水稻直播相關(guān)性狀遺傳分析及分子機(jī)制研究進(jìn)展

馬雅美，張少紅，趙均良

（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）

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一。水稻產(chǎn)業(yè)的高效、可持續(xù)發(fā)展是關(guān)乎國(guó)家糧食安全和國(guó)家穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)水稻種植一般采用育苗移栽的栽培方式。移栽可為水稻生長(zhǎng)提供適宜扎根成活的土壤條件，且能較好地控制雜草。全球77%的水稻生產(chǎn)采用育苗移栽的栽培方式，而我國(guó)甚至高達(dá)95%［1-2］。育苗移栽的栽培方式為水稻產(chǎn)量的提高做出了重要貢獻(xiàn)。但隨著時(shí)代變遷和環(huán)境影響，水稻育苗移栽在生產(chǎn)中面臨越來(lái)越嚴(yán)重的問(wèn)題。首先是勞動(dòng)力問(wèn)題，隨著我國(guó)社會(huì)轉(zhuǎn)型和農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，需要投入大量勞動(dòng)力的育苗和移栽方式明顯不適應(yīng)目前社會(huì)發(fā)展的要求。其次是水資源問(wèn)題，采用育苗移栽的栽培方式，水稻整個(gè)生育期都需要灌溉大量的水，造成水資源浪費(fèi)。再次是水稻生產(chǎn)過(guò)程中的溫室氣體排放問(wèn)題。移栽的耕作方式使水稻在大部分生長(zhǎng)階段都浸在水中，缺氧環(huán)境導(dǎo)致大量溫室氣體排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水稻水田排放了超過(guò)全球11%的甲烷氣體［3］。

鑒于上述問(wèn)題，直播耕作模式逐漸受到重視。直播是指水稻不經(jīng)過(guò)育苗階段，直接通過(guò)人工或機(jī)械方式在田間播種的栽培方式。水稻直播早期在美國(guó)、歐洲等農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較高的國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用廣泛，近年來(lái)開(kāi)始在亞洲國(guó)家大面積推廣，部分國(guó)家直播稻面積已超過(guò)50%。我國(guó)水稻直播發(fā)展也比較快，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，水稻直播面積安徽已達(dá)57 萬(wàn)hm2，湖北、江西、江蘇均超過(guò)40萬(wàn)hm2，廣東也突破10 萬(wàn)hm2。目前水稻直播主要有旱直播、濕直播和水直播3 種模式。旱直播是把干種子直接撒播到干土壤中的直播方式；濕直播是把剛萌動(dòng)的水稻種子播種到濕潤(rùn)土壤中的直播方式；水直播是把經(jīng)過(guò)催芽的水稻種子播種在淹水田塊的直播方式。直播的栽培方式在節(jié)約水資源、節(jié)省勞動(dòng)力成本、增加農(nóng)民收入、提高水稻種植機(jī)械化水平等方面均具有顯著作用［4］。相對(duì)于育苗移栽，直播栽培方式最多可以減少水稻生產(chǎn)過(guò)程中30%的勞動(dòng)力成本，可見(jiàn)，直播是未來(lái)極具價(jià)值的水稻栽培模式。但目前水稻直播應(yīng)用和推廣仍然面臨很大的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。其中最主要的挑戰(zhàn)是具備適宜直播栽培性狀的水稻品種不多，適應(yīng)直播的性狀主要集中在種子發(fā)芽、出苗、營(yíng)養(yǎng)吸收等早期生長(zhǎng)過(guò)程。然而，由于近現(xiàn)代水稻品種選育一直圍繞移栽栽培方式開(kāi)展，造成早期苗活力、厭氧發(fā)芽等大量適應(yīng)直播的性狀相關(guān)優(yōu)異功能基因丟失，導(dǎo)致目前大部分現(xiàn)代品種并不適應(yīng)直播的栽培方式［5］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前大部分高產(chǎn)水稻品種應(yīng)用于直播時(shí)會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量下降20%～50%［6］。

