东乡野生稻研究进展及育种利用策略

毛一剑 李三峰 吴荣梁 王跃星 李春生

（中国水稻研究所，杭州 311400；*通讯作者）

东乡野生稻属普通野生稻，是目前世界上已发现的分布最北（N 28°14′、E 116°36′）的野生稻特异种质资源。孙传清等[1]对东乡野生稻和栽培稻的核DNA序列分析认为，东乡野生稻属于栽培稻近缘祖先种。因此，更容易实现将其优良基因导入栽培稻，已有的关于东乡野生稻的育种研究也证实了这一点。东乡野生稻具有丰富的遗传多样性。张晓丽等[2]研究发现，东乡野生稻遗传多样性显著高于被选用的栽培稻，XIE等[3]的研究也得出了相似结论。因此，相较于其他野生稻类型，东乡野生稻更有利于作为栽培稻遗传改良的优异种质资源加以利用。一直以来，为了充分挖掘东乡野生稻的有利基因为栽培稻品种改良所用，我国科学家已经开展了不少研究，并取得了显著进展。

1 东乡野生稻的抗病性研究

前人对东乡野生稻抗病性方面的研究主要集中在稻瘟病、白叶枯病和细菌性条斑病的抗性上。早期研究认为，东乡野生稻具有较强的稻瘟病抗性[4]。但早期研究采用的东乡野生稻材料和抗性鉴定方法或多或少存在一定局限性，其研究结果不具普遍性，随后的研究结果与早期的研究结果也不尽相同。对东乡野生稻抗病性研究比较全面和典型的有黄瑞荣、李湘民等[5-7]，并得出了较为一致的结论。黄瑞荣等[5]研究发现，东乡野生稻对白叶枯病和细条病的抗性总体较强，而对稻瘟病抗性较差，同时还发现了集以上3种病害抗性于一身的5份珍贵材料。黄瑞荣等[6]进一步的研究再次证实东乡野生稻材料总体对稻瘟病的抗性较差，但对白叶枯病和细菌性条斑病抗性良好，且两者呈显著正相关。李湘民等[7]利用222个单株对东乡野生稻的抗病性进行研究，结果仅发现2个单株表现为中抗稻瘟病，其他单株则普遍感病；对白叶枯病表现抗和中抗的单株占比合计高达50.45%，没有出现高抗或高感的单株；对细菌性条斑病表现出抗与中抗的单株占比合计高达51.35%；对纹枯病表现中抗的单株占比为8.11%；同时还发现，东乡野生稻材料的白叶枯病、细菌性条斑病抗性之间存在着显著的正相关，而与稻瘟病、纹枯病抗性的相关性不显著。此外，却志群等[8]在东乡野生稻中发现了类Xa1的抗白叶枯病同源基因，进一步证实了东乡野生稻对白叶枯病具有抗性。李信申等[9]的研究则进一步证实了东乡野生稻对于细菌性条斑病的优良抗性。根据前人研究结果，认为东乡野生稻存在着较多的白叶枯病和细菌性条斑病抗源，且这两者之间存在着显著正相关关系，这十分有利于从中挖掘具有白叶枯病、细菌性条斑病双重抗性的优良抗源材料。

2 东乡野生稻的抗虫性研究

稻飞虱和螟虫是对水稻危害严重的两大虫害，一直以来对东乡野生稻抗虫性方面的研究也主要集中在这两大虫害。早期研究发现，东乡野生稻茎秆具有坚韧、秆细、壁厚、腔小、维管束发达的结构特点，不利于螟虫侵入，因而使得其具有高抗二化螟、三化螟、大螟和稻纵卷叶螟的优良特性[10]。随着生物技术的发展，水稻科技工作者们意识到，从栽培稻中发现的抗虫基因抗谱相对较窄，因此，从20世纪90年代以来，从野生稻中挖掘新的抗虫基因逐步成为研究的热点。陈洁[11]利用东乡野生稻和栽培稻的回交重组自交系群体和SSR、RFLP标记构建了遗传连锁图谱，对稻飞虱抗性开展研究，共检测到4个抗虫QTL，其中2个抗褐飞虱QTL分别位于第2和第7染色体，2个抗白背飞虱QTL分别位于第5和第9染色体。进一步研究表明，位于第9染色体的抗白背飞虱QTL qWph9遗传效应最为稳定[12]；黄水金等[13]利用若干东乡野生稻不同来源材料进行抗性筛选，获得6份中抗褐飞虱材料；黄得润等[14]则利用协青早B//协青早B/东乡野生稻的BC1F5群体进行QTL分析，检测到了来自于东乡野生稻的2个抗褐飞虱QTL qBph2和qBph7，分别位于第2和第7染色体，前者抗褐飞虱生物型Ⅰ和生物型Ⅱ，后者抗褐飞虱生物型Ⅰ和 生物型Ⅲ。由上可见，东乡野生稻具有抗稻飞虱、抗螟虫的优良特性，进一步对其抗虫分子机制进行探索，并与高产育种相结合，有利于选育出抗虫、高产的栽培稻品种。

