摘要：近年来，分子标记辅助选择在水稻遗传育种改良中发挥着重要作用，为水稻新品种（系）的培育提供了新的途径。本文首先介绍了分子标记辅助选择的原理及其在水稻育种中的优势；着重综述了运用分子标记辅助选择技术在水稻产量、品质及抗性等相关性状育种中的应用进展；最后简要介绍了该技术在实际应用中存在的一些问题，并提出了相应的对策。
关键词：水稻；分子标记；分子标记辅助选择；品种
中图分类号：S511.035.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）01-0137-06
水稻是我国第一大粮食作物，其生产在我国粮食生产和农业发展中具有举足轻重的战略意义。近年来，随着水稻播种面积的逐年缩减和自然灾害的频繁发生，粮食安全生产仍面临严峻的挑战。高产优质多抗水稻新品种的培育是水稻育种家们长期追求的目标，而育种技术的进步是水稻增加产量、提高品质和增强抗病的主要途径之一。如何将新型的生物技术更加有效而又安全地应用到作物育种中成了新的课题。分子标记辅助选择（Marker-assistedselection，MAS）将目标基因型的鉴定与传统育种相结合，通过有性杂交将目的基因转移到需要改良的亲本中，提高了作物育种的目标定向性和中间育种材料的筛选效率，在过去十几年中逐渐得到普遍应用。本文就MAS在水稻新品种（系）培育上的应用作简要的介绍。
1MAS的原理及在水稻遗传育种中的优点
1.1MAS的原理
MAS是利用分子标记跟踪目的基因，从而成为作物遗传改良的一种辅助手段[1]。其基本原理是利用与目的基因紧密连锁或共分离的分子标记，对育种分离群体中的个体进行目标区域和全基因组筛选（目的是为了减少连锁累赘），获得期望的个体，从而达到提高育种效率、加速育种进程的目的。
MAS主要包括前景选择和背景选择。前景选择是直接对目标基因进行选择，其可靠性主要取决于分子标记与目标基因之间的连锁程度。若只利用一个标记对目标基因进行选择，只有该标记与目标基因紧密连锁时，才能够达到较高的选择效率。若用目标基因两侧相邻的两个或两个以上的标记对其跟踪选择，可大大提高选择的正确率。背景选择是对基因组中除目标基因之外的其它性状（即遗传背景）进行选择。与前景选择相比，背景选择包括了整个基因组。背景选择主要有两个作用：一是可加快遗传背景恢复为轮回亲本基因组的速度，缩短育种年限；二是可以避免或减轻连锁累赘[2]。水稻上，已建立了高密度分子标记连锁图谱，使得我们对选育群体中各单株的全基因组选择成为可能。Young等[3]发展了一种用图示基因型分析整个基因组的方法，在各染色体上选取多个标记，后代各单株的整个基因型用图示的方式显示出来，然后通过图示基因型来选择具有最佳基因组合的单株，这也为水稻全基因组筛选从而获得需要的目标单株提供了参考。
1.2MAS在水稻遗传育种中的优点
MAS是在育种群体中选择具有某些理想基因型或基因型组合的个体，并结合常规育种手段培育优良的作物品种。其优点主要表现在可同时以多个基因为目标进行材料的筛选，将多个基因聚合到同一个育种材料中，使其品质得到改良；可提前对目标性状进行筛选。例如，提前1代进行育性恢复的鉴定，在苗期即可鉴定后期性状等；利用MAS还可延迟对目标性状的鉴定，如对多种病虫害的抗性鉴定，因某种病虫害的危害可能导致植物死亡或种子绝收，难以同时鉴定，且可能丧失在其他性状上具有优异表现的材料，采用分子标记则可先鉴定多个性状的目标基因，收种后再分类进行表型验证[4]。
总之，MAS利用与目的基因紧密连锁或者基因本身的分子标记（功能标记）选择基因型，由于是在DNA水平上选择差异，反映的是DNA的遗传变异，因此，能够在植物体的各个时期进行选择，不会受到自然环境的影响，大大提高了目的基因选择的效率和准确性，拓宽了水稻育种的方法和途径。
