水稻中胚軸伸長研究進展

姜潔鋒，金林燦，王利潤

(1.寧波市農業(yè)科學研究院，浙江 寧波 315040；2.中國種子集團有限公司 生命科學技術中心，湖北 武漢 430206)

水稻中胚軸伸長研究進展

姜潔鋒1，金林燦1，王利潤2

(1.寧波市農業(yè)科學研究院，浙江 寧波 315040；2.中國種子集團有限公司 生命科學技術中心，湖北 武漢 430206)

綜述了水稻中胚軸伸長的研究進展，著重在中胚軸伸長相關基因的定位、環(huán)境因素對中胚軸伸長的影響等方面進行了總結，并提出了下一階段培育深土直播水稻品種的發(fā)展方向。

水稻；中胚軸；育種；深土直播；QTL

水稻是我國和全世界的主要糧食作物，全世界約有22億人以水稻為食。近年來，隨著農村經濟的發(fā)展，農村勞動力明顯不足，使得水稻直播作為一種簡便、高效、經濟的輕型化栽培方式，越來越受到重視[1]。但是，出苗難、草害、后期倒伏等一起成為目前制約直播稻發(fā)展的三大難題[2]，尤其是出苗難直接影響了直播稻的用種量和種子成本。中胚軸的伸長是直播過程中為水稻的出土提供主要源動力，中胚軸長、頂土能力強的水稻種質，一方面能夠在較深覆土的情況下保持較高的發(fā)芽率，另一方面使根系分布深、面積廣、活力強，能夠高效利用水分，并且抗旱、抗倒伏。

胚軸是連接著胚芽到胚根中的一部分特殊的組織結構，它分為上胚軸、中胚軸和下胚軸。水稻的上胚軸是指胚芽鞘到第一片真葉之間的部位，中胚軸是指盾片到胚芽鞘節(jié)之間的部分，下胚軸是指盾片以下與胚根連接的部位。水稻作為典型的單子葉植物，其下胚軸基本不伸長，當覆土較淺時，種子的出土主要依靠胚芽鞘的伸長而鉆出地面，其上胚軸和中胚軸都不伸長，而當覆土較深時，水稻利用中胚軸的伸長為種子的出土提供主要源動力，同時將分蘗節(jié)上升到適宜的位置。在深覆土的情況下，選用種子飽滿、活力高的長胚軸種質種子，出苗時間短、速度快，有利于提高出苗率和整齊度[3-4]。已有研究表明，不同品種的中胚軸伸長能力不一樣，一般雜草稻強于栽培稻，秈稻強于粳稻，陸地稻強于水稻[5]。而且，另一方面，中胚軸的伸長是基因型與環(huán)境互作的結果，缺氧、外源激素和高濃度CO2均能促進水稻中胚軸的伸長。本研究對水稻中胚軸伸長有關QTL定位、環(huán)境等因素對中胚軸伸長的影響等研究進展進行了綜述，并對培育深土直播水稻品種進行了育種展望。

1 中胚軸長度的QTL定位

目前，很多學者利用不同的群體定位到很多個影響中胚軸伸長的QTL，Cai等[6]利用秈稻Pei-kuh和普通野生稻W(wǎng)1944構建的一個RIL群體在第1、3、4、5、6、9、11號染色體上一共檢測到11個影響中胚軸伸長的QTL。曹立勇等[7]利用秈稻IR64和熱帶粳稻Azuccena產生的DH系通過適溫和低溫逆境下發(fā)芽，在第1、3、6、7、8、12號染色體上共發(fā)現(xiàn)8個影響中胚軸伸長的QTL，而且認為中胚軸的伸長主要受上位性和加性效應的影響，而受環(huán)境影響較小，遺傳率較高。Redona等[8]利用粳稻Labelle和秈稻Black Gora的F2群體在第1、3、5、7號染色體上共檢測到5個影響中胚軸伸長的QTL，且認為中胚軸伸長存在基因型與環(huán)境的互作。Katsuta-Seki等[9]利用Daorenqiao和Surjumkhi的F2∶3家系在第3、6、11號染色體上定位到3個影響中胚軸伸長的QTL。歐陽由男等[10]利用ZS97B/密陽46的RIL群體在除10號染色體外的其他11條染色體上定位到了27個影響中胚軸伸長的QTL，并且發(fā)現(xiàn)在第1、5、9號這3條染色體上有6個QTL具有加性效應。黃成等[11]利用沈農265和麗江新團黑谷構建的RIL群體，分別用不同濃度的GA和水處理，在第1、2、3、6、11號染色體上定位到3個和5個影響中胚軸伸長的QTL，其中發(fā)現(xiàn)主效基因qML3可以在不同的群體和環(huán)境中穩(wěn)定表達。Lee等[12]利用Kasalath和Nipponbare的BIL群體在第1、3、7、9、12號染色體上定位到5個QTL，并且把在2個獨立試驗中都檢測到的在第1和第3染色體上的2個QTL分別精細定位到一個3799～6964 kb的區(qū)間內。Wu等[13]通過對170份核心種質和100份抗旱材料進行砂培和暗培等發(fā)芽試驗，暗培條件下在第1、3、4、5、6、9號染色體上掃描到6個中胚軸伸長的QTL，砂培條件下在第3、6、10號染色體上掃描到3個中胚軸伸長的QTL，這些QTL與前人已定位的QTL位置是吻合的。Lu等[14]利用一個469個秈稻材料組成的群體，用4136個SNP標記進行關聯(lián)分析，共檢測到17個位點與中胚軸伸長有關。

