東北地理所在解碼東北水稻育種史，助力水稻精準(zhǔn)設(shè)計育種取得新進(jìn)展
東北稻區(qū)是我國最重要的優(yōu)質(zhì)稻米產(chǎn)區(qū)，黑龍江省是我國最大的水稻種植區(qū)和商品糧區(qū)。東北地區(qū)水稻在抽穗期、耐冷性、抗病性、食味品質(zhì)、抗倒伏性等關(guān)鍵性狀的選擇和改良，使其能夠適應(yīng)高緯度環(huán)境并產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的大米。但目前育種手段多是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗育種，從全基因組層面解碼東北稻區(qū)經(jīng)驗育種規(guī)律，建立基礎(chǔ)詮釋模型，將為水稻分子設(shè)計育種提供范本和指導(dǎo)，在創(chuàng)新育種技術(shù)、加速育種進(jìn)程和保障我國優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)方面具有重要的實踐理論和意義。
2023年2月9日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所儲成才團(tuán)隊、李家洋院士團(tuán)隊和中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所卜慶云團(tuán)隊等合作在《National Science Review》發(fā)表了題為“Genomic Decoding of Breeding History to Guide Breeding-by-Design in Rice”的研究論文，團(tuán)隊成功構(gòu)建了我國東北稻區(qū)經(jīng)驗育種史的分子詮釋模型，歸納并驗證了該地區(qū)不同時期水稻育種規(guī)律及未來趨勢。
研究團(tuán)隊收集了涵蓋東北稻區(qū)自1940年代到2010年代選育或引種的546份水稻品種資源，進(jìn)行了重測序和22個農(nóng)藝性狀表型的調(diào)查。研究發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)水稻品種可歸類到3個具有不同進(jìn)化特征的亞群(圖1)，以石狩白毛為骨干的K3G1亞群在上世紀(jì)80年代前的黑龍江品種中占主導(dǎo)地位，隨后被以蝦夷和空育131為骨干的K3G2亞群取代;而以富士光和藤系138為骨干的K3G3亞群主要分布在遼寧和吉林，但隨著時間推移，其在黑龍江省的占比也越來越高。同時確認(rèn)了秈稻滲入對東北水稻稻瘟病抗性和穗部性狀的重要貢獻(xiàn)。將品種選育印記追溯到123個已知或新檢測到的QTL位點以及大量秈稻滲入片段，系統(tǒng)總結(jié)了一些具有年代特征的關(guān)鍵性QTL位點或滲入片段，為后繼的品種設(shè)計選育提供了依據(jù)(圖1)。
圖1. 東北地區(qū)水稻亞群演變及關(guān)鍵QTL或秈稻滲入片段
同時，李家洋院士團(tuán)隊利用分子設(shè)計育種，培育了的“中科發(fā)”系列水稻品種，其中代表性品種“中科發(fā)5號”已成為黑龍江省與吉林省的主栽品種。通過對中科發(fā)5號進(jìn)行解析，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)異等位基因組合與上述分析所揭示的東北地區(qū)品種選育趨勢高度契合，是全基因組設(shè)計育種的一個絕佳例證。
這項成果全面解析了中國東北地區(qū)水稻遺傳結(jié)構(gòu)和育種關(guān)鍵位點，揭示了經(jīng)驗育種反饋在基因組上的普遍規(guī)律，為東北水稻品種的全基因組設(shè)計育種提供參考依據(jù)和范例，有望進(jìn)一步推動水稻分子設(shè)計育種的完善和實施，并為其它作物經(jīng)驗育種史的解析和分子設(shè)計育種研究提供參考。
中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所陳倬博士后、中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所卜慶云研究員、中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所劉貴富研究員為該論文共同第一作者，中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所儲成才研究員、李家洋院士、唐久友副研究員為文章共同通訊作者。我所方軍研究員和李秀峰助理研究員、中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所梁承志研究員、薛勇彪研究員、程祝寬研究員、中科院植物所劉華招高級工程師、北大荒墾豐種業(yè)王茂青農(nóng)藝師等參與了研究。研究工作得到了中科院先導(dǎo)項目資助。
論文信息
Zhuo Chen#, Qingyun Bu#, Guifu Liu#, Maoqing Wang, Hongru Wang, Huazhao Liu, Xiufeng Li, Hong Li, Jun Fang, Yan Liang, Zhenfeng Teng, Sai Kang, Hong Yu, Zhukuan Cheng, Yongbiao Xue, Chengzhi Liang, Jiuyou Tang*, Jiayang Li*, Chengcai Chu*. (2023) Genomic decoding of breeding history to guide breeding-by-design in rice, National Science Review, nwad029.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad029
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