基于SSSL的水稻分子设计育种技术体系的建立

作物的设计育种（breeding by design）是近年提出的新概念。近10年来，申请者一直从事水稻设计育种的探索，建立了目前世界上规模最大的水稻单片段代换系（SSSL）文库。在国家自然科学基金重点项目（30330370）的资助下，利用SSSL较系统地分析了水稻优质性状的遗传基础。本项目在这些研究工作的基础上，建立基于SSSL的水稻设计育种的技术体系。主要研究内容包括：发展水稻的功能标记；利用SSSL文库，鉴定和定位水稻重要基因（QTL），分析重要基因座位的等位基因变异以及基因与环境的互作关系；通过基因聚合，获得一批基因聚合系，为基因互作分析和设计育种提供材料；在SSSL文库的平台上开展品种设计，制定设计方案，实现设计目标，设计和培育出优良水稻新品种。通过研究，在国际上率先建立起基于SSSL的水稻分子设计育种的技术体系，率先通过设计育种培育出水稻新品种。

本项目利用已构建的水稻染色体单片段代换系（SSSL）文库为平台，建立了基于SSSL的水稻设计育种的技术体系。主要学术进展包括：（1）选择水稻已克隆基因，设计功能标记，已设计功能标记的基因共有18个，包括生育期、粒形、直链淀粉含量等多个性状的基因。（2）利用单片段代换系，对抽穗期、粒形、抗病性、抗虫性、饭粒延伸性、垩白，以及产量等性状的基因（QTL）进行了鉴定和定位，已鉴定和定位的基因（QTL）共110个。（3）利用SSSL为材料开展等位基因变异的分析，共获得了Wx等11个基因座的等位基因变异。（4）利用单片段代换系，通过不同年份和不同季节研究了水稻分蘖数、生育期、品质、产量等性状的基因（QTL）与环境的互作关系，以及这些QTL表达的动态变化。（5）利用来自供体亲本Basmati385建立的单片段代换系，对粒宽基因GW8进行了克隆，证明该基因是编码OsSPL16蛋白的基因，表明该基因通过影响细胞数目而影响籽粒的宽度，而对细胞大小没有明显的影响。通过等位基因变异分析，发现来自Amol的等位基因不但对粒宽有影响，而且比来自Basmati385的等位基因对产量有更大的作用，是一个既高产又优质的等位基因。（6）利用携带重要基因（QTL）的SSSL开展基因聚合育种，对品质、产量、抽穗期、米饭延伸性、抗病性、育性恢复性等重要基因进行聚合，获得2-7片段的各类聚合系共300多个。利用这些基因聚合系，开展了基因上位性的研究，对这些基因的上位性有所了解。（7）选择具有良好研究基础的优良基因开展基因聚合，设计并培育出具有这些优良基因组合的优良品系共80多个。对生育期、饭粒延伸性等复杂性状进行了元件设计，获得了携带这些复杂性状的优良基因聚合系40多个。其中，华标1号于2009年通过了广东省农作物品种审定委员会的审定，该品种的稻米品质达国标2级，实现了预期的设计目标，成为利用该平台设计并育成的第一个水稻新品种，表明本项目建立的基于SSSL的水稻分子设计育种技术体系取得了明显的成效。本项目在国际上率先建立起基于SSSL的水稻分子设计育种的技术体系，率先通过设计育种培育出水稻新品种“华标1号”，在Nature Genetics等刊物上已发表SCI论文共7篇。