盡管目前水稻中已有很多學者定位到影響中胚軸伸長的QTL，但是還沒有一個中胚軸伸長相關基因被克隆，其伸長機制也并不清楚。作為研究水稻中胚軸伸長的關鍵，影響中胚軸伸長相關QTL的定位和克隆既可以揭示水稻中胚軸伸長機制，也可以進一步探究水稻中胚軸伸長與環(huán)境互作的機理，同時也可以通過分子標記輔助選擇和轉基因方法聚合多個中胚軸伸長相關基因，使培育深土直播水稻品種用于生產將成為現(xiàn)實。

2 中胚軸伸長的影響因素

中胚軸的伸長主要是中胚軸細胞分裂和伸長共同作用的結果，其中中胚軸細胞的伸長又起著決定性的作用[15]，而且光照、溫度、氧氣含量、植物激素都會影響中胚軸的伸長，這些環(huán)境因素并不是獨立存在的，而是互相協(xié)調共同調控中胚軸的伸長。其中植物激素對中胚軸伸長的影響尤為顯著，它可以通過影響細胞的伸長和分裂，以及能量代謝和微管的排布等方式來影響中胚軸的伸長。

2.1光對中胚軸伸長的影響

在水稻種子萌發(fā)的過程中，黑暗條件可以促進中胚軸的伸長，但是不同光質對胚軸伸長的影響不同，在不同光質下，玉米中胚軸長度分別是，白光lt;自然光lt;紅光lt;藍光lt;綠光lt;黃光lt;黑暗[16]，另外，藍光、白光、UV-B以及遠紅光和紅光均能抑制擬南芥的下胚軸伸長[17]。不同的光通過影響種子內源激素如IAA、GA、ABA等的含量，從而影響光形態(tài)的建成。藍光可以降低了高粱幼苗的內源GA含量，促進了去黃化反應，抑制了中胚軸的伸長[18]，而遠紅光可以增加玉米內源GA含量，減少ABA含量，促進玉米中胚軸的伸長[19]。同時，多胺氧化酶(PAO)通過分解產生H2O2誘導中胚軸細胞壁硬化，造成細胞伸長受阻，在光抑制玉米中胚軸伸長中有著重要的作用[20]。

2.2溫度對中胚軸的影響

植物的生長需要在適宜的溫度下進行，低溫或高溫都會對其造成傷害，低溫會嚴重影響水稻中胚軸的伸長，而且通過對耐寒型黃C和低溫敏感型Mo17兩個玉米自交系幼苗的研究發(fā)現(xiàn)，中胚軸是對低溫較敏感的部位，低溫抑制中胚軸的伸長[21-22]。適度高溫可以提高生長素的濃度，從而促進胚軸的伸長[23]，但是高溫脅迫會抑制幼苗胚軸的生長[24]。

2.3覆土深度影響中胚軸的伸長

覆土深度是影響直播稻出苗的重要因素之一。通過對不同的水稻種質設置2、4、6 cm等3個不同的覆土深度進行發(fā)芽試驗，試驗發(fā)現(xiàn)水稻中胚軸的伸長對覆土較深的種子頂土出苗起到關鍵作用，長胚軸種質頂土出苗動力來自于芽鞘節(jié)與中胚軸的共同作用，出苗動力強；而短胚軸頂土出苗動力主要來源于芽鞘節(jié)的伸長，出苗動力較弱，而對于同一水稻材料，水稻中胚軸伸長長度與覆土的深度呈正比[3]。在玉米中的研究也表明，深播能夠使中胚軸細胞均顯著伸長，但是細胞數(shù)目變化不大[22]。

