牛付安,程 燦,孫 濱,儲(chǔ)黃偉,周繼華,鄧宏中,鐘其全,曹黎明*

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部糧油作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(部省共建),上海 201403;2袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司,長(zhǎng)沙 410125;3湖南隆平種業(yè)有限公司,長(zhǎng)沙 410125)

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一,其中粳稻種植面積為933.34萬hm2,占水稻種植面積的1∕4。近年來粳米消費(fèi)需求逐年上漲,尤其是長(zhǎng)江中下游地區(qū)稻米消費(fèi)越來越多地由秈米向粳米轉(zhuǎn)變,國(guó)內(nèi)粳米產(chǎn)量已遠(yuǎn)不能滿足民眾消費(fèi)需求[1]。為了擴(kuò)大粳稻生產(chǎn),南方稻區(qū)秈改粳趨勢(shì)明顯[2]。雜交粳稻一般較常規(guī)粳稻增產(chǎn)10%以上,因此,發(fā)展雜交粳稻是提高粳稻產(chǎn)量和滿足粳米供應(yīng)的一條重要途徑,對(duì)于保障我國(guó)糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。我國(guó)雜交秈稻的發(fā)展取得了舉世矚目的成就,雜交秈稻占秈稻種植面積的比例一度超過70%。然而,目前我國(guó)雜交粳稻種植面積僅占粳稻生產(chǎn)面積的5%左右,雜交粳稻仍然具有很大的發(fā)展空間[3]。長(zhǎng)期以來,高產(chǎn)是水稻育種的主要目標(biāo),隨著人們消費(fèi)水平的提高,開始從吃得飽向吃得好轉(zhuǎn)變,對(duì)稻米品質(zhì)提出了更高要求;此外,隨著氣候變化以及品種抗性的退化,長(zhǎng)江下游地區(qū)稻瘟病等病害的發(fā)生趨于嚴(yán)重,對(duì)水稻品種的抗性也提出了更高要求。優(yōu)質(zhì)綠色已成為水稻育種的重要發(fā)展方向[4],只有加速優(yōu)質(zhì)、抗病、高產(chǎn)雜交粳稻新品種的選育,通過提質(zhì)增效促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展,才能更好地適應(yīng)未來雜交粳稻生產(chǎn)的需求。

不育系的選育是三系雜交粳稻選育的重要環(huán)節(jié),雜交粳稻品質(zhì)、抗性等重要性狀的表現(xiàn)均與不育系密切相關(guān)。目前生產(chǎn)上的粳型不育系多在品質(zhì)或者抗性等個(gè)別性狀上表現(xiàn)突出[5-9],而綜合性狀優(yōu)良的粳稻不育系比較少見。針對(duì)該問題,本課題組以傳統(tǒng)雜交技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合水稻高密度基因芯片技術(shù)選育出同時(shí)具有品質(zhì)優(yōu)良、抗病性好、配合力高等特性的粳型不育系申21A,于2018年通過上海市農(nóng)作物品種審定委員會(huì)鑒定,2019年申請(qǐng)了國(guó)家植物新品種權(quán)(申請(qǐng)?zhí)?20191001000)。本文介紹申21A的選育過程、特征特性及其育種應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括優(yōu)質(zhì)常規(guī)粳稻新品系申21和BT型粳稻不育系花A。

1.2 申21A抗性基因和香味基因的分子標(biāo)記檢測(cè)

利用高密度基因芯片對(duì)申21A白葉枯病和稻瘟病抗性基因進(jìn)行了單倍型分析?？剐曰騿伪缎头治鍪抢没騾^(qū)域以及基因上下游100 kb區(qū)域特異的一組多態(tài)性SNP標(biāo)記對(duì)樣品含有的抗性基因進(jìn)行判斷,分析的抗性基因包括白葉枯病抗性基因xa5、Xa7、xa13、Xa21和Xa23以及稻瘟病抗性基因Pi1、Pi2、Pi5、Pi9、Pid2、Pid3、Pia、Pita和Pigm,分析檢測(cè)方法參見文獻(xiàn)[10]。申21A香味基因的檢測(cè)方法參照文獻(xiàn)[11]。

1.3 性狀考察

2017年正季,將不育系申21A與恢復(fù)系申恢26、繁42、繁36、繁21和繁43配制的雜交組合種植在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗(yàn)站,小區(qū)面積5.45 m2,隨機(jī)區(qū)組3次重復(fù),四周設(shè)保護(hù)行。5月18日播種,6月15日移栽,常規(guī)水肥管理。抽穗時(shí)隔日觀察記載始穗期,計(jì)算播始?xì)v期。成熟后每個(gè)小區(qū)隨機(jī)挑選5個(gè)典型單株,風(fēng)干后考察單株穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等性狀,并進(jìn)行小區(qū)測(cè)產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 選育經(jīng)過

