是應(yīng)用直立密穗基因dep1[57]，而秈稻穗型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)相對更復(fù)雜。Gn1a編碼細胞分裂素氧化酶/脫氫酶OsCKX2，是最先克隆的穗粒數(shù)主效QTL，該基因突變或表達下調(diào)導(dǎo)致細胞分裂素在穗分生組織積累，最終穗分支和穗粒數(shù)增加[58]。核染色質(zhì)互作因子OsVIL2通過影響Gn1a啟動子區(qū)的H3K27甲基化，抑制其表達，正調(diào)控穗粒數(shù)[59]。鋅指轉(zhuǎn)錄因子DST可直接正調(diào)控Gn1a表達，負調(diào)控穗粒數(shù)[60]，且OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6信號途徑調(diào)控穗粒數(shù)也是依賴于DST-Gn1a模塊[61]。因此，Gn1a是調(diào)控穗粒數(shù)的核心因子。本團隊研究表明，重穗型雜交稻骨干親本蜀恢498的gn1aR498編碼區(qū)缺失11 bp，導(dǎo)致功能喪失，表現(xiàn)為穗大粒多，且根系發(fā)達，莖粗抗倒，gn1aR498對培育重穗抗倒的新品種具有重要的應(yīng)用價值[16,26]。

除了Gn1a以外，穗粒數(shù)主效基因FZP、GNP1、NOG1和TAW1等也先后鑒定到優(yōu)異自然等位基因，為穗型設(shè)計提供了可用基因資源。FZP編碼1個AP2轉(zhuǎn)錄因子，負調(diào)控腋生分生組織的形成[62]，其中來源于川7的FZP在啟動子區(qū)上游5.3 kb處有1個18 bp序列插入，可增強轉(zhuǎn)錄抑制因子OsBZR1的結(jié)合，抑制FZP表達，導(dǎo)致二次枝梗數(shù)和穗粒數(shù)增加，且該單倍型是來源于Aus資源的稀有變異，在育種中可能有很大應(yīng)用潛力[63]。GNP1編碼1個赤霉素20-氧化酶，催化赤霉素生物合成，正調(diào)控二次枝梗和穗粒數(shù)，來源于特青的GNP1TQ表達更強，有利于增加穗粒數(shù)和產(chǎn)量[64]。NOG1編碼1個烯酰輔酶A水合酶/異構(gòu)酶，正調(diào)控穗粒數(shù)，其啟動子區(qū)的2個12 bp串聯(lián)拷貝能增加基因表達，增加穗粒數(shù)[65]。TAW1編碼1個核定位的ALOG家族蛋白，調(diào)控花序分生組織活性和小穗分生組織的相變，表達增強會促進二次枝梗形成，增加穗粒數(shù)[66]。本團隊從資源材料WY11327鑒定到優(yōu)異等位基因TAW1Hap13，能適當(dāng)增強其表達，有利于增加穗粒數(shù)，且該單倍型來源于Aus，在秈稻和粳稻中還未被廣泛應(yīng)用，具有重要的育種應(yīng)用潛力[67]。

3.1.6 理想株型基因

除了上述主要以某一主要株型性狀克隆的基因以外，還有從整體株型出發(fā)克隆的理想株型相關(guān)基因，包括IPA1、SHI1、IPI1和NPT1等，這些基因具有典型的多效性，對整體株型塑造具有重要作用。IPA1/WFP編碼1個SPL家族轉(zhuǎn)錄因子OsSPL14，是最先克隆的理想株型基因[68-69]。IPA1通過直接調(diào)控分蘗基因OsTB1負調(diào)控分蘗，通過調(diào)控穗粒數(shù)基因DEP1正調(diào)控穗分支和穗粒數(shù)[70]。IPA1表達受OsmiR156調(diào)控，OsmiR156靶位點序列突變會導(dǎo)致IPA1積累，表現(xiàn)為分蘗減少、莖粗抗倒、穗粒數(shù)和產(chǎn)量增加的理想株型[68-69]。IPA1表達還受表觀遺傳調(diào)控，其啟動子區(qū)上游的3個串聯(lián)重復(fù)序列可以抑制IPA1啟動子的DNA甲基化修飾，促進IPA1表達；ipa1-1D能適當(dāng)增強IPA1表達，有利于協(xié)調(diào)分蘗數(shù)和穗粒數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)量潛力最大化[71]。IPA1除了調(diào)控產(chǎn)量性狀以外，還正調(diào)控稻瘟病抗性。稻瘟菌侵染后誘導(dǎo)IPA1的163位絲氨酸磷酸化，促進磷酸化的IPA1激活抗病基因WRKY45，增強抗病性。而侵染48 h后，IPA1恢復(fù)到非磷酸化狀態(tài)，繼續(xù)促進生長發(fā)育基因表達，實現(xiàn)抗病和生長發(fā)育的平衡[72]。

