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为水稻育种提供优良基因

发布时间:2022/05/31 新闻 浏览:170

一路蜿蜒,记者驱车来到云南省元江县,在围着篱笆的国家普通野生稻元江保护区门前停了下来。在保护区的一处水塘前,记者看到了外形酷似杂草的野生稻。

野生稻未开花前长得很像杂草,结穗后才容易区分。在科研人员眼里,野生稻是难得的宝贝:深入挖掘其中的有利基因,对提高水稻产量、保障粮食安全具有重要意义。

野生稻是水稻的祖先,全球共有20余种,中国有3种,即普通野生稻、药用野生稻和疣粒野生稻。云南是全国仅有的两个同时拥有3种野生稻的省份之一。20多年来,在云南省农科院研究人员的接续努力下,云南野生稻的保护与研究成效显著。

摸清家底,科学保护野生稻

“在漫长的自然选择中,野生稻形成了极强的环境适应能力,保留了抗病、抗虫、抗旱等有利于栽培稻改良的高产基因,对水稻品种改良具有重要价值。”云南省农科院研究员戴陆园告诉记者。

随着经济社会的快速发展、气候环境变化以及农业种养方式的转变,云南野生稻原生境面临被破坏的风险。

“有些老百姓把野生稻当杂草,用除草剂直接除掉;有些地区修建机场、水库,破坏了野生稻的生存环境。”每每看到这些场景,戴陆园都很痛心。

为尽快摸清云南野生稻的家底,上世纪90年代以来,戴陆园和同事程在全等科研人员多次深入调查,了解野生稻资源的分布情况,对已发现的野生稻种资源开展原位保护、异位保护、活体保存、DNA及其基因组文库保存,建立起多层次的立体保存保护技术体系。

在野生稻保护过程中,戴陆园团队创造性地提出“植物篱笆”的保护方法。国家普通野生稻元江保护区内,叶片带刺、体型高大的剑麻随处可见,成为阻隔人畜进出野生稻保护区的自然屏障。

“剑麻、刺合欢都是分布广泛的本土植物,它们生长着坚硬的针刺,是构建保护网的天然之选。”戴陆园说,“植物篱笆”在防止人畜进入的同时,还能有效防止水土流失、保护野生稻原生境的生态,从而保持野生稻种质资源与周围环境的互作,让野生稻自然生长。

近年来,云南已先后在元江、景洪、耿马等地建立了普通野生稻、药用野生稻、疣粒野生稻种质资源原位保护示范基地,野生稻居群明显增加。

2020年11月,经农业农村部批准,依托云南省农科院的国家高原野生稻种质资源圃勐海基本圃开工建设,计划今年6月投入使用。建成后,该资源圃将具备保存5000份野生稻的能力,为保护云南野生稻种质资源提供有力保障。

精准鉴定,筛选优异种质资源

普通野生稻叶片细长,形态匍匐,对白叶枯病、稻瘟病的抗性强;药用野生稻叶片宽大,茎秆粗壮,抗虫害能力强,高产潜力大;疣粒野生稻外形像小竹子,抗旱能力强、对白叶枯病达免疫水平……研究云南野生稻21年,谈起3种野生稻的外形和特性,云南省农科院研究员程在全如数家珍。

“用好野生稻种质资源,首先要搞清楚它们相比栽培稻有哪些优良特性。”程在全说。精准鉴定野生稻种质资源的抗病性水平高低、产量潜力等特性,既要在实验室开展分子实验,也离不开大量的田间性状调查和鉴定评价试验。

以鉴定元江普通野生稻抗白叶枯病性状为例,科研人员搜集了国内外15种高致病性白叶枯病原菌,在不同的生态环境中分别对元江普通野生稻各株系进行抗病能力鉴定评价,发现所有株系对白叶枯病均呈现高抗特性。为了精准定位元江普通野生稻的抗白叶枯病基因,科研人员又回到实验室,利用前期构建的群体材料进行分子标记连锁分析、基因组测序,最终精准锁定其抗病基因。

在元江普通野生稻遗传特性研究方面,程在全团队取得了丰富的研究成果。团队系统评价了元江普通野生稻,发现其具有米质优、耐寒耐旱、抗稻瘟病、广谱高抗白叶枯病等优异性状。研究人员还发现,元江普通野生稻没有混入其他稻种的基因,是国内最原始的普通野生稻种,具有极高的研究利用价值。

“元江普通野生稻在国内现有普通野生稻分布区里海拔最高,有800多米,周围没有其他水稻,保证了遗传基因的纯粹。”程在全坦言,国内很难再找到像这样“原汁原味”的野生稻。据统计,2012年至今,程在全团队已把1100余份携带元江普通野生稻基因的高质量渗入系材料提供给20家国内科研机构,用于水稻研究和育种。

鉴定过程中,程在全团队发现,元江普通野生稻具有籼、粳分化不明显的遗传特性。“一般来说,北方以粳稻为主、南方以籼稻为主,而元江普通野生稻同时具有粳型和籼型两种基因。”程在全告诉记者,这种特性极大提高了资源利用率和育种效率。

在他的带领下,团队发明了同一个野生稻和栽培稻杂交组合同时培育籼稻、粳稻新种质和新品种的育种新技术。2018年,凭借“元江普通野生稻渗入系创制及其应用”研究成果,程在全团队获得云南省技术发明奖一等奖。

创新种质,推广抗旱新品种

5月的元江县气温逼近40摄氏度。去雄、套袋、授粉……在国家高原野生稻资源圃元江备份圃的试验田里,程在全团队中的育种能手殷富有副研究员卷着裤腿,在水田里顶着烈日开展栽培稻、野生稻的杂交、回交等实验。

“目前团队正致力于‘云资粳’系列新品种的研发,一些品系已完成室内抗病基因连锁标记辅助选择,正在开展大田抗病性和不同海拔多点适应性实验。”殷富有说。

将野生稻的优良基因转移到栽培稻上,说来容易做来难。

“野生稻与栽培稻虽然同为稻属,却是完全不同的种,属于‘跨种’杂交。”程在全告诉记者,3种野生稻里,普通野生稻与现在的栽培稻亲缘最接近,常被用来改良栽培稻。即便如此,普通野生稻与栽培稻的杂交也面临亲本间的生殖障碍,以及由此产生的“疯狂分离”难题。

所谓“疯狂分离”是指普通野生稻与栽培稻杂交后,基因难以有效结合,经历多代杂交后植株间差异明显、性状不稳定的现象。为攻克这一难题,程在全团队创新育种手段,加强对实验材料的基因测序,采用生物技术手段稳定其基因型,成功把普通野生稻的一些优良遗传特性转移到栽培稻中,有效解决了“疯狂分离”的难题。团队历时10年开发出具有耐旱、耐贫瘠、抗病特性的新品种“云资粳41号”和“云资籼42号”,平均亩产超过800公斤。

其中,“云资粳41号”的耐旱能力突出,连续多年入选云南“抗旱作物品种和技术汇编”。该品种除了在云南省内大面积种植,还推广到四川、贵州、广西等地。

随着一系列融合云南野生稻特性,具有抗白叶枯病、抗稻瘟病、适应性广、产量潜力大、米质优的水稻新品种(系)的诞生,云南野生稻资源发掘利用前景更加广阔。程在全表示,将在做好保护的基础上继续发力云南3种野生稻的研究,为守护国家粮食安全作出更多贡献。