水稻抽穗期分子生物學(xué)研究進展

摘要：抽穗期是水稻（Oryza sativa L.）重要的生育期之一，不同的抽穗期決定了水稻適宜種植的區(qū)域和時間。隨著近年來分子生物學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們對水稻抽穗期相關(guān)基因在定位、克隆及作用機理上有了更進一步的認識和研究。綜述了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進展。

關(guān)鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；抽穗期；分子生物學(xué)

中圖分類號：S511；Q75 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）24-5958-04

水稻（Oryza sativa L.）是中國最主要的糧食作物之一，對于水稻來說，適當(dāng)?shù)某樗肫诳梢允顾驹谔囟ǖ纳鷳B(tài)條件下最大程度地利用當(dāng)?shù)氐墓鉄豳Y源，而這不僅決定了水稻適宜種植的區(qū)域和時間，還決定了水稻品種的增產(chǎn)潛力。

作為一種數(shù)量遺傳性狀，從20世紀開始，科學(xué)家們在水稻抽穗期基因的研究方面進行了卓有成效的研究。研究認為，水稻的抽穗期是由品種的感光性、感溫性和基本營養(yǎng)生長性所共同決定的。感光性主要由Se和E兩類基因控制，顯性早熟基因Ef-1因子在長日照、短日照下均可提早抽穗，是影響基本營養(yǎng)生長性的主要基因，同時在長日照下，Ef-1可部分抵消感光基因E1的效應(yīng)[1]。迄今為止，學(xué)者們共定位了數(shù)百個水稻抽穗期相關(guān)QTL（Quantitative Trait Loci，QTL），并克隆了一批相關(guān)基因。同時在基因之間的互作，基因和環(huán)境之間的互作以及分子機理方面進行了深入的研究，并取得了一定的進展。本研究將綜述水稻抽穗期QTL的定位、克隆、QTL之間及其不同環(huán)境之間的互作，以及在遺傳育種方面的應(yīng)用。

1 水稻抽穗期的QTL

1.1 水稻抽穗期QTL的初步定位

近10余年來，不同學(xué)者利用不同定位群體定位了一批對水稻抽穗期有影響的QTL。日本Yano等[2]利用日本晴這一粳稻品種同秈稻品種Kasalath雜交，構(gòu)建了一個包含有186個單株的F2群體，通過857個RFLP標(biāo)記進行了全基因組掃描，得到了5個影響水稻抽穗期的QTL（Hd1～Hd5），其中Hd1和Hd2是2個主效QTL，之間有上位性互作，其余3個則是微效QTL。在水稻抽穗期變異種的84%，都可以通過這5個QTL來解釋。隨后，Lin等[3]通過一個BC1F5群體定位到了Hd7、Hd8和Hd11等3個QTL，接著又通過一個BC3F2以及另外一個BC4F2兩個高世代回交群體定位到了6個QTL位點。截至2013年4月10日，在Gramene網(wǎng)站上已經(jīng)登記了目前已定位抽穗期相關(guān)QTL共計618個。具體在染色體上的分布見表1。

1.2 水稻抽穗期QTL的精細定位

在進行QTL定位時，初級定位群體定位的準確性和精度有限，難以確定效應(yīng)究竟是一個主效QTL還是多個QTL造成的[4]。所以，為了更進一步精細地定位QTL，就必須構(gòu)建可用于精細定位的群體[5]。含有目標(biāo)QTL片段的染色體代換系（Chromosome segment substitution line，CSSL）或近等基因系（Nearly isogenic line，NIL）是良好的精細定位群體，這兩個群體幾乎可以盡可能地消除遺傳背景對目標(biāo)性狀的影響，將復(fù)雜的多個位點的QTL分割為單一的遵循孟德爾遺傳規(guī)律的因子，從而可以通過遺傳和統(tǒng)計的方法，得到一個較為精細的定位結(jié)果。Yamamoto等[6]通過構(gòu)建含有Hd1、Hd2和Hd3的NIL，將這3個QTL分別定位在0.6、1.0和1.0 cM的區(qū)間內(nèi)。Monna等[7]在精細定位后發(fā)現(xiàn)，Hd3a和Hd3b這兩個QTL由于其是緊密連鎖的，所以在之前的定位中僅表現(xiàn)為Hd3這一個QTL。在短日照條件下，Hd3a的等位基因使水稻抽穗期提前，而在自然或長日照條件下，Hd3b的等位基因使水稻抽穗期延長。Lin等[8]通過近等基因系精細定位了Hd4和Hd5。

