水稻种质资源核心种质的研究进展

朱业宝，王金英，江 川

（福建省农业科学院 水稻研究所/福建省稻种质资源库（圃），福建 福州 350018）

水稻是我国重要的粮食作物，其对保证我国粮食安全的重要性不言而喻。超级杂交稻的培育成功引起了国内外广泛关注，世界水稻组织将其称为“继矮化育种和杂交稻问世以后水稻生产的第二次绿色革命”。水稻产量的重大突破都与稻种资源的发掘与利用有关，如矮秆基因sd-1在资源中的发现并在矮化育种中的广泛应用、天然的雄性不育野生稻在三系杂交水稻育种中的成功利用，改写了世界水稻育种史。因此，科研工作者越来越重视对种质资源的收集、保存、鉴定与评价。截至目前，全世界保存了谷物类遗传资源253万份，其中稻类42万份，我国保存了7.4万份，位居世界第3位。

如何对庞大数量的种质资源进行深入的评价和利用？核心种质概念由此而被提出。核心种质(core collection)这个概念首先由Frankel于1984年提出，并与Brown一起发展了该理论，即选择整个种质资源的一部分，以最小的群体达到最大程度代表整个种质资源的多样性，具有异质性、多样性、代表性、实用性和动态性等特征。核心种质在种质资源交流、遗传育种、分子生物学研究等领域的应用有显著优势和重要价值，主要体现在3个方面：第一，提高鉴定效率，加快优异种质资源的交流；第二，提高遗传育种研究中筛选高产、优质、抗病和适应机械化育种等目标性状的效率；最后，加快优异基因的筛选与克隆，有利于开展重要性状遗传规律的研究。笔者总结了前人在稻种核心种质构建、鉴定与评价以及利用等方面的研究进展，以期为稻种资源核心种质构建和利用提供一定的借鉴。

1 稻种资源核心种质的构建进展

核心种质首先就是要收集整个种质资源中现有的数据，包括基本数据、特征数据和评价鉴定数据。稻种资源样品特征数据的搜集是一项庞大而艰巨的工作，需要获得尽可能准确的数据用于构建核心种质。目前绝大多数核心种质均是采用两类数据构建的：一类是农艺、形态等表型数据；另一类是分子标记信息数据。水稻核心种质的构建研究进展较快，研究人员陆续构建了一定范围的核心种质。在国内，中国栽培稻和中国野生稻都已建立了初级核心种质、核心种质和微核心种质等不同规模的种质材料，为满足不同研究需求奠定了基础［1-7］。李自超等［2］以50526份国家品种资源库编目入库的中国地方稻种资源为材料，从分组原则、组内取样比例和组内取样方法等3个方面研究了最佳取样方法，最终以丁颖分类体系作为分组原则，按平方根或对数比例在组内随机取样的策略，计算机随机取6%，人工选择极值2%左右，最终获得中国地方稻种资源初级核心种质4310份，约占总资源的8%。Zhang等［3］以4310份中国地方稻种资源初级核心种质为研究材料，利用36对SSR引物构建了核心种质和微核心种质，其中核心种质932份，其对原始库和初级核心种质的遗传多样性保留比例分别为85.71%和91.24%；微核心种质189份，其对原始库和初级核心种质的遗传多样性保留比例分别为70.65%和75.21%，遗传多样性指数0.7957，高于初级核心种质的0.7911。黎毛毛等［8］以3187份江西地方种为材料，采用丁颖分类体系和来源地综合分组，每组筛选30%资源量构建初级种质库，根据12对SSR的聚类分析结果，采用优先保留—双重聚类取样策略，建立了一套包含296份江西地方稻种资源的核心种质。孙强等［9］以收集的3170份遗传稳定材料为研究对象，确定了以总体取样量15%，按代码分组、组内简单比例取样及组内聚类取样的最佳取样方案，获得了477 份核心样品资源，可代表总体资源98%以上的遗传多样性。在国外，科研工作者利用美国农业部从全球各地收集的水稻种质资源陆续构建了初级核心种质和微核心种质，为资源鉴定与评价奠定了物质基础；利用分层随机抽样法，最终获得了1790份初级核心种质，之后研究者利用初级核心种质的26个表型性状和70个SSR分子标记构建了217份微核心种质［10-11］；印度也构建了水稻初级核心种质和微核心种质，首先采用来源地分组、随机抽样法从印度国家植物资源库保存的94000份种质资源获得了6912份初级核心种质［12］。前人的研究采用的取样方法主要为聚类分析法，分析数据主要有来源地、农艺性状和分子标记等，其中利用SSR为代表的分子标记构建核心种质具有较好的代表性，能有效降低环境对核心种质构建的影响，取样率主要在5%~25%之间［13-26］，具体稻种资源核心种质构建策略见表1。随着高通量测序技术的高速发展，测序成本急速下降，使通过全基因组重测序来大规模鉴定种质资源基因型成为可能，该方法能提升遗传相似度和杂合度的鉴别能力，更加精确地反映种质资源基因水平的遗传多样性，相信越来越多核心种质的构建将采用该方法获取基础数据。

