张桂权华南农业大学农学院,广东省植物分子育种重点实验室,亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室,广州 510642

The platform of breeding by design based on the SSSL library in rice

Guiquan ZhangGuangdong Provincial Key Laboratory of Plant Molecular Breeding, State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-Bioresources, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China

编委: 储成才
收稿日期:2019-04-16修回日期:2019-07-4网络出版日期:2019-08-20

基金资助:

国家自然科学基金项目.91735304 国家自然科学基金项目.91435207 广州市科技计划项目资助.201607020040

Received:2019-04-16Revised:2019-07-4Online:2019-08-20

Fund supported:

Supported by the National Natural Science Foundation of China.91735304 Supported by the National Natural Science Foundation of China.91435207 The Project of Science and Technology of Guangzhou.201607020040

作者简介 About authors
张桂权,博士,教授,研究方向：水稻分子育种E-mail:gqzhang@scau.edu.cn。



摘要
“设计育种”是21世纪初提出的新概念,是指有目的地利用作物基因组中有利等位基因来设计并培育人们所需要的品种。在过去的20年中,本实验室制定了“三步走”的策略开展水稻设计育种研究,构建了基于染色体单片段代换系(single-segment substitution line, SSSL)文库的水稻设计育种平台,并在水稻设计育种上取得了初步的成效。基于SSSL平台开展水稻设计育种,能有效地利用SSSL文库的基因资源,设计并培育出各种各样的水稻新元件、新品系和新品种。本文详细介绍了水稻SSSL文库的构建以及利用该文库开展水稻设计育种的探索,以期为水稻乃至作物的设计育种提供参考。
关键词： 设计育种;分子育种;单片段代换系;基因聚合;水稻

Abstract
Breeding by design is a new concept proposed in the beginning of the century. It refers to the breeding of varieties by crop design utilizing favorable alleles dispersed in different genetic resources in a genome. In the past 20 years, we have proposed a "three-step" strategy to carry out the research on breeding by design in rice. Firstly, we constructed a library of chromosomal single-segment substitution lines (SSSLs) by using of Huajingxian74 (HJX74), an elite xian (indica) variety from South China as the recipient and 43 accessions of seven species of rice AA genome as donors. The genes in the substituted segments of SSSLs were then detected. Breeding by design was conducted by selecting the favorable genes from the SSSL library. Our practice indicates that the SSSL library is a powerful platform for breeding by design and various "traits", "lines" and "varieties" of rice can be designed and bred by utilizing abundant genes in the SSSL library. Here, we introduce the platform of the HJX74-SSSL library and our work of breeding by design on the platform. It will provide a case study for crop design.
Keywords：breeding by design;molecular breeding;single-segment substitution line (SSSL);gene pyramiding;rice


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本文引用格式
张桂权. 基于SSSL文库的水稻设计育种平台[J]. 遗传, 2019, 41(8): 754-760 doi:10.16288/j.yczz.19-105
Guiquan Zhang. The platform of breeding by design based on the SSSL library in rice[J]. Hereditas(Beijing), 2019, 41(8): 754-760 doi:10.16288/j.yczz.19-105


自20世纪80年代以来,由于DNA标记的出现,基因组研究取得了快速的发展。21世纪初,先后有多个复杂真核生物完成了全基因组测序,标志着基因组研究已进入后基因组时代。后基因组时代的到来,使人们对生物的遗传改良,特别是植物育种的发展,产生了前所未有的想象空间。“设计育种”(breeding by design)正是在这个时候提出的新概念^[1]。

水稻是世界上重要的粮食作物,也是基因组研究的模式植物。因此,水稻在基因组研究和育种方面一直受到高度重视。半个多世纪以来,我国在水稻遗传育种方面取得了瞩目的成就^[2,3,4],为开展水稻的设计育种研究提供了必要的条件,促使人们探索实施水稻设计育种的可能方案^[5,6]。在过去的20年中,本实验室制定了“三步走”的策略开展水稻设计育种研究,构建了基于染色体单片段代换系(single- segment substitution line, SSSL)文库的水稻设计育种平台,并在水稻设计育种上取得了初步的成效。本文详细介绍了基于SSSL文库的水稻设计育种平台,以期为作物设计育种提供案例。