1.3 幾個主要的水稻抽穗期相關(guān)QTL

1.3.1 Hd1 Yano等[2]利用日本晴和Kasalath雜種F2代的186個植株和850多個分子標(biāo)記，對影響水稻抽穗期的QTL進行定位，發(fā)現(xiàn)2個主效QTLs，即Hd-1和Hd-2；3個微效QTLs，即Hd-3、Hd-4和Hd-5。其中，主效位點Hd-1位于第6染色體中部，RFLP標(biāo)記P130和R1679之間，可解釋水稻抽穗期67%的表型變異，并與C235共分離。Hd1也是水稻最早通過圖位克隆的一個QTL和抽穗期控制基因。

Hd1與水稻中的主效感光基因Se-1是等位的，它也是擬南芥中CO基因的同源基因，但與擬南芥中CO基因不同的是，短日照時其略微促進水稻揚花，長日照時則抑制開花。在擬南芥中，長日照時CO基因催化擬南芥開花。迄今為止，人們還不了解為什么在單子葉短日照植物和雙子葉長日照植物中雖然控制開花的基因是同源的，但它們對各自所屬植物的作用卻是相反的。

1.3.2 Ehd1 Doi等[9]定位并克隆了Ehd1基因。Ehd1基因源自非洲栽培稻（Oryza glaberrima Steud.），位于水稻第10染色體上，在短日照條件下獨立于Hd1促進水稻提早抽穗，但是在長日照條件下對水稻的抽穗沒有影響，與影響基本營養(yǎng)生長性的顯性早熟基因Ef-1等位。Ehd1短日照下促進水稻提早抽穗是通過誘導(dǎo)FT-like基因的表達來實現(xiàn)的，其與水稻中未知的組蛋白激酶形成雙組分信號級聯(lián)傳遞通路，調(diào)控水稻的開花。有研究表明，開花期基因和植物株型也有關(guān)聯(lián)。Hd1和Ehd基因能夠使穗部一次枝梗的數(shù)目降低，從而減少穗粒數(shù)，而且該影響同水稻抽穗期的調(diào)控沒有關(guān)系。試驗結(jié)果表明，在含有Hd1和（或）Ehd1的水稻由營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)換期的葉片當(dāng)中，2個成花素基因——Hd3a和RFT1表達量上升，同時使穗發(fā)育時頂端分生組織中類Terminal Flower 1基因上調(diào)、穗形成相關(guān)基因的提前表達。因此，Hd1和Ehd1應(yīng)該是通過調(diào)控葉片中成花素基因的表達來影響水稻穗的發(fā)育，進而影響水稻產(chǎn)量[9-15]。

在擬南芥中到目前為止沒有發(fā)現(xiàn)與Ehd1的同源基因，這說明水稻中可能存在一條其所特有的控制開花時間的信號通路。

1.3.3 Ghd7 薛為亞[16]定位并克隆了Ghd7（Grain height date-7）基因。這是一個能同時控制水稻每穗粒數(shù)、株高和抽穗期3個性狀的主效QTL，其位于水稻的第7染色體上，是主效感光基因E1的等位基因。在研究中，利用珍秈97和明恢63構(gòu)建的F2∶3和重組自交系群體（RIL），Ghd7定位于水稻第7染色體上標(biāo)記R1440和C1023之間，進一步精細定位到RM5436和RM2256之間的79 kb的區(qū)間。

野生型Ghd7的等位基因可使抽穗期（開花）大大延遲，株高和每穗粒數(shù)顯著增加。在武漢地區(qū)夏天的條件下，含有野生型Ghd7等位基因的近等基因系較輪回親本珍汕97抽穗晚23 d，株高增加了30 cm，穗粒數(shù)增加1倍，且莖稈粗壯抗倒，單株產(chǎn)量可提高50%，近等基因系間同時還伴隨著一系列性狀的變化。將野生型Ghd7等位基因通過轉(zhuǎn)基因方法轉(zhuǎn)移到一些小穗、早抽穗品種中，可使這些品種的每穗粒數(shù)成倍增加，同時伴隨植株增高，抽穗期延遲。研究人員發(fā)現(xiàn)，Ghd7基因編碼的蛋白質(zhì)為一含CCT結(jié)構(gòu)域蛋白家族成員，其表達和功能受光周期調(diào)控。該蛋白不僅參與了開花的調(diào)控，而且對植株的生長、分化及生物學(xué)產(chǎn)量有普遍的促進效應(yīng)。在長日照條件下，該基因的表達增強，從而推遲抽穗，植株增高，穗子變大，穗粒數(shù)增多。

