基因组驱动的水稻分子设计育种研究进展及展望

王海鹏，蒋李何，冯玉龙，李小艳，罗 涛，李 恩，王 权，何 林，唐仕姗

（四川省内江市农业科学院，四川内江 641000）

水稻（Oryza sativa）是全球50%以上人口的主粮，中国是世界上最大的稻米生产国和消费国。稻米养活了60%以上的中国人口，占全国摄入总热量的近40%[1]。随着人口的增长，可用耕地和水肥资源日益减少，自然灾害频繁发生，生态环境的压力持续加大，粮食短缺问题将日益严重[2]。尤其是2019 年开始的新冠肺炎疫情和持续的国际冲突等不利因素叠加，可能会加剧我国粮食安全的潜在风险。同时，随着经济和社会的发展，消费者对稻米品质的要求也不断提高[3]。因此，实现产量、食味品质、绿色水稻品种的协调、高效、定向改良，是未来水稻育种的主要目标。

回顾水稻育种历程，主要实现了三次飞跃。在这个过程中，水稻育种发展历程开始于20 世纪60 年代对半矮秆基因sd1的利用，经历了杂种优势的利用，再到大量水稻功能基因利用的过程（见图1）。有研究报道，预计至2030年，粮食产量需在目前基础上再增加40%才能满足人口不断增加的粮食需求[4-5]。经过几十年的水稻育种攻关，包括遗传性、生物信息学等多学科的发展，分子设计育种已成为解决粮食安全的重要手段之一。

图1 水稻育种发展历程[6]

中国现代水稻育种起步于20 世纪20 年代，已有百年历程[7]。百年来，育种技术不断得到创新和发展，水稻新品种对增产的贡献率超过了60%，推动了中国水稻生产跃上了世界先进水平[8]。水稻育种主要有两种方式，即常规育种（又称经验育种）和分子育种。具体来看，常规育种又包括了纯系育种、杂交育种、诱变育种、细胞工程育种等，分子育种包括分子标记育种、转基因育种和分子设计育种[9]。其中分子育种正成为目前水稻育种的重要手段之一，在解决粮食产量、提高水稻品质、抗性等方面具有突出的不可替代的作用。

分子育种是实现直接选择基因而获得表型的一种高效辅助育种技术。分子育种相较于传统的经验育种，实现了表型定向、精准和高效改良，缩短了选育时间。目前，水稻功能基因组学研究取得了巨大进展，有超过3 600 个水稻基因的克隆和鉴定，以及大量影响性状的基因的定位[10-11]，大量水稻功能基因的发掘有力促进了分子育种进程。过去几十年中，分子标记育种是应用得最多也是最广泛的，而分子设计育种在最近几年正在成为主流分子育种手段，从最近30年世界或中国关于分子设计育种发文量变化也可以有力证明（见图2）。

图2 全球不同作物育种阶段论文发表数量变化趋势[12]

分子设计育种是基于遗传图谱和高分辨率的染色体基因型鉴定技术与品种改良相合的一项新技术[13]。分子设计育种概念是耦合和优化优异等位变异基因的分子模块，最大化地发挥分子模块群对复杂性状的非线性叠加效应，有效实现复杂性状的精准改良。有学者对常规育种、回交育种、分子回交育种和分子设计育种进行比较发现，分子设计育种在供体亲本上有更广的选择、目标性状可选数量性状或者多个性状组合、采用高效的分子标记等诸多优势[14]。有效开展分子设计育种的前提是基于对拟设计改良的目标性状对应的基因功能和变异的认识，基于科学分析形成预期的分子模块导入。多学科配合实现基因模块有效的合并组装，培育符合育种目标的新品种[6]。一般认为分子设计育种是弥补分子标记育种和转基因育种只能对单个、少数质量性状或者主效数量性状进行选择的缺陷，可以实现对某一个数量性状或者多个农艺性状聚合的高效育种手段。

近年来，水稻分子设计育种逐渐应用到育种实践中。研究人员解析了大米品质是由控制淀粉合成相关基因组成的，基因间对稻米品质指标效应有差异[15]。通过设立明确的育种目标，合理的设计以特青作为受体亲本，以日本晴和93-11为供体亲本，对水稻产量、稻米外观品质、ECQ 等的基因聚合，利用杂交、回交与分子标记选择等技术聚合多基因，在短时间内培育出了优质高产的水稻新品种[16]。截至目前，通过分子模块设计育种，已培育了30 多个设计型水稻新品种，其中4 个已通过国家审定。同时报道了抗稻瘟病模块Pizt、Pi35、Pb1、Pi21及香味模块Badh2耦合育成的“中科902”已经通过黑龙江省水稻品种审定；
耦合ipa1-2D和PiZ、Pi5等的分子模块，成功选育了高产、抗稻瘟病的“嘉优中科”多个杂交稻新组合，顺利通过省级水稻品种审定[17]。“嘉优中科”系列杂交水稻品种有效地解决了水稻生产中优质、高产和抗病品种较少的难题。这些成果标志着分子设计育种已经从概念变为了现实，并将很快应用到更多的水稻育种实践中。

