部标一级优质稻双黄占的育成及创新——水稻核心种质育种实例

王志东，王重荣，陈宜波，李 宏，黄道强，周德贵，赵 雷，龚 蓉，潘阳阳，周少川

（广东省农业科学院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室/广东省水稻工程实验室，广东 广州 510640）

水稻是我国主要粮食作物，全国2/3 以上的人口以稻米为主粮，且以食用消费为主，因此水稻在保障我国粮食安全的重大战略需求中具有举足轻重的地位；同时随着经济快速发展和人民生活水平的提高，人们对稻米品质要求不断提高，所以培育高产、优质、抗病集合于一体的广适性水稻品种仍然是当下的重要任务。传统的常规稻品种选育方法主要以系谱法为主，但系谱法对产量和品质等多基因控制的数量性状，选择效果不够理想，原因是选择过于严格，使得含有优良基因的株系容易在早世代被淘汰，中选率低；选择量过大，则工作量大，株系多，占地多，受人力和土地条件限制，而且容易分散育种者的精力，导致选择效率低。为了培育突破性水稻品种，本团队在总结前人水稻育种实践基础上，通过融合水稻种质资源学和水稻育种学，提出水稻核心种质概念，并在水稻核心种质育种理论指导下，以传统系谱法为基础，依据核心种质理想株型模式筛选高产抗倒伏材料；应用分子标记辅助选择和病区鉴定相结合筛选稻瘟病抗性基因；利用近红外光谱技术筛选中低直链淀粉材料，采用感官品尝结合米饭食味计分测定选择高食味品质材料；通过将传统常规育种技术与分子标记辅助选择技术、先进仪器设备等有机综合运用，克服传统系谱法的缺点，提高精准选择效率，选育出部标一级优质稻双黄占，通过了2021 年广东省农作物品种审定委员会审定，实现了高产、稳产、抗病、优质等优良基因的有效累加聚合。水稻核心种质是指在具有某些优良性状的育种材料中控制某些优良性状的特殊基因群体或基因系统，在品种改良过程中它们能够沿着育种目标置换和扩充基因群体，直至全面符合育种目标［1-5］。核心种质可用一级、二级、三级、n 级核心种质标志其动态变化，双黄占目前被本团队定义为十一级核心种质。双黄占在不同年度和不同区域试验中均表现出高产、稳产、抗稻瘟病、耐寒性中强、适应性广，是一个综合性状十分优良的广适性优质稻品种，在南方稻区具有广阔应用前景和巨大推广价值，值得深入研究与探讨。本文阐述了双黄占品种的选育过程、区域试验结果以及选育创新，探讨了双黄占品种进一步改良的策略，对今后培育高产、特优质、抗病和广适性水稻品种具有重要指导意义。

1 双黄占的选育

1.1 双黄占衍生系统及亲本来源

广东省农业科学院水稻研究所周少川育种团队从一级核心种质青六矮1 号（1986 年）到六级核心种质黄华占（2005 年），前后经历19 年时间，在黄华占基础上本团队又经历16 年时间，育成十一级核心种质双黄占（2021 年）。十一级核心种质双黄占衍生系统为青六矮1 号（一级核心种质）→丰青矮（二级核心种质）→丰矮占1 号（三级核心种质）→丰八占1 号（四级核心种质）→丰华占（五级核心种质）→黄华占（六级核心种质）→黄莉占（七级核心种质）→黄广占（八级核心种质）→黄广油占（九级核心种质）→黄广华占1 号（十级核心种质）→双黄占（十一级核心种质）（表1），一级核心种质到十一级核心种质即背景基因系统聚集了越来越完善的大多数有利基因，前景材料具有背景基因系统缺少的独特或有利基因，每次前景基因整合进背景基因系统都有效提高了该基因系统理想化和进化程度［6］。

表1 多级核心种质理想基因系统构建过程Table 1 Construction of ideal gene system for multi-stage core germplams

