褐飛虱抗性基因及其在秈型雜交水稻育種上的應用

馮冉冉　高曉　劉丕慶

摘要 介紹了褐飛虱生物型及水稻褐飛虱抗性基因，綜述了褐飛虱抗性基因在水稻兩系和三系育種上的應用，最后指出了我國水稻種植存在的問題并展望了褐飛虱抗性育種今后的研究方向。

關鍵詞 褐飛虱；抗性基因；不育系；保持系

中圖分類號 S435.112+.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-107-04

Brown Plant Hopper （BPH） Resistance Genes and Their Application in India Hybrid Rice Breeding

FENG Ranran， GAO Xiao， LIU Piqing*

（College of Agriculture， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530005）

Abstract BPH and resistant genes were introduced， the application in rice two line and three line breeding was reviewed. Finally， existing problems in rice planting in China were pointed out， the research direction of BPH resistance breeding was forecasted.

Key words BPH； Resistant genes； Male sterile line； Maintainer line

水稻是世界三大糧食作物之一，我國水稻種植面積占世界第2位，產量占世界第1位。水稻是我國第一大農作物，播種面積約占全國糧食作物播種面積的30%，產量占糧食作物總產量的50%。世界50%以上人口以大米為主食，我國更是高達60%的人口以水稻為主食。水稻生產安全是關乎我國糧食安全的重大問題[1]。褐飛虱是水稻生產上主要害蟲之一，我國每年有1 300萬～2 000萬hm2種植水稻發生褐飛虱危害，年損失稻谷達10億～15億kg[2]，已經危害到水稻生產安全。因此，迫切需要抗褐飛虱的水稻品種。

目前我國抗褐飛虱的水稻育種現狀并不樂觀。國家水稻新品種的審定公告顯示，2010～2013年間審定的水稻新品種的褐飛虱抗性大多在7～9級，并不符合抗褐飛虱的等級。各省品種審定公告顯示，2010～2014年間，云南、海南、湖南、廣東和廣西等省（自治區）所審定品種均無褐飛虱品種抗性介紹，浙江省除了2011年審定的品種“秀水414”表現為褐飛虱抗性5級（中抗褐飛虱）、2013年審定的品種“浙粳97”和“浙粳98”表現為褐飛虱抗性6級（中感褐飛虱）之外，其他審定品種褐飛虱抗性大都在7～9級，表現為感或高感。因此，將褐飛虱抗性基因用于抗褐飛虱水稻品種的培育具有重要意義。為此，筆者介紹了褐飛虱抗性基因及其在秈型雜交水稻育種上的應用，旨在為我國抗褐飛虱水稻育種研究提供借鑒。

1 褐飛虱生物型及水稻褐飛虱抗性基因

1.1 褐飛虱生物型

根據褐飛虱的致害特性，褐飛虱種下分化出的生物型指褐飛虱具有相同致害性的種群[3]。生物型Ⅰ指的是僅能在感蟲品種TN1上為害存活繁殖的褐飛虱種群。將生物型Ⅰ在含Bph1的品種Mudgo上連續飼養多代，當其后代在Mudgo品種上為害程度、存活率、繁殖率等與其在TN1上趨近時，則其為褐飛虱生物型Ⅱ種群。同樣方法將生物型Ⅰ在含bph2的品種ASD7上飼養多代，得到褐飛虱生物型Ⅲ[4]。之后多位學者又相繼發現了澳大利亞生物型、南亞生物型、李氏禾生物型Mindanao生物型、Parwanipur生物型等[5]。我國于20世紀80年代開始對褐飛虱進行鑒定和監測，20世紀80年代初我國以生物型Ⅰ褐飛虱為主。20世紀70年代越南、菲律賓等蟲源地開始大面積種植抗蟲材料，經長期大面積種植，產生了對該抗蟲材料具有抗性的生物型Ⅱ，該蟲源經遷飛分布至我國華南及長江中下游等地，致使20世紀80年代末我國稻區褐飛虱種群由南往北漸變為以生物型Ⅱ為主[6-7]。