1 设计育种的概念和策略

如何提高育种的可预见性和可操作性,一直是植物育种需要解决的问题。传统的植物育种主要是凭借育种家们的经验,通过表型选择来实现,因此具有很大的不确定性,育种目标往往难以实现。全基因组测序的完成,预示着生物整个基因组的基因是可知的、可检测的,因此是可利用的。为此,人们设想怎样才能有效地利用全基因组基因开展育种,怎样才能把分散在不同个体中的优良基因集中到一个个体中,从而培育出所需要的优良品种?这个设想就是设计育种。实现设计育种包括3个主要环节：(1)对基因组的基因进行定位,明确基因在基因组中的位置;(2)分析主要基因座的等位基因变异,筛选出优良的等位基因;(3)利用基因组的优良等位基因开展设计育种,把分散在不同个体中的优良基因聚合在一起,从而实现设计育种的目标^[1]。

早在1998年,本实验室开始在理论上探索设计育种的可行性,在实践上摸索设计育种的实施方案,制定并实施了水稻设计育种的“三步走”策略。第一步,构建水稻SSSL文库,把水稻育种上能利用的基因最大限度地收集到文库中来;第二步,对SSSL代换片段中的基因进行分析,广泛获取育种上有用的基因信息,为设计育种提供依据;第三步,利用SSSL文库中的优良基因开展设计育种,设计并培育出各种各样的水稻新元件、新品系和新品种。

2 水稻SSSL文库的构建

稻属(Oryza)共有24个种,包括2个栽培种和22个野生种^[7]。其中,AA基因组有8个种,包括2个栽培种—亚洲栽培稻(O.sativa)和非洲栽培稻(O.glaberrima),和6个野生种—尼瓦拉野生稻(O.nivara)、普通野生稻(O.rufipogon)、短舌野生稻(O.barthii)、南方野生稻(O.meridionalis)、展颖野生稻(O.glumaepatula)和长雄蕊野生稻(O.longistaminata)^[8]。两个栽培稻种中,除非洲部分种植非洲栽培稻外,全世界主要种植亚洲栽培稻,东北亚、东南亚和南亚地区是亚洲栽培稻的主产区。亚洲栽培稻携带AA基因组,育种上能通过有性杂交利用的遗传资源主要是稻属AA基因组的8个种。

自1998年始,本实验室以自主培育的籼稻品种“华粳籼74 (HJX74)”为受体,以稻属AA基因组的8个种为供体构建水稻SSSL文库。在构建SSSL中,以HJX74为母本,分别与AA基因组8个种的40多个供体杂交,并利用HJX74回交4~7代。在分离世代中,每个组合选择约400个均匀分布于全基因组的多态性标记检测代换片段和遗传背景。当基因组中只检测到一个来自供体的代换片段时,让其自交纯合,最终成为只携带来自供体一个代换片段、遗传背景与HJX74一致的SSSL (图1)。

图1

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图1水稻染色体单片段代换系(SSSL)的构建

细线条表示基因组,粗线条表示来自供体的代换片段。每个SSSL携带来自供体的单一代换片段。MAS：marker-assisted selection。
Fig. 1Development of the single-segment substitution lines (SSSLs) in rice



到目前为止,本实验室已获得了除长雄蕊野生稻以外的稻属AA基因组7个种为供体的SSSL共2360份^{[9,10,11,12,13]}。整个SSSL文库包括3个子库：第1子库为亚洲栽培稻库。该子库以HJX74为受体,以不同来源、不同类型的亚洲栽培稻的28个材料为供体,共获得1610份SSSL;第2子库为非洲栽培稻库。该子库以HJX74为受体,以非洲栽培稻的5个材料为供体,共获得190份SSSL;第3子库为野生稻库。该子库以HJX74为受体,以野生稻种为供体,目前已获得以5个野生稻种的10个材料为供体的SSSL共560份(表1)。这些SSSL的代换片段平均长度约为19 cM,整个文库的代换片段总长度约为44 000 cM,大约是水稻基因组大小的29倍。由此可见,该SSSL文库包含了稻属AA基因组丰富的基因资源,实现了稻属AA基因组基因资源的大规模收集和活化,为育种上有效地利用这些基因资源奠定了基础。

