智能設(shè)計育種技術(shù)實現(xiàn)水稻抗“鎘”

稻米鎘含量超標，既影響糧食安全，又影響稻米產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。如何破解這一難題？湖南省農(nóng)業(yè)科學院湖南雜交水稻研究中心副主任、研究員李莉團隊給出了他們的答案。團隊應用自主研發(fā)的染色體片段缺失型鎘低積累水稻智能設(shè)計育種技術(shù)，成功培育出我國首個通過國家品種審定的鎘低積累水稻品種“西子3號”。無需特殊栽培方式，它產(chǎn)出的稻米鎘含量就遠低于0.20毫克/千克的國家標準限量值。

日前，染色體片段缺失型鎘低積累水稻智能設(shè)計育種技術(shù)入選2024年農(nóng)業(yè)重大引領(lǐng)性技術(shù)。

應急品種特性不穩(wěn)定

農(nóng)田土壤受到鎘污染，最嚴重的影響之一便是稻米會吸收和積累了過多的鎘。鎘含量超標的稻米若被人食用，將嚴重影響人體健康。如何降低水稻對鎘的吸收和積累，一直是科研人員關(guān)注的問題和研究重點。

在李莉團隊開展這項研究之前，科研人員已嘗試在水稻生產(chǎn)中篩選出應急性鎘低積累水稻品種。所謂應急性鎘低積累水稻品種，主要指在現(xiàn)有雜交水稻組合中篩選出具有一定鎘低積累特征的水稻品種。但從應急性鎘低積累水稻品種的田間表現(xiàn)來看，其鎘低積累特性存在不穩(wěn)定性，且需要采用特殊栽培方式與之配套。

為解決應急性鎘低積累水稻在生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的這一難題，李莉團隊開始探索研究，試圖找到一種可在中、重度鎘污染農(nóng)田種植，無需特殊栽培方式也能保持穩(wěn)定鎘低積累特性的水稻資源。

“多年來，國內(nèi)外鑒定了大量可育水稻表型，但未能發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定鎘低積累種質(zhì)。而水稻不育系一般不能自交結(jié)實，所以通常無法鑒定籽粒鎘積累表型。我們前期研究發(fā)現(xiàn)，籽粒鎘積累表型由孢子體基因型決定，對于不育材料采用任意父本異交授粉結(jié)實的方法能鑒定其表型。因此，我們開始了大規(guī)模、高強度的不育系籽粒鎘含量鑒定。”李莉說。

另辟蹊徑找到核心種質(zhì)

為此，團隊另辟蹊徑，建立了不育系籽粒鎘積累表型鑒定方法。這種方法能夠利用花期相遇的任意可育材料，對三系不育系及未恢復育性的兩系不育系開展異交授粉。待不育系受精結(jié)實后，再鑒定其籽粒鎘積累特性。“這種方法擴大了鎘低積累資源篩選范圍。”湖南省農(nóng)業(yè)科學院湖南雜交水稻研究中心研究員王天抗說。

團隊將搜集到的大量國內(nèi)外雜交水稻親本資源種植于中、重度鎘污染田。2018年，團隊利用不育系籽粒鎘積累表型鑒定方法，率先挖掘出穩(wěn)定的鎘低積累不育系珞紅3A和珞紅4A。鑒定結(jié)果顯示，珞紅3A和珞紅4A在全鎘含量為0.80毫克/千克土壤中種植，籽粒鎘含量分別為0.027毫克/千克和0.017毫克/千克；在全鎘含量為5.00毫克/千克的土壤種植，籽粒鎘含量分別為0.043毫克/千克和0.037毫克/千克，大幅低于國家標準限量值。

為解析珞紅3A、珞紅4A鎘低積累的遺傳基礎(chǔ)，團隊利用第二代和第三代高通量測序技術(shù)，對珞紅4A進行了全基因組測序。他們發(fā)現(xiàn)，珞紅3A和珞紅4A的第7號染色體有一段長度為408481個堿基對并包含多個鎘吸收、轉(zhuǎn)運關(guān)鍵基因的大片段（Org）缺失，且在缺失處插入了一段長度為2980個堿基對的序列（Tons）。共分離試驗結(jié)果證明，Org缺失和水稻籽粒鎘低積累性狀存在緊密關(guān)聯(lián)。