1.4 水稻抽穗期QTL的互作

通過構(gòu)建同時含有不同QTL的近等基因系，使研究QTL之間的相互作用成為可能。前述Yano等[2]在進行日本晴/Kasalath的F2群體定位QTL時，在使用雙因素方差分析檢測QTL互作的時候發(fā)現(xiàn)Hd1和Hd2之間存在明顯的互作（P<0.000 1）。當(dāng)Hd1位點表現(xiàn)為Kasalath型純合時，Hd2則不能使水稻抽穗期延長；但是當(dāng)Hd1位點為日本晴型雜合或純合時，其通過與Hd2互作可以延長水稻的抽穗期。

1.5 水稻抽穗期QTL與環(huán)境的互作

生物體內(nèi)在基因同外在環(huán)境之間的相互作用，導(dǎo)致了生物最終性狀的差異較大。水稻抽穗期受環(huán)境的影響較大，進行多年多點多環(huán)境下的試驗不但可以更多地發(fā)掘影響水稻抽穗期的QTL，還可以研究其與環(huán)境互作的效應(yīng)。Hayama等[17]在多個地點檢測到了10個抽穗期的QTL。

Li等[18]對種植在不同地點的群體進行檢測，發(fā)現(xiàn)了20個主效QTL，平均有1～3個QTL在相同的環(huán)境條件下被檢測到。研究發(fā)現(xiàn)檢測到的同一個QTL在不同的環(huán)境下效應(yīng)不同，有些甚至是相反的。這些說明水稻抽穗期明顯受到環(huán)境的影響。王韻等[19]構(gòu)建了以粳稻Lemont以及秈稻特青為親本的雙向回交導(dǎo)入系，夏季在北京、冬季在海南這兩種不同的環(huán)境下分別定位到影響水稻抽穗期的16個主效QTL。在研究其環(huán)境互作關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)其中受到環(huán)境影響的QTL有3個。袁愛平等[20]以中156為輪回親本、谷梅2號為供體親本，構(gòu)建了重組自交系（RIL）群體，并以該群體為研究對象作遺傳連鎖圖。在環(huán)境因子方面，以夏季在本地種植為一個環(huán)境影響因子，以冬季海南加代為另一個不同的環(huán)境影響因子來定位水稻抽穗期的QTL，有5個抽穗期QTL與數(shù)對加加上位性互作位點被掃描到。李仕貴等[21]的研究表明，一個秈粳交的DH群體[京系17（JX17）/窄葉青8號（ZYQ8）]，在構(gòu)建起分子連鎖圖譜后，利用5個不同的環(huán)境來研究生育期QTL，結(jié)果在不同環(huán)境中掃描到2個一樣的QTL，除此之外還有2個QTL被檢出，但在環(huán)境中不重復(fù)。5個不同環(huán)境中沒有發(fā)現(xiàn)1個共同影響生育期的QTL。這進一步說明了數(shù)量性狀的表達同環(huán)境之間聯(lián)系緊密。Bao等[22]在杭州和海南兩地利用同一DH群體研究抽穂期相關(guān)QTL，發(fā)現(xiàn)在兩個環(huán)境中重復(fù)檢測到的QTL只有qHD-1-1和qHD-1-2。

1.6 水稻抽穗期基因的克隆

Yano等[2]在檢測出Hd1后，在世界上首次通過圖位克隆法將其分離，證明該基因含有2個外顯子，編碼1個具有CCT（CONSTANS，CO-LIKE，TIMINGOF-CAB1）結(jié)構(gòu)域的B-box鋅指蛋白。進一步研究發(fā)現(xiàn)，Hd1在感光性功能不同品種中的等位基因核苷酸序列存在差異，主要表現(xiàn)在：①等位基因序列的堿基數(shù)；②基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物片段大小；③基因表達產(chǎn)物的基本氨基酸基序（RRHQR）的存在與否。這些差異均位于表達產(chǎn)物的鋅指結(jié)構(gòu)域[23]。通過對轉(zhuǎn)基因水稻植株的研究表明，Hd1可能具有兩種不同的功能：短日照時促使水稻抽穗，而長日照時則對水稻的抽穗有抑制作用[24]。而在擬南芥中，與水稻不同的是，CO基因只在長日照時促使擬南芥開花，而在短日照下不影響開花。Izawa等[25]通過候選基因法得到的SE5是首次在水稻中克隆的控制水稻抽穗期基因。該基因可翻譯得到血紅素加氧酶，并與光敏色素中生色團的合成有關(guān)。通過進行序列分析，發(fā)現(xiàn)該基因在水稻的基因組中為單拷貝形式存在，其ORF編碼的蛋白含有289個氨基酸。Takahashi等[26]用日本晴和Kasalath構(gòu)建的一個高世代的回交群體最終克隆了Hd6。Hd6的翻譯產(chǎn)物是蛋白激酶CK2上的一個亞基，在玉米和擬南芥中發(fā)現(xiàn)的CK2a基因同Hd6高度同源。在長日照條件下Kasalath中Hd6的等位基因會使水稻在長日照下延遲抽穗，而Hd6在Nipponbare中的等位基因基本對水稻抽穗沒有影響。研究發(fā)現(xiàn)這是因為Nipponbare中的等位基因中含有一個導(dǎo)致翻譯提前終止的密碼子TAG，從而使該基因喪失功能。Kojima等將Hd3a精細定位在一個約20 kb的區(qū)域內(nèi)。Hd3a在序列上有70%與FT相同或相似，而與TFL1相比則只有50%。TFL1與FT具有序列相似性，它們在擬南芥中控制花序組織的形成，但抑制花的轉(zhuǎn)變。Hd3a的過量表達可以讓水稻提早抽穗，而在擬南芥中FT的過量表達也使開花提前。