2.4植物激素對中胚軸伸長的影響

外源GA、ABA、CTK、GR24、IAA、乙烯等激素都會影響水稻中胚軸的伸長。在擬南芥中，下胚軸伸長的機理研究相對完整，JA、GA、BR、IAA等這些激素相互之間構成一個網(wǎng)絡，通過DELLA影響細胞壁的結構來影響下胚軸的伸長。很多激素缺陷型或敏感型突變體都會表現(xiàn)出極端的下胚軸伸長或者抑制的表型[25]。在黑暗條件下，獨腳金內酯缺陷型突變體的中胚軸伸長隨著獨腳金內酯濃度的增加而受到抑制，同時對其中胚軸進行細胞學觀察發(fā)現(xiàn)這種抑制是由于細胞數(shù)目的減少而非細胞數(shù)目的變化而導致的，進一步研究發(fā)現(xiàn)，缺陷型突變體中胚軸中的細胞分裂素調控基因過量表達，并且發(fā)現(xiàn)細胞一個細胞分裂相關基因OsTCP5受到獨腳金內酯和細胞分裂素的調控，而且其表達與中胚軸長度呈負相關[26-27]。另外，有學者通過對獨腳金內酯的缺陷型突變體d10的分析，找到了有8個蛋白受到D10的調控而影響中胚軸的伸長，而這些蛋白主要是參與細胞的能量代謝和碳水化合物以及氨基酸的代謝，由此判斷，中胚軸的伸長是受能量代謝所調控的[28]。通過篩選水稻中乙烯的突變體找到了MHZ7/OsEIN2，這個基因的超表達家系在黑暗條件下表現(xiàn)出中胚軸長度顯著大于野生型，同時該基因還會影響到水稻粒長和千粒重以及葉片衰老等表型[29]。通過測定不同時間段的中胚軸內源GA、IAA、CTK等植物激素含量發(fā)現(xiàn)：GA的含量隨著中胚軸的伸長逐漸減少，IAA的含量隨著中胚軸的伸長而增加，而CTK的含量則變化很小，由此筆者認為，內源GA和IAA是影響中胚軸伸長生長的主要調控因子[29]。而進一步的細胞伸長機理研究發(fā)現(xiàn)，微管蛋白結合基因的表達量變化編碼不同的微管蛋白，微管蛋白的相互作用引起的MTs動態(tài)變化，以此來調節(jié)細胞中胚軸伸長[30]。對發(fā)芽4、5、6、7 d的中胚軸進行石蠟切片觀察，發(fā)現(xiàn)中胚軸伸長初期細胞分裂增殖對中胚軸伸長起促進作用，但隨著中胚軸的生長，促進作用消失。細胞分裂是一個快速的過程，試驗表明：中胚軸細胞大量分裂增殖時間不超過12 h，發(fā)生在中胚軸生長初始階段，由此說明，中胚軸的伸長生長是細胞快速分裂而后細胞長度繼續(xù)伸長的結果，并且細胞長度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)中胚軸中部的細胞顯著長于基部和頂部的細胞[15]。

3 中胚軸伸長相關育種展望

3.1加強應用基礎研究

近十幾年來，水稻功能基因組發(fā)展十分迅速，克隆了大量抗病蟲、抗逆及產量等相關基因，中胚軸的伸長與基因型緊密相關，目前已經定位到了一系列影響中胚軸伸長的QTL，但是由于目前定位到的QTL區(qū)段較大，可能連鎖大量不利基因，因此，這些QTL能否在水稻育種中得到利用，還需要育種實踐的驗證，同時還需要不斷定位、克隆中胚軸伸長的基因，為深直播栽培品種的選育提供更多基因資源。

3.2與水稻其他農藝性狀的相關性研究

林建榮等[4]利用H10/春江香粳和秀水110/H10的2個親本，F(xiàn)1、B1、B2、F2為試驗材料進行發(fā)芽試驗，發(fā)現(xiàn)F2群體中長、短中胚軸植株在節(jié)間長度、穗長、株高和劍葉長等性狀上均存在較明顯的差異，而中胚軸伸長特性與節(jié)間粗、劍葉寬、單株穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、結實率、千粒重和單株產量等性狀關系不明顯。中胚軸的長度與植物的株高之間很可能存在連鎖關系[31]，因此，在一定范圍內增加中胚軸長度又控制株高對水稻生產實踐具有重大意義。