3 东乡野生稻的抗逆性研究

具有强耐寒性是东乡野生稻一个标志性的优良特性，对其耐寒性研究主要集中在耐寒性鉴定上。研究表明，东乡野生稻发育起点温度低，不仅苗期耐寒性特强，能够抵御低温冷害，防止烂秧，而且抽穗期耐寒性也很强，能够抵御较强“寒露风”[15-18]。东乡野生稻耐寒性在育种上的利用也取得了较好进展，陈大洲等[19]利用东乡野生稻对粳稻0298进行耐寒性改良，育成了耐寒粳型新品种东野1号；贺浩华等[20]利用东乡野生稻与普通栽培稻杂交，成功育成了具有稳定强耐寒性的10个越冬品系和3个越冬不育系；陈明亮等[21]利用东乡野生稻的耐冷和耐低氧萌发能力，育成了具有相应抗逆性状的三系不育系赣野A。在东乡野生稻耐寒生理机制上，黄涛等[22]测定了耐寒的东乡野生稻和不耐寒品种6225叶片内源脱落酸（ABA）和赤霉素（GA）含量，发现水稻耐寒性与ABA含量上升、GA含量下降有关，而东乡野生稻在低温下，ABA、GA含量水平的变化要比6225快得多；张成良等[23]等研究了东乡野生稻的根系抗氧化系统对冷胁迫的反应，认为其在冷胁迫条件下，根系抗氧化酶活性增加是其耐寒的生理机制之一。在东乡野生稻耐寒QTL的鉴定上，陈大洲等[24]利用协青早B/东乡野生稻的BC1F1群体，在第4和第8染色体上检测到2个能提高苗期耐寒性的QTL，分别与标记RM280、RM337紧密连锁；刘凤霞等[25]以东乡野生稻、桂朝2号为亲本构建了高代回交群体，从中检测到了2个可显著提高抽穗期耐寒性的主效QTL qRLT1-1和qRLT6-1，分别来源于东乡野生稻的第1和第6染色体。夏瑞祥等[26]利用东乡野生稻、南京11号构建的BC2F1分离群体，检测到了2个贡献率分别高达34.1%、37.0%的苗期耐寒性主效QTL qRC10-1、qRC10-2，均来源于东乡野生稻的第10染色体。另外，左佳等[27]检测到了2个贡献率分别高达16.3%、19.2%与耐寒性相关的QTL qSCR3、qSCR11，来源于东乡野生稻的第3和第11染色体。然而，尽管定位到了不少高贡献率的耐寒性QTL，也有研究对相关QTL的可能候选基因进行了克隆[28-30]，但是迄今尚未有明确的来自东乡野生稻耐寒基因被克隆的报道。除了具有强耐寒性，东乡野生稻还具有抗旱优良特性，这已被较多的研究证实[31-33]。值得关注的是，ZHOU等[34]在对东乡野生稻的抗旱性QTL分析中，共检测到 了12个抗旱QTL，其中在第12染色体检测到的qSDT12-2在不同的重复中均检测到，是1个稳定存在的抗旱QTL。此外，王会民等[35]还利用东乡野生稻和9311构建的BC1F2群体分离鉴定到了1个耐旱主效QTL qDR7。耐低氮也是东乡野生稻的一个优良特性。吴婷等[36]在施氮肥和不施氮肥两种环境下，利用协青早B//东乡野生稻/协B BC1F12回交重组自交系进行QTL分析，检测到24个来自于东乡野生稻的QTL与耐低氮相关。

4 东乡野生稻的育性研究

东乡野生稻的育性研究主要集中在利用东乡野生稻培育细胞质雄性不育系方面，并取得了很好的成效。20世纪80年代和90年代应用广泛的矮败型三系不育系协青早A，就是吴让祥利用东乡野生稻中的矮秆不育株转育而成[37]。随后，肖晓春等[38-42]先后育成了东B11A、中早35A、47A等一批具有东乡野生稻细胞质的雄性不育系。值得一提的是，已克隆的且完全独立于野败型的D1型水稻细胞质雄性不育基因，就是首次在东乡野生稻中被发现[43]。D1型杂交水稻的发展应用极大丰富了杂交水稻类型，对促进杂交水稻的可持续发展具有十分重要的战略意义。另外，在恢复基因研究方面，已有的研究表明，东乡野生稻对矮败型及印尼水田谷型不育胞质的恢复性表现为质量-数量性状遗传，其恢复性极有可能由1对或2对基因控制，且主要表现为完全显性遗传[44-46]。

