復(fù)雜信號通路參與調(diào)控水稻粒重相關(guān)基因研究進(jìn)展

陳 可，周新橋，陳達(dá)剛，郭 潔，陳平麗，李逸翔，2，劉傳光，陳友訂

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省水稻工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2.廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東 湛江 524088）

作為全球范圍內(nèi)最重要的糧食作物之一，水稻提供了約50%世界人口的每日主糧［1］。因此，研究高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的水稻及其分子機(jī)理有著重要的生物學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐意義。20 世紀(jì)50 年代開始的第一次“綠色革命”，包括水稻育種的半矮稈基因（semi-dwarf 1）sd1的應(yīng)用、70 年代三系雜交水稻的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了谷物產(chǎn)量增長［2］。這一階段主要關(guān)注水稻和小麥半顯性基因的應(yīng)用及以胞質(zhì)雄性不育（CMS）在雜交水稻的應(yīng)用［3］。進(jìn)入21 世紀(jì)，“超級稻”概念、“理想株型”模型及基因編輯技術(shù)的發(fā)展為我國水稻產(chǎn)量持續(xù)增長奠定了理論基礎(chǔ)［4］。特別是在新冠病毒肆虐的2020 年以后，我國水稻生產(chǎn)又面臨新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，“三胎”政策的開放促進(jìn)人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致耕地過快減少的態(tài)勢與“18 億畝耕地紅線”嚴(yán)防死守的矛盾等。2021 年中央一號文件把提升糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品供給保障能力作為加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的首要任務(wù)。因此，如何突破傳統(tǒng)育種瓶頸，將水稻分子育種和功能基因組學(xué)系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用于水稻育種改良，已經(jīng)成為新時(shí)代我國糧食安全和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化面臨的亟待解決的重大科學(xué)問題［5］。

水稻單株產(chǎn)量主要由有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、粒重3 個(gè)因素決定。多年來的水稻基礎(chǔ)研究不斷豐富水稻基因組序列信息和注釋，并且超過120個(gè)主效及微效（數(shù)量性狀遺傳位點(diǎn)）QTLs 位點(diǎn)已經(jīng)成功克隆、鑒定及功能分析［6］。在超過1 萬年的水稻馴化過程中，人類通過人工選擇產(chǎn)生了許多水稻亞種和品種，并且使得水稻的分布從熱帶地區(qū)擴(kuò)展到溫帶地區(qū)的五大洲。近年來，基于圖位克隆的遺傳分析、規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）及其衍生的基因編輯技術(shù)快速發(fā)展，在多種水稻農(nóng)藝性狀的研究中發(fā)揮了重要作用［7］。本文綜述總結(jié)了近年來水稻粒重相關(guān)基因的研究進(jìn)展，包括QTL 和質(zhì)量性狀相關(guān)基因，并且深入討論其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)育種上的應(yīng)用，結(jié)合5G 時(shí)代數(shù)字化智能化生物現(xiàn)代育種，對我國目前生物育種4.0 時(shí)代進(jìn)行展望。

1 水稻粒重影響因素及相關(guān)基因

水稻粒重（千粒重、鮮重）受到水稻粒長、粒寬、粒厚和灌漿等因素影響［8］，這些基因協(xié)同作用，共同調(diào)控水稻粒重這一數(shù)量性狀，維持水稻產(chǎn)量的動態(tài)平衡。水稻的拔節(jié)孕穗期是營養(yǎng)生長與生殖生長的并進(jìn)時(shí)期，這期間水稻生物量迅速增大，以幼穗發(fā)育為中心的生殖發(fā)育迅速起始，特別是水稻幼穗發(fā)育8 個(gè)時(shí)期中的第3 期-第2次枝梗原基及穎花原基分化期決定水稻穗型、第5 期到第8 期穎殼發(fā)育期決定水稻粒型。從細(xì)胞生物學(xué)角度來評估水稻粒重的變化，可以追溯到原基發(fā)育時(shí)分生組織的細(xì)胞數(shù)量、細(xì)胞分裂能力和細(xì)胞伸長范圍等。而水稻幼穗分化完成期及水稻灌漿期是對已定型的完成授粉的水稻籽粒進(jìn)行營養(yǎng)運(yùn)輸?shù)亩畏峙洌ㄔ?庫-流理論）的時(shí)期，灌漿效率及淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)的組成均對水稻粒重產(chǎn)生明顯影響。迄今為止，幾乎大部分的主效粒重相關(guān)QTLs 已經(jīng)被報(bào)道，多個(gè)綜述也從不同角度總結(jié)這些基因及其作用［8-9］。除了上述因素外，穎殼的發(fā)育對水稻粒型的長度和寬度也有重要影響。水稻灌漿過程和胚乳發(fā)育過程影響光合產(chǎn)物及其積累。表1 為近年來克隆鑒定的影響水稻粒寬、粒長、粒厚及灌漿速率的QTL 和功能基因。