3.3加快種質資源的利用

利用92份粳型雜草稻和24份秈型雜草稻以及12份韓國栽培稻進行發(fā)芽試驗發(fā)現(xiàn)：雜草稻在旱直播時中胚軸和胚芽鞘都顯著地長于栽培稻[32]。通過對我國北方稻區(qū)的93份雜草稻和12份栽培稻進行發(fā)芽試驗，發(fā)現(xiàn)57%的雜草稻材料屬于長中胚軸類型和中間類型；其他栽培稻品種，除秈稻品種IR70外，均屬于短中胚軸類型[5]。雜草稻由于經過長期的自然異交、選擇，其遺傳基礎比較復雜，變異類型豐富，對環(huán)境較強的適應性存在著多種多樣的有益遺傳基因[33]，雜草稻也是一個理想的品種改良基因庫，對于拓寬水稻遺傳基礎以及改良水稻中胚軸性狀具有良好前景，雜草稻與栽培稻有著較密切的親緣關系，是很好的育種親本材料。

3.4培育深土直播水稻品種

在水稻生產中，深土直播稻不但能提高抗倒伏能力,還有利于根系吸收深層水分，提高品種的抗旱性。但隨著覆土深度的增加,直播稻頂土出苗能力下降,造成出苗率偏低,秧苗素質較差。而且一直以來我國的水稻育種主要方向是培育優(yōu)質高產的水稻品種，因此大多數(shù)品種的中胚軸長度較短，因此篩選具有長中胚軸的種質資源和材料，挖掘促進中胚軸伸長的有利基因，并利用分子標記輔助選擇等生物技術手段結合常規(guī)育種培育深土直播水稻品種，為將來的育種提供了新思路。

[1] Farooq M, Siddique K H M, Rehman H, et al. Rice direct seeding: experiences, challenges and opportunities[J]. Soil Till Research, 2011, 111(2): 87-98.

[2] 朱德峰，嚴學強.國外水稻直播栽培發(fā)展概況[J].耕作與栽培，1997(Z1)：102-103.

[3] 張光恒，林建榮，吳明國，等.水稻出苗頂土動力源研究[J].中國水稻科學，2005，19(1)：59-62.

[4] 林建榮，張光恒，吳明國，等.水稻中胚軸伸長特性的遺傳分析[J].作物學報，2006，32(2)：249-252.

[5] 王瑩，馬殿榮，陳溫福.北方雜草稻中胚軸伸長特性的初步研究[J].中國稻米，2008(3)：47-50.

[6] Cai H W, Morishima H. QTL clusters reflect character associations in wild and cultivated rice[J]. Theoretical and Applied Genetics, 2002, 104(8): 1217-1228.

[7] 曹立勇，朱軍，顏啟傳，等.水稻秈粳交DH群體幼苗中胚軸長度的QTLs定位和上位性分析[J].中國水稻科學，2002，16(3)：221-224.

[8] Redona E D, Mackill D J. Mapping quantitative trait loci for seedling vigor in rice using RFLPs[J]. Theoretical and Applied Genetics, 1996, 92(3/4): 395-402.

[9] Katsuta-Seki M, Ebana K, Okuno K. QTL analysis for mesocotyl elongation in rice[J]. Rice Genetics Newsletter, 1996, 13: 126.

[10] 歐陽由男，張秋英，張克勤，等.水稻幼苗中胚軸長度QTL及與Fe2+濃度的互作效應的遺傳分析[J].遺傳學報，2005，32(7)：48-54.

[11] 黃成，姜樹坤，馮玲玲，等.水稻中胚軸長度QTL分析[J].作物學報，2010，36(7)：1108-1113.

[12] Lee H, Sasaki K, Higashitani A, et al. Mapping and characterization of quantitative trait loci for mesocotyl elongation in rice (OryzasativaL.)[J]. Rice, 2012, 5(1): 13.

[13] Wu J, Feng F, Lian X, et al. Genome-wide Association Study (GWAS) of mesocotyl elongation based on re-sequencing approach in rice[J]. BMC Plant Biology, 2015, 15(1): 218.

[14] Lu Q, Zhang M, Niu X, et al. Uncovering novel loci for mesocotyl elongation and shoot length inindicarice through genome-wide association mapping[J]. Planta, 2016, 243(3): 645-657.

[15] 李莉，馬殿榮，陳溫福，等.雜草稻中胚軸伸長的細胞形態(tài)學觀察[J].沈陽農業(yè)大學學報，2012，43(6)：749-753.

[16] 邵青龍，崔建強.光照對玉米中胚軸和胚芽鞘生長的影響[J].新疆農墾科技，2015，38(11)：36-40.

