水稻快速育种技术的研究进展

水稻是我国最重要的粮食作物之一,在保障粮食安全方面发挥着主力军作用。得益于科技发展尤其是水稻育种科技的进步,自水稻矮化育种和杂交水稻的大面积应用以来,我国水稻单产先后实现了两次质的飞跃。新时期消费者对水稻品种和稻米产品的需求越来越多元化,当前的水稻育种效率仍不够理想,难以满足未来需求。作为自花授粉作物,水稻在育种过程中的杂交分离世代需要经过多代连续自交才能实现性状的纯合稳定。然而,大田环境下水稻生长周期长、难以进行周年种植,导致水稻育种周期长,成为水稻育种的瓶颈之一。快速育种(Speed breeding)技术是近年来兴起的通过环境调节和生长调控等综合措施促进作物生长、开花和成熟从而加快作物世代进程的新技术,可以缩短从种子到种子的繁育周期,实现一年多代繁育,有望显著缩短育种年限、提升育种效率。本文以水稻为重点,从作物快速育种技术的兴起、水稻快速育种的研究概况、水稻快速育种中的关键基因、影响水稻繁育周期的环境因素、快速育种与现代育种技术的融合等方面,系统梳理水稻快速育种的研究现状和进展,并对该领域研究面临的挑战及今后的重点方向进行讨论和展望,旨在推动水稻快速育种技术的发展和应用,提升水稻育种效率,为保障粮食安全和农业可持续发展提供有益参考。

部标1级优质稻新品种黄丝粤占的选育

在保障粮食安全和消费者对稻米品质要求日益提高的双重背景下,为了培育高产、优质、广适性大品种,笔者在核心种质育种理论指导下,通过将传统系谱法、分子标记辅助选择技术和运用先进仪器设备鉴定相结合的方法,选育出部标(NY/T 83—2017)1级优质稻新品种黄丝粤占。黄丝粤占在不同年度和不同区域试验中表现出株型理想、丰产性好、适应性广、抗稻瘟病、食味品质优异的特性,实现了高产、优质和抗病等优良基因的有效聚合。2023年黄丝粤占通过广东省农作物品种审定委员会审定,适宜广东粤北以外稻作区作早、晚稻种植,具有很大的推广潜力。

高质量发展形势下广东粮食生产现状、问题与对策

广东是经济强省,也是人口大省,保障粮食安全对促进社会经济高质量发展具有重要作用。通过调研、查阅资料和系统分析,发现广东粮食生产中存在以下几方面问题:人均粮食产量和粮食自给率低、粮食播种面积和单产下降、各地市发展不平衡、种粮普遍亏损和种粮主体老龄化严重。这些问题严重威胁着广东粮食安全和产业高质量发展。在社会经济高质量发展的大背景下,提出保证粮食安全和产业发展的建议:首先是全省一盘棋,制定粤粮提升战略,建立粮食产业综合管理部门,从粮食产业链发展角度,制定约束性发展目标和落实措施;其次是突出重点,补齐各地产能短板,包括口粮为先、水稻为主、稳定水稻面积、增加粮食种植面积和以平均单产低于全省平均的地级市为重点等;三是精准施策,实现“政府要粮安和农民要效益”的协调,包括“藏粮于地”提高土地利用率、“藏粮于技”科技驱动、多措并举实现大面积均衡增产、合理补贴提高种粮效益与积极性,扶持各类农业新型经营主体带动农户同步发展。

耐盐水稻新品种广红3号的选育与应用

广红3号系广东省农业科学院水稻研究所以金桂华占为母本、广红1号为父本选育的常规籼稻红米品种,具有高产稳产、较耐盐碱的特性,2015年通过广东省农作物品种审定委员会审定,2020年通过国家农作物品种审定委员会审定。以广红3号作父本配置的杂交稻组合深两优红3、两优红3和莹两优红3先后通过广东省农作物品种审定委员会审定。文章介绍了广红3号的选育过程、主要特征特性、栽培技术要点及配组利用情况。