十一级核心种质双黄占父母本分别为黄广华占1 号和黄广软占。父本（♂）黄广华占1 号是广东省主要推广品种，该品种是2010 年以黄广油占为母本、丰粤华占为父本进行有性杂交（图1），经系谱法选育而成，2016 年通过广东省品种审定（审定编号：粤审稻2016031），2020 年通过国家品种审定（审定编号：国审稻20200001）。黄广华占1 号属感温型常规稻品种，广东省晚造平均全生育期113～114 d，与对照种粤晶丝苗2 号相当，株型适中，分蘖力中等，抗倒力中强，穗大粒多，结实率较高，耐寒性中弱，后期熟色好；米质鉴定为国标优质3 级、省标优质3 级，食味品质81～87 分；高抗稻瘟病，感白叶枯病。母本（♀）黄广软占以黄软占为母本，黄广油占为父本进行杂交后经系谱法选育而成的稳定中间材料（图1），具有株型矮壮、分蘖多、熟期较早、中抗白叶枯病、稻米外观品质好等特点。双黄占的父母本能很好地优势互补，应用生物技术和常规技术相结合培育出的双黄占最后聚合了双亲的优势基因，达到高产稳产、优质、抗稻瘟病和适应性广的育种目标。

图1 双黄占系谱Fig.1 Genealogy of Shuanghuangzhan

1.2 双黄占品种培育过程

2013 年晚造在广东省农业科学院水稻研究所以黄广软占为母本、黄广华占1 号为父本配制杂交组合，采用系谱法选育。2014 年早造F1代种植12 株（田间编号2445），田间表现分蘖多、穗大粒密、杂种优势强，入选单株1 株。2014 年晚造F2代，将入选的单株全部脱粒，种植1 000株左右，田间编号5024，田间表现熟色好、穗重、丰产，入选18 株。在实验室利用分子标记鉴定抗稻瘟病基因和用近红外光谱法筛选中低直链淀粉含量单株，经过筛选后淘汰10 个单株，剩下8 个单株在2015 年早造种成F3代，每个株系种植60株，其中田间编号322 区，表现穗数多，较大穗，整体分蘖均匀，丰产性好，抗稻瘟病，入选8 株。2015 年晚造F4代每个株系种植60 株，田间编号3027 区，白叶枯病鉴定为1～3 级，表现矮秆、大穗、熟色好，入选2 株。2016 年早造F5代，每个株系种植300 株，田间编号凡6 区，表现熟色好、大穗、丰产，入选3 株，全收，米质鉴定优异。2016 年晚造F6代，每个株系种植300 株，田间编号凡7 区，表现整齐、青枝腊稿、转色顺，全收，米质鉴定食味好，入选2 株。2017 年早季F7代，每个株系种植300 株，田间编号凡6 区，表现熟色结实好、丰产性好、抗稻瘟病、米质优，全收，定型。2017 年晚造参加研究室品比试验，表现整齐、熟色好、产量高。2018 年晚造参加水稻所品比，2019 年晚造参加广东省区试，命名为双黄占，2021 年通过广东省农作物品种审定（图2）。