表1 水稻部分粒重相關(guān)基因和QTLsTable 1 Partially grain weight related genes and QTLs

2 不同信號調(diào)控途徑的水稻粒重相關(guān)基因

過去20 年的研究揭示了水稻粒重受到多種信號途徑調(diào)控，包括泛素化修飾途徑、植物激素信號途徑、G 蛋白信號途徑、光合產(chǎn)物積累運(yùn)輸相關(guān)途徑、胚乳發(fā)育途徑、表觀修飾途徑及小微RNA 途徑等［27］。本文對上述途徑的水稻粒重相關(guān)基因進(jìn)行總結(jié)與梳理。

2.1 泛素化調(diào)控途徑

泛素介導(dǎo)的蛋白酶體降解途徑是細(xì)胞體內(nèi)代謝和蛋白動態(tài)變化的主要途徑。泛素化調(diào)控途徑包括3 種泛素酶的協(xié)同作用：由泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2 和泛素連接酶E3 特異性識別靶蛋白并且標(biāo)記泛素，進(jìn)而受到蛋白酶體識別降解［28］。Grain Width 2（GW2）是粳稻主效調(diào)控粒寬的QTL,編碼一個(gè)細(xì)胞核定位RING-type 的E3泛素連接酶。失活的GW2等位基因能增大細(xì)胞面積，過表達(dá)GW2造成粒型減少，表明GW2是一個(gè)水稻粒寬的負(fù)調(diào)控因子。GW2 能與幾丁質(zhì)酶（CHT14）和磷酸甘油酸酯激酶（PGK）相互作用，并通過改變這兩個(gè)蛋白的活性和穩(wěn)定性影響水稻種子碳代謝途徑［18］。另外，水稻去泛素化酶15（OsUBP15）能夠與水稻的泛素受體（OsDA1）相互作用，遺傳證據(jù)顯示OsUBP15 可能在功能上部分依賴GW2 通過泛素化和去泛素化的動態(tài)變化調(diào)控下游底物蛋白量的變化［19］。另一個(gè)去泛素化酶WIDE AND THICK GRAIN 1（WTG1，同OsOTUB1和GWC1）能夠正向調(diào)控穎殼細(xì)胞延伸和稻米品質(zhì)。Heading and Grain Weight（HGW）編碼一個(gè)能夠與多種水稻種子發(fā)育和開花期相關(guān)蛋白共表達(dá)的新的核質(zhì)共定位多聚泛素結(jié)合酶（UBA）［20］。擬南芥中發(fā)現(xiàn)將泛素連接酶E3 和UBA 突變后明顯影響種子護(hù)穎及表皮的發(fā)育，表明這條泛素介導(dǎo)的蛋白酶體降解途徑在植物種子發(fā)育過程非常保守。

2.2 植物激素調(diào)控途徑

植物激素參與了多種植物生長發(fā)育過程。到目前為止，幾乎所有的植物激素（生長素、乙烯、赤霉素、細(xì)胞分裂素、油菜素內(nèi)酯和茉莉酸等）均能調(diào)控水稻粒重，這些激素可能通過協(xié)同作用或拮抗作用調(diào)控水稻粒重。多種激素途徑相關(guān)基因能夠改變并產(chǎn)生多種水稻表型。

2.2.1生長素 作為第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的植物激素，生長素（Auxin）的作用是促進(jìn)細(xì)胞分化與分裂。生長素在包括種子生長、胚胎發(fā)育及配子體形成等植物多個(gè)發(fā)育階段發(fā)揮重要作用。生長素極性運(yùn)輸（PAT）和生長素信號傳導(dǎo)同樣影響籽粒發(fā)育成熟過程［29］。Tillering and Small Grain 1（TSG1）是FISH BONE（FIB）基因的等位基因，編碼一個(gè)色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶［30］。tsg1突變體對外源吲哚乙酸敏感，在水稻的4 個(gè)色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶同源基因中，TSG1對生長素合成起主要作用。2018 年3 個(gè)課題組同時(shí)在Molecular Plant發(fā)表qTGW3/GL3.3/TGW3作為水稻新的粒重QTL 負(fù)調(diào)控粒型的研究成果［11,14-15］。這個(gè)QTL 位點(diǎn)編碼一個(gè)糖原合成酶激酶3，能夠分別與生長素響應(yīng)因子OsARF4 和水稻主效粒型QTLGS3發(fā)生相互作用。OsARF多個(gè)基因參與水稻粒型調(diào)控作用。另一個(gè)水稻粒重的微效QTLGSA1編碼一個(gè)UDP-葡萄糖轉(zhuǎn)移酶，通過影響類黃酮介導(dǎo)的生長素含量變化及相關(guān)基因表達(dá)量形成抗逆和產(chǎn)量的動態(tài)平衡關(guān)系［31］。除了上文提到的OsARF4影響水稻粒型外，Qiao 等揭示一條全新的miR167a-OsARF6-OsAUX3調(diào)控水稻粒長和粒重的分子調(diào)控模塊［32］；OsARF25的T-DNA 插入突變體表現(xiàn)出粒型變短的表型；稀穗基因Gnp4/LAX2能與OsIAA3互作干擾OsIAA3-OsARF25 調(diào)控模塊，進(jìn)而影響下游OsERF142/SMOS1（Small Organ Size 1）基因表達(dá)［13］。OsARF11正調(diào)控水稻粒型及植物發(fā)育過程［33］。SMOS1和SMOS2分別編碼一個(gè)生長素調(diào)控的APETALA2 轉(zhuǎn)錄因子和與赤霉素相關(guān)的GRAS 轉(zhuǎn)錄因子〔與DWARF AND LOW-TILLERING（DLT）基因相同〕。這其中是否存在更廣義的互作及調(diào)控機(jī)制，有待進(jìn)一步研究。

