油料育種新技術(shù)推介

1 油菜高含油量聚合育種技術(shù)

1.1 成果介紹

首次探明油菜種子含油量主要受母體基因型調(diào)控，鑒定出含油量調(diào)控的 5 種不同途徑及其 4 個(gè)高油資源和 6 個(gè)新功能基因。建立了目前數(shù)量最大、基因型變異最廣泛的含油量研究群體。通過獨(dú)特的遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)首次證明母體基因型對(duì)種子含油量影響效應(yīng)值最大，達(dá) 86%。鑒定出含油量調(diào)控的 5 種不同途徑、含油量達(dá) 50% 以上的 4 個(gè)高油資源和 6 個(gè)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新功能基因，為高油聚合育種提供了新思路、新基因和優(yōu)異親本。

發(fā)掘出高含油量 QTLs 新位點(diǎn) 12 個(gè)，其中 2 個(gè)對(duì)含油量的貢獻(xiàn)值是已有報(bào)道中最大的。將關(guān)聯(lián)分析與連鎖分析相結(jié)合進(jìn)行油菜含油量 QTL 定位和關(guān)聯(lián) / 連鎖標(biāo)記篩選，共鑒定出高油 QTLs 位點(diǎn) 27 個(gè)，其中 12 個(gè)為新位點(diǎn)，2 個(gè)對(duì)含油量變異貢獻(xiàn)率超過 20%，相對(duì)含油量的貢獻(xiàn)值達(dá) 3.5 個(gè)百分點(diǎn)，是目前已報(bào)道的含油量 QTLs 中貢獻(xiàn)值最大的。由于位點(diǎn)對(duì)性狀的貢獻(xiàn)值大、標(biāo)記離有效位點(diǎn)近，后代輔助育種鑒定效果更為顯著。

明確了含油量與產(chǎn)量構(gòu)成性狀間相關(guān)性不明顯，鑒定出產(chǎn)量 QTLs 新位點(diǎn) 14 個(gè)、抗裂角和抗倒伏主效位點(diǎn) 5 個(gè)。利用關(guān)聯(lián)群體和分離群體，明確了含油量與產(chǎn)量構(gòu)成性狀間相關(guān)性不明顯；鑒定出產(chǎn)量 QTLs 21 個(gè)，其中 14 個(gè)屬于新位點(diǎn)；發(fā)掘出抗裂角、抗倒伏 QTLs 14 個(gè)，其中 5 個(gè)屬于主效位點(diǎn)。為同時(shí)聚合高含油量、高產(chǎn)、抗裂角、抗倒伏等性狀提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

建立了高效的多目標(biāo)性狀聚合育種技術(shù)，創(chuàng)制了含油量創(chuàng)世界最高紀(jì)錄的特高油品系，育成了國際上首個(gè)同時(shí)聚合高含油量、高產(chǎn)、抗裂角、抗倒伏、抗菌核病、雙低等性狀的品種。建立了以親本定向選配與聚合雜交、分子標(biāo)記輔助選擇、小孢子培養(yǎng)快速純合與穩(wěn)定技術(shù)等為核心內(nèi)容的多目標(biāo)性狀聚合育種技術(shù)體系，使育種周期宿短了 2～3 年。創(chuàng)制了含油量達(dá) 64.8% 的特高油品系 YN171，刷新了油菜含油量世界最高紀(jì)錄。創(chuàng)制了高含油量、雙低、高產(chǎn)、多抗、廣適油菜新品種 5 個(gè)，其中中雙 11 號(hào)是世界上首個(gè)集高含油量(49.04%)、強(qiáng)抗裂角、高抗倒伏、抗菌核病為一體的雙低油菜品種。

本技術(shù)為高含油量、高產(chǎn)和多抗聚合育種提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，推動(dòng)了全國油菜高含油量品種的推廣應(yīng)用。國產(chǎn)菜籽的含油量顯著提高，提升了我國油菜產(chǎn)業(yè)的國際競爭力，使我國油菜含油量研究和高油育種后來者居上，躍居了國際領(lǐng)先行列。發(fā)表 SCI 論文 15 篇，引用累計(jì) 129 次，單篇最高 29 次；獲授權(quán)國家發(fā)明專利 11 項(xiàng)；獲新品種權(quán) 1 項(xiàng)，通過國家審定品種 5 個(gè)，2008 年以來，在長江流域 11 省(市)累計(jì)推廣 330萬hm2以上，累計(jì)新增經(jīng)濟(jì)效益近 50 億元；中雙 11 號(hào)還被 32 家單位作為親本利用。先后獲得湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)(2013 年)和國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)(2014 年)。

