作物染色体片段代换系的研究进展

盖江涛，党志国，王鹏

(中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南儋州571737)

作物染色体片段代换系的研究进展

盖江涛，党志国，王鹏

(中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南儋州571737)

染色体片段代换系是用亲本杂交、回交和分子标记辅助选择技术建立的一系列近等基因系，可以提高对复杂农艺性状QTL或基因定位的精确性，尤其是具有遗传效应的较小的数量性状基因位点，并进行遗传效应分析。目前，已在多种作物中构建了染色体片段代换系。本文对染色体片段代换系的特性及其在主要作物中的应用进行了综述，以期对今后研究染色体片段代换系起到促进作用。

染色体片段代换系；代换片段；QTL定位；遗传效应

染色体片段代换系(chromosomal segment substitution lines,CSSL)，又称为染色体片段导入系(chromosomal segment introgression lines,CSIL)，是用亲本杂交、回交和分子标记辅助选择(marker-assisted selection,MAS)技术建立的一系列近等基因系(near-isogenic lines，NIL)[1]。CSSL可以提高对复杂农艺性状基因定位的精确性，尤其是具有遗传效应较小的数量性状基因位点，并进行遗传效应分析。在生产实践中，CSSL已应用于多种作物中。

1 CSSL的构建

CSSL是在受体的遗传背景中代换供体的染色体片段，除代换的片段与受体不一样外，其余与受体一致。CSSL可以消除群体内遗传背景的干扰，将复杂性状分解为简单性状，因而被广泛应用于复杂性状QTL(quantitative trait loci)定位、克隆的主要作图群体[2]。

构建过程：1)供体与受体杂交获得F1；2)受体作为轮回亲本，回交获得BC n F1；3)自交，借助MAS，得到来自供体的一个或多个代换片段的单株；4)借助MAS，即可获得含有目的片段的CSSL(图1)。

图1 染色体片段代换系构建过程

2 CSSL的评价标准及特点

染色体片段代换分为单片段代换和多片段代换。代换的染色体片段如果只有一个来自供体亲本的片段，即染色体单片段代换；如果有几个来自供体亲本的片段，称为多片段代换。CSSL建立的评价标准，一般包含株系的数量、受体携带代换片段的数目、代换片段的大小（长度）及代换片段在基因组的覆盖率等方面。目前，根据代换片段之间的连接关系，CSSL的定位方法有重叠式和衔接式两种，由于重叠式多采用代换作图的QTL定位方法，所以当前采用的主要是重叠式CSSL群体。

CSSL有以下几个特点：1)单一性，CSSL仅有一个或几个来自供体的染色体代换片段，其余与受体一致；2)稳定性，CSSL是永久的分离群体，方便多环境条件下、多年的重复试验，有利于消除环境误差，便于更精准地定位QTL；3)可分割性，CSSL可将复杂的数量性状转化成单一的孟德尔遗传因子，提高分析QTL的效率，利于快速精细定位QTL[3-4]。

表1 不同作物已构建的染色体片段代换系

3 CSSL在作物QTL定位中的应用

CSSL最早应用在番茄中，Eshed等以栽培番茄Lycopersicon esculentum cv.M82为受体，以野生番茄L.pennellii LA716为供体，通过MAS方法，建立了一套120个CSSL，对受体基因组覆盖率为100%[5]。从此，国内外研究者相继在各种作物中应用CSSL。目前，已应用于多种作物中(表1)。

3.1 在水稻QTL研究中的应用

在水稻上已建立了多个CSSL。王军等以粳稻日本晴为供体、籼稻广陆矮4号为受体，构建的CSSL含175个株系，利用其中119个CSSL，得到与水稻芒性相关QTL 15个、粒形相关QTL 39个（含粒长19个、粒宽14个、粒厚6个），覆盖了水稻全基因组的82.6%[2,6]。

以粳稻日本晴为供体、籼稻9311为受体，Xu等获得了一个由128个CSSL组成的群体，染色体代换片段的平均覆盖率为83.98%[7]；Zhu等构建的由94个CSSL组成的群体，在水稻全基因组上的覆盖率为72.5%；构建的由119个CSSL组成的群体，在水稻全基因组上的覆盖率为83.98%，占染色体总长度的比例约为78.6%[8]，利用这套材料，赵春芳等鉴定到耐Fe2+胁迫QTL 9个[9]；周丽慧等检测到产量相关性状QTL 10个[10]；林静等鉴定到与纹枯病相关QTL 3个、与水稻米糠油含量相关的QTL 4个；构建的由95个CSSL组成的材料，鉴定到4个与水稻芽期耐冷性相关的QTL、4个与赖氨酸含量相关的QTL[11-14]。

