水稻粒形調控基因的研究進展

朱業(yè)寶，郭玉春，梁康逕，孫新立

(1.福建農(nóng)林大學作物遺傳育種與綜合利用教育部重點實驗室，福建福州350002;2.福建農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所，福建福州350018)

水稻(Oryza sativa L.)是我國三大主要糧食作物之一，其產(chǎn)量和品質對我國糧食安全影響巨大.水稻產(chǎn)量直接受3個因素控制，即穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重(籽粒大小和充實度).水稻的粒形不僅是粒重的重要因素，而且是重要的品質性狀.本文從粒形相關性狀的遺傳分析、QTL定位及基因克隆和基因作用機理等方面綜述了前人研究成果，以期為水稻粒形遺傳改良提供依據(jù).

1 數(shù)量遺傳

水稻粒重受粒長、粒寬、粒厚和充實度的影響，均屬于數(shù)量性狀，受多基因控制.多基因在染色體上的位置稱為數(shù)量性狀基因座(Quantitative Trait Loci，QTL)[1].許多重要的農(nóng)藝性狀被多基因共同控制，而且受環(huán)境影響較大.其中，1個或多個基因的作用較大，稱這些基因為主效基因，也是研究的重點.

粒重屬于復合性狀，為使研究簡化，一般將其分解為受基因直接控制的幾個組成因素.本文重點闡述其構成因素(粒長、粒寬和粒厚)的遺傳規(guī)律(表 1)[2，3].不同品種間粒長變異較大(6 －15 mm)[2]，粒寬和粒厚的變異較小.

2 QTL定位及其相關基因的克隆

隨著分子生物學的發(fā)展，全基因組測序的完成，作為模式植物之一的水稻，有約1.8萬個容易操作、重復性好、共顯性的簡單序列重復標記(Simple Sequence Repeat，SSR)可以使用.另外，除粳稻Nipponbare序列外(http://rapdb.dna.affrc.go.jp/)，水稻中還有秈稻 93 －11(http://rise.genomics.org.cn/rice/index2.jsp)、野生稻W(wǎng)943的全基因組序列以及2000份栽培稻和普通野生稻超過7×106個單核苷酸多態(tài)性(Single Nucleotide Polymorphisms，SNP)可以利用(http://ricevarmap.ncpgr.cn/django/home/)[4].同時，搜索NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)、EBI(http://www.ebi.ac.uk/)、RAP-DB(http://rapdb.dna.affrc.go.jp/)和Gramene(http://www.gramene.org/)等相關網(wǎng)站，還會獲取更多相關資源.這些為水稻粒形QTL分析、重要基因克隆和功能分析奠定了基礎.

表1 水稻粒形基因的遺傳效應1)Table 1 Genetic effects of rice grain shape genes

2.1 已定位的調控水稻粒形QTL

對于數(shù)量性狀位點的研究不同于質量性狀，需將控制數(shù)量性狀的位點分解成單個QTL.目前，已定位了大量控制水稻粒長和粒寬的QTL，但控制粒厚的QTL的較少.有研究已定位了超過400個QTL涉及水稻粒形和粒重，其中控制粒長的QTL有102個，粒寬的QTL有93個[2].Gramene網(wǎng)站(ftp://ftp.gramene.org/pub/gramene/CURRENT_RELEASE/data/qtl/)收錄了控制粒長的QTL有24個，粒寬的QTL有31個(表2).結果差異較大，除所引用論文的差異外，不同實驗所定位的QTL難以比較是重要的原因.這些研究或搜索引擎僅對論文中所定位的QTL進行簡單的相加，不做進一步分析，這樣存在大量的重復，即同一個QTL為不同作者在不同試驗中的重復檢測[2，5].

2.2 已克隆的水稻粒形調控基因

雖然粒形性狀是由多基因控制，但調控粒形的每一個基因，尤其是主效基因，表現(xiàn)出典型的孟德爾遺傳現(xiàn)象.這樣可通過連續(xù)回交篩選，只保留一個調控粒形的主效基因雜合，獲取BCnF1種子，建立BCnF2的大群體，進而將目標QTL進行精細定位，最終克隆調控粒形性狀的QTL.這是圖位克隆數(shù)量性狀的常用方法.目前，采用該策略，至少已經(jīng)克隆了8個粒形相關的QTL(表3).