1.2 應(yīng)用前景

本技術(shù)選育的中雙 11 號(hào)已被國內(nèi) 30 多個(gè)單位作為優(yōu)良育種親本，并被多個(gè)基礎(chǔ)研究單位作為轉(zhuǎn)基因受體等重要的研究材料。本技術(shù)創(chuàng)制的 5 個(gè)高含油量品種具有強(qiáng)的競爭優(yōu)勢(shì)，在我國油菜主產(chǎn)區(qū)長江流域得到了大面積的推廣應(yīng)用，累計(jì)推廣超過 330萬hm2，種子銷售產(chǎn)值、菜油新增產(chǎn)值、省工節(jié)支累計(jì)創(chuàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益 50 億元以上。

優(yōu)化了油菜高油雜交種親本選配技術(shù)。即以細(xì)胞質(zhì)正效應(yīng)高油材料為母本，擴(kuò)大雙親遺傳距離以改良雜交種的分枝數(shù)、抗病性等與遺傳距離表現(xiàn)正相關(guān)的性狀，同步改良雙親中與遺傳距離表現(xiàn)負(fù)相關(guān)的性狀如含油量等以提高雜交種的中親值。創(chuàng)制出中油雜19和中油雜200共2個(gè)高油、高產(chǎn)、多抗、雙低油菜雜交種，產(chǎn)油量分別比對(duì)照增加12.8%和21.6%，中油雜19是目前我國冬油菜中含油量最高、第一個(gè)達(dá)50%的品種，并配套建立了規(guī)模化、機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化的化學(xué)誘導(dǎo)雄性不育雜交制種技術(shù)，目前已大面積推廣應(yīng)用，推廣面積達(dá)130萬hm2以上。

2 油菜抗裂角品種選育技術(shù)

2.1 成果介紹

首次探明油菜裂角抗性主要受隱性多基因控制，組配或選育抗裂角的油菜雜交組合需要親本都具有中抗裂角的特性。發(fā)掘出抗裂角QTL新位點(diǎn)7個(gè)，其中1個(gè)受蘿卜質(zhì)恢復(fù)系特有的單基因控制，另外全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定三個(gè)穩(wěn)定效應(yīng)抗裂角的貢獻(xiàn)值達(dá)到57%，最大效應(yīng)位點(diǎn)位于A9，達(dá)到38%，是已有報(bào)道中最大的，鑒定出其中兩個(gè)主效應(yīng)的抗裂角基因和特異的分子標(biāo)記。

建立了高效的抗裂角分子聚合育種技術(shù)體系，將抗裂角系數(shù)為0的完全不抗親本，通過3個(gè)抗裂角位點(diǎn)地分子聚合導(dǎo)入，抗裂角性指數(shù)提高到0.7以上，達(dá)到中高抗的水平。創(chuàng)制了中高抗油菜雜交品系2個(gè)，育成了高含油量、雙低、高產(chǎn)、多抗、廣適油菜新品種(雜交種)3個(gè)。

2.2 對(duì)行業(yè)領(lǐng)域影響

為多基因控制的抗裂角這種復(fù)雜性狀，分子標(biāo)記聚合育種提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐(新理論、優(yōu)異親本、新基因和標(biāo)記)。育成的抗裂角雜交品種適宜聯(lián)合收獲，減少了機(jī)收損失率，提高油菜角果成熟抗裂角性，也延長了收獲時(shí)間。育成的抗裂角品系和品種為世界油菜研究提供了優(yōu)良的育種親本和寶貴的研究材料。推動(dòng)了我國油菜抗裂角品種的推廣應(yīng)用，國產(chǎn)油菜的抗裂角性顯著提高，提升了我國油菜產(chǎn)業(yè)的機(jī)收率。

2.3 應(yīng)用前景

鑒定出4個(gè)抗裂角位點(diǎn)，對(duì)其中2個(gè)基因克隆，找到了抗裂角基因特異型分子標(biāo)記，申報(bào)了相關(guān)發(fā)明專利。鑒定的抗裂角基因主要應(yīng)用于油菜抗裂角的改良，不僅通過分子聚合的方法提高，也可以通過基因編輯等方式改造目標(biāo)基因提高油菜的抗裂角性。創(chuàng)制的3個(gè)抗裂角、廣適應(yīng)性、高產(chǎn)品種具有強(qiáng)的競爭優(yōu)勢(shì)，在我國油菜主產(chǎn)區(qū)長江流域得到了大面積的推廣應(yīng)用。

3 油菜基因組編輯技術(shù)

