2022年4月13日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所韓龍植團(tuán)隊和北京大學(xué)何航團(tuán)隊在Plant Communications期刊在線發(fā)表了研究論文“Genomic insights on the contribution of introgressions from Xian/indica to the genetic improvement of Geng/japonica rice cultivars”，系統(tǒng)解析了我國粳稻育成品種的演變規(guī)律和改良?xì)v史，在基因組層面揭示了秈稻血緣滲入對粳稻性狀改良的貢獻(xiàn)，為未來水稻基因組育種提供了新思路。

     1.我國粳稻品種基因組組成的演變：為了研究粳稻主栽品種的演變規(guī)律，對816份不同時期代表性粳稻品種進(jìn)行了重測序分析（圖1），構(gòu)建了高密度基因組變異圖譜。整合已發(fā)表的5500份水稻測序數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了不同時期主栽品種的基因組組成。研究發(fā)現(xiàn)1980年前、1980-1990年代、2000年后粳稻品種基因組中秈稻血緣分別占1.7%、3.3%和6.9%，粳稻育種改良過程中秈稻血緣比例逐漸提高；秈稻血緣的導(dǎo)入貢獻(xiàn)了一些粳稻品種中缺乏的優(yōu)異等位基因，從基因組層面反映了我國粳稻的改良?xì)v史。

 

圖1. 粳稻品種的系譜關(guān)系及其遺傳結(jié)構(gòu)

 

     2.秈稻血緣滲入對粳稻性狀改良的貢獻(xiàn)： 研究發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)80年代以來，來自3個不同秈稻亞群的血緣向粳稻品種中的滲入持續(xù)增加，秈稻血緣的滲入使粳稻的重要性狀發(fā)生了顯著變化，如稻瘟病抗性提高、每穗粒數(shù)增加、單株穗數(shù)減少、株型由多穗型向重穗大穗型轉(zhuǎn)變。還發(fā)現(xiàn)與株型、產(chǎn)量和抗病蟲性相關(guān)基因（如：IPA1、SMG1、DEP3、Pib、Pi-d2和Bph3等）的等位基因由秈稻滲入到粳稻中。

     3.調(diào)控水稻穗粒數(shù)新基因Gnd5為滲入的靶基因：利用全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定了一個調(diào)控水稻穗粒數(shù)的新基因Gnd5，該基因編碼GRAS家族的轉(zhuǎn)錄因子，與野生型相比，Gnd5敲除突變體的穗粒數(shù)顯著減少（圖 2）。研究發(fā)現(xiàn)，與早期育成品種相比，Gnd5基因秈型優(yōu)勢單倍型Hap2頻率在中、后期育成品種中不斷提高，說明Gnd5基因是滲入的靶基因，對育種具有重要的應(yīng)用價值。

 

圖2 GWAS鑒定到調(diào)控水稻穗粒數(shù)的新基因Gnd5

 

     4. 3個代表性粳稻系譜中優(yōu)勢單倍型的利用模式：系譜能夠直接反映品種的改良過程和品種間親緣關(guān)系，是遺傳研究的絕佳對象。以來自遼寧省、吉林省和黑龍江省的代表性骨干親本遼粳5號（LG5）、吉粳60號（JG60）和合江20號（HJ20）的系譜為對象，研究系譜中穗粒數(shù)相關(guān)基因單倍型的利用模式，發(fā)現(xiàn)多基因的優(yōu)勢單倍型聚合利用存在較強(qiáng)的系譜背景特異性。其中Gnd5和DEP3分別在LG5和JG60系譜中表現(xiàn)大的遺傳效應(yīng)，它們的秈型優(yōu)勢單倍型特異性地滲入到LG5和JG60系譜中。該研究解析了不同粳稻遺傳背景下秈稻基因單倍型滲入程度的差別，有助于未來在廣泛遺傳背景下進(jìn)行QTL聚合和育種路線優(yōu)化。

     中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所韓龍植研究員與北京大學(xué)何航研究員為論文共同通訊作者，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所崔迪博士、北京大學(xué)博士生周涵和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所馬小定副研究員為論文共同第一作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺教授、江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所黎毛毛研究員、寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)作物研究所孫建昌研究員、山東省臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院金桂秀研究員、遼寧省水稻研究所王先俱副研究員等對本研究提供了支持。本研究得到國家重點研發(fā)計劃項目等支持。