水稻花時調(diào)控機理與育種應用

茍亞軍，朱薪宇，王海洋，沈榮鑫

(亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護與利用國家重點實驗室/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術廣東省實驗室/華南農(nóng)業(yè)大學 生命科學學院, 廣東 廣州 510642)

水稻Oryza sativaL.是世界上最重要的糧食作物之一，全球超過一半的人口以水稻為主食，水稻產(chǎn)量的高低直接影響糧食安全[1]。20世紀50年代矮化育種和70年代雜交水稻品種的選育與推廣，使我國水稻產(chǎn)量實現(xiàn)了2次重大突破[2]。但目前雜交稻多為秈稻亞種內(nèi)雜交品種，雜交親本遺傳關系近，產(chǎn)量潛力已趨極限，導致近20年來我國水稻產(chǎn)量停滯不前。隨著耕地面積減少和人口日益增長，不斷提高水稻產(chǎn)量仍然是水稻育種的首要任務[3]。秈稻Indica和粳稻Japonica是亞洲栽培稻馴化過程中產(chǎn)生的2個明顯分化的亞種，亞種間雜交具有強大的雜種優(yōu)勢，預計產(chǎn)量可較目前廣泛種植的秈/秈雜交稻進一步提高20%左右，是雜交稻育種進一步發(fā)展的主要方向[4-5]。充分利用秈粳亞種間雜種優(yōu)勢是保障我國糧食供給安全的重要途徑；但是，秈粳強雜種優(yōu)勢的直接利用受到秈粳雜種不育、雜種F1生育期長、F1株高偏高、粳稻柱頭外露率低以及秈粳花時不遇等瓶頸因素的嚴重制約，導致秈粳雜交育種一直停滯不前。因此，解析上述秈粳雜種優(yōu)勢利用瓶頸因素的遺傳基礎具有重要的科學意義和應用價值。

花時是水稻重要的農(nóng)藝性狀，其概念包括2種：一種是指1朵穎花從開穎到閉穎的時間；另一種是指大田群體穎花在1 d中的開花時間或開花持續(xù)時間，可分為始花時(第1朵花開放的時間)、盛花時(穎花實際開放數(shù)達到當天應開花數(shù)的50%)和終花時(開花結(jié)束時間)，通常指開花高峰或盛花時間[6-7]。大田群體穎花的盛花時間在水稻生產(chǎn)上具有重要意義，也是花時研究的主要對象。在雜交水稻生產(chǎn)過程中，父母本開花高峰錯位的現(xiàn)象稱為花時不遇。尤其是秈粳亞種間雜交制種時，作為父本的秈稻恢復系開花早，而作為母本的粳稻不育系開花晚，父母本花時不遇導致制種產(chǎn)量低，雜交種子價格高，嚴重阻礙了秈粳雜種優(yōu)勢的利用。此外，水稻穎花開放的時候?qū)囟茸兓顬槊舾?，開花時遭遇高溫會導致花藥開裂不良、花粉活力降低，進而導致結(jié)實率降低[8]。因此，解析水稻花時調(diào)控的內(nèi)外因素和遺傳機理，對解決水稻雜交制種過程中花時不遇，以及開花期間因高溫引起的田間水稻穎花不育具有重要意義。

1 水稻穎花結(jié)構(gòu)和開花習性

水稻是單子葉模式植物，具有與雙子葉植物不同的花序結(jié)構(gòu)，小穗是水稻花序結(jié)構(gòu)的基本單位[9](圖1a)。典型的水稻小穗由1對副護穎、1對護穎、外稃、內(nèi)稃、6枚雄蕊、1枚雌蕊和1對漿片組成，雄蕊包括花藥和花絲，雌蕊包括子房和柱頭[9-10](圖1a、1b)。

圖1 水稻穎花結(jié)構(gòu)及秈、粳稻花時對比Fig. 1 The rice floret structure and the comparison of floret-opening-time between indica and japonica

