摘要
空育131是我国黑龙江省第三积温带一个优质的水稻品种，它具有早熟质优、稳产抗冷等优良特性。但是，随着直播等水稻轻简种植技术在黑龙江稻区的逐步实施和稻田化肥使用量的进一步增加，以及灾害天气的频繁发生，空育131的抗倒伏性已经不能适应目前水稻生产的需求。因此，想要使空育131重回生产一线，需要在保持空育131其它优良性状的同时，定向改良升级空育131的抗倒伏性。 在作物育种过程中，存在着一种普遍现象，即一个优良的作物品种，往往仅是因为出现一个不良性状或缺陷，就被革命性地淘汰。革命性地淘汰原优良品种，实际也是放弃了原品种优异的种质资源，是对育种资源和投入的一种浪费。出现这种现象的主要原因是现有育种技术的限制。因此如何以定向改良的方式升级农作物的某一品种，使其可以持续地满足生产上和栽培环境变化的需求，是一直被期待的育种技术。 本研究通过基因改良和性状改良两种方法尝试定向改良升级空育131的抗倒伏性。基因改良是将底盘品种看作一件工业产品，控制其各种农艺性状的基因看作是该产品的零部件，而其中控制待改良性状的基因即需要改良和升级的零部件，然后通过寻找来自其他供体的优良等位基因，即升级的零部件，通过自交和回交，精确置换底盘品种的老旧零部件，实现底盘品种的定向改良和升级。在这种思路的指导下，在本研究基因改良的过程中，首先通过序列比对，分析底盘品种空育131基因组中与抗倒伏性相关的基因位点内基因型，结果发现空育131的半矮秆位点SD1(Semidwarf1)的基因型属于抗倒伏性较弱的弱功能型，而供体GKBR的sd1基因与生产上常用于籼稻抗倒伏性改良的抗倒伏等位基因是相同的变异类型，可以产生更强的抗倒伏性，因此我们通过遍布全基因组的SNP(SingleNucleotidePolymorphism)标记和在sd1基因附近设计的特异性M1-M5标记，精确置换空育131中的sd1等位基因，构建相应的单片段置换系，尝试改良空育131的抗倒伏性。最终构建的单片段置换系的背景回复率约为99.94％，导入片段长度约为917kb。但是通过3年，4个栽培密度和3种肥力梯度下的田间农艺性状评价实验，结果发现，相比空育131，置换系的株高降低约35％，以倒伏指数衡量抗倒伏性时，改良系的抗倒伏性相比空育131显著提升，但穗粒数和百粒重均下降，因此导致产量相比空育131下降约26％，提示利用GKBR的sd1等位基因对空育131的抗倒伏性进行基因改良结果不适用于实际应用。 在进行基因改良的同时，我们也对空育131的抗倒伏性实施了性状改良的方法。性状改良是从发掘能改良空育131抗倒伏性的性状出发，利用QTL(QuantitativeTraitLoci)分析和基因精确定位，以此确认底盘品种中需要改良的基因位点并确定目标基因型。确定目标基因型后的改良过程与基因改良相似，即通过精确置换底盘品种基因组中的基因，实现底盘品种的定向改良升级。在本研究中，我们首先发现了空育131与供体GKAR回交产生的一个株高分离的群体，该群体中包含能使空育131株高降低的基因，且其株高降低程度低于GKBRsd1位点导入系，接着通过QTL分析将控制株高的位点定位到1号染色体，通过对株高位点的精细定位和敲除互补实验，证实该株高基因为SD1基因的另一种等位基因。进一步构建了导入GKAR的sd1基因的单片段置换系，最终建成的单片段置换系背景回复率约为99.96％，导入片段长度约384kb。同样经过3年，4个栽培密度和3种肥力梯度下的田间农艺性状评价，结果发现，该置换系的株高介于空育131和GKBRsd1单片段置换系之间，相比空育131株高降低约26％，且在提高了空育131抗倒伏性的同时，不改变空育131的产量相关性状，因此可以在实际生产上用于对空育131的抗倒伏性的定向改良升级。 本研究在定向改良升级空育131抗倒伏性的过程中，提出和建立的农作物主栽品种定向改良和升级的两种方法和体系，基因改良和性状改良，可以为农作物分子设计育种的实施提供参考和提示。
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