分子生物技术的应用实现了水稻产量、品质和抗病能力的不断提高，特别是随着高效和精确的分子育种的出现[3,18]。水稻关键功能基因的克隆与育种利用，如sd1、Gn1a、IPA1、DEP1、Pid2、Pigm、Xa21、Xa23、Wx、ALK等，进一步有效保障了粮食安全。虽然，这些关键基因在水稻产量、抗病性和稻米品质提升上取得较大的突破，但实际生产中也存在抗性减弱、稻米品质改良不够彻底等问题。为了精准解决水稻实际生产问题，需要进一步挖掘相关功能基因和建立全基因组分子设计，这可能是目前最有希望解决问题的方法之一。同时，亚洲水稻是第一个有高精度的完整基因组测序的单子叶植物，因此其作为单子叶植物功能基因组研究的模式物种[19-20]。目前，水稻获得大量的高质量基因组数据，开展了泛基因组的研究工作，这些工作对更好地理解重要农艺性状的遗传效应至关重要，这将加快水稻分子设计育种的可靠性和效率。

3.1 水稻基因组

到目前为止，已经有多个水稻品种完成了高质量的基因组组装[21]。2014 年研究人员获得了一个高质量的非洲稻基因组组装和注释的基因序列，最后通过分析获得了非洲稻详细的驯化历史和选择特性[22]。2016年，组装了237 个contigs（ZS97）和181 个contigs（MH63）基因组序列，准确率＞99.99%，分别占估计基因组大小的90.6%和93.2%[23]。2017 年，通过整合单分子测序和定位数据、遗传图谱和fosmid序列标签，整合了籼稻基因组R498 的从头组装，获得390.3 Mb覆盖了R498基因组的99%以上[24]。2018年，对9个新的水稻种进行基因组组装和分析，与早前报道的4 个基因组进行了比较进化基因组学分析[25]。2021 年，“天优华占”的两个亲本“天丰”和“华占”分别利用PacBio 和Nanopore 测序并辅助Hi-C 分别组装，构建的重组自交系群体进行了遗传图谱验证，最终获得399.09 Mb 和395.89 Mb的高质量基因组[26]。2021 年，利用第三代测序技术构建了31 个高质量的水稻基因组，结合前期另外两个基因组，进行基因组比较分析，鉴定到大量尚未发现的SVs 和gCNVs[27]。目前报道的基因组序列存在碎片化或不完整的序列，存在大量的Gaps，这些均会在一定程度上影响基因组的研究。R498 基因组序列仅包含5 个gaps（在5 条染色体的着丝粒周围区域），contigs N50为25.58 Mb，证明了利用SMRT 测序组装能够实现接近完整的植物基因组[24]。水稻高质量基因组的获得，对分子设计育种高质量发展起到了决定性的作用。

3.2 水稻泛基因组

关键功能基因对于水稻分子设计育种具有重要意义，但是研究发现个别基因在水稻群体中存在丢失的现象，所以挖掘这部分基因对于分子育种同样具有重要意义。研究表明单个或几个参考基因组并不足以覆盖一个群体中广泛的遗传多样性[28]。整合多个水稻基因组序列，构建一个代表群体而不是特定个体的完整遗传信息的泛基因组，将为开发水稻改良的遗传资源提供新的基础[29]。泛基因组已被用于深入分析种群中大量的遗传变异，提供有关种群结构、物种起源和驯化、功能基因和育种的信息[30]。

泛基因组分析已经确定了许多在参考基因组中不存在的序列和基因及全部基因组中可有可无的基因。利用泛基因组分析揭示了栽培稻和野生稻中基因组的变异，发现了10 872 个至少部分缺失的新基因和16 208个可有可缺的基因[29]；
利用1 483份材料的低覆盖率短读测序数据中发现了8 000多个在Nip中缺失的编码基因[31]。3 000份亚洲栽培稻基因组研究，发现了268 Mb 的新序列、12 465 个全长新基因和19 721 个可有可缺的基因[32]。泛基因组分析有助于全基因组关联分析（GWAS）等技术对水稻相关性状进行基因定位，并为水稻的进化和驯化提供了新的思路。为了实现对结构变异和基因簇等复杂基因区域的全面覆盖，有必要使用高质量的基因组组装来构建水稻泛基因组。为了构建完整的水稻基因组，需要从该物种的种群基因组研究，选择更多的基因组进行分析。随着水稻泛基因组报道，对于未来开展以关键基因为核心的分子设计育种提供更多的基因资源。

近20 年以来，水稻产量进入一个相对缓慢增长的时间段。目前对水稻品种的要求不单在产量上，而是对稻米品质、抗性、生育期等提出了具体要求，这就涉及了产量与这些性状之间相互协调的问题。尤其在目前的高产栽培条件下，个体与群体的矛盾及产量与生育期的矛盾就更加突出[33]。众所周知，常规育种方法的育种效率较低，存在很大的盲目性和不可预测性，很大程度上依赖于育种经验和机遇[34]。提高和利用植物本身的遗传潜力是未来作物遗传改良的首要措施[35]。品种分子设计是突破传统育种瓶颈的唯一有效途径。

近年来，水稻基因组学的发展突飞猛进，但如何将这些研究成果(丰富的基因组变异及功能基因克隆等)有效应用到复杂农艺性状的精准改良仍是设计育种面临的重大挑战和科学难题[36]。水稻基因组遗传多样性对设计育种的巨大潜在价值，可以实现精准遗传变异信息下的复杂性状高效改良。未来分子设计育种在水稻育种中必将扮演着不可替代的作用，主要从以下几个方面加强研究，比如生物信息学与功能基因组学的整合、水稻转基因体系及分子标记辅助选择技术的成熟、全基因组背景选择应用等。

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