水稻导入系的构建及其在功能基因组和育种研究中的应用

水稻是我国主要的粮食作物之一。然而，随着全球气候变化、耕地减少及病虫害威胁加剧，培育具有广适应性、抗逆性强且高产优质的水稻新品种成为当前育种研究的重要目标。因此，育种家需要搞清楚水稻重要农艺性状的遗传基础，以便进行遗传改良。在这一背景下，研究人员通过构建不同的遗传群体对水稻农艺性状进行了定位分析。目前，相对传统的作图群体，导入系遗传背景简单，代换片段可有效拆分为单个的孟德尔因子[1]，无需考虑QTL 之间复杂的相互作用，大大提高了 QTL 鉴定与分析的功效，日益成为作物数量性状遗传、QTL定位与克隆、基因聚合研究等的理想工具，对水稻功能基因组学的研究具有重要意义，已被广泛应用于水稻遗传研究中[2]。

一、导入系的概念

导入系又称作染色体片段代换系，是利用供体亲本与轮回亲本杂交，自 F1 代起与轮回亲本进行多代的回交，结合分子标记辅助选择，将供体亲本的特定染色体片段导入轮回亲本的遗传背景中，最终得到的高代回交群体。该群体后代自交不会发生性状分离，可以稳定遗传。群体内整个染色体组只存在少数几个甚至一个代换片段差异，与受体亲本在遗传背景上只有代换片段上的差异，是永久性分离群体，遗传背景简单，可以用来进行多点、多年、多重复的实验，具有单一性、稳定性等特点，同时还能有效降低遗传背景的干扰。

二、导入系的构建方法

构建导入系的构建主要包括杂交、回交和自交等过程。首先，根据研究目的选择受体亲本和供体亲本，同时对受体亲本与供体亲本之间的多态性分子标记进行筛选；接着将受体亲本与供体亲本进行杂交，再将后代与受体亲本回交 2-4 代，每代中所有的单株都要与受体亲本杂交；然后将回交好的群体利用单粒传法进行杂交3-5 代，使得每个单株的基因组基本纯合稳定；最后利用亲本间多态性分子标记对每个单株进行基因型鉴定，挑选尽量覆盖供体全基因组、背景回复率高的单株构建一套导入系[3]。

三、不同类型的导入系

1. 亚种内导入系

亚种内导入系通常由同一亚种（如籼稻或粳稻）的不同栽培品种杂交构建，其遗传差异较小，适用于精细定位重要农艺性状基因。

余四斌等构建了以珍汕 97B 和 9311 为背景的近等基因籼稻导入系，通过对导入系的品质性状进行基因型分析，定位了影响粒型的 15 个 QTL，为目标基因发掘及新品种培育提供了材料基础 [4]。高晓清等以杂交稻恢复系蜀恢 527 和明恢 86 为轮回亲本，以江西丝苗为供体亲本配制 BC2F2 混合群体，通过逐代人工接种筛选，获得 49 个 BC2F4 抗病导入系，分别携带 1＼～3 个加性效应较大的抗病位点[5]。李荣田等以非香米品种空育 131 为受体亲本，香米稻花香2 号为香味基因fgr 供体亲本，成功培育出香型粳稻导入系。水稻空育131（fgr）导入系稻米具有香味，耐冷性和抗倒伏性与受体品种空育 131 没有显著差异 [6]。此外，李荣田等利用水稻空育131 为受体亲本，利用软米SNP 分子标记将Wx-mq 基因回交转育到空育131 中，构建了空育 131（Wx-mq）导入系，其直链淀粉含量极显著地降低，碱消值和胶稠度极显著地升高 ^[7]∘ Xu 等构建了以天丰 B 为背景，9311 为供体的籼稻导入系群体，鉴定并精细定位了水稻非恢复系9311 中一个恢复野生败育型细胞质雄性不育（WA-CMS）的基因Rf19（t）[8]。

2. 亚种间导入系

亚洲栽培稻分为籼稻和粳稻两个亚种，其基因组存在着高度的遗传分化，从而后代群体表现出大量的农艺性状、生理和生态特性等各方面的差异，籼粳亚种间的杂种优势要远大于籼粳亚种内的优势，具有强大的杂种优势潜力。亚种间导入系利用籼稻和粳稻的远缘杂交构建，遗传变异更丰富，可挖掘亚种间优势互补基因。