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實際上，除8個粒形相關QTL外，還有其它的一些基因，影響粒形性狀.Huang et al[2]將這些基因分成三類，第一類基因包括D1、D2、D11和D61(表3).這些基因突變使籽粒變短，植株變矮，葉傾角變小.D1基因編碼G蛋白的α亞基，該基因的突變同時影響GA和油菜素內酯信號(Brassinosteroid，BR)2條傳導途徑[6，7].目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的多個D1突變體，多是因為插入或缺失造成[8].D2和D11編碼細胞色素P450氧化還原酶，涉及 BR 的合成[9，10].D61 編碼 BR 受體蛋白[11].最近，Duan et al[12]發(fā)現(xiàn)一個新的突變體—smg1，引起籽粒變短、植株變矮和葉片直立.SMG1編碼MAPK4，調控細胞的增殖.該基因的突變影響B(tài)R信號傳導途徑.第二類基因主要影響水稻的粒形性狀，在穗粒部位表達較強.GS3是影響粒形性狀的主效基因之一，這一基因對籽粒的大小(粒長、粒寬、粒厚，以下相同)負調控作用(表3).該基因首先在明恢63和川7雜交群體中被精細定位，編碼一個未知功能的跨膜蛋白，包含4個構域，從氨基端到羧基端分別為OSR-TM-TNFR-VWFC(organ size regulation-transmembrane region-tumor necrosis factor receptor-von Willebrand factor type C).OSR結構域缺失，粒形變長;VWFC結構域缺失，粒形變短;二者同時缺失，粒形變長[14，15].另一個對粒長影響較大的基因qGL3/GL3.1，同時被2實驗室分別克隆.該基因編碼帶有Kelch-like repeat結構域的磷酸酯酶.長粒中一個位點C到A的突變，造成Kelch結構域中AVLDT基序的改變(Asp→Glu或者D→E)，從而使粒形變長[16，17].目前，已經(jīng)克隆的調控粒寬的基因有 5個—GW2、GW5/qSW5、GW8、GS5和 GS6.GW2編碼RING型E3泛素連接酶，首先在大粒水稻W(wǎng)Y3和小粒豐矮占1號雜交組合中定位.這一基因1 bp的缺失造成了大粒WY3中基因的移碼突變.GW2通過蛋白酶體對細胞分裂起著負調控作用，該基因的突變，造成其靶向蛋白的積累，加速了細胞分裂，增加了籽粒的粒寬和重量[18].GW5/qSW5被兩個實驗室同時克隆的粒寬基因，這一基因編碼一個位于細胞核中144個氨基酸的蛋白質，該蛋白帶有一個富含精氨酸的結構域.由于此蛋白能與多聚泛素互作，推測可能通過泛素—蛋白酶體途徑調控細胞的分裂[19，20].GW8通過Basmati385和HJX74雜交組合定位發(fā)現(xiàn)，編碼SQUAMOSA啟動子結合蛋白，屬于SBP轉錄因子家族，可簡寫為OsSPL16.不同于前面談到的基因，該基因的突變發(fā)生在基因的啟動子區(qū)，啟動子中10 bp的堿基缺失造成Basmati 385中基因表達降低，籽粒變窄.然而，OsSPL16基因表達的降低，同時提高了米粒的品質[21].GS5基因是主要調控粒寬的QTL，同時影響籽粒的灌漿和粒重.它編碼一個絲氨酸羧肽酶，對籽粒的粒形有正調控作用[22].GS6編碼含GRAS結構域的蛋白質，348位點的G到A的突變致使蛋白質早熟，籽粒變寬.該基因可能是看家基因，幾乎在所有的組織中都表達，沒有差異[23].GIF1基因的突變造成籽粒灌漿缺陷，突變體籽粒中由于大量疏松淀粉顆粒存在，堊白區(qū)很大.該基因編碼一種細胞壁轉化酶，因1 bp的缺失造成移碼突變，蛋白質的早熟[24，25].

第三類基因的突變有些類似于第一類基因所產(chǎn)生的性狀，主要發(fā)現(xiàn)于粳稻中，產(chǎn)生小而圓的粒形(表3).這些基因的突變縮短了籽粒的長度，增加了籽粒的寬度.同樣，這些基因也會影響植株的株高，突變體植株與野生型相比，每一節(jié)間都有一定程度的縮短，而第一類基因突變體尤其會造成某一節(jié)間的嚴重縮短.這類基因目前有SRS1、SRS3和SRS5.SRS1編碼含有1365氨基酸的未知功能蛋白質，它的突變會造成種子縱向生長細胞變短變少，橫向生長變長[26，27].SRS3編碼含有813個氨基酸的蛋白質，含有Kinesin結構域和Coiled-coil結構，該基因的突變造成縱向生長細胞變短.SRS3基因不僅在穗粒中表達，而且在葉片和節(jié)間中表達.其中，在節(jié)間表達最強[28].SRS5編碼α-tubulin蛋白質.點突變引起SRS5中第308位的精氨酸變成亮氨酸，基因突變后同樣造成縱向生長細胞變短，它與BR信號傳導途徑無關[29].