水稻開花是一個非常復雜的過程，包括漿片膨大、外稃張開、花絲伸長、花藥開裂、授粉受精和穎花閉合等事件[11-12]。一般而言，水稻抽穗后1～2 d就會開始開花，5～7 d全穗開完，第3天前后開花最盛[13]。大田群體穎花始花后，30～120 min盛花，75～165 min開完。有趣的是，不同水稻品種均遵循嚴格的穎花開放順序：開穎時，主軸上的花先開，然后從上至下各個分枝依次開放；在一個枝梗上，頂端第1朵花最先開放，然后由基部向上順序開放，頂端第2朵小花開放最遲，每朵花從開放到關閉約需1～2 h[14]。這種現(xiàn)象對判斷花時性狀表型具有重要的指導意義。

在水稻雜交制種過程中，由于遺傳背景的差異，父母本的花時往往不一致。一般而言，恢復系(父本)開花較早且花時集中，晴天在上午10:30左右始花，11:00左右盛花，12:30左右開穎結(jié)束；而不育系開花較晚且花時分散，始花大概在11:30左右，12:00以后開花數(shù)量增加，17:00—18:00完成開穎，有些品種持續(xù)開花到晚上，沒有明顯的開穎高峰[6,13]。父母本花時不遇會造成異交結(jié)實率大大降低?；〞r不遇問題在秈粳亞種間雜交制種時更為突出，通常秈稻開花較早且持續(xù)時間長，粳稻開花相對較遲、開花分散且持續(xù)時間短。秈稻材料的盛花時間較粳稻早1～3 h[15]，如圖1c、1d所示。秈粳稻花時不遇限制了秈粳雜交制種的產(chǎn)量，是制約秈粳亞種間雜交稻強雜種優(yōu)勢的關鍵瓶頸之一[16]。

2 水稻穎花開放的結(jié)構(gòu)基礎

漿片是控制水稻開放和閉合最關鍵的器官。早在1675年，Malpighi就提出了漿片的概念，到了1881年，H?ckel證實漿片在開花前快速吸水進而推開內(nèi)外稃使得水稻穎花開放[17]；隨后學者開始對漿片的結(jié)構(gòu)和功能進行研究。

漿片對稱分布于內(nèi)、外稃之間的子房基部，由大型薄壁細胞和分布均勻的小型維管束組成?？拷鼉?nèi)稃部位的漿片細胞壁稍厚，壁不曲折，吸水后體積變化較小；而中部及外稃一側(cè)的細胞壁薄而曲折，吸水后體積變化大。維管束中有一些較小的薄壁細胞，這些細胞富含線粒體，并且細胞間有胞間連絲。維管束與小穗軸相連，漿片可通過維管束從小穗軸快速吸水膨脹[18-20]。不育系漿片中的維管束數(shù)目少，缺少導管，花絲中無導管，細胞自溶慢，這可能是不育系開穎遲、閉穎慢，花絲伸長少及不易萎縮的主要原因[21]。

穎花開閉是漿片吸水膨大和失水萎縮的過程(圖2a)。水稻的內(nèi)外稃通過相互嵌合的鉤合槽把花內(nèi)器官封閉起來，漿片吸水膨脹后將外稃向外推開，同時將內(nèi)稃向內(nèi)壓擠，使內(nèi)外稃的鉤合槽松開，外稃和內(nèi)稃相互分開，這時雄蕊花絲急速伸長，使花藥伸出穎殼并裂開，花粉散落，進行授粉(圖2b、2c)。開完花之后，漿片細胞液泡膜破裂，發(fā)生細胞自溶，漿片中的水分和解體物經(jīng)導管向小穗軸運輸后失水，外稃在小穗軸的彈力下與內(nèi)稃重逢，使得穎花重新閉合[18,20]

圖2 水稻開花前后不同時間點漿片吸水膨脹與失水萎縮過程Fig. 2 The process of lodicule swelling and shrinking in rice before and after floret-opening