1.2 水稻褐飛虱抗性基因

褐飛虱抗蟲基因的發掘是培育抗褐飛虱雜交水稻品種的基礎。現階段已鑒定的水稻褐飛虱抗性基因有31個，其中已被定位的25個基因中有11個基因被精細定位[8]。

水稻抗褐飛虱基因的分子定位及克隆有利于育種家采用分子標記輔助育種技術進行抗褐飛虱育種。褐飛虱抗性育種中，因為褐飛虱飼養困難，且需要人力、物力，所以以PCR為基礎的分子標記輔助育種尤為重要。分子標記越靠近目標基因，選擇就越準確，當然最理想的是與目標基因共分離的分子標記。如果育種家要求選擇的正確率達到90%以上，則分子標記與目標基因之間遺傳距離必須小于5 cM，如果要求選擇的正確率不低于80%，則分子標記與目標基因之間遺傳距離必須小于10 cM[9]。目前已找到很多褐飛虱的抗性基因以及它們連鎖的分子標記（表1）。這些抗性基因分別位于第2、第3、第4、第6、第8、第10和第12條染色體上，這些抗性基因為雜交稻抗褐飛虱育種提供了重要的抗性資源。

2 褐飛虱抗性基因在水稻育種上的應用

2.1 抗性基因在三系育種上的應用

不育系的花粉不育屬于核質互作類型，不育基因位于細胞質和細胞核。細胞質的不育基因位于線粒體，細胞核的不育基因依細胞質的類型有所不同。對于生產上大面積使用的野敗型細胞質不育系，其不育系的不育基因（rf3和rf4）分別位于第1[32-34]和第10染色體上[34-36]；對于紅蓮型細胞質不育系，其不育系的不育基因（rf5和rf6）分別位于第10染色體上的2個緊密相鄰位置[37]；對于印尼水田谷細胞質不育系，其不育系的不育基因位于第1和第10染色體上[38]。目前發掘的抗褐飛虱基因沒有位于細胞質，說明不需要發掘不育而且抗褐飛虱的細胞質，目前的不育細胞質可以繼續使用。

2.1.1 抗褐飛虱三系雜交稻新品種。

IR26是國際水稻研究所（IRRI）培育出來含抗Bph1基因（生物型1）的抗蟲品種。我國育種專家利用不育系珍汕97A與恢復系IR26 雜交得到的“汕優6 號”是我國首個抗褐飛虱的秈型雜交稻，實現了水稻褐飛虱抗性的雜種優勢[39]。隨著雜種優勢利用研究的深入，成功培育的抗褐飛虱雜交稻組合有“汕優30選”、“汕優54選”、“汕優56”、“汕優 64”、“汕優 85”、“汕優 177”、“汕優 61618”、“汕優桂32”、“汕優桂33”、“汕優竹恢早”、“南優6號”、“威優35”、“威優64”和“六優30”等[40]。這些品種（系）攜帶的抗褐飛虱基因多為Bph1及bph2，不同稻區褐飛虱生物型的差異導致品種抗性基因失效，或雜交稻中雜合基因型導致品種抗性減弱，雜交稻品種的抗性與抗源親本的抗性表現不同，有的品種甚至感蟲。由此看來，要培育對褐飛虱抗性比較好的品種，抗性基因位點最好是純合的（恢復系和不育系含有相同的抗性基因）或聚合多個抗性基因。

2.1.2 兩系抗褐飛虱育種創新材料。

近年來，盡管極少抗褐飛虱的三系雜交稻品種通過省級或國家級的品種審定，但是仍有很多學者致力于抗褐飛虱的不育系或恢復系的選育。劉開雨等[41]通過回交、分子標記輔助選擇與接蟲鑒定相結合，將抗稻褐飛虱基因 Bph3 和 Bph24（t）分別導入主栽雜交水稻恢復系“廣恢998”、“9311”、“R15”、“明恢 63”、“R29”中，最終獲得遺傳穩定的 Bph3 導入系32份和Bph24（t）導入系 22份，獲得 Bph3bph24（t）聚合系 13 份。人工接蟲鑒定結果顯示，Bph3 和 Bph24（t）導入系對稻褐飛虱抗性達到中抗至抗的水平，平均分別為3.96 級和 3.84 級，其中 Bph24（t）導入系對稻褐飛虱抗性略強于Bph3導入系；Bph3Bph24（t）聚合系抗性最強，對稻褐飛虱抗性達到 2.38～2.65 級、平均 2.52 級的抗級水平，表明抗性基因聚合對稻褐飛虱的抗性具有累加基因效應。

