鄧 釗 江 南 符辰建 嚴(yán)天澤 符星學(xué) 胡小淳 秦 鵬,2 劉珊珊 王 凱,3,* 楊遠(yuǎn)柱,2,3,*

隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻的稻瘟病抗性基因分析

鄧 釗1,2,**江 南1,2,**符辰建1嚴(yán)天澤1符星學(xué)1胡小淳1秦 鵬1,2劉珊珊1王 凱1,3,*楊遠(yuǎn)柱1,2,3,*

1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方水稻品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 抗病蟲(chóng)水稻育種湖南省工程實(shí)驗(yàn)室/ 袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司, 湖南長(zhǎng)沙 410128;2湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 湖南長(zhǎng)沙 410128;3湖南雜交水稻研究中心 / 雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南長(zhǎng)沙 410125

隆科638S與晶4155S是袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司于2014年培育出的抗病優(yōu)質(zhì)高配合力中秈型兩用核不育系。本研究對(duì)2015—2019年通過(guò)國(guó)家審定的隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種區(qū)試稻瘟病抗性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 并利用基于KASP技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對(duì)16個(gè)稻瘟病抗性基因的標(biāo)記組合, 對(duì)隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種進(jìn)行基因型檢測(cè), 以期為隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種的布局和進(jìn)一步改良提供理論依據(jù)。結(jié)果表明, 隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種, 中抗至高抗稻瘟病的比例達(dá)43.92%, 綜合抗性指數(shù)和穗瘟最高損失率均值分別為3.3和4.7; 品種攜帶3～7個(gè)抗性基因, 平均攜帶5.1個(gè)抗性基因;和基因在品種中的檢出頻率較高, 達(dá)到50%以上, 其中的檢出頻率達(dá)到100%, 而、、和基因未被檢出; 隨著抗性基因數(shù)量的增加, 品種的綜合抗性指數(shù)與穗瘟最高損失率均值都呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。據(jù)此提出, 將基因?qū)胫谅】?38S與晶4155S中, 可進(jìn)一步提升其組合的稻瘟病抗性。

稻瘟病; 抗性基因; KASP; 雜交稻; 育種

由子囊真菌()引起的稻瘟病是極具毀滅性的水稻病害之一, 俗稱“水稻癌癥”, 是影響水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的主要限制性因素。稻瘟病在全球85個(gè)水稻種植國(guó)家和地區(qū)發(fā)生, 對(duì)全球糧食安全造成嚴(yán)重威脅[1-2]。長(zhǎng)期實(shí)踐證明, 培育和推廣抗稻瘟病品種是防治稻瘟病最經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和有效的措施[3]。在20世紀(jì)60年代, 世界各國(guó)科學(xué)家開(kāi)始廣泛開(kāi)展水稻稻瘟病抗性遺傳、基因發(fā)掘和利用研究, 迄今為止, 報(bào)道的主效稻瘟病抗性基因已超過(guò)100個(gè), 其中有35個(gè)抗性基因被克隆[4]。隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展和高通量基因分型技術(shù)的進(jìn)步, 極大地促進(jìn)了抗性基因在水稻抗稻瘟病育種中的應(yīng)用。

雜交水稻是我國(guó)具有原創(chuàng)性的重大科技創(chuàng)新成果, 為保障全球的糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)[5]。目前, 已大規(guī)模商業(yè)化的雜交水稻主要包括三系法和兩系法[6-7]。與三系法相比, 兩系法雜交水稻簡(jiǎn)化了生產(chǎn)程序, 雜種優(yōu)勢(shì)利用不受恢保關(guān)系的限制, 配組自由, 可克服細(xì)胞質(zhì)負(fù)效應(yīng), 有利于選配強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合[8]。截至2018年, 有超過(guò)1300個(gè)兩系雜交稻品種通過(guò)省級(jí)以上審定, 年推廣面積約550萬(wàn)公頃[7,9]。隆科638S和晶4155S是袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“隆平高科”)利用矮稈抗倒優(yōu)質(zhì)軟米早秈不育系核心種質(zhì)(湘陵628S)改良骨干中秈兩用不育系(C815S和Y58S)[10-12], 采用“自然環(huán)境和人工環(huán)境雙重壓力選擇法”對(duì)后代篩選, 經(jīng)湖南長(zhǎng)沙、海南陵水兩地穿梭種植, 利用自主開(kāi)發(fā)的基于擴(kuò)增阻滯突變系統(tǒng)PCR (Amplification Refractory Mutation System PCR, ARMS-PCR)技術(shù)的分子標(biāo)記, 對(duì)稻瘟病抗性基因和稻米品質(zhì)關(guān)鍵基因進(jìn)行逐代檢測(cè)和選擇, 最終培育出的早秈遺傳背景為主的抗病優(yōu)質(zhì)高配合力中秈兩用核不育系[13-14]。隆科638S和晶4155S因分別聚合有抗稻瘟病基因+與+, 表現(xiàn)出一定的稻瘟病抗性。為提高測(cè)交篩選效率, 我們對(duì)包括隆科638S和晶4155S在內(nèi)的當(dāng)前骨干兩系不育系、恢復(fù)系和常規(guī)稻品種, 進(jìn)行了基于全基因組簡(jiǎn)化重測(cè)序數(shù)據(jù)的雜種優(yōu)勢(shì)群劃分, 通過(guò)雜交水稻雙親“強(qiáng)優(yōu)勢(shì)種群間配組、抗性基因互補(bǔ)、品質(zhì)基因一致”的分子設(shè)計(jì)配組技術(shù)體系的研創(chuàng)與應(yīng)用, 再經(jīng)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試, 選育出一批抗病優(yōu)質(zhì)廣適高產(chǎn)的隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻新品種, 通過(guò)審定并迅速成為我國(guó)南方稻區(qū)雜交水稻主栽品種。

