水稻耐熱性遺傳調(diào)控機(jī)理研究進(jìn)展

張和云，朱嘉瑜，葛杭悅，陳楊，陳飛

(杭州師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310036)

溫度是影響植物生長發(fā)育最為重要的環(huán)境因素之一，異常的高溫或低溫等極端天氣條件均會(huì)對(duì)植物生長造成嚴(yán)重的危害。在目前全球氣候不斷變暖的背景下，高溫?zé)岷σ殉蔀檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去的30 a間，由于全球氣候變暖導(dǎo)致的小麥和玉米的產(chǎn)量損失分別達(dá)到5.5%和3.8%[2]，最新估測認(rèn)為，全球氣溫每升高1 ℃，會(huì)引起全球主要農(nóng)作物出現(xiàn)不同程度的減產(chǎn)，其中，玉米減產(chǎn)達(dá)7.4%，小麥為6%，水稻為3.2%，大豆為3.1%[3]。因此，解析作物耐熱性遺傳調(diào)控機(jī)制，對(duì)作物耐熱性進(jìn)行遺傳改良已成為當(dāng)前作物育種的迫切要求。

水稻是我國的第一大糧食作物，它的種植面積占全國糧食作物面積的30%左右，其產(chǎn)量約占全國糧食產(chǎn)量的38%。水稻是一種喜溫作物，其生長區(qū)最適溫度為白天平均28 ℃和夜晚平均22 ℃[4]，日間平均溫度超過32 ℃就會(huì)影響到水稻的正常生長和發(fā)育，特別是在生殖生長階段(孕穗期和抽穗揚(yáng)花期)，異常高溫會(huì)引起穎花不育，影響正常結(jié)實(shí)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量損失[5-6]。近年來，隨著全球氣候變暖，我國夏季極端高溫天氣發(fā)生頻率變高，導(dǎo)致水稻遭受高溫?zé)岷τ绊懙氖录l繁發(fā)生，特別是長江流域稻作區(qū)，自20世紀(jì)80年代以來遭遇嚴(yán)重高溫?zé)岷Φ拇螖?shù)大幅度增加，導(dǎo)致遇災(zāi)年份水稻大幅度減產(chǎn)，給我國的糧食生產(chǎn)和消費(fèi)帶來了不可預(yù)估的因素[1, 7]。據(jù)保守估計(jì)，2003年高溫?zé)岷ζ陂g長江流域受災(zāi)面積達(dá)3.0×107hm2，稻谷產(chǎn)量損失達(dá)5.18×107t[1]。近年來，浙江省水稻高溫?zé)岷η闆r同樣嚴(yán)重，除東部沿海和浙南部分山區(qū)外，其余大部分地區(qū)均有發(fā)生高溫?zé)岷κ录页手鸩皆黾拥膽B(tài)勢，其中以金華、麗水等地尤為嚴(yán)重[8-9]。因此，為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖導(dǎo)致的水稻減產(chǎn)威脅，開展水稻耐熱性分子遺傳機(jī)理解析，發(fā)掘水稻耐熱遺傳/基因資源，以推動(dòng)水稻耐熱分子育種進(jìn)程已成為當(dāng)前水稻研究的一個(gè)重要課題。

植物對(duì)環(huán)境溫度的感知和耐受性的獲得是一個(gè)十分復(fù)雜的生理過程，涉及諸多基因和多種耐高溫機(jī)制的協(xié)調(diào)作用，包括長期進(jìn)化形成的物候適應(yīng)和形態(tài)上的適應(yīng)，以及短期的“逃避”或適應(yīng)機(jī)制，例如，形態(tài)學(xué)的改變(包括下胚軸和葉柄的伸長、提早開花、降低氣孔密度等)、熱休克蛋白(heat shock protein, HSP)的保護(hù)、活性氧的清除等[10]。近年來，利用模式植物擬南芥，我們?cè)谥参餆崦{迫感受、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及耐熱分子機(jī)制方面取得了一定的進(jìn)展，大量植物熱應(yīng)激響應(yīng)和信號(hào)相關(guān)的基因被鑒定，如熱激轉(zhuǎn)錄因子(heat shock transcription factor, HSF)、bHLH(basic helix-loop-helix)轉(zhuǎn)錄因子PIF4(Phytochrome interacting factor 4)等[11-16]。盡管我們對(duì)植物熱應(yīng)激和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子機(jī)制有了一定的認(rèn)識(shí)，但我們對(duì)水稻等作物的耐熱遺傳調(diào)控機(jī)制的研究仍嚴(yán)重滯后。本文就近年來水稻耐熱性QTL(quantitative traits loci)定位和耐熱性相關(guān)基因克隆的研究進(jìn)行綜述，旨在為進(jìn)一步開展水稻耐熱遺傳機(jī)理研究與分子育種提供幫助。