Table 1
表1
表1 文库中包含的染色体单片段代换系(SSSL)的数目及其供体来源
Table 1 Numbers of the single-segment substitution lines (SSSLs) derived from different donors in the library

供体类别	供体数		SSSL数
	物种数	材料数
亚洲栽培稻	1	28	1610
非洲栽培稻	1	5	190
AA组野生稻	5	10	560
合计	7	43	2360

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3 SSSL代换片段的基因分析

与受体亲本相比,SSSL只携带一个来自供体的染色体片段,其遗传背景与受体亲本相似。因此,利用SSSL对代换片段上的基因进行分析,能排除遗传背景的干扰。生物的复杂性状由多个数量性状基因座(quantitative trait locus, QTL)控制,SSSL的代换片段通常只携带控制复杂性状的某一QTL,实现了对复杂性状的遗传剖析(genetic dissection),因此SSSL是复杂性状QTL分析的理想材料。

根据研究和利用的需要,利用已获得的SSSL对一些重要性状的基因(QTL)进行了鉴定和定位^{[14,15,16,17,18,19,20,21,22]},发掘了一些重要基因座的等位基因变异^[23,24,25],对基因与基因之间及基因与环境之间的互作进行了分析^{[26,27,28,29,30,31]},同时还对一些重要基因进行了克隆及功能分析^{[32,33,34,35]}。通过研究,获得了一些SSSL代换片段上的基因信息,为利用这些基因开展设计育种提供了依据。

例如,从已构建的SSSL文库中筛选出代换片段上携带Wx基因的SSSL,对Wx基因进行了等位基因变异的分析。利用16份来自不同供体亲本的SSSL,通过检测稻米直链淀粉含量(apparent amylose content, AAC)、颗粒结合淀粉合成酶(granule-bound starch synthase, GBSS)活性、Wx基因序列以及Wx基因RT-PCR表达量,从中鉴定出5个Wx等位基因。每个Wx等位基因控制的直链淀粉含量均具有显著差异,包括稻米中直链淀粉含量的各种类型。明确了各等位基因DNA序列的功能变异点,及其转录和翻译产物的差异(图2)^[24]。这些结果为利用Wx基因开展设计育种,培育具有不同直链淀粉含量的水稻新品系和新品种提供了设计依据及可利用的基因资源和育种材料。

图2

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图2利用染色体单片段代换系(SSSL)分析水稻Wx基因的等位基因变异

根据文献[24]修改绘制。AAC：直链淀粉含量(apparent amylose content)。
Fig. 2The allelic variation of the Wx gene detected by using of SSSLs in rice



为了更好地对SSSL代换片段上的基因进行分析,本实验室对亚洲栽培稻子库的受体和供体共29个材料进行了全基因组重测序。每个材料的测序深度约20倍,各测序材料获得了覆盖基因组90%左右的序列。同时,利用这些序列分析了亲本间SNP和InDel在全基因组的分布,为SSSL代换片段的基因型分析提供了序列数据。这样,在SSSL平台上,一方面利用SSSL进行表型分析,另一方面利用全基因组序列进行基因型分析,将表型与基因型紧密地联系在一起,构建了水稻全基因组的基因分析平台,为水稻全基因组基因的发掘、检测和利用提供了技术支持。

4 基于SSSL文库的设计育种

开展设计育种,首先是根据需要制定育种目标,然后根据育种目标设计基因型,再根据设计方案把目标基因聚合在一起,培育出符合设计要求的新品系或新品种。SSSL文库的构建和利用,为设计育种方案的实施提供了可操作的平台。利用SSSL文库中已知的基因信息,围绕设计目标制定基因组合方案,然后把代换片段上的目标基因聚合在一起,从而使设计育种的目标得以实现(图3)。

图3

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图3基于染色体单片段代换系(SSSL)文库的水稻设计育种平台

