水稻氮高效基因型篩選及相關(guān)基因研究進(jìn)展

劉 丹 孫玉友 柴永山 魏才強(qiáng) 解 忠 李洪亮 程杜娟 徐德海

（1黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院牡丹江分院，牡丹江157041；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱150086）

近年來(lái)，我國(guó)化肥的過(guò)度施用已導(dǎo)致農(nóng)業(yè)污染嚴(yán)重，提高肥料利用效率是實(shí)現(xiàn)“減肥控污”、加快推進(jìn)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵。然而，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，隨著土地生產(chǎn)力和利用率的不斷下降，為了保持和追求更高的水稻產(chǎn)量，廣大稻農(nóng)不得不施用大量氮肥來(lái)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)目標(biāo)。過(guò)多地施入氮肥，不僅增加了農(nóng)業(yè)投入成本，而且產(chǎn)生了環(huán)境污染和稻米品質(zhì)下降等問(wèn)題。如何徹底改變當(dāng)前這種局面，全面落實(shí)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“2020年化肥、農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)”方案，提高水稻的氮肥利用效率迫在眉睫。目前來(lái)看，盡管影響水稻氮肥利用效率的因素很多，包括水稻品種類型、種植環(huán)境、栽培技術(shù)、氮肥類型以及土壤類型等，但提高水稻品種自身的氮肥利用效率依舊是根本。為了從根源上解決該問(wèn)題，育種家試圖從育種源頭上提高水稻本身的氮肥利用效率，并取得了階段性成果[1-2]。因此，本文通過(guò)對(duì)水稻氮高效篩選鑒定體系、水稻氮高效的形態(tài)生理特征以及氮高效基因的遺傳調(diào)控機(jī)理3個(gè)方面進(jìn)行了綜述，以期為今后更好地開(kāi)展氮高效水稻新品種選育研究提供理論參考。

1 水稻氮高效篩選鑒定體系

1.1 水稻氮效率篩選指標(biāo) 目前，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一套公認(rèn)統(tǒng)一的水稻氮高效評(píng)價(jià)體系。國(guó)外評(píng)價(jià)水稻氮肥利用率的指標(biāo)包括氮肥吸收利用率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率、氮肥生理利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，它們?cè)诓煌膶用嫔戏从吵鏊緦?duì)氮肥的利用水平。在國(guó)內(nèi)，研究者們也從不同的角度開(kāi)展了相關(guān)研究，并嘗試建立水稻氮高效的鑒定方法[3-6]。柴煜[4]通過(guò)對(duì)285份不同基因型水稻種質(zhì)在2種氮素水平下進(jìn)行研究，并通過(guò)逐步回歸分析進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化，認(rèn)為苗期分蘗數(shù)、成熟期葉綠素含量、單株產(chǎn)量、地上部生物學(xué)產(chǎn)量以及成熟期穗部性狀（有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率）可以用于氮高效材料的篩選鑒定。鐘代斌等[5]研究表明，相對(duì)株高、相對(duì)分蘗數(shù)和相對(duì)干物質(zhì)重在水稻品種中存在較大的變異，其中相對(duì)分蘗數(shù)可作為氮素利用評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。文春陽(yáng)[6]研究表明水稻的株高、有效穗數(shù)、單株產(chǎn)量、生物產(chǎn)量以及結(jié)實(shí)率可用于耐低氮和氮高效材料篩選鑒定。此外，還可根據(jù)抽穗期葉片的SPAD值和收獲指數(shù)進(jìn)行氮高效材料和耐低氮材料基金項(xiàng)目： 黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院牡丹江分院青年基金（mdj-2017）；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基金（2018）；國(guó)家水稻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-01-41）；黑龍江低溫黑土區(qū)春玉米、粳稻全程機(jī)械化豐產(chǎn)增效技術(shù)集成與示范（2018YFD0300105-3-2）的篩選評(píng)價(jià)[7-8]。可見(jiàn)，在進(jìn)行水稻資源氮高效篩選鑒定時(shí)，應(yīng)綜合利用多個(gè)相關(guān)性狀指標(biāo)。

