水稻落粒性的分子生物學(xué)研究進(jìn)展

宋穎娉　宋立明

摘要：水稻是研究單子葉植物的模式作物，其落粒性的喪失是水稻被人工馴化的最為關(guān)鍵事件，近年來對水稻落粒性的研究取得了一系列進(jìn)展，4個(gè)控制落粒性基因/主效QTL已經(jīng)被克隆，并初步分析了相關(guān)基因的互作效應(yīng)，為水稻人工馴化提供了重要依據(jù)。本文重點(diǎn)綜述了水稻落粒性的分子機(jī)制研究進(jìn)展，為水稻落粒性的遺傳網(wǎng)絡(luò)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：水稻；落粒性；馴化；分子機(jī)制；雜草稻

中圖分類號： S511.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0088-03

一般將亞洲栽培稻分為秈稻（indica）和粳稻（japonica） 2個(gè)亞種。關(guān)于亞洲栽培稻（以下簡稱栽培稻）的起源一直是一個(gè)困擾生物學(xué)家多年的難題，其中最主要的問題就是栽培稻是在哪里何時(shí)被馴化成栽培稻的[1-3]、水稻是一次性還是多次性從不同的祖先人工馴化而來的。與野生稻相比，落粒性的減弱、種子休眠性的降低、更緊湊的株型、花序變大且數(shù)目增多及種子變大是栽培稻馴化的綜合特征。其中，落粒性的喪失是最重要的改變之一，這使得水稻成為易收獲的作物[4]。如今，一般粳稻較難脫粒，秈稻居中，而野生稻[包括普通野生稻（Oryza rufipogon）及尼瓦拉野生稻（Oryza nivara）]易落粒[5]。

生產(chǎn)上中等難度落粒的品種最受歡迎，因?yàn)檫@樣的品種對機(jī)械化操作最高效，也適用于手工收割和脫粒；容易落粒的品種，由于它們在收獲中易引起減產(chǎn)而不受歡迎[6]，所以在育種過程中，育種家傾向于選擇中等落粒性的品種[7]。水稻落粒性的研究對揭示水稻進(jìn)化機(jī)制及育種選擇具有重要意義，水稻離區(qū)（abscission zone）發(fā)育和籽粒脫落的機(jī)制一直是分子生物學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

1 水稻籽粒脫落的生理基礎(chǔ)

水稻種子的落粒性受護(hù)穎和枝梗之間離層（abscission layer）所控制[8]，離層在水稻抽穗前16～20 d就已形成發(fā)生。與周圍枝梗和穎片細(xì)胞（大型厚壁細(xì)胞）組成不同，離層由 1～2 層小而圓的薄壁細(xì)胞組成[9]。當(dāng)種子成熟時(shí)，離層細(xì)胞降解，使得水稻谷粒很容易地從母體植株上脫離下來。離層細(xì)胞可對激素產(chǎn)生響應(yīng)，乙烯促進(jìn)離層細(xì)胞脫離，而生長素則抑制脫離過程[10]。

不同的水稻品種具有不同的離層形態(tài)，這是導(dǎo)致水稻品種間落粒性存在差異的根本原因。野生稻的護(hù)穎和花梗間的接合處一般會形成離層，當(dāng)中間薄壁細(xì)胞細(xì)胞壁發(fā)生降解時(shí)，成熟籽粒就會自由脫落，以保證種群繁殖[10]。而栽培稻的離層不完全形成，籽粒成熟后不會脫落，因而成熟種子可以得到有效收獲。

2 水稻落粒性基因的發(fā)掘

水稻的落粒性是由多基因控制或由少數(shù)主效基因和多個(gè)微效基因共同控制的數(shù)量性狀。利用各種遺傳群體及其連鎖圖譜，許多學(xué)者對控制落粒性QTL 進(jìn)行了定位，檢測到了與落粒性相關(guān)的多個(gè)QTL。其中，在第1、3、4 染色體上檢測到的QTL 的頻率較高。這些控制落粒性的QTL 在野生稻（一年生或多年生）、雜草稻和栽培稻中都能檢測到[2，5，11-14]。