KASP (Kompetitive Allele-Specific PCR)技術(shù), 即競(jìng)爭(zhēng)性等位基因特異性PCR, 是一種基于SNP的新型基因分型技術(shù)。KASP技術(shù)具有高轉(zhuǎn)化率、高準(zhǔn)確性、低成本、簡(jiǎn)單快捷以及靈活等特點(diǎn)[15], 已被廣泛用于作物質(zhì)量控制分析、基因和QTL的遺傳定位、大規(guī)模等位基因型篩選以及分子標(biāo)記輔助育種[16-21]。在水稻中, 品質(zhì)、抗性、育性等性狀相關(guān)基因的功能SNP和InDel被轉(zhuǎn)化成KASP分子標(biāo)記[22-24], 為育種提供了高效的選擇工具。本研究基于KASP技術(shù), 開(kāi)發(fā)了針對(duì)16個(gè)已知稻瘟病抗性基因的特異分子標(biāo)記組合, 并利用這組KASP標(biāo)記對(duì)隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種攜帶的稻瘟病抗性基因進(jìn)行檢測(cè), 結(jié)合區(qū)試稻瘟病抗性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù), 分析抗性基因分布、基因數(shù)量與抗性的關(guān)系, 以期為隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種的合理布局和進(jìn)一步改良奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

通過(guò)國(guó)家審定的隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種93個(gè)(148次) (附表1)。其中, 用于稻瘟病抗性基因分析的73個(gè)國(guó)審品種及其60個(gè)親本, 共計(jì)133份(附表1), 用于稻瘟病抗性基因KASP標(biāo)記驗(yàn)證的水稻材料30份(附表3), 所有材料種子均由隆平高科提供。

1.2 稻瘟病抗性評(píng)價(jià)

隆兩優(yōu)和與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種稻瘟病抗性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù), 均來(lái)源于國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心(http://www.ricedata.cn/variety/index.htm, 附表1)。其中, 稻瘟病綜合抗性指數(shù)為2年數(shù)據(jù)均值。

1.3 稻瘟病抗性基因KASP標(biāo)記

在水稻基因組上存在諸多變異, 其中有影響基因功能的變異位點(diǎn), 有基因特異性或稀有的變異位點(diǎn), 通過(guò)對(duì)這些位點(diǎn)的不同等位變異設(shè)計(jì)標(biāo)記可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)基因的特定等位基因型進(jìn)行檢測(cè)。在本研究中針對(duì)等16個(gè)稻瘟病抗性基因, 通過(guò)文獻(xiàn)信息挖掘, 獲取稻瘟病抗性基因功能變異位點(diǎn)或共分離標(biāo)記位點(diǎn)[25-26], 或利用NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取水稻抗性基因位點(diǎn)序列, 并進(jìn)行blast分析, 獲取基因特異性SNP或InDel變異位點(diǎn), 同時(shí)利用水稻變異數(shù)據(jù)庫(kù)RiceVarMap v2.0 (http://ricevarmap.ncpgr.cn/)[27]分析變異位點(diǎn)不同等位型分布頻率以及進(jìn)行共分離位點(diǎn)挖掘, 選取目標(biāo)基因特有或稀有的變異位點(diǎn)作為候選標(biāo)記位點(diǎn), 最終每個(gè)基因獲得2～3個(gè)候選變異位點(diǎn)進(jìn)行KASP標(biāo)記開(kāi)發(fā)。針對(duì)已搜集標(biāo)記位點(diǎn), 利用Python軟件包primer3-py進(jìn)行KASP引物設(shè)計(jì), 經(jīng)篩選驗(yàn)證獲得優(yōu)選KASP標(biāo)記(表1)。