2MAS在水稻新品种（系）培育中的应用进展
MAS在水稻新品种培育上的应用，首先需要供体亲本（含目标基因）与受体亲本（需改良的亲本）杂交，然后通过连续回交，借助MAS转移有利性状的基因及进行多个基因的聚合，特别是聚合多个抗病基因，培育水稻新品种，从而提高品种的抗性和品质水平。目前，对控制质量性状的基因的MAS研究取得了较大的成效，对数量性状的MAS研究进展则相对较缓慢。
2.1MAS在高产水稻新品种（系）培育中的应用
产量性状属微效多基因（QTL）控制的数量性状，在利用MAS培育高产水稻新品种（系）方面取得了一定的进展。据报道，马来西亚普通野生稻基因组携带有两个高产QTLyld1.1和yld2.1，这两个QTL分别位于第1和第2染色体，具有显著的增产效应[5]，为主效QTL。吴俊等[6]以优良恢复系9311为受体和轮回亲本，以普通野生稻为供体亲本配制杂交组合，通过连续回交，利用紧密连锁的分子标记（yld1.1界于SSR标记RM9和RM306之间，yld2.1界于RM166和RM208之间）成功将这两个QTL转入到9311中，育成了携带野生稻高产QTL的强优恢复系R163，并与Y58S配组育成两系杂交稻新组合Y两优7号，该组合于2008年3月通过湖南省农作物品种审定委员会审定，同年被湖南省农业厅认定为超级杂交中稻组合。
2.2MAS在优质水稻新品种（系）培育中的应用
水稻品质性状的改良主要包括外观品质和食味蒸煮品质的改良。江良荣[7]以优质早籼稻佳幅占为供体，以珍汕97B为受体，利用MAS将与外观品质性状相关的基因回交转入到珍汕97B的基因组中，用以改良稻米的外观品质，中选株系的粒宽和长宽比得到明显改良，垩白和腹白显著减少。周屹峰等[8]利用Wx基因的特异性分子标记对国内常用的保持系进行基因型检测，从中选出宜香1B作为供体，与协青早B配组，通过常规育种和MAS技术相结合，快速育成中等直链淀粉含量、垩白率低和透明度高的不育系浙农3A。
在利用MAS对水稻食味品质改良方面，目前取得了较大的进展。王才林等[9]以高产粳稻品种武香粳14作母本，以具有暗胚乳突变基因的优质粳稻品种关东194作父本配制杂交组合。利用与暗胚乳突变基因Wx-mq直接相关的单核苷酸差异设计CAPS标记，通过MAS技术，最终将关东194的暗胚乳突变基因Wx-mq与高产基因聚合于一体，育成含有暗胚乳突变基因Wx-mq的优良食味粳稻新品种南粳46，该品种稻米品质达国标二级优质稻谷标准，2007年8月在沈阳召开的全国优质粳稻食味品评会上获得优秀奖，是南方稻区唯一进入前十名的优质粳稻品种。该品种在2008年1月通过江苏省农作物品种审定，经食味品评，被公认为是目前江苏省最好吃的大米。
香味和糊化温度是评价稻米蒸煮品质的重要指标。Bradbury等[10]克隆了水稻第8染色体上控制香味产生的基因fgr，之后关于该基因的分子标记也相继开发出来[11，12]。糊化温度的改变是由于alk基因编码区内发生碱基替换，造成SSSⅡ酶活性改变，最终表现为糊化温度的改变。王岩等[13]应用alk和fgr基因编码区的InDel标记，将中国香稻的有利等位基因导入明恢63，改良后的品系稻米糊化温度显著降低，胶稠度升高，具有香味。刘巧泉等[14]采用水稻蜡质基因内的1个分子标记（PCR-AccⅠ）进行辅助选择育种，经回交转育向特青品种导入来自中等直链淀粉含量优质籼稻的Wx基因，选育了仍保持原有亲本主要农艺性状的3个优质品系特青TT-1、特青TT-2和特青TT-3。利用改良品系与培64S所配两系杂交组合仍能保持较高的结实率及其它优异农艺性状，而杂交稻米的直链淀粉含量明显改善。