1.2 水稻氮效率篩選時(shí)期 水稻在不同生育期吸收和利用氮素的效率存在明顯差異，選擇合適的篩選時(shí)期至關(guān)重要。江立庚等[9]研究發(fā)現(xiàn)，水稻氮利用效率高低順序?yàn)槌墒炱冢境樗肫冢痉痔Y期，而變異系數(shù)為抽穗期＞成熟期＞分蘗期，暗示抽穗期種間氮利用效率變異范圍更大，有利于優(yōu)良品種的選擇。程建峰等[3]研究表明，水稻拔節(jié)期之前的植株生長(zhǎng)吸氮量占全生育期80%以上，故拔節(jié)期是進(jìn)行氮高效基因型篩選和鑒定的最佳時(shí)期。事實(shí)上，前人在水稻苗期和全生育期都進(jìn)行了相關(guān)研究，并篩選鑒定出一些氮高效的水稻材料。

在水稻苗期篩選上，童漢華等[10]依據(jù)水稻相對(duì)苗高、相對(duì)單株分蘗數(shù)和相對(duì)地上部生物學(xué)產(chǎn)量3個(gè)性狀指標(biāo)，在101份不同基因型水稻種質(zhì)資源中篩選出16份氮高效材料和24份氮敏感型材料。阮新民等[11]研究認(rèn)為，苗期單株干物質(zhì)重是其氮素效率篩選的重要指標(biāo)，并初步鑒定出一個(gè)苗期氮高效品種K優(yōu)52。張耀鴻[12]認(rèn)為苗期氮素吸收特征分析是氮高效材料鑒定的關(guān)鍵，其試驗(yàn)表明Elio的氮素吸收效率顯著高于4007和南光，且南光對(duì)低氮條件最為敏感。尹西翔[13]認(rèn)為水稻的相對(duì)干物質(zhì)重和相對(duì)SPAD值變化范圍較大，是苗期水稻氮營(yíng)養(yǎng)效率篩選考察指標(biāo)，并從中篩選出4#、33#、65#3個(gè)氮高效品種和41#、160#、169# 3個(gè)氮低效品種。

在水稻全生育期的篩選上，魏海燕[14]以最高籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率為指標(biāo)，對(duì)各基因型水稻的產(chǎn)量和氮素利用效率進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)和分類，并篩選出6個(gè)氮高效基因型材料（9優(yōu)418、武育粳3號(hào)、揚(yáng)粳9538、86優(yōu)8號(hào)、武粳15、泗優(yōu) 422）和6個(gè)氮低效基因型材料（農(nóng)墾57、武農(nóng)早、鄭稻5號(hào)、鎮(zhèn)稻196、香粳20-18、T1-56）。余友玲等[15]認(rèn)為整個(gè)生育期過(guò)程中氮高效品種的干物質(zhì)積累量顯著大于氮低效品種，并根據(jù)產(chǎn)量和產(chǎn)量增幅大小初步篩選出Ⅱ優(yōu)602、兩優(yōu)6326、Y兩優(yōu)2號(hào)等6個(gè)品種為氮高效品種，新兩優(yōu)6號(hào)、Y兩優(yōu)1號(hào)、春光1號(hào)等8個(gè)品種為氮低效品種。黃永蘭等[16]對(duì)氮吸收與利用等相關(guān)性狀進(jìn)行分析，并認(rèn)為青馬早和陸財(cái)早為典型氮高效型；廣陸矮4號(hào)為典型耐低氮型；早89-01和早秈152適于高氮條件種植。

