模块育种的理论与方法

施利利，王有伟，孙宁，张欣，丁得亮，崔晶，王松文，



模块育种的理论与方法

施利利1,2，王有伟1，孙宁1，张欣1,2，丁得亮1,2，崔晶1,2，王松文1,2，通信作者

（1. 天津农学院农学与资源环境学院，天津300384；2. 天津中日水稻品质食味研究中心，天津300384）

以‘扬稻6号’（‘93-11’）为出发品种，通过设计育种的方法，选育出水稻品种‘93-11Y’，并解析出该品种的5个模块。基于5个模块特征，将籼稻可以划分为两个亚群。在构建遗传群体和育种群体过程中，可以选择粳稻与籼稻亚群2杂交。依据构建遗传模块和育种模块的育种原理可以实施种质鉴定、亲本塑造、杂交组合的策略，这种模块育种的理论与方法可用于新时期育种。

水稻；模块；模块育种；理论

1996年，杨守仁等提出新品种的选育远不像“部件”（性状）之可以组装为“机器”（品种）[1]，薛勇彪等提出“分子模块育种”[2]。围绕“模块育种”，一些学者提出了相关的理论与方法。2003年，Peleman Johan D 等提出了设计育种（Breeding by Design）分3步进行：（1）定位所有QTL（基因）；（2）鉴定所有等位基因（Allele）；（3）设计育种[3]。针对设计育种过程，提出了基于染色体片段代换系群体的育种。在理论上，应对产量、品质等这些复杂性状进行基因组改良。但以染色体片段代换系作为材料，只能是对少数基因（性状）进行遗传操作。2005年，Ashikari M等提出了作物定制改良（Tailor-made crop improvement，TCI）[4]，实现了水稻的基因和聚合，培育出矮杆大穗新品种。2017年，曾大力等提出了优化设计育种[5]，实现了3个品种、28个基因的聚合，选育出‘RD1’、‘RD2’、‘RD3’3个新品种。另外，还有核心种质育种[6]、超级杂交稻育种等新概念、新方法[7]。围绕模块育种有两种基本观点。一种观点认为是可行的，主要依据是多数农艺性状受多基因控制，并具有“模块化”特性[2]。另一种观点认为，生物是有机体，不能像机器那样，由部件进行组装[1]。本课题组认为，在某些条件下，可以近似于“部件组装成机器”，模块育种是可能的。本研究以‘扬稻6号’（1997年审定的新品种，又名‘93-11’）改良为例，解析了一些遗传模块和育种模块，选育出‘93-11Y’，以期为模块育种的理论探索和育种实践提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料如表1所示。

表1 试验材料

1.2 方法

1.2.1 KASP标记与生物信息学分析

KASP是竞争性等位基因特异性PCR（Kompetitive Allele Specific PCR）的缩写[7]。设计KASP引物时，关键是设计两个竞争性的正向引物，这两个竞争性引物参与扩增反应的几率相等。因为在KASP标记中要用红蓝荧光分别标记两个竞争性正向引物[8]。所以随着PCR反应的进行，以两种不同的信号（红光、蓝光）自动记录下来。KASP技术的要点是SNP位点的两侧序列已知，3 000个水稻品种的重测序信息为KASP标记检测提供了可能[9]。KASP与SNP标记相比，KASP检测不像SNP那样基于基因芯片，KASP在检测SNP位点的同时还检测了SNP位点上游的多态信息，并实现了高通量。

按水稻基因组2～5 cM间隔，选取600个SNP标记，对51个品种进行基因组扫描和多态性筛选，选出363个多态性标记。363个标记按标记纯合、杂合以不同颜色显示基因型，杂合时以黑色表示。纯合带型以红、粉红等不同颜色标出其带型特征及位置。图示基因型使用Flapjack按照文献[10]进行。

1.2.2 模块鉴定

鉴定模块的基本标准是：（1）以‘93-11Y’（‘93-11’的染色体片段代换系（代换系））为材料，片段不是来自于其亲本‘广陆矮4号’；（2）片段来自于粳稻类型；（3）依据连续的两个标记（代表相应的染色体片段）片段（代表一个染色体片段），在确定3个区域（模块）的基础上，另选择了第1染色体片段（1个比标记片段）和第8染色体片段（1个标记片段）。这样，符合3个条件的模块共有5个模块（遗传模块）。模块育种的第一步是力求建立分布于整个基因组的多基因模块，而在不断更新的模块认知应用中关联于特定的育种计划。

1.2.3 ‘93-11Y’（‘93-11’染色体片段代换系）的选育

以‘津稻108’（‘广陆矮4号’ב东乡野生稻P16’）为基因供体与‘93-11’杂交，获得F1，再与‘93-11’回交，经选择获得‘93-11Y’。

1.2.4 籼稻两个亚群的划分

依据图示基因型选择‘93-11’的5模块（依据1.2.2的3个标准）确定籼稻亚群2，包括‘T001’、‘HC-66’、‘巴西稻’、‘淡绿叶’、‘IPM籼3’、‘褐颖101’、‘58025’、‘矮46’、‘广陆矮4号’等9个品种，其余14个籼稻划分为籼稻亚群1。