IPI1編碼1個E3泛素連接酶，負調(diào)控分蘗和穗粒數(shù)。IPI1與IPA1互作，分別介導(dǎo)IPA1的K48和K63位多聚泛素化，促進IPA1在穗部降解和增強IPA1在莖尖的蛋白穩(wěn)定性，進而調(diào)控下游靶基因的表達[73]。NPT1編碼1個去泛素化酶OsOTUB1，能與IPA1直接互作，限制IPA1的K63位多聚泛素化，同時促進IPA1通過K48位多聚泛素化降解，npt1突變體中IPA1蛋白積累，表現(xiàn)為少分蘗、莖稈粗壯和穗粒數(shù)增加的理想株型[74]。此外，OsSHI1通過與IPA1直接互作，抑制IPA1對下游靶基因OsTB1和DEP1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，從而正調(diào)控分蘗和負調(diào)控穗粒數(shù)[75]。因此，IPA1是理想株型塑造的核心調(diào)控因子，為高產(chǎn)和抗病育種提供了重要的理論基礎(chǔ)。

3.2 千粒重相關(guān)基因

千粒重主要由水稻粒型決定，是直接決定水稻產(chǎn)量的因素之一。粒型包括粒長、粒寬、粒厚和長寬比4個方面，已經(jīng)克隆大量粒型相關(guān)基因或QTL，其分子機制涉及不同的調(diào)控途徑，包括G蛋白信號途徑、泛素-蛋白酶體降解途徑、MAPK信號途徑、植物激素途徑和轉(zhuǎn)錄因子途徑等[76-77]，為水稻粒型和千粒重改良提供了理論基礎(chǔ)和豐富的基因資源。下面主要介紹存在優(yōu)異自然等位基因、有育種應(yīng)用潛力的主效QTL，為分子設(shè)計育種提供理論基礎(chǔ)。

3.2.1 粒長QTL

主要包括GS3、CLG1、OsLG3b/LGY3、TGW6、qGL3/GL3.1/qGL3-1、GL5/OsAUX3和qTGW3/GL3.3/TGW3等，其中GS3、CLG1和OsLG3b/LGY3通過G蛋白信號途徑調(diào)控粒型。GS3編碼1個G蛋白的γ亞基，是水稻中克隆的第1個粒型主效QTL，負調(diào)控粒長和千粒重。其編碼區(qū)第2外顯子165位的C/A替換，導(dǎo)致翻譯提前終止，表現(xiàn)為大粒表型。目前生產(chǎn)上的長粒型品種，大多是gs3功能缺陷型[78-79]。最近研究發(fā)現(xiàn)，泛素連接酶CLG1與GS3直接互作并將其泛素化，進一步介導(dǎo)GS3通過核內(nèi)體途徑降解，改變G蛋白信號，從而正調(diào)控粒長。CLG1163S單倍型具有較高的泛素連接酶活性，能增加粒長，具有育種利用潛力[80]。OsLG3b/LGY3編碼1個MADS-box轉(zhuǎn)錄因子OsMADS1，G蛋白γ亞基GS3和DEP1與OsMADS1直接互作，增強其轉(zhuǎn)錄活性，共同調(diào)控下游靶基因表達。OsMADS1負調(diào)控粒長，C端蛋白截短的自然變異單倍型有利于增加粒長，改善稻米品質(zhì)。進化分析發(fā)現(xiàn)該優(yōu)異單倍型主要存在于熱帶粳稻，溫帶粳稻和秈稻中還未被廣泛應(yīng)用，表明該基因在秈稻育種中有較大應(yīng)用潛力[81-82]。