1.4 DNA提取與抗性基因分型

取水稻幼苗期葉片, TPS法提取基因組DNA。以FLU-ARMS 2×PCR Mix (廣州固德生物技術(shù)有限公司)為KASP擴(kuò)增試劑, 利用Gene Matrix高通量基因分型系統(tǒng)(成都瀚辰光翼科技有限責(zé)任公司)進(jìn)行基因型檢測(cè): 以Matrix Arrayer反應(yīng)板制備儀自動(dòng)化構(gòu)建PCR體系, 利用Matrix Cycler高通量水浴熱循環(huán)儀進(jìn)行PCR擴(kuò)增, PCR擴(kuò)增采用Touchdown反應(yīng)條件: 95℃預(yù)變性15 min; 95℃變性10 s, 65～57℃退火并延伸60 s, 進(jìn)行10個(gè)循環(huán)反應(yīng), 每個(gè)退火與延伸反應(yīng)溫度降低0.8℃; 95℃變性10 s、57℃退火并延伸60 s, 進(jìn)行26個(gè)循環(huán)反應(yīng)。完成PCR擴(kuò)增后在Matrix Scanner高速熒光掃描儀上進(jìn)行熒光檢測(cè), 最后利用Matrix Master軟件進(jìn)行基因分型。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2019對(duì)研究中獲得各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖。使用Python軟件中statsmodels包進(jìn)行線性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種稻瘟病抗性

截至2019年, 共有隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻新品種107個(gè)(205次)通過(guò)省級(jí)以上審定。其中, 93個(gè)(148次)品種通過(guò)國(guó)家審定(附表1)。由于各省稻瘟病抗性鑒定和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致, 因此本研究?jī)H針對(duì)國(guó)家審定品種的稻瘟病抗性進(jìn)行分析。這些品種中抗以上(穗瘟損失率最高級(jí)≤3級(jí))的品種比例達(dá)到43.92%, 其中隆兩優(yōu)系列為38.20%, 晶兩優(yōu)系列為52.54%, 而同期國(guó)家審定的其他兩系雜交水稻中抗以上品種的比例僅為12.35% (圖1-A)。從不同生態(tài)區(qū)域看, 武陵山區(qū)審定的7個(gè)品種均達(dá)到中抗及以上水平(圖1-B), 綜合抗性指數(shù)均值為1.8, 穗瘟損失率最高級(jí)均值為1.3; 華南稻區(qū)審定的32個(gè)品種, 中抗及以上比例為65.63%, 綜合抗性指數(shù)均值為3.5, 穗瘟損失率最高級(jí)均值為4.2; 長(zhǎng)流中下游稻區(qū)審定的品種數(shù)量最多, 達(dá)到78個(gè), 中抗及以上比例為38.46%, 綜合抗性指數(shù)均值為3.3, 穗瘟損失率最高級(jí)均值為5.1; 長(zhǎng)江上游稻區(qū)審定了31個(gè)品種, 中抗及以上比例為22.58%, 為4個(gè)生態(tài)區(qū)域中最低, 并且沒(méi)有表現(xiàn)為抗的品種, 綜合抗性指數(shù)均值為3.4, 穗瘟最高損失率均值為5.0。

2.2 稻瘟病抗性基因KASP分子標(biāo)記設(shè)計(jì)與分型效果驗(yàn)證

基于KASP技術(shù), 針對(duì)16個(gè)稻瘟病抗性基因設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一組KASP標(biāo)記。為驗(yàn)證KASP標(biāo)記的有效性, 選取30份水稻材料(包括部分已知抗性基因的供體)進(jìn)行基因型分型檢測(cè)和全基因組重測(cè)序, 以驗(yàn)證KASP標(biāo)記的實(shí)用性。結(jié)果顯示, 稻瘟病抗性基因KASP標(biāo)記組合可有效區(qū)分不同材料攜帶稻瘟病抗性基因的基因型, 與重測(cè)序結(jié)果完全一致(附表3)。以和基因?yàn)槔? Pi2-KASP和Pi9-KASP標(biāo)記能將攜帶基因的3份材料華占、矮華絲苗、南秀軟占以及攜帶基因的材料75-1-127與不攜帶2個(gè)抗性基因的材料進(jìn)行區(qū)分(圖2)。

2.3 隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種中稻瘟病抗性基因類型、數(shù)量與分布

利用稻瘟病抗性基因分型KASP標(biāo)記組合, 對(duì)73個(gè)隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種及其親本進(jìn)行了檢測(cè)(附表1)。隆科638S和晶4155S分別攜帶有+與+抗性等位型, 與選育過(guò)程中的分子標(biāo)記輔助選擇聚合結(jié)果相一致。因不育系均含有, 因此在73個(gè)雜交稻品種中的檢出頻率為100% (圖3-A)。和在父本中的檢出頻率也較高, 分別達(dá)71.2%和70.0%。、、和抗性等位型在父母本與雜交稻品種中均未檢出。與在雜交稻品種中的檢出頻率也較低, 僅為9.6%。

圖1 隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種稻瘟病抗性分析

Fig.1 Blast resistance of Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties

A: 隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種與同期審定的其他兩系雜交稻品種抗性比例。B: 隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交品種在不同生態(tài)區(qū)域抗性水平分布頻率。

A: percentage of resistant Longliangyou, Jingliangyou and other two-line system hybrid rice varieties.B: distribution frequency of resistant levels of Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties in different ecological regions.