水稻產(chǎn)量與栽培措施、土壤類型、氣候環(huán)境等因素密切相關(guān)，其中雜草、環(huán)境脅迫、水分管理等因素對(duì)直播稻產(chǎn)量影響最大，雜草管理對(duì)直播稻產(chǎn)量影響超過(guò)30%，是限制直播稻產(chǎn)量最重要的因素［7］。出苗不均勻、成苗率低是直播稻另一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。成苗率問(wèn)題在旱直播中尤為嚴(yán)重，主要由于種子發(fā)芽率低，以及早期生長(zhǎng)受限制等因素導(dǎo)致。提高水稻對(duì)直播栽培措施的適應(yīng)，同時(shí)優(yōu)化相關(guān)配套栽培措施，是推廣直播稻、保障直播稻產(chǎn)量最有效的方法。從品種選育角度來(lái)看，針對(duì)直播栽培所需的性狀，培育適應(yīng)直播的水稻品種，是突破目前直播稻推廣和應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。目前一般認(rèn)為，適宜直播的水稻品種應(yīng)具有發(fā)芽率高、苗活力和根活力強(qiáng)、較好的耐低溫和厭氧發(fā)芽率、抗倒伏等特點(diǎn)［8］。針對(duì)直播稻所需性狀進(jìn)行品種改良和選育最成功的例子在美國(guó)、斯里蘭卡和馬來(lái)西亞，這些國(guó)家超過(guò)90%的水稻栽培均采用直播的栽培方法［9］。然而上述適應(yīng)直播的優(yōu)異性狀基本上都是多基因控制的復(fù)雜性狀，目前對(duì)控制這些性狀的功能基因和分子機(jī)制研究較少，因此分子育種和遺傳改良難度極大。只有鑒定控制這些性狀的功能基因，剖析這些性狀形成和調(diào)控的分子機(jī)制，才能對(duì)這些性狀進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的改良，選育適應(yīng)直播的水稻品種。

本文圍繞水稻早期生長(zhǎng)活力、厭氧發(fā)芽生長(zhǎng)、低溫發(fā)芽、抗倒伏4 個(gè)直播稻關(guān)鍵性狀，系統(tǒng)梳理和總結(jié)了目前在遺傳分析、功能基因克隆和分子機(jī)制研究等方面的相關(guān)進(jìn)展，并對(duì)這些遺傳改良在直播中的應(yīng)用進(jìn)行展望，為水稻直播相關(guān)性狀的基礎(chǔ)理論研究和育種應(yīng)用研究提供參考。

1 水稻早期生長(zhǎng)活力研究

早期生長(zhǎng)活力是決定水稻直播成苗率和后期產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。較強(qiáng)的早期苗活力主要體現(xiàn)在種子發(fā)芽快、發(fā)芽整齊、幼苗和根系統(tǒng)生長(zhǎng)速度快等，具體指標(biāo)包括種子萌發(fā)率、苗生長(zhǎng)速度、根生長(zhǎng)活力、苗高、苗干重、葉面積等［10］。較好的早期生長(zhǎng)活力可以保證直播的出苗率，避免缺苗，同時(shí)保證水稻幼苗更好地與雜草競(jìng)爭(zhēng)，抑制雜草生長(zhǎng)，促進(jìn)幼苗盡快扎根，為早期生長(zhǎng)提供足夠營(yíng)養(yǎng)。

1.1 水稻早期苗活力相關(guān)功能基因及分子機(jī)制

隨著直播稻的推廣和需求逐漸增大，越來(lái)越多研究關(guān)注水稻早期活力的相關(guān)性狀。水稻基因庫(kù)中存在大量早期苗活力的優(yōu)異自然變異［11］，近年來(lái)相關(guān)的遺傳分析和功能基因克隆研究進(jìn)展較快。Chen 等［12］利用744 份國(guó)際稻種資源進(jìn)行水稻早期苗活力全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定到42個(gè)與水稻早期苗活力相關(guān)的QTL。OsGA20ox1是第一個(gè)鑒定到的與水稻早期苗活力相關(guān)的功能基因，該基因編碼GA20 氧化酶，該酶是催化赤霉素生物合成倒數(shù)第二步反應(yīng)的關(guān)鍵酶。分析該基因序列發(fā)現(xiàn)，其啟動(dòng)子區(qū)的變異控制了OsGA20ox1的表達(dá)量，導(dǎo)致水稻體內(nèi)GA 含量升高，從而提高苗活力［13］。OsIPMS1也是控制水稻早期苗活力的功能基因，能催化亮氨酸的生物合成，敲除OsIPMS1導(dǎo)致水稻幼苗氨基酸含量下降，早期苗活力明顯降低。進(jìn)一步研究表明，OsIPMS1通過(guò)提高種子萌發(fā)過(guò)程中游離氨基酸的生物合成，促進(jìn)赤霉素合成，增強(qiáng)種子萌發(fā)過(guò)程中三羧酸循環(huán)和糖酵解反應(yīng)，從而為種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)［14］。