3.1 成果介紹

采用優(yōu)化驅(qū)動(dòng)sgRNA和Cas9蛋白啟動(dòng)子，建立了油菜穩(wěn)定的基因編輯敲除體系，突變效率可以達(dá)到90%左右。建立非變性聚丙烯胺凝膠電泳高通量檢測突變體方法，結(jié)合Sanger測序和二代測序技術(shù)，高通量鑒定編輯突變體基因型。采用油菜基因編輯技術(shù)，可以創(chuàng)建油菜抗裂角、高油酸等資源。建立了油菜單堿基編輯技術(shù)，突變效率超過20%，可以創(chuàng)制半矮化、抗除草劑等優(yōu)異資源。建立了無轉(zhuǎn)基因過程DNA-free編輯技術(shù)體系，擴(kuò)展了基因編輯技術(shù)應(yīng)用范圍。

3.2 對(duì)行業(yè)領(lǐng)域影響

為油菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)多抗種質(zhì)資源創(chuàng)建提供了技術(shù)支撐。建立的基因編輯技術(shù)體系，可以快速改良目標(biāo)性狀，大大縮短育種周期。可創(chuàng)建出抗裂角、抗除草劑和半矮化等優(yōu)異資源，為油菜研究提供優(yōu)異的遺傳資源。推動(dòng)了油菜基礎(chǔ)研究水平，為開展油菜功能基因研究提供了技術(shù)平臺(tái)，可以提升我國油菜基礎(chǔ)研究的國際競爭力。

3.3 應(yīng)用前景

建立的基因編輯技術(shù)體系，已被多個(gè)基礎(chǔ)研究單位引進(jìn)，提升我國基因編輯研究水平。創(chuàng)建的抗裂角、抗除草劑和半矮化資源可以提高油菜機(jī)械化育種水平，提高生產(chǎn)效益。建立的油菜基因編輯技術(shù)體系，推動(dòng)了油菜重要性狀基因功能解析，加速了油菜分子育種水平。油菜基因編輯體系可以快速改良當(dāng)前生產(chǎn)上有部分缺點(diǎn)的主推品種，更好服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。創(chuàng)建的新型基因編輯技術(shù)，可以克服遺傳轉(zhuǎn)化限制，為實(shí)現(xiàn)不同材料的基因組編輯奠定基礎(chǔ)。

4 油菜高效耐漬性改良育種技術(shù)

4.1 成果介紹

確定了油菜漬害影響關(guān)鍵時(shí)期，率先開展種質(zhì)資源耐漬性精準(zhǔn)鑒定。對(duì)油菜發(fā)芽期、苗期和花期開展模擬漬害脅迫，明確了發(fā)芽期和幼苗期對(duì)漬害最為敏感。制定了我國第一個(gè)油菜耐漬性鑒定農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)來自世界各地的1035份資源開展了精準(zhǔn)鑒定，發(fā)掘了12份強(qiáng)耐漬性資源。

探明了耐漬性遺傳機(jī)理，創(chuàng)建了高效育種技術(shù)體系。首次發(fā)現(xiàn)油菜耐漬性由2對(duì)完全顯性主基因+加性-顯性多基因控制，主基因?yàn)轱@性效應(yīng)，遺傳力較高，品種間一般配合力和特殊配合力差異極顯著。通過GWAS分析和QTL精細(xì)定位，發(fā)掘了11個(gè)QTL位點(diǎn)，貢獻(xiàn)率6.5%-17.9%，開發(fā)了分子標(biāo)記BnGMS130-350。建立了耐漬性早期快速鑒定+分子標(biāo)記輔助選擇、小孢子高效培養(yǎng)和高密度豐產(chǎn)性狀選擇的育種技術(shù)體系。

4.2 應(yīng)用前景

該技術(shù)體系建立以來，西南大學(xué)、江蘇省農(nóng)科院多個(gè)育種團(tuán)隊(duì)多個(gè)育種團(tuán)隊(duì)引進(jìn)使用，共計(jì)培育了7個(gè)強(qiáng)耐漬高產(chǎn)國審新品種，實(shí)現(xiàn)耐漬性與單產(chǎn)同步提高。其中陽光2009、中雙10號(hào)等實(shí)現(xiàn)了耐漬和產(chǎn)量的突破，被國家和主產(chǎn)省列為主導(dǎo)品種，推廣面積居全國前十。新品種應(yīng)用面積480萬hm2，“油菜耐漬性遺傳機(jī)理與新品種選育應(yīng)用”獲得湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

5 花生高含油量育種技術(shù)

5.1 技術(shù)背景

我國花生的55%用于榨油，提高花生品種的含油量、產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)油量是增加花生油供給能力的重要途徑。培育和種植高油高產(chǎn)的油用型品種是我國花生科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向。然而，長期以來我國生產(chǎn)上應(yīng)用的花生品種含油量普遍較低，大果高產(chǎn)品種的含油量更低，優(yōu)良高油種質(zhì)缺乏、分子育種技術(shù)研發(fā)滯后、高油與高產(chǎn)協(xié)同改良難度大已成為限制高油育種突破的主要原因。