2.2.2乙烯 作為唯一的氣體植物激素，乙烯（Ethylene）在促進(jìn)葉片衰老、水果成熟、種子休眠及種子的三重反應(yīng)中發(fā)揮重要作用［34］。以“貓胡子”（MHZs）表型的乙烯相關(guān)的突變體揭示乙烯調(diào)控水稻發(fā)育過程的重要調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。MHZ3編碼一個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）定位蛋白。其蛋白N 端C端能夠與OsEIN2發(fā)生相互作用。過表達(dá)MHZ3可顯著增加OsEIN2 的數(shù)量和水稻種子大小［35］。EIN3 水稻同源基因OsEIL/MHZ6也通過實(shí)驗(yàn)證明與水稻種子大小呈正相關(guān)［36］。過量表達(dá)乙烯受體ETR2導(dǎo)致水稻粒重減少，類似結(jié)果在百脈根（Medicago sativaL.）也得到驗(yàn)證［37］。這些結(jié)果表明水稻粒型與乙烯信號傳導(dǎo)呈正相關(guān)關(guān)系。與其相關(guān)的一個(gè)水稻基因OsSPMS1編碼一個(gè)熱精胺合成酶，通過負(fù)調(diào)控乙烯前體1-氨基環(huán)丙烷羧酸（ACC）含量調(diào)控水稻粒型［38］。Ahmadizadeh等總結(jié)和預(yù)測了擬南芥和水稻乙烯合成途徑具有功能的編碼基因，并且這些基因的啟動子區(qū)順式元件與光反應(yīng)、缺水、細(xì)胞周期及水楊酸誘導(dǎo)相關(guān)。可以預(yù)期未來會有更多的乙烯相關(guān)基因與水稻粒重的調(diào)控關(guān)系被揭示［39］。

2.2.3赤霉素 赤霉素（Gibberellins，GAs）由一系列具有共同結(jié)構(gòu)的植物激素家族組成，對種子萌發(fā)、株高增加、葉形態(tài)建成、開花誘導(dǎo)等有重要促進(jìn)作用［40］。Grain Number per Panicle 1（GNP1）編碼GA 20 氧化酶1（OsGAox1），參與水稻品種特青的穗粒數(shù)和產(chǎn)量的調(diào)控［41］。值得注意的是，其同源基因OsGAox2正是“第一次綠色革命”廣泛應(yīng)用的sd1基因［2］。Small and dwarf 2（sgd2）突變體表現(xiàn)出植株株高變矮及粒型減少等表型，通過正向定位發(fā)現(xiàn)該基因編碼一個(gè)亮氨酸拉鏈Ⅱ（HD-Zip）家族轉(zhuǎn)錄因子，其通過轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控多個(gè)GA合成相關(guān)基因的表達(dá)量，從而影響水稻粒型［42］。GAST 家族基因編碼具有一個(gè)保守的富半胱氨酸多肽，其表達(dá)量受到GA的誘導(dǎo)［43］，迄今為止，3 個(gè)GAST 家族基因都被報(bào)道與水稻粒型相關(guān)，包括OsGASR9、GW6和OsGASR1［21,44-45］。這些結(jié)果表明，GAST 家族基因在調(diào)控GA 通路和水稻穗部發(fā)育功能方面高度保守和一致。細(xì)葉基因Narrow Leaf 2和Narrow Leaf 3編碼WUSCHEL 同源盒3A（WOX3A）轉(zhuǎn)錄因子，能夠特異性負(fù)調(diào)控GA 合成和GA 前體代謝物的動態(tài)平衡。過表達(dá)OsWOX3A基因能夠模擬GA 缺陷表型，包括株高變矮、葉片變細(xì)、穗粒數(shù)減少及粒型變?。?6］。綜上，GA 信號調(diào)控途徑能夠顯著影響水稻粒重相關(guān)表型。

