东北稻区是我国最重要的优质稻米产区，黑龙江省是我国最大的水稻种植区和商品粮区。东北地区水稻在抽穗期、耐冷性、抗病性、食味品质、抗倒伏性等关键性状的选择和改良，使其能够适应高纬度环境并产出优质的大米。但目前育种手段多是基于传统经验育种，从全基因组层面解码东北稻区经验育种规律，建立基础诠释模型，将为水稻分子设计育种提供范本和指导，在创新育种技术、加速育种进程和保障我国优质稻米生产方面具有重要的实践理论和意义。
2023年2月9日，中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才团队、李家洋院士团队和中国科学院东北地理与农业生态研究所卜庆云团队等合作在《National Science Review》发表了题为“Genomic Decoding of Breeding History to Guide Breeding-by-Design in Rice”的研究论文，团队成功构建了我国东北稻区经验育种史的分子诠释模型，归纳并验证了该地区不同时期水稻育种规律及未来趋势。
研究团队收集了涵盖东北稻区自1940年代到2010年代选育或引种的546份水稻品种资源，进行了重测序和22个农艺性状表型的调查。研究发现东北地区水稻品种可归类到3个具有不同进化特征的亚群(图1)，以石狩白毛为骨干的K3G1亚群在上世纪80年代前的黑龙江品种中占主导地位，随后被以虾夷和空育131为骨干的K3G2亚群取代;而以富士光和藤系138为骨干的K3G3亚群主要分布在辽宁和吉林，但随着时间推移，其在黑龙江省的占比也越来越高。同时确认了籼稻渗入对东北水稻稻瘟病抗性和穗部性状的重要贡献。将品种选育印记追溯到123个已知或新检测到的QTL位点以及大量籼稻渗入片段，系统总结了一些具有年代特征的关键性QTL位点或渗入片段，为后继的品种设计选育提供了依据(图1)。
图1. 东北地区水稻亚群演变及关键QTL或籼稻渗入片段
同时，李家洋院士团队利用分子设计育种，培育了的“中科发”系列水稻品种，其中代表性品种“中科发5号”已成为黑龙江省与吉林省的主栽品种。通过对中科发5号进行解析，发现其优异等位基因组合与上述分析所揭示的东北地区品种选育趋势高度契合，是全基因组设计育种的一个绝佳例证。
这项成果全面解析了中国东北地区水稻遗传结构和育种关键位点，揭示了经验育种反馈在基因组上的普遍规律，为东北水稻品种的全基因组设计育种提供参考依据和范例，有望进一步推动水稻分子设计育种的完善和实施，并为其它作物经验育种史的解析和分子设计育种研究提供参考。
中国科学院遗传发育所陈倬博士后、中国科学院东北地理与农业生态研究所卜庆云研究员、中国科学院遗传发育所刘贵富研究员为该论文共同第一作者，中国科学院遗传发育所储成才研究员、李家洋院士、唐久友副研究员为文章共同通讯作者。我所方军研究员和李秀峰助理研究员、中国科学院遗传发育所梁承志研究员、薛勇彪研究员、程祝宽研究员、中科院植物所刘华招高级工程师、北大荒垦丰种业王茂青农艺师等参与了研究。研究工作得到了中科院先导项目资助。
论文信息
Zhuo Chen#, Qingyun Bu#, Guifu Liu#, Maoqing Wang, Hongru Wang, Huazhao Liu, Xiufeng Li, Hong Li, Jun Fang, Yan Liang, Zhenfeng Teng, Sai Kang, Hong Yu, Zhukuan Cheng, Yongbiao Xue, Chengzhi Liang, Jiuyou Tang*, Jiayang Li*, Chengcai Chu*. (2023) Genomic decoding of breeding history to guide breeding-by-design in rice, National Science Review, nwad029.
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad029
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