图2 双黄占选育过程Fig.2 Breeding process of Shuanghuangzhan

2 双黄占的特征特性

2.1 丰产性好，适应性广

双黄占2017 年晚造参加研究室品比，每667 m2产量531.54 kg，比华航31 增产22.95%，增产99.23 kg，增产极显著，在15 个参试材料（含对照种华航31）中产量排名第一，日产量4.7 kg，列首位。2018 年晚造参加水稻所品比试验，每667 m2产量551.77 kg，比华航31 增产14%，增产67.75 kg，增产极显著，在17 个参试材料（含对照种华航31）中产量列首位，日产量5.06 kg，列首位。双黄占参加2019、2020 年晚造广东省区试中熟组试验，每667 m2平均产量分别为521.96 kg 和479.3 kg，比对照种华航31 号分别增产9.34%和9.10%，增产均达极显著水平（表2）。在7个参试品种（含对照种华航31）中连续两年产量均排名第一（图3、图4）。在广东省15 个试验点两年试验中，连续两年都增产的点共有13 个，增产点比例均为86.67%。双黄占在2020 年晚造参加广东省生产试验，每667 m2平均产量470.48 kg，比对照种华航31 号增产10.94%，增产极显著（表2），在7 个参试品种（含对照种华航31）中产量排名第一（图5）。双黄占参加不同年度多点多次区域试验，均比对照种增产极显著，平均产量在试验组中均排名第一。双黄占株型理想，穗粒结构合理，丰产性好，稳产性高，适应性广。

图3 双黄占在2019 年晚造广东省中熟组区域试验中与其他参试品种的产量比较（试验类型：初试）Fig.3 Comparison of yield among Shuanghuangzhan and other tested varieties in the regional test of medium maturity group in Guangdong Province in late season of 2019（test type:initial test）

图4 双黄占在2020 年晚造广东省中熟组区域试验中与其他参试品种的产量比较（试验类型：复试）Fig.4 Comparison of yield among Shuanghuangzhan and other tested varieties in the regional test of medium maturity group in Guangdong Province in late season of 2020（test type:second test）

图5 双黄占在2020 年晚造广东省中熟组生产试验中与其他参试品种的产量比较（试验类型：生产试验）Fig.5 Comparison of yield among Shuanghuangzhan and other tested varieties in the production test of medium maturity group in Guangdong Province in late season of 2020（test type:production test）

表2 双黄占在不同年度和不同类别试验中与对照的产量比较Table 2 Comparison of yield between Shuanghuangzhan and the controls in different years and different types of tests

2.2 稻米品质优异

双黄占参加2018 年晚造广东水稻研究所品比试验，米质理化指标（表3）为：整精米率72.3%，透明度1.0 级，碱消值7.0 级，直链淀粉含量17.3%，胶稠度73 mm，垩白度3.0%。对照部标《食用稻品种品质标准 NY/T593-2013》，双黄占的整精米率、透明度、碱消值、直链淀粉含量和胶稠度5 项指标达部标一级，垩白度1 项达部标二级。双黄占参加2019、2020 年晚造广东省中熟组区试，米质理化指标（表3）为：整精米率55.6%～61.6%，垩白度0.1%～0.4%，透明度 1.0级，碱消值7.0 级，胶稠度70.0～72.0 mm，直链淀粉含量16.0%～17.5%，长宽比3.0～3.1。结果表明双黄占稻米基本无垩白，透明度高，稻米外观品质好，米质鉴定为部标优质1 级。米饭软熟，饭味浓，品尝口感好。双黄占稻米外观品质和米饭食味品质均表现优异。

表3 双黄占稻米品质指标Table 3 Rice quality indexes of Shuanghuangzhan

2.3 稻瘟病抗性好，耐寒性中强

双黄占参加2018 年晚造水稻所品比试验，稻瘟病叶瘟病级1 级，穗瘟发病率82%，穗瘟发病率病级9 级，穗瘟损失率11.5%，穗瘟损失率病级3 级，抗病综合指数4.0，鉴定为中抗稻瘟病。参加2019、2020 年晚造广东省区试，稻瘟病全群抗性频率84.4%～87.9%，病圃鉴定叶瘟1.0～1.5 级、穗瘟2.5～2.6 级（单点最高7 级），省区试抗性评价为抗稻瘟病。省区试耐寒性评价为中强。