2.2.4細(xì)胞分裂素 植物激素細(xì)胞分裂素（Cytokinin，CK）能夠促進(jìn)細(xì)胞分裂和細(xì)胞分化，主要在植物根部、莖部、頂端優(yōu)勢、細(xì)胞衰老、果實(shí)成熟、生物和非生物脅迫等生長發(fā)育過程發(fā)揮重要作用。在CK 合成過程中，異戊二酰轉(zhuǎn)移酶（IPT）是重要的合成限速步驟，而細(xì)胞分裂素氧化酶（CKXs）調(diào)控CK 降解。外源施加CK能夠抑制CKXs 表達(dá)，增加種子大?。?7］。林鴻宣課題組報(bào)道一個(gè)水稻的鹽旱耐受突變體dst能夠增加水稻非生物脅迫抗性同時(shí)影響葉片寬度和水稻粒型。作為一個(gè)鋅指轉(zhuǎn)錄因子，DST 能夠結(jié)合H2O2代謝相關(guān)基因啟動子區(qū)調(diào)控水稻對于非生物脅迫響應(yīng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DST 能夠結(jié)合OsCKX2啟動子調(diào)控OsCKX2在穗部表達(dá)。Glo 等發(fā)現(xiàn)MAPK6 能夠直接結(jié)合DST 并且對其磷酸化以激活OsCKX2的表達(dá)［48］。水稻中過表達(dá)IPT基因能夠增加水稻產(chǎn)量［49］。OsSGL編碼一個(gè)未知功能結(jié)構(gòu)域（DUF1645）蛋白正向調(diào)控CK 信號途徑和水稻非生物脅迫。除此之外，對嘌呤滲透酶家族（OsPUPs）的研究表明其可以調(diào)控CK運(yùn)輸和改變種子大小和重量。OsPUP4（BG3）直接對遠(yuǎn)距離CK 運(yùn)輸和本地分布產(chǎn)生影響［50］。以上結(jié)果表明，CK 參與水稻的非生物脅迫響應(yīng)和幼穗發(fā)育過程。

2.2.5油菜素內(nèi)酯 早在1979 年，科學(xué)家就從油菜分離出一類與人類類固醇結(jié)構(gòu)相近的化合物并且命名為油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroids，BRs）［51］。BR 能夠影響種子萌發(fā)、氣孔形成、維管束分化、花粉育性及衰老等重要生理生化過程，特別是對株高、葉傾角、粒型及分蘗數(shù)等重要農(nóng)藝性狀產(chǎn)生顯著影響。BR 合成途徑或者信號傳導(dǎo)缺陷突變體，包括D11，OsBR6ox/BRD1，D2，BRD2等，均表現(xiàn)出株高變矮、穗長變短、葉片顏色變深、水稻粒型變小等表型［52］。突變體Slender grain Dominant（slg-D）表現(xiàn)出BR 過量表型，包括植株松散、較大的葉傾角和更長水稻粒長［53］。GW5與一個(gè)糖原合成酶激酶2（GSK2）相互作用，通過對BR 信號傳導(dǎo)通路BZR1 和DLT 磷酸化調(diào)控BR 介導(dǎo)的水稻粒型建成［22］。值得注意的是，GW5及其同源基因能夠與BR 信號通路關(guān)鍵成分GSK2 和BIN2 互作導(dǎo)致DLT 和OsBZR1 的磷酸化程度降低［54］。一個(gè)含有OVATE 結(jié)構(gòu)的家族蛋白成員（OFPs）被證明受到GSK2 的磷酸化過程參與BR 信號途徑介導(dǎo)的水稻粒型調(diào)控。包括OFP1、OFP3、OFP8 及OFP14 等［55］。Yu 等在對水稻OFP 家族蛋白表達(dá)模式和亞細(xì)胞定位分析發(fā)現(xiàn)OFP15 也是具有BR信號誘導(dǎo)表達(dá)的特征，可能也參與BR 信號調(diào)控水稻株型和粒型性狀［56］。