TGW6、qGL3/GL3.1/qGL3-1、GL5/OsAUX3和qTGW3/GL3.3/TGW3通過植物激素途徑調(diào)控粒型。TGW6編碼1個IAA-葡萄糖水解酶，負調(diào)控粒長和千粒重，其稀有單倍型tgw6Kasalath的編碼區(qū)缺失1 bp，導(dǎo)致蛋白翻譯提前終止，可增加千粒重和產(chǎn)量[83]。qGL3/GL3.1/qGL3-1編碼1個蛋白磷酸酶OsPPKL1，可去磷酸化OsGSK3并增強其穩(wěn)定性，進而負調(diào)控BR信號和粒長[84]，其稀有等位基因OsPPKL1D364E有利于增加粒長[85-87]。此外，OsPPKL1的D364位點通過誘導(dǎo)細胞分裂素磷酸轉(zhuǎn)移蛋白OsAHP2上的磷酸基團，影響OsAHP2向細胞分裂素響應(yīng)因子RR21蛋白的磷酸中繼效率，抑制細胞分裂素信號和水稻籽粒發(fā)育，編輯D364位點能有效的增加粒長[88]。錢前院士團隊利用9311/日本晴的RILs群體鑒定到1個粒長和粒重的主效QTL qGL5，編碼1個生長素輸入載體OsAUX3，通過影響細胞擴增，負調(diào)控粒長；轉(zhuǎn)錄因子OsARF6能直接正調(diào)控OsAUX3，從而負調(diào)控粒長，而OsARF6表達受miR167a調(diào)控，因此miR167a-OsARF6-OsAUX3模塊可調(diào)控水稻粒長和粒質(zhì)量，在水稻高產(chǎn)育種中有潛在的應(yīng)用價值[89]。qTGW3/GL3.3/TGW3編碼1個GSK3/SHAGGY-Like家族的蛋白激酶OsGSK5/OsSK41，負調(diào)控粒長[90-92]；OsSK41與生長素響應(yīng)因子OsARF4直接互作并磷酸化OsARF4，從而增強OsARF4對生長素下游基因表達的轉(zhuǎn)錄抑制[90]，功能缺失的qtgw3/gl3.3/tgw3優(yōu)異單倍型屬于稀有變異，主要存在于粳稻或Aus中，基因聚合效應(yīng)分析表明，tgw3/gw5和gl3.3/gs3的基因型組合對培育大粒品種具有重要應(yīng)用價值[90-91]。

3.2.2 粒寬QTL

主要包括GW2、GW5/GSE5、OsSPL12、TGW2、GS5和GW6等，其中GS5和GW6正調(diào)控粒寬，其余均負調(diào)控粒寬。GW2編碼1個E3泛素連接酶，稀有單倍型gw2WY3在編碼區(qū)缺失1 bp導(dǎo)致蛋白翻譯提前終止，有利于增加粒寬和千粒重，該優(yōu)異自然等位基因還未被廣泛應(yīng)用[93]。最近研究發(fā)現(xiàn)，GW2與粒寬正調(diào)控基因WG1/OsGRX8互作并將其泛素化，影響WG1/OsGRX8蛋白穩(wěn)定性，進而調(diào)控粒寬[94]。GW5/GSE5編碼1個鈣調(diào)素結(jié)合蛋白，與BR信號負調(diào)控因子GSK2互作并抑制其激酶活性，進而通過BR信號途徑負調(diào)控粒寬[95-96]。GW5/GSE5的啟動子區(qū)在粳稻和秈稻中分別存在1 212 bp和950 bp的缺失，導(dǎo)致其表達降低，增加粒寬[96]；轉(zhuǎn)錄因子OsSPL12直接結(jié)合GW5的啟動子區(qū)域并正調(diào)控其表達，從而負調(diào)控粒寬，其中低轉(zhuǎn)錄活性的粳型OsSPL12有利于增加粒寬，OsSPL12-GW5模塊為粒型改良提供了理論依據(jù)[97]。TGW2編碼1個細胞數(shù)目調(diào)控因子OsCNR1，與細胞周期調(diào)控蛋白KRP1互作負調(diào)控細胞增殖和擴張，進而負調(diào)控粒寬和千粒重；tgw29311型在啟動子區(qū)1個SNP變異導(dǎo)致TGW2表達水平降低，有利于增加粒寬和產(chǎn)量[98]。GS5編碼1個絲氨酸羧肽酶，與OsBAK1-7互作促進BR信號，其中來源于珍汕97的GS5單倍型表達水平較高，有利于增加粒寬和千粒重[99-100]。GW6編碼1個受赤霉素調(diào)節(jié)的GAST家族蛋白，正調(diào)控粒寬，其啟動子中順式作用元件CAAT盒的自然變異與GW6的表達水平和粒寬關(guān)聯(lián)；在秈稻華粳秈74和粳稻武運粳7號背景下導(dǎo)入GW6，均能顯著提高單株產(chǎn)量，表明GW6對高產(chǎn)育種有重要價值[101]。

