国家重点基础研究发展规划项目

国家重点基础研究发展规划项目课题验收报告项目编号：G1998010200项目名称：农作物资源核心种质构建、重要新基因发掘与有效利用研究课题编号：G1998010201课题名称：水稻核心种质构建起止年月：1998年10月---2003年8月课题负责人：李自超联系地址：北京海淀区圆明园西路2号中国农业大学作物学院电话及传真：62891414电子信箱Email：[e-mail]课题依托单位：中国农业大学主要承担单位：中国农业大学中国农科院品资所中国水稻所广西省农科院广东省农科院2003年10月09日1一、课题验收工作总结（一）计划任务完成情况本课题已经完成计划任务，并实现了预期目标，具体完成情况如下：1、课题计划任务书的研究内容和预期目标课题原始研究内容和目标（1）明确中国稻种资源的遗传多样性分布及多样性中心；（2）建立中国稻种资源核心种质构建的取样方法和技术体系；（3）构建在表型上占总资源80%以上，DNA水平上70%以上的遗传多样性的中国稻种资源核心种质；（4）提供一批能为水稻育种有效利用的新种质；（5）建立核心种质同工酶、DNA指纹图谱及重要形态和农艺性状数据库；（6）发表高质量论文5-8篇。课题原始年度计划内容和目标1998年1.完成取样策略的研究，提出地方种、改良种、杂交稻及野生种的取样方案和取样比例；2.根据初步研究结果，提出占地方稻种5-6%、能代表约95%以上的表型遗传多样性的初级核心种质清单，建立表型上检验核心种质的参数和方法；1999年1.地方品种在杭州、及海南岛种植扩繁，观察记载分类性状和形态性状，考察产量性状，分析品质性状等；2.地方品种同工酶分析3.完成地方品种农艺性状鉴定，聚类压缩成准核心样品;4.探索快速、高效、经济的检测稻种资源遗传多样性的DNA分子标记技术(如SSR、AFLP或RFLP等)，然后进行DNA水平上的多态性分析；发表论文1-2篇。22000年1.完成改良种、杂交稻初级样品清单；2.完成改良种、杂交稻同工酶分析工作，聚类压缩为准核心种质，并开始SSR或RFLP分析；3.完成地方种的SSR或RFLP分析，聚类压缩成的地方种核心种质；4.初步提出建立地方稻种核心种质技术体系和遗传多样性检验指标或方法；5.发表论文1-2篇。2001年1.完成野生稻表型性状鉴定及同工酶分析，聚类压缩成准核心种质；2.完成改良种、杂交稻的SSR或RFLP分析，并聚类压缩成核心种质；3.发表论文1-2篇。2002年1.完成野生稻的SSR或RFLP分析，并聚类压缩成核心种质；2.发表论文1-2篇；3.在形态、农艺性状和DNA水平上综合检测整个核心种质的遗传多样性；4.建立核心种质重要形态、农艺性状和DNA指纹图谱数据库；5.课题鉴定验收，完成课题。课题调整后三年的研究内容和目标（1）明确中国稻种资源表型性状、同工酶和DNA三水平遗传多样性分布规律及多样性中心；（2）建立中国稻种资源核心种质构建的取样方法和技术体系；（3）构建在表型上占总资源90%以上，DNA水平上70-80%以上的遗传多样性的中国稻种资源核心种质；（4）建立核心种质同工酶、DNA指纹图谱（6000份材料，72个SSR标记）及重要形态和农艺性状数据库；（5）发表高质量论文5-8篇,其中SCI收录2-3篇3课题调整后三年的年度计划内容和目标2000年1.提取杂交稻（三系）初级样品并种植扩繁和观察；2.完成改良种、野生种农艺性状鉴定工作，聚类压缩为准核心种质，开始SSR分析；3.完成地方种的SSR分析，聚类压缩成的地方种核心种质；4.初步提出建立地方稻种核心种质技术体系和检验指标或方法；5.发表论文1-2篇。2001年1.完成杂交稻（三系）农艺性状鉴定，聚类压缩成准核心种质；2.完成改良种、野生种的SSR分析，并聚类压缩成核心种质；3.发表论文1-2篇。2002年1.完成杂交稻（三系）的SSR分析，并聚类压缩成核心种质；2.发表论文1-2篇；3.