2.4 株型理想，穗粒结构合理

双黄占参加2018 年水稻所品比试验，主要农艺性状指标（表4）为：全生育期109 d，比对照种华航31 早熟1 d，每667 m2有效穗数15.9万条，株高97.7 cm，穗长22.2 cm，平均每穗总粒数143.7 粒，结实率94.4%，千粒质量25.9 g。参加广东省2019、2020 两年晚造常规水稻中熟组区试，主要农艺性状平均指标：株高102.4 cm，每667 m2有效穗18.4 万条，穗长22.1 cm，每穗总粒数151 粒，结实率82.1%，千粒质量24.3 g。2019 年初试和2020 年复试单年度的农艺性状指标见表4。两年省区试试验结果表明双黄占表现前期长势旺盛，叶色浓绿，叶姿微弯，后期剑叶中直，茎态中集，株高适中，分蘖力较强，有效穗数较多，穗型较长，结实率高，抗倒性强，转色顺，熟色好，综合表现株型理想，穗粒结构合理。

表4 双黄占主要农艺性状Table 4 Main agronomic characters of Shuanghuangzhan

3 双黄占选育创新

水稻是自花授粉作物，常规稻育种一般采用系谱法选育，即自杂交种第一次分离世代（单交F2、复交F1）开始选单株，分别种植成株行，即系统，以后各世代均在优良系统中进行单株选择，直至选出性状优良一致的系统升级进行产量试验。系谱法从F2起进行严格选择，在选择多基因控制性状时，入选株系少，导致中选率低，大量优良株系被淘汰，入选株系多，大量株系进行田间稻瘟病抗性和稻米品质筛选时，工作量巨大，占地多，人力成本高，往往受人力，土地条件的限制。双黄占选育过程中创新性采用分子标记辅助选择方法和近红外光谱法，成功解决了入选株系多、田间工作量大的问题，将大量的入选单株在实验室进行稻瘟病抗性和中低直链淀粉含量鉴定，先在实验室淘汰不抗稻瘟病和高直链淀粉含量单株，从而大大提高了优良单株的选择效率同时减轻了田间工作量。双黄占选育创新点主要有：

3.1 稻瘟病鉴定方法创新

众所周知稻瘟病是一种世界性真菌病害，对水稻生产危害巨大，全球每年因其而造成的水稻产量损失达11%～30%。长期生产实践证明，选育和合理利用抗病品种是目前防控稻瘟病最经济环保有效的方法［7-8］，所以稻瘟病鉴定在品种选育过程中就显得尤为重要。传统的稻瘟病鉴定方法，是将育种材料在苗期进行病菌接种和种植在容易发病的病区进行鉴定。由于苗期的叶瘟发病情况与后期穗瘟发病情况相关性不强，所以鉴定准确性不高，而种植在病区鉴定则容易出现由于气候原因，病区整体不发病的情况或者年度之间发病轻重程度不一致，影响了稻瘟病鉴定的准确性，所以接种鉴定和病区鉴定都有一定的局限性，而且大规模进行田间鉴定，占地多，工作量大，受人力和土地条件限制。双黄占选育过程中除了采用传统方法鉴定稻瘟病外，还采用了分子标记辅助选择法。Pi2是一个对稻瘟病菌具有广谱、持久抗性的重要基因，特别是对华南籼稻区稻瘟病的各种优势生理小种都具有很好的抗性，因此，它在稻瘟病抗性育种中具有非常重要的应用价值［9-10］。双黄占选育过程中利用本课题组所开发的基因特异性KASP 标记进行稻瘟病辅助选择，通过KASP 标记可在苗期检测育种材料的稻瘟病抗性基因Pi2的等位基因型，准确区分Pi2基因的抗性等位基因型、感病等位基因型和杂合基因型，并且基因型与抗病表型具有高度关联，鉴定效果非常好［9］，同时通过实验室标记筛选后，去病区的材料数量大大减少，降低了田间工作量。KASP 标记在F2分离群体和高代群体的应用结果表明，通过分子标记辅助选择法增加对稻瘟病抗性的选择压，大大提高了对稻瘟病材料的选择效率和准确性。所以通过稻瘟病鉴定方法创新培育出的双黄占稻瘟病抗性强。

