褐飞虱抗性基因及其在籼型杂交水稻育种上的应用

冯冉冉　高晓　刘丕庆

摘要 介绍了褐飞虱生物型及水稻褐飞虱抗性基因，综述了褐飞虱抗性基因在水稻两系和三系育种上的应用，最后指出了我国水稻种植存在的问题并展望了褐飞虱抗性育种今后的研究方向。

关键词 褐飞虱；抗性基因；不育系；保持系

中图分类号 S435.112+.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）15-107-04

Brown Plant Hopper （BPH） Resistance Genes and Their Application in India Hybrid Rice Breeding

FENG Ranran， GAO Xiao， LIU Piqing*

（College of Agriculture， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530005）

Abstract BPH and resistant genes were introduced， the application in rice two line and three line breeding was reviewed. Finally， existing problems in rice planting in China were pointed out， the research direction of BPH resistance breeding was forecasted.

Key words BPH； Resistant genes； Male sterile line； Maintainer line

水稻是世界三大糧食作物之一，我国水稻种植面积占世界第2位，产量占世界第1位。水稻是我国第一大农作物，播种面积约占全国粮食作物播种面积的30%，产量占粮食作物总产量的50%。世界50%以上人口以大米为主食，我国更是高达60%的人口以水稻为主食。水稻生产安全是关乎我国粮食安全的重大问题[1]。褐飞虱是水稻生产上主要害虫之一，我国每年有1 300万～2 000万hm2种植水稻发生褐飞虱危害，年损失稻谷达10亿～15亿kg[2]，已经危害到水稻生产安全。因此，迫切需要抗褐飞虱的水稻品种。

目前我国抗褐飞虱的水稻育种现状并不乐观。国家水稻新品种的审定公告显示，2010～2013年间审定的水稻新品种的褐飞虱抗性大多在7～9级，并不符合抗褐飞虱的等级。各省品种审定公告显示，2010～2014年间，云南、海南、湖南、广东和广西等省（自治区）所审定品种均无褐飞虱品种抗性介绍，浙江省除了2011年审定的品种“秀水414”表现为褐飞虱抗性5级（中抗褐飞虱）、2013年审定的品种“浙粳97”和“浙粳98”表现为褐飞虱抗性6级（中感褐飞虱）之外，其他审定品种褐飞虱抗性大都在7～9级，表现为感或高感。因此，将褐飞虱抗性基因用于抗褐飞虱水稻品种的培育具有重要意义。为此，笔者介绍了褐飞虱抗性基因及其在籼型杂交水稻育种上的应用，旨在为我国抗褐飞虱水稻育种研究提供借鉴。

1 褐飞虱生物型及水稻褐飞虱抗性基因

1.1 褐飞虱生物型

根据褐飞虱的致害特性，褐飞虱种下分化出的生物型指褐飞虱具有相同致害性的种群[3]。生物型Ⅰ指的是仅能在感虫品种TN1上为害存活繁殖的褐飞虱种群。将生物型Ⅰ在含Bph1的品种Mudgo上连续饲养多代，当其后代在Mudgo品种上为害程度、存活率、繁殖率等与其在TN1上趋近时，则其为褐飞虱生物型Ⅱ种群。同样方法将生物型Ⅰ在含bph2的品种ASD7上饲养多代，得到褐飞虱生物型Ⅲ[4]。之后多位学者又相继发现了澳大利亚生物型、南亚生物型、李氏禾生物型Mindanao生物型、Parwanipur生物型等[5]。我国于20世纪80年代开始对褐飞虱进行鉴定和监测，20世纪80年代初我国以生物型Ⅰ褐飞虱为主。20世纪70年代越南、菲律宾等虫源地开始大面积种植抗虫材料，经长期大面积种植，产生了对该抗虫材料具有抗性的生物型Ⅱ，该虫源经迁飞分布至我国华南及长江中下游等地，致使20世纪80年代末我国稻区褐飞虱种群由南往北渐变为以生物型Ⅱ为主[6-7]。

