水稻基因資源及其在育種中的應(yīng)用

亓娜 朱崴 唐占兵

[摘要]隨著全球性基因組計(jì)劃的深入開展，基因克隆與功能分析方面的研究取得了突破性進(jìn)展。新基因資源的發(fā)現(xiàn)和利用有效地促進(jìn)了作物改良。水稻作為重要的糧食作物，研究人員已經(jīng)對(duì)其多個(gè)性狀基因進(jìn)行了定位和克隆，例如，水稻株型基因、產(chǎn)量性狀基因、稻米品質(zhì)基因等。本文對(duì)水稻基因組進(jìn)展、基因概念發(fā)展、基因資源在育種中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了討論并取得了一些突破性進(jìn)展，在提高水稻的抗蟲、抗病及增產(chǎn)提質(zhì)等諸多方面都展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]水稻;基因資源;育種

中圖分類號(hào)：S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202008

1865年，孟德爾通過(guò)豌豆實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了遺傳的兩大基本規(guī)律，即基因的分離定律和基因的自由組合定律。1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜將“遺傳因子”命名為“基因”。1909年，摩爾根和他的學(xué)生在孟德爾定律的基礎(chǔ)上，利用果蠅進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)，揭示了位于同源染色體上不同座位的兩對(duì)以上等位基因的遺傳規(guī)律，即著名的連鎖與互換規(guī)律。1953年，沃森和克里克建立了DNA的雙螺旋模型，開始了分子生物學(xué)的新時(shí)代，從此，人們開始從分子水平上認(rèn)識(shí)基因。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，基因概念的新發(fā)展成了遺傳學(xué)、育種學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)等多學(xué)科發(fā)展的核心概念。隨著水稻全基因組測(cè)序的順利完成，水稻科學(xué)進(jìn)入功能基因組學(xué)時(shí)代，水稻作為模式作物而發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

1 基因組計(jì)劃促進(jìn)了水稻基因克隆和功能研究的進(jìn)展

美國(guó)于20世紀(jì)80年代中期提出人類基因組計(jì)劃（Human Genome Program，HGP），1990年正式啟動(dòng)，全世界6個(gè)國(guó)家、20個(gè)研究所、2 000多位科學(xué)家參與了這一計(jì)劃[1]。為了配合HGP，美國(guó)啟動(dòng)了植物基因組計(jì)劃，主要任務(wù)如下：（1）實(shí)施擬南芥和水稻測(cè)序;（2）繪制出包括玉米、大豆、小麥、大麥、高粱、水稻、棉花、番茄和松樹等10～12個(gè)關(guān)鍵植物的基因圖譜;（3）著重研究對(duì)作物產(chǎn)量具有明顯作用的基因，包括帶有抗病、種子生長(zhǎng)、谷粒質(zhì)量和開花期等密碼信息的基因。此外，還包括那些對(duì)其他基因起控制作用的基因。當(dāng)前，這一計(jì)劃的任務(wù)多已完成。1992年，日本、中國(guó)幾乎是同時(shí)啟動(dòng)水稻基因組計(jì)劃（Rice Genome Program，RGP）。2005年，國(guó)際水稻基因組發(fā)表了水稻基因組精細(xì)圖。在RGP精細(xì)圖中，預(yù)測(cè)到37 544個(gè)基因，顯示了61個(gè)未能測(cè)序的間隙（Gap）[2]。在分析現(xiàn)行的基因組時(shí)，基因數(shù)量計(jì)算不只依據(jù)開放閱讀框架（ORF）數(shù)量、實(shí)際的基因數(shù)量，還依賴于轉(zhuǎn)錄組研究、基因功能互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)、蛋白組分析、分子網(wǎng)絡(luò)、等位基因（Allele）查詢、基因庫(kù)全息分析等方法確定[3]。克隆與功能分析帶來(lái)的便利主要表現(xiàn)如下：（1）擬南芥基因組計(jì)劃提供了系統(tǒng)的分析方法、突變體、基因注釋、模式模型;（2）RGP提供了基因組精細(xì)圖和詳細(xì)注釋;（3）水稻已經(jīng)克隆了數(shù)百個(gè)重要的農(nóng)藝性狀基因;（4）比較基因組研究為基因克隆和基因功能分析提供了線索。

2 通過(guò)基因克隆獲得的一些重要農(nóng)藝性狀基因

水稻已進(jìn)入后基因組時(shí)代，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，先后克隆水稻重要性狀相關(guān)基因300多個(gè)，有些已應(yīng)用于水稻育種。

2.1 水稻株型基因

株型是決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，理想株型應(yīng)具有株型緊湊、株高適中、有效分蘗多、穗大粒多、莖稈粗壯等特征。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已鑒定到與株高相關(guān)的數(shù)量性狀座位（QTL）共1 104個(gè)，已克隆與株高有關(guān)的基因143個(gè)。水稻植株高度MYB樣基因OsMPH1參與水稻的株高調(diào)控，OsMPH1的過(guò)表達(dá)導(dǎo)致水稻株高的增加，而OsMPH1的敲低導(dǎo)致相反的表型，莖部縱切面的顯微鏡檢查表明OsMPH1調(diào)控節(jié)間細(xì)胞長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致植物高度的變化。赤霉素（GA）信號(hào)改變了谷物的育種，產(chǎn)生了分蘗增加的半矮植株，從而推動(dòng)了“綠色革命”。SLR1蛋白通過(guò)與水稻分蘗調(diào)節(jié)基因MOC1表達(dá)產(chǎn)物結(jié)合而受到保護(hù)，免受GAs觸發(fā)的降解，從而避免分蘗數(shù)減少。