圖2 Pi2-KASP (A)與Pi9-KASP (B)分子標(biāo)記的驗(yàn)證

(圖3)

A: 抗性基因在隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種中的分布。B: 隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種中抗性基因的數(shù)量。C: 在不同生態(tài)區(qū)域?qū)彾ǖ穆蓛?yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻品種中抗性基因的數(shù)量。

A: distribution of resistance genes in Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties.B: number of resistance genes in Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties.C: number of resistance genes in Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties certified in different ecological regions.

隆科638S和晶4155S各攜帶2個(gè)稻瘟病抗性基因, 父本攜帶2～6個(gè)抗性基因。雜交稻組合攜帶3～7個(gè)抗性基因(圖3-B), 其中攜帶5個(gè)基因的品種最多, 有32個(gè)(占比43.8%); 攜帶3個(gè)基因的品種最少, 僅4個(gè); 有6個(gè)品種攜帶有7個(gè)基因, 分別為晶兩優(yōu)1212、隆兩優(yōu)1377、隆兩優(yōu)1308、隆兩優(yōu)7810、隆兩優(yōu)1111和隆兩優(yōu)1212。從生態(tài)區(qū)域分析, 武陵山區(qū)與長(zhǎng)江上游稻區(qū)審定的品種攜帶抗性基因數(shù)量相對(duì)較多, 平均為5.57個(gè)和5.48個(gè)(圖3-C); 華南與長(zhǎng)江中下游稻區(qū)審定的品種攜帶基因數(shù)量相對(duì)較少,平均為5.31個(gè)和5.13個(gè)。

2.4 抗性基因數(shù)量與稻瘟病抗性關(guān)系

隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻隨著聚合抗性基因數(shù)量的增加, 綜合抗性指數(shù)與穗瘟最高損失率平均值都呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)(圖4), 攜帶3個(gè)基因的品種綜合抗性指數(shù)和穗瘟最高損失率均值分別為3.7和5.5, 而攜帶7個(gè)基因的品種則降低至2.8和3.6。對(duì)隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)系列雜交稻攜帶的抗病基因數(shù)與綜合抗性指數(shù)平均值、穗瘟最高損失率平均值分別進(jìn)行回歸分析, 發(fā)現(xiàn)攜帶的的抗病基因數(shù)多少與綜合抗性指數(shù)平均值、穗瘟最高損失率平均值的決定系數(shù)2分別為0.7735和0.7846, 且均達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著水平(值分別為0.050和0.045) (圖4), 表明綜合抗性指數(shù)平均值、穗瘟最高損失率平均值與攜帶的抗病基因數(shù)均極顯著相關(guān)。同時(shí)另外值得注意的是, 攜帶5個(gè)基因的品種綜合抗性指數(shù)和穗瘟最高損失率平均值均低于6個(gè)基因的品種, 這可能與某些廣譜抗性基因在品種中是否分布有關(guān), 作為在育種實(shí)踐中應(yīng)用較為廣泛的廣譜抗性基因, 在攜帶5個(gè)基因的品種中的分布頻率較高, 達(dá)到82.5%, 而6個(gè)基因的品種中的分布頻率為66.7%。

3 討論

3.1 隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種稻瘟病抗性水平總體較強(qiáng)

隆科638S和晶4155S在培育過(guò)程中, 有目的性地進(jìn)行稻瘟病抗性基因MAS聚合和稻瘟病病圃的表型脅迫篩選, 旨在提升不育系的稻瘟病抗性。隆科638S和晶4155S分別聚合有+與+基因, 選育的雜交稻品種抗性水平較強(qiáng), 通過(guò)國(guó)家審定的隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種中抗及以上品種的比例達(dá)到38.20%和52.54%, 顯著高于同期國(guó)家審定的其他兩系雜交稻品種(中抗稻瘟病品種比例僅12.35%)。分子標(biāo)記檢測(cè)、嚴(yán)格的表型篩選和精準(zhǔn)測(cè)配, 可大大提升測(cè)配效率和選育強(qiáng)優(yōu)勢(shì)抗性品種的幾率。