1.2 水稻褐飞虱抗性基因

褐飞虱抗虫基因的发掘是培育抗褐飞虱杂交水稻品种的基础。现阶段已鉴定的水稻褐飞虱抗性基因有31个，其中已被定位的25个基因中有11个基因被精细定位[8]。

水稻抗褐飞虱基因的分子定位及克隆有利于育种家采用分子标记辅助育种技术进行抗褐飞虱育种。褐飞虱抗性育种中，因为褐飞虱饲养困难，且需要人力、物力，所以以PCR为基础的分子标记辅助育种尤为重要。分子标记越靠近目标基因，选择就越准确，当然最理想的是与目标基因共分离的分子标记。如果育种家要求选择的正确率达到90%以上，则分子标记与目标基因之间遗传距离必须小于5 cM，如果要求选择的正确率不低于80%，则分子标记与目标基因之间遗传距离必须小于10 cM[9]。目前已找到很多褐飞虱的抗性基因以及它们连锁的分子标记（表1）。这些抗性基因分别位于第2、第3、第4、第6、第8、第10和第12条染色体上，这些抗性基因为杂交稻抗褐飞虱育种提供了重要的抗性资源。

2 褐飞虱抗性基因在水稻育种上的应用

2.1 抗性基因在三系育种上的应用

不育系的花粉不育属于核质互作类型，不育基因位于细胞质和细胞核。细胞质的不育基因位于线粒体，细胞核的不育基因依细胞质的类型有所不同。对于生产上大面积使用的野败型细胞质不育系，其不育系的不育基因（rf3和rf4）分别位于第1[32-34]和第10染色体上[34-36]；对于红莲型细胞质不育系，其不育系的不育基因（rf5和rf6）分别位于第10染色体上的2个紧密相邻位置[37]；对于印尼水田谷细胞质不育系，其不育系的不育基因位于第1和第10染色体上[38]。目前发掘的抗褐飞虱基因没有位于细胞质，说明不需要发掘不育而且抗褐飞虱的细胞质，目前的不育细胞质可以继续使用。

2.1.1 抗褐飞虱三系杂交稻新品种。

IR26是国际水稻研究所（IRRI）培育出来含抗Bph1基因（生物型1）的抗虫品种。我国育种专家利用不育系珍汕97A与恢复系IR26 杂交得到的“汕优6 号”是我国首个抗褐飞虱的籼型杂交稻，实现了水稻褐飞虱抗性的杂种优势[39]。随着杂种优势利用研究的深入，成功培育的抗褐飞虱杂交稻组合有“汕优30选”、“汕优54选”、“汕优56”、“汕优 64”、“汕优 85”、“汕优 177”、“汕优 61618”、“汕优桂32”、“汕优桂33”、“汕優竹恢早”、“南优6号”、“威优35”、“威优64”和“六优30”等[40]。这些品种（系）携带的抗褐飞虱基因多为Bph1及bph2，不同稻区褐飞虱生物型的差异导致品种抗性基因失效，或杂交稻中杂合基因型导致品种抗性减弱，杂交稻品种的抗性与抗源亲本的抗性表现不同，有的品种甚至感虫。由此看来，要培育对褐飞虱抗性比较好的品种，抗性基因位点最好是纯合的（恢复系和不育系含有相同的抗性基因）或聚合多个抗性基因。

2.1.2 两系抗褐飞虱育种创新材料。

近年来，尽管极少抗褐飞虱的三系杂交稻品种通过省级或国家级的品种审定，但是仍有很多学者致力于抗褐飞虱的不育系或恢复系的选育。刘开雨等[41]通过回交、分子标记辅助选择与接虫鉴定相结合，将抗稻褐飞虱基因 Bph3 和 Bph24（t）分别导入主栽杂交水稻恢复系“广恢998”、“9311”、“R15”、“明恢 63”、“R29”中，最终获得遗传稳定的 Bph3 导入系32份和Bph24（t）导入系 22份，获得 Bph3bph24（t）聚合系 13 份。人工接虫鉴定结果显示，Bph3 和 Bph24（t）导入系对稻褐飞虱抗性达到中抗至抗的水平，平均分别为3.96 级和 3.84 级，其中 Bph24（t）导入系对稻褐飞虱抗性略强于Bph3导入系；Bph3Bph24（t）聚合系抗性最强，对稻褐飞虱抗性达到 2.38～2.65 级、平均 2.52 级的抗级水平，表明抗性基因聚合对稻褐飞虱的抗性具有累加基因效应。