水稻叶形态的建成及分子机制研究进展

水稻叶片形态是决定理想株型的关键因素。根据“源库”理论,水稻叶片形态通过影响光合效率等“源”流影响水稻产量。其中,叶片大小、卷曲度以及叶倾角是植物整体株型和叶型中决定产量的关键农艺性状。近年来,已有许多控制叶片形态的基因被克隆与鉴定。水稻叶片发育过程可分为3个阶段:水稻叶原基的形成、极性的建立及维持、叶片的扩张。近年来,随着分子生物学技术的快速发展,众多调控水稻叶片形态的关键基因的重要功能已被阐明。譬如,PLA1、PLA2等基因在细胞分裂过程中的协同作用,NAL1、NAL9、NRL1、NRL2等基因在叶脉发育中的协同调控,SLL1、SRL2等基因对厚壁组织细胞结构的精细调控,OsPIN1、OsWOX3A等基因对植物激素的极性运输和分配等,共同构成了水稻叶片形态复杂调控网络的基石,为深入理解作物叶片形态发育的分子机制提供了重要线索。研究影响水稻叶片形态的分子机制,对于利用“源库”理论实现水稻的高产稳产具有重要生物学意义。

一种基于深度学习的水稻种子分类方法

水稻是一种重要的粮食作物,其种子质量特别是纯度直接影响着水稻的产量和品质。传统的种子分类方法主要依靠人工视觉,效率低、误差率高。为了提高水稻种子分类的准确性和效率,建立了一种基于深度学习的水稻种子分类方法。本研究自行拍摄并构建了5个不同水稻品种含有80000张水稻种子图片数据集,首先利用卷积神经网络(CNN)从水稻种子图像中提取特征,然后利用自建RiceFastNet模型对提取的特征分类。结果表明,该方法在识别外观相似度较高的不同品种水稻种子时,分类准确率超过96%,优于传统的种子分类方法。本研究提出的新方法在提高水稻种子检测准确率方面具有潜力和优势。

水稻开颖突变体的遗传分析和基因克隆

花器是种子生成的基础,水稻花器发育直接影响稻谷产量与品质。源美丝苗与P704杂交后代中发现一株开颖突变体(oh,open-hull),其穗部发育有缺陷,主要表现为:开颖,结实率显著下降,种子变小。遗传分析发现开颖表型由一对隐性细胞核基因控制。通过BSA分析,开颖基因被定位于水稻第3染色体上,检索发现候选区间与Os MADS1(LOC_Os03g11614)基因重合,与蜀恢498参考基因序列进行比对,oh中OsMADS1的第一外显子第118位发生碱基颠换,导致编码的天冬氨酸变成酪氨酸,将该等位基因命名为OsMADS1^(oh)。从oh中克隆OsMADS1^(oh)并构建过表达载体,通过农杆菌介导转入易转化材料(中花11)中,转基因后代出现开颖表型,证实OsMADS1^(oh)导致开颖。另外,RNA定量分析结果表明,MADS8和YABB5的表达受OsMADS1调控。本研究从育种材料中筛选到开颖突变体,并从中鉴定了新的Os MADS1等位基因,为阐明花器形成的分子机理研究提供了特异种质和基因资源。

面向育种应用的高州野生稻片段导入系构建与产量性状QTL分析

野生稻是水稻育种的宝贵基因库,但基因组杂合性高,与栽培稻差异大,为育种上直接利用野生稻带来了困难。构建野生稻片段导入系为挖掘和利用野生稻基因资源提供了有效的技术手段。本研究以广东高州野生稻为供体,粳稻品种中花11为受体,通过多代杂交和自交,以育种目标性状为筛选标准,甄选出100个片段导入系。对这100个导入系的产量相关性状(单株有效穗数、总实粒数、千粒重、每穗实粒数和单株产量)进行考察,发现它们至少有1个性状要优于对照品种中花11,显示出在产量改良上的应用潜力。导入系全基因组覆盖度46.9%,共识别出20个产量相关QTL。这些片段导入系作为高州野生稻新型种质资源,为利用野生稻助力水稻种质创新提供了资源储备。