3 水稻穎花開放的生理基礎

漿片能否吸水膨脹受到2方面因素的制約：一是漿片細胞的滲透勢，只有滲透勢低時，細胞才具有潛在的吸水能力；二是漿片細胞壁的松弛，只有細胞壁松弛，才能使細胞吸水后體積膨大[20]。其中，滲透勢的變化推測主要是由于漿片內(nèi)可溶性糖含量的上升引起的。王忠等[18]發(fā)現(xiàn)，開穎前漿片細胞中的淀粉在淀粉酶的作用下水解成可溶性糖，使細胞的滲透壓增大，水勢下降，但是開穎時可溶性糖的增加量遠大于淀粉的減少量，說明開穎時可溶性糖的增加還包括其他多糖的水解和從其他器官的輸入。薛欣艷[22]發(fā)現(xiàn)，臨開花階段，漿片細胞中與糖酵解有關的關鍵酶表達豐度顯著上升，液泡酸性轉(zhuǎn)化酶在臨開花和開花后5～20 min出現(xiàn)，它催化蔗糖水解成葡萄糖和果糖，與糖酵解的各種中間產(chǎn)物一起降低細胞的滲透勢。劉娟[23]發(fā)現(xiàn)1個早開花的突變體，測定漿片中可溶性糖含量，發(fā)現(xiàn)突變體和野生型開穎前后漿片中可溶性糖含量均有所增加，但是突變體漿片中的糖含量高于野生型，較多的可溶性糖可以增加細胞的滲透壓以及提供更多的能力，進而使開花時間提前。

王忠等[18]研究測定了漿片中K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子在開穎前后的含量，發(fā)現(xiàn)這些離子在開穎前后含量并無明顯變化，僅在開穎后漿片萎縮時才減少，并且用0.1 mol/L的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等鹽溶液浸穗，也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的促進開穎作用，推測無機離子對漿片水勢的變化沒有明顯作用。但是，也有研究支持漿片中K+、Ca2+等無機離子可能對漿片細胞滲透勢的調(diào)節(jié)起著重要作用。Heslop-Harrison等[19]認為穎花開放前，漿片底部薄壁細胞中K+的積累使得滲透勢降低，水分從小穗軸流入漿片。鄒春梅等[24]也認為在水稻穎花開放過程中，漿片中K+含量上升。有意思的是，穎花開閉過程中漿片中Ca2+的分布和濃度呈現(xiàn)規(guī)律性的動態(tài)變化。在開花前，Ca2+主要集中在導管和細胞間隙中，臨近開花時，漿片的薄壁細胞上富集了大量的Ca2+，而開花后Ca2+緩慢地向細胞內(nèi)流動，說明漿片的膨脹也與Ca2+的流動有關[22]。Qin等[25]發(fā)現(xiàn)水稻穎花臨近開放時，漿片中結(jié)合狀態(tài)的Ca2+轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，從細胞壁轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中；開花后Ca2+又重新轉(zhuǎn)移到細胞壁中，并轉(zhuǎn)換成結(jié)合狀態(tài)。利用Ca2+螯合劑EGTA固定Ca2+后，外源施加茉莉酸甲酯并不能促進水稻開花，表明Ca2+在調(diào)控水稻花時中可能起了重要的作用。探究K+、Ca2+等無機離子在水稻穎花開閉過程中的作用可為深入理解誘發(fā)該過程的原初反應和信號轉(zhuǎn)導提供新視角。