李生强等以广陆矮4号为供体、日本晴为受体，构建的138个CSSL覆盖整个基因组的89.8%，鉴定出11个株高相关QTL[15]。Ramos等以野生稻IRGC110404为供体、栽培稻T65为受体，构建了一套由40个CSSL组成的群体，对供体的基因组覆盖率为80%[16]。Bian等以栽培稻C418为供体、栽培稻9311为受体，构建了一套由108个CSSL组成的群体，对供体C418的基因组覆盖率为98.3%，鉴定到41个与粒重相关的QTL[17]。邵昕等以粳稻越光为供体、粳稻9311为受体，构建了含138个株系的CSSL，对水稻全基因组覆盖率达到89%，鉴定到10个与稻米粘滞性谱特征值相关的QTL[18]。申国境以明恢63（MH63）为供体，以珍汕97（ZS97）为轮回亲本，连续回交5代，每个世代利用MAS技术，构建了一套202份以ZS97为背景的CSSL，背景回复率为95.2%，目标片段覆盖基因组的93.2%。检测到8个与产量性状相关QTL[19]。

3.2 在小麦QTL研究中的应用

Liu等以Am3为供体、莱州953为受体，构建了由97个CSSL组成的群体，对供体基因组覆盖率为37.7%，检测到了9个与农艺性状相关的QTL[20]。刘会宇以小麦Am3为供体、莱州953为受体，在BC5F4世代选择了15个CSSL的92个单株为研究材料，通过MAS，对6个小麦的产量相关性状做了QTL定位[21]。陈树林以N553为供体，扬麦13为轮回亲本，回交2次至BC2F1世代，借助MAS，培育了一套由60个单株组成的对供体全部基因组片段的覆盖率为91.0%的CSSL，为赤霉病抗性相关QTL检测及农艺性状基因发掘奠定了研究基础[22]。施卫萍以中洛铁秆为供体、宁0569为受体，初步构建了一套由282个BC1F1构成的CSSL，共检测到12个QTL，其中与实秆相关3个，与株高相关4个，与穗长相关4个，与纹枯病相关1个[23]。陈稳良等以鲁麦14为供体、晋麦47为受体，构建了由150个株系组成的CSSL，对小麦抗旱农艺性状进行了QTL分析[24]。

王慧茹等以强抗旱性的冬小麦品种西峰20为供体，以抗旱高产品种晋麦47为受体，建立了共160个株系的CSSL群体，研究了差异水分环境条件下10个产量相关性状的遗传特点，结果表明存在正相关关系[25]。吴文雄以小麦SHW-L1与川麦32 (SW8188)为试验材料，选育成一套重组自交系群体作为供体，以育成品种川麦32（SW8188）为受体，在BC1F8的基础上经回交一代至BC2F8，共680分材料，初步构建出一套能覆盖D染色体基因组90%左右的CSSL。共鉴定出37个QTL，其中与株高有关1个、与穗长有关14个、与穗节长有关10个、与小穗数有关2个、与总分蘖有关5个、与无效分蘖有关5个[26]。

3.3 在玉米QTL研究中的应用

王帮太等以玉米综3为供体、87-1为受体，获得了143份玉米CSSL，其中包含51份纯合的CSSL，覆盖玉米基因组的40.20%，共检测到20个穗长QTL[27]。吕爱枝等以综3（Z3，高感）为受体、衡白522（HB522，高抗）为供体，对构建的8个CSSL进行了对瘤黑粉病的抗性研究。其中chr3-7发病率、病级和病情指数均为0，表现高抗，产量超过两亲本及其他CSSL，但接种瘤黑粉孢子与对照产量差异不显著[28]。Lu等以昌7-2为供体、郑58为受体，得到108份CSSL及29个与株高相关的QTL[29]；陈春侠等以其中的59份CSSL为试验材料，鉴定出与玉米百粒质量相关的QTL 20个，其中有4个可能是新的百粒质量QTL[30]。

彭倩等以玉米lx9801为受体、以昌7-2为供体，构建了184个CSSL，之后与自交系T7296测交，组配了184个CSSLs×T7296的测交群体。在5%显著水平上共检测出与产量相关的杂种优势位点64个、与穗部性状相关的优势位点4个[31]。李风以农系531为供体、H21为受体，构建了130个CSSL，在3个环境共检测到4个穗长QTL、7个行粒数QTL和11个穗行数QTL[32]。张朝兴以农系531为供体、H21为受体，构建的140个CSSL覆盖68.5%的H21基因组，共得到产量性状相关QTL 14个（穗行数7个、穗长3个、轴重2个、百粒质量2个[33]）。

3.4 在棉花QTL研究中的应用

杨泽茂等以海岛棉海1为供体、陆地棉CCRI221（中棉所45）为受体，构建的由116个家系组成的CSSL覆盖全基因组52.7%[34]。何蕊等以海岛棉海1为供体、陆地棉中棉所36为受体，构建的408个CSSL检测到16个株高QTL（海岛棉15个增效基因，陆地棉1个增效基因），推测对株高有增效作用的是海岛棉的代换片段[35]。王云鹏等以陆地棉中棉所8号（CCRI8）为受体、海岛棉Piam90-53为供体，培育了由182个株系构成的CSSL，覆盖了陆地棉96.2%的基因组。结果表明，纤维长度高于轮回亲本的有52株，纤维强度超过轮回亲本的有109株[36]。