除了上述一直報(bào)道的BR 信號成員調(diào)控水稻粒型外，仍有許多新的未知的分子機(jī)制參與BR信號介導(dǎo)的水稻粒型調(diào)控。G-蛋白α 亞基D1/RGA1對BR 處理呈正相關(guān)，其功能失活突變體d1表現(xiàn)出株高變矮及小粒［57］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)D1/RGA1能夠與一個(gè)U-BOX 結(jié)構(gòu)域的E3 泛素連接酶（TUD1）發(fā)生相互作用，d1tud1-5雙突變體表現(xiàn)出節(jié)間縮短、葉傾角減少、粒型變小等表型［58］。另一個(gè)大的轉(zhuǎn)錄因子家族GATA 包括鋅指結(jié)構(gòu)域和DNA 結(jié)合區(qū)域，對OsGATA7進(jìn)行RNAi和基因敲除發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因水稻對BR 處理不敏感，而過量表達(dá)則表現(xiàn)出相反表型［59］。除了上述這些基因外，絲裂原活化蛋白激酶（MAPKs）與BR 信號通路有很強(qiáng)的交互作用。SMALL GRAIN 1（SMG1）編碼水稻OsMKK4基因，其突變體smg1表現(xiàn)出與D61/OsBRI1，OsBZR1，OsGSK2和DLT缺陷突變體類似的BR缺乏表型［60］。Dwarf and Small Grain 1（DSG1）編碼OsMAPK6，其作為OsMKK4 下游靶基因共同調(diào)控水稻粒型。MAPK 上游OsMKKK10 結(jié)合并且磷酸化OsMKK4 調(diào)控水稻粒型大小。其功能失活突變體osmkkk10突變體表現(xiàn)出更小的水稻粒型和粒重。組成性過表達(dá)（CA-OsMKKK10）表現(xiàn)出穗型和粒型增大。GRAIN SIZE AND NUMBER 1（GSN1）能夠?qū)APK6 進(jìn)行去磷酸化修飾，參與GSN1-MAPK 分子調(diào)控模塊［61］。在MAPK調(diào)控途徑最上游，類受體激酶（RLK）OsER1 能夠?qū)sMPKKK10 進(jìn)行磷酸化，通過MAPK 信號調(diào)控途徑影響DST［48］。除此之外，小G 蛋白OsRac1 也可以與OsMAPK6 相互作用正向調(diào)控水稻粒型［62］。作為主要的調(diào)控水稻粒長QTL，qGL3/GL3.1編碼一個(gè)Kelch 重復(fù)絲/蘇氨酸蛋白磷酸激酶OsPPKL1，其底物包括細(xì)胞周期蛋白Cyclin-T1;3 和GSK3［12］。綜上所述，BR 信號途徑、MAPK 信號途徑通過磷酸化修飾精確調(diào)控水稻粒型和穗型動態(tài)平衡。

2.3 G 蛋白調(diào)控途徑

異源三聚體G 蛋白（G-proteins）在植物和動物信號傳導(dǎo)通路差異較大，由Gα、Gβ 和Gγ組成，水稻中調(diào)控多種激素、干旱、抗病、側(cè)根形成等發(fā)育過程［63］。水稻中G 蛋白均已報(bào)道與穗部發(fā)育、粒型、灌漿速率及每穗粒數(shù)等直接相關(guān)。上文提到Gα（RGA1）蛋白通過調(diào)控BR 信號途徑影響水稻粒型。Gβ（RGB1）正調(diào)控水稻粒型和株型［64］。Gγ 則包括RGG1、RGG2、GS3、GGC2 及DEP1［65］。然而，雖然DEP1 蛋白結(jié)構(gòu)上類似GS3，但是DEP1 的表型卻與GS3 相反，DEP1是正調(diào)控水稻粒型基因［66］。G-蛋白下游靶基因包括編碼OsMADS1基因等的轉(zhuǎn)錄活性影響水稻粒型和胚乳淀粉含量［67］。綜上所述，G蛋白信號途徑對水稻粒型影響起重要調(diào)控作用。

2.4 光合作用及胚乳發(fā)育調(diào)控途徑

穎殼大小及灌漿程度是影響水稻粒重和品質(zhì)的重要因素。對于水稻粒型的有關(guān)綜述已多次指出調(diào)控穎殼細(xì)胞伸長和分裂和胚乳發(fā)育相關(guān)基因?qū)λ玖Ｖ氐挠绊懀?8］。QUASIMODO2（OsQUA2）編碼一個(gè)果膠甲基轉(zhuǎn)移酶，對胚乳細(xì)胞壁乳糖醛酸的甲基酯化有重要作用，支持了光合產(chǎn)物遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)摹霸?庫”理論［69］。液泡轉(zhuǎn)換酶OsINV2 和OsINV3 正向調(diào)控水稻淀粉組成和糖代謝過程，特別是OsINV3 對水稻粒型正向調(diào)控［70］。OsSWEET4編碼一個(gè)糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白促進(jìn)六碳糖從韌皮部向胚乳細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)影響水稻粒重［26］。另外一個(gè)膜蛋白GRAIN-FILLING RATE 1（GFR1），通過與Rubisco 小亞基相互作用調(diào)控水稻種子灌漿速率［25］。