在穎花開穎前1天或開穎前數(shù)小時，漿片細胞的液泡內(nèi)溶質(zhì)濃度很高，滲透勢降低，細胞具有了很大的吸水潛力。然而，此時漿片并未充分吸水膨大，這是由于細胞壁還沒有完全松弛，細胞的壓力勢大，限制了漿片細胞的充分吸水[20]。目前的研究提示CO2和一些細胞壁重塑相關酶在漿片細胞壁松弛過程中可能發(fā)揮重要作用。在正常情況下，一天中隨著氣溫上升，穎花的呼吸作用增強，穎花內(nèi)CO2濃度升高，漿片細胞中pH下降，細胞壁松弛[26]。另外，基因表達分析結(jié)果表明，穎花開閉過程中，許多編碼葡聚糖酶、木葡聚糖轉(zhuǎn)葡糖苷酶、多聚半乳糖醛酸酶、果膠酯酶等細胞壁重塑相關酶的基因表達發(fā)生顯著變化，這些酶能夠引起細胞壁的結(jié)構(gòu)變化進而導致細胞壁松弛，細胞膨壓下降[27-29]。滲透壓上升和細胞壁松弛導致漿片細胞水勢下降，在水通道蛋白的作用下，漿片細胞吸收水分迅速擴張，推開內(nèi)外稃，穎花開放[30]。

4 水稻穎花開放調(diào)控機理

水稻花時是由多基因控制的復雜數(shù)量性狀，受到各種環(huán)境因素、內(nèi)部植物激素以及自身遺傳基礎的共同調(diào)控[12,31-32]。研究者們通過正向遺傳學的方法定位到一些調(diào)控花時的數(shù)量性狀基因座(Quantitative trait loci, QTLs)，但目前尚未有調(diào)控花時性狀的QTL被精細定位和克隆。近年來，通過多組學分析與反向遺傳學相結(jié)合手段，相繼克隆了一些控制水稻花時的重要基因，推動了水稻花時研究領域的發(fā)展。植物激素茉莉酸強烈誘導水稻穎花開放效應的發(fā)現(xiàn)，為研究水稻花時性狀的內(nèi)源信號調(diào)控機制提供了重要線索[32]。以下將系統(tǒng)總結(jié)調(diào)控水稻花時的QTLs與相關基因，重點闡述植物激素特別是茉莉酸調(diào)控水稻穎花開放的機理，并介紹水稻花時對外部環(huán)境(如溫度、光照和CO2濃度等)變化的響應及其可能的機制，最后提出水稻穎花開放的調(diào)控網(wǎng)絡。

4.1 調(diào)控水稻花時的遺傳基礎

4.1.1 調(diào)控花時的QTLs 自20世紀90年代起，中國科學家就開始了對水稻花時遺傳機制的研究。仲維功等[15]發(fā)現(xiàn)秈稻品種‘NJTQ-2’的花時特性在江蘇和海南表現(xiàn)相同；李金軍等[33]對72份秈、粳不同品種在嘉興和海南進行開花習性的比較，兩地試驗結(jié)果一致。這些觀察表明不同水稻品種的花時特性受一定遺傳基礎制約且有一定的穩(wěn)定性[15,33]。

為了探究調(diào)控花時的遺傳機制，前人利用開花時間不同的水稻品種構(gòu)建遺傳群體，結(jié)合分子標記圖譜，定位到一些控制花時性狀的QTLs，詳細信息見表1。馬作斌等[7]用‘七山占’(09:30左右始花、11:00左右盛花)和‘秋光’(11:00左右始花、11:30左右盛花)2個親本構(gòu)建分離群體，定位到6個花時相關的QTLs。這2個親本始花時間相差90 min，而盛花時間只相差30 min，因此定位到的QTLs效應都非常微小，來源于‘七山占’的qVFT-10僅能使‘秋光’的盛花時間提前10多分鐘。萬國等[35]采用的早花時粳稻品種‘WAB368-B-2-H2-HB’開花時間為9:30—10:00，晚花時粳稻品種‘六千辛’開花時間為11:00—11:30，親本之間花時差異也不是特別大，因此定位到的QTLs貢獻率也都比較低，這些單個的QTL都難以應用到生產(chǎn)實踐。而Pham等[34]利用的亞洲野生稻‘W630’比粳稻‘日本晴’早開花2～3 h，定位到的QTLs效應相對較大，野生稻來源的SOTb和SOTm能夠使‘日本晴’的花時提前30～60 min左右。藥用稻Oryza officinalis是清晨06:00就開花的野生稻材料，O. officinalis來源的qEMF3能夠使秈稻‘南京11’和‘IR24’的花時提前1.5～2.0 h[36]。