2 结果与分析

2.1 图示基因型

将KASP标记（SNP标记）的基因型转变成图示基因型信息，用Flapjack软件做出12个染色体的图示基因型，其中一个样品的第6条染色体的图示基因型如图1所示。

图1表明，样品47（‘93-11Y’）的KASP标记、A004086（第7个标记）、A004088（第8个标记）的带型与样品51（‘广陆矮4号’）不同（不是来源于‘广陆矮4号’），同样，样品7、10、12、45、31、39、40、15都不具有这个带型。而另外的籼稻具有这个带型。说明籼稻可以分为两个亚型，将样品7、10、12、45、31、39、40、15定名为籼稻亚型2，其余籼稻划分为籼稻亚型1，所有粳稻与亚型1亲缘关系远。

图1 第6染色体图示基因型

2.2 模块鉴定与模块特征

2.2.1 模块

模块01-01 位于第1染色体。01代表第1 染色体，-01代表第1 染色体上的第1 个模块。在01-01 模块左侧有基因（多穗粒数基因），右侧有/基因。这样，-01-01-/构成一个育种模块（图2）。

图2 模块01-01

图3表明，遗传模块由位于第6染色体上6 948 457 bp处和8 231 471 bp处的染色体片段组成，育种模块包括左侧的基因（胶稠度）和右侧的基因（抽穗期）。

图3 模块06-01

图4表明，遗传模块由位于第7染色体上的7 651 467～8 123 732 bp的片段组成，育种模块由7 651 467～9 155 185 bp 的片段组成，包括基因（淀粉合成）和基因（单株产量）。

图4 模块07-01

图5表明，遗传模块是位于3 854 233 bp的区段，育种模块包括从3 854 233～5 353 700 bp的区段，包括基因（抽穗期）和基因（淀粉合成）。

图5 模块08-01

由图6可以看出，遗传模块在14 451 520～15 053 026 bp的区域，在距离较远的区域有一个育种模块，包括基因（光敏不育基因）。

图6 模块12-01

品种要求特异性、一致性、稳定性。从长期育种设计考虑，生产上需要多型品种。根据51个品种、363个KASP标记分析结果，本课题组解析了5个育种模块（图2～图6），基于5个模块的基因聚合，结合品种综合改良和5次品种更替趋势，籼稻品种可分为两个亚群（图7），亚群1包括第5代品种（包括最新育品种和新品系）。亚群2包括‘T001’、‘HC-66’、‘巴西稻’、‘淡绿叶’、‘IPM籼3’、‘褐颖101’、‘58025’、‘矮46’、‘广陆矮4号’等籼稻品种及衍生种。如果构建定位群体，则是选择亚群2品种与粳稻杂交。例如，国家水稻基因组计划就是利用与‘广陆矮4号’的近缘系‘矮脚南特’与‘东乡野生稻’（偏粳型野生稻）杂交获得的。同样，日本RGP则使用了同属于籼稻亚群2的籼稻与‘日本晴’（粳稻）杂交获得的后代群体（F2）。如果构建定位群体，则可适当放宽遗传距离，如本课题构建的J107S/Jingdao109（Jia，2001），sh-38/L02[11]，如果是粳稻基因定位，多态性下限可设置为18%（未发表资料）。如果是构建育种群体，则更可放宽遗传距离，甚至是近缘系。

图7 籼稻亚群及杂交模式图

2.2.2 品种‘93-11’的模块育种

‘93-11’的改良利用了‘东乡野生稻’（P16），‘东乡野生稻’与位于水稻起源中心的东南亚水稻相比，偏粳。经与‘广陆矮4号’杂交、与‘93-11’复交，再用‘93-11’回交，残留的野生稻基因组片段已经很少。‘93-11Y’（93-11/// 93-11//广陆矮4号/东乡野生稻P16）性状已经与‘93-11’相似。综合性状优良（图8），携带‘东乡野生稻’或‘93-11’的优良基因（QTL），实现了模块育种的育种目标。