2 水稻氮高效材料的形態(tài)生理特征

氮高效水稻品種往往具有根系活力強(qiáng)、葉片代謝活力旺盛、充實(shí)度好、養(yǎng)分累積量大等一系列特征。根系是作物吸收營(yíng)養(yǎng)元素的主要途徑，氮利用效率高的水稻品種在整個(gè)生育期里都保持著較強(qiáng)的根系活力，其根系數(shù)量、根系體積以及冠根比等都較氮低效水稻品種表現(xiàn)出不同程度的優(yōu)勢(shì)[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期具有較高的根密度、根系總吸收面積、根重、根系表面積以及根系傷流量有利于提高水稻吸氮能力[19-20]。樊劍波等[19]研究表明，水稻根系形態(tài)特征和根系活力的差異是引起氮高效和氮低效差異的重要原因之一。氮高效品種南光根系對(duì)氮肥的響應(yīng)高于氮低效品種Elio，其總根長(zhǎng)和根系表面積在高氮下比低氮分別增加127%和114%。此外，在分蘗期和拔節(jié)期，水稻根系分泌有機(jī)酸和氨基酸總量與氮素利用效率均呈顯著（極顯著）負(fù)相關(guān)關(guān)系，其分泌組分中的草酸和天冬氨酸的分泌量也與氮素利用效率呈顯著（極顯著）負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]。

葉片是進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，水稻葉片的含氮量與其光合作用緊密相關(guān)，是影響氮素利用的重要因子。通常，葉片氮素含量高，可以延緩葉片衰老，葉片持綠時(shí)間長(zhǎng)，從而有效延長(zhǎng)了葉片的光合時(shí)間。Wu等[22]認(rèn)為光合速率與葉片含氮量的比例是評(píng)價(jià)氮素參與光合利用的指標(biāo)。魏海燕等[23]通過(guò)分析不同氮效率水稻品種葉片衰老特性，發(fā)現(xiàn)氮高效品種在分蘗盛期至穗原基分化、抽穗期至灌漿結(jié)實(shí)期這2個(gè)階段的氮素吸收速率和積累量都高于氮敏感材料。此外，Ray等[24]認(rèn)為水稻氮高效可能與相對(duì)低的Rubisco含量有關(guān)。江立庚等[25]研究認(rèn)為培育氮高效利用基因型應(yīng)注意提高單位氮素的CO2同化速率。安久海等[26]研究表明氮高效水稻品種在低氮水平下凈光合速率的下降可能與RuBP羧化酶活性下降有關(guān)。

庫(kù)容量也是導(dǎo)致不同水稻品種的產(chǎn)量和氮素利用效率差異的重要原因之一。張亞麗[27]研究表明，不同氮效率水稻品種的庫(kù)容量差異較大，其中氮高效品種的庫(kù)容量高于氮低效品種25%左右。同時(shí)，氮高效和氮低效水稻品種在分蘗動(dòng)態(tài)上也差異明顯。在不同氮素水平下，氮低效品種在移栽后15d左右達(dá)到分蘗最高峰，其最高分蘗數(shù)甚至超過(guò)氮高效品種，但其最終成穗率卻較低，最終庫(kù)容量顯著低于氮高效品種。