中胚軸伸長(zhǎng)是早期苗活力的另一個(gè)重要指標(biāo)。發(fā)芽階段中胚軸快速伸長(zhǎng)有利于提高出苗速度和出苗整齊度。Zhao 等［15］利用621 個(gè)材料組成的水稻自然群體和全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定到兩個(gè)控制水稻中胚軸伸長(zhǎng)的功能基因（OsML1和OsML2）。OsPAO5是一個(gè)多胺氧化酶基因，也是一個(gè)控制水稻中胚軸伸長(zhǎng)的功能基因。研究發(fā)現(xiàn)，敲除OsPAO5基因后，水稻在早期苗期生長(zhǎng)階段中胚軸長(zhǎng)度明顯增加，出苗更整齊，還可以增加粒重、粒數(shù)等產(chǎn)量性狀。可見(jiàn)，OsPAO5是非常有潛力用于改良水稻直播性能的目標(biāo)基因［16］。

1.2 水稻早期根活力相關(guān)功能基因及分子機(jī)制

除了地上部分苗活力，早期根活力也是水稻適應(yīng)直播的另一個(gè)重要表型［17］。種子中的營(yíng)養(yǎng)元素只能短時(shí)間支持幼苗生長(zhǎng)，如種子中的氮和鐵可以支持幼苗生長(zhǎng)7～10 d，磷可以支持幼苗生長(zhǎng)10～14 d。因此較強(qiáng)的早期根生長(zhǎng)活力可以促進(jìn)幼苗更快扎根，為早期苗生長(zhǎng)盡快提供營(yíng)養(yǎng)，早期根活力常常與早期苗生長(zhǎng)性狀（如苗干重等）密切相關(guān)［18］。此外，較強(qiáng)的早期根活力也可以促進(jìn)植株在土壤中扎根，從而提高直播稻的抗倒伏能力［19］。

相對(duì)于其他地上部分的早期活力指標(biāo)，早期根活力的研究較少。目前主要以根的長(zhǎng)度或重量作為根活力的表型。Yang 等［20］則利用根掃描系統(tǒng)對(duì)早期根系統(tǒng)生長(zhǎng)的多個(gè)性狀進(jìn)行更全面的表型鑒定，通過(guò)綜合評(píng)估遺傳群體的早期根活力進(jìn)行QTL 定位。Wang 等［17］利用全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到一個(gè)大效應(yīng)的控制側(cè)根數(shù)的QTL，并通過(guò)基因敲除證明一個(gè)糖基水解酶基因（LOC_Os11g44950）是這個(gè)位點(diǎn)的功能基因，該基因可以響應(yīng)生長(zhǎng)素信號(hào)，其促進(jìn)水稻根生長(zhǎng)活力的機(jī)制可能是通過(guò)水解反應(yīng)使根細(xì)胞的細(xì)胞壁松弛，從而促進(jìn)側(cè)根生長(zhǎng)。Zhao 等［21］通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到一個(gè)糖基轉(zhuǎn)移酶OsIAGLU，通過(guò)調(diào)節(jié)多種植物激素控制主根生長(zhǎng)和側(cè)根數(shù)量。

