利用基因工程技術提高非生物脅迫下水稻產量的研究進展

段俊枝 楊翠萍 王楠 齊學禮 馮麗麗 燕照玲齊紅志 陳海燕 張會芳 卓文飛* 李瑩

（1 河南省農業(yè)科學院 農業(yè)經濟與信息研究所，鄭州 450002；2河南省作物分子育種研究院，鄭州 450002；3《河南農業(yè)大學學報》編輯部，鄭州 450002；第一作者：junzhi2004@163.com；*通訊作者：kjcankao@126.com；liying1233@163.com）

水稻是重要的糧食作物，供養(yǎng)著世界上近2/3 的人口[1]。干旱、鹽、低溫、高溫等非生物脅迫會抑制水稻的生長發(fā)育，降低籽粒產量。而且，隨著全球氣候變化，非生物脅迫發(fā)生的頻率和嚴重程度在增加，嚴重威脅水稻生產[2]。因此，培育在非生物脅迫條件下的高產水稻品種，是解決上述問題的有效途徑。相比傳統(tǒng)育種，利用基因工程技術提高非生物脅迫條件下水稻產量具有針對性強、周期相對較短、效果好等優(yōu)點，是更有效的途徑。

干旱、鹽、低溫、高溫等非生物脅迫造成的水稻產量降低主要歸因于其對水稻營養(yǎng)生長期和生殖生長期的傷害，尤其是生殖生長期。目前發(fā)現有一些基因可以提高水稻營養(yǎng)生長期對非生物脅迫的耐受性，并提高正常條件下的水稻產量[3-12]；還有一些基因可同時提高水稻營養(yǎng)生長期和生殖生長期對非生物脅迫的耐受性，并改善水稻產量相關性狀，例如穗長、穗數、穗粒數、結實率和千粒重等，進而提高產量[13-20]。這些基因主要分為調節(jié)基因[SAPK(Stress-activated protein kinase)、NAC (NAM、ATAF1/ATAF2 和 CUC2）、AP2/ERF(APETALA2/ethylene responsive factor)、MYB(Myeloblastosis)、bZIP (Basic leucine zipper)、bHLH (Basic helixloop-helix)等]和功能基因[GolS（Galactinol synthase）、NAR （Nitrate transporter partner protein）、RAB、CSP（Cold shock protein）、TPSP（Trehalose-6-phosphate synthase/phosphatase )等]，以調節(jié)基因居多，這些基因是對水稻抗逆、高產育種具有價值的資源[21-58]。本文系統(tǒng)闡述了上述基因提高干旱、鹽、低溫、高溫等脅迫下水稻產量的研究進展，分析了存在的問題，并提出解決辦法，為水稻抗逆、高產育種提供參考。

1 利用基因工程技術提高單一非生物脅迫下水稻產量的研究進展

目前，已經發(fā)現一些基因可以在干旱、鹽、低溫、高溫、低氮等單一脅迫條件下提高水稻產量[21-51]，以干旱脅迫條件下居多。

1.1 干旱脅迫

目前，研究發(fā)現的在干旱脅迫條件下調控水稻產量的基因主要包括功能基因GolS、TOR（Target of rapamycin)、NAR、OsRINGzf1[Really Interesting New Gene(RING) zinc finger protein 1]、PYL（Pyrabactin resistancelike）][21-25]和調節(jié)基因SnRK2、SAPK9[26-27]、NAC[28-34]、AP2/ERF[35-36]、MYB[37-38]、bZIP[39-40]、bHLH[41]、ASR[42]、TZF（CCCH-tandem zinc finger protein 5）[43]。其中，調節(jié)基因包括了激酶基因[26-27]和轉錄因子基因[28-43]。