3 水稻氮高效基因的遺傳機(jī)理研究

隨著分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展，前人已對(duì)水稻氮素利用效率的遺傳機(jī)理開(kāi)展了相關(guān)研究，檢測(cè)到的QTL位點(diǎn)分布于水稻12條染色體上[28-30]。至今，我國(guó)科學(xué)家也已經(jīng)成功分離克隆出一些參與氮素吸收調(diào)控的基因，如qNGR9、OsNRT2.3、OsPTR6、OsNAR2.1、NRT1.1B以及ARE1等。qNGR9是一個(gè)控制氮肥利用效率的主效QTL位點(diǎn)，該位點(diǎn)與DEP1位于同一個(gè)基因位點(diǎn)上。DEP1/DN1/qPE9-1/qNGR9編碼γ亞基，G γ蛋白DEP1與G α亞基和Gβ亞基發(fā)生了互作，導(dǎo)致RGA1活性降低，RGB1活性增高，從而抑制了氮反應(yīng)。該位點(diǎn)上的顯性等位基因能引起稻穗變短、直立以及氮不敏感型營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，是功能獲得性突變[31]。OsNRT2.3是一個(gè)水稻硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中通過(guò)選擇性剪接產(chǎn)生OsNRT2.3a和OsNRT2.3b兩種轉(zhuǎn)錄本，其中OsNRT2.3b主要在韌皮部表達(dá)，能增強(qiáng)水稻對(duì)pH的緩沖能力，提高氮、鐵、磷的吸收和對(duì)氮的有效利用率，對(duì)植株適應(yīng)不同形式的氮源十分重要。田間試驗(yàn)表明，過(guò)表達(dá)OsNRT2.3b可以提高水稻日本晴產(chǎn)量20%~54%，提高氮素利用率40%左右[32]。OsPTR6是一個(gè)小肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，過(guò)表達(dá)OsPTR6會(huì)明顯促進(jìn)不同氮素供應(yīng)條件下植株的生長(zhǎng)，但是會(huì)減少高氮環(huán)境下的氮利用效率[33]。OsNAR2.1可能在吸收和信號(hào)中發(fā)揮功能，并調(diào)控生長(zhǎng)素從莖部向根部的轉(zhuǎn)運(yùn)，影響側(cè)根形成[34]。同時(shí)，OsNAR2.1能與OsNRT2.1/2.2和OsNRT2.3a進(jìn)行互作，促進(jìn)水稻根系吸收硝酸鹽[35-36]。有研究表明，在OsNAR2.1轉(zhuǎn)基因水稻株中，OsNAR2.1的表達(dá)提高了氮肥吸收率和水稻產(chǎn)量[37]。NRT1.1B基因單堿基突變是導(dǎo)致秈稻與粳稻亞種間氮肥利用效率差異的重要原因。秈稻型NRT1.1B基因能夠提高氮的吸收效率和根系間氮素的轉(zhuǎn)移，上調(diào)氮素吸收相關(guān)基因的表達(dá)水平[38]。ARE1是一個(gè)氮利用效率的重要調(diào)控基因，其表達(dá)量的降低與產(chǎn)量直接相關(guān)。are1變異能延緩水稻植株衰老和耐受氮饑餓，在低氮水平下，具有較高的氮肥利用效率，能提高水稻10%~20%的產(chǎn)量[39]。

4 總結(jié)與展望

氮是影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的最重要營(yíng)養(yǎng)元素之一。提高我國(guó)水稻氮肥利用效率，對(duì)于減少肥料資源浪費(fèi)，避免環(huán)境污染具有重要意義。目前，有關(guān)水稻氮肥利用效率的研究主要包括3個(gè)方面。

（1）水稻氮高效品種的篩選。在這個(gè)過(guò)程中建立合理的水稻氮高效評(píng)價(jià)體系至關(guān)重要；在品種篩選鑒定時(shí)必須要兼顧篩選方法、篩選指標(biāo)和篩選時(shí)期3個(gè)方面，這樣才能保證材料篩選的準(zhǔn)確性。

（2）水稻氮高效品種的形態(tài)生理特征分析，建立氮高效水稻理想主效模式。與氮低效品種相比，氮高效水稻品種通常會(huì)具備根系活力強(qiáng)、葉片代謝活力旺盛、充實(shí)度好以及結(jié)實(shí)期養(yǎng)分累積量大等特征，深入分析氮高效基因型品種的形態(tài)生理特征，將有助于明確氮素在植物體內(nèi)的高效吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和再分配生理機(jī)制。

（3）氮高效基因的遺傳分析和定位。近年來(lái)，通過(guò)開(kāi)展氮高效材料的基因定位，已經(jīng)克隆了一些水稻氮素利用效率基因，并闡明了它們的分子作用機(jī)制，但對(duì)于水稻氮高效的形成機(jī)制、遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)鍵調(diào)控過(guò)程目前還沒(méi)有明確的答案，有待于今后更深入的研究。

總體來(lái)看，隨著水稻氮肥利用相關(guān)研究的不斷深入，必將促進(jìn)今后水稻氮高效品種的培育和氮肥利用效率相關(guān)性狀的遺傳改良，加快我國(guó)水稻產(chǎn)業(yè)綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展的步伐。