Fig. 3The platform of breeding by design based on the SSSL library in rice



本实验室在构建SSSL文库和对文库的基因进行分析的同时,也在探索利用SSSL文库开展设计育种的效果。例如,在培育SSSL的过程中,发现了1份紫色种皮的SSSL,其携带来自黑米亲本联鉴33第4染色体的一个代换片段,该片段上包含紫色种皮基因Pb。对该SSSL进行品比和生产实验表明,该 SSSL除了表现为紫色种皮性状外,其余性状与受体亲本HJX74差异不显著,产量相当。由于该“黑米”SSSL具有较高的利用价值,于2005年通过了广东省的品种审定,定名为“华小黑1号”(粤审稻2005015)。华小黑1号的审定和推广应用,表明以该SSSL文库为平台开展设计育种能培育出生产上可利用的水稻新品种。

此后,围绕更复杂的育种目标开展了进一步的设计育种。由于HJX74的稻米品质没有达到国家优质稻米标准,希望通过改良HJX74的米质,设计并培育出符合国家优质稻米标准的新品种。通过对稻米品质指标的对比分析,从SSSL文库中筛选出3个SSSL,预期将这3个SSSL携带的4个目标基因聚合在一起,可以培育出符合国家优质稻米标准的新品种。这3个SSSL中,一个携带来自Lemont第6染色体含有Wx-20G和alk基因的代换片段,另外2个分别携带来自中4188第3染色体含有gs3基因的代换片段和第8染色体含有gw8基因的代换片段。将这3个片段上的4个基因聚合在一起,育成了1个三片段聚合系。该三片段聚合系随后参加了广东省的水稻新品种区域试验。结果表明,该品种的米质达到国家优质稻米2级标准,产量与对照品种相当。该品种定名为“华标1号”,于2009年通过了广东省的品种审定(粤审稻2009033)。

在常规(纯合)水稻品种的设计育种取得成效后,本实验室把设计育种的注意力转移到杂交水稻“三系”(不育系、保持系和恢复系)的设计育种上。与常规品种相比,杂交水稻“三系”的设计育种需要解决细胞质雄性不育性(cytoplasmic male sterility, CMS)及其育性恢复的问题。首先,选择杂交水稻育种上广泛利用的不同类型的不育系,包括野败型(WA)的珍汕97A和博白A、矮败型(DA)的协青早A以及夜公型(YA)的华农A,为不育细胞质和核不育基因rf3和rf4的供体,分别与HJX74杂交,并用HJX74连续多代回交,育成了HJX74具有3种不育细胞质的同核异质不育系。HJX74不育系与HJX74-SSSL文库结合在一起,构建了基于HJX74-SSSL文库的水稻CMS不育系和保持系的设计育种平台。利用该平台对HJX74不育系进行有目的的改良,通过聚合目标基因,育成了早熟优质的不育系H131A^[36]。与此同时,利用SSSL对Rf3和Rf4的等位基因进行了分析,在这两个基因座上各鉴定出4个具有不同恢复力的等位基因^[25]。从中选择恢复力最强的Rf3-4和Rf4-4等位基因用于改良HJX74的恢复力,育成了具有强恢复力的HJX74恢复系。HJX74恢复系与HJX74-SSSL文库结合在一起,构建了基于HJX74- SSSL文库的水稻CMS恢复系的设计育种平台。利用该平台对HJX74恢复系进行有目的的改良,通过聚合目标基因,育成了优质恢复系H121R,以及优质抗稻瘟病恢复系H131R^[37]。实践证明,通过对HJX74-SSSL文库有目的的拓展,构建了基于HJX74-SSSL文库的杂交水稻“三系”的设计育种平台。利用该平台开展杂交水稻“三系”的设计育种,可以设计并培育出各种各样的“三系”新品系。

