综述：水稻性状开发流程：指导上游研究以影响育种的系统框架，以根系生物学为例

《Plant and Soil》：The rice Trait Development Pipeline: a systematic framework guiding upstream research for impact in breeding, with examples from root biology

本文构建了国际水稻研究所（IRRI）水稻性状开发流程（TDP），旨在将上游研究与育种相联系。它涵盖从需求评估到材料交付各阶段，为水稻根系生物学研究成果用于育种提供了指引，助力培育优良水稻品种，对作物育种意义重大。

　　### 水稻性状开发流程：指导上游研究以影响育种的系统框架，以根系生物学为例
在作物育种领域，“性状开发” 至关重要，它是利用地方品种改良特定性状并引入优良品系的过程，处于育种上游。尽管其与育种均为研究热点，但性状开发常被忽视，可它却是连接上游研究与育种的关键环节。以根系生物学研究为例，虽成果颇丰，但在育种中的应用却极为有限。本文聚焦于国际水稻研究所（IRRI）的水稻性状开发流程（Trait Development Pipeline，TDP），此流程为相关研究成果在主流育种中的应用提供了系统框架。

性状开发对育种的关键意义

新作物品种的培育离不开各种性状的优化，如产量、品质、抗病性和抗逆性等。性状开发涵盖了从性状发现到部署监测的一系列环节，通过引入新的大效应等位基因，能加速育种进程，提升优良品系的遗传价值。

根系性状对作物应对气候变化意义重大，然而，目前根系生物学研究成果在作物改良项目中的应用情况却不尽人意。一方面，许多已鉴定的根系相关性状、基因或数量性状位点（QTL）未得到有效利用，其原因包括田间可靠性证据不足、缺乏可用材料以及育种者对研究成果缺乏了解等。另一方面，育种项目在实现遗传增益方面面临挑战，难以满足日益增长的需求。

育种中性状开发的关键要求

现代育种项目分为回交育种和正向育种。回交育种是将基因导入现有品种改良单一性状；正向育种则注重通过多代育种提高群体数量性状的遗传增益，形成精英材料库。但在正向育种中，为保持精英单倍型组合的完整性，通常避免使用外来材料杂交，这就需要性状开发来连接基因库资源与精英育种群体。

定性遗传变异由少数主效位点控制，标记辅助选择（MAS）旨在用寡基因方法替代或补充传统的表型 / 多基因选择。为此，性状开发必须确保基因 / QTL 在田间条件下的可靠性、在不同精英基因组背景下的有效性，同时选择方法要可靠、高通量且低成本，还要有可用的验证协议，并且基因 / QTL 能在高质量精英品系中使用，不影响产量或基因组质量。

TDP 的结构与运作

性状开发过程复杂，TDP 采用阶段 - 门系统进行组织。该系统将开发过程分为六个阶段，每个阶段都有明确的里程碑和评估标准。在进入下一阶段前，需根据既定标准进行审查，以确保质量并及时终止无意义的开发。

第一阶段为项目规划，评估性状开发的需求，整理现有信息并制定开发计划。这一阶段需根据市场需求、精英育种材料的差距以及资源情况确定是否开展性状开发，并对相关文献进行评估，找出知识空白，进而制定针对性的开发计划。

第二阶段是筛选协议与供体发现，若现有知识无法满足育种目标，则启动该阶段。此阶段的关键任务包括开发可靠且与实际田间表现相关的筛选协议，评估当前育种群体中性状的变异性，以及发现具有优良性状的供体材料。筛选协议是性状开发的核心，需综合考虑田间实际情况和各种筛选条件的优缺点，将控制环境筛选与田间筛选相结合。同时，筛选协议还用于评估精英材料和寻找新的供体材料，如利用聚焦种质鉴定策略（FIGS）筛选基因库资源。

第三阶段是位点发现，在全基因组关联研究（GWAS）之后，还需大量工作才能将研究成果用于育种。该阶段利用第二阶段确定的供体构建双亲定位群体进行 QTL 定位，以获取性状遗传的有力证据。新发现的位点必须具备能显著改善目标性状、在精英背景下有效、在不同精英背景下稳定以及在田间条件下有效的特点。在实际研究中，选择合适的群体类型至关重要，如染色体片段代换系（CSSL）群体具有诸多优势，包括固定群体便于实验重复、能直接估计位点绝对效应大小、筛选通量要求低、可降低部署成本等。此外，准确测定 QTL 效应大小也十分关键，相较于常用的百分比方差解释（PVE），绝对改善量（如加性效应）在评估 QTL 价值时更为可靠，可通过双亲定位群体或 GWAS 分析进行估计，但需保证群体规模和实验设计的合理性。

第四阶段为部署，若在上一阶段确定了有潜力的位点，此阶段则需制备更严格的遗传材料，为将这些位点引入主流育种做准备。主要工作包括开发可靠的标记系统和培育含有新位点的高质量精英品系。标记系统的设计需综合考虑多种因素，确保准确性；培育精英品系时，要严格遵循一系列质量标准，如选择高度精英且与目标育种项目相关的受体、控制导入片段大小、保证受体亲本高回收率等。若未发现能显著改善性状的主效位点，可采用表型导入的方法，但该方法较为耗时且成本高。