曾瑞珍等以 12 个水稻品种（包括 8 个籼稻品种和 4 个粳稻品种）为供体亲本构建了一个以籼稻品种“华粳籼 74”为背景的单片段代换系群体，代换片段在水稻基因组上的覆盖率为 83.18%^[9] 。杨静等以优质粳稻品种 Lemont 与高产籼稻品种特青为亲本培育的导入系定位苗期耐盐 QTL，其中 Lemont 背景导入系中轮回亲本 Lemont 的基因组平均占 83.8% ，特青背景导入系中轮回亲本特青基因组平均占 88.9%^[10] 。邵昕等以籼稻品种9311 为受体亲本、粳稻品种越光为供体亲本构建导入系并进行 QTL 定位，共鉴定出 138 个 QTL，该导入系的水稻全基因组覆盖率达到 89%^[11] ]。近年来，通过导入系改良稻米品质的成功案例很多。例如，为改善珍汕 97 及其杂交种汕优 63 的蒸煮食味品质，Zhou 等将直链淀粉含量中等、凝胶软稠度、糊化温度较高的恢复系明恢 63 的 Wx/Waxy 等位基因区导入到珍汕 97B 中，再转入珍汕97A[12]。高若愚等利用籼稻明恢 63 为受体、粳稻 02428 为供体的构建籼粳导入系，定位到 2个影响再生稻加工品质的QTL[13]。

3. 种间导入系

在长期的自然选择过程中，为适应复杂的自然环境，野生稻获得了许多抵抗生物和非生物胁迫的优良等位基因。而栽培稻经长期人为选择，丢失了许多优良的遗传性状，这极大地限制了栽培稻产量和品质的进一步提高 [14]。种间导入系是通过栽培稻与野生稻杂交构建，可引入野生稻的抗逆、抗病等优异基因，增加遗传多样性。

从栽培稻 93-11 和广西普通野生稻（GXCWR）中获得一组 132 个导入系，利用二次定位群体鉴定了 2 号染色体上的耐寒 QTL qCT2.1[15]。Lei 等利用元江普通野生稻与籼稻特青进行杂交构建导入系，获得了 90 份导入系，检测到 5 个与苗期高温响应（ qHST1-1、qHST1- 2、qHST2、qHST3、qHST8）相关的 QTL，其中 1 个位点 O.rufipogone 衍生等位基因降低了对高温的敏感性 [16]。此外，利用在栽培稻背景下携带野生水稻供体片段的导入系材料，也定位了抗生物胁迫的QTL，如稻飞虱、水稻条纹叶枯病和稻瘟病等 [17]。因此，导入系群体可以作为野生稻种资源的“基因库”，保存和利用野生稻种的遗传多样性。

四、导入系的应用展望

导入系简化了复杂性状的遗传解析，加速了水稻全基因组大规模基因发掘。迄今为止，已从导入系中鉴定出大量与水稻农艺性状相关的自然变异，并利用导入系衍生的作图群体进行克隆 [18]。此外，水稻育种的基础是利用有价值的等位基因和优异的种质资源。水稻拥有大量含有各种优异基因的种质资源，具有高产、优质、抗生物和非生物胁迫等特点 [19]。将这些优异基因转移到现代品种中，完全可以拓宽基因库，大大提高生产效率。这些有价值的等位基因中有许多具有连锁累赘 [20]，而导入系群体具有打破有价值基因与连锁累赘之间联系的优势。迄今为止，通过在现代品种背景下开发导入系，水稻的许多性状得到了极大的改善。随着基因组测序、基因编辑技术和功能基因组学研究的不断发展，导入系群体在水稻育种和研究中的应用将会更加广泛，未来，科学家们可以利用这种强大的遗传工具，更有效地利用野生稻种的遗传资源，培育出更多高产、优质、抗逆的水稻品种，为保障粮食安全做出贡献。

参考文献：

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[4] 余四斌，穆俊祥，赵胜杰，等 . 以珍汕 97B 和 9311 为背景的导入系构建及其筛选鉴定 [J]. 分子植物育种， 2005（05）：629-636.

[5] 高晓清，谢学文，许美容，等 . 水稻抗纹枯病导入系的构建及抗病位点的初步定位 [J]. 作物学报，2011，37（09）：1559-1568.

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【

作者简介】孙铭若（2002-），女，吉林通化市人，长江大学农学院硕士研究生在读，主要研究方向：水稻育种。

【通讯作者】邱先进（1984-），男，汉族，湖北武汉市人，博士研究生学历，长江大学农学院教授，主要研究方向：水稻分子遗传与育种。