水稻卷葉類型及調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

鄧秋雨，肖應(yīng)輝

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128)

水稻(Oryza sativaL.)是世界上最重要的糧食作物之一[1]，提高水稻產(chǎn)量是水稻育種主要的目標(biāo)，增加水稻產(chǎn)量對(duì)我國乃至世界糧食安全都具有重大意義。光合作用是影響水稻產(chǎn)量的主要因素之一，而葉片是水稻進(jìn)行光合作用的主要場所，所以改變?nèi)~形、增大植株光捕獲率從而增強(qiáng)光合作用對(duì)提高水稻產(chǎn)量具有重要影響。

相關(guān)研究表明，水稻葉片適度卷曲有利于提高植株的光合效率，增加光合產(chǎn)物的有效積累量[2]。葉片適度卷曲能使葉片保持直立不披垂，增加水稻群體受光面積和光能利用率，進(jìn)而顯著增加光合效率。此外，葉片適度卷曲還有利于水稻群體內(nèi)的空氣流通，為光合作用提供充足的CO2；也有利于蒸騰作用，促進(jìn)水稻植株生長發(fā)育。葉片光合作用、蒸騰作用和呼吸作用的增強(qiáng)還能提高水稻根系的活力及植株的抗性，為增加產(chǎn)量提供保障[3，4]。但是，若葉片高度卷曲甚至內(nèi)卷或外卷成圓筒狀，則會(huì)導(dǎo)致葉片表面的漏光損失增大，水稻植株光能利用率降低。

本文主要綜述水稻卷葉的類型及調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展，總結(jié)已定位的76 個(gè)卷葉相關(guān)調(diào)控基因，并整理其中39 個(gè)已克隆的卷葉相關(guān)調(diào)控基因及基因功能，為水稻卷葉性狀的研究提供新的理論依據(jù)。

1 水稻卷葉的類型

目前的研究發(fā)現(xiàn)，水稻卷葉突變體葉片卷曲的類型有3 種:內(nèi)卷、外卷和扭曲。內(nèi)卷即葉片朝近軸面(腹面)卷曲，外卷是葉片朝遠(yuǎn)軸面(背面)卷曲，扭曲則沒有規(guī)則。從卷曲位置上劃分，可以分為全部葉片卷曲和部分葉位葉片卷曲(如劍葉、倒二葉、倒三葉等)。以葉片卷曲度來劃分，可分為高度卷曲(極度內(nèi)卷或極度外卷成圓筒狀)、中度卷曲(葉片明顯卷曲成U 形)和輕微卷曲(兩側(cè)或單側(cè)葉緣微卷)。也有部分卷葉性狀在特定生育期才會(huì)表現(xiàn)，如在苗期表現(xiàn)為卷葉而在生育后期葉片逐漸平展，在生育前期為平展葉表型而在后期葉片逐漸卷曲等，所以也可根據(jù)卷曲發(fā)生的時(shí)期來分為特定生育期卷曲和全生育期卷曲。而在全生育期卷曲中，又存在著全生育期葉片卷曲程度一致和隨著植株的生長發(fā)育，葉片卷曲程度逐漸增強(qiáng)的情況。

2 水稻卷葉形成的細(xì)胞學(xué)原因

水稻卷葉突變體葉片的組織切片分析發(fā)現(xiàn)水稻卷葉形成的細(xì)胞學(xué)原因大致可分為四大類。

第一類:因泡狀細(xì)胞形態(tài)、大小、數(shù)量和分布的改變導(dǎo)致水稻葉片卷曲，這也是水稻卷葉突變體葉片卷曲的最主要原因。一般情況下，增加泡狀細(xì)胞的數(shù)量或大小會(huì)導(dǎo)致葉片外卷[5，6]；相反，減少泡狀細(xì)胞的數(shù)量或大小通常會(huì)導(dǎo)致葉片內(nèi)卷[7，8]。如果水稻卷葉性狀受基因調(diào)控，則是不可逆的；當(dāng)受到環(huán)境脅迫時(shí)，如干旱脅迫、蒸騰作用加強(qiáng)、細(xì)胞失水等原因引起泡狀細(xì)胞皺縮使葉片卷曲則是可逆的，在水分充足條件下，泡狀細(xì)胞吸水，卷葉又可恢復(fù)為平展葉[9]。