1.1.1 功能基因

GolS 是合成低聚糖的關鍵酶，低聚糖在擬南芥抗旱、耐熱中具有重要作用[59]。在水稻中超表達AtGolS2基因提高了轉基因植株在田間干旱脅迫處理后的穗數和結實率，進而提高產量，這主要得益于轉基因植株葉片相對含水量、光合活性和甜菜苷含量的增加[21]。類似的，在水稻中超表達AtTOR 基因提高了干旱脅迫處理后轉基因植株的株高、分蘗數、有效穗數和穗長，進而提高產量，這主要歸因于超表達AtTOR 基因提高了轉基因水稻植株光合效率、葉綠素含量、水分利用效率和一些脅迫特異基因如OsDHODH1（Dihydroorotate dehydrogenase 1）、OsNADPH1（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate 1）、OsSKIP1a（SKI-interactin protein 1a）、OsALDH2a（Aldehyde dehydrogenase 2a）、OsAOX1a（Ascorbic acid oxidase 1a）、OsTPP1（Trehalose-6-phosphate phosphatase 1）、OsLEA3-1（Late-embryogenesisabundant protein 3-1）、OsPP2C（Serine/threonine protein phosphatases 2C）、OsSIK1 （Salt-inducible kinase）、OsNAC1、OsNAC2、OsWRKY72、OsDREB2B （Dehydration-responsive element binding protein 2B）和OsbZIP23的表達量[22]。綜上，AtTOR 基因通過調控水分利用效率、光合效率及一些脅迫響應基因的表達來提高水稻的抗旱性，并最終提高產量。

OsNAR2.1 蛋白在硝酸鹽吸收、轉運方面具有重要作用[60]。超表達OsNAR2.1 基因增強了轉基因水稻苗期和田間生殖生長期的抗旱性，提高了有效穗數、穗粒數、結實率和產量，增幅分別為24.4%、13.0%、16.3%和26.6%[23]。這主要歸因于超表達OsNAR2.1 基因提高了水稻植株的氮吸收量、葉綠素含量、相對含水量、光合速率和水分利用率及一些干旱脅迫響應基因如OsNAC10、OsSNAC1 （Stress -responsive NAC 1）、Os－DREB2a、OsAP37 的表達量[23]。研究發(fā)現，OsRINGzf1 為E3 連接酶，定位于細胞質膜和內質網，OsRINGzf1 基因受干旱誘導表達，超表達該基因提高了轉基因水稻苗期和田間生殖生長期對干旱脅迫的耐受性，并提高了產量，RNAi 植株反之[24]。這主要得益于干旱脅迫條件下超表達OsRINGzf1 基因水稻植株的葉片相對含水量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量提高，葉片失水速率降低。進一步分析發(fā)現，OsRINGzf1 可與水通道蛋白OsPIP1;1（Plasma membrane intrinsic protein 1;1）、OsPIP1;3、OsPIP2;1、OsPIP2;2、OsSIP1;1（Small basic membrane intrinsic protein）及TIP（Tonoplast intrinsic protein）互作，且OsRINGzf1 可泛素化OsPIP2;1，并促使OsPIP2;1 經26S 蛋白酶體降解；超表達Os－RINGzf1 基因水稻植株中OsPIP2;1 含量降低，而Os-PIP2;1 具有較強的水分運輸活性，敲除OsPIP2;1 基因水稻植株的葉片失水速率降低[24]。綜上，OsRINGzf1 通過介導水通道蛋白的泛素化修飾和降解來提高水稻植株的保水能力，進而提高抗旱性。另外，通過基因編輯系統(tǒng)CRISPR/Cas9 對ABA（abscisic acid）受體基因Os－PYL9 進行突變，發(fā)現ospyl9 突變體苗期和生殖生長期的抗旱性均增強，且粒長、粒寬、千粒重和單株產量較野生型對照顯著提高23.0%～51.4%[25]。這主要得益于ospyl9 突變體ABA 積累量、抗氧化活性、葉綠素含量、葉表皮蠟質增加，MDA（Malondialdehyde）含量、氣孔導度、蒸騰速率和維管束數量減少；另外，蛋白組學、KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genome）、GO（Gene Ontology）分析發(fā)現，ospyl9 突變體中大部分與生物鐘節(jié)律、干旱響應和活性氧有關的差異表達蛋白（DEP）表達量上調，且GIGANTEA 蛋白、Adagio-like 蛋白、PRR（pseudo-response regulators）蛋白在蛋白-蛋白互作網絡中表現出較高的互作[25]。

1.1.2 調節(jié)基因

目前，已報道的調控干旱脅迫條件下水稻產量的調節(jié)基因主要有激酶基因（SnRK2、SAPK9）[26-27]和NAC[28-34]、AP2/ERF[35-36]、MYB[37-38]、bZIP[39-40]、bHLH[41]、ASR[42]、TZF（CCCH-tandem zinc finger protein 5）][43]等轉錄因子基因（表1）。