表1 花時QTLs的詳細信息Table 1 The details of floret-opening-time QTLs

由此可見，親本花時差異越大，定位到的QTLs效應也越大。亞洲栽培稻的不同品種之間雖然存在花時差異，但是大部分材料在08:00—09:00后開放，沒有開花特別早的品種，且不同品種之間的花時差異最多也只有3～4 h；而不同野生稻每日開花時間差異很大，最早的05:00就開花，而最晚的22:30才開花[37-38]。因此，利用早開花的野生稻材料和晚開花的亞洲栽培稻材料構(gòu)建群體，結(jié)合GWAS、轉(zhuǎn)錄組學、代謝組學等新技術手段，有望更快、更準確地定位到效應明顯的早花時QTLs。

4.1.2 調(diào)控水稻穎花開放的基因 由于花時性狀調(diào)查困難，遺傳基礎復雜，且受環(huán)境因素影響較大，目前從正向遺傳學尚未克隆到影響花時的基因。漿片是控制水稻穎花開閉的關鍵器官，通過研究漿片的發(fā)育以及吸水膨脹和失水萎縮過程的調(diào)控機制，科學家們鑒定了一些調(diào)控水稻開花的基因，為深入理解水稻花時調(diào)控機理奠定了基礎。漿片為特化的花器官，MADS轉(zhuǎn)錄因子對于花器官的發(fā)育起著重要作用。研究表明，基因OsMADS2、OsMADS4、OsMADS16參與調(diào)控水稻雄蕊和漿片的發(fā)育[39]。OsMADS16突變體又被稱作superwoman1(spw1)，spw1在營養(yǎng)生長時期與野生型無明顯差異，但是在花器官發(fā)育過程中雄蕊和漿片分別轉(zhuǎn)變?yōu)樾钠ず皖愃苾?nèi)稃的器官，最后導致穎花不能開放[40]。OsMADS2和OsMADS4在對漿片的調(diào)控中具有冗余作用，OsMADS2的RNA干擾材料漿片變小，穎花開放延遲；OsMADS4的RNA干擾材料漿片無明顯變化，穎花可以正常開放；OsMADS2和OsMADS4的雙RNA干擾材料表型類似于spw1，穎花不能開放[41-42]。

針對穎花開放和閉合過程中的漿片開展轉(zhuǎn)錄組分析，結(jié)合基因編輯技術，為快速鑒定水稻花時調(diào)控基因提供了有效的策略。付永琦等[29]以常規(guī)秈稻品種‘中早25’為材料，對水稻穎花開放前12 h和臨開放前1 h的漿片進行轉(zhuǎn)錄組測序，通過比較2個時間點的差異表達基因的表達變化模式及其功能信息，發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控碳水化合物代謝與運輸、細胞能量代謝、細胞壁結(jié)構(gòu)修飾以及茉莉酸等激素代謝與信號轉(zhuǎn)導等生理過程的基因在穎花臨開放前被強烈誘導或抑制表達，表明這些基因與漿片細胞吸水膨大調(diào)控水稻穎花開放密切相關。Wang等[43]利用開花前不同時間點的漿片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，篩選到1個在水稻漿片中高表達的基因DFOT1(Diurnal Flower Opening Time 1)。在‘中花11’中敲除DFOT1可以使開花時間提前2個多小時。DFOT1定位在細胞壁中，編碼1個含DUF642結(jié)構(gòu)域的蛋白，可以直接與果膠甲基酯酶(Pectin methylesterase，PME)基因家族基因PME40等相互作用，通過促進PMEs的活性降低水稻開花前漿片細胞壁中果膠的甲基酯化程度，使細胞壁變硬進而限制漿片細胞的吸水膨脹。DFOT1或PME40功能缺失則導致漿片細胞壁中果膠甲基酯酶活性下降，果膠甲基酯化程度升高，細胞壁軟化，使得漿片細胞更容易吸水膨脹，促進穎花開放。Xu等[44]通過對‘宜香1B’進行EMS誘變，篩選出1個早花突變體emf1，能夠使每日的開花時間提早約2.5 h，經(jīng)過精細定位發(fā)現(xiàn)EMF1與Wang等[43]克隆的DFOT1為同一基因。EMF1能夠與PMEs和葡聚糖酶(GLN2)互作從而影響漿片細胞壁中果膠和纖維素的合成。DFOT1/EMF1是首次報道直接調(diào)控水稻花時的基因，為水稻花時改良提供了很好的基因資源。這2個研究表明細胞壁結(jié)構(gòu)的變化對于漿片吸水膨脹有著重要的作用，為后續(xù)水稻花時的研究提供重要借鑒。