3.2 聚合雙親多個(gè)抗性基因是提高雜交稻品種抗性的有效途徑

由于稻瘟菌生理小種的多樣性且快速和頻繁變異, 單基因的品種抗性容易喪失, 利用雜交稻雙親配組的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì), 合理聚合抗性基因是培育持久廣譜抗性雜交稻的有效途徑[28-29]。雜交稻雙親攜帶不同抗性基因, 可實(shí)現(xiàn)雜交組合聚合更多基因的目的。在本研究中, 我們基于“雙親抗性基因互補(bǔ)”配組原則, 即選擇至少攜帶或或等主效抗病基因的父本, 與攜帶、的隆科638S和攜帶、的晶4155S進(jìn)行配組, 使培育的隆兩優(yōu)、晶兩優(yōu)品種至少聚合3個(gè)及以上抗稻瘟病基因[(母本:+/+) + (父本://+n)], 其中有6個(gè)品種聚合7個(gè)抗性基因。我們的研究發(fā)現(xiàn)隨著抗性基因數(shù)量的增加, 稻瘟病抗性呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)。此外, 攜帶不同抗譜的抗性基因, 是拓寬水稻抗譜的有效手段之一, 可在一定程度上提高雜交水稻品種的適應(yīng)性[30]。晶兩優(yōu)534等7個(gè)隆兩優(yōu)和晶兩優(yōu)雜交稻品種通過(guò)4個(gè)生態(tài)區(qū)域的國(guó)家審定, 它們攜帶了5～7個(gè)抗性基因, 平均為5.4個(gè), 綜合抗性指數(shù)均值為2.8, 穗瘟損失率最高級(jí)均值為3.2。然而, 導(dǎo)入過(guò)多抗性基因, 會(huì)帶來(lái)育種時(shí)間、成本和技術(shù)難度的增加。因此, 在親本選育過(guò)程中, 增加對(duì)抗譜較廣抗性基因的使用, 減少或放棄對(duì)抗譜較窄的抗性基因, 父母本導(dǎo)入不同抗性基因, 可提升多基因聚合的效率和效果。然而, 攜帶基因數(shù)量不是影響抗性的唯一因素, 遺傳背景、基因組合類型以及基因之間的互作均會(huì)影響最終的抗性[31-36]。如Xiao等[33- 34]發(fā)現(xiàn)聚合與基因的株系抗性水平低于僅攜帶單個(gè)基因的株系, 而聚合與基因株系抗性頻率低于僅攜帶基因的株系。因此, 我們?cè)诳剐曰蚓酆嫌N時(shí), 需要加強(qiáng)對(duì)育種材料的抗性評(píng)估, 以便選出最優(yōu)的基因組合。另一方面, 抗性基因之間分子互作機(jī)制有待進(jìn)一步解析, 以便為指導(dǎo)抗性育種提供理論依據(jù)。

圖4 抗性基因數(shù)量與稻瘟病抗性間的關(guān)系

3.3 進(jìn)一步提升隆科638S與晶4155S稻瘟病抗性

雖然隆科638S與晶4155S均攜帶了2個(gè)抗性基因, 但是、和的抗譜相對(duì)較窄, 抗性水平相對(duì)較低, 有進(jìn)一步提升空間。Xing等[37]研究發(fā)現(xiàn)、和對(duì)182個(gè)湖南省稻瘟菌生理小種的抗性頻率分別為12.6%、39.6%和61.5%, 而的抗性頻率在24個(gè)抗性基因中最高, 達(dá)到91.6%。Yang等[38]研究發(fā)現(xiàn)、和對(duì)163個(gè)廣東省稻瘟菌生理小種的抗性頻率僅為0.6%、12.3%和23.3%。未來(lái)可考慮通過(guò)增加抗性基因數(shù)量, 尤其是引入廣譜抗性基因, 來(lái)進(jìn)一步提升雜交稻品種的稻瘟病抗性以及應(yīng)對(duì)稻瘟菌生理小種變異帶來(lái)的抗性喪失的風(fēng)險(xiǎn)。例如,基因在本研究的供試雜交稻品種的親本中未被檢測(cè)到, 而在Xiao等[30]研究中發(fā)現(xiàn), 在我國(guó)54個(gè)優(yōu)異雜交稻品種中,基因也未被檢出, 該基因具有潛在應(yīng)用價(jià)值。因此, 可考慮將基因?qū)胫谅】?38S與晶4155S中, 進(jìn)一步提升其組合的稻瘟病抗性。

4 結(jié)論

隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種稻瘟病抗性來(lái)源于多個(gè)主效基因聚合效應(yīng), 多基因聚合可以有效增強(qiáng)品種抗稻瘟病能力。本研究結(jié)果為隆兩優(yōu)與晶兩優(yōu)系列雜交稻品種后續(xù)布局以及進(jìn)一步改良提供了理論依據(jù)。

附表 請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版: 1) 本刊網(wǎng)站http://zwxb. chinacrops.org/; 2) 中國(guó)知網(wǎng)http://www.cnki.net/; 3)萬(wàn)方數(shù)據(jù)http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical- zuowxb.aspx。

[1] Ou S H.Rice Disease, 2nd edn.Kew, Eng.: Commonwealth Mycological Institute, 1985.pp 109–201.

[2] Kato H.Rice blast disease., 2001, 12: 23–25.

[3] Miah G, Rafii M Y, Ismail M R, Puteh A B, Rahim H A, Asfaliza R, Latif M.Blast resistance in rice: a review of conventional breeding to molecular approaches., 2013, 40: 2369–2388.