2 水稻厭氧發(fā)芽生長(zhǎng)研究

水稻已進(jìn)化出耐淹機(jī)制和避淹機(jī)制以應(yīng)對(duì)低氧或缺氧脅迫［22］，成為唯一可以耐低氧環(huán)境發(fā)芽的作物。但一般的水稻現(xiàn)代品種耐低氧能力不強(qiáng)［23］，淹水成苗率低是直播稻需要解決的重要問(wèn)題之一。在旱直播和濕直播過(guò)程中，由于田塊不平整、暴雨、低洼積水或田塊排水困難等系列原因，會(huì)造成低氧或者缺氧環(huán)境，從而影響直播種子成苗。水直播方式則為了控制雜草和防止鳥(niǎo)食，直接把發(fā)芽種子浸沒(méi)在有水層的田塊中［24］。因此，提高水稻低氧脅迫耐受性，使其在低氧環(huán)境中快速萌發(fā)和生長(zhǎng)，對(duì)提高直播稻成苗率具有重要意義，同時(shí)也對(duì)后期苗活力、營(yíng)養(yǎng)利用乃至產(chǎn)量具有重要影響［25］。大量研究表明，水稻種質(zhì)資源中含有大量可以提高低氧脅迫下發(fā)芽和生長(zhǎng)的功能基因和優(yōu)異遺傳變異，克隆相關(guān)功能基因并剖析其調(diào)控分子機(jī)制，選育在低氧脅迫下具有高發(fā)芽率和快速生長(zhǎng)特性的水稻品種，對(duì)于水稻直播推廣和應(yīng)用具有重要意義。

2.1 水稻厭氧脅迫下的胚芽鞘快速伸長(zhǎng)

通過(guò)胚芽鞘快速生長(zhǎng)并伸出水面，是水稻發(fā)芽過(guò)程中獨(dú)特的應(yīng)對(duì)缺氧脅迫的一種策略。低氧脅迫可以促進(jìn)水稻胚芽鞘快速伸長(zhǎng)。由于胚芽鞘具有中空結(jié)構(gòu)，胚芽鞘快速生長(zhǎng)并伸出水面使氧氣可以通過(guò)胚芽鞘擴(kuò)散到胚乳，從而促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。通過(guò)水稻胚芽鞘伸長(zhǎng)機(jī)理的多年研究發(fā)現(xiàn)，胚芽鞘生長(zhǎng)與生長(zhǎng)素信號(hào)通路相關(guān)［26］。其中較為明確的機(jī)制是，在低氧環(huán)境下小分子RNA miR393 表達(dá)受到抑制，從而提高miR393 靶標(biāo)基因生長(zhǎng)素響應(yīng)因子（Auxin Response Factor）的表達(dá)，進(jìn)而激活生長(zhǎng)素信號(hào)，最終促進(jìn)胚芽鞘伸長(zhǎng)［27-28］。除了生長(zhǎng)素以外，乙烯和赤霉素也是對(duì)胚芽鞘生長(zhǎng)有重要影響的植物激素。Hattori等［29］以深水稻為研究對(duì)象，利用來(lái)源于粳稻T65 和深水稻C9285 的F2群體，鑒定得到3 個(gè)主效耐淹QTL，分別位于第1、3、12 號(hào)染色體上，并從第12 號(hào)染色體上克隆了2 個(gè)耐淹主效基因SK1（SNORKEL1）和SK2（SNORKEL2）。研究表明，SK1和SK2編碼乙烯響應(yīng)因子，淹水脅迫誘導(dǎo)SK1和SK2在深水稻莖基部（包括節(jié)和節(jié)間）、葉片、葉鞘等部位的表達(dá)。SK1和SK2可以正向調(diào)控赤霉素途徑，通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，進(jìn)而使植株盡早突破水面而獲得氧氣，最終使得水稻在淹水條件下存活。

2.2 水稻厭氧脅迫下的能量調(diào)節(jié)

