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水稻三系不育系天丰A抗螟虫与稻瘟病的抗性改良及应用研究
一、引言
1.1研究背景与意义
水稻作为全球最重要的粮食作物之一,为超过半数的世界人口提供主食。在中国,约60%的人口以大米为主食,水稻在粮食生产中占据着极其重要的地位,其产量和质量直接关系到国家的粮食安全与社会稳定。2023年,我国稻谷种植面积达28949千公顷,产量高达20660万吨,单产水平提升至7.14吨/公顷。持续稳定地发展水稻生产,对于保障国家粮食安全和促进国民经济发展具有不可替代的作用。
天丰A是广东省农科院水稻研究所新育成的野败型高异交性优质籼稻三系不育系,具有米质优、配合力强、易于繁制种和配制组合优势强、适应性强等特性,以天丰A育成的三系杂交稻组合如天优998、天优122、天优华占等在杂交水稻生产中被广泛应用,在我国华南等地区的水稻种植中占据重要地位,为水稻产量的提升做出了显著贡献。
然而,水稻生产过程中面临着多种病虫害的威胁,其中螟虫和稻瘟病是影响水稻产量和品质的重要因素。螟虫,如二化螟、三化螟等,以幼虫蛀食水稻茎秆,造成枯心、白穗等症状,严重影响水稻的生长发育和产量形成。据统计,严重发生时,螟虫可导致水稻减产20%-30%,甚至更高。稻瘟病是由稻瘟病菌引起的世界性水稻主要病害之一,在我国各水稻栽培区均经常发生,年均为害面积达400万hm2以上,导致的产量损失在20亿kg以上。稻瘟病在水稻的各个生育期和部位均可发生,可分为苗瘟、叶瘟、穗瘟等,尤其是穗颈瘟会造成水稻白穗,导致产量大幅下降。如1985年和1993年四川省因稻瘟病发病面积分别为72.93万hm2和49.2万hm2,损失稻谷分别为4.1亿kg和2.5亿kg。
天丰A及其所配组的杂交稻组合在面对螟虫和稻瘟病时,存在一定的抗性弱点,这在一定程度上限制了其产量潜力的发挥和种植范围的进一步扩大。在病虫害发生较为严重的年份和地区,天丰A系列组合的产量和品质受到明显影响,给稻农带来了经济损失。因此,改良天丰A对螟虫和稻瘟病的抗性具有重要的现实意义。通过提高天丰A的抗性,可以减少农药的使用量,降低生产成本,减轻对环境的污染,实现农业的可持续发展;同时,增强天丰A的抗性能够保障水稻的产量和品质,提高稻农的收益,对于保障国家粮食安全和促进农业经济的稳定发展具有重要的推动作用。
1.2国内外研究现状
1.2.1天丰A研究现状
天丰A作为一种重要的籼稻不育系,具有诸多优良特性。它属于野败型高异交性优质籼稻三系不育系,米质优,其米粒外观晶莹剔透,口感较好,在市场上受到消费者的青睐。天丰A配合力强,能够与多个恢复系配组,产生具有强大杂种优势的杂交稻组合。以天丰A育成的三系杂交稻组合天优998、天优122、天优372、天优290、天优华占等已通过省或国家审定,并在生产中得到广泛应用。例如天优华占,在全国多个地区种植表现出高产、稳产的特性,成为了水稻种植中的主栽品种之一。天优A易于繁制种,其异交结实率较高,有利于降低种子生产成本,提高种子产量,为杂交水稻的大面积推广提供了种子保障。天优A配制组合优势强、适应性强,在不同的生态环境下,如华南的高温多雨地区、长江流域的湿润气候区等,都能表现出较好的生长态势和产量水平,适应了不同地区的种植需求。
1.2.2螟虫和稻瘟病抗性研究进展
在水稻对螟虫抗性机制方面,研究发现水稻主要通过物理防御和化学防御两种方式抵御螟虫侵害。物理防御包括水稻茎秆的硬度、硅含量等,茎秆坚硬且硅含量高的水稻品种,能够增加螟虫蛀入的难度,从而减少螟虫的侵害。化学防御则涉及水稻体内产生的次生代谢物质,如萜类、酚类等,这些物质能够影响螟虫的取食、生长和发育,降低螟虫的繁殖能力。在相关基因研究中,已经克隆和鉴定了一些与螟虫抗性相关的基因,如Bph14、Bph15等,这些基因通过调控水稻的防御反应,增强水稻对螟虫的抗性。在育种研究上,育种家们通过常规杂交育种和分子标记辅助选择技术,将螟虫抗性基因导入到优良水稻品种中,培育出了一系列具有螟虫抗性的水稻新品种。
针对稻瘟病抗性机制,当稻瘟病菌入侵水稻时,水稻自身的免疫系统会被激活,包括丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路的激活、病程相关基因的表达上调、植保素的合成等过程。福建农林大学唐定中教授课题组研究发现,丝裂原活化蛋白激酶OsMAPK3通过磷酸化OsNAC29第304位苏氨酸以稳定其蛋白并增强其转录活性,从而促进OsNAC29对下游植保素合成基因OsTPS28和OsCYP71Z2的转录激活,进而增强水稻免疫。在稻瘟病抗性基因研究方面,已经克隆了多个稻瘟病抗性基因,如Pib、Pi9等
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