中国水稻研究所种质创新团队创制出低镉高锌和低镉高硒稻米育种新材料

来源：BioArt植物

近日，Journal of Integrative Plant Biology （JIPB）在线发表了中国水稻研究所种质创新团队题为 Development of nutritious rice with high zinc/selenium and low cadmium in grains through QTL pyramiding 的研究论文。

该研究以多年表现稳定的低镉稻米材料为核心，与高锌、高硒稻米材料杂交，通过分子标记辅助筛选，创制了低镉高锌、低镉高硒稻米的水稻育种新材料。JIPB 还在线发表了南京农业大学资源与环境科学学院、作物遗传与种质创新国家重点实验室黄新元教授、赵方杰教授撰写的题为 QTL pyramiding for producing nutritious and safe rice grains的评论文章，介绍了这项通过QTL聚合手段创制籽粒富含矿质营养元素同时重金属低积累的水稻育种材料的最新研究成果。

近几十年来，由于工业“三废”不合理排放、污水灌溉、污泥农用及含有重金属农药、化肥的不合理使用，导致我国部分地区的稻田镉污染较为严重，特别是在南方稻区（Chen 等，2018a；丁仕林等，2019）。水稻是积累镉能力较强的农作物，镉污染田种植的水稻收获的稻米镉含量往往超过我国规定的稻米镉含量安全阈值0.2 毫克/千克（Chen 等，2018b）。通常，粳稻的稻米镉含量相对低，而籼稻和杂交稻则较高，而我国南方稻区品种又以籼稻和杂交稻为主。因此，培育低镉籼稻和杂交稻新品种显得尤为迫切。去年，南京农业大学资环学院赵方杰团队（Lu 等，2019）在中嘉早17中成功过表达OsHMA3基因，创制了低镉籼稻品种，在水稻育种界产生了广泛影响。

水稻自然群体中蕴含丰富的有待挖掘和利用的遗传资源。长期以来，中国水稻研究所种质创新团队便开展了水稻重要农艺性状的遗传研究和品种改良。早在2010年，研究团队与中科院上海植物生理生态研究所合作，利用籼稻93-11与粳稻日本晴构建的重组自交系对水稻49个重要农艺性状进行了遗传定位分析（Wang 等，2011）。2013年，种质创新团队又成功构建了中国第一代超级稻“两优培九”来源的重组自交系群体，并解析了杂交稻产量性状的遗传基础（Gao 等，2013）。在前期工作的基础上，该团队利用分子聚合设计出高产优质的水稻品种（Zeng等，2017）。

从2013年开始，种质创新团队便已开始关注水稻的镉污染问题，期望寻找和利用优异遗传位点来实现低镉品种的改良。研究团队与中科院上海逆境中心、南京农业大学合作，利用“两优培九”来源的重组自交系及其高密度的遗传图谱，对稻米镉含量进行遗传分析，检测到3个控制稻米镉含量的QTL位点；并选择其中的GCC7 位点加以深入解析，构建了以93-11为遗传背景、来自培矮64s（PA64s）片段的染色体片段替换系。该替换系的稻米镉含量比对照93-11显著下降，而其它重要农艺性状相近，成为优良的育种材料（Liu等，2019）。

铁、锌、硒等基本矿物元素的缺乏可导致人类的“隐性饥饿”，世界超过半数以上人口存在不同程度的矿物营养不良（Huang和Zhao，2020）。在研究稻米镉含量遗传基础的同时，种质创新团队还关注稻米的营养品质，包括锰、锌、硒等微量元素的含量，检测到多个控制稻米锰、锌、硒含量的主效QTL位点。

团队历时多年，成功构建了一套以93-11为遗传背景、来自PA64s片段的覆盖整个基因组的染色体片段替换系（Zhang等，2019），包括了控制稻米锰、锌、硒含量的主效QTL的替换系。在该研究中，团队以前期创制的低镉材料为核心，采用QTL聚合手段，将控制这些元素含量的主效QTL聚合在一起，创制出新的优异水稻材料。首先，团队经过多年两地实验验证了替换系CSSLGCC7的稻米镉含量比对照93-11显著降低，同时锰含量得以提高（Liu等，2017）。

进一步解析发现，替换系植株的高锰低镉稻米是由于两个相邻主效QTL——GCC7和qGMN7.1的不同功能造成的，即GCC7PA64s等位型使稻米镉含量下降，而qGMN7.1PA64s 等位型使稻米锰含量上升。以替换系CSSLGCC7 为核心材料，与高锌稻米替换系CSSLGZC6 和高硒稻米替换系CSSLGSC5 分别进行杂交，通过分子标记在后代中分别筛选出GCC7与GZC6、GCC7与GSC5的聚合材料。这些材料在重要农艺性状上与93-11品种相近，稻米品质性状表现为低镉高锌和低镉高硒，在水稻的品质育种中将有广泛的应用价值。

种质创新团队创制低镉高锌和低镉高硒稻米新材料

中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室刘朝雷博士和丁仕林硕士为论文并列第一作者，高振宇研究员和钱前研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的经费支持。