付央等以TM-1为受体，Sub18为供体，培育了一套由45个株系组成的CSSL，将开放花蕾基因定位在BNL3558附近，并鉴定出在该染色体上与纤维品质和产量性状相关的7个加性效应QTL和5个加性×加性上位性效应QTL[37]。宿俊吉等以CSSL-122、陆地棉品种新陆早33号和金肯69-2为试验材料，构建了2个BC2F1群体：新陆早33号× CSSL-122的BC2F1群体和金垦69-2×CSSL-122的BC2F1群体，得出导入的外源海岛棉CSSL显著或极显著地提高了陆地棉的纤维品质[38]。

3.5 在大豆QTL研究中的应用

陈庆山等以野生大豆ZYD00006为供体、绥农14为受体，构建的含130个株系的CSSL检测到19个与百粒质量相关的QTL[39]。王吴彬等以栽培大豆NN1138-2为受体，以野生大豆N24852为供体，经过2～5次回交、2次以上自交和2个世代的标记辅助选择，构建了1套由151个家系组成的CSSL群体，对NN1138-2基因组的平均回复率为95.7%。鉴定到4个与株高相关QTL，4个与主茎节数相关QTL；3个与荚色、2个与种皮色及1个与结荚习性相关的片段[40-41]。向仕华等以栽培大豆NN1138-2为受体，以野生大豆N24852为供体，构建了一套由150个CSSL组成的群体SojaCSSLP2，基因组覆盖率达94.61%，共鉴定到产量性状相关的QTL38个，且有15个共性QTL，可在多个环境下检测到[42]。

胡振帮等以野生大豆ZYD00006为供体、绥农14为受体，经过回交2～5个世代及自交，构建了含有102个株系的CSSL，针对粒长和粒宽2个籽粒性状进行了定位分析，2个性状分别定位出了8个位点[43]。Zhang等以Hongfeng11为轮回亲本，Harosoy为供体亲本，经过回交，得到95个株系，鉴定到18个与干旱胁迫相关QTL，23个低温胁迫QTL[44]。

3.6 在其他作物QTL研究中的应用

林肖剑等以黄瓜JIN5-508（高抗白粉病品种）为供体、D8（高感白粉病品种）为受体，获得的17个CSSL具有抗白粉病特性[45]。郭慧敏以花生多粒形fastifgiata品种石腰豆为供体、普通型hypogaea品种秦皇岛光秧为受体，得到204个CSSL，检测到7个与农艺性状相关的QTL 22个[46]。张豹以甘蓝型油菜白花品系NO.2127为供体、黄花栽培品种ZY821为受体，通过ZY821与ZY821/NO.2127衍生的DH系回交，结合MAS构建了一套包括89个株系的CSSL，平均背景回复率为96.24%，共检测到与产量及品质性状相关的QTL43个[47]。

4 展望

染色体片段代换系（CSSL）是作物遗传育种实践中常用的试验材料，为分析作物数量性状遗传提供了便利，但在生产实践中，也仍然有一些问题存在，比如：供体、受体的选择范围，代换片段的长度，基因组覆盖率的大小等。为了促进染色体片段代换系的利用，建议在实践中扩大供体和受体的选择范围，选择存在较多表型变异的高度纯合亲本品系，这样代换片段的遗传效应可能比较明显。

构建及改进CSSL群体，为挖掘野生品种或优异品种中蕴藏的农艺性状优异等位变异、拓宽作物的遗传背景、研究作物重要农艺性状奠定了基础，结合基因克隆、功能基因组学等方面开展相关研究，会更快捷地为作物育种提供可利用的优良种质材料，推进作物育种工作进程。

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A Review on Chromosomal Segment Substitution Lines in Crops

GAI Jiang-tao,DANG Zhi-guo,WANG Peng
(Institute of Tropical Crops Genetic Resources,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Danzhou 571737,China)

Chromosomal segment substitution lines(CSSLs)are a series of near isogenic lines constructed through parents crossing, backcrossing,and marker-assisted selection.CSSLs can improve the precision of complex agronomic QTL(quantitative trait loci)or gene mapping,especially the QTL with relative small genetic effects,and also enable genetic effect analysis.To date,CSSLs have been constructed in a variety of crops.In this paper,we review the characteristics of CSSLs and their applications to main crops.It may promote the study of CSSLs in the future.

Chromosomal segment substitution lines;Substituted segment;QTL mapping;Genetic effect

S330

：A

：1673-6486-20160270

盖江涛,党志国,王鹏.作物染色体片段代换系的研究进展[J/OL].大麦与谷类科学,2017,34(1):1-5,10[2017-01-24]. http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1769.s.20170124.1850.001.html

2016-10-20

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（16300 32015026）。

盖江涛（1983—），女，硕士，助理研究员，主要从事植物基因组学研究。E-mail:gjt006616@163.com。