在抗褐飞虱恢复系选育时，很多研究不仅选育抗褐飞虱的恢复系而且还选育兼抗其他病害的恢复系。毛钟警等[42]也通过分子标记辅助选择选育聚合Xa23和bph20（t）基因的植株，旨在培育具有双抗基因且农艺性状优良的水稻恢复系的株系，经白叶枯病和褐飞虱抗性接种鉴定，共筛选出16株既抗褐飞虱又抗白叶枯病的有双抗基因的植株，为水稻育种提供抗性中间材料。蔡栋[43]通过聚合Bph14、Bph15和Cry1Ab 3个抗虫基因，选育出了6个纯合水稻恢复系材料，经鉴定该材料对褐飞虱、二化螟、三化螟等具有较高抗性，是优良的恢复系材料，可作为杂交育种中间材料，用于水稻抗虫育种。陈凯等[44]通过分子标记辅助育种获得带有Bhp18（t）基因的抗褐飞虱恢复系蜀恢 527Bhp18（t）和浙恢复7954Bhp18（t）和聚合Xa23和Bhp18（t）基因的浙蜀Xa23Bhp18（t）新型恢复系，获得了抗性更好的恢复系。在改良恢复系对褐飞虱抗性的同时，很多研究者也将抗褐飞虱基因导入保持系，以获得更抗褐飞虱的不育系。孙荣科等[45]将褐飞虱抗性基因bph2和Bph3聚合于天B、盟B和先B不同的三系保持系及恢复系R29中，获得了抗性基因纯合的抗性材料。

朱仁山等[46]也采用分子标记辅助育种和回交育种的方法，聚合抗褐飞虱基因Bph14和Bph15于优良保持系珞红3B中，然后以改良的保持系与珞红3A杂交，成功选育出了红莲型不育系珞红4A，并且通过鉴定。该不育系的不育性稳定，开花习性好，各种农艺性状优良，且大田表现为褐飞虱抗性显著。胡杰等[47]利用分子标记辅助选择将水稻抗褐飞虱基因Bph14、Bph15同时导入到“汕优63”的亲本“明恢 63”和“珍汕97B” 中，以改良“汕优 63”的褐飞虱抗性；同时将抗稻瘟病基因Pi1、Pi2导入到已改良的“珍汕97B”中，使后者同时获得褐飞虱和稻瘟病抗性。褐飞虱苗期鉴定结果表明改良的杂交稻（聚合Bph14、Bph15或单基因）的褐飞虱抗性较对照品种“汕优63”显著提高；穗颈瘟田间自然发病结果也表明聚合Pi1、Pi2的杂交稻发病率仅为6%，明显低于对照“汕优63”（约90%）；田间农艺性状考察也表明改良型杂交稻的主要农艺性状与对照基本一致，产量高于对照或与对照相近。

2.2 抗性基因在两系育种上的应用

两系杂交稻包括不育系（亦可作保持系）和恢复系。不育系的花粉不育属于核基因控制。温敏不育系的花粉不育受位于第8染色体的tms1[48]、tms2[49]，第6染色体的tms3[50]，第2染色体的tms4[51]、tms5[52]、ptgms21[53]，第5染色体的tms6[54]和第8染色体的TGMS[55]的隐性基因控制；光敏不育系的花粉不育受位于第7染色体上的pmsl[56]、第3染色体上的pms2[56]及第12染色体上的pms3[57]控制。目前发掘的抗褐飞虱基因有可能和不育基因在同一染色体上连锁。因此，培育抗褐飞虱的两系不育系时应注意褐飞虱抗性基因和不育基因不要紧密连锁，以便更容易培育出抗褐飞虱的不育系。

2.2.1 抗褐飞虱两系杂交稻新品种。

培育抗褐飞虱两系杂交稻的恢复系取得较好的成绩是R476，它是利用分子标记辅助选择技术育成的含有抗白叶枯病基因Xa21和抗褐飞虱基因 Bph14的两系恢复系[58]。湖北省农业科学院粮食作物研究所以其为父本与“广占 634S”配组育成了高产优质杂交中籼新组合“广两优476”，2010年通过了湖北省农作物品种审定委员会审定。在湖北省中稻区试中，该组合具有高产、稳产、优质、多抗等特点。

培育抗褐飞虱两系杂交稻的不育系也取得较好的成绩。武汉大学以优良两系不育系“广占634S”为母本与含褐飞虱抗性基因Bph14和Bph15的高抗褐飞虱材料进行杂交和多代回交，结合分子标记辅助选择技术，成功选育出了败育彻底、配合力强、褐飞虱抗性良好的新型两系不育系Bph68S，并利用该不育系配组选育出了抗褐飞虱杂交水稻新组合“两优234”，该组合理化指标达国标3级优质稻标准，且抗性表现良好，2010年通过了湖北省农作物品种审定委员会审定[59]。