1.1.2.1 激酶基因 SnRK2 是植物特異性絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是植物依賴ABA 和不依賴ABA 信號通路的核心，是植物響應非生物脅迫的關鍵調控因子[61]。SnRK2 家族成員SAPK9 基因受干旱和ABA 誘導表達，且在抗旱水稻品種中的表達量高于敏旱品種，在生殖生長期的表達量高于營養(yǎng)生長期[26]。在敏旱水稻品種（IR20）中超表達SAPK9 基因顯著提高了轉基因植株在開花期干旱脅迫處理后的花粉活力、穎花育性、穗重，最終提高產量[25]。這主要是因為超表達SAPK9 基因提高水稻植株的保水性（滲透調節(jié)、氣孔關閉）、可溶性糖含量、脯氨酸含量、細胞膜穩(wěn)定性和細胞解毒能力及一些干旱誘導基因（OsbZIP23、OsbZIP46、OsLEA3-1、OsRAB16B、OsRAB21）的表達量[26]。綜上，SAPK9 調控水稻的保水性及脅迫相關基因的表達量，進而調控抗旱性，最終提高產量。類似的，SAPK2 也調控水稻干旱脅迫條件下的產量[27]。研究發(fā)現，SAPK2 主要通過調控硝酸鹽轉運蛋白NPF (Nitrate transpoter1/peptide transporter family, OsNPF7.2、OsNPF7.3、OsNPF5.6、OsNPF2.2、Os－NPF2.4）基因和NRT(Nitrate transporter，OsNRT2.3a)基因來促進硝酸鹽的吸收和同化，進而促進水稻植株及籽粒的生長發(fā)育[27]。

1.1.2.2 NAC 基因 NAC 家族是最大的植物特異轉錄因子家族之一，NAC 轉錄因子參與多種非生物脅迫和生物脅迫響應，超表達NAC 基因（例如SNAC1[28]即OsNAC9[29]、OsNAC10[30]、OsNAC5[31]、OsNAC6[32]、OsNAP[33]）或者沉默表達如OsNAC2[34]可以提高轉基因水稻對干旱的耐受性，并最終提高產量。值得注意的是，這些基因大多是通過改變水稻根系結構來調控對干旱的耐受性，例如SNAC1[28]即OsNAC9[29]、OsNAC10[30]、OsNAC5[31]、OsNAC6[32]基因。

研究發(fā)現，組成型和根特異（使用根特異啟動子RCc3）超表達SNAC1[28]即OsNAC9[29]、OsNAC10[30]、OsNAC5[31]、OsNAC6[32]基因均提高了轉基因水稻苗期和田間生殖生長期的抗旱性，但對干旱脅迫處理后產量的影響不同。田間干旱脅迫處理后，組成型超表達這些基因水稻植株的產量較非轉基因對照無顯著變化；根特異超表達這些基因水稻植株的產量分別較非轉基因對照顯著提高28.0%～72.0%、25.0%～42.0%、33.0%～57.0%和26.0%～74.0%。其中，根特異超表達SNAC1（OsNAC9）基因水稻產量的提高主要歸因于結實率的提高，抗旱性的增強主要得益于根粗、根長、根體積、根干物質量增加及參與木質素合成的O-甲基轉移酶基因等的表達量提高；根特異超表達OsNAC10 基因水稻產量的提高主要歸因于實粒數增加，抗旱性提高主要得益于中柱、皮層和表皮層變大，進而根粗增加；根特異超表達OsNAC5 基因水稻產量的提高主要歸因于結實率的提高，抗旱性增強主要得益于中柱和通氣組織變大，進而根粗增加；根特異超表達OsNAC6 基因水稻產量的提高主要歸因結實率提高和分蘗數增加，抗旱性的增強主要得益于根粗（通氣組織細胞變大）、根數增加及主要參與膜修飾、煙胺生物合成、谷胱甘肽遷移、3'-磷酸腺苷5'-磷酸積累和糖基化等基因表達量的提高。綜上，改良水稻根系結構可以提高水稻的抗旱性，進而提高產量，這對水稻及其他植物抗旱育種具有重要的借鑒價值。另外，超表達OsNAP 基因也能增強水稻苗期和生殖生長期的抗旱性，提高穎花育性、結實率和產量（20.9%～27.2%）[33]。這主要得益于超表達OsNAP 基因提高了水稻植株中一些抗旱相關基因[OsPP2C06/OsABI2（Phosphatase 2C/abscisic acid-insensitive 2）、OsPP2C09、OsPP2C68、OsAP37、OsAP59] 的表達量[33]。