1 水稻耐熱性狀QTL的定位研究

目前研究普遍認(rèn)為，水稻耐熱性同樣是一個(gè)受多基因調(diào)控的典型的數(shù)量性狀。近年來隨著水稻耐熱性研究重要性的日益凸顯，大量有關(guān)水稻耐熱性狀QTL定位的研究被報(bào)道[16-29]。迄今已有超過60個(gè)水稻耐熱性相關(guān)的QTL被定位，其中，以水稻開花期和灌漿期耐熱性狀為主，也有部分苗期耐熱性狀相關(guān)的QTL。這些QTL在水稻12條染色體上均有分布，其中第6和7號(hào)染色體上未檢測到與開花期耐熱性相關(guān)的QTL，部分檢測到的主效QTL對(duì)表型變異的貢獻(xiàn)率接近20%。這些研究成果為我們后續(xù)通過分子標(biāo)記輔助選育(marker-assisted selection，MAS)聚合耐熱基因、培育高產(chǎn)耐熱水稻新品種奠定了基礎(chǔ)。

有關(guān)早期的水稻耐熱性QTL定位研究前人已有綜述[30]，這些研究主要以稻穗上半部的育性、整穗結(jié)實(shí)率、谷粒重等性狀作為耐熱性指標(biāo)來進(jìn)行QTL定位。隨著水稻基因組學(xué)和分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，特別是利用全基因組高密度SNP構(gòu)建連鎖圖譜進(jìn)行QTL定位分析，水稻耐熱性QTL定位研究又有了新的進(jìn)展。Ye等[24]利用耐熱水稻品種N22(Nigina 22)與熱敏感品種IR64構(gòu)建作圖群體，基于SNP標(biāo)記定位到4個(gè)與水稻開花期耐熱性相關(guān)的QTL，其中2個(gè)為主效QTL，分別位于第1(qHTSF1.1)和4(qHTSF4.1)染色體上，其表型貢獻(xiàn)率分別達(dá)12.6%和17.6%。為鑒定和驗(yàn)證前期定位的耐熱性QTL，Ye等[25]繼續(xù)利用另一個(gè)耐鹽品種Giza178分別與熱敏感品種IR64和Milyang23構(gòu)建作圖群體，在IR64/Giza178群體中定位到4個(gè)與開花期耐熱性相關(guān)的QTL(qHTSF1.2、qHTSF2.1、qHTSF3.1和qHTSF4.1)，在Milyang23/Giza178群體中鑒定到2個(gè)不同位置的QTL(qHTSF6.1和qHTSF11.2)，為進(jìn)一步驗(yàn)證這些QTL，作者構(gòu)建了IR64/Milyang23/Giza178三交群體并利用該群體定位到5個(gè)QTL，其中3個(gè)與二交群體中定位的QTL區(qū)間重疊(qHTSF1.2、qHTSF4.1和qHTSF6.1)，而qHTSF4.1與前期利用IR64/N22群體定位到的一個(gè)主效QTL相同。因此，Ye等[26]對(duì)qHTSF4.1進(jìn)行了后續(xù)的精細(xì)定位研究，最終將QTL區(qū)間縮小至1.2 Mb區(qū)間內(nèi)，但未能進(jìn)一步縮小目標(biāo)區(qū)間，該區(qū)間高度保守并包含大量屬于同一基因家族的基因。進(jìn)一步驗(yàn)證表明，qHTSF4.1能顯著緩解高溫脅迫引起的水稻育性下降，含有qHTSF4.1的水稻品種均表現(xiàn)出一定程度的耐熱性。