[4] Meng X, Xiao G, Telebanco-Yanoria M J, Siazon P M, Padilla J, Opulencia R, Bigirimana J, Habarugira G, Wu J, Li M, Wang B, Lu G D, Zhou B.The broad-spectrum rice blast resistance () geneencodes a novelprotein unique from., 2020, 13: 1–15.

[5] 胡培松.雜交水稻產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2010, 12(2): 17–23.

Hu P S.Development and technological innovation of hybrid rice industry., 2010, 12(2): 17–23 (in Chinese with English abstract).

[6] 武小金, 張克明.雜交水稻發(fā)展的現(xiàn)狀與前景.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 1996, 17(4): 234–236.

Wu X J, Zhang K M.Current status and prospects of hybrid rice development., 1996, 17(4): 234–236 (in Chinese with English abstract).

[7] 牟同敏.中國(guó)兩系法雜交水稻研究進(jìn)展和展望.科學(xué)通報(bào), 2016, 35: 3761–3769.

Mou T M.The research progress and prospects of two-line hybrid rice in China., 2016, 35: 3761–3769 (in Chinese with English abstract).

[8] 龍彭年.中國(guó)兩系法雜交水稻研發(fā)成就和發(fā)展策略.世界農(nóng)業(yè), 2002, (8): 36–38.

Long P N.The research achievements and development strategies of two-line hybrid rice in China., 2002, (8): 36–38 (in Chinese with English abstract).

[9] 鄂志國(guó), 程本義, 孫紅偉, 汪玉軍, 朱練峰, 林海, 王磊, 童漢華, 陳紅旗.近40年我國(guó)水稻育成品種分析.中國(guó)水稻科學(xué), 2019, 33: 523–531.

E Z G, Cheng B Y, Sun H W, Wang Y J, Zhu L F, Lin H, Wang L, Tong H N, Chen H Q.Analysis on Chinese improved rice varieties in recent four decades., 2019, 33: 523–531 (in Chinese with English abstract).

[10] 符辰建, 秦鵬, 胡小淳, 宋永幫, 孫振彪, 楊遠(yuǎn)柱.水稻溫敏核不育系湘陵628S的選育.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào), 2010, 12(6): 90–97.

Fu C J, Qin P, Hu X C, Song Y B, Sun Z B, Yang Y Z.Breeding of thermo-sensitive genic male sterile line Xiangling 628S., 2010, 12(6): 90–97 (in Chinese with English abstract).

[11] 唐文邦, 陳立云, 肖應(yīng)輝, 劉國(guó)華, 鄧化冰.水稻兩用核不育系C815S的選育與利用.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 22(2): 49–53.

Tang W B, Chen L Y, Xiao Y H, Liu G H, Deng H B.Breeding and utilization of dual-purpose genic male sterile rice C815S.(Nat Sci Edn), 2007, 22(2): 49–53 (in Chinese with English abstract).

[12] 鄧啟云.廣適性水稻光溫敏不育系Y58S的選育.雜交水稻, 2005, 20(2): 15–18.

Deng Q Y.Breeding of widely adaptable photo-thermo-sensitive sterile line Y58S., 2005, 20(2): 15–18 (in Chinese).

[13] 符辰建, 胡小淳, 符星學(xué), 秦鵬, 王凱, 黎琛子, 吳挺飛, 劉珊珊, 楊遠(yuǎn)柱.優(yōu)質(zhì)抗病高配合力中秈兩用核不育系隆科638S的選育及應(yīng)用.中國(guó)稻米, 2021, 27(3): 61–66.

Fu C J, Hu X C, Fu X X, Qin P, Wang K, Li C Z, Wu T F, Liu S S, Yang Y Z.Breeding and application of mid-season thermo- sensitive sterile line Longke 638S with good grain quality, blast resistance and high combining ability., 2021, 27(3): 61–66 (in Chinese with English abstract).

[14] 符辰建, 胡小淳, 秦鵬, 符星學(xué), 孫振彪, 楊廣, 王凱, 楊遠(yuǎn)柱.抗病優(yōu)質(zhì)高配合力中秈型兩用核不育系隆科晶4155S的選育及應(yīng)用.雜交水稻, 2021, 36(4): 18–24.

Fu C J, Hu X C, Qin P, Fu X X, Sun Z B, Yang G, Wang K, Yang Y Z.Breeding and application of mid-season thermo-sensitive sterile line Jing 4155S with blast resistance, good grain quality and high combining ability., 2021, 36(4): 18–24 (in Chinese with English abstract).

[15] Semagn K, Babu R, Hearne S, Olsen M.Single nucleotide polymorphism genotyping using Kompetitive Allele Specific PCR (KASP): overview of the technology and its application in crop improvement., 2014, 33: 1–14.