4.2 植物激素對水稻穎花開放的調(diào)控

4.2.1 茉莉酸 植物激素對于水稻穎花的開閉具有重要作用，而茉莉酸(Jasmonic acid，JA)是目前研究最清楚且效果最為明顯的激素。JA及其衍生物茉莉酸甲酯(Methyl jasmonate，MeJA)統(tǒng)稱為茉莉酸類物質(zhì)(Jasmonates，JAs)，是廣泛存在于植物體內(nèi)的一種生長調(diào)節(jié)物質(zhì)，參與植物生長發(fā)育調(diào)控、防御反應、開花時間調(diào)節(jié)及花發(fā)育進程等生物學過程[45]。關于JA的生物合成途徑和信號轉(zhuǎn)導目前已經(jīng)有了較深入的研究(圖3)[46]，DAD1、AOC、AOS、OPR、LOX、ACX、JAR1等是JA生物合成中的重要基因，COI1、JAZs、MYC、MYB等是JA信號轉(zhuǎn)導中的重要信號分子[47]。當植物受到外界環(huán)境刺激時，植物體內(nèi)經(jīng)過一系列酶促反應合成大量JA，在茉莉酸氨基酸合成酶JAR1的作用下形成具有高度生物活性的JA-Ile，JA-Ile特異性結(jié)合茉莉酸受體蛋白JAZ蛋白，JAZ的Jas結(jié)構(gòu)域和ZIM結(jié)構(gòu)域分別負責與上游的COI1或下游的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，是JA途徑的抑制因子[48-49]。在沒有JA-Ile時，JAZ蛋白與下游轉(zhuǎn)錄因子互作，進而抑制轉(zhuǎn)錄因子對JA響應基因的激活作用；在JA-Ile含量增加時，JA-Ile與COI1結(jié)合，促進COI1與JAZ形成復合體，在E3泛素連接酶SCF-COI1復合物作用下使JAZ蛋白被泛素化標記，然后被26S蛋白酶體降解，從而解除JAZ對下游轉(zhuǎn)錄因子的抑制作用，啟動JA響應基因的轉(zhuǎn)錄[50-52]。

圖3 茉莉酸合成、信號轉(zhuǎn)導及生物學功能[46]Fig. 3 Jasmonic acid synthesis, signal transduction and biological function