在抗褐飛虱恢復系選育時，很多研究不僅選育抗褐飛虱的恢復系而且還選育兼抗其他病害的恢復系。毛鐘警等[42]也通過分子標記輔助選擇選育聚合Xa23和bph20（t）基因的植株，旨在培育具有雙抗基因且農藝性狀優良的水稻恢復系的株系，經白葉枯病和褐飛虱抗性接種鑒定，共篩選出16株既抗褐飛虱又抗白葉枯病的有雙抗基因的植株，為水稻育種提供抗性中間材料。蔡棟[43]通過聚合Bph14、Bph15和Cry1Ab 3個抗蟲基因，選育出了6個純合水稻恢復系材料，經鑒定該材料對褐飛虱、二化螟、三化螟等具有較高抗性，是優良的恢復系材料，可作為雜交育種中間材料，用于水稻抗蟲育種。陳凱等[44]通過分子標記輔助育種獲得帶有Bhp18（t）基因的抗褐飛虱恢復系蜀恢 527Bhp18（t）和浙恢復7954Bhp18（t）和聚合Xa23和Bhp18（t）基因的浙蜀Xa23Bhp18（t）新型恢復系，獲得了抗性更好的恢復系。在改良恢復系對褐飛虱抗性的同時，很多研究者也將抗褐飛虱基因導入保持系，以獲得更抗褐飛虱的不育系。孫榮科等[45]將褐飛虱抗性基因bph2和Bph3聚合于天B、盟B和先B不同的三系保持系及恢復系R29中，獲得了抗性基因純合的抗性材料。

朱仁山等[46]也采用分子標記輔助育種和回交育種的方法，聚合抗褐飛虱基因Bph14和Bph15于優良保持系珞紅3B中，然后以改良的保持系與珞紅3A雜交，成功選育出了紅蓮型不育系珞紅4A，并且通過鑒定。該不育系的不育性穩定，開花習性好，各種農藝性狀優良，且大田表現為褐飛虱抗性顯著。胡杰等[47]利用分子標記輔助選擇將水稻抗褐飛虱基因Bph14、Bph15同時導入到“汕優63”的親本“明恢 63”和“珍汕97B” 中，以改良“汕優 63”的褐飛虱抗性；同時將抗稻瘟病基因Pi1、Pi2導入到已改良的“珍汕97B”中，使后者同時獲得褐飛虱和稻瘟病抗性。褐飛虱苗期鑒定結果表明改良的雜交稻（聚合Bph14、Bph15或單基因）的褐飛虱抗性較對照品種“汕優63”顯著提高；穗頸瘟田間自然發病結果也表明聚合Pi1、Pi2的雜交稻發病率僅為6%，明顯低于對照“汕優63”（約90%）；田間農藝性狀考察也表明改良型雜交稻的主要農藝性狀與對照基本一致，產量高于對照或與對照相近。

2.2 抗性基因在兩系育種上的應用

兩系雜交稻包括不育系（亦可作保持系）和恢復系。不育系的花粉不育屬于核基因控制。溫敏不育系的花粉不育受位于第8染色體的tms1[48]、tms2[49]，第6染色體的tms3[50]，第2染色體的tms4[51]、tms5[52]、ptgms21[53]，第5染色體的tms6[54]和第8染色體的TGMS[55]的隱性基因控制；光敏不育系的花粉不育受位于第7染色體上的pmsl[56]、第3染色體上的pms2[56]及第12染色體上的pms3[57]控制。目前發掘的抗褐飛虱基因有可能和不育基因在同一染色體上連鎖。因此，培育抗褐飛虱的兩系不育系時應注意褐飛虱抗性基因和不育基因不要緊密連鎖，以便更容易培育出抗褐飛虱的不育系。