能量缺乏是低氧脅迫對(duì)種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)最致命的影響。水稻在低氧脅迫下可以通過(guò)對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行重編程，調(diào)整自身能量代謝以適應(yīng)低氧環(huán)境，這是水稻實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)芽和生長(zhǎng)的另一有效策略。研究發(fā)現(xiàn)，在芽期和苗期具有較好耐受低氧脅迫的水稻品種，其生理反應(yīng)和基因表達(dá)與不耐受品種相比有明顯差異。這些差異表達(dá)基因包括α-淀粉酶、乙醇脫氫酶、丙酮酸羧化酶等，這些代謝相關(guān)的酶快速表達(dá)與水稻耐厭氧發(fā)芽和苗期生長(zhǎng)密切相關(guān)［30］。其中α-淀粉酶表達(dá)調(diào)節(jié)對(duì)低氧脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制目前研究相對(duì)清楚。缺氧信號(hào)通過(guò)鈣離子信號(hào)通路，激活CBL4和CIPK15，繼而激活SnRK1A 和MYBS1，最終促進(jìn)α-淀粉酶表達(dá)。α-淀粉酶表達(dá)量提高可以加快種子淀粉水解，維持低氧脅迫下種子發(fā)芽所需的能量［22］。在CBL4-CIPK15-SnRK1AMYBS1 信號(hào)通路中，OsCIPK15編碼一個(gè)類鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B 亞基互作蛋白激酶，在缺糖條件下受誘導(dǎo)表達(dá)。正常條件下，cipk15突變體的萌發(fā)和野生型沒(méi)有明顯差異，但是浸沒(méi)在10 cm 的深水條件下，cipk15突變體無(wú)法長(zhǎng)出胚芽鞘，生長(zhǎng)受到明顯抑制。研究表明，CIPK15 通過(guò)調(diào)節(jié)能量和脅迫感受因子SnRK1A（Snf1 Protein Kinase 1），進(jìn)而引起下游一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，比如誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子MYBS1 的表達(dá)，增強(qiáng)淀粉水解酶基因的表達(dá)和誘導(dǎo)乙醇脫氫酶的合成，從而促進(jìn)無(wú)氧呼吸以保證細(xì)胞生長(zhǎng)所需的能量，最終促使胚芽鞘伸長(zhǎng)［31］。最新研究證明，水稻FLZ基因家族多個(gè)成員與SnRK1A 存在蛋白互作，進(jìn)一步的轉(zhuǎn)基因試驗(yàn)證明OsFLZ18 可以通過(guò)與SnRK1A 互作，影響水稻幼苗生長(zhǎng)以及淹水條件下胚芽鞘的伸長(zhǎng)［32］。

2.3 水稻適應(yīng)厭氧脅迫的功能基因

海藻糖-6-磷酸磷酸酶7（TPP7）基因是從水稻一個(gè)厭氧發(fā)芽QTL（qAG-9-2）中克隆得到的功能基因，其編碼的海藻糖-6-磷酸磷酸酶在6-磷酸海藻糖代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用。研究表明，TPP7基因通過(guò)調(diào)節(jié)源庫(kù)平衡，增加向胚和胚芽鞘輸送的糖含量，保證能量來(lái)源，從而使水稻在淹水脅迫下萌發(fā)存活［33］。

SUB1A是目前鑒定到的水稻另一個(gè)耐受低氧脅迫的功能基因，它編碼一個(gè)乙烯響應(yīng)因子。SUB1A通過(guò)調(diào)節(jié)乙烯和赤霉素途徑完成對(duì)耐淹性狀的調(diào)控。首先，SUB1A可以誘導(dǎo)GA2ox表達(dá)，降解赤霉素；同時(shí)誘導(dǎo)赤霉素途徑的重要負(fù)調(diào)控子SLR1和SLRL1的表達(dá)，從而抑制赤霉素信號(hào)，抑制節(jié)間伸長(zhǎng)。此外，SUB1A通過(guò)反饋抑制乙烯的產(chǎn)生進(jìn)一步抑制赤霉素的產(chǎn)生，從而抑制赤霉素介導(dǎo)的伸長(zhǎng)，減少能量消耗以使水稻存活［34-35］。

目前，針對(duì)水稻厭氧發(fā)芽和厭氧生長(zhǎng)的遺傳分析鑒定到大量相關(guān)的QTL 和候選功能基因，如Zhang 等［36］通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定到15 個(gè)與厭氧發(fā)芽相關(guān)的QTL。但這些QTL 的功能基因克隆進(jìn)展非常緩慢，真正通過(guò)圖位克隆鑒定到的功能基因目前只有OsTPP7［37-39］。