3.2.3 粒長和粒寬QTL

主 要 包 括GS2/GL2/GLW2/PT2/LGS1、GW8、GL7/GW7、GS9和GSA1等。GS2/GL2/GLW2/PT2/LGS1編碼1個植物特有的生長調(diào)節(jié)因子OsGRF4，其編碼區(qū)的稀有變異（TC＞AA）會影響OsmiR396介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，導(dǎo)致OsGRF4表達水平顯著上調(diào)，有利于增加粒長和粒寬，且優(yōu)異等位型為半顯性，在雜交稻育種中有重要應(yīng)用價值[102-107]。GW8編碼1個SPL家族轉(zhuǎn)錄因子OsSPL16，正調(diào)控粒寬，負調(diào)控粒長；該基因啟動子區(qū)的10 bp缺失會抑制其表達，表現(xiàn)為細長粒型，米質(zhì)變好[108]。GL7/GW7編碼擬南芥中LONGIFOLIA的同源蛋白，正調(diào)控粒長，負調(diào)控粒寬；該基因的拷貝數(shù)或啟動子區(qū)變異顯著提高其表達水平，產(chǎn)生細長粒型，同時提高米質(zhì)[109-110]。GW8直接結(jié)合GW7啟動子并負調(diào)控其表達，從而調(diào)控粒型，GW8-GW7模塊為同步提高產(chǎn)量和米質(zhì)提供了思路[110]。GS9編碼1個功能未知的核定位蛋白，正調(diào)控粒寬，負調(diào)控粒長，且功能喪失型gs9能增加谷粒長寬比，降低堊白粒率和堊白度；高產(chǎn)品種中導(dǎo)入gs9能改良粒型和稻米外觀品質(zhì)，而不影響植株生長發(fā)育和產(chǎn)量，對培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種有重要應(yīng)用價值[111]。GSA1編碼1個UDP葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，通過調(diào)控代謝流重新定向，正調(diào)控粒型和抗逆性；GSA1WYJ單倍型比GSA1CG14單倍型糖基轉(zhuǎn)移酶活性更高，為高產(chǎn)高抗育種提供了新的基因資源[112]。

3.3 稻米品質(zhì)相關(guān)基因

稻米品質(zhì)包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)，這些性狀均是由多基因控制的數(shù)量性狀，其遺傳機制十分復(fù)雜，而且品質(zhì)性狀容易受環(huán)境因素影響，研究難度較大。已經(jīng)報道了大量的米質(zhì)相關(guān)基因，但大部分是利用突變體進行基因克隆，優(yōu)異自然等位基因不明確，難以育種利用[113-114]。通過自然變異克隆的主效稻米品質(zhì)相關(guān)基因簡要介紹如下，為品質(zhì)改良提供理論基礎(chǔ)。

3.3.1 外觀品質(zhì)基因

外觀品質(zhì)是稻米最直觀的品質(zhì)性狀，主要包括粒型、堊白和透明度等方面[113]。一方面粒型會影響稻米的市場價值，不同地區(qū)的消費者對粒型的偏好不同；另一方面粒型也會直接影響稻米的堊白。比如GW2和TGW2功能缺失導(dǎo)致粒寬和千粒重增加，同時堊白也增加，稻米外觀品質(zhì)變差[93,98]；而GW8、GL7/GW7和GS9調(diào)控谷粒長寬比，細長粒型有利于降低堊白，提高稻米外觀品質(zhì)[108,110-111]。