此外，PS等[28]基于高通量SNP芯片技術(shù)，利用N22和IR64構(gòu)建的重組自交系(recombinant inbred lines, RILs)以開花期小花育性和每株產(chǎn)量作為指標(biāo)定位到5個(gè)耐熱性相關(guān)的QTL，分別位于第3、5、9和12染色體，能夠解釋6.27%～21.29%的表型變異。其中2個(gè)為主效QTL，1個(gè)與前期定位QTL重疊(qSTIY5.1/qSSIY5.2)，另一個(gè)為新的水稻耐熱QTL(qSTIPSS9.1)，這2個(gè)主效QTL區(qū)間均被縮小至400 kb范圍內(nèi)，其區(qū)間分別含有65和54個(gè)基因。Li等[31]利用耐熱品種Liaoyan241與敏感品種IAPAR-9構(gòu)建RILs，對(duì)正常溫度和熱脅迫下水稻結(jié)實(shí)率性狀進(jìn)行分析，在第1、3、4、5和6染色體上共定位到11個(gè)QTL，其中4個(gè)主效QTL(qNS1、qNS4、qNS6和qRRS4)在不同年份和不同環(huán)境中能穩(wěn)定檢測到。除定位了大量開花期和抽穗灌漿期性狀相關(guān)的耐熱QTL外，最近也有研究關(guān)注水稻苗期耐熱性狀的QTL定位。如Kilasi等[29]同樣利用N22和IR64構(gòu)建RILs，通過考察水稻幼苗在正常溫度和高溫脅迫下根長和株高等指標(biāo)，共鑒定到10個(gè)控制水稻幼苗耐熱性狀QTL，分別位于第1、2、3、4、5、6和10染色體，其中5個(gè)為主效QTL(rlht5.1、slht6.1/slpc6.1、slpc2.1、slpc10.2和slpc10.3)，其表型貢獻(xiàn)率均超過10%。

2 水稻耐熱性相關(guān)基因克隆

2.1 水稻耐熱QTL的克隆

盡管已經(jīng)定位了大量的水稻耐熱性狀QTL，但是耐熱QTL的克隆研究仍少見報(bào)道。Li等[32]利用非洲稻(CG14，Oryzaglaberrima)與亞洲栽培稻(WYJ，Oryzasativassp.Japonica)構(gòu)建遺傳群體，檢測到至少5個(gè)與控制非洲稻高溫抗性相關(guān)的主效QTLs，并利用回交群體成功分離克隆了其中1個(gè)主效QTL Thermo-Tolerance1 (OgTT1)，OgTT1位于水稻3號(hào)染色體，編碼一個(gè)26S蛋白酶體的α2亞基，能促進(jìn)細(xì)胞中的蛋白酶體在高溫下對(duì)泛素化底物的降解速率，從而降低高溫脅迫下細(xì)胞中積累的有毒變性蛋白的種類和數(shù)量，緩解高溫引起的細(xì)胞死亡。在水稻、擬南芥和高羊茅(Festucaelata)植株中過表達(dá)OgTT1能顯著提高轉(zhuǎn)基因后代的耐熱性。Wei等[33]利用耐熱水稻品系HT54(來自廣陸矮4號(hào))與熱敏感品系HT13(源自秈稻05-Zhan)構(gòu)建作圖群體，定位了HT54中苗期耐熱性調(diào)控的主效位點(diǎn)OsHTAS，該位點(diǎn)位于水稻第9號(hào)染色體InDel5和RM7 364兩個(gè)分子標(biāo)記之間。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsHTAS基因編碼一個(gè)泛素連接酶，通過調(diào)控?zé)崦{迫下H2O2誘導(dǎo)的葉片氣孔關(guān)閉來提高水稻的耐熱性[34]。

2.2 通過水稻耐熱突變體克隆相關(guān)耐熱調(diào)控基因

除了耐熱QTL的定位和克隆外，近年來還有部分研究通過篩選水稻耐熱突變體克隆相關(guān)耐熱調(diào)控基因。例如，Wang等[35]從秈稻品種中秈3037中獲得了1個(gè)自然突變的隱性熱敏感矮化突變體togr1-1，圖位克隆顯示TOGR1編碼1個(gè)包含9個(gè)基序且溫度依賴型的DEAD-box RNA解旋酶，該解旋酶參與高溫條件下pre-rRNA的正常加工。TOGR1基因突變會(huì)導(dǎo)致突變后的TOGR1蛋白不能被招募到SSU中形成功能性的pre-rRNA加工體，致使rRNA的生物合成受阻，提高TOGR1的表達(dá)水平能有效提高水稻植株的耐熱性。此外，部分研究還利用擬南芥中分離獲得的耐熱性相關(guān)基因信息來鑒定參與水稻耐熱性調(diào)控的關(guān)鍵基因。例如，Shen等[36]利用擬南芥2個(gè)耐熱性差異顯著的基因型(Col-0：Columbia-0；Ler：Landsbergerecta)構(gòu)建作圖群體，定位到2個(gè)與耐熱性相關(guān)的主效QTL，并通過圖位克隆鑒定了其中1個(gè)QTL(qHat2-1)，該基因編碼一個(gè)類受體蛋白激酶ERECTA(ER)。在水稻中過表達(dá)擬南芥類受體蛋白激酶ERECTA能提高水稻的耐熱性，同時(shí)水稻ERECTA功能缺失突變體則表現(xiàn)出耐熱性下降的表型。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ERECTA通過一種新的細(xì)胞保護(hù)機(jī)制調(diào)控逆境下的細(xì)胞死亡，提高ERECTA表達(dá)量可以顯著增強(qiáng)了逆境下細(xì)胞膜的完整性，緩解因熱脅迫引起的細(xì)胞死亡，從而提高耐熱性。此外，部分研究還通過反向遺傳學(xué)方法來鑒定水稻耐熱相關(guān)基因。例如，Zhang等[37]分離到1個(gè)水稻種子種受高溫表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子OsMADS7，通過RNAi特異抑制OsMADS7在水稻胚乳中的表達(dá)，能穩(wěn)定高溫脅迫下稻米直鏈淀粉含量，維持小穗育性，說明該基因也參與了水稻耐性調(diào)控。但是，目前我們克隆的水稻耐熱性相關(guān)基因仍十分有限，需要后續(xù)研究繼續(xù)發(fā)掘更多的水稻耐熱調(diào)控基因。