5 展望

5.1 设计育种是一个长期探索的过程

研究表明,利用SSSL文库作为设计育种平台,无论是开展常规水稻育种,还是开展杂交水稻“三系”育种都是可行的。当然,水稻育种是一项复杂的工作。大多数的水稻重要性状为复杂性状,因此要全面开展水稻的设计育种,首先需要对复杂性状进行元件设计和培育。近年来,本实验室在开展上述水稻设计育种探索的同时,也对一些复杂性状的设计和培育进行了探索,包括粒形、稻米垩白度、饭粒延伸性、柱头外露率等。不但从SSSL中鉴定和定位了这些复杂性状的QTL,还通过聚合这些QTL实现了设计目标,表明这些复杂性状是可以设计和培育的,这为复杂性状的设计育种积累了经验。

下一步本实验室还将探索通过把这些复杂元件组装来设计和生产复杂产品的过程。例如,将粒形、稻米垩白度、饭粒延伸性等复杂元件组装在一起,培育特优质的水稻新品种;将不育系与柱头外露率等复杂元件组装在一起,培育具有高柱头外露率的不育系;然后再将具有高柱头外露率的不育系与特优质性状组装在一起,培育具有高柱头外露率、特优质的不育系。水稻育种是永无止境的,水稻设计育种的探索和追求也是永无止境的。

5.2 HJX74-SSSL设计育种平台的应用前景

本实验室构建的HJX74-SSSL设计育种平台,充分收集了水稻育种可利用的基因资源,实现了基因资源的收集、发掘和利用的一体化,因此可以充分利用现有的基因资源开展设计育种。实践表明,利用HJX74-SSSL设计育种平台可以解决常规水稻育种和杂交水稻“三系”育种的各种实际问题,能够设计并培育出各种各样的水稻新元件、新品系和新品种。

HJX74-SSSL设计育种平台是一个开放的平台,不仅可以利用文库中的基因资源,还可以结合其他技术拓展有用基因的利用。例如,可以利用各种诱变技术(包括基因编辑技术)诱导基因组的基因变异,也可以利用转基因技术将外源基因引入到基因组中来,从而进一步丰富育种上可利用的基因资源。同时,还可以利用信息技术和大数据技术,提高设计育种的效率和水平,实现智能化育种。这样,HJX74- SSSL设计育种平台可以通过利用各种先进技术,进一步拓展基因利用空间,提高基因利用水平,在设计育种上发挥更大的作用。

设计育种作为一个新概念、新设想、新技术、新产品还有许多问题需要探索解决,不可能一蹴而就,必然是长期的探索过程。随着新技术的不断出现和利用,设计育种无疑具有更大的拓展空间、巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

参考文献 View Option 原文顺序
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以水稻品种华粳籼74为受体，以6个水稻品种为供体，通过高代回交和微卫星标记辅助选择相结合的方法，建立了水稻的一个单片段代换系群体。该群体由86个单片段代换系组成，其中52个在BC3F2中获得，34个在BC3F3中获得。每个单片段代换系只含有来自一个供体的一个染色体代换片段，而遗传背景与华粳籼74相同。这些单片段代换系的代换片段分布于水稻的12条染色体，代换片段的长度为1.5 ~ 56.3 cM，平均长度为23.0 cM。全部代换片段在水稻基因组上的覆盖率为57.1%。
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【目的】单片段代换系（SSSL）是通过高代回交和分子标记辅助选择构建的，只含有来自供体亲本的一个染色体片段，遗传背景与受体亲本相同的品系。本研究的目的是利用SSSL检测不同环境条件下水稻重要性状的QTL。【方法】以32个SSSL为材料，随机区组试验设计，在2～4个季节中对水稻22个重要性状的QTL进行分析。【结果】共鉴定出59个QTL，分布于第1、2、3、4、6、7、8、10和11号染色体上。其中的18个QTL能够在2次以上重复检出，稳定性较好的QTL占检出QTL的30.5%，大多数农艺性状的QTL效应较小、稳定性较差。不同的性状，QTL稳定性不同，千粒重、粒长、谷粒长宽比、抽穗天数等性状的QTL较稳定。稳定性好的QTL，不仅具有较大的加性效应，而且受环境影响较小。【结论】利用单片段代换系可以有效地对水稻重要性状的QTL进行多年多季的稳定性分析。水稻大多数重要农艺性状QTL的不稳定性，反映了水稻生长发育过程的可塑性，可能是通过栽培措施使水稻品种获得高产优质的重要遗传基础。
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