2.3MAS在抗性水稻新品种（系）培育中的应用
2.3.1MAS在水稻抗白叶枯病育种中的应用Xa21是第1个被克隆的具有广谱抗性的白叶枯病抗性基因。中国水稻研究所利用MAS转育Xa21，培育了中恢218和中恢8006等恢复系及其配置的系列组合，表现出抗性强、米质优、高产稳产等特点，在生产上得到大面积应用[15，16]。李进波等[17]以携带Xa23的CBB23为供体，以9311等优良材料为受体亲本，经MAS和农艺性状鉴定，获得5份Xa23基因纯合株系，分别与不育系培矮64S、广占63S和粤泰A配制杂交组合，15个组合在苗期和成株期对白叶枯病均表现为中抗以上，其中6个组合同时进行品比试验，有4个组合产量高于两优培九。Zhou等[18]将Xa23转育到恢复系明恢63、YR293和Y1671中，分别与珍汕97A、南丰A和中9A组配，新组合的产量在非胁迫条件下与原组合持平，在病原菌胁迫条件下比原组合显著增加。
抗性基因聚合方面，Huang等[19]以抗白叶枯病基因Xa4、xa5、xa13和Xa21为目标，分别获得了聚合2～4个白叶枯病抗性基因的IRBB品系。邓其明等[20，21]将Xa21、Xa23和Xa4聚合到杂交稻优良恢复系绵恢725中，共获得各种不同基因组合的累加系91个，从中选出同时携带Xa21和Xa4的4个高抗白叶枯病株系R207-1、R207-2、R207-3和R207-4，其中R207-2与G46A组配获得的杂交稻抗病性强、抗谱广且具有良好的生产潜力。
2.3.2MAS在水稻抗稻瘟病育种中的应用稻瘟病普遍发生于世界各稻区。目前，已报道60个抗稻瘟病位点，近70多个主效抗性基因。在单个抗稻瘟病主效基因的转育上，李仕贵等[22]利用微卫星标记RM262，对含有抗病基因Pi-d（t）的地方品种地谷与感病品种江南香糯、8987的F2群体进行选择，发现应用该标记选择纯合和杂合带型抗性植株的准确率达98%以上。王忠华等[23]利用与Pi-ta连锁的共显性标记对F3代株系进行早期筛选，得到118个含有Pi-ta的抗病纯合株系。刘士平等[24]利用位于第11染色体上与Pi-1紧密连锁的SSR标记RZ536和RM144对保持系珍汕97进行改良，得到17株含Pi-1的纯合株系。金素娟等[25]以含有广谱稻瘟病抗性基因Pi-1的籼稻材料BL122为供体，优质感病温敏核不育系GD-8S为受体，通过杂交、多次回交和自交，结合MAS，将Pi-1基因导入GD-8S中，筛选获得5个改良株系RGD8S-1、RGD8S-2、RGD8S-3、RGD8S-4和RGD8S-5。官华忠等[26，27]利用与Pi-9紧密连锁的分子标记SRM22为选择标记，成功地将水稻品系75-1-127中的Pi-9导入优质水稻雄性不育系金山B-1中；以水稻品系5173为抗性供体亲本，通过连续回交和MAS技术将稻瘟病抗性基因Pi-2导入优质低温敏核不育系金山s-2的遗传背景中，筛选出的4个单株有望替代不抗病的金山s-2，直接应用于生产。
在稻瘟病抗性基因聚合育种方面，陈红旗等[28]将Pi-1、Pi-2和Pi-33导入金23B中，培育出广谱、持久抗稻瘟病新材料W1，其抗性明显高于只携带单个抗性基因的供体亲本；柳武革等[29]以携带Pi-1和Pi-2的BL122为供体亲本，温敏核不育系GD-7S为受体，借助MAS获得5个携带2个抗性基因的改良株系。董巍等[30]利用MAS技术将稻瘟病抗性基因Pi-1、Pi-2从供体BL6中回交聚合到培矮64S中，并筛选得到10株改良株系，既改良了该系的抗瘟性，又保存了长日低温条件下的高不育率。陈学伟等[31]利用MAS将3个抗稻瘟病基因Pi-d（t）1、Pi-b、Pi-ta2聚合到优良保持系冈46B中，其稻瘟病抗性明显提高。