3 水稻低溫發(fā)芽研究

低溫冷害是水稻生產(chǎn)過(guò)程中重要的限制因素。與其他作物相比，起源于熱帶、亞熱帶的水稻對(duì)低溫脅迫更敏感，且在整個(gè)生育期都對(duì)低溫脅迫敏感。其中，發(fā)芽期的低溫冷害與水稻直播關(guān)系最密切。低溫常導(dǎo)致發(fā)芽率低，發(fā)芽延遲，苗活力低，最終影響產(chǎn)量。低溫發(fā)芽率存在明顯的秈粳分化，一般來(lái)說(shuō)，粳稻的低溫發(fā)芽率高于秈稻，這與粳稻適應(yīng)低溫環(huán)境密切相關(guān)［40］。直播稻對(duì)水稻發(fā)芽期的耐冷性有更高要求。在華南雙季稻區(qū)，早稻直播常常會(huì)遇到倒春寒天氣，導(dǎo)致種子萌發(fā)率低，影響直播稻的發(fā)芽率和成苗率。而對(duì)于溫帶或亞溫帶地區(qū)的直播稻，耐低溫發(fā)芽則是其實(shí)施直播栽培的基本前提條件［41］。

3.1 水稻低溫發(fā)芽功能基因克隆

低溫發(fā)芽是一個(gè)典型的微效多基因控制的復(fù)雜性狀［42］，功能基因克隆非常困難。目前已鑒定到較多控制水稻低溫發(fā)芽的QTL［43-45］，但真正被克隆的功能基因只有2 個(gè)。第一個(gè)被克隆的是qLTG3-1，它編碼一個(gè)富含甘氨酸（GRP）的未知功能蛋白。目前，推測(cè)其生理功能是促進(jìn)種胚外層包裹組織的液泡化降解，從而增強(qiáng)種子的低溫萌發(fā)力［46］。研究發(fā)現(xiàn)，qLTG3-1存在1 個(gè)71 bp 的插入突變，在其他中等低溫發(fā)芽抗性材料中存在1 個(gè)錯(cuò)義突變，研究證明這兩個(gè)突變是該基因的功能性突變［47］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，qLTG3-1在多種環(huán)境下都可以促進(jìn)水稻發(fā)芽，因此該基因可能是一個(gè)與發(fā)芽相關(guān)的功能基因，而非特異的控制低溫發(fā)芽的功能基因［47］。第2 個(gè)被克隆的低溫發(fā)芽功能基因是OsSAP16。OsSAP16是水稻18 個(gè)SAP成員之一，編碼擁有保守的A20/AN1-C2H2 鋅指結(jié)構(gòu)域的蛋白。OsSAP16在發(fā)芽過(guò)程中被誘導(dǎo)，同時(shí)也可以被低溫誘導(dǎo)，提高其表達(dá)量可以顯著提高水稻低溫發(fā)芽率［48］。

此外，還有許多水稻低溫發(fā)芽QTL 定位的研究。如Yang 等［49］利用國(guó)際稻種資源進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，在第10 號(hào)染色體鑒定到1 個(gè)全新的低溫發(fā)芽QTL，并鑒定到候選功能基因。野生稻是水稻抗逆基因的重要來(lái)源。Nguyen 等［50］從普通野生稻中鑒定到5 個(gè)與低溫發(fā)芽相關(guān)的QTL，后續(xù)研究進(jìn)一步把其中位于第1 號(hào)染色體的1 個(gè)QTL 精細(xì)定位到167 kb 的基因組區(qū)間內(nèi)。Shim等［51］也在普通野生稻中發(fā)現(xiàn)qTLG3-1的一個(gè)全新等位基因可以控制水稻低溫發(fā)芽。