同時(shí)，遺傳學(xué)家也在積極尋找和創(chuàng)制水稻落粒性相關(guān)突變體，Ji 等通過使用化學(xué)誘變的方法在不落粒的粳稻品種Hwacheong中獲得了1個(gè)易落粒突變體Hsh，發(fā)現(xiàn)Hsh 具有與尼瓦拉野生稻（O. nivara）類似發(fā)育良好的離層[15]。韓斌研究組使用一種巧妙的方法來發(fā)現(xiàn)新的水稻落粒調(diào)控基因，即將野生稻W(wǎng)1943的第4號染色體導(dǎo)入到栽培稻廣陸矮4號背景下，構(gòu)建了1個(gè)包含已知落粒基因SH4和qSH1的材料——SL4，該材料表現(xiàn)出極易落粒的性狀。進(jìn)一步對SL4進(jìn)行射線誘變，篩選到2個(gè)完全不落粒的突變體shat1和shat2（與SH4等位），將其與已知的落粒調(diào)控基因聯(lián)系起來，為水稻落粒性研究開啟了新視野[16-17]。

3 水稻落粒性的分子生物學(xué)研究

到目前為止，在水稻中已經(jīng)克隆了4個(gè)控制落粒性的基因/主效QTL，即SH4（SHA1、shat2）、qSH1、OsCPL1（sh-h）及SHAT1（SHATTERING ABORTION1）[4-6，12，17]。

Li 等利用秈稻品種和普通野生稻作親本得到F2 群體，對水稻中的落粒性狀進(jìn)行QTL遺傳分析，在水稻第4 染色體發(fā)現(xiàn)了1個(gè)貢獻(xiàn)率為69%的主效QTL 位點(diǎn)，命名為SH4，該基因編碼1個(gè)與Myb3同源的未知功能轉(zhuǎn)錄因子，該基因第1個(gè)外顯子中的1個(gè)核苷酸替換（T替換了G）導(dǎo)致了在預(yù)測的Myb3 DNA 結(jié)合域上1個(gè)天冬酰氨替換賴氨酸，使得離層不能正常發(fā)育形成，從而使得表型從落粒變?yōu)榱瞬宦淞4]。SHA1（shattering1）是SH4的等位基因，通過對96份粳稻和112份秈稻的檢測，發(fā)現(xiàn)了它們均含有不落粒等位基因sha1，但在25 份野生的材料中均為野生型的SHA1[12]。后續(xù)研究證明對sh4的選擇是一個(gè)獨(dú)立的事件，即通過對該基因的一次選擇而保留到水稻基因組上[18-19]，支持了栽培稻不落粒的選擇早于秈粳分化的理論。

盡管秈稻與粳稻均含有相同的SH4基因型，但這2個(gè)水稻亞種的落粒性卻普遍有著顯著的差別，通常粳稻難落粒而秈稻較易落粒，這暗示了水稻秈粳亞種間還存在其他主要控制落粒性的基因，qSH1就是其中的1個(gè)主效基因。qSH1基因編碼1個(gè)BELl型同源盒基因，粳稻品種Nipponbare（日本晴）中qSH1基因5′調(diào)控區(qū)上的1個(gè)SNP（single nucleotide polymorphism）可引起離層無法形成，進(jìn)而導(dǎo)致其落粒性喪失，qSH1能解釋易落粒的秈稻品種Kasalath 與日本晴之間近70%的表型變異[5]。

Ji等從Hwacheong中獲得易落粒突變體Hsh，命名為sh-h。sh-h基因位于水稻第7染色體，編碼1個(gè)水稻carboxy-terminal domain （CTD） phosphatase類蛋白（OsCPL1），基因突變后功能失活促進(jìn)離層的形成，導(dǎo)致易落粒。CTD磷酸酯酶在細(xì)胞分化中起重要作用，但是sh-h基因的功能及其與SH4、qSH1的互作機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