2015年春季在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院海南師部農(nóng)場(chǎng)南繁育種基地以不育系花A為BT型細(xì)胞質(zhì)源,申21為輪回父本進(jìn)行雜交及新不育系轉(zhuǎn)育(圖1),2015年正季在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行試驗(yàn)站基地種植F1,表現(xiàn)為花粉敗育。以申21為父本進(jìn)行回交,經(jīng)過4代回交轉(zhuǎn)育,2017年不育系育性穩(wěn)定,田間種植群體農(nóng)藝性狀整齊、一致性好,2018年開始親本提純復(fù)壯和小面積擴(kuò)繁及制種試驗(yàn),2018年正式定名為申21A。

圖1 申21A的選育過程Fig.1 The breeding process of Shen 21A

2.2 特征特性

2.2.1 育性表現(xiàn)

申21A為BT型粳稻不育系,屬于配子體不育類型,花粉敗育以染敗為主,花藥淡黃色,經(jīng)連續(xù)多年鑒定,表現(xiàn)育性穩(wěn)定。田間調(diào)查1 467株,不育株率達(dá)100%,鏡檢花粉敗育率100%;自交套袋100穗,隨機(jī)調(diào)查20穗,實(shí)粒數(shù)為0,不育度100%。

2.2.2 開花及異交特性

申21A開花習(xí)性好,花時(shí)早且集中,開花時(shí)間主要集中在10:30—12:30,開花歷時(shí)2 h,開穎角度大。申21A與對(duì)應(yīng)的保持系申21花時(shí)基本同步,可恢復(fù)性好,異交結(jié)實(shí)率高,繁種異交結(jié)實(shí)率達(dá)51.5%,制種異交結(jié)實(shí)率達(dá)58.2%。

2.2.3 農(nóng)藝性狀

申21A屬于中熟晚粳不育系,感光性較強(qiáng),株高90.8 cm,株型緊湊,分蘗力中等偏上,葉色濃綠,劍葉上舉,直立穗,灌漿速度快,青稈活熟;穗較大,著粒密度中等,每穗總粒數(shù)134.1粒,粒型小,千粒重24 g左右。

2.2.4 稻米品質(zhì)

申21A表現(xiàn)米質(zhì)優(yōu)良,經(jīng)檢測(cè)攜帶badh2-p-5’UTR香味基因,有香味。經(jīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢驗(yàn),申21A糙米率為83.2%,精米率為74.6%,堊白粒率為8%,堊白度為0.7%,直鏈淀粉含量為17.9%,膠稠度為78 mm,透明度為1級(jí),堿消值為7.0級(jí)。依據(jù)NY∕T 593—2013《食用稻品種品質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn),主要米質(zhì)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)標(biāo)一級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn),尤其外觀品質(zhì)和食味品質(zhì)較為突出。由申21A作為母本配制的‘申優(yōu)28’和‘申優(yōu)42’等雜交粳稻新組合米質(zhì)均達(dá)到國(guó)標(biāo)二級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.5 抗性

申21A株高適中,莖稈粗壯,抗倒性好,對(duì)稻瘟病和白葉枯病具有較強(qiáng)抗性。利用水稻高密度基因芯片對(duì)Pi1、Pi2和Pi5等9個(gè)稻瘟病抗性基因以及xa5、Xa7等5個(gè)白葉枯病抗性基因進(jìn)行單倍型分析,發(fā)現(xiàn)申21A含有稻瘟病主效抗性基因Pi2和Pita,以及白葉枯病主效抗性基因Xa21(表1)。因此,利用申21A作為母本較易配制出抗稻瘟病和白葉枯病的雜交粳稻新組合。

表1 長(zhǎng)江下游骨干不育系稻瘟病和白葉枯病抗性基因的檢測(cè)結(jié)果Table 1 Detection of resistance genes to rice blast and bacterial blight in backbone male sterile lines in the lower reaches of the Yangtze River

2.2.6 配合力表現(xiàn)

2017年申21A與主要應(yīng)用的雜交粳稻恢復(fù)系申恢26、繁42、繁36、繁21和繁43進(jìn)行測(cè)交配組,配制的5個(gè)雜交粳稻組合產(chǎn)量比對(duì)照‘花優(yōu)14’增產(chǎn)4.8%—18.2%,產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)均比較突出(表2),說明申21A配合力較好。所配組合中‘申優(yōu)28’和‘申優(yōu)42’通過了上海市農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定,審定編號(hào)分別為滬審稻2020002和滬審稻2020001?！陜?yōu)28’播始?xì)v期106 d,比生產(chǎn)主推品種‘花優(yōu)14’提早7 d,2017年小區(qū)測(cè)產(chǎn)產(chǎn)量10.3 t∕hm2,比對(duì)照‘花優(yōu)14’增產(chǎn)18.2%,有效穗數(shù)277.5萬∕hm2,每穗總粒數(shù)153.9,結(jié)實(shí)率91.1%,千粒重25.9 g,表現(xiàn)為產(chǎn)量高、熟期早,后期熟相好,穗型大,著粒密,米質(zhì)優(yōu),外觀透明,食味好,抗倒性較強(qiáng),對(duì)稻瘟病和白葉枯病有較強(qiáng)抗性,適宜機(jī)械化制種,2018年小面積制種試驗(yàn)平均產(chǎn)量達(dá)到3 t∕hm2以上?！陜?yōu)42’播始?xì)v期110 d,比‘花優(yōu)14’提早3 d,易于全程機(jī)械化制種,2017年小區(qū)測(cè)產(chǎn)產(chǎn)量9.6 t∕hm2,比對(duì)照‘花優(yōu)14’增產(chǎn)9.8%,有效穗數(shù)247.5萬∕hm2,每穗總粒數(shù)174.5粒,結(jié)實(shí)率92.7%,千粒重24.5 g;品質(zhì)優(yōu)良,外觀透明,蛋白質(zhì)含量低(6.98%),食味好,抗倒性較強(qiáng),對(duì)條紋葉枯病、白葉枯病和稻瘟病均有較強(qiáng)抗性。