3 研究展望

復(fù)雜性狀的遺傳改良對(duì)于水稻育種家來說是一項(xiàng)十分具有挑戰(zhàn)性的工作，特別是溫度、干旱、鹽分等環(huán)境脅迫性狀的耐性改良。一方面這些性狀均存在復(fù)雜的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)QTL/基因的貢獻(xiàn)率不高；另一方面，在田間狀態(tài)下，多種脅迫共同存在的情況常有發(fā)生，例如高溫和干旱往往伴隨發(fā)生，單一性狀的改良往往達(dá)不到預(yù)期效果。因此，在選育高溫耐性品種的同時(shí)需綜合考慮多種因素，最終培育出能耐受異常高溫的廣適型水稻新品種。

就水稻耐熱性育種而言，由于國內(nèi)對(duì)水稻熱害認(rèn)識(shí)和研究起步較晚，因此，相較于耐鹽、旱、病蟲等性狀育種進(jìn)程相對(duì)落后很多，目前仍以通過常規(guī)育種手段篩選耐熱水稻品系為主。近年來國際水稻研究所、中國水稻研究所和國內(nèi)科研院校等單位先后開始耐熱水稻品種選育，相繼篩選出了一批水稻耐熱品系，但水稻耐熱性育種仍進(jìn)展緩慢。盡管已經(jīng)定位了大量的耐熱性QTL，部分研究也獲得了可用于MAS的性狀共離分子標(biāo)記[26, 33]，但應(yīng)用MAS選育水稻耐熱品種的分子育種實(shí)踐尚未見報(bào)道。其原因主要是目前這些定位的QTL區(qū)間仍比較大，且大部分鑒定獲得的耐熱QTL貢獻(xiàn)率都偏低，難以聚合利用；同時(shí)，目前耐熱QTL鑒定大部分通過育性和產(chǎn)量等不同指標(biāo)進(jìn)行定位分析，而不同考察指標(biāo)獲得的水稻耐熱QTL也存在差異。因此，后續(xù)研究有必要進(jìn)一步對(duì)已獲得的主效耐熱QTL進(jìn)行更精細(xì)的定位和克隆，同時(shí)采用更加合理的性狀指標(biāo)來分離新的主效耐熱QTL，以期能通過分子育種聚合多個(gè)耐高溫QTL/基因，培育獲得耐熱且產(chǎn)量和品質(zhì)較為穩(wěn)定的水稻新品種。

除了常規(guī)育種手段，目前也有研究通過轉(zhuǎn)基因等現(xiàn)代生物技術(shù)手段來改良水稻的耐熱性。如在水稻中過表達(dá)FAD7(脂肪酸去飽和酶, fatty acid desaturase)、OsWRKY11轉(zhuǎn)錄因子，以及部分熱激蛋白和熱激轉(zhuǎn)錄因子基因，或敲除類糖原合成激酶1基因(OsGSK1)均能顯著提高轉(zhuǎn)基因植株的耐熱性[38]。除了水稻中發(fā)掘的基因外，也有部分研究通過在水稻中表達(dá)來源于擬南芥或其他物種的耐熱性基因來提高水稻的耐熱性[39]。此外，也有研究從野生稻中篩選耐熱遺傳資源來改進(jìn)水稻的耐鹽性[40]。這些研究成果為通過基因工程手段改良水稻的耐熱性提供了可能。但是，目前在我們對(duì)水稻耐高溫分子遺傳機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍十分有限，耐熱性相關(guān)基因克隆也較少，因此，需要我們分離鑒定更多與水稻高溫響應(yīng)相關(guān)的新基因，以加深對(duì)水稻高溫耐受分子機(jī)理的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為后續(xù)通過分子育種培育耐熱高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)水稻奠定基礎(chǔ)。