3.2 水稻低溫發(fā)芽分子機(jī)制

水稻低溫發(fā)芽與植物激素GA 密切相關(guān)。Wang 等［52］發(fā)現(xiàn)，低溫可以促進(jìn)GA 降解，繼而抑制水稻種子胚乳中的淀粉水解，從而抑制種子發(fā)芽。最新的代謝組學(xué)技術(shù)為水稻低溫發(fā)芽的分子機(jī)制研究提供了更高效的手段。通過(guò)對(duì)耐低溫發(fā)芽品種和不耐低溫發(fā)芽品種進(jìn)行代謝組學(xué)分析，Yang 等［53］鑒定到730 個(gè)差異代謝物，對(duì)這些代謝物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸合成和谷胱甘肽代謝過(guò)程中的關(guān)鍵代謝物與低溫發(fā)芽密切相關(guān)。

4 水稻抗倒伏研究

倒伏會(huì)導(dǎo)致水稻嚴(yán)重減產(chǎn)，品質(zhì)大幅下降，并影響后期機(jī)械化收割等。研究證明直播稻的倒伏風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)移栽栽培方式種植的水稻，因此抗倒伏是直播稻極其重要的性狀［54］。水稻倒伏主要包括根倒伏、莖彎折和莖折斷3 種類型。由于直播稻扎根較淺，因此對(duì)根倒伏更敏感。此外，為避免缺苗，直播稻會(huì)提高播種密度，容易形成局部植株密度過(guò)大，單個(gè)植株獲得光照減少，造成莖稈不夠粗壯，增加了直播稻的倒伏風(fēng)險(xiǎn)。

4.1 水稻倒伏影響因素

抗倒伏不但是直播稻的育種目標(biāo)，也是長(zhǎng)期以來(lái)水稻育種的一個(gè)重要目標(biāo)。20 世紀(jì)50 年代，廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所黃耀祥院士首先提出通過(guò)選育半矮稈水稻來(lái)解決華南地區(qū)由于臺(tái)風(fēng)等原因造成的水稻倒伏問(wèn)題。黃耀祥院士通過(guò)利用含有矮稈基因sd1的育種材料成功選育出半矮稈水稻，提高了水稻的抗倒伏能力，同時(shí)大幅提高水稻收獲指數(shù)，相關(guān)成果直接推動(dòng)了“第一次綠色革命”［55-56］。

但半矮稈性狀也會(huì)造成水稻生物量降低，客觀上阻止了水稻產(chǎn)量的進(jìn)一步提高［57］。研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，SD1基因具有多效性，導(dǎo)致水稻矮化的sd1基因型會(huì)降低水稻光合作用和生物量，以及導(dǎo)致莖稈解剖學(xué)缺陷等一系列不良農(nóng)藝性狀［58］。最新研究表明，除了株高，莖壁解剖結(jié)構(gòu)、莖壁細(xì)胞的成分組成等因素對(duì)提高水稻抗倒伏能力有緊密關(guān)系［59-60］。因此適當(dāng)提高水稻株高，通過(guò)增大莖稈直徑，提高莖稈細(xì)胞厚度和莖稈木質(zhì)素含量等方法，可以在保證水稻生物量的同時(shí)提高水稻抗倒伏能力［61］。

除了基因和遺傳控制，環(huán)境和栽培方式也對(duì)倒伏有極其重要影響。Wang 等［62］發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于水直播和濕直播，旱直播的水稻擁有更短的基部節(jié)，更厚的莖壁，具有更好的抗倒伏能力。此外，不同氮肥施用方式也會(huì)影響水稻的抗倒伏能力。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所與國(guó)際水稻研究所合作研發(fā)的“水稻三控施肥技術(shù)”（控肥、控苗、控病蟲(chóng)），通過(guò)前期控肥縮短基部節(jié)間的方式，可以在不降低甚至增加株高的情況下提高抗倒性［63-64］。

4.2 水稻抗倒伏功能基因

目前鑒定到一些水稻抗倒伏QTL，如Yadav等［65］利用BC 群體鑒定了12 個(gè)與各種倒伏性狀相關(guān)的QTL，并確定了一個(gè)編碼GA 合成酶的基因是控制水稻抗倒伏能力的候選功能基因。該研究也證明了這些抗倒伏性狀與直播稻的產(chǎn)量具有顯著正相關(guān)，即提高水稻抗倒伏能力可以提高直播稻的產(chǎn)量。Merugumala 等［66］通過(guò)圖位克隆在水稻第6 號(hào)染色體上鑒定到1 個(gè)抗倒伏QTL，通過(guò)回交和分子標(biāo)記輔助選擇，成功構(gòu)建了與親本背景一致、具有更寬更厚莖稈的抗倒伏水稻新品種。