表1 稻种资源核心种质研究构建策略

2 核心种质利用的研究进展

核心种质具有规模小、遗传多样性丰富和代表性强等优点，能有效降低鉴定与利用成本，有利于综合开展鉴定和评价工作。随着不同稻种资源核心种质的成功构建，大量科研工作者正在卓有成效地开展鉴定评价工作，以期为基因挖掘和新品种选育奠定坚实基础。

2.1 优异性状的鉴定与评价

在水稻生长发育过程中，会受到生物胁迫和非生物胁迫的影响，其中非生物胁迫因子有干旱、盐碱、缺营养元素、高温、低温等，生物胁迫因子有病虫害等，这些都会影响水稻正常的生长发育，进而影响水稻的产量和质量。因此，从稻种资源核心种质中筛选出抗逆资源是经济、高效的方法。在非生物胁迫方面，金铭路等［27］对204份中国水稻微核心种质的发芽期、芽期、幼苗期、孕穗期等4个时期的耐冷性进行了鉴定评价，发现粳稻的耐冷性明显强于籼稻，有7份粳稻资源和4份籼稻资源在水稻各生育时期均表现出较强的耐冷性。李自超等［14］研究了不施肥条件下856份云南稻种核心种质的再生力。夏秀忠等［28］对209 份广西地方稻种资源核心种质的芽期和苗期进行了耐冷性鉴定，发现芽期、苗期耐冷等级达到高抗的品种个数分别有17和15个。申时全等［29］研究了1281份云南稻种核心种质分蘖初期的耐热性，发现水稻的耐热性与籼粳、水陆和有无颖毛有密切关系，并获得了2份强耐热品种。台德卫等［30］对117 份全球水稻分子育种核心种质进行了耐低钾筛选，获得了9个耐低钾品种。申时全等［31］对827 份云南稻种核心种质的抗旱能力进行鉴定，获得了抗旱品种262份。姚国新等［32］利用197份栽培稻微核心种质共筛选到11份携带广亲和基因S5n的资源。在生物胁迫方面，李旭升等［33］利用3K水稻的1217份核心种质资源，进行了稻瘟病等苗瘟、叶瘟和穗瘟的自然诱发抗性鉴定，获得了144 份抗苗瘟、叶瘟和穗瘟的种质。夏小东等［34-35］对203份中国稻种资源初级核心种质的白叶枯病和稻瘟病的抗性进行了鉴定评价，发现有8个品种对供试的8个白叶枯病菌株（系）的抗性频率达到62.5%以上，28个品种对供试的16个稻瘟病菌系抗谱在70%以上。虽然前人对核心种质开展了许多非生物胁迫和生物胁迫研究，但在生产应用研究方面还鲜有报道。科研工作者可以根据前人鉴定出的优异材料，创制抗性材料，为水稻产业健康发展服务。

2.2 基因发掘与利用

水稻核心种质表型丰富的遗传多样性，是复杂性状基因挖掘、等位基因鉴定与关联分析的优良平台，科研工作者在该方面研究进展显著。Wei等［36］研究了光周期调控基因Hd1在微核心种质中变异情况，发现编码区的多点突变和短日照条件下开花时间有很大的关联性，同时发现栽培稻的部分突变位点仅在华南野生稻中发现，这说明华南地区是栽培稻的起源中心。岂长燕等［37］利用Pib、Pita、Pi5、Pi25和Pi54等抗稻瘟病基因的功能性分子标记检测了这些基因在我国水稻微核心种质中的分布情况。裔传灯等分别开发了粒形调控基因GS3［38］、GS5［39］、GW5［19］、GW8［40］、qGL3［41］等的功能性分子标记，并检测了这些基因在中国水稻微核心种质的基因型分布情况。Moraes等［42］利用美国农业部水稻微核心种质研究了不同基因型水稻对冷胁迫反应基因表达的影响，筛选出12个耐寒基因型，其中6 个耐寒基因型在营养期表现出耐寒性。Li等［43］利用美国水稻微核心种质203份与产量有关的QTL进行定位研究，共发现30个与产量相关的位点，部分位点同时与多个性状相关，这些与产量相关的标记可以直接应用到遗传育种，加速育种进程。Lou等［44］采用气相色谱—飞行时间质谱（gas chromatography time-of-flight mass spectrometry，GC-TOF-MS）技术对48份水稻核心种质的代谢谱进行了研究，根据内标法对41种代谢物进行了鉴定和相对定量，发现所有代谢产物在不同材料中含量差异很大，并利用218个分子标记，对影响代谢物浓度的染色体位点进行了关联定位，共鉴定出20个与29种代谢物浓度相关的分子标记。郑加兴等［45］利用2份广西普通野生稻核心种质与9311构建染色体片段代换系，鉴定与苗期耐冷性相关的QTL，在3号染色体鉴定出1个与苗期耐冷相关的主效QTL。