在形态、农艺性状和DNA水平上综合检测整个核心种质的遗传多样性；4.建立重要形态、农艺性状和DNA指纹图谱数据库；5.课题鉴定验收，完成课题。2、课题计划任务完成的具体情况2.1完成了对原始材料的收集、整理、规范核心种质研究中，对原始数据的收集、整理和规范是第一步和进一步研究的基础，本研究中对包括地方种、改良种、三系和野生种在内的中国稻种资源64,373份材料，2,000，000多个数据进行了整理和规范。具体工作为稻种资源原始数据的整理、规范和标准化步骤：1）检查数据基本情况2）将不规范的情况进行了分类3）对数据进行规范和标准化4中国稻种资源地方种原始数据中国地方稻种资源原始数据来自中国农业科学院作物品种资源所信息中心的作物种质资源数据库，第一阶段取样依据“九五”前收集、鉴定评价的数据，第二阶段取样依据“九五”期间收集、鉴定评价的数据。数据库中有记载项目67个，仅有31个性状有记载数据。而且没有任何一个性状是数据全面的，有记载数据的材料数占总体的比例从最低的6%到最高的99.1％。在有数据记载的各性状中，其记载的规范化水平也参差不齐，采用连续型数据记载的性状无法考察其记载的准确性，而离散型数据记载的性状记载非常混乱，仅有少数性状是记载比较的规范的。将记载的不规范性进行了分类，可归为以下几种情况：（1）材料本身混杂：这种情况在记载时将几种情况进行了并列，如将粘糯混杂的情况记载为“粘、糯”或“粘/糯”，将米色记为“白、红”。（2）误记：一般是记错了列，这种情况比较少。（3）记载标准不一：这种情况比较普遍，因为这些数据是由各地方提供，在记载时使用了不同的记载标准。为减少取样中对各性状统计计算的误差，我们对离散型数据按中国农业科学院作物品种资源研究所1986年印制的《稻种资源观察调查项目及记载标准》进行了规范。中国稻种资源改良种原始数据中国稻种资源改良种截至我们选择初选核心种质时共入库编目4085份，在改良种原始库中有记载项目35个，其中，仅有14个性状有数据记载，在有记载性状中其规范性除芒长和白叶枯外记载都比较规范。对于数据的规范和整理同地方种数据。中国稻种资源杂交稻三系原始数据三系的材料原始数据记载项目39个，其性状全部是连续型数据，且记载比较全面。中国稻种资源野生稻原始数据野生稻原始库中的数据记载项目38个。这些项目中全部有数据记载，其中的离散型数据记载的性状记载比较全面，而连续型数据记载的性状缺值的材料比较多。除芒性为一混合记载性状，苗瘟和白叶枯记载存在标准不一外，其他性状记载比较规范。采用如地方种同样的方法对野生稻原始数据进行了规范。52.2建立了中国稻种资源核心种质的评价和取样体系2.2.1提出了科学的核心种质评价指标要建立有效的核心种质，首先要建立科学的评价指标。根据核心种质的概念，要求核心种质以最小的资源数代表最大的遗传多样性，即保留尽可能小的群体和尽可能大的遗传多样性，因此在选择检测参数对核心种质的优劣进行评价时，主要掌握两个原则：遗传多样性和实用性。遗传多样性是指种内不同个体间或一个群体内不同个体间的遗传变异的总合，对遗传多样性的量度包括变异的丰度（richness）和变异的均度（evenness）；实用性是指在所选核心种质中是否包含了生产上需要的优异变异，能否为当前的生产应用提供服务,如高抗逆性（盐、旱等）和高效利用性（如磷、氮高效等）资源。根据核心种质的概念结合国内外研究现状提出以下8个核心种质检验参数，即多样性指数、遗传变异的保留比例、变异系数、最大值离差、表型方差、最小值离差、表型频率方差、平均数离差。平均数离差（Dmea）：根据平均数的性质和核心种质及遗传多样性的概念，Dmea可以在一定程度上表现核心种质的均度。但是，运用Dmea的前提是对原始库中各性状的分布已经进行详细分析，然后才能得到正确的结果，否则可能会得出相反的结果。最大、最小值离差（Dmax、Dmin）：Dmax、Dmin表示核心种质性状极值与原始库极值的离差，表明了的变异范围，可以用作核心种质实用性的参考。