1.1.2.3 AP2/ERF 基因 AP2/ERF 家族是最大的植物特異轉錄因子家族之一，其參與植物根系發(fā)育和對非生物脅迫的響應，甚至提高作物產量[34-35]。水稻AP37基因均受干旱、鹽誘導表達，超表達該基因不僅提高了水稻營養(yǎng)生長期的抗旱性和耐鹽性，還使抽穗期田間干旱脅迫處理后的水稻產量提高16.0%～57.0%，這主要歸因于結實率的提高[35]。另外，組成型、根特異（使用RCc3 啟動子）超表達OsERF48 基因均提高了水稻植株根數、根長，最終提高了抗旱性[35]。但根特異超表達OsERF48 基因植株的抗旱性較組成型超表達OsERF48基因植株強，進而其水稻總穎花數、總粒質量提高，最終產量提高，而組成型超表達OsERF48 基因植株產量與非轉基因對照無顯著差異[36]。另外，根特異超表達OsERF48 基因水稻植株中一些干旱相關基因的表達量提高，這些基因主要參與脅迫信號、碳水化合物代謝、細胞壁蛋白和干旱響應，且OsCML16（Calmodulin-like?protein 16）是OsERF48 的靶基因[35]。綜上，OsERF48 調控OsCML16 基因，進而促進水稻根系生長，提高抗旱性，并提高產量。

1.1.2.4 MYB 基因 MYB 轉錄因子參與植物生長發(fā)育和對非生物脅迫和生物脅迫的響應，甚至提高產量[36-37]。谷子（Setaria italica）SiMYB56 基因受干旱誘導表達，超表達該基因的水稻植株生長發(fā)育正常，且營養(yǎng)生長期和生殖生長期的抗旱性提高，最終產量提高[36]。該轉基因水稻產量的提高主要歸因于穗數、穗長的增加；抗旱性的提高主要得益于MDA 含量的降低，木質素、ABA含量及木質素合成基因[CCR10（Cinnamoyl-CoA reductase 10）、PAL（Phenylalanine ammonia lyase）、CAD（Cinnamyl alcohol dehydrogenase）、4CL5（4-coumarate-coa ligase 5）等]、ABA 合成基因[NCED5（Nine-cisepoxycarotenoiddioxygenase 5）]、ABA 信 號 傳 導 相 關 基 因[ABF1（ABA responsive element binding factors 1）、ABIL2（Abscisic acid-insensitive-like 2）、bZIP23、ABF2]、ABA 響應基因[P5CS1（Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase 1）、LEA7]表達量的提高[36]。綜上。SiMYB56 通過調控木質素合成和ABA 信號通路來提高水稻的抗旱性，最終提高產量。相反的，MYBS2 基因受干旱、高溫抑制，超表達MYBS2 基因提高了轉基因水稻植株對干旱、鹽的敏感性，沉默MYBS2 基因提高了水稻植株的抗旱性及干旱脅迫處理后水稻的產量（26.0%～54.0%），這主要是因為MYBS2 可以調控αAmy3（α-amylase）基因，進而調控水稻植株的糖平衡，最終調控抗旱性[37]。綜上，MYBS2 通過調控糖平衡來負調控水稻的抗旱性，進而調控產量，可以通過沉默該基因表達的方式來提高水稻的抗旱性，進而提高產量。

1.1.2.5 其他調節(jié)基因 除了SAPK、NAC、AP2/ERF、MYB 等 調 節(jié) 基 因 外，bZIP[38-39]、bHLH[40]、ASR[41]、TZF（CCCH-tandem zinc finger protein 5 )[42]基因等也能提高水稻的抗旱性，并最終提高產量。