[17] 陳大清.不同光質和激動素對擬南芥(ArabidopsisthalianaL.)幼苗光形態(tài)建成影響的研究[D].廣州：華南師范大學，2002：37-38.

[18] Gao S, Xie X, Yang S, et al. The changes of GA level and signaling are involved in the regulation of mesocotyl elongation during blue light mediated de-etiolation in Sorghum bicolor[J]. Molecular Biology Reports, 2012, 39(4): 4091-4100.

[19] Patrice G D, Gregory T O, Sherry F, et al. Physiological and genetic characterization of end-of-day far-red light response in maize seedlings[J]. Plant Physiology, 2010, 154(1): 173-186.

[20] 張同禎，李永生，李玥，等.多胺氧化酶(PAO)調控光誘導玉米中胚軸伸長的生理機制[J].作物學報，2016，42(5)：734-742.

[21] 高燦紅，胡晉，鄭昀曄，等.玉米幼苗抗氧化酶活性、脯氨酸含量變化及與其耐寒性的關系[J].應用生態(tài)學報，2006，17(6):1045-1050.

[22] 趙光武，馬攀，王建華，等.不同玉米自交系耐深播能力鑒定及對深播脅迫的生理響應[J].玉米科學，2009，17(5)：9-13.

[23] Gray W M, Ostin A, Sandberg G, et al. High temperature promotes auxin-mediated hypocotyl elongation in Arabidopsis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1998, 95(12): 7197-7202.

[24] 田學軍，陶宏征，羅晶，等.熱脅迫對豌豆下胚軸生理的一些影響[J].植物分類與資源學報，2009，31(4):363-368.

[25] Claeys H, De B S, Inzé D. Gibberellins and DELLAs: central nodes in growth regulatory networks[J]. Trends in Plant Science, 2013, 19(4): 231-239.

[26] Hu Z, Yan H, Yang J, et al. Strigolactones negatively regulate mesocotyl elongation in rice during germination and growth in darkness[J]. Plant amp; Cell Physiology, 2010, 51(7): 1136-1142.

[27] Hu Z, Yamauchi T, Yang J, et al. Strigolactone and cytokinin act antagonistically in regulating rice mesocotyl elongation in darkness[J]. Plant Cell Physiology, 2014, 55(1): 30-41.

[28] Chen F, Jiang L, Zheng J, et al. Identification of differentially expressed proteins and phosphorylated proteins in rice seedlings in response to strigolactone treatment[J]. PloS ONE, 2014, 9(4): e93947.

[29] Ma B, He S, Duan K, et al. Identification of rice ethylene-response mutants and characterization ofMHZ7/OsEIN2 in distinct ethylene response and yield trait regulation[J]. Molecular Plant, 2013, 6(6): 1830-1848.

[30] Li L, Liang Q, Wang C, et al. Effect of auxin on weedy rice mesocotyl cell wall oxidase[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013(448/453): 69-73.

[31] Dilday R H, Mgonja M A, Amonsilpa S A, et al. Plant height vs. mesocotyl and coleoptile elongation in rice: Linkage or pleiotropism?[J]. Crop Science, 1990, 30(4): 815-818.

[32] Namjin C. Elongation habit of mesocotyls and coleoptiles in weedy rice with high emergence ability in direct-seeding on dry paddy fields[J]. Crop amp; Pasture Science, 2010, 61(11): 911-917.

[33] 余柳青.雜草稻落粒性的生物學特性與防治[J].植物保護學報，2005，32(3)：319-323.

(責任編輯：曾小軍)

ResearchProgressinElongationofMesocotylinRice

JIANG Jie-feng1, JIN Lin-can1, WANG Li-run2

(1. Ningbo Academy of Agricultural Sciences in Zhejiang Province, Ningbo 315040, China;2. Life Science and Technology Center, China National Seed Group Company Limited, Wuhan 430206, China)

This article reviews the research progresses in the elongation of mesocotyl in rice, focuses on the mapping of genes related to mesocotyl elongation, and the influences of environmental factors on the elongation of mesocotyl in rice, and puts forward the developmental direction of breeding deep-direct-seeding rice varieties in the future.

Rice; Mesocotyl; Breeding; Deep direct-seeding; QTL

S511.5

A

1001-8581(2017)12-0023-04

2017-08-14

寧波市自然科學基金(2016A610117)；浙江省重點研發(fā)計劃(2016C02050-5)；寧波市科技創(chuàng)新團隊(2014B81001)。

姜潔鋒(1985─)，男，助理研究員，博士，研究方向：水稻遺傳育種。