Dmax和Dmin越小，表明核心种质中各性状的极值越接近原始库中的极值，则可能包含了育种家所需的特殊遗传变异。遗传变异保留比例（R）：R表示核心种质中所保留遗传变异的数量与原始库中遗传变异总量的比例，在一定程度上表现了所保留变异的丰度。核心种质的R越大，表明在核心种质中包含的变异越丰富，那么对育种家越有利。在确定核心种质的取样比例时，对于不同规模群体，R这个参数的表现是不同的，而且为了保证核心种质中保留了足够的变异，用R这个参数做最终的检测是必不可少的。表型方差（VPV）和变异系数（CV）：VPV和CV在一定程度上表现了各种表现型的分布情况，显示了材料的异质性，因此可以估计群体的均度。VPV和CV越大，表明所得核心种质中各性状的分布越均匀，遗传冗余度（degreeofgenetic6redundancy）越小，可以作为比较不同核心种质取样方法间优劣的有效参数。表型频率方差（VPF）：VPF同样用于估计群体的均度，其表现与VPV、CV正好相反，所得值越小，所代表的方法越好，为比较不同核心种质取样方法间优劣的有效参数。多样性指数（I）：I为多样性估计的综合性参数，不仅考虑了群体中变异的丰度（保留的遗传变异数），同时考虑了群体中变异的均度（各类遗传变异的在群体中的有效性）。所得核心种质中变异类型越丰富，变异的均度越高，I值越大，为对比不同核心种质取样方法间优劣的有效参数。主要包括Shannon-weaver多样性信息指数和Nei氏基因多样性指数。2.2.2建立了中国稻种资源核心种质的取样体系根据中国稻种资源现有数据比较少且不全面的现状，我们提出了核心种质的体系结构（见右图）。此体系采用循序渐进的方式，在数据逐步丰富的情况下逐级压缩取样。本体系在现有数据和可利用信息比较有限的情况下，保证了取样的代表性和有效性。并且，通过在最后利用详细鉴定的农艺性状建立应用核心种质，实现了核心种质既保持较高的遗传多样性，又同时保证其实用性。首先选取了中国稻种资源地方种、改良种、杂交稻三系和野生稻的初级核心种质：中国稻种资源地方种初级核心种质的建立在云南稻种资源核心种质取样策略的基础上，经过长达半年之久的计算和研究于1999年初正式提出科学合理的中国稻种资源地方种质的初级核心种质清单。构建核心种质的体系结构图利用现有性状进行取样方案研究SSR分析，聚类、压缩田间种植观察、室内考种同工酶分析原始资源初级核心种质核心种质磷高效材料核心种质应用核心种质2……应用核心种质n7清单的提出主要根据取样方案计算机取样和人工定向取样。取样策略包括取样方案和总体取样比例。取样方案研究分三个水平，即分组方法、组内取样比例的确定、组内取样方法。分组方法包括按省、稻区、丁颖分类、稻区＋亚种和省＋亚种；组内取样方法包括G、P、R和L；总体取样比例设5％、10％和15％，共得到44个备选初级核心种质，通过对44个核心种质的表型保留比例、遗传多样性指数、表型方差、表型频率方差和变异系数等分析，最终确定以丁颖分类体系分组、按平方根或对数比例在组内聚类取样为最佳取样方案。5%的取样比例保留比例达到96%以上，10％取样比例保留比例可达97％以上。综合中国稻种资源核心种质和云南稻种资源核心种质取样策略的研究结果，认为5%-10%是较合理的取样比例。为保证以最小的资源数量保留最大的遗传多样性，另外，还考虑到现有数据比较缺乏，实际提取了约8%的资源作为初级核心种质，其中按取样方案计算机取样6%，约3008份，人工定向取样约1000份。人工定向取样主要考虑计算机取样遗漏的稀有资源，及已被育种所利用的（如抗性资源、优质资源等）优异资源。中国稻种资源改良种初级核心种质的建立改良种初级核心种质取样策略以稻作生态区分组，在组内随机取样为主，人工定向取样主要考虑以下几点：品种系谱、品种推广面积、特殊遗传资源或优异资源等。尽管改良种遗传基础较地方种狭窄，但考虑到其使用性较高，最终取样比例为18%。共提取586份改良种初级核心种质，种子来源主要是从国家种质资源库有尝提取。检