DEY 等[38]研究發(fā)現，OsbZIP23 基因在抗旱水稻品種的表達量高于敏感品種，尤其是生殖生長期。在敏旱水稻品種IR20 中超表達OsbZIP23 基因顯著提高了轉基因植株苗期和生殖生長期的抗旱性，并最終提高產量。超表達OsbZIP23 基因水稻產量的提高主要歸因于穎花育性和穗質量的提高，抗旱性的提高主要得益于膜脂過氧化程度的降低和相對含水量、可溶性糖含量、脯氨酸含量及一些脅迫響應基因（OsRAB16B、Os－RAB21、OsLEA3-1）表達量的提高。類似的，超表達OsbZIP46CA1 基因也提高了水稻植株的抗旱性，且該基因與SAPK6 基因共轉化的水稻植株的抗旱性強于單獨轉化OsbZIP46CA1、SAPK6 基因植株[39]。田間干旱脅迫處理后，共轉化水稻植株的穎花數、穗數和粒數均較單獨轉化OsbZIP46CA1、SAPK6 基因水稻植株和野生型對照高，最終產量高[39]。

OsICE1（Inducer of CBF expression 1）基因編碼MYC 類bHLH 轉錄因子，受干旱誘導表達，超表達該基因提高了水稻營養(yǎng)生長期和生殖生長期的抗旱性，最終提高產量，RNAi 植株反之[40]。超表達OsICE1 基因水稻抗旱性和產量的提高主要得益于其凈光合速率、光合系統(tǒng)II 光化學效率、對光抑制的耐受性及膜穩(wěn)定基因OsWSI18（Water stress-induced 18）表達量的提高。即OsICE1 基因通過提高植株的光合特性來提高植株的抗旱性，并最終提高產量。另外，超表達OsASR1基因也提高了轉基因水稻植株的抗旱性，這主要得益于滲透物質積累量、ABA 含量和關閉氣孔占比增加，蒸騰速率降低[41]。更值得注意的是，連續(xù)4 年在生殖生長期進行干旱處理，超表達OsASR1 基因水稻分蘗數、穗數、穗粒數、穗穎花數和千粒重均較野生型對照提高，且一些調節(jié)分蘗的基因[OsMOC1（MONOCULM 1）、Os－DLT（dwarf and low tillering）、OsMPH1（MYB-like gene of Plant Height 1）、OsPROG1（Prostrate growth 1）]的 表達量提高，最終產量提高[41]。綜上，OsASR1 通過調控氣孔關閉來調節(jié)水分，從而提高植物的抗旱性，并提高分蘗數、穗數和粒質量，最終提高產量。此外，采用脅迫響應啟動子驅動OsTZF5 基因也提高了水稻營養(yǎng)生長期和生殖生長期的抗旱性，并最終提高產量[42]。

1.2 鹽脅迫

目前研究發(fā)現，在鹽脅迫條件下調控水稻產量的基因較少，主要包括OsGATA8[43]、SiMYB19[44]、OsAKT2（Active potassium channel transporter）[45]和OsPQT3（Paraquat tolerance 3）[46]等。其中，OsGATA8[43]、SiMYB19[44]和OsAKT2[45]正調控水稻的耐鹽性和產量，OsPQT3[46]負調控水稻的耐鹽性和產量，這些基因在水稻耐鹽、高產育種中具有重要價值。

NUTAN 等[44]研究發(fā)現，OsGATA8 基因受干旱、鹽、ABA 誘導表達，超表達該基因提高了水稻的耐鹽性，并最終使產量提高46.0%。超表達OsGATA8 基因水稻產量的提高主要歸因于光合效率的提高和粒長、穗數和穗實粒數的增加；抗旱性的提高主要得益于離子滲漏率和Na+含量降低，葉片相對含水量、脯氨酸含量、K+含量和K+/Na+提高及一些脅迫響應基因[OsDREB1A、OsNAC6、PORA（Protochlorophyllideoxidoreductase A）、PORB、PORC]、活性氧清除基因[SOD（Superoxide dismutase）、CAT （Catalase）、APX （Ascorbic acid peroxidase）]表達量的提高。綜上，OsGATA8 基因通過提高水稻光合效率、活性氧清除能力來提高耐鹽性，進而提高產量。XU 等[44]研究發(fā)現，SiMYB19 基因受鹽、干旱、低氮、ABA 誘導表達，超表達該基因提高了水稻芽期、苗期及生殖生長期耐鹽性，并使產量提高1 倍。這主要是因為超表達SiMYB19 基因促進了ABA 積累，提高了ABA 合成基因（OsNCED3）、ABA 信號轉導途徑相關基因（OsABF2）的表達量。綜上，SiMYB19 基因通過調控ABA 合成和信號轉導來提高水稻的耐鹽性，進而提高產量。ALFATIH 等[45]研究發(fā)現，OsAKT2 基因的TDNA 敲除突變體osakt2 和CRISPR 植株對鹽脅迫敏感。在鹽脅迫條件下，與野生型對照相比，osakt2 和CRISPR 植株Na+濃度及Na+/K+提高；莖葉中K+濃度提高，根中K+濃度降低；老葉中K+濃度、蔗糖含量提高，嫩葉中K+濃度、蔗糖含量降低。說明OsAKT2 調控Na+、K+平衡及K+在莖葉和根中的分配，調控K+、蔗糖從老葉到嫩葉中的轉運。更重要的是osakt2 和CRISPR 植株籽粒更細更長，穗長、穗粒數、粒質量和產量均降低。綜上，OsAKT2正調控水稻的耐鹽性和產量，可以通過超表達該基因的方式來提高水稻在鹽脅迫條件下的產量。