2.2 水稻產(chǎn)量性狀基因

產(chǎn)量性狀是決定水稻品種特性的重要指標(biāo)之一。水稻產(chǎn)量主要由三個(gè)特征控制：有效穗每畝的數(shù)量、每穗和千粒重晶粒的數(shù)量。穗數(shù)是產(chǎn)量的基礎(chǔ)，每穗粒數(shù)與穗長(zhǎng)、枝梗數(shù)和著粒密度關(guān)系密切。粒重是千粒重，由粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚度和晶粒豐滿的四個(gè)共同因素控制。到目前為止，大量有關(guān)產(chǎn)量性狀的QTL已被映射，但是要深入揭示產(chǎn)量性狀分子遺傳機(jī)理，則必須通過(guò)QTL的精細(xì)定位直至最終基因的克隆。

Xue W Y等[4]分離并克隆到一個(gè)控制穗粒數(shù)、抽穗期和株高的多效QTL-Ghd7。長(zhǎng)日照條件下，Ghd7的增強(qiáng)表達(dá)能推遲抽穗、增加株高和每穗粒數(shù)，而功能減弱的自然突變體能夠種植到溫帶甚至更冷的地區(qū)。Ghd7被認(rèn)為是控制水稻抽穗期和產(chǎn)量潛力的關(guān)鍵因素。Ghd7也通過(guò)調(diào)控PHYTOCHROME B-TEOSINTE BRANCHED1途徑，參與分蘗分枝的調(diào)控。干旱、脫落酸、茉莉酸和高溫脅迫能強(qiáng)烈抑制Ghd7的表達(dá)，然而低溫可促進(jìn)Ghd7的表達(dá)。通過(guò)表達(dá)Ghd7能夠增加水稻對(duì)干旱的敏感性，而敲除Ghd7能夠增強(qiáng)水稻的抗旱能力。Ghd8和Ghd7在控制水稻的抽穗期、株高和籽粒產(chǎn)量方面具有相似的功能和較大的多效性。Ghd8在Ghd7的上游起作用以激活其轉(zhuǎn)錄，從而抑制Hd3a表達(dá)，進(jìn)而影響開花時(shí)間和水稻適應(yīng)性。因此，Ghd7對(duì)增加全球水稻生產(chǎn)的潛力和適應(yīng)性上起著非常重要的作用。

2.3 稻米品質(zhì)基因

稻米品質(zhì)是決定一個(gè)水稻品種特性的最重要指標(biāo)之一，主要從五個(gè)方面反映，分別是外觀、碾米、蒸煮、營(yíng)養(yǎng)以及味道，具體內(nèi)容有透明度、堊白、粒型、直鏈淀粉含量、膠稠度、糊化溫度、蛋白質(zhì)含量以及有無(wú)香味等。而由于Wx是控制直鏈淀粉含量（AC）的主效基因。因此在非糯品種中，Wx基因分化為Wxa和Wxb兩種等位基因，其中，野生稻全為Wxa，秈稻以Wxa為主，直鏈淀粉含量較高;粳稻基本為Wxb，直鏈淀粉含量較低。所述Wxb基因編碼顆粒結(jié)合淀粉合成酶（Granule Bound Starch Synthase， GB-SSI），至少有6種等位基因，導(dǎo)致水稻胚乳從不含直鏈淀粉（糯性）到不同含量的直鏈淀粉的變化。Wxb基因的5'端非編碼區(qū)還存在大量的簡(jiǎn)單重復(fù)序列（CT）變異。這種變化與直鏈淀粉含量存在較高的相關(guān)性。一般來(lái)說(shuō)，高AC的品種具有較少的CT重復(fù)次數(shù)。直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量是決定米飯食味的兩個(gè)重要因素，它們共同決定了米飯軟硬、黏性、味道及綜合食味。

3 利用基因資源改良現(xiàn)代品種

在中國(guó)，已經(jīng)培育出的水稻品種超過(guò)4 000個(gè)，推廣面積超過(guò)100萬(wàn)hm2的品種超過(guò)68個(gè)。從常規(guī)育種角度來(lái)看，育種家會(huì)自然地利用多個(gè)重要的農(nóng)藝性狀基因或有利等位基因（QTL）。分子育種或設(shè)計(jì)育種（Breeding by Design）與常規(guī)育種有所不同，一個(gè)根本的區(qū)別是在分子水平或基因水平進(jìn)行設(shè)計(jì)并育種。最近，在分子育種方面有了少量的育種實(shí)踐，王康愷等[5]利用分子標(biāo)記輔助選擇出4種富γ-氨基丁酸含量?jī)?yōu)良育種后代材料。李揚(yáng)[6]等以長(zhǎng)粒品種作為供體親本，利用GS3基因的功能性分子標(biāo)記SF28進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇，結(jié)合田間農(nóng)藝性狀考察，選出89個(gè)具備細(xì)長(zhǎng)粒型且綜合農(nóng)藝性狀良好的單株。降好宇等[7]利用現(xiàn)代分子標(biāo)記輔助技術(shù)獲得聚合有Bph14和Bph15兩個(gè)抗性基因的株系，其抗性比有單個(gè)抗性基因的抗性高。

隨著對(duì)基因本質(zhì)認(rèn)識(shí)的深化，利用基因改良品種和創(chuàng)制新品種的理論研究和實(shí)踐活動(dòng)必然要轉(zhuǎn)向多基因利用、基因組互作、三型（基因型、表現(xiàn)型、環(huán)境型）統(tǒng)一的新設(shè)計(jì)和新思維發(fā)展，要在育種設(shè)計(jì)和育種實(shí)踐（常規(guī)育種技術(shù)與新技術(shù)結(jié)合）方面進(jìn)行新的探索，以便高效、定向培育出新品種。

參考文獻(xiàn)

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