第二類:薄壁細(xì)胞和厚壁細(xì)胞的變化導(dǎo)致卷葉的形成。薄壁細(xì)胞是大多數(shù)植物體內(nèi)數(shù)目最多的細(xì)胞，其功能很多，如貯藏營養(yǎng)物質(zhì)、進(jìn)行光合作用和需氧呼吸等；而厚壁細(xì)胞在植物體內(nèi)主要起支撐作用。姜建芳研究表明，水稻細(xì)卷葉突變體OSPM11的薄壁細(xì)胞呈現(xiàn)出嚴(yán)重變形且排列無規(guī)則[10]。陳煒[11]的研究表明，nrl3突變體表型窄卷葉是葉片遠(yuǎn)軸面厚壁細(xì)胞發(fā)育缺陷導(dǎo)致的。Zhang 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，水稻葉片卷曲是由于其背面厚壁細(xì)胞發(fā)育不良，葉片失去支撐力，造成了葉片極度內(nèi)卷。Zou 等[13]的研究也表明，厚壁細(xì)胞的部分缺失會(huì)導(dǎo)致卷葉的形成。

第三類:維管束中細(xì)胞的變化對(duì)水稻葉片卷曲產(chǎn)生重要影響。水稻twi1突變體葉片扭曲，實(shí)驗(yàn)證明TWI1具有控制維管束細(xì)胞特異性分化的功能[14]。顯性內(nèi)卷葉突變體70－36 從6 葉期才開始卷曲，組織切片結(jié)果表明，葉片內(nèi)卷的細(xì)胞學(xué)原因?yàn)橹忻}和側(cè)脈維管束遠(yuǎn)軸面的葉肉細(xì)胞不能正常分化[15]。由于水稻phe1突變體的葉脈維管束韌皮部中篩管細(xì)胞增多，整個(gè)韌皮部的面積顯著增大，從而使葉脈遠(yuǎn)軸面皺縮導(dǎo)致葉片外卷[16]。

第四類:角質(zhì)層、表皮細(xì)胞和葉肉細(xì)胞的變化導(dǎo)致水稻葉片卷曲。Guo 等[17]的研究表明，窄卷葉突變體Oschr4－5的角質(zhì)層蠟質(zhì)含量顯著增加，導(dǎo)致失水率降低，增強(qiáng)了水稻植株的耐旱性。同樣，表皮細(xì)胞的改變也影響水稻葉片形態(tài)。研究顯示cld1突變體葉片卷曲的主要原因是表皮細(xì)胞受損降低了葉片的保水能力，導(dǎo)致葉片水分虧缺[18]。而水稻rld突變體葉片卷曲是由于維管束之間的下表皮葉肉細(xì)胞面積明顯增大且泡狀化所致[19]。

3 水稻卷葉形成的分子調(diào)控機(jī)制

縱觀前人的研究發(fā)現(xiàn)，水稻卷葉性狀一般由單基因控制，且多為單基因隱性遺傳，少數(shù)為單基因顯性遺傳，還有不完全顯性遺傳，如ERL1[20]和SRL2[21]，和不完全隱性遺傳，如rl8[22]和rlt[23]。也有水稻卷葉性狀由多基因控制，如李仕貴等[24]研究發(fā)現(xiàn)，秈粳交DH 群體中的卷葉性狀由2 對(duì)基因控制，且這2 對(duì)基因存在互補(bǔ)作用。以上研究結(jié)果說明水稻卷葉性狀的遺傳機(jī)理十分復(fù)雜。目前，水稻12 條染色體上均有卷葉相關(guān)調(diào)控基因被報(bào)道，共76個(gè)(表1)，包括在經(jīng)典遺傳圖譜上已標(biāo)定的6 個(gè)控制卷葉的隱性基因rl1－rl6[25]。其中有39 個(gè)已被克隆(表2)。根據(jù)其基因功能可以將已克隆的水稻卷葉相關(guān)基因劃分為5 類。

表1 已定位的水稻卷葉相關(guān)基因及卷葉形成原因Table 1 The mapped genes related to rice rolled leaf and causes of rolled leaf formation

續(xù)表1

表2 已克隆的卷葉相關(guān)基因及功能Table 2 The cloned genes related to rolled leaf and functions