2 水稻抽穗期基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

在短日照條件下，Hd1蛋白激活成花素基因Hd3a的表達，所以，在進化上保守的OsGI-Hd1-Hd3a通路促進了水稻的抽穗。Ehd1是一個B類型的響應(yīng)調(diào)控因子，它在短日照條件下同樣誘導(dǎo)Hd1的表達。Ehd1的表達由早上的藍光激活，而這同時又是由OsGI所控制的。Ehd2是一個同玉米的Indeterminate 1直系同源的C2H2鋅指蛋白，在短日照條件下OsMADS51同樣也激活Ehd1。

在長日照條件下，Hd1的功能就轉(zhuǎn)變?yōu)橐种艸d3a的表達，這個過程是由在長日照下同時發(fā)生的時鐘調(diào)控的Hd1表達和成花素介導(dǎo)的光信號傳導(dǎo)所共同誘導(dǎo)的。Hd6 CK2α增強了阻遏子的活性。Ghd7是一個CCT基序蛋白，長日照下抑制Ehd1的表達，從而延遲開花。Ghd7的表達是由長日照下清晨的紅光信號通路所誘導(dǎo)的。盡管長日照可延遲水稻開花，但是在水稻中同樣存在長日照下促進開花的特殊途徑。OsMADS50激活Ehd1的表達，然后Ehd1激活RFT1。RFT1則是一種長日照下特異的開花素。

水稻短日照條件下開花的自然變異同Hd3a表達水平的變異是密切相關(guān)的，而Hd3a表達水平的變異是由Hd1的等位變異、Hd3a啟動子亞型和Ehd1表達水平所共同決定的。Ghd7有助于水稻抽穗期的變異和種植區(qū)域的改變[27]。

3 抽穗期基因在水稻遺傳育種中的應(yīng)用和展望

筆者對將水稻抽穗期基因應(yīng)用于育種實踐進行了嘗試。通過分子標(biāo)記輔助育種，將Ghd7這個水稻抽穗期相關(guān)基因在早稻鄂早18中的等位基因轉(zhuǎn)入揚稻6號遺傳背景當(dāng)中，經(jīng)過回交和自交，共得到21個農(nóng)藝性狀同揚稻6號相似的株系。同揚稻6號相比，其中有1個株系的產(chǎn)量顯著增加，其播始歷期提前12 d；另外還有2個株系的產(chǎn)量沒有顯著差異，其播始歷期分別提前了10 d和8 d。這說明在育種實踐過程中，通過置換Ghd7不同的等位基因，完全有可能得到抽穗期縮短，但產(chǎn)量不下降的品系。

中國科學(xué)院遺傳和發(fā)育生物學(xué)研究所林少揚領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，通過將國際水稻研究所選育品種中的Hd1基因?qū)氲皆焦馄贩N中，新育成的越光品種Koshihikari H3號的種植區(qū)域由原越光品種的北緯35.0°～37.5°，擴大到了最南可種植到越南南部（北緯10°），且其產(chǎn)量增產(chǎn)30%。同時，他們還通過導(dǎo)入早熟基因QTS14，改良了越光品種的抽穗期。

基因的發(fā)掘和定位最終必須應(yīng)用到實踐中才能體現(xiàn)其價值。水稻抽穗期基因育種實踐中的應(yīng)用，可以使新品種對不同生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性更廣，對光熱的利用率更高。水稻品種生育期的改變，可以使不同種植區(qū)域和種植季節(jié)的水稻資源種質(zhì)的交流更加容易，為種質(zhì)的創(chuàng)新提供了一條新的途徑。

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