胚乳顆粒的形成是一個(gè)復(fù)雜過程，胚乳主要由兩種多聚物組成，直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例影響稻米品質(zhì)。多年來，大量稻米品質(zhì)相關(guān)突變體如f loury endosperm（FLOs）已經(jīng)被揭示與胚乳正常形成、水稻粒重密切相關(guān)。包括FLO2、FLO7、FLO10、FLO11-2、FLO13及FLO19等，他們編碼不同的基因在不同調(diào)控途徑發(fā)揮作用，影響胚乳及正常灌漿［27］。此外，水稻細(xì)胞核Y家族對于水稻灌漿期調(diào)控非常重要。如OsNFYB1的RNAi轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出堊白率增加，通過結(jié)合GCC 盒ERF 轉(zhuǎn)錄因子和OsYUC11等調(diào)控水稻灌漿期表型［10,71-72］；OsNF-YB1、OsNFYC12 和OsbHLH144 三者形成復(fù)合體通過減少OsYNF-YB1 被26S 蛋白酶體降解的數(shù)量維持OsNF-YB1 的穩(wěn)定性，OsNF-YC12 也可以通過結(jié)合FLO6和OsGS1;3啟動子區(qū)調(diào)控稻米品質(zhì)［27］。除了上述這些基因外，OsNF-YC10、OsNF-YB9、OsNF-YC2、及OsNF-YC4參與水稻穗形態(tài)建成和粒型發(fā)育調(diào)控［73-75］。上述這些結(jié)果表明，細(xì)胞核Y 家族蛋白調(diào)控水稻粒型和品質(zhì)。

2.5 表觀修飾調(diào)控途徑

表觀修飾主要指不改變DNA 序列的可遺傳表型變化［76］。對組蛋白的包括H3 和H4 的甲基化、乙?；揎椩谒镜墓δ苎芯孔顬橥笍?。作為第一個(gè)參與表觀修飾調(diào)控的水稻粒型QTL，GW6a編碼一個(gè)含有GNAT 結(jié)構(gòu)域組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶Osg1HAT1，過表達(dá)GW6a 能增加穎殼細(xì)胞數(shù)量、籽粒灌漿速率、籽粒大小及千粒重；此外，Osg1HAT1 也促進(jìn)參與組蛋白H4 乙?；揎棧?3］。通過酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)篩選，水稻DA1 的同源蛋白HDR3 能夠與GW6a 發(fā)生相互作用。HDR3 是一個(gè)能夠正向調(diào)控水稻籽粒大小的具有泛素結(jié)合活性的泛素受體蛋白，有趣的是，HDR3 是通過增強(qiáng)GW6a 泛素化水平來延緩而不是促進(jìn)GW6a 依賴26S 蛋白酶體的降解，從而提高GW6a 蛋白數(shù)量和酶活增強(qiáng)后者對下游靶基因的表達(dá)調(diào)控［77］。SDG725編碼一個(gè)H3K36 甲基轉(zhuǎn)移酶，其功能缺失突變體展現(xiàn)出類似BR 缺陷表型，包括植株矮化、葉傾角減少基小圓粒表型［78］。另一類PcG多梳蛋白也被驗(yàn)證通過H3 甲基化調(diào)控影響胚乳發(fā)育狀態(tài)。兩個(gè)同源基因OsFIE1 和OsFIE2 對水稻粒寬、稻米品質(zhì)等產(chǎn)生多種影響，特別是OsFIE2 能夠通過影響OsMADS6的H3K27me3 甲基化程度影響水稻花器官發(fā)育過程［24,79］。這些基因表明各類表觀修過調(diào)控與水稻粒重有密切的調(diào)控關(guān)系。

