受限于当前的育种技术，各地农作物主栽品种的更新换代只能采用革命式的取代方式，仅仅由于少数基因位点的缺陷而遗弃优良的主栽品种，不仅让育种家多年的研究成果毁于一旦，而且使育种技术无法积累，停滞不前，落后于其他技术领域。因此，本研究尝试了一种精密的定向改良水稻基因组的技术方法，通过只改良水稻主栽品种的少数基因缺陷，升级水稻主栽品种空育131，改变当前农作物育种面临的技术瓶颈问题。　　粳稻空育131是我国黑龙江省第一大水稻主栽品种，具有早熟、质优、丰产、耐寒、分蘖力强以及适应性广等诸多优点。但是空育131的穗子较小，具有进一步提高产量的潜力;另外，长期大面积单一种植空育131使得其稻瘟病抗性退化，易感稻瘟病因此逐渐从生产上退出。针对这些不良性状，发掘有利的基因模块实现对空育131的定向改良具有重要的实际意义。　　为了达到精准改良空育131的不理想性状且保留其他优良性状之目的，我们构建一种品种升级的方法，即先通过选拔和构建单个性状的单点置换系(single point substitution line，SPSL)来改良空育131的某一不理想性状，然后根据需求通过多点聚合的方式实现复杂性状及多性状的连续升级。　　通过对空育131和大穗籼稻GKBR的重测序及序列比对明确了GKBR含有的是Gn1a的优良等位变异。以空育131作为轮回亲本，以大穗籼稻GKBR作为供体与空育131进行连续杂交和回交构建高代回交群体BC3F1。根据亲本间的序列差异设计均匀分布于12对染色体上的160个SNP标记，其中包括在Gn1a的内部及其上下游设计的5个SNP标记(命名为SNP1～SNP5)去检测BC3F1群体基因型，并从中选拔到BC3F1-22F01，该个体含有供体的gn1a等位变异且背景回复率最高，利用该个体自交产生的BC3F2群体进行QTL(quantitative trait locus)验证，结果显示导入供体GKBR的gn1a位点可以显著增加空育131的枝梗数、穗粒数等产量组成性状。因此，在BC3F1-22F01自交构建的大分离群体BC3F2和BC3F3中，利用SNP1～SNP5选拔有效缩短目标导入片段两端连锁累赘的重组交换个体，同时利用均匀分布于12对染色体上的220个SNP分子标记对重组个体的遗传背景进行检测，选拔背景回复率高的个体。进一步利用回交和自交分离原理排除所有来自供体的非目标染色体片段，最终得到空育131的Gn1a单点置换系BC4F2-350A09。根据220个SNP分子标记对染色体组成的检测结果显示，该单点置换系背景回复率为99.89％，目标导入片段长度小于856-Kb。田间试验表明，置换系的穗粒数显著增加、千粒重有一定程度的下降，但单株产量在长春和佳木斯分别较空育131增产6.6％～11.9％。且单点置换系精米的籽粒外观性状和直链淀粉含量及碱消值等蒸煮品质性状较空育131也无明显差异，因而可作为新空育131用于生产。　　以空育131作为轮回亲本，以早稻GKGH作为供体与空育131进行杂交，在构建的F2代群体中进行QTL分析，结果表明供体GKGH中与pi21紧密连锁的标记位点可显著提高稻瘟病抗性。通过对空育131和GKGH的重测序及序列比对明确了GKGH的pi21是该位点上的一个新等位变异。采用上述相同的技术路线，我们将供体GKGH中的广谱非特异抗瘟QTLpi21导入至空育131的染色体组中，并最终得到了空育131的pi21单点置换系。利用亲本间序列差异设计均匀分布于12对染色体上的201个SNP分子标记检测显示，该置换系背景回复率为99.92％，目标导入片段长度小于634-Kb，苗期人工接种7个分离自黑龙江省主要稻区的空育131病标样上的代表性菌株结果显示置换系具有明显的稻瘟病抗性;田间试验表明置换系的抽穗期、株高和单株产量等重要农艺性状均较空育131无显著差异;且单点置换系精米的籽粒外观性状和直链淀粉含量及碱消值等蒸煮品质性状较空育131也无明显差异。　　本研究通过杂交和回交，以及分子设计和选拔，排除供体所有非目标染色体片段，缩短目标基因两端的连锁累赘，成功地改良了黑龙江省水稻主栽品种空育131的Gn1a位点和Pi21位点，获得其单点置换系，前者通过提高穗粒数增加了空育131的单株产量;后者可有效提高空育131的稻瘟病抗性且不影响其产量和品质。因此，这些选育的空育131升级品种/系将在生产上具有重要的应用价值，而且该方法将为以后水稻及其他农作物主栽品种的定向改良奠定了理论基础。