3.2 稻米食味品质鉴定方法创新

随着经济发展和人们生活水平的提高，大家对稻米食味品质的要求也越来越高，这也要求育种家们要不断提高食味品质育种目标，培育食味品质优良的水稻品种。所以在水稻食味育种过程中食味品质鉴定就起到举足轻重的作用。传统食味鉴定方法主要采用感官评价法和理化指标评价法。感官评价法是指评价员通过眼观、鼻闻、口尝等方法对米饭的色泽、气味、滋味、米饭粘性及软硬适口程度进行综合品尝评价的过程［11］。理化指标评价法是指是通过测定稻米中对食味有显著影响的理化指标如直链淀粉、蛋白质含量、胶稠度等简接预测稻米的食味品质［12］。这两种方法都有一定局限性，感官评价法受环境、个人喜好心理影响大，重复性较差，鉴定不够准确。而理化指标法检测指标多，操作复杂，时间金钱成本高，不能大规模应用在育种材料鉴定上。而在双黄占选育过程中创新性的采用了近红外光谱法筛选中低直链淀粉材料，近红外光谱分析法是用统计学的方法在样品化学值与近红外光谱数据之间建立关联模型（或称校正模型），具有高效、无损、成本低等特点［13-14］，利用近红外光谱法在低世代无损状态下通过测量稻谷直链淀粉含量，淘汰了直链淀粉含量高，口感硬、食味差的材料，精减了需要再进一步进行食味鉴定的材料数量，大大降低了后面通过全收小区稻谷、晒干碾米、然后蒸煮米饭再品尝鉴定食味的整个过程的工作量。同时在双黄占选育过程中创新性的采用日本佐竹公司生产的米饭食味计来鉴定稻米食味品质。米饭食味计也是利用统计学的方法在精确品尝值与近红外光谱数据之间建立关联模型，具有高效、重复性好、成本低等优点［15］。双黄占选育过程中除了采用传统品尝方法外还创新性利用近红外光谱法和米饭食味计鉴定食味品质，加强食味选择压和提高了食味鉴定的准确性。通过食味品质鉴定方法创新选育出双黄占米质达部标一级。

3.3 理想株型选择方法创新

理想株型是指通过改变株高、叶型、叶量、分蘖数量、穗的大小等方式来改良水稻的空间构型，使其能够最大限度的利用光能和空间，促进结实转化，从而增加经济系数［16-17］。在传统的后代选育中，如果父母本都是纯系，单交F1代一般不作株型选择，只淘汰不良组合。但在双黄占选育实践过程中我们在F1代除了进行杂交组合选择外，在选中的杂交组合中也进行单株选择，原因是单交的父母本虽然表型稳定但也不是绝对纯系，还是存在等位基因之间的差别，所以F1代中表现优良的单株可能是环境因素影响，但也有一定概率是遗传因素影响，所以在保证F2代种子量充足的情下，在F1代就进行优良单株选择以便增加在后续选择中选出优良株系的概率。本团队通过应用核心种质将水稻育种学和水稻资源学有机结合，构建了优质稻株型和品质理想模型，在该模型指导下进行田间选择，F2代采用宽窄行（16.67 cm×33.3 cm）种植，使得父母本基因随机重组后变异最大的一代有充分的生长空间，让每一单株的遗传潜力都能充分表现，加强选择可靠性。依据理想株型模型，晚造F2代选择千粒质量较大、穗数较多，茎秆较矮，后3 片功能叶较长较窄的株（品）系，这样的系统选择有利于在高产的基础上，同时获得优良的食味品质和广泛适应性［18］。在F3代以后材料采用窄行（16.67 cm×16.67 cm）密植，重点进行叶型，叶角和叶量的选择，在全生育期对株型变化进行详细观察登记，对前期株型较散，早生快发，而后期株型变紧凑的材料进行重点关注和选择，这有利选择株型紧凑直立、茎秆矮壮，抗倒性好的理想株型，原因是水稻生育前期株型散生，早生快发，对光能和空间的利用率高，成熟期株型紧凑通风透气能有效抗倒伏和相对抗病虫害，前期分散后期紧凑的动态株型可以有效提高水稻的产量。在本团队理想株型模式指导下选育的双黄占表现为：（1）根系发达，根部生长旺盛；（2）分蘖能力强，无效分蘖少；（3）茎秆粗壮且韧性强，株高适中，100～105 cm，抗倒性好；（4）株型紧凑，茶杯脚型，剑叶中直；（5）叶片颜色较浅，肉质厚，光合利用率高，后期青枝腊秆熟色好；（6）穗大，穗粒数多，结率高。双黄占的株叶形态很好地诠释了本团队创建的理想株型模式。