前人研究表明，外源施加MeJA/JA對水稻、小麥、黑麥等禾本科植物穎花開放有強烈的誘導作用，對雄性不育水稻的誘導效應更為明顯[32,53-54]。鄒春梅等[24]利用MeJA處理開花前幾個小時的穎花，發(fā)現(xiàn)MeJA對漿片中淀粉酶活性上升、淀粉含量下降、可溶性糖和K+含量的上升具有明顯的促進作用。內(nèi)源JAs在水稻穎花器官中的分布具有組織和發(fā)育時期特異性，在水稻開穎前較平穩(wěn)，開穎時急劇上升至峰值，閉穎后又下降[55]。水稻穎花開放前18 h，花器官中小穗梗JAs水平最高，內(nèi)外稃次之，雄蕊、漿片和雌蕊極低；穎花開放時，雄蕊和漿片的JAs水平顯著高于其他花器官，而小穗梗JAs含量最低。伴隨穎花開放時漿片JAs水平的大幅上升，JAs生物合成相關基因OsDAD1、OsAOS1、OsAOC及OsOPR7以及JAs信號轉(zhuǎn)導途徑相關基因OsJAR1、OsCOI1b和13個OsJAZs的表達也明顯上調(diào)[11]。水稻漿片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)也顯示JAs合成與信號轉(zhuǎn)導基因在水稻開花過程中的漿片中均具有明顯的差異表達[29]。一些參與JAs合成的基因突變后也會影響水稻穎花的開放及閉合。OsJAR1突變體開花散亂，一整天包括晚上都會零星開花，突變體的大部分花藥不能正常開裂，并且開放后漿片仍然保持吸脹狀態(tài)導致穎花不能正常閉合[56]；OsOPR7基因突變后，突變體開花凌亂，開花后55.8%的穎花不能正常閉合[57]；OsAOS1突變體穎花開放后不能正常閉合[58]。這些結(jié)果均表明JAs對于漿片的吸水膨大和失水萎縮具有至關重要的調(diào)控作用。

JAs信號可能調(diào)控秈粳稻花時差異。閆志強等[59]發(fā)現(xiàn)秈稻對MeJA調(diào)控的敏感性強于粳稻，秈稻不僅能夠響應高濃度的MeJA(4 mmol·L-1)也能響應低濃度的MeJA(0.04 mmol·L-1)，而粳稻只能響應較高濃度的MeJA(4、0.4 mmol·L-1)。秈稻對MeJA調(diào)控響應所需的時間較短，而粳稻對MeJA調(diào)控響應所需的時間較長。

JAs信號還可能參與水稻不育系花時的調(diào)控。一般而言，不育系材料比恢復系和保持系材料花時延遲，開花時間也分散，不利于水稻雜交制種[60]。Liu等[61]對比了細胞質(zhì)雄性不育系‘珍汕97A’和其保持系‘珍汕97B’漿片中的JAs含量和含水量，發(fā)現(xiàn)不育系‘珍汕97A’由于JAs缺乏導致漿片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和水分積累延緩，進而影響漿片吸水膨脹，穎花開放受到抑制，開花時間分散。通過對JAs合成途徑中的重要基因進行定量分析，發(fā)現(xiàn)在‘珍汕97A’的漿片中JAs合成關鍵基因OsAOC的表達量明顯低于‘珍汕97B’。至于不育系中JAs合成基因表達量下調(diào)的原因還有待進一步的研究。Yang等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在光溫敏核不育系面臨花期高溫脅迫時，通過外源施加JA和MeJA類物質(zhì)進而增加漿片中JAs的濃度，可以提高漿片中過氧化氫酶和α-淀粉酶的活性以及抗壞血酸和可溶性糖的濃度，并顯著降低漿片中的H2O2濃度，進而增加小穗的開穎率。上述研究進一步證明了JAs在水稻雜交育種中的重要作用。