[16] Ertiro B T, Ogugo V, Worku M, Das B, Olsen M, Labuschagne M, Semagn K.Comparison of Kompetitive Allele Specific PCR (KASP) and genotyping by sequencing (GBS) for quality control analysis in maize., 2015, 16: 908.

[17] Pham A T, Harris D K, Buck J, Hoskins A, Serrano J, Abdel-Haleem H, Cregan P, Song Q, Roger Boerma H, Li Z.Fine mapping and characterization of candidate genes that control resistance toK.Hara in two soybean germplasm accessions., 2015, 10: e0126753.

[18] Mackay I J, Bansept-Basler P, Barber T, Bentley A R, Cockram J, Gosman N, Greenland AJ, Horsnell R, Howells R, O’Sullivan D M, Rose GA.An eight-parent multiparent advanced generation inter-cross population for winter-sown wheat: creation, properties, and validation., 2014, 4: 1603–1610.

[19] Leal-Bertioli S C M, Cavalcante U, Gouvea E G, Ballén-Taborda C, Shirasawa K, Guimar?es P M, Jackson S A, Moretzsohn M C.Identification of QTLs for rust resistance in the peanut wild speciesand the development of KASP markers for marker-assisted selection.:, 2015, 5: 1403–1413.

[20] Steele K A, Quinton-Tulloch M J, Amgai R B, Dhakal R, Khatiwada S, Vyas D, Heine M, Witcombe J R.Accelerating public sector rice breeding with high-density KASP markers derived from whole genome sequencing ofrice., 2018, 38: 38.

[21] Yang G, Chen S, Chen L, Sun K, Huang C, Zhou D, Huang Y, Wang J, Liu Y, Wang H, Chen Z, Guo T.Development of a core SNP arrays based on the KASP method for molecular breeding of rice., 2019, 12: 1–18.

[22] Yang G, Chen S, Chen L, Gao W, Huang Y, Huang Y, Huang C, Zhou D, Wang J, Liu Y, Huang M, Xiao W, Wang H, Guo T, Chen Z.Development and utilization of functional KASP markers to improve rice eating and cooking quality through MAS breeding., 2019, 215: 66.

[23] Qi Y, Wang L, Song J, Ma G, Wang J.Development and utilization of the functional co-dominant KASP marker for thermo- sensitive genic male sterility in rice., 2021, https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-260801/v1.

[24] Sang S, Wang J, Zhou J, Cao M, Wang Y, Zhang J, Ji S, Zhang W.Development and application ofPi-kco-dominant marker for rice blast resistance gene., 2021, 12: 1–9.

[25] Kitazawa N, Shomura A, Mizubayashi T, Ando T, Nagata K, Hayashi N, Takahashi A, Yamanouchi U, Fukuoka S.Rapid DNA-genotyping system targeting ten loci for resistance to blast disease in rice., 2019, 69: 68–83.

[26] Ashkani S, Rafii M Y, Shabanimofrad M,Ghasemzadeh A, Ravanfar S A, Latif M A.Molecular progress on the mapping and cloning of functional genes for blast disease in rice (L.): current status and future considerations., 2016, 36: 353–367.

[27] Zhao H, Yao W, Ouyang Y D, Yang W N, Wang G W, Lian X M, Xing Y Z, Chen L L, Xie W B.RiceVarMap: a comprehensive database of rice genomic variations., 2015, 43(D1): D1018–1022.

[28] 陳羽.揚(yáng)稻6號(hào)背景下不同稻瘟病廣譜抗性基因聚合效應(yīng)研究.揚(yáng)州大學(xué)碩士學(xué)位論文, 江蘇揚(yáng)州, 2016.

Chen Y.Polymer Effect of Different Broad-spectrum Blast Resistance Genes under the Background of YD6.MS Thesis of Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu, China, 2016.pp 22–54 (in Chinese with English abstract).

[29] 張長(zhǎng)偉, 鄭家奎, 蔣開(kāi)鋒, 朱永川, 萬(wàn)先齊.雜交水稻葉瘟抗性雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳分析.植物病理學(xué)報(bào), 2000, 30: 7–12.

Zhang C W, Zheng J K, Jiang K F, Zhu Y C, Wan X Q.Genetic analysis for heterosis of resistance to leaf blast in hybrid rice., 2000, 30: 7–12 (in Chinese with English abstract).

[30] Xiao G, Yang J, Zhu X, Wu J, Zhou B.Prevalence of ineffective haplotypes at the rice blast resistance () gene loci in Chinese elite hybrid rice varieties revealed by sequence-based molecular diagnosis., 2020, 13: 6.

[31] Tabien R E, Li Z, Paterson A H, Marchetti M A, Stansel J W, Pinson S R M, Park W D.Mapping of four major rice blast resistance genes from ‘Lemont’ and ‘Teqing’ and evaluation of their combinatorial effect for field resistance., 2000, 101: 1215–1225.