除了通過超表達鹽脅迫相關基因來提高水稻在鹽脅迫條件下的產量外，還可以通過敲除一些鹽脅迫相關基因來提高水稻在鹽脅迫條件下的產量。TIAN 等[46]利用CRISPR-Cas9 基因編輯技術獲得OsPQT3（Paraquat tolerance 3）基因敲除突變體ospqt3，該突變體的耐鹽性提高。更重要的是，鹽脅迫條件下突變體ospqt3 分蘗數提高了33.3%，結實率提高了50.0%，產量顯著提高30.0%，這主要得益于OsGPX1（Glutathione peroxidase 1）、OsAPX1、OsSOD1 基因表達量的提高。綜上，敲除OsPQT3 基因可以提高植株的活性氧清除能力，進而提高植株耐鹽性，并最終提高產量。

1.3 溫度脅迫

目前研究發(fā)現的調控溫度脅迫條件下水稻產量的基因較少，主要包括低溫脅迫相關基因bZIP73[47]、LTT1[48]和高溫脅迫相關基因OsMYB55[49]。

LIU 等[47]研究發(fā)現，bZIP73 可與bZIP71 形成異二聚體，共表達bZIP73 和bZIP71 基因增強了水稻生殖生長期的耐冷性，這主要得益于可提高生殖生長期水稻耐冷性的qLTG3-1（Low-temperature germinability 3-1）基因表達量的提高；共表達bZIP73 和bZIP71 基因提高了可溶糖從花藥向花粉的轉運、花粉粒育性和結實率，最終提高產量。綜上，bZIP73 通過調控qLTG3-1基因來提高水稻耐冷性和花粉育性，進而提高產量。另外，LTT1（Low-temperature tolerance 1）基因的點突變提高了水稻苗期和孕穗期的耐冷性，這主要得益于ltt1突變體花藥中活性氧積累量減少[48]。在冷敏水稻品種中超表達ltt1 基因提高了水稻的花粉育性和結實率，最終提高產量[48]。綜上，LTT1 基因的點突變激活了活性氧代謝系統(tǒng)，提高了植株耐冷性和花粉育性，進而提高產量。

El-KEREAMY 等[49]研究發(fā)現，OsMYB55 基因受高溫脅迫誘導表達，超表達OsMYB55 基因提高了水稻植株的耐熱性，并最終提高產量，這主要得益于總氨基酸含量和一些氨基酸代謝相關基因[OsGS1;2（Glutamine synthetase 1;2）、GAT1（Glutamine amidotransferase 1）、GAD3（Glutamate decarboxylase 3）基因等]表達量的提高。綜上，OsMYB55 通過激活氨基酸代謝相關基因的表達來提高水稻的氨基酸含量，進而提高耐熱性和產量。