已克隆的堊白調(diào)控基因主要包括Chalk5、WCR1和EDR1。Chalk5編碼液泡膜質(zhì)子轉(zhuǎn)運焦磷酸酶，其啟動子區(qū)2個SNP差異影響表達水平，高表達的Chalk5會擾亂內(nèi)膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的pH穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致小囊泡類結(jié)構(gòu)增加和異常的蛋白體，進而形成堊白[115]。WCR1編碼1個F-box蛋白，正調(diào)控參與活性氧清除的金屬硫蛋白MT2b的轉(zhuǎn)錄，并與MT2b互作抑制其26S蛋白酶體介導(dǎo)的降解，從而促進水稻胚乳中的活性氧清除，延遲細胞程序性死亡，最終減少堊白；WCR1啟動子區(qū)的功能性A/G變異，影響轉(zhuǎn)錄激活因子OsDOF17對其轉(zhuǎn)錄調(diào)控，其中WCR1A型表達水平更高，能同時增加千粒重和降低堊白[116]。EDR1編碼1個UDP-葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，其編碼區(qū)自然變異導(dǎo)致酶活差異，EDR1YZN單倍型酶活性降低，導(dǎo)致堊白增加，而EDR1YD1單倍型種子的堊白較低，可用于育種改良[117]。

3.3.2 蒸煮食味品質(zhì)基因

蒸煮食味品質(zhì)是稻米品質(zhì)最重要的性狀，主要通過直鏈淀粉含量（AC）、糊化溫度（堿消值）、膠稠度等指標(biāo)評價。Wx編碼顆粒淀粉合成酶GBSSⅠ，是控制AC的主效基因，也是影響稻米蒸煮食味品質(zhì)的最重要基因。目前已經(jīng)鑒定到9種Wx等位基因，分別控制AC含量從高到低，包括Wxlv、Wxa、Wxin、Wxb、Wxmw/la、Wxmq、Wxmp、Wxop/hp和wx[113-114,118]。Wxlv、Wxa和Wxin屬于典型的高AC單倍型，稻米透明度較好，但食味品質(zhì)很差。Wxb屬于中等AC單倍型，主要存在于粳稻品種中，稻米食味和外觀品質(zhì)較好。Wxmq、Wxmp和Wxop/hp屬于低AC單倍型，主要存在于軟米中，食味品質(zhì)較好，但籽粒不透明，外觀品質(zhì)較差；wx是功能完全喪失型等位基因，稻米表現(xiàn)為不透明的蠟質(zhì)狀，應(yīng)用于糯稻品種中。Wxmw/la是由Wxb和Wxin通過基因內(nèi)重組產(chǎn)生，表現(xiàn)為中等AC，且籽粒的透明度相比軟米更好，能同時提高稻米的蒸煮食味和外觀品質(zhì)，具有重要的育種應(yīng)用價值[119-120]。

ALK編碼可溶性淀粉合酶OsSSⅡa，參與支鏈淀粉的長鏈合成，是控制稻米糊化溫度的主效基因[121-122]。根 據(jù)ALK編 碼 區(qū)3個 功 能SNP（A4198G，GC4330/4331TT），將ALK分為ALKa（A/GC）、ALKb（G/TT）和ALKc（G/GC）3種單倍型，其中，ALKc控制高糊化溫度，ALKa和ALKb控制低糊化溫度，而且ALKb糊化溫度比ALKa更低[122-123]。本團隊對ALK啟動子區(qū)進行單倍型分析，鑒定到2種主要的單倍型，其中I型主要存在于秈稻和粳稻，II型主要存在于Aus/Boro和Basmati。II型的啟動子活性低于I型，進而負調(diào)控堿消值。ALK的II型啟動子和ALKb的稀有組合是高堿消值的優(yōu)異單倍型，對改良米質(zhì)具有重要價值[124]。