4 问题与对策

过去为解决温饱问题，水稻育种主要以高产为主要目标，对特优质稻米品种的选育重视程度不够，导致了生产上特优质水稻品种所占比重低。近年来随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，人们对稻米食味品质和营养品质提出了更高的要求。2018—2020 年农业农村部连续举办了3届全国优质稻品种食味品质鉴评会，标志着我国水稻产业格局将迎来深刻变化，水稻新品种选育和推广全面向好吃味香的优质稻转变。近年来广东省也高度重视优质丝苗米的发展，并成立“广东丝苗米产业联盟”制定一系列政策支持优质稻全产业链发展，积极打造广东丝苗米公共品牌，提升广东丝苗米在国内外影响力和竟争力。但是特优质稻米产量较低，抗病性，抗逆性差，广东省2019、2020 年香稻组区试组香稻品种平均每667m2产量约为395 kg，70%的香稻品种不抗稻瘟病。在水稻育种和生产实践中高产与特优质，特优质与抗逆性之间矛盾突出。稻米食味品质和产量均是多基因控制的复杂农艺性状，难以协调统一，从分子机理或者基因调控网络上来阐明产量与食味品质和食味品质与环境间的关系也是困难重重，所以培育高产、抗逆、特优质的水稻新品种成为世界性难题［19］。因此，如何打破高产与特优质、特优质与抗逆性的矛盾，将这三者平衡、协调统一起来，将是水稻遗传改良工作的重中之重。

双黄占综合性状优良，但水稻育种目标中的高产、优质、抗逆是永恒的主题。我们认为双黄占高产稳产米质达部标一级，但米质仍有改良空间，可在双黄占高产的基础上聚合香味基因、长粒基因提升双黄占的外观品质和食味品质。可以从以下几方面着手：（1）收集国内外特优质水稻种质材料，对稻米品质特征进行鉴定评价，筛选株型理想品质优异种质作为特优质育种材料；（2）在特优质种质材料中鉴定品质性状基因，开发相关分子标记，聚合优异品质基因（香味基因，长粒型基因、中等直链淀粉含量基因，低蛋白质含量基因等），创制特优质水稻育种材料；（3）深入开展水稻功能基因组的研究，利用水稻全基因组关联分析等方法对食味品质性状、产量性状和抗逆性状进行分析，阐明基因型和表型性状之间的关系，深入挖掘优异食味品质性状基因的优势等位位点和抗逆基因资源，构建水稻育种核心资源数据库，为发展高产、特优质、多抗的绿色高效水稻新品种奠定基础；（4）在育种目标上坚持高产、优质并重，强化特优质育种，在双黄占高产的基础上，通过杂交导入香味基因，长粒基因，以食味品质和外观品质为重点，利用分子标记鉴定香味基因和抗病基因，米饭食味计筛选优异食味品质，加大食味品质和外观品质选择压，同时兼顾抗虫抗病性，选育高产、绿色、特优质的高档高效优质稻新品种。