2.2.1 抗褐飛虱兩系雜交稻新品種。

培育抗褐飛虱兩系雜交稻的恢復系取得較好的成績是R476，它是利用分子標記輔助選擇技術育成的含有抗白葉枯病基因Xa21和抗褐飛虱基因 Bph14的兩系恢復系[58]。湖北省農業科學院糧食作物研究所以其為父本與“廣占 634S”配組育成了高產優質雜交中秈新組合“廣兩優476”，2010年通過了湖北省農作物品種審定委員會審定。在湖北省中稻區試中，該組合具有高產、穩產、優質、多抗等特點。

培育抗褐飛虱兩系雜交稻的不育系也取得較好的成績。武漢大學以優良兩系不育系“廣占634S”為母本與含褐飛虱抗性基因Bph14和Bph15的高抗褐飛虱材料進行雜交和多代回交，結合分子標記輔助選擇技術，成功選育出了敗育徹底、配合力強、褐飛虱抗性良好的新型兩系不育系Bph68S，并利用該不育系配組選育出了抗褐飛虱雜交水稻新組合“兩優234”，該組合理化指標達國標3級優質稻標準，且抗性表現良好，2010年通過了湖北省農作物品種審定委員會審定[59]。

2.2.2 兩系抗褐飛虱育種創新材料。

除了培育出通過審定抗褐飛虱品種外，我國水稻育種家在兩系抗褐飛虱育種材料創新方面也做了很多工作。湖北省農業科學院通過對Bph14、Bph15的分子標記輔助育種得到了高抗的水稻植株[60]，并且證明聚合Bph14、Bph15的株系抗性要強于其單基因（Bph14或Bph15）純合株系。該院還以恢復系R476和恢復系986為受體，以廣東香稻品種“美香占”為香味基因供體，最終選育出了農藝性狀較好并具有抗白葉枯病基因Xa21和抗褐飛虱基因Bph14的香型恢復系C349和C354，然后分別利用C349、C354和兩系不育系廣占63S、Y58S配組，其配組雜交種產量與對照配組產量水平相當[61]。鄒聲浩[62]利用分子標記輔助選育手段將稻瘟病基因Pi9、Pid2和抗褐飛虱基因Bph14、Bph15導入到不育系03S中，通過抗性篩選選出了與03S表現型相似且抗性良好的單株，改良了兩系雜交稻不育系的抗性。

3 存在的問題與展望

雖然抗褐飛虱基因育種已取得一定進展，但我國水稻種植現狀仍然存在抗褐飛虱基因供體的農藝性狀差、抗褐飛虱基因未能有效利用、抗蟲品種少、抗蟲品種推廣面積小、已有抗蟲品種經多代種植后抗蟲性逐漸降低或喪失等問題。

針對上述問題，褐飛虱抗性育種及抗性品種應用在繼續發掘優異抗褐飛虱基因資源的基礎上應在以下5個方面加強研究：①加大既含褐飛虱的抗性基因又含優異遺傳背景的遺傳資源的創制，打破抗性基因的連鎖累贅，使育種家通過雜交育種的基因重組方法更容易育出新的抗性品種。②因為褐飛虱養蟲接蟲比較繁瑣以及現有的抗性基因的分子標記在一些育種群體沒有多態性，所以應該加強褐飛虱抗性基因緊密連鎖標記的開發，使育種家對分離群體的選擇更加準確，提高育種效率。③加強不同抗性基因的品種在生產上的輪換使用。④進行不同抗褐飛虱基因聚合，特別是不同抗性機理稻飛虱抗性基因的聚合，培育具有持久抗性的水稻新品種。⑤加強抗褐飛虱新品種的宣傳，增加它們在市場上的占有率。

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