除上面談到的3類基因外，最近發(fā)現(xiàn)PGL1基因過量表達和APG基因沉默都能增加籽粒的長度.PGL1基因都編碼非典型的bHLH(堿性螺旋—環(huán)—螺旋蛋白)轉錄因子，該因子缺乏與DNA結合的結構域，通過與其互作的蛋白質APG調控基因表達，二者表現(xiàn)出拮抗作用.APG是細胞伸長負向調控因子，其功能受PGL1抑制[30].Bsg1/Th1基因編碼含有DUF640結構域的未知功能蛋白，該基因的突變會形成紡錘形籽粒，內外穎的外層薄壁細胞層中細胞數(shù)目減少且變小.該基因主要在穗粒和正在生長的莖中表達，而且，突變體中與細胞分裂相關的基因和GW2表達不同于野生型[31－33].An-1編碼bHLH蛋白質，超量表達增加籽粒的長度，抑制或失活該基因能降低籽粒和芒的長度，增加著粒密度.此外該基因是由野生稻到栽培稻重要的馴化位點[34].另外，SERF1編碼鹽響應的轉錄因子，該因子能直接與RPBF基因的啟動子結合，調控該基因的表達.RPBF調控籽粒的灌漿.SERF1基因的失活，籽粒變大;超表達，籽粒變小[35].Zhang et al[36]研究表明，超表達microRNA-OsmiR397，能提高25%的產(chǎn)量，增加籽粒的大小.

3 水稻粒形調控基因的作用機理

水稻粒形調控基因的克隆為籽粒形成分子機制的研究提供了依據(jù)，這些基因對粒形的調控一般是通過影響細胞的分裂或大小.第一類基因主要通過BR信號傳導途徑調控相關組織細胞的數(shù)目和長度.雖然已有一些基因克隆，不同作者基于其克隆的基因，對其分子機制也作了一些研究.但總的來說，還是了解較少.GS3被認為是細胞分裂的負調控因子，其不同結構域間存在功能差異，其中OSR是主要的負調控區(qū)[15，37].GL3.1能加速細胞的分裂，它直接和 CyclinT1;3 互作，去除該蛋白的磷酸化.GL3.1 的突變，CyclinT1;3磷酸化水平升高，籽粒變長;抑制CyclinT1;3基因的表達，籽粒變短[17].GS5能影響細胞周期調控基因的表達，GS5基因表達的上升或降低，同樣伴隨著這些細胞周期相關基因CYCT1、CAK1、CAK1A、CDKA1和H1表達的上升或降低[21].同樣，GW8基因的變異同樣伴隨著細胞周期相關基因的改變[23].

目前，對于已經(jīng)克隆的粒形基因間的關系研究甚少.但已有的研究表明，一些大粒和長粒材料中含有多個已克隆的第二類基因[16，38].在本研究團隊所研究的超大粒材料，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6個已克隆的第二類基因(未發(fā)表)，但這些基因間的關系還不清楚.而不同類型的基因間相互關系的研究至今尚未見報道.

4 水稻粒形基因突變體在水稻資源內的分布

粒形調控基因在水稻育種中具有廣泛的用途，了解突變體在現(xiàn)有水稻資源中的分布具有重要的意義.本文僅討論第二類基因的分布.明恢63類型的GS3突變在栽培稻中分布較廣泛，Takano-Kai et al[37]對235份栽培稻和284份野生稻的分析表明，34%的栽培稻和4%普通野生稻帶有該基因的突變體.其中，這一突變體主要分布在熱帶粳稻和秈稻中，占栽培稻突變體品種的83%.Mao et al[15]在川7中發(fā)現(xiàn)另一種類型的突變體，1 bp缺失造成GS3缺少VWFC結構域，籽粒變得比正常的更短.GW5的突變體主要分布在粳稻和寬粒秈稻中[19，20]，而GW8的突變體大多分布在Basmati類型的栽培稻中[23].另一個影響粒寬的基因GS5，通過對35份栽培稻的該基因啟動子的分析，僅有8份屬于窄粒類型(H94型)，均為秈稻;13份中等寬粒(珍汕97型)，主要是秈稻(85%);14份寬粒類型(中花11型)，主要為粳稻(86%)[21].對于GS6的分析表明，突變體基因主要出現(xiàn)在粳稻中[22].不同于上述的基因，GW2和qGL3屬于稀有基因，qGL3在94份測試品種中，僅發(fā)現(xiàn)1份[16];而Yan et al[39]對156份秈粳栽培稻篩選發(fā)現(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)含有GW2突變體基因的材料.

5 展望

目前，僅有第二類粒形基因可以直接應用于育種，gs3、gw5和gw8已經(jīng)為人們有意或無意的應用到育種實踐中;而qgl3和gw2屬于稀有基因，這2個基因的克隆，必將加快它們在育種中的擴散速度.但是，第一類和第三類基因的應用還需要一些時間.與已經(jīng)定位的QTL相比，已克隆的第二類粒形調控基因的數(shù)量太少，只有8個，而基因克隆是粒形形成分子機制研究的前提，因此，克隆更多的粒形調控QTL是必不可少的過程.另外，已克隆的基因之間的相互關系還多不清楚，已有研究表明，超大粒的形成需要多個調控粒形基因的累積[16，38].這些粒形基因是獨立起作用還是有相互的影響，是產(chǎn)生性狀累加，或者相反;粒形基因是否影響稻米品質，如何影響等等，這些都是今后有待進一步深入研究的重要內容.此外，隨著人們對更多粒形基因的克隆和調控機制的了解，未來育種工作者可以根據(jù)需要，設計培育不同粒形、不同大小的品種，真正實現(xiàn)分子設計育種.

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