基因组学辅助解析性状-表型关系与MABB技术为香稻地方品种Mushk Budji导入主效抗稻瘟病基因

《Frontiers in Genetics》：Genomics-informed elucidation of trait-phenotype relationships and MABB approaches deliver major gene blast resistance in the aromatic rice landrace Mushk Budji

本研究通过标记辅助回交育种（MABB）策略，结合全基因组重测序与多环境表型筛选，成功将稻瘟病抗性基因Pi9和Pi54聚合至香稻地方品种Mushk Budji（MB）中。研究利用前景选择（FS）与背景基因组恢复流程，在BC2F2:3代获得约90%轮回亲本基因组（RPG）恢复度的近等基因系（NILs）。测序分析证实了品质与适应性相关关键基因（如BADH2、Wx、Rc、Hd1/Hd4/Hd5、COLD1/COLD6）有利等位基因的保留。GGE双标图分析筛选出5个在目标生态区表现稳定的优良株系，为传统香稻的抗病改良与生态适应性提升提供了基因组学辅助育种范本。

　　

引言

Mushk Budji（MB）是克什米尔谷地中海拔地区（1,750–1,900米）种植的一种短粒香稻地方品种，以其独特的香气和口感闻名。然而，其对稻瘟病病原体Magnaporthe oryzae的高度敏感性导致其种植面积在过去几十年显著下降。稻瘟病可造成70%–100%的产量损失。通过标记辅助回交育种（MABB）策略将主要抗病基因Pi9和Pi54导入MB的遗传背景，被视为一种有效且环境安全的防控手段。

材料与方法

研究以MB为轮回亲本，分别以携带Pi9基因的IRBL9W和携带Pi54基因的DHMAS 70Q 164-1b为供体亲本，开展了两项平行的回交计划。采用“同步但分步”的MABB策略，通过基因特异性标记Pi9-Pro和Pi54 MAS进行前景选择（FS），并利用全基因组SSR和超过1500个KASP标记进行背景选择（BS），以最小化连锁累赘，并在BC₂F₁及杂交BC₂F_2:3群体中实现早期轮回亲本基因组（RPG）恢复。对最终选育的近等基因系（NILs）进行了全基因组重测序（Illumina NovaSeq X平台），以验证关键品质与适应性基因座的等位变异。此外，在五个不同地点（E1-E5）进行了多环境产量试验，并利用GGE双标图分析基因型稳定性。在人工接种和田间热点条件下评估了株系对叶瘟和穗颈瘟的抗性。

结果

标记辅助回交育种

通过前景选择，成功在BC₁F₁、BC₂F₁及杂交F₁和F₂群体中追踪到Pi54和Pi9基因。背景选择显示，Pi9-NILs（如MB-IR-15）的RPG恢复度达96.55%，Pi54-NILs（如MB-DH-2）的RPG恢复度达93.54%。通过杂交Pi9-NIL（MB-IR-15）和Pi54-NIL（MB-DH-2）获得杂交F₁（SKUA-528），其自交后代经表型与基因型筛选，最终获得8个纯合携带Pi9+Pi54的聚合系（PLs）、4个纯合Pi9系和9个纯合Pi54系。

聚合系的基因组特征

利用1502个KASP标记进行背景分析显示，双基因聚合系（如SKUA-528-50-1-1-19-1-5）的基因组相似性达90.10%。全基因组重测序进一步证实了高RPG恢复度（例如SKUA-528-50-1-1-19-1-5为93.46%）。关键基因座的序列分析表明，所有聚合系均成功保留了MB的优良等位基因：包括BADH2基因的8-bp缺失（香气）、Wxⁱⁿ等位基因（低直链淀粉含量）、Rc基因的14-bp缺失（白色种皮）、GS3等位基因（短粒型）、以及COLD1（A等位基因）和COLD6（(CTC)₇重复）的耐寒等位基因。部分株系（如SKUA-528-50-1-1-19-2-13）因继承了供体IRBL9W的Hd1基因4-bp缺失，预计在克什米尔长日照生态下抽穗期早于MB。

农艺性状与品质评价

GGE双标图分析表明，大多数NILs在目标高海拔环境（E4, E5）中表现稳定，部分株系（如SKUA-528-50-1-1-3-2-1）产量高于轮回亲本MB。所有聚合系的籽粒形态、理化特性（如直链淀粉含量、碱消值）和蒸煮品质（如米粒延长率）均与MB相当。供体DHMAS 70Q 164-1b（中直链淀粉）与IRBL9W（红种皮）与MB（低直链淀粉、白种皮）在品质性状上差异显著，但聚合系成功恢复了MB的优良品质特征。

病害抗性评价

在人工接种条件下，携带Pi9+Pi54的聚合系（如SKUA-528-50-1-1-19-1-5和SKUA-528-50-1-1-19-1-94）对M. oryzae isolates Mo-nwi-kash-32和SKUA-Mo-3表现免疫反应，而单基因系（Pi9或Pi54）也表现高抗。在田间热点病圃中，所有聚合系均表现抗病（病级0-3），而轮回亲本MB高度感病（病级7-9）。

讨论

本研究成功将MABB与全基因组测序技术结合，实现了对传统香稻MB的精准改良。通过严格的前景与背景选择，不仅导入了持久抗病性，还最大限度地保留了地方品种特有的品质与适应性等位基因。全基因组测序首次明确了MB中控制香气、早熟、耐冷和淀粉品质的关键等位基因。GGE双标图分析筛选出在目标生态区表现稳定的优良株系。研究表明，在回交早代结合表型选择与标记辅助选择，是快速恢复轮回亲本表型与适应性的有效策略。

结论

研究成功通过MABB将Pi9和Pi54基因聚合到Mushk Budji中，获得了兼具高抗稻瘟病、优良品质和生态适应性的改良株系（如SKUA-528-50-1-1-19-1-5）。全基因组测序验证了关键基因座有利等位基因的保留。多环境筛选证实了改良系在产量和品质上无负面影响。这些株系有望在温带稻区推广种植，促进这一传统香稻品种的保护与面积扩大。