續(xù)表2

3.1 葉片的極性(Adaxial/Abaxial)軸建立相關(guān)基因

水稻葉片極性軸(近軸—遠(yuǎn)軸)主要是通過控制葉片近軸極性的基因(HD－ZIP Ⅲ和ARP 家族基因)與控制葉片遠(yuǎn)軸極性的基因(KANADI和ARF家族基因)及葉面發(fā)育基因(YABBY 和WOX 家族基因)之間的協(xié)同促進(jìn)和拮抗作用而建成的。目前有少量調(diào)控葉片極性的基因被報(bào)道，如ADL1基因編碼一個(gè)半胱氨酸蛋白酶，突變體adl1葉片近軸面泡狀細(xì)胞增大，導(dǎo)致葉片呈現(xiàn)出外卷，HD－ZIP Ⅲ基因在adl1突變體成熟葉片中的表達(dá)量增加，表明ADL1與葉片極性軸的建立有關(guān)[5]。OsYABBY6是一類水稻轉(zhuǎn)錄因子，主要參與對(duì)葉片近軸面發(fā)育的調(diào)控，轉(zhuǎn)錄抑制轉(zhuǎn)基因株系CE－OsYABBY6的葉片呈現(xiàn)出內(nèi)卷的表型[80]。

3.2 泡狀細(xì)胞發(fā)育相關(guān)基因

在已定位的水稻卷葉相關(guān)基因中，絕大多數(shù)的基因都與泡狀細(xì)胞的發(fā)育相關(guān)。如OsHox32、Roc5、Roc8、OsLBD3－7、ZW235、SRL1、SLL2、ACL1及其在水稻中的唯一同源物ACL2等一系列基因都是通過調(diào)節(jié)泡狀細(xì)胞的數(shù)目和大小進(jìn)而調(diào)控葉片的形態(tài)，使葉片表現(xiàn)出卷葉的表型。crm1－D突變體從苗期到開花期都表現(xiàn)出卷葉，組織學(xué)分析表明卷葉原因?yàn)榕轄罴?xì)胞的尺寸減小。crm1－D的突變表型由一個(gè)顯性核基因控制，圖位克隆結(jié)果顯示HD－ZIP CLASS IV基因家族成員Roc8為候選基因。此外，在構(gòu)建的Roc8敲除株系中，泡狀細(xì)胞的大小顯著增加，表明Roc8負(fù)調(diào)節(jié)泡狀細(xì)胞的大小[56]。李戰(zhàn)朋[52]研究表明，卷葉基因ZW235是一個(gè)核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子，突變體zw235中泡狀細(xì)胞數(shù)量變少、面積變小，導(dǎo)致葉片內(nèi)卷。通過構(gòu)建基因ZW235的互補(bǔ)載體和敲除載體證實(shí)了突變表型是由于基因功能的缺失所導(dǎo)致的。酵母單雜交實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，ZW235 蛋白與YAB1基因啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合元件相互結(jié)合而發(fā)揮作用。YABBY基因中YAB1與YAB3都參與調(diào)控水稻葉片中泡狀細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)而導(dǎo)致卷葉的形成。

3.3 厚壁細(xì)胞發(fā)育相關(guān)基因

在已報(bào)道的水稻卷葉突變體中，半卷葉突變體srl2是從射線輻射的秈稻品種中秈3037 中分離得到的。圖位克隆結(jié)果顯示SRL2編碼一種新的植物特異性蛋白質(zhì)，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SRL2在調(diào)節(jié)葉片發(fā)育特別是在厚壁細(xì)胞分化過程中起重要作用[39]。窄卷葉突變體nrl3的組織學(xué)分析表明，葉片遠(yuǎn)軸面的厚壁細(xì)胞發(fā)育存在缺陷[11]；SLL1是控制水稻卷葉性狀的關(guān)鍵基因，編碼KANADI 家族的SHAQKYF類MYB 轉(zhuǎn)錄因子，SLL1的缺失會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)軸面厚壁細(xì)胞的程序性死亡[12]。突變體erl1從苗期到成熟期都表現(xiàn)為極度內(nèi)卷，葉片的石蠟切片結(jié)果表明維管束遠(yuǎn)軸面的厚壁細(xì)胞發(fā)生異常，從而使得葉片卷曲[20]。

3.4 角質(zhì)層和表皮細(xì)胞發(fā)育相關(guān)基因

組織學(xué)研究表明，角質(zhì)層與表皮發(fā)育缺陷是葉片卷曲的主要原因之一。CFL1編碼WW 結(jié)構(gòu)域蛋白，可通過影響HDG1的功能來負(fù)調(diào)節(jié)角質(zhì)層的發(fā)育，在水稻中過表達(dá)CFL1導(dǎo)致了葉片內(nèi)卷[31]。OsCHR4通過表觀遺傳調(diào)控生長素和蠟質(zhì)生物合成基因的表達(dá)來調(diào)控葉片形態(tài)和角質(zhì)層蠟質(zhì)的形成，Oschr4－5突變體的角質(zhì)層蠟質(zhì)含量較高，導(dǎo)致失水率降低和耐旱性增強(qiáng)，從而誘導(dǎo)了卷葉的形成[17]。CLD1/SRL1編碼一種糖磷酸肌醇(GPI)錨定膜蛋白參與調(diào)節(jié)水稻的卷葉和其他方面的生長發(fā)育。CLD1/SRL1功能的喪失導(dǎo)致葉表皮缺陷，如表皮細(xì)胞體積增大。葉表皮缺陷造成葉片保水能力降低，導(dǎo)致cld1突變體葉片缺水和葉片卷曲[18]。