“應急性品種的鎘低積累特性不穩(wěn)定，且需要結(jié)合后期灌水、調(diào)節(jié)pH值等栽培措施，操作比較復雜，農(nóng)民不容易接受。我們發(fā)掘的鎘低積累種質(zhì)具有穩(wěn)定的鎘低積累性狀，這為選育穩(wěn)定鎘低積累水稻新品種提供了重要的材料基礎(chǔ)。”中國工程院院士、湖南省農(nóng)業(yè)科學院黨委書記柏連陽介紹。

建立精準分型技術(shù)體系

針對Org缺失及Tons插入，團隊開發(fā)了共顯性Taqman分子標記組合，建立了水稻鎘積累精準分型技術(shù)體系。王天抗說，這一體系可保障科研人員在水稻苗期快速、精準地區(qū)分鎘低積累、非鎘低積累及雜合單株，準確率達100%。

李莉告訴筆者，利用該技術(shù)體系，團隊以珞紅3A、珞紅4A轉(zhuǎn)育的多基因聚合鎘低積累中間材料作為供體，以主推常規(guī)稻或雜交稻親本作為受體，采用雜交、回交育種策略，開始品種選育。技術(shù)體系的應用，大大加速了團隊鎘低積累水稻品種創(chuàng)制速度。

在精準分型技術(shù)體系的基礎(chǔ)上，團隊最終建立了聚合鎘低積累、抗病蟲、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)等分子標記前景和全基因組背景選擇的染色體片段缺失型鎘低積累水稻智能設(shè)計育種技術(shù)，極大提升了鎘低積累、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)新品種的選育效率。

2020年起，團隊選育出適合在中、重度鎘污染稻區(qū)種植的“西子3號”“西子9號”“西子17號”等高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鎘低積累常規(guī)稻品種10個，“西3S”等鎘低積累兩系不育系2個，“西恢3號”“西恢5號”等鎘低積累恢復系7個，測配出“西兩優(yōu)4號”等鎘低積累苗頭組合2個。

“西子3號”在國家區(qū)試中的表現(xiàn)十分突出，在2021年和2022年國家各區(qū)試點“西子3號”糙米鎘含量僅為0.000～0.098毫克/千克，大幅低于國家限量標準0.20毫克/千克；米質(zhì)綜合評級為部標優(yōu)2級，平均畝產(chǎn)565.03千克。

2021年，“西子系列”鎘低積累水稻新品系在湖南省湘陰縣鎘污染稻田率先開展試驗示范，示范面積160畝；2022年，其在湖南省湘潭縣、赫山區(qū)、湘陰縣等15個縣區(qū)開展示范，總面積1155畝；2023年，其在湖南省內(nèi)外13個縣區(qū)開展示范，總面積600畝，均實現(xiàn)安全生產(chǎn)，并在各示范點表現(xiàn)出極顯著的降鎘效果。

李莉舉例，“西子3號”“西子4號”“西子5號”“西子11號”“西兩優(yōu)2號”“西兩優(yōu)4號”的糙米平均鎘含量分別為0.021毫克/千克、0.047毫克/千克、0.039毫克/千克、0.007毫克/千克、0.023毫克/千克、0.044毫克/千克，大幅低于國家限量標準值，與對照組相比降鎘幅度達到95%以上。在鎘低積累的基礎(chǔ)上，“西子系列”鎘低積累水稻還表現(xiàn)出了優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)特性，真正實現(xiàn)了土壤鎘超標稻田里產(chǎn)出放心大米。

2023年，“西子3號”成為我國首個通過國家審定的鎘低積累水稻品種，可在湖南、江西、浙江、湖北等地的雙季稻區(qū)的耕地安全利用區(qū)（鎘含量小于或等于1.5毫克/千克）開展晚稻種植。

染色體片段缺失型鎘低積累水稻智能設(shè)計育種技術(shù)助力我國實現(xiàn)了鎘低積累水稻重大品種選育的種質(zhì)創(chuàng)新，引領(lǐng)南方鎘污染稻區(qū)走上了綠色優(yōu)質(zhì)、增產(chǎn)增效之路，為糧食豐產(chǎn)、農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收、產(chǎn)業(yè)興旺提供了重要技術(shù)支撐。

今年，“西子3號”已在我國長江中下游地區(qū)省份開展大面積推廣種植，這對保障食品安全、國家糧食安全具有重要意義。

“未來，我們將重點攻關(guān)雜交水稻智能設(shè)計育種技術(shù)，培育超高產(chǎn)、口感好、鎘低積累、多抗、廣適的雜交水稻新品種，為保障國家糧食安全作出應有貢獻。”柏連陽說。