第五阶段是验证，当高质量的近等基因导入系准备就绪后，进入此阶段进行详细的表型验证和特征描述。主要活动包括在多种条件下评估精英近等基因供体系的有效性，在田间条件下评估潜在的产量和农艺性状损失，以及鉴定脱靶（多效性）效应。同时，此阶段也是优化遗传学研究的契机，如缩小置信区间、深入研究生理机制和克隆 QTL 等。

第六阶段为扩繁 - 品系增强，此时已具备在主流育种中使用新位点的材料，但存在受体背景可能落后、单一背景杂交会减少遗传变异等问题。因此，本阶段聚焦于将新位点快速导入多个精英背景，通过模拟确定了优化的导入策略，最终对扩繁产品进行表型验证，并将相关材料提供给育种项目。

TDP 成果在育种项目中的应用

TDP 的成果可在育种活动的多个环节发挥作用。第五阶段的验证数据能帮助育种者确定最佳选择目标；第四和第六阶段的精英供体材料可作为亲本引入新基因；第四阶段的标记系统用于固定目标基因；筛选协议则用于确认目标性状的改良效果。在应用过程中，需合理规划群体规模，确保标记辅助选择（MAS）的一致性和有效性。例如，通过计算确定合适的群体大小，实施两阶段 MAS 选择可提高效率；同时，对基因进行优先排序，持续选择目标基因，直至其固定，再进行下一个基因的选择。

根系生物学中的 TDP 案例研究

根系生物学在识别与作物产量相关的 QTL 方面成果显著，已报道了 900 多个水稻根系相关 QTL，但仅有少数被育种项目采用。例如，Birsa Vikas Dhan 111、DRR dhan 60 等品种通过导入特定 QTL 得以培育，但总体而言，根系生物学研究成果在育种中的应用仍有待加强。

文中列举了三个 IRRI 的根系生物学研究案例。第一个案例是关于鉴定水稻幼苗期耐旱 QTL 的研究，由于存在 LOD 评分较低、标记可能有误以及加性效应不明确等问题，需要重复表型分析和 QTL 定位，并且建议使用更优良的背景进行研究。第二个案例中，研究人员评估了东南亚水稻面板以寻找耐旱供体，发现了一些与干旱下生物量相关的性状和位点，但存在 GWAS 峰值显著性低等问题，建议在更可控的条件下重新表型分析，以提高峰值显著性，并对双亲近交群体进行验证，同时检测优良单倍型在精英育种群体中的频率。第三个案例对 aus 亚群进行了广泛的田间产量和根系结构筛选，发现产量稳定性与深层根系生长相关，但 GWAS 结果中显著峰值较少，建议通过双亲近交群体筛选确认 QTL，并优先选择含有稀有优良单倍型的精英育种系进行杂交。

这些案例表明，虽然在水稻根系对干旱响应的多样性研究方面取得了进展，但在开发用于育种的优良供体之前，仍需大量工作来验证已鉴定的位点。此外，根系生物学研究存在表型噪声高的问题，可通过在更可控的环境中研究、使用更纯净的遗传材料（如 NILs）以及增加实验重复次数来降低噪声。同时，建议在 QTL 发现群体中至少包含一个精英亲本，以直接展示新 QTL 的价值，并对现有群体中稀有或缺失的优良单倍型进行优先验证，避免创建新群体。

上游研究人员对 TDP 的贡献

验证和部署环节的瓶颈可能源于资源限制，需要上下游研究团队合作。上游研究团队在图谱绘制、生物信息学和克隆方面具有优势，下游团队在田间筛选、群体开发和遗传研究方面经验丰富，双方合作可充分发挥各自专长，共同推动 TDP 的发展。

TDP 促进了信息的双向流动，上游研究人员不仅可以通过验证候选基因、开展表达研究和深入的生理调查为 TDP 做出贡献，还能评估根系性状在精英育种群体中的分布，验证稀有性状 / 基因 / QTL 在精英背景下的有效性。此外，TDP 的多次测试和优化过程有助于解决生物学研究中的可重复性问题。

结论

TDP 旨在提高上游遗传研究成果在主流育种项目中的应用可能性和影响力，通过满足育种者的需求，提供易于在育种过程中使用的知识和材料。虽然该流程主要针对水稻设计，但同样适用于其他具有活跃精英育种计划且存在有用自然变异的物种，也可应用于基因组编辑或诱变产生的新变异情况。

鉴于已报道的大量水稻根系性状和 QTL 具有潜在育种价值，迫切需要将这些研究成果纳入 TDP 进行推进。优先考虑那些在精英育种群体中稀有的、能满足育种项目紧迫需求（如抗逆性）的性状 / 基因 / QTL，并快速在精英背景下进行验证。新的发现工作应遵循 TDP 的原则，以促进研究成果的转化。

尽管 TDP 为育种提供了有力支持，但育种项目对相关材料的采用仍需进一步推动，这需要加强上游预育种团队与主流育种项目之间的沟通与合作，建立良好的工作关系，实现双方的互利共赢，共同推动作物改良。