中科院遗传发育所联合广东农科院水稻研究所通过升级水稻基因组的相关基因位点，解决生产上主栽品种的性状缺陷

水稻主栽品种的更新换代往往采取革命式的取代方式，仅仅由于少数基因位点的缺陷而遗弃优良的主栽品种，不仅让育种家多年的研究成果毁于一旦，而且使育种技术无法积累、停滞不前，越来越难选育出突破性的新品种。传统育种主要依赖育种家经验进行表型选择，育种年限长、效率低、可预见性低、 可重复性差。因此，在如何保留主栽品种优良性状的同时，建立和实现水稻品种的改良和升级是一直被期待的育种技术。本研究以模仿计算机软件更新换代的升级原理为育种技术理念，即当生产应用中发现主栽品种存在缺陷(“bug”)时，分析导致“bug”产生的基因缺陷并加以精准改良，从而达到品种升级的目的。中国科学院遗传与发育生物学研究所联合广东省农业科学院水稻研究所以水稻主栽品种空育131为例，通过精准升级空育131基因组内的特定基因位点，解决该品种在实际生产上出现的倒伏问题。研究结果以“Upgrading the genome of an elite japonica rice variety Kongyu 131 for lodging resistance improvement”为题于2022年11月16日在线发表于Plant Biotechnology Journal上。本研究在改良空育131抗倒伏性的过程中，提出和建立的农作物主栽品种定向升级的方法和体系也可为其他农作物分子模块设计育种的实施提供参考。

空育131是一个优质的粳稻主栽品种，它具有早熟质优、稳产抗冷等优良特性。但是，随着直播等水稻轻简种植技术的逐步实施和稻田化肥使用量的增加，以及灾害天气的频繁发生，其抗倒伏性已经不能适应目前水稻生产的需求。

图1 黑龙江佳木斯市桦南县经历风雨后的空育131大面积倒伏

本研究聚焦这一来自于农业生产实际的品种改良需求，利用空育131和供体GKAR构建的高代回交分离群体，在1号染色体长臂末端定位到一个控制株高的QTL-qKD1，通过对该位点的精细定位、图位克隆和基因敲除以及反向互补实验，证实该株高基因为sd1位点上的一个新的等位基因。

图2 qKD1位点的定位、图位克隆和CRISPR/Cas9基因敲除以及反向互补实验

为了评价该sd1等位基因（sd1-GKAR）以及第一次绿色革命中广泛应用的sd1-d基因对空育131株高及其他性状的影响，本研究通过回交将这两个等位基因分别导入至空育131的基因组中。利用均匀分布于12条染色体上的220个SNP分子标记对染色体组成进行检测，排除遗传背景中所有非目标染色体片段；同时，针对目标基因在其内部及其上下游共设计5个SNP分子标记用于筛选精确置换空育131中的SD1等位基因，且在目标基因两端均发生交换的个体，以此来排除连锁累赘，最终构建含有利等位基因的升级版空育131。

图3 含不同sd1等位基因模块的空育131的构建

通过连续3年不同地点，不同栽培密度以及不同施肥量的田间试验，对底盘空育131和两个新构建的升级版空育131进行育种效应评价。结果显示，相比于空育131，含sd1-d的新空育131的株高降低约35%，但穗粒数和百粒重均下降，因此导致单株产量下降约26%，表明的sd1-d等位基因并不适用于空育131的抗倒伏性改良。含sd1-GKAR升级版空育131的株高降低约17-26%，在提高了空育131抗倒伏性的同时，不改变空育131的产量相关性状。因此sd1-GKAR可在实际生产中用于对空育131的抗倒伏性的定向改良升级。

图4 新空育131在不同栽培密度和不同施氮量条件下的田间表现（左、中、右依次为空育131，含sd1-GKAR和含sd1-d的空育131）

中科院遗传与发育生物学研究所已毕业博士王晨和冯晓敏（现在广东省农业科学院水稻研究所工作）为论文的共同第一作者，中科院遗传与发育生物学研究所林少扬研究员，广东省农业科学院水稻研究所刘志霞副研究员和冯晓敏博士为论文的共同通讯作者。特别感谢中国水稻研究所王克剑研究员为本研究提供的载体。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和广东省重点领域研发计划等项目的支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13963

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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