2.2.2 两系抗褐飞虱育种创新材料。

除了培育出通过审定抗褐飞虱品种外，我国水稻育种家在两系抗褐飞虱育种材料创新方面也做了很多工作。湖北省农业科学院通过对Bph14、Bph15的分子标记辅助育种得到了高抗的水稻植株[60]，并且证明聚合Bph14、Bph15的株系抗性要强于其单基因（Bph14或Bph15）纯合株系。该院还以恢复系R476和恢复系986为受体，以广东香稻品种“美香占”为香味基因供体，最终选育出了农艺性状较好并具有抗白叶枯病基因Xa21和抗褐飞虱基因Bph14的香型恢复系C349和C354，然后分别利用C349、C354和两系不育系广占63S、Y58S配组，其配组杂交种产量与对照配组产量水平相当[61]。邹声浩[62]利用分子标记辅助选育手段将稻瘟病基因Pi9、Pid2和抗褐飞虱基因Bph14、Bph15导入到不育系03S中，通过抗性筛选选出了与03S表现型相似且抗性良好的单株，改良了两系杂交稻不育系的抗性。

3 存在的问题与展望

虽然抗褐飞虱基因育种已取得一定进展，但我国水稻种植现状仍然存在抗褐飞虱基因供体的农艺性状差、抗褐飞虱基因未能有效利用、抗虫品种少、抗虫品种推广面积小、已有抗虫品种经多代种植后抗虫性逐渐降低或丧失等问题。

针对上述问题，褐飞虱抗性育种及抗性品种应用在继续发掘优异抗褐飞虱基因资源的基础上应在以下5个方面加强研究：①加大既含褐飞虱的抗性基因又含优异遗传背景的遗传资源的创制，打破抗性基因的连锁累赘，使育种家通过杂交育种的基因重组方法更容易育出新的抗性品种。②因为褐飞虱养虫接虫比较繁琐以及现有的抗性基因的分子标记在一些育种群体没有多态性，所以应该加强褐飞虱抗性基因紧密连锁标记的开发，使育种家对分离群体的选择更加准确，提高育种效率。③加强不同抗性基因的品种在生产上的轮换使用。④进行不同抗褐飞虱基因聚合，特别是不同抗性机理稻飞虱抗性基因的聚合，培育具有持久抗性的水稻新品种。⑤加强抗褐飞虱新品种的宣传，增加它们在市场上的占有率。

参考文献

[1] 虞国平.水稻在我国粮食安全中的战略地位分析[J].新西部，2009（22）：31-33.

[2] 陈建明，俞晓平，程家安，等.不同水稻品种对褐飞虱为害的耐性和补偿作用评价[J].中国水稻科学，2003，17（3）：265-269.

[3] 吕亮，陈其志，张舒，等.水稻褐飞虱三种生物型间的生物学特性比较[J].湖北农业科学，2011，50（23）：4852-4855.

[4] 巫国瑞，陈福陶，林勇，等.稻褐飞虱生物型的研究[J].昆虫学报，1983，26（2）：154-160.

[5] 姜人春.稻褐飛虱生物型的最新研究进展[J].昆虫知识，1999，36（5）：308-312.

[6] 吕仲贤，俞晓平，陈建明，等.田间发生与室内驯化的褐飞虱生物型2的特性比较[J].中国水稻科学，2002，16（1）：89-92.

[7] 林拥军，华红霞，何予卿，等.水稻褐飞虱综合治理研究与示范——农业公益性行业专项“水稻褐飞虱综合防控技术研究”进展[J].应用昆虫学报，2011，48（5）：1194-1201.

[8] 方宣钧，吴为人，唐纪良.作物DNA标记辅助育种[M].北京：科学出版社，2001：58.

[9] 曾生元，龚红兵，刁立平，等.水稻抗褐飞虱基因及其在分子育种中的应用[J].分子植物育种，2011（9）：1749-1758.

[10] SHARMA P N，KETIPEARACHCHI Y，MURATA K，et al.RFLP/AFLPmapping of a brown plant hopper（Nilaparvata lugens Stl）resistance gene Bph1 in rice[J].Euphytica，2003，129（1）：109-117.