香味是評價米飯食味品質(zhì)的重要指標(biāo)，水稻香味主要由甜菜堿醛脫氫酶BADH2控制[125]。研究表明，水稻香味物質(zhì)主要是2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），BADH2能催化2-AP的合成前體4-氨基丁醛的氧化，抑制2-AP合成。BADH2功能喪失導(dǎo)致2-AP積累，產(chǎn)生香味[125]。目前已經(jīng)鑒定到多種功能缺失的BADH2優(yōu)異自然等位基因，為水稻香味改良提供了理論基礎(chǔ)[126]。

3.3.3 營養(yǎng)品質(zhì)基因

蛋白質(zhì)含量是影響稻米營養(yǎng)品質(zhì)的主要因素，已鑒定2個控制蛋白質(zhì)含量的主效QTL qPC1和qGPC-10。qPC1編碼氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白OsAAP6，正調(diào)控籽粒蛋白質(zhì)含量。該基因5’-UTR區(qū)的2個自然變異與蛋白質(zhì)含量多樣性相關(guān)，OsAAP6ZS97單倍型表達較高，可用于提高籽粒中蛋白質(zhì)含量[127]。qGPC-10/OsGluA2編碼谷蛋白A2型前體，正調(diào)控籽粒蛋白質(zhì)含量。該基因啟動子區(qū)1個功能性SNP（-1 100）導(dǎo)致表達量差異，進而影響籽粒的蛋白質(zhì)含量。粳稻中主要是低表達的OsGluA2LET單倍型，來源于野生稻；而秈稻中主要是高表達的OsGluA2HET單倍型，為改良籽粒蛋白質(zhì)含量提供了理論基礎(chǔ)[128]。除了蛋白質(zhì)含量相關(guān)QTL以外，ZHOU等[129]利用全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到46個脂肪酸濃度和組分相關(guān)的QTL，并克隆了4個調(diào)控脂肪酸組分的主效基因PAL6、LIN6、MYR2和ARA6，為改良稻米的油脂品質(zhì)提供了靶基因。

4 重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻分子設(shè)計育種策略

4.1 重穗型雜交稻核心種質(zhì)構(gòu)建

水稻種質(zhì)資源對育種具有重要作用[131]，我國非常重視種質(zhì)資源的收集、保存、評價與利用。例如，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所牽頭完成3 010份亞洲栽培稻基因組變異鑒定與分析，揭示了亞洲栽培稻的起源、群體結(jié)構(gòu)多樣性和基因組結(jié)構(gòu)性變異，剖析了水稻核心種質(zhì)的遺傳多樣性[132]。最近，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所牽頭組裝了251份水稻核心種質(zhì)材料的高質(zhì)量基因組，構(gòu)建了稻屬中最為系統(tǒng)的超級泛基因組圖譜，該圖譜將極大促進水稻優(yōu)異基因挖掘和水稻種質(zhì)資源的育種利用[133]。

針對西南稻區(qū)水稻種質(zhì)資源缺乏系統(tǒng)精準(zhǔn)評價、基礎(chǔ)研究與育種需求相對脫節(jié)，導(dǎo)致育成品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、同質(zhì)化嚴(yán)重、突破性品種少等問題，本團隊收集鑒定了國內(nèi)外多樣化種質(zhì)資源2 000余份，并采用二代高通量測序分析了其中1 275份資源的遺傳結(jié)構(gòu)和多樣性[134]，進一步構(gòu)建了包含253份材料的重穗型雜交稻核心種質(zhì)，發(fā)掘了農(nóng)藝性狀優(yōu)良、抗病、耐高溫等優(yōu)良種質(zhì)資源56份，為重穗型雜交稻育種提供了目標(biāo)性狀明確的優(yōu)異種質(zhì)材料，有利于拓寬品種的遺傳基礎(chǔ)。本團隊選取具有高度代表性的33份水稻材料，包括蜀恢498和蜀恢527等重穗型雜交稻骨干親本，空育131和五山絲苗等優(yōu)良育種親本，以及非洲栽培稻CG14等資源材料，采用最新的第3代基因測序技術(shù)，完成高質(zhì)量的基因組組裝和基因注釋；揭示了大量“隱藏”的基因結(jié)構(gòu)變異，構(gòu)建了水稻圖形基因組[135]，為水稻功能基因組學(xué)研究、優(yōu)異等位基因挖掘和分子設(shè)計育種奠定了堅實基礎(chǔ)。