3.5 miRNAs 和激素相關(guān)基因

miRNAs 在轉(zhuǎn)錄后水平負(fù)調(diào)控基因的表達(dá)可以誘導(dǎo)水稻卷葉的形成。OsmiR160負(fù)調(diào)控靶基因Os-ARF18的表達(dá)，且抗OsmiR160型OsARF18水稻轉(zhuǎn)基因植株mOsARF18表現(xiàn)出卷葉表型[57]。使用短串聯(lián)靶模擬(STTM)系統(tǒng)敲除microRNA166，鑒定出的miR166敲除系(STTM 166)也表現(xiàn)出卷葉表型，這是由于STTM166水稻植株的葉片泡狀細(xì)胞較小和厚壁細(xì)胞異常[81]。AGO 蛋白是RNA 誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體的主要組成蛋白，對(duì)水稻葉片的發(fā)育起關(guān)鍵作用，如過表達(dá)OsAGO7可誘導(dǎo)葉片內(nèi)卷[38]。還有一些與植物激素相關(guān)的基因通過影響激素的生物合成間接誘導(dǎo)水稻卷葉的形成。NAL7參與生長素的生物合成，NAL7基因的nal7過表達(dá)突變體中卷葉表型是由于生長素過量導(dǎo)致的[37]。YABBY1(YAB1)參與水稻中赤霉素生物合成的反饋調(diào)節(jié)，內(nèi)源和外源YAB1基因的表達(dá)都受到抑制的轉(zhuǎn)基因水稻株系植株的葉片外卷成圓筒狀[58]。

4 總結(jié)與展望

根據(jù)前人的研究發(fā)現(xiàn)，獲得水稻卷葉突變體的方法主要有以下幾種:(1)化學(xué)誘變。如內(nèi)卷葉突變體cul1－1[61]和半不育卷葉突變體rlms1[82]都是經(jīng)EMS 誘變而來。(2)物理誘變。如rld突變體[19]是平展葉秈稻品種經(jīng)60Co－γ 射線輻射而得到的極度內(nèi)卷葉突變體。(3)生物誘變。如水稻遭遇害蟲侵害時(shí)會(huì)激發(fā)它的抗植食性防御反應(yīng)從而誘導(dǎo)卷葉[83]。(4)農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。如水稻顯性卷葉突變體AC270是通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法得到的轉(zhuǎn)基因植株[84]。(5)自然變異。如突變體nrl7是在田間粳稻品種C275 群體中發(fā)現(xiàn)的1 株具有窄卷葉表型的突變體，遺傳分析發(fā)現(xiàn)其突變表型為單基因隱性遺傳[85]。

在已報(bào)道的水稻卷葉突變體中，部分卷葉性狀是由環(huán)境脅迫所致，不具有遺傳性，而由基因控制且能穩(wěn)定遺傳的卷葉性狀是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。截至目前，已成功克隆了39 個(gè)與卷葉性狀相關(guān)的基因，但由于水稻的卷葉性狀具有復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致這些基因在育種上的利用極少，并且至今發(fā)現(xiàn)的卷葉突變體都還存在許多如株高嚴(yán)重降低、分蘗數(shù)減少、結(jié)實(shí)率顯著下降甚至不能結(jié)實(shí)等不利變異，若利用不當(dāng)會(huì)給水稻生產(chǎn)造成巨大損失。所以，對(duì)不同水稻品種葉片的最適卷曲度進(jìn)行研究至關(guān)重要，特別是在同一水稻品種中同一卷葉基因的不同表達(dá)量對(duì)葉片卷曲度調(diào)控的差異，不同基因?qū)ν凰酒贩N葉片卷曲度調(diào)控的差異，還有多個(gè)基因?qū)θ~片卷曲度調(diào)控的疊加效應(yīng)以及不同水稻品種間的同一卷葉基因?qū)θ~片最適卷曲度的調(diào)控是否存在差異都需要進(jìn)一步探討。