图8 ‘93-11Y’（‘93-11’改良系）的农艺性状

2.3 模块育种技术的综合运用

曾大力等采用3个亲本（‘日本晴’、‘93-11’、‘特青’）对28个重要农艺性状基因进行聚合（组装），培育出‘RD1’、‘RD2’、‘RD3’3个新品系[5]，产量超过高产亲本‘特青’，品质超过优良亲本‘93-11’。以RD1为例，从供体亲本‘日本晴’中引入、、等重要农艺性状基因，引入‘日本晴’的13个外缘片段；从‘93-11’中引入、等优良基因，引入‘93-11’的7个片段，操作时利用‘特青’遗传背景，引入‘日本晴’和‘93-11’的优良基因和分子模块；用101个微卫星标记。历时5年，选育出‘RD1’、‘RD2’、‘RD3’3个改良系（品种），遗传背景为‘特青’基因组成分，在模块育种方面提供了一个成功例证。本研究以KASP标记作为背景标记和鉴定遗传模块标记，具有高效、低成本、定向性、快周期的特点。本研究解析位于第1、6、7、8、12染色体上的5个遗传模块和育种模块。遗传模块由KASP标记界定（一般位于两个KASP标记之间）。育种模块以重要农艺性状基因所在区域划分，主要考虑品种改良的育种效果（基因作用和遗传背景）。育种模块关联育种信息和性状信息。在育种程序中，综合运用了组织培养（野栽组合胚抢救）、快繁、进代、生态育种（海南周年试验）等技术。在KASP标记体系建立中，运用了51个品种（参照品种），600个KASP标记，一次分子标记辅助选择，实现了模块育种。

3 讨论

3.1 模块定义

模块首先像街区（block），这在DNA分子上比较形象。简单地看作一段DNA双链，有起始位点和终止位点。可能包括基因（基因模块），可能是一个特殊的遗传标记（不同于一般的分子标记，而较多地是至少两个分子标记的一个区间，特殊情形下为一个分子标记）。薛勇彪等更侧重“功能模块”，功能模块与结构模块有所不同，功能模块更侧重功能的实现[2]。

在特定的分子育种计划中，模块应当有可操作性。曾大力等认为来自‘日本晴’和‘93-11’ 中的某些片段具有明显的模块特征，尤其位于染色体7的RM6574 和RM3755 的片段（模块）包含、、3个基因[5]，与本研究中的07-01 模块为同一模块。

3.2 模块育种与其他育种方式的兼容

在常规育种中培育出一些大面积推广的品种，如‘汕优63’、‘培矮64S’、‘广占63S’、‘扬稻6号’、‘稻花香2号’、‘越光’等都是超亲类型的选择。‘明恢63’育成以后，以‘明恢63’为亲本，培育出131个恢复系，以这些恢复系为亲本配置出的249个组合通过了国家或省区的审定[12]。实际上，育种专家会自觉地运用这些骨干系的模块。如：日本推广面积前10的优质食味品种都有‘越光’的血缘（即利用‘越光’育成），这说明“优质食味”也有若干“优质食味”模块。一般而言，高产育种采用高产亲本，优质育种采用优质亲本。“食味优先，高产与优质兼顾”的理论[13]对新时期育种有一定的理论价值和育种实践意义。国内外提出的大量育种理论多是兼容的，是在特定条件下的理论侧重和再定义。比如在实施模块育种当中，也进行基因聚合（Gene pyramiding）。在本研究的育种程序中，育种分为3步：（1）种质鉴定；（2）亲本塑造；（3）杂交组合。正常情况下，在亲本塑造过程中进行基因聚合（利用多个有利等位基因）。就育种实践而言，或基于某种理论指导，或遵循于育种家的育种实践和经验，最终都是扬长避短，实现品种或种质创新，进行品种持续改良和阶梯式育种，从一个基准水平（以一个出发品种为基准）达到一个新的水平（选育出一个新的品种，这个品种或增产显著，或产量相当而品质更优）。

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责任编辑：宗淑萍

Theory and Method of Module Breeding

SHI Li-li1,2，WANG You-wei1, SUN Ning1, ZHANG Xin1,2, DING De-liang1,2, CUI Jing1,2, WANG Song-wen1,2,Corresponding Author

（1. College of Agronomy and Resource Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. China-Japan Joint Center on Palatability and Quality of Rice in Tianjin, Tianjin 300384, China）

The‘93-11Y’was bred by the method of design breeding by raising‘Yangdao6’（‘93-11’）. The 5 modules were analyzed. Indica rice can be divided into two subgroups based on the characteristics of the 5 modules. In the process of constructing the genetic population and breeding population, japonica rice and indica rice 2 hybrid. According to the principles of constructing the genetic module and breeding module, we can carry out the strategy of germplasm identification, parental moulding and hybrid combination.

rice; module; breeding by modules; theory

1008-5394（2017）03-0032-05

S336

A

2017-04-10

天津市科技计划项目“基于SNP标记及全基因组选择的水稻设计育种”（16ZXZYNC00110）

施利利（1976-），女，天津市人，高级实验师，硕士，主要从事水稻育种研究。E-mail：dw186001@aliyun.com。王有伟（1989-），男，甘肃武威人，硕士在读，主要从事水稻育种研究。E-mail：641158595@qq.com。施利利和王有伟对本文具有同等贡献，为并列第一作者。

王松文（1958-），男，河北沧州人，教授，主要从事水稻育种研究。E-mail：dw186001@aliyun.com。