4.2 優(yōu)異自然等位基因鑒定

隨著功能基因組學(xué)的發(fā)展，研究者利用不同的遺傳材料和研究方法，已經(jīng)克隆大量的重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因[136]，為分子設(shè)計育種提供了理論基礎(chǔ)。但大部分基因是通過突變體材料克隆，難以直接育種利用。鑒定優(yōu)異的自然等位基因，有利于加速優(yōu)異基因的育種利用。例如，周文彬團隊[137]最近鑒定到1個轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1C，能協(xié)同調(diào)控水稻的光合效率、氮素利用效率以及抽穗期等3個生理過程，進而同步提高水稻產(chǎn)量和肥料利用效率，實現(xiàn)早熟高產(chǎn)、綠色高效，具有重要的育種利用價值。盡管該基因存在自然變異，但不同等位基因的功能還不明確，進一步發(fā)掘該基因的優(yōu)異自然等位基因?qū)τN利用具有重要意義。大量的資源材料或育種親本完成重測序或全基因組精細測序，將會加速新的優(yōu)異自然等位基因的挖掘和利用[132-135,138-140]。例如，李自超團隊利用穗粒數(shù)稀少的種質(zhì)資源BS208與特青構(gòu)建的定位群體，克隆了1個穗粒數(shù)相關(guān)基因RGN1。進一步利用3K測序數(shù)據(jù)進行單倍型分析，鑒定到優(yōu)異單倍型RGN1C，該優(yōu)異等位基因?qū)Ω牧妓氩啃誀钣兄匾獞?yīng)用價值[130]。

本團隊以重穗型雜交稻骨干親本蜀恢527和蜀恢498為核心親本，以完成精細基因組測序的20多個遺傳多樣性豐富的材料為供體，結(jié)合探明的大量“隱藏”的基因結(jié)構(gòu)變異，構(gòu)建了系列重組自交系或染色體片段代換系材料；同時構(gòu)建了蜀恢527和蜀恢498的EMS誘變突變體庫。這些遺傳材料為進一步挖掘優(yōu)異自然等位基因，解析重穗型雜交稻遺傳基礎(chǔ)奠定了堅實的基礎(chǔ)，以期為重穗型雜交稻分子設(shè)計育種提供新的優(yōu)異基因資源。

4.3 分子育種模塊構(gòu)建

分子設(shè)計育種最終目的是將控制不同農(nóng)藝性狀的優(yōu)異基因進行聚合，培育產(chǎn)量、米質(zhì)、抗性等多方面同步提升的突破性新品種。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要經(jīng)歷單基因克隆與功能解析、分子模塊解析、分子模塊耦合組裝和品種分子設(shè)計與培育等過程[141]。目前已經(jīng)克隆了許多重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因[136]，但由于遺傳背景的限制，不同基因之間的聚合效應(yīng)還很不清楚，導(dǎo)致可用的分子模塊缺乏。在相同的遺傳背景下分析基因的聚合效應(yīng)是評價分子模塊的有效途徑，例如WANG等[108,110]在華粳秈74背景下分別評價了粒型基因GW8和GS3，GW7和GS3的聚合效應(yīng)，并利用gw8-gs3模塊育成高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種華標(biāo)1號，利用GW7TFA-gs3模塊育成高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種泰豐優(yōu)55和泰豐優(yōu)208。LIU等[81]分析了粒型基因LGY3與DEP1和GS3聚合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)lgy3-dep1-1和lgy3-gs3模塊能同時提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，為粳稻和秈稻的育種改良分別提供了優(yōu)異的分子模塊。