[11] 孙立宏，王春明，苏昌潮，等.水稻抗褐飞虱基因bph2的SSR定位和标记辅助选择[J].遗传学报，2006，33（8）：717-723.

[12] JAIRIN J，TEANGDEERITH S，LEELAGUD P，et al.Physical mapping of Bph3 a brown planthopper resistance locus in rice[J].Maejo Int Sci Tech，2007，1：166-177.

[13] JAIRIN J，SANSEN K，WONGBOON W，et al.Detection of a brown planthopper resistance gene bph4 at the same chromosomal position of Bph3 using two different genetic backgrounds of rice[J].Breeding Science，2010，60（1）：71-75.

[14] QIU Y，GUO J，JING S，et al.Highresolution mapping of the brown planthopper resistance gene Bph6 in rice and characterizing its resistance in the 9311 and Nipponbare near isogenic backgrounds[J].TAG Theoretical and Applied Genetics，2010，121（8）：1601-1611.

[15] 苏昌潮，翟虎渠，王春明，等.利用SSR定位籼稻品种Kaharamana中抗褐飞虱基因Bph9[J].遗传学报，2006，33（3）：262-268.

[16] ISHII T，BRAR D S，MULTANI D S，et al.Molecular tagging of genes forbrown planthopper resistance and earliness introgressed from Oryza australiensis into cultivated rice，O.sativa[J].Genome，1994，37（2）：217-221.

[17] HIRABAYASHI H，OGAWA T.Identification and utilization of DNA markers linked to genes for reistance to brown planthopper（BPH）in rice[J].Advances in Breeding，1999（41）：71-74.

[18] YANG H，REN X，WENG Q，et al.Molecular mapping and genetic analysis of a rice brown planthopper（Nilaparvata lugens Stl）resistance gene[J].Hereditas，2002，136（1）：39-43.

[19] 刘国庆，颜辉煌，傅强，等.栽培稻的紧穗野生稻抗褐飞虱主效基因的遗传定位[J].科学通报，2001，46（9）：738-742.

[20] RENGANAYAKI K，FRITZ A K，SADASIVAM S，et al.Mapping and progress toward mapbased cloning of brown planthopper biotype4 resistance gene introgressed from into cultivated rice[J].Crop Science，2002，42（6）：2112-2117.

[21] HUANG Z，HE G，SHU L，et al.Identification and mapping of two brown planthopper resistance genes in rice[J].TAG Theoretical and Applied Genetics，2001，102（6）：929-934.

[22] YANG H Y，YOU A Q，YANG Z F，et al.Highresolution genetic mapping at the Bph15 locus for brown planthopper resistance in rice（Oryza sativa L.）[J].Theor Appl Genet，2004，110（1）：182-191.

[23] SUN L，SU C，WANG C，et al.Mapping of a major resistance gene to the brown plant hopper in the rice cultivar Rathu Heenati[J].Breeding Science，2005，55（4）：391-396.

[24] JENA K K，JEUNG J U，LEE J H，et al.Highresolution mapping of a new brown planthopper（BPH）resistance gene，Bph18（t），andmarkerassisted selection for BPH resistance in rice（Oryza sativa L.）[J].TAG Theoretical and Applied Genetics，2006，112（2）：288-297.

[25] CHEN J W，WANG L，PANG X F，et al.Genetic analysis and fine mapping of a rice brown planthopper（Nilaparvata lugens）resistance gene bph19（t）[J].Molecular Genetics and Genomics，2006，275（4）：321-329.

[26] 李容柏，李麗淑，韦素美，等.普通野生稻（Oryza rufipogon Griff.）抗稻褐飞虱新基因的鉴定与利用[J].分子植物育种，2006，4（3）：365-371.

[27] RAHMAN M L，JIANG W，CHU S H，et al.Highresolution mapping of two rice brown planthopper resistance genes，Bph20（t）and Bph21（t），originating from Oryza minuta[J].TAG Theoretical and Applied Genetics，2009，119（7）：1237-1246.

[28] YANG L，LI R B，HUANG F K，et al.Genetic mapping of bph20（t）and bph21（t）loci conferring brown planthopper resistance to Nilaparvata lugens stal in rice（Oryza sativa L.）[J].Euphytica，2012，183：161-171.

[29] 侯丽媛，于萍，徐群，等.两个水稻抗褐飞虱隐性基因的遗传分析与初步定位[J].中国水稻科学，2010，24（4）：367-371.