1.4 其他非生物脅迫

除了干旱、鹽和溫度脅迫外，一些基因在低氮和除草劑等脅迫條件下也能提高水稻產量[50-51]。TANG 等[50]研究發(fā)現，超表達C4-PEPC（C4phosphoenolpyruvate carboxylase)基因提高了水稻植株的耐低氮性，并增加了單株分蘗數、穗數和實粒數，最終使產量提高13.4%～25.8%。這主要得益于氮同化相關酶（GOT、GS）活性的降低，可溶性糖含量、PEPC 活性、光合參數（凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率）、光呼吸產物（丙酮酸、乙醛酸、甘氨酸、絲氨酸）含量、光呼吸代謝酶[GLYK（3-glyceric acid phosphate kinase）、GDH（Glutamate dehydrogenase）、GOX （Glycolate oxidase）、GPT（Glutamic-pyruvic transaminase）]活性及光呼吸相關基因[OsGLYK、OsPGLP（Phosphoglycolate phosphatase）、OsGLO5（Glycolate oxidase 5）、OsSHMT（Serine hydroxymethyltransferase）]表達量的提高。綜上，超表達C4-PEPC 基因水稻植株碳水平的提高可能有助于調控低氮條件下的光呼吸途徑，從而提高耐低氮性，最終提高產量。ACHARY 等[51]將突變的EPSPS 基因轉入水稻中，發(fā)現轉基因水稻植株對草甘膦的耐受性提高，且穗長和單株粒數增加，最終產量提高13.3%～15.0%。這主要得益于苯丙氨酸和色氨酸含量的提高。

2 利用基因工程技術提高復合非生物脅迫下水稻產量的研究進展

除了在單一脅迫條件下可以提高水稻產量的基因外，還有一些基因可以在干旱、鹽、低溫、高溫、低氮等2 種甚至3 種復合脅迫條件下提高水稻產量[52-58]，但目前這類基因相對較少發(fā)現。

2.1 干旱脅迫+其他非生物脅迫

GUDDIMALLI 等[52]將大腸桿菌CSPA 和CSPB 基因轉入水稻，在花蕾形成期進行鹽和干旱處理，轉基因水稻植株表現出明顯的持綠性及抗旱性和耐鹽性，其根長、根干物質量、株高、穗長和穗粒數均較野生型對照提高，進而產量提高。這主要得益于葉綠素、脯氨酸、Na+、K+含量和CAT、SOD、GPX 活性及CSPA、CSPB、SGR（Stay-green）、葉綠素酶、IPT1（isopentenyl adenine transferase 1）、NCED、SOD、SIRT1（Sirtuin 1）基因表達量的提高，MDA 含量的降低。綜上，超表達CspA 和CspB 基因能夠賦予水稻持綠性、耐鹽性、抗旱性，并提高產量。EL-ESAWI 等[53]研究發(fā)現，超表達OsRAB7 基因提高了水稻植株抗旱性和耐熱性，這主要是因為超表達OsRAB7 基因增加了水稻植株葉片相對含水量，減少了氧化脅迫（MDA、H2O2含量降低），改善了氣體交換特性（提高光合速率、降低氣孔導度和蒸騰速率），提高了抗氧化酶（CAT、SOD、POD、APX）活性和活性氧清除酶基因（OsCATA、OsCATB、OsAPX2、OsSOD-Cu/Zn）、非生物脅迫抗性基因[OsLEA3、OsRD29A（Responsive to dehydration 29A）、OsSNAC1、OsSNAC2、OsDREB2A、OsDREB2B、OsRAB16A、OsRAB16C]的表達量。值得注意的是，在干旱和高溫條件下，轉基因植株穗長、實粒數和結實率均較野生型對照顯著提高，進而產量顯著提高。上述基因都是正調控非生物脅迫條件下水稻產量，還有一些基因負調控非生物脅迫下水稻產量，可以通過沉默基因表達的方式來提高非生物脅迫下水稻產量，例如OsLOGL5（Cytokinin-activation enzyme-like gene）基因[54]。超表達OsLOGL5 基因水稻植株變矮、主根變短、分蘗數減少，產量降低。采用CRISPR 技術對OsLOGL5 基因CDS 3'末端序列進行改變，發(fā)現在干旱、低氮條件下改變體的總粒數、結實率、穗實粒數和千粒重均較野生型對照提高，最終產量顯著提高。推測OsLOGL5 通過調控種子發(fā)育和籽粒灌漿過程來提高水稻產量。

2.2 鹽脅迫+其他非生物脅迫

細胞骨架在植物抗逆過程中具有重要作用。OsIF（Intermediate filament）基因受鹽、高溫誘導表達，超表達OsIF 基因提高了水稻苗期和生殖生長期的耐鹽性和耐熱性，并提高了穗數和實粒數，進而使水稻產量提高29.9%[55]。這主要得益于超表達OsIF 基因更好地保持了水稻葉綠體超微結構，提高了K+/Na+及光合系統(tǒng)I、II 的性能，增加了脯氨酸和海藻糖含量[55]。另外，超表達菊芋Na+/H+轉運蛋白基因HtNHX2 提高了水稻的耐鹽性和耐低鉀性[56]。且無論是在鹽脅迫條件下、低鉀脅迫條件下還是鹽和低鉀同時存在的條件下，超表達HtNHX2 基因水稻產量均提高（30.0%～45.0%），這主要是因為超表達HtNHX2 基因促進了水稻植株對N、P、K養(yǎng)分的吸收[56]。