5.2 技術(shù)要點(diǎn)

選擇高油位點(diǎn)差異大的高含油量材料做父、母本，可以選用和栽培種親和的高含油量野生種、栽野雜交后代和推廣的高含油量栽培種品種作為親本。采用遠(yuǎn)緣雜交、亞種間雜交配制組合，擴(kuò)大雜交組合的遺傳基礎(chǔ)；采用人工雜交，對(duì)雜交后代采用系譜法選擇；雜交后代采用高油、大果、高出仁率分子標(biāo)記和近紅外跟蹤檢測含油量技術(shù)；兼顧選擇抗旱、耐瘠、抗病性強(qiáng)的雜交后代，以提升高油酸品種的抗病抗逆性、適應(yīng)性、穩(wěn)產(chǎn)性，保證高油、高產(chǎn)性狀的穩(wěn)定。

5.3 應(yīng)用前景

利用本技術(shù)體系培育出含油量在55%以上的高油品種中花5號(hào)、中花7號(hào)、中花8號(hào)、中花16等。發(fā)掘出含油量高達(dá)63.59%的高油野生資源，創(chuàng)制出優(yōu)良65.44%高油資源87-77并在全國利用，培育花生新品種32個(gè)。發(fā)掘出的高含油量、大果、高出仁率分子標(biāo)記得到全國育種單位的廣泛利用。

6 高油酸花生雜交系譜法高效育種技術(shù)

6.1 技術(shù)背景

利用國內(nèi)引進(jìn)和培育出的一批高油酸品種和優(yōu)良材料為親本，通過雜交和系譜法選擇，培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗病抗逆的高油酸花生新品種，對(duì)于推動(dòng)花生產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。

6.2 技術(shù)要點(diǎn)

選擇綜合性狀好的雜交組合親本(其中至少1個(gè)是高油酸)；人工授粉，獲得F1種子；F1種子播種自交后獲得F2種子；對(duì)F2單粒種子進(jìn)行油酸含量測定(單粒近紅外法)，淘汰油酸含量70%以下的種子，油酸含量70%以上的種子繼續(xù)種植；F2植株自交獲得F3，F(xiàn)3按單株收獲，田間淘汰農(nóng)藝性狀不好的單株，入選單株用近紅外檢測，保留油酸含量75%的單株繼續(xù)種植；F3自交獲得F4種子，繼續(xù)進(jìn)行油酸含量的篩選，保留油酸78%以上的單株；F4單株種植，自交獲得F5株行，優(yōu)良株行混收成株系；F6世代進(jìn)行初級(jí)產(chǎn)量、F7進(jìn)行產(chǎn)量品比，優(yōu)良品系提交區(qū)域試驗(yàn)和品種審定。

6.3 應(yīng)用前景

利用本技術(shù)體系培育出5個(gè)高油酸花生新品種：中花24、中花26、中花215、中花413、中花415等。在Unituy近紅外儀上建立的單粒花生油酸、亞油酸、棕櫚酸檢測模型已得到國內(nèi)花生育種和種子生產(chǎn)單位的認(rèn)可和使用。技術(shù)核心是單粒近紅外測定油酸含量，早在F2代開始就可基本確定F2單粒種子的油酸含量和基因型，獲得隱性純合的高油酸單粒種子，從而減少80%的雜交后代田間種植量和田間選擇工作量。

7 花生高油酸回交與分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)

7.1 技術(shù)背景

在保留現(xiàn)有普通油酸花生品種優(yōu)良性狀的基礎(chǔ)上，通過回交結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，快速將其轉(zhuǎn)育成高油酸品種，加速高油酸品種選育和推廣。技術(shù)要點(diǎn)：以現(xiàn)有品種為輪回親本(基因型AAbb或AABB)，以高油酸材料或品種(基因型aabb)為高油酸基因供體親本，通過連續(xù)的1代雜交、4代回交、1代自交，結(jié)合1年2次人工雜交，可在3年內(nèi)完成整個(gè)回交流程，成功將高油酸基因(aabb)導(dǎo)入現(xiàn)有品種，培育出改良高油酸推廣品種，保持現(xiàn)有品種其他優(yōu)良性狀基本不變。

7.2 應(yīng)用前景

已培育出中花16、中花21、泉花551、徐花13等優(yōu)良品種的高油酸品系，進(jìn)行農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、抗性、品質(zhì)等指標(biāo)比較，選擇出與輪回親本最為接近的高油酸品系，并參加區(qū)域試驗(yàn)。利用回交和分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)能最大限度地保留現(xiàn)有推廣品種在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性和適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)改良和優(yōu)化個(gè)別的不良性狀(如油酸含量)，這一育種思路為其它性狀的改良提供參考，具有較大應(yīng)用前景。