[32] Hittalmani S, Parco A, Mew T V, Zeigler R S, Huang N.Fine mapping and DNA marker-assisted pyramiding of the three major genes for blast resistance in rice., 2000, 100: 1121–1128.

[33] Xiao N, Wu Y, Pan C, Yu L, Chen Y, Liu G, Li Y, Zhang X, Wang Z, Dai Z, Liang C, Li A.Improving of rice blast resistances inby pyramiding majorgenes., 2017, 7: 1918.

[34] Xiao N, Wu Y, Wang Z, Li Y, Pan C, Zhang X, Yu L, Liu G, Zhou C, Ji H, Huang N, Jiang M, Dai Z, Li A.Improvement of seedling and panicle blast resistance in Xian rice varieties followingintrogression., 2018, 38: 142.

[35] Wu Y, Xiao N, Chen Y, Yu L, Pan C, Li Y, Zhang X, Huang N, Ji H, Dai Z, Chen X, Li A.Comprehensive evaluation of resistance effects of pyramiding lines with different broad-spectrum resistance genes againstin rice (L.)., 2019, 12: 11.

[36] Ning X, Yunyu W, Aihong L.Strategy for use of rice blast resistance genes in rice molecular breeding., 2020, 27: 263–277.

[37] Xing J, Jia Y, Peng Z, Shi Y, He Q, Shu F, Zhang W, Zhang Z, Deng H.Characterization of molecular identity and pathogenicity of rice blast fungus in Hunan province of China., 2017, 101: 557–561.

[38] Yang J, Chen S, Zeng L, Chen Y, Li Y, Chen Z, Li C, Zhu X.Race specificity of major rice blast resistance genes toisolates collected fromrice in Guangdong, China., 2008, 15: 311–318.

Analysis of blast resistance genes in Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties

DENG Zhao1,2,**, JIANG Nan1,2,**, FU Chen-Jian1, YAN Tian-Zhe1, FU Xing-Xue1, HU Xiao-Chun1, QIN Peng1,2, LIU Shan-Shan1, WANG Kai1,3,*, and YANG Yuan-Zhu1,2,3,*

1Key Laboratory of Southern Rice Innovation & Improvement, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hunan Engineering Laboratory of Disease and Pest Resistant Rice Breeding, Yuan Longping High-Tech Agriculture Co., Ltd., Changsha 410128, Hunan, China;2College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, Hunan, China;3State Key Laboratory of Hybrid Rice, Hunan Hybrid Rice Research Center, Changsha 410125, Hunan, China

Longke 638S and Jing 4155S, developed by Yuan Longping High-Tech Agriculture Co., Ltd.in 2014, were two thermo-sensitive genic male sterile (TGMS) lines with disease resistance, high grain quality and combining ability for producing mid-seasonhybrid rice.In this study, we analyzed the blast resistance evaluation data from the regional trials of the Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties approved by the state from 2015 to 2019.Meanwhile, to provide theoretical basis for distribution and further improvement of these hybrid rice varieties, a genotyping panel containing 16 rice blast resistance () genes based on KASP (Kompetitive Allele-Specific PCR) technology was developed and used for molecular detection of these hybrid rice varieties.The results showed that 43.92% of Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties conferred moderate resistance to high resistance to blast disease.The mean value of integrated disease index (IDI) and highest scale of panicle blast severity (HSPBS) was 3.3 and 4.7, respectively.These hybrid rice varieties carried different number ofgenes, ranging from 3 to 7.The average number ofgenes in each variety was 5.1.The distribution frequency of the five genes including,,,, andwere higher by more 50%, among which, it was 100% forgene.In contrast,,,, andgenes were not detected in Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties.With the increase of the number ofgenes in the varieties, the mean values of IDI and HSPBS were generally decreased.In conclusion, we suggested that introduction ofinto Longke 638S and Jing 4155s might lead to the further improvement of blast resistance of Longliangyou and Jingliangyou hybrid rice varieties.

rice blast; resistance gene; KASP; hybrid rice; breeding

2021-01-18;

2021-09-09;

2021-10-12.

10.3724/SP.J.1006.2022.12002

通信作者(Corresponding authors):楊遠(yuǎn)柱, E-mail: yzhuyah@163.com; 王凱, E-mail: wk8587@163.com

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

鄧釗, E-mail: dengzhao@lpht.com.cn; 江南, E-mail: jiangnan1984731@126.com

本研究由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0100900), 雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南雜交水稻研究中心)開(kāi)放課題基金(2018KF03), 國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)專項(xiàng)(2018XK2005)和湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2018NK1020)資助。

This study supported by the National Key Research and Development Project (2018YFD0100900), the State Key Laboratory of Hybrid Rice (Hunan Hybrid Rice Research Center) Open Project Fund (2018KF03), the National Independent Innovative Demonstration Zone Project (2018XK2005), and the Science and Technology Innovation Program of Hunan (2018NK1020).

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20211012.1418.002.html