抗倒伏是極其復(fù)雜的性狀，而且與栽培耕作方式、環(huán)境等許多因素存在復(fù)雜的相互作用，因此相關(guān)基因克隆研究進(jìn)展較為緩慢。目前已鑒定的與抗倒伏相關(guān)的QTL 超過(guò)30 個(gè)，但只有3 個(gè)功能基因被克隆。APO1是第一個(gè)被克隆的可以提高莖稈強(qiáng)度的基因，其編碼一個(gè)由429 個(gè)氨基酸組成的F-box 蛋白。APO1基因可以提高水稻莖稈強(qiáng)度，從而提高水稻的抗倒伏能力。同時(shí)，APO1還可以提高每穗粒數(shù)，因此可以利用APO1同時(shí)提高水稻產(chǎn)量和抗倒伏能力［67］。

野生稻也是抗倒伏功能基因的重要來(lái)源，其中非洲野生稻具有較強(qiáng)的莖稈和較高的生物量，是提高水稻抗倒伏性狀的重要基因庫(kù)。Long 等［68］從非洲野生稻入手，通過(guò)構(gòu)建遺傳群體，鑒定到12 個(gè)全新的提高水稻抗倒伏能力的QTL，并在第1、8 號(hào)染色體上分別精細(xì)定位了兩個(gè)可以提高莖稈強(qiáng)度的QTL。

5 展望

隨著我國(guó)未來(lái)社會(huì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)，直播必然是未來(lái)重要的水稻栽培方式。大量研究表明，直播稻在產(chǎn)量上可以達(dá)到與移栽稻相當(dāng)?shù)乃剑?9］，但由于現(xiàn)代水稻品種普遍缺乏應(yīng)對(duì)直播逆境環(huán)境的特性，因此目前適應(yīng)直播的水稻品種非常缺乏，嚴(yán)重制約直播稻在我國(guó)的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。針對(duì)制約直播稻推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵因素，首先可以加強(qiáng)水稻輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)的研究。例如，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所經(jīng)過(guò)多年探索，初步制定了直播稻高產(chǎn)高效栽培技術(shù)規(guī)程，在廣東省陽(yáng)江和廉江等地示范應(yīng)用，相比傳統(tǒng)栽培法節(jié)肥 21.8%～23.7%，減少灌溉2～3 次，增產(chǎn)8.4%～18.4%［64］。此外，需要加強(qiáng)抗除草劑種質(zhì)的創(chuàng)制，但水稻中天然抗除草劑的種質(zhì)資源缺乏，可探索利用化學(xué)、物理誘變等技術(shù)，培育抗多種除草劑的水稻新品種。而更為重要的是，加強(qiáng)培育適合水稻直播的新品種。

目前，大量水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種都是圍繞移栽的栽培方式選育的，許多優(yōu)異的直播相關(guān)性狀功能基因在現(xiàn)代品種中已經(jīng)丟失，客觀上導(dǎo)致這些性狀的挖掘和改良困難，因此通過(guò)基于現(xiàn)代品種進(jìn)行常規(guī)選育種的策略選育適應(yīng)直播的品種可能效果不佳，必須從具有更豐富多樣性的種質(zhì)資源，甚至野生稻資源入手，運(yùn)用現(xiàn)代分子生物學(xué)和功能基因組學(xué)技術(shù)，挖掘適應(yīng)直播相關(guān)性狀的優(yōu)異功能基因，剖析這些優(yōu)異性狀形成和調(diào)控的分子機(jī)制。同時(shí)利用更高效、更精準(zhǔn)的現(xiàn)代分子育種技術(shù)，把鑒定到的功能基因應(yīng)用于直播稻的遺傳改良，加快選育適合直播的水稻新品種，促進(jìn)直播稻在水稻生產(chǎn)中更廣泛應(yīng)用和推廣，滿足當(dāng)前水稻產(chǎn)業(yè)需求。