2.3 干旱脅迫+鹽脅迫+其他非生物脅迫

海藻糖在植物抗逆方面具有重要作用。超表達大腸桿菌TPSP 基因增強了水稻植株的抗旱性、耐鹽性和耐堿性，提高了穗穎花數、穗實粒數、單株穗數和單株實粒數，最終提高產量[57]。這主要得益于超表達TPSP基因水稻植株葉片相對含水量、葉綠素含量、K+/Na+、氣孔導度和光合效率提高；而且，脯氨酸、果糖、蔗糖、葡萄糖、丙酮酸、檸檬酸、山梨醇、6-磷酸葡萄糖、蘇氨酸、天門冬氨酸、油酸、棕櫚酸和香草酸含量也均提高[57]。另外，超表達OsICE1 基因的同源基因AtICE1 不僅同OsICE1 基因[40]一樣提高了水稻在干旱脅迫條件下的產量，還提高了水稻在鹽和低溫脅迫條件下的產量，增幅分別為44.0%～66.0%、110.0%～220.0%、58.0%～214.0%[58]。這主要得益于轉基因水稻植株光合速率、氣孔導度和水分利用效率提高，MDA、H2O2含量降低，膜穩(wěn)定性增強，且一些脅迫響應基因（OsDREB1A、OsMYB3R2、OsTPP1）表達量提高，進而小穗育性增強[58]。綜上，AtICE1 通過提高脅迫響應基因表達量、活性氧清除能力、膜穩(wěn)定性和水分利用效率等來提高水稻的抗逆性，并最終提高水稻產量。

3 問題及展望

水稻是我國乃至世界上最重要的糧食作物之一，保持并提高其產量對保障我國乃至全球糧食安全具有重要的現實意義。干旱、鹽、低溫、高溫等主要的環(huán)境脅迫嚴重影響水稻的生長發(fā)育和產量。因此，培育抗逆水稻品種，增強其抗逆性，提高其產量勢在必行。植物的抗逆性是復雜的數量性狀，相比傳統(tǒng)育種的育種效率低、周期長等特點，利用優(yōu)異抗逆基因采用基因工程技術提高水稻抗逆性針對性強、周期相對較短、效果好，是一種更有效的途徑。

目前已發(fā)現一些基因可以在干旱、鹽、低溫、高溫等非生物脅迫條件下調控水稻產量，超表達（或敲除）這些基因可以提高轉基因水稻的產量[22-59]。其中，大多數基因只能提高單一非生物脅迫條件下的水稻產量，同時提高2 個及以上非生物脅迫條件下水稻產量的基因較少。對這些基因進行分類發(fā)現，這些基因以調節(jié)基因居多，功能基因較少。因此，今后應加強對抗逆調節(jié)基因的挖掘和利用。另外，發(fā)現同時轉2 個及以上基因的水稻植株的抗逆性高于轉單個基因的水稻植株，并且產量提高幅度更大。因此，今后還應加強多基因共轉化研究，以提高抗逆強度和產量幅度。此外，誘導型啟動子、組織特異啟動子驅動目的基因提高水稻的抗逆程度更強，提高產量幅度更大；甚至對于同一基因，組成型啟動子驅動目的基因雖然提高了水稻抗逆性但不能提高產量，而誘導型啟動子、組織特異啟動子驅動目的基因不僅能提高水稻抗逆性，還能提高水稻產量。因此，今后應盡量使用誘導型啟動子或組織特異啟動子來驅動抗逆基因。最后，大部分轉基因水稻植株的抗逆性鑒定和產量分析都是在溫室盆栽條件下進行的，盆栽空間較小，轉基因植株群體較小，盆栽條件下抗逆、產量提高并不代表大田條件下也一定如此。因此，應進一步進行大田抗逆性鑒定，探究在大田條件下轉基因水稻抗逆性和產量提高情況。