2.6 microRNA 調(diào)控途徑

microRNAs（miRNAs）是一類存在植物體內(nèi)非編碼RNA。經(jīng)過多種miRNA 加工酶加工后，其最終產(chǎn)物能夠靶向結(jié)合某些特定基因序列調(diào)控他們的翻譯起始或者促進(jìn)這些基因降解。miRNA參與許多植物生長發(fā)育過程調(diào)控，包括生物脅迫及非生物脅迫反應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性及衰老等［80］。OsSPL14（IPA1）編碼一個(gè)SPL 家族轉(zhuǎn)錄因子，是重要的調(diào)控水稻莖稈和粒型的QTL。其受到水稻miR156調(diào)控［81-82］。OsSPL14基因通過結(jié)合水稻株型基因OsTB1和OsDEP1啟動子區(qū)分別調(diào)控植物的株型和穗型。過表達(dá)miR156能顯著減少OsSPL14的表達(dá)量而表現(xiàn)出矮化、莖桿變細(xì)及分蘗變少等表型。另外一個(gè)SHORT INTERNODES 1（OsSHI1）編碼一個(gè)含有IGGH 結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子也可以與IPA1 結(jié)合，相互拮抗調(diào)控水稻株型［83］。上述這些基因構(gòu)建了以IPA1為中心的水稻株型和粒型的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。SPL 家族的另外一個(gè)成員OsSPL16編碼一個(gè)正向調(diào)控水稻粒寬的QTL，同樣受到miR156的調(diào)控，同時(shí)其作為轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控結(jié)合GL7/GW7 啟動子區(qū)促進(jìn)穎殼細(xì)胞伸長［16,84-85］。OsSPL13是第一個(gè)通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）找到的調(diào)控水稻粒重和產(chǎn)量的QTL［86］。其3’-UTR 同樣包含一個(gè)miR156的結(jié)合區(qū)域。此外，OsSPL13結(jié)合在Small and Round Seed 5（SRS5）基因的啟動子區(qū)調(diào)控穎殼細(xì)胞大小。上述結(jié)果構(gòu)建miR156-OsSPL13/GLW7-SRS5水稻粒型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)［17］。OsSPL18可以結(jié)合在OsDEP1啟動子區(qū)，也受到OsmiR156k的靶向降解，表明一個(gè)新的OsmiR156k-OsSPL18-OsDEP1的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)參與水稻粒型建成［87］。OsSPL9 通過直接激活RCN1調(diào)控水稻早期穗粒數(shù)原基發(fā)生［88］。Jiang 等對水稻的SPL 家族蛋白進(jìn)行總結(jié)和分類，也揭示了另外8個(gè)SPL家族蛋白存在穗部表型［89］。

除了miR156調(diào)控水稻粒型穗型外，其他miRNA 也參與了水稻粒型調(diào)控過程。OsmiR535是OsSPL7/12/16的靶向miRNA，下游對OsPIN1B、OsDEP1、OsLOG及OsSLR1的表達(dá)量調(diào)控［90］。OsmiR397調(diào)控OsLAC基因影響穗部的粒長、粒寬和千粒重［91］。OsmiR396通過影響Growth Regulating Factor（GRF）轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)調(diào)控水稻穗粒數(shù)和粒型關(guān)系，建立了OsmiR396-GRF-GIF調(diào)控網(wǎng)絡(luò)［92］。Zhao 等通過應(yīng)用Short Tandem Target Mimic（STTM）方法阻斷OsmiR159與靶基因的相互作用，發(fā)現(xiàn)多個(gè)MYB 結(jié)構(gòu)域基因，如OsGAMYB 和OsGAMYBL1，表達(dá)量明顯上調(diào)，進(jìn)而對水稻株高、葉長和粒型進(jìn)行調(diào)控［93］。OsmiR530分別靶向OsPIL15和OsPL3正調(diào)控水稻粒型［94］。上述結(jié)果說明，miRNA 通過靶向與水稻粒重相關(guān)基因來影響水稻粒型。

3 結(jié)語與展望

水稻粒型發(fā)育及調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜過程，除了受到許多基因參與調(diào)控，環(huán)境因素包括營養(yǎng)、田間管理、種植區(qū)域等也有顯著影響。本文綜述總結(jié)了水稻粒重相關(guān)的表觀調(diào)控途徑、轉(zhuǎn)錄水平、蛋白質(zhì)互作等分子調(diào)控過程，與光合作用、蔗糖運(yùn)輸?shù)却x過程及細(xì)胞分裂與分化細(xì)胞學(xué)層面調(diào)控過程。這些基因相互作用，有的形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用，有的仍然不清楚其具體功能。目前多個(gè)證據(jù)表明，水稻不同性狀之間存在微妙的動態(tài)平衡［31,48,61］。本文從泛素化途徑、G-蛋白偶聯(lián)途徑、激素調(diào)控途徑、光合作用調(diào)控途徑、表觀調(diào)控途徑和micro-RNA 調(diào)控途徑列舉和整理與水稻粒重相關(guān)的重要QTL 和功能基因。由于合子（胚和胚乳）決定種子大小，在作物馴化過程受到強(qiáng)烈人工選擇以優(yōu)化種子大小與品種有益等位基因組合。不同物種在進(jìn)化過程可能存在相似的調(diào)控機(jī)制［9］。比如擬南芥的DA1基因調(diào)控種子大小，在水稻中也有相似機(jī)制［19］；擬南芥MAPK 信號途徑調(diào)控植物廣譜抗病性分子機(jī)制，然而在水稻中主要在調(diào)控水稻粒型和穗粒數(shù)平衡［61］。此外，對于多基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究也大大加深我們對于水稻粒重這一復(fù)雜性狀的分子機(jī)理了解。如OsmiR156k-OsSPL18-OsDEP1、OsmiR396-GRFGIF調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等［87,92］。這些信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響和調(diào)控關(guān)系需要在未來投入更多的研究，包括多組學(xué)聯(lián)合分析等以便能更加全面構(gòu)筑水稻粒重調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為未來實(shí)現(xiàn)真正意義上分子模塊設(shè)計(jì)育種打下堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。

