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智能设计育种技术实现水稻抗“镉”

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本报记者 俞慧友

稻米镉含量超标,既影响粮食安全,又影响稻米产业健康发展。如何破解这一难题?湖南省农业科学院湖南杂交水稻研究中心副主任、研究员李莉团队给出了他们的答案。团队应用自主研发的染色体片段缺失型镉低积累水稻智能设计育种技术,成功培育出我国首个通过国家品种审定的镉低积累水稻品种“西子3号”。无需特殊栽培方式,它产出的稻米镉含量就远低于0.20毫克/千克的国家标准限量值。

日前,染色体片段缺失型镉低积累水稻智能设计育种技术入选2024年农业重大引领性技术。

应急品种特性不稳定

农田土壤受到镉污染,最严重的影响之一便是稻米会吸收和积累了过多的镉。镉含量超标的稻米若被人食用,将严重影响人体健康。如何降低水稻对镉的吸收和积累,一直是科研人员关注的问题和研究重点。

在李莉团队开展这项研究之前,科研人员已尝试在水稻生产中筛选出应急性镉低积累水稻品种。所谓应急性镉低积累水稻品种,主要指在现有杂交水稻组合中筛选出具有一定镉低积累特征的水稻品种。但从应急性镉低积累水稻品种的田间表现来看,其镉低积累特性存在不稳定性,且需要采用特殊栽培方式与之配套。

为解决应急性镉低积累水稻在生产实践中出现的这一难题,李莉团队开始探索研究,试图找到一种可在中、重度镉污染农田种植,无需特殊栽培方式也能保持稳定镉低积累特性的水稻资源。

“多年来,国内外鉴定了大量可育水稻表型,但未能发现稳定镉低积累种质。而水稻不育系一般不能自交结实,所以通常无法鉴定籽粒镉积累表型。我们前期研究发现,籽粒镉积累表型由孢子体基因型决定,对于不育材料采用任意父本异交授粉结实的方法能鉴定其表型。因此,我们开始了大规模、高强度的不育系籽粒镉含量鉴定。”李莉说。

另辟蹊径找到核心种质

为此,团队另辟蹊径,建立了不育系籽粒镉积累表型鉴定方法。这种方法能够利用花期相遇的任意可育材料,对三系不育系及未恢复育性的两系不育系开展异交授粉。待不育系受精结实后,再鉴定其籽粒镉积累特性。“这种方法扩大了镉低积累资源筛选范围。”湖南省农业科学院湖南杂交水稻研究中心研究员王天抗说。

团队将搜集到的大量国内外杂交水稻亲本资源种植于中、重度镉污染田。2018年,团队利用不育系籽粒镉积累表型鉴定方法,率先挖掘出稳定的镉低积累不育系珞红3A和珞红4A。鉴定结果显示,珞红3A和珞红4A在全镉含量为0.80毫克/千克土壤中种植,籽粒镉含量分别为0.027毫克/千克和0.017毫克/千克;在全镉含量为5.00毫克/千克的土壤种植,籽粒镉含量分别为0.043毫克/千克和0.037毫克/千克,大幅低于国家标准限量值。

为解析珞红3A、珞红4A镉低积累的遗传基础,团队利用第二代和第三代高通量测序技术,对珞红4A进行了全基因组测序。他们发现,珞红3A和珞红4A的第7号染色体有一段长度为408481个碱基对并包含多个镉吸收、转运关键基因的大片段(Org)缺失,且在缺失处插入了一段长度为2980个碱基对的序列(Tons)。共分离试验结果证明,Org缺失和水稻籽粒镉低积累性状存在紧密关联。

“应急性品种的镉低积累特性不稳定,且需要结合后期灌水、调节pH值等栽培措施,操作比较复杂,农民不容易接受。我们发掘的镉低积累种质具有稳定的镉低积累性状,这为选育稳定镉低积累水稻新品种提供了重要的材料基础。”中国工程院院士、湖南省农业科学院党委书记柏连阳介绍。

建立精准分型技术体系

针对Org缺失及Tons插入,团队开发了共显性Taqman分子标记组合,建立了水稻镉积累精准分型技术体系。王天抗说,这一体系可保障科研人员在水稻苗期快速、精准地区分镉低积累、非镉低积累及杂合单株,准确率达100%。

李莉告诉记者,利用该技术体系,团队以珞红3A、珞红4A转育的多基因聚合镉低积累中间材料作为供体,以主推常规稻或杂交稻亲本作为受体,采用杂交、回交育种策略,开始品种选育。技术体系的应用,大大加速了团队镉低积累水稻品种创制速度。

在精准分型技术体系的基础上,团队最终建立了聚合镉低积累、抗病虫、优质、高产等分子标记前景和全基因组背景选择的染色体片段缺失型镉低积累水稻智能设计育种技术,极大提升了镉低积累、优质、高产新品种的选育效率。

2020年起,团队选育出适合在中、重度镉污染稻区种植的“西子3号”“西子9号”“西子17号”等高产优质镉低积累常规稻品种10个,“西3S”等镉低积累两系不育系2个,“西恢3号”“西恢5号”等镉低积累恢复系7个,测配出“西两优4号”等镉低积累苗头组合2个。

“西子3号”在国家区试中的表现十分突出,在2021年和2022年国家各区试点“西子3号”糙米镉含量仅为0.000—0.098毫克/千克,大幅低于国家限量标准0.20毫克/千克;米质综合评级为部标优2级,平均亩产565.03千克。

2021年,“西子系列”镉低积累水稻新品系在湖南省湘阴县镉污染稻田率先开展试验示范,示范面积160亩;2022年,其在湖南省湘潭县、赫山区、湘阴县等15个县区开展示范,总面积1155亩;2023年,其在湖南省内外13个县区开展示范,总面积600亩,均实现安全生产,并在各示范点表现出极显著的降镉效果。

李莉举例,“西子3号”“西子4号”“西子5号”“西子11号”“西两优2号”“西两优4号”的糙米平均镉含量分别为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,大幅低于国家限量标准值,与对照组相比降镉幅度达到95%以上。在镉低积累的基础上,“西子系列”镉低积累水稻还表现出了优质、高产特性,真正实现了土壤镉超标稻田里产出放心大米。

2023年,“西子3号”成为我国首个通过国家审定的镉低积累水稻品种,可在湖南、江西、浙江、湖北等地的双季稻区的耕地安全利用区(镉含量小于或等于1.5毫克/千克)开展晚稻种植。

染色体片段缺失型镉低积累水稻智能设计育种技术助力我国实现了镉低积累水稻重大品种选育的种质创新,引领南方镉污染稻区走上了绿色优质、增产增效之路,为粮食丰产、农业增效、农民增收、产业兴旺提供了重要技术支撑。

今年,“西子3号”已在我国长江中下游地区省份开展大面积推广种植,这对保障食品安全、国家粮食安全具有重要意义。

“未来,我们将重点攻关杂交水稻智能设计育种技术,培育超高产、口感好、镉低积累、多抗、广适的杂交水稻新品种,为保障国家粮食安全作出应有贡献。”柏连阳说。

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