盡管目前已經(jīng)鑒定一些分子模塊，但大多是相互獨立的，進一步探索不同分子模塊的耦合組裝對育種應(yīng)用至關(guān)重要。例如，產(chǎn)量與品質(zhì)、抗病、營養(yǎng)高效等分子模塊耦合。ZENG等[142]以超高產(chǎn)但品質(zhì)差的特青為受體，以蒸煮食味品質(zhì)較好的日本晴和稻米外觀品質(zhì)較好的93-11為供體，利用分子標(biāo)記輔助選擇，在特青背景下同時聚合產(chǎn)量、蒸煮食味品質(zhì)和稻米外觀品質(zhì)相關(guān)基因，成功培育出新的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種。該研究成果是產(chǎn)量與品質(zhì)分子模塊耦合應(yīng)用，以及品種分子設(shè)計與培育的典型案例。本團隊在重穗型雜交稻骨干親本蜀恢498背景下聚合了穗型基因Gn1a、dep1、ipa1、NAL1和NOG1等，以及粒型基因GS3、gw5、gw2、GL7和BG1等，為探索適宜西南稻區(qū)重穗型雜交稻的分子模塊奠定了基礎(chǔ)。

5 展望

隨著大量的主要農(nóng)藝性狀相關(guān)功能基因被鑒定，以及越來越多的水稻骨干親本或資源材料完成全基因組精細測序，開展分子設(shè)計育種的時機已經(jīng)成熟[143]。通過對水稻品種的全基因組掃描檢測，可以高效準(zhǔn)確的分析現(xiàn)有推廣品種中缺失或需要改良的基因型組合，從而實現(xiàn)“全基因組導(dǎo)航”分子模塊設(shè)計育種[141]。例如，LI等[134]分析發(fā)現(xiàn)許多重要農(nóng)藝性狀的優(yōu)異等位基因在現(xiàn)有優(yōu)良品種中并未得到充分利用，為進一步分子設(shè)計育種指明了方向。

分子標(biāo)記輔助選擇和基因編輯技術(shù)是開展分子設(shè)計育種的有效手段[143-144]，可以準(zhǔn)確高效的改良目標(biāo)性狀，并且縮短育種年限，提高育種效率。例如，黃廷友等[145]利用分子標(biāo)記輔助選擇成功改良蜀恢527的白葉枯抗性；WANG等[74]將理想株型基因npt1導(dǎo)入武運粳7號，成功改良武運粳7號的株型并提高產(chǎn)量；ZHAO等[111]利用分子標(biāo)記將粒型基因gs9導(dǎo)入高產(chǎn)品種武運粳27號和武運粳8號，成功改良其粒型和稻米品質(zhì)。基因編輯技術(shù)在育種改良中也已展現(xiàn)出巨大的價值，尤其是很多基因的功能喪失型或弱功能型是優(yōu)異等位基因，編輯這類基因容易獲得優(yōu)異等位基因，從而快速改良目標(biāo)性狀。例如，對米質(zhì)基因Wx進行基因編輯，能適當(dāng)?shù)慕档偷久字辨湹矸酆?，提高稻米品質(zhì)[146-148]；利用CRISPR/Cas9技術(shù)編輯香味基因BADH2，成功創(chuàng)制香型雜交稻親本和三系雜交稻[149]。

西南稻區(qū)是我國六大稻區(qū)之一，對保障我國糧食安全有舉足輕重的作用。實踐證明，發(fā)展重穗型雜交稻是適應(yīng)西南稻區(qū)“寡日照、高濕度、小溫差”生態(tài)條件的重要途徑。目前重穗型雜交稻育種成效顯著，但也逐漸凸顯出品種同質(zhì)化、重穗與抗倒矛盾、米質(zhì)差等問題。未來育種中需要加強引進新的優(yōu)異資源材料，擴大品種的遺傳基礎(chǔ)；利用分子生物學(xué)手段引入新的優(yōu)異等位基因，針對性的改良現(xiàn)有推廣品種；重視育種早世代的頂層設(shè)計，利用好優(yōu)異的分子模塊，實現(xiàn)從頭開始的分子設(shè)計育種。未來育種需要致力于培育“重穗抗倒、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、抗病耐逆和綠色高效”的重穗?yún)f(xié)調(diào)型新品種（圖1），為打造新時代更高水平的“天府糧倉”貢獻力量。

圖1 重穗?yún)f(xié)調(diào)型雜交稻分子設(shè)計育種策略