2.3.3MAS在水稻抗条纹叶枯病育种中的应用水稻条纹叶枯病是当前粳稻主产区危害最严重的病害之一。近几年，随着栽培技术、气候变化以及感病品种的推广应用，传毒介体灰飞虱种群不断扩大，水稻条纹叶枯病的发生逐年加重，成为中国黄淮及长江流域等粳稻区的重要病害[32]。随着分子标记技术的发展，条纹叶枯病抗性基因的分子定位也取得了重要进展[33，34]。目前，在通过MAS技术将Stv-bi基因转入感病品种中，培育抗条纹叶枯病水稻新品种方面取得了极大进展。陈峰等[35，36]设计了与Stv-bi紧密连锁的分子标记，对3个抗条纹叶枯病的混合群体进行基因型检测，其结果与田间抗性鉴定结果符合率分别为99.3%、87.7%和91.8%；以感病品种圣稻13、圣稻14为受体，以抗病品种镇稻88及高代抗病品系圣稻519为抗条纹叶枯病基因供体，采用自交改良和回交改良两种方法，利用与Stv-bi紧密连锁的分子标记H11-8、H11-12和H21进行MAS，结合条纹叶枯病田间抗性鉴定及农艺性状分析，将Stv-bi转移到圣稻13和圣稻14中，培育出抗条纹叶枯病水稻新品系。潘学彪等[37]将镇稻88中的Stv-bi基因转育到武育粳3号的遗传背景中，提高了其对条纹叶枯病抗性，保持了原品种的基本农艺性状。新品种具有丰产性、稳产性和优异的食味品质，命名为武陵粳1号，并于2009年2月通过江苏省农作物新品种审定。
另外，在聚合多个不同抗病基因方面，Domingo等[38]将多个抗白叶枯病基因、稻瘟病基因聚合在一起，拓宽了对白叶枯病和稻瘟病的抗谱。Narayanan等[39]将Piz-5和Xa21基因聚合到IR50中，同时提高了对白叶枯病和稻瘟病的抗性；Sugiura等[40]通过MAS将条纹叶枯病抗病基因Stv-bi和抗稻瘟病基因Pb1聚合，选育出新的抗性品种爱知106。
3问题与展望
目前，通过MAS与常规育种技术相结合，育种专家们在高产优质多抗水稻新品种的培育上取得很大成效，育出了一批水稻新品系，有些品系（组合）已经通过了省级或国家级品种审定。但是，MAS在水稻育种上取得的进展主要是在质量性状基因（主效基因）的转移和聚合上，而在由多基因（QTL）控制的产量性状上，虽然取得了一定的育种成效[41]，但总体上还处于技术途径探索的阶段，目前MAS在水稻超高产育种中的应用还很不够[42]。另外，目前鉴定和发掘出的对水稻育种有利用价值的基因还不是很多，可用于MAS的基因更是有限，加之在回交转移有利基因时，目标基因往往与不利性状连锁，对利用MAS培育水稻新品种（系）造成困难。可喜的是，近年来发展的基因组重测序等高通量检测技术可大大加快复杂性状基因的发掘和鉴定[43，44]。而且，随着技术的不断突破和创新，以目标基因型鉴定为核心的分子设计育种将进一步促进MAS在水稻育种的应用[45]。
在利用MAS培育水稻新品种（系）上，一定要遵循基因鉴定、定位与育种过程相结合的原则；在选择杂交亲本上尽量使用与育种直接相关的材料，如当前大面积推广的优良品种；所构建的群体尽可能做到既是遗传研究群体，又是育种群体，缩短基因定位研究与育种应用的距离，实现基因定位与育种的同步进行。另外，MAS技术要与常规育种紧密结合起来，加快水稻育种进程，提高育种效率，尽快产生较大的经济效益和社会效益。相信MAS技术将会在今后的水稻品种选育中发挥越来越重要的作用。
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