基因編輯技術(shù)經(jīng)過過去十多年的蓬勃發(fā)展，目前已經(jīng)開發(fā)出TALEN 系統(tǒng)、Cas9 系統(tǒng)、Cas12系統(tǒng)以及單堿基編輯器ABE 等［95］。值得注意的是，目前利用啟動子編輯微調(diào)基因表達(dá)產(chǎn)生多種不同性狀已有課題組出現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。早在2017 年，美國冷泉港Zachary B.Lippman 課題組就提出利用多個(gè)不同基因家族成員的自然或者人工改良等位基因進(jìn)行花序的改良，達(dá)到從野生番茄向人工番茄快速馴化的目的［96］。揚(yáng)州大學(xué)劉巧泉課題組和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉耀光課題組分別利用CRISPRCas9技術(shù)對稻米品質(zhì)基因Waxy基因進(jìn)行啟動子、5’-UTR 及內(nèi)含子區(qū)進(jìn)行基因編輯，獲得不同的新等位Waxy基因，改良水稻稻米品質(zhì)［97-98］。最近，李錢鋒課題組等對水稻Glucan,Water-Dikinase 1（GWD1）基因進(jìn)行啟動子編輯獲得其弱突變的遺傳改良材料，能夠?qū)崿F(xiàn)在不改變水稻主要農(nóng)藝性狀的同時(shí)對水稻稻米透明度和種子萌發(fā)狀態(tài)的改良［99］。除了水稻稻米品質(zhì)改良，對水稻細(xì)菌性條紋病抗病基因Xa13啟動子編輯獲得提高水稻細(xì)條病抗性但是并沒有降低花粉的育種改良材料在以后水稻高產(chǎn)抗病育種過程的應(yīng)用也是一個(gè)很好的例子［100］。這些都預(yù)示著對水稻粒重相關(guān)基因的啟動子編輯具有重要的生物學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐意義。

隨著水稻基因組變異組學(xué)的發(fā)展，更多的不同水稻品種材料在單堿基SNP 差異、序列變異（SV）差異為水稻育種和分子設(shè)計(jì)育種聚合不同優(yōu)良性狀改良提供新的思路［101］。這些在不同品種的水稻序列變異不僅挖掘更多新的有效等位基因，在育種生產(chǎn)上應(yīng)用；另外也可能解決過去QTL 定位出現(xiàn)的問題，新的變異可能隱藏著的新的功能性基因在水稻“四性”的作用值得重視。除了經(jīng)典遺傳學(xué)在水稻育種方面的應(yīng)用，發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)村5G 建設(shè)也是推動我國農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，鄉(xiāng)村振興的重要舉措。目前，華南地區(qū)以廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和地市政府聯(lián)手打造的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合基地，農(nóng)村產(chǎn)業(yè)園、大田規(guī)?；N植基地、設(shè)施園藝標(biāo)準(zhǔn)示范基地等也在逐步建設(shè)，這將引領(lǐng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化在2025 年、2035 年不同時(shí)間取得階段性進(jìn)展。與之相配套的技術(shù)也在不斷開發(fā)。比如，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所最近利用6 種矮稈品種結(jié)合定制光譜LED 光源為水稻不同生育期提供最佳光環(huán)境同時(shí)精確調(diào)控各種環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)對大田環(huán)境120 d 生育期水稻壓縮至60 d，并且實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于單產(chǎn)652 kg/667m2巨大應(yīng)用潛力。2007 年研發(fā)出水稻“三控”施肥技術(shù)，該技術(shù)是以控肥、控苗、控病蟲為主要內(nèi)容的高效施肥及配套技術(shù)體系，與傳統(tǒng)施肥方法相比，一般減少氮肥20%，水稻增產(chǎn)10%左右，氮肥利用率提高10%以上，有效分蘗增多，無效分蘗減少，病蟲害和倒伏大幅減輕，多年來的成功應(yīng)用使得該技術(shù)已成為廣東省和農(nóng)業(yè)部主推技術(shù)［102-103］。除此之外，利用農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航作業(yè)與無人旋耕機(jī)、播種機(jī)、插秧機(jī)、噴霧機(jī)和收獲機(jī)的有機(jī)結(jié)合，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文院士打造的“無人農(nóng)場”是國家“智慧農(nóng)業(yè)”示范的典型例子，爭取“無人農(nóng)場”5 年后進(jìn)入推廣階段、10 年后加快推廣速度，完成技術(shù)轉(zhuǎn)化。這些技術(shù)的配套實(shí)施將極大有助于我們國家水稻生物育種、打造智慧農(nóng)業(yè)，打贏種業(yè)翻身仗。