5 东乡野生稻的产量性状研究

早先对东乡野生稻产量性状的研究仅仅局限于植株外观性状的研究，直到21世纪初，在分子生物学层面的研究才逐步得以开展。李德军等[47]以东乡野生稻为供体，桂朝2号为受体构建了一套高代回交群体，并运用AB-QTL（advanced backcross QTL）分析法进行了QTL分析，共检测到了51个产量相关QTL。更为重要的是，在第2和第11染色体上检测到了2个来源于东乡野生稻的高产QTL，分别使桂朝2号单株产量增加25.9%和23.2%，其中第2染色体RM233A附近的qGY2-1的贡献率高达16.0%，是一个主效基因。罗小金[48]进一步利用染色体片段代换定位法，将其精细定位在标记RM279与SBG1之间的102.9 kb区域内，基因组分析发现该区域内包含了1个由LRK1~LRK8 8个富含亮氨酸受体激酶（leucine-rich repeat receptorlike kinase，LRK）基因组成的基因簇，基因簇内表现出显著的等位基因变异。查笑君[49]用来自东乡野生稻的LRK1基因进行研究，发现LRK1蛋白位于质膜上，过表达LRK1基因降低了株高，促进了细胞分裂和植株生长，提高了水稻有效分蘖数、每穗粒数、二次枝梗数，因此推测其与植株分枝发育有关。田丰[50]以东乡野生稻为供体、桂朝2号为受体的渗入系为材料，在北京和海南对产量相关性状进行QTL检测，在两个环境中同时检测到17个产量相关性状的QTL，其中有6个来自东乡野生稻的QTL表现为有利于产量性状的正效应，并且大多与粒数有关。值得一提的是，该研究检测到的1个控制穗数的QTL qPN2与前述已经精细定位的qGY2-1位点相同。上述4个研究涉及到的亲本材料均为东乡野生稻和桂朝2号。黄得润等[51]则利用东乡野生稻与协青早B构建的BC1F5群体检测到了23个产量相关性状QTL，其中有9个来自东乡野生稻的QTL表现为有利于产量性状的正效应，包括2个单株穗数QTL，1个每穗实粒数QTL，5个每穗颖花数QTL，1个千粒重QTL。根据这些研究结果，可以推断在东乡野生稻中确实存在着产量相关性状的有利基因，可为改良栽培稻所用。

6 东乡野生稻的其他优良特性研究

陈小荣等[52-53]对东乡野生稻的耐低磷能力进行研究，结果表明，其具有强耐低磷特性。曹娟芳[54]运用CIM方法对以东乡野生稻为供体、协青早B为受体构建的BC1F10回交重组自交系群体进行苗期耐低磷QTL检测，在8个性状上共检测到22个与耐低磷相关的QTL位点。李晨等[55]利用东乡野生稻和桂朝2号构建的BC1群体，对控制花药长度和柱头外露率的QTL进行检测，检测到2个控制花药长度的QTL，分别来源于东乡野生稻的第2和第9染色体。此外，还检测到2个控制柱头外露率的QTL，分别来源于东乡野生稻的第5和第8染色体。这2个栽培稻和野生稻重要分类性状的QTLs定位，为进一步研究东乡野生稻进化到栽培稻的分子机理提供了有益信息；此外，胡标林等[56]还对东乡野生稻的矿质含量QTL进行了研究，并检测到了若干矿质含量QTLs，其中增效等位基因来自于东乡野生稻的2个控制糙米铁含量的QTL qFe1、qFe11，贡献率高达38.8%和23.1%。XIE等[57]则在东乡野生稻的第9染色体定位到了茎秆木质化基因，可以解释12.0%的表型变异。

7 东乡野生稻的育种利用策略

东乡野生稻虽然具有诸多优良性状，但由于其本身植株过高、产量过低等缺点十分显著，所以直接利用传统育种技术对其进行育种改良难度很大。笔者认为，利用分子育种技术将其优良性状基因导入栽培稻品种中，是东乡野生稻育种利用的最佳策略。主要有4条途径：一是基于东乡野生稻有利主效基因/QTL的分子标记辅助育种。该途径是利用已知有利基因/QTL，对目标性状开展分子标记辅助选择（Marker assistant selection，MAS），可以避免环境因素的影响以及等位基因间显隐性状关系的干扰，选择结果可靠、准确。其优点是可在育种早代进行并完成辅助选择过程，从而大幅缩短育种周期，显著提高育种效率。二是基于东乡野生稻多个有利等位基因/QTL的聚合育种。该途径是利用其多个已知的对改良水稻产量、品质、抗性等性状有利的等位基因/QTL，运用分子标记辅助选择的方法，把这些有利等位基因/QTL聚合到一个目标品种上。三是基于东乡野生稻一系列优良基因/QTL的分子设计育种。该途径是通过多种技术的集成与整合，分析东乡野生稻一系列已知优良基因/QTL的遗传及互作效应，同时对东乡野生稻诸多优良性状基因育种转移过程中的各种因素进行模拟、筛选和优化，从而提出并验证东乡野生稻高效育种的分子设计育种模式，进而实现可预测、精准化设计育种。四是东乡野生稻独特优势基因/QTL的转基因育种。该途径是通过转基因的方法把有利靶基因/QTL导入目标品种，从而使目标品种具有靶基因/QTL控制的优良性状。上述4条途径都离不开东乡野生稻有利性状的基因/QTL的定位或克隆，随着越来越多的东乡野生稻优良性状的基因/QTL被定位或克隆，将为分子技术在东乡野生稻育种中的应用提供更加坚实的基础。