雖然SH4、qSH1在水稻的人工馴化過程中扮演著重要的角色，但是這2個(gè)基因的互作效應(yīng)一直未能有較好的解釋。韓斌課題組在一個(gè)包含已知落?；騍H4和qSH1并表現(xiàn)出極易落粒的材料SL4誘變突變體中篩選獲得1個(gè)極難落粒的材料shat1，SHAT1是一個(gè)未被人工選擇的基因，類似于小麥的Q基因，SHAT1編碼1個(gè)APETALA2轉(zhuǎn)錄因子[20]，參與離層的發(fā)育，是落粒性必需基因。通過采用原位雜交等方法，研究人員第一次闡述了SHAT1、SH4和qSH1這3個(gè)基因的遺傳關(guān)系：SHAT1 在離層的表達(dá)受SH4 正向調(diào)節(jié)，反過來SHAT1也起到維持SH4在離層表達(dá)的作用，qSH1作用于SH4和SHAT1下游，（還有可能有其他基因的參與）維持SHAT1和SH4在離層的持續(xù)表達(dá)，從而促進(jìn)離層的形成（圖1）[17]。

4 總結(jié)與展望

作物馴化是一個(gè)復(fù)雜而且漫長的過程[21-23]，可以說作物的馴化史就是人類文明的進(jìn)化史。隨著考古的發(fā)現(xiàn)以及分子生物學(xué)的發(fā)展[23-25]，越來越多關(guān)于水稻馴化的證據(jù)被發(fā)掘出來，最新研究已基本證明：栽培稻為單次起源[19]，之后產(chǎn)生了秈粳分化，即野生稻首先在中國南方被馴化產(chǎn)生了粳稻，隨后往北逐漸擴(kuò)散。另一支則往南擴(kuò)散，進(jìn)入了東南亞，在當(dāng)?shù)嘏c野生稻種雜交，經(jīng)歷了第二次馴化，產(chǎn)生了秈稻[26]。

20世紀(jì)以來，專業(yè)育種家的人工選擇與有目的的基因重組加速了水稻進(jìn)化的歷史，特別是近30年來，隨著科技的日新月異，以及在糧食危機(jī)的壓力下，不同品種甚至亞種間的優(yōu)異基因?qū)崿F(xiàn)了高速的重組。然而，人們在有目的的篩選優(yōu)良基因的同時(shí)，卻導(dǎo)致了水稻基因型的單一化，當(dāng)大規(guī)模的病害（或其他災(zāi)害）來臨時(shí)，水稻變得十分脆弱。例如，隨著勞動力的轉(zhuǎn)移和科技的快速發(fā)展，輕簡化的栽培方式興起，導(dǎo)致易落粒的雜草稻繁殖加速，對水稻的生產(chǎn)帶來諸多不利影響[27-28]?？茖W(xué)研究進(jìn)一步對易落粒的雜草稻序列分析表明，在SH4位點(diǎn)，它們均含有與栽培稻相似的難落粒基因型（sh4）。這也帶來了一個(gè)新問題：雜草稻具有與普通野生稻→亞洲栽培稻不相同的馴化歷史？或者是除了目前已知的控制落粒性的基因/主效QTL外，還存在其他的主效基因[29-30]？

在雙子葉模式植物——擬南芥中，已鑒定出多個(gè)與離區(qū)發(fā)育和器官脫落相關(guān)的基因，并已初步建立了擬南芥花器官脫落的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[31]。水稻作為單子葉植物特別是禾本科作物的模式作物，到目前為止，只有4個(gè)對水稻離層發(fā)育所必需的落粒性基因被克隆。但是，它們之間的相互作用以及特別是OsCPL1基因的功能有待于深入研究，相關(guān)研究的匱乏難以解釋水稻落粒性的多樣性及復(fù)雜性。

最近，一個(gè)控制野生稻散穗的馴化基因SPR3（OsLG1）被克隆，SPR3編碼1個(gè)SQUAMOSA 啟動子結(jié)合蛋白（SBP）。研究發(fā)現(xiàn)該基因除了能夠控制水稻的穗形外，還對落粒性有較大影響[32-33]，這也更進(jìn)一步說明水稻馴化是一個(gè)綜合的過程，同時(shí)也預(yù)示著花器官發(fā)育相關(guān)基因?qū)λ镜穆淞Ｐ砸财鹬{(diào)控作用。更多落粒性基因的發(fā)掘?qū)Ω玫亓私馑韭淞Ｐ缘姆肿踊A(chǔ)及現(xiàn)代育種具有重要的意義。

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