表2 2017年申21A測(cè)配組合的小區(qū)產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀表現(xiàn)Table 2 Plot yield and main yield related traits of Shen 21A test combinations in 2017

3 討論

傳統(tǒng)育種主要憑借育種經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)表型對(duì)后代進(jìn)行選擇,準(zhǔn)確性低且易受環(huán)境影響,利用分子標(biāo)記可從DNA水平上直接鑒定樣品基因型,顯著提高選擇效率和準(zhǔn)確性[12]。SSR等傳統(tǒng)的分子標(biāo)記存在標(biāo)記數(shù)量少、基因組覆蓋度低、費(fèi)工費(fèi)時(shí)等缺陷,隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和測(cè)序成本的不斷降低,基于測(cè)序技術(shù)開發(fā)的SNP作為第三代遺傳標(biāo)記,開始廣泛應(yīng)用于作物分子育種研究?；蛐酒菣z測(cè)SNP的重要手段[13],近年來,基于水稻育種的高密度基因芯片的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻重要性狀功能基因的快速和準(zhǔn)確鑒定,該技術(shù)可通過檢測(cè)樣品中特定基因的多個(gè)功能性SNP變異位點(diǎn),幫助育種家快速找到品種的優(yōu)良基因,從而了解品種的優(yōu)良特性,提高育種效率[14-16]。本研究利用水稻高密度基因芯片對(duì)申21A攜帶的稻瘟病和白葉枯病抗性基因進(jìn)行了分子檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其攜帶稻瘟病主效抗性基因Pi2、Pita以及白葉枯病主效抗性基因Xa21。Pi2和Pita是已報(bào)道的具有廣譜抗性的稻瘟病抗性基因[17-18],Xa21是國(guó)際上利用較廣泛的具有廣譜抗性的白葉枯病顯性抗性基因[19],因此,該檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了申21A具有較好的抗病性,并且為利用抗性基因的互補(bǔ)育種策略與相應(yīng)恢復(fù)系雜交配組,選育抗病性雜交粳稻新組合打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以申21A作為母本,選育出了綜合抗性好、尤其對(duì)稻瘟病具有良好抗性的雜交粳稻新組合‘申優(yōu)28’和‘申優(yōu)42’,顯示出申21A在雜交粳稻抗病性育種上具有極大的應(yīng)用潛力。

隨著人們生活水平的提高,市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求越來越大,優(yōu)質(zhì)雜交粳稻的發(fā)展對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有著非常重要的引領(lǐng)作用。在未來選育符合市場(chǎng)需求的雜交粳稻組合,就需要選育米質(zhì)指標(biāo)優(yōu)異的不育系和恢復(fù)系,其中不育系對(duì)所配置雜交組合米質(zhì)的影響尤為重要[20]。研究發(fā)現(xiàn),雜交粳稻在堊白粒率和堊白度等外觀性狀指標(biāo)上一般低于常規(guī)粳稻[21-23],因此選育外觀品質(zhì)好的不育系是選育優(yōu)質(zhì)雜交粳稻新組合的重要研究方向。本研究創(chuàng)制的粳型不育系申21A表現(xiàn)米質(zhì)優(yōu)良,主要外觀品質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)家一級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn),外觀品質(zhì)表現(xiàn)極為突出。以申21A作為母本配置的多個(gè)組合米質(zhì)較優(yōu),其中‘申優(yōu)28’和‘申優(yōu)42’米質(zhì)全部達(dá)到國(guó)家二級(jí)優(yōu)質(zhì)米標(biāo)準(zhǔn),外觀和食味品質(zhì)均較佳,有效解決了雜交粳稻高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)或優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)的育種難題。此外,目前應(yīng)用的BT型粳稻不育系多由生產(chǎn)上的常規(guī)粳稻品種直接轉(zhuǎn)育而來,普遍存在開花習(xí)性差、異交結(jié)實(shí)率低等關(guān)鍵難題。本研究選育的申21A開花習(xí)性好,有利于機(jī)械化繁制種,有效解決了雜交粳稻繁制種產(chǎn)量低的難題。整體上,申21A表現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、有香味、抗稻瘟病和白葉枯病、配合力強(qiáng)、開花習(xí)性好、繁制種產(chǎn)量高,具有較高的利用價(jià)值,可在優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗病雜交粳稻新組合的選育中發(fā)揮重要作用。