水稻粒型调控基因功能研究进展

水稻是世界上的重要谷类粮食作物之一,其产量和品质一直都是育种学家关注的重点,关系到全球粮食安全和人类健康。水稻粒型主要包括粒长、粒宽、粒厚等,是受多基因控制的重要数量性状,不仅直接影响水稻产量,还与水稻品质密切相关。深入了解水稻粒型的形成与调控机理将有助于进一步提升水稻单株产量、改善稻米品质。分子生物学的发展和基因组学的研究为探究水稻内部调控机制带来了新的变革。大量水稻粒型的数量性状遗传位点(Quantitative trait locus,QTL)成功被鉴定与解析,并验证了与之有关的基因功能。目前,已有几条调控粒型的通路得到鉴定,如泛素-蛋白酶体降解途径、G蛋白信号途径、丝裂原活化蛋白激酶途径、转录因子调控途径、植物激素途径以及表观遗传途径等。然而,粒型调控网络极其复杂,多数基因上下游的调控组件作用机制尚不清楚,甚至影响粒型的各条通路间均存在一定的交叉互作。本文综述了影响水稻粒型的不同信号通路相关基因研究进展及关键粒型基因间的互作关系,总结了近年来粒型基因在育种上的应用情况,并提出结合多组学解析水稻粒型的调控机理研究,以期更好地服务于分子设计育种,为开发新的高产优质稻育种提供支撑。

华南双季稻区不同季别种植籼稻品种整精米率差异及高整精米率材料筛选

整精米率是决定稻米商品价值的重要性状之一,筛选不同环境条件下种植都具有高整精米率的品种具有重要意义。本研究通过比较357个籼稻种质在广东省农业科学院大丰试验基地不同年份(2021—2023)不同季节(早、晚季)种植时的整精米率,发现2021年晚季的整精米率最好、2022年早季次之、2023年早季最差。其中,泰丰B、19香、广恢6200、粤黄丝苗、华新占、香雪丝苗等17份长粒籼稻的整精米率在3次不同种植环境下均达GB/T17891—2017优质稻标准,适用于高整精米率水稻育种。

水热处理等物理改性方法对稻米淀粉组成及血糖生成指数的影响

本文介绍了稻米淀粉的分类和存在形态,综述了常用物理改性方法——水热处理(包括湿热处理、退火和蒸制等)改变稻米淀粉结构和成分,以及影响稻米淀粉血糖生成指数(GI)的机制。分析了影响水热处理及后续回生过程效果的因素(原料淀粉组成、温度、时间、含水量、处理次数等),并讨论了高静压、超声和微波等新型非加热淀粉物理改性方法改变稻米淀粉GI的技术特点。文章最后指出,采用加压蒸煮、高静压、超声及微波复合处理准确控制淀粉迁移、重组、糊化和回生过程,可能是未来采用物理改性方法生产低GI食物的趋势。

粤北地区不同留桩高度下适宜再生稻品种筛选及产量构成分析

【目的】评价不同留桩高度下再生稻生育期和产量表现,筛选适宜粤北地区不同留桩高度下的水稻品种。【方法】以广东省培育或审定的34个水稻品种为供试材料,设中桩和低桩2种留桩高度,研究不同留桩高度下品种间生育期、产量和产量构成的差异。【结果】头季稻产量为5210.9~8566.8 kg/hm^(2),其中黄广华占1号最高;低桩再生季产量为3335.0~6357.3 kg/hm^(2),较中桩(2084.4~5940.5kg/hm^(2))提高16.1%,2种留桩高度下均以青香优19香再生季产量最高。聚类分析表明,中桩条件下,再生季产量和两季总产(头季+再生季)可分为高产、中高产、中产和低产4大类群,二者各类群数量分别为4、7、18、5个和1、14、14、5个;低桩条件下,再生季产量仍分为4大类群,数量分别为2、17、14和5个,两季总产则分为高产(10个)、中产(21个)和低产(3个)3大类群。与中桩再生稻相比,低桩条件下再生季生育期平均延长9.1 d,每穗粒数增加,但有效穗数和结实率降低。倒3节位、倒4节位和倒5及以下节位再生稻对产量的贡献率在中桩条件下分别为4.7%、33.3%和62.0%,在低桩条件下分别为0%、11.9%和88.1%。【结论】以再生季产量属中高产以上类群,同时两季总产属高产类群作为标准,筛选出黄广油占、黄广华占1号、黄广太占、五优粤禾丝苗、广8优金占、恒丰优387、青香优003、青香优132和青香优19香共9个品种适宜作中桩再生稻种植,二广香占3号、黄广油占、黄广华占1号、黄广太占、粤禾丝苗、南晶占、粤泰油占、黄华占、五优粤禾丝苗和广8优金占共10个品种适宜作低桩再生稻种植。中桩再生稻主要来自倒4节及以下节位,低桩再生稻主要来自倒5节及以下节位。