随着以二代测序技术为代表的高通量测序技术的快速发展，测序成本逐步降低，全基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS) 已成为研究水稻重要农艺性状的新手段。而GWAS要求研究的水稻材料尽可能地包括全部遗传信息，具有丰富的多样性，且核心种质完全符合要求。目前，应用GWAS开展核心种质的研究较多，赵宏亮等［46］利用6704个SNP标记对261份籼稻核心种质资源的千粒重、单株产量等9个性状进行GWAS研究，共检测到68个与库源性状关联的QTL。Fumio等［47］利用103份核心种质和1596个分子标记进行了GWAS研究，定位了1个窄叶调控基因NARROW LEAF 1。Wang等［48］利用133份核心种质的重测序数据进行GWAS分析，发现异丙酚甲基转移酶变异与生育酚的含量变化有关。Agramad等［49］对547份核心种质资源进行了GWAS分析，获得了与抗青枯病相关的遗传区域，发现与青枯病相关的引物RM413和RM277可用于分子标记辅助选择育种。Song等［50］对211份美国核心种质的直链淀粉含量、籽粒蛋白质含量和碱消值等3个稻米品质性状及其单核苷酸多态性进行检测，获得了品质较好的种质资源及22947个高质量的SNP信息，并通过GWAS分析，鉴定出与这些品质性状显著相关的位点10个。陈灿等［51］采用简化基因组测序法对419份广西地方种核心种质的稻瘟病抗性进行GWAS分析，共检测出8个候选抗稻瘟病基因，其中3个为新位点。虽然前人通过GWAS对核心种质的相关性状进行了基因定位研究，但未见通过该方法克隆和解析新基因的研究，后续需要在基因功能解析方面加强研究。

2.3 种质创新与新品种培育

水稻核心种质在育种中利用逐渐增加。周少川等［52-53］在总结水稻种质资源学的核心种质和水稻育种学中骨干亲本的基础上，提出了水稻核心种质育种理论，并历时30年构建完成了1~10级的核心种质，上一级核心种质是下一级核心种质的优异基因的供体。周少川等［54-56］利用广东优质稻核心种质先后构建了3个株型和品质理想模型，建立了优质稻核心种质育种平台，通过该方法陆续育成黄华占、黄丝占、黄莉占等30多个优质稻品种，有效减少了工作量，缩小了育种规模，提高了育种效率，成效明显，使广东优质稻育种水平在全国处于前列。

3 讨论与展望

水稻核心种质研究从1995年列入国家种质资源“九五”科技攻关计划以来，我国从全国到地方，从野生稻到栽培稻，陆续构建完成了水稻核心种质，构建策略和评价研究进展显著，都是以保存最大的遗传多样性为基本条件，但对材料表型等基础信息的采集不完整、不精确或不准确，不可避免地会导致部分重要的变异类型材料的丢失，这些问题需要进一步通过研究新的方法或鉴定技术来予以规避。当前构建的水稻核心种质都是通用型核心种质，专用核心种质的研究还比较少，在今后工作中应重视专用核心种质的构建，如抗稻瘟病核心种质、抗白叶枯病核心种质、优质稻核心种质、耐冷核心种质、耐淹核心种质等，打通种质资源研究工作与生产利用的“最后一公里”，满足生产对不同类型资源的需求。

核心种质构建的目的是利用核心种质对遗传资源进行精准鉴定与评价，或是筛选生产上有利用价值的基因进行遗传育种研究。前人对水稻核心种质表型和基因型鉴定评价研究较多，取得了较大成效，但在育种利用方面的研究还是较少，原因可能主要有以下几个方面：（1）核心种质材料鉴定评价信息不够完善，没有提供育种家感兴趣的种质信息；（2）核心种质所包含的材料无法满足育种家的特别需求；（3）核心种质材料大多是地方种，具有较多的不良性状，直接利用难度大。因此，在构建完成核心种质后，要及时进行表型性状的精准鉴定，并对其开展基因挖掘与鉴定工作，构建生产上急需表型的中间材料，加快优异种质材料的利用。