4.2.2 其他激素 除了JAs，其他激素也能在一定程度上影響水稻花時。赤霉素類物質(zhì)‘920’可以使花時提前，已經(jīng)廣泛用于生產(chǎn)實踐[62]，噴施油菜素內(nèi)酯也可以使花時提前[63]；但噴施乙烯和生長素(IAA)會延遲水稻花時[64-65]。另外，Huang等[66]發(fā)現(xiàn)外施IAA會抑制穎花閉合而外施脫落酸促進穎花閉合。Zhao等[67]發(fā)現(xiàn)IAA氧化酶基因DAO突變后不能將有活性的IAA氧化成無活性的OxIAA，破壞了體內(nèi)IAA的動態(tài)平衡導致穎花不能開放且花藥不開裂。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在dao突變體漿片中IAA轉(zhuǎn)錄因子OsARF18表達上調(diào)，而OsARF2表達下調(diào)。OsARF18的過表達或OsARF2敲除材料與dao突變體的表型一樣。OsARF18抑制OsARF2的表達，而OsARF2促進糖轉(zhuǎn)運蛋白基因OsSUT1的表達，ARF18-ARF2-SUT1模塊通過影響漿片中蔗糖的含量調(diào)控穎花開放[68]。在dao突變體的花藥中JAs含量顯著降低，暗示IAA和JA在調(diào)控穎花開放和花藥開裂過程存在相互作用[67]。水楊酸對MeJA誘導的穎花開放具有顯著的抑制作用，這種抑制可以被MeJA的再處理逆轉(zhuǎn)[14]。這些研究表明JAs信號可能通過與其他植物激素信號通路之間的交叉互作共同調(diào)控水稻花時，揭示激素間如何互作調(diào)控水稻花時的信號網(wǎng)絡將是未來水稻花時性狀的研究重點。

4.3 影響水稻穎花開放的外部因素

水稻穎花的開放受到多種外部因素的調(diào)控，包括光照、CO2濃度、溫度變化、機械摩擦、風力、濕度等，目前認為影響花時最主要的因素是溫度，其次是光照和CO2[12,69-70]。

4.3.1 溫度 水稻穎花開放時對外界溫度非常敏感，溫度過高或過低均會嚴重影響水稻生殖發(fā)育。在自然條件下，氣溫高時開花多且迅速，氣溫低時開花延遲或者不開花。早中稻一般在09:00左右開始開花，而晚稻要接近中午才開始開花。陰雨天氣溫度降低時開花明顯延遲，而天氣轉(zhuǎn)晴溫度升高時會有大量穎花開放[71]。這種快速響應溫度變化的開花習性將更好地確保水稻成功繁殖。將稻穗先浸于冷水(0～10 ℃)后置于室溫(25～30 ℃)或用溫水(35～45 ℃)浸穗均能促進開穎；在42～43 ℃水中浸穗0.5～1.0 min，10 min后開穎，裂藥良好，花粉活力正常。不同氣溫處理對開穎的效應也類似于水溫的處理，0～20 ℃的低溫抑制開穎，高溫處理或低溫處理后置于室溫，只要是增溫就可促進開穎[71]。Jagadish等[72]發(fā)現(xiàn)當環(huán)境溫度從30 ℃增加至38 ℃時，水稻IR64的盛花時間約提早30 min。這些結(jié)果一致表明溫度上升能夠明顯促進開花。溫度同時也影響穎花關閉。黃友明等[60]發(fā)現(xiàn)35～40 ℃最適于穎花關閉，高于45 ℃或低于20 ℃對穎花關閉均不利，不同溫度處理對水稻穎花關閉影響差異非常明顯。另外，秈粳稻響應外界溫度的變化也不一樣，隨著溫度的上升，秈稻花時提早較粳稻明顯(未發(fā)表結(jié)果)。但是，目前尚未有關于水稻花時響應溫度變化調(diào)控機理的研究，秈粳稻不同溫度響應特性的遺傳基礎也完全不清楚。

4.3.2 光照 光照強度的變化和光照時間的長短對于水稻花時也有影響。Kobayasi等[12]發(fā)現(xiàn)在開花前太陽輻射增強可以使花時提前。蒯建敏等[70]認為增加溫度或者日照時數(shù)對秈粳稻都有提早開花的作用。Biswas等[73]利用γ射線輻射的方式得到1個光形態(tài)建成受損的水稻突變體cpm1，cpm1在白光下表現(xiàn)為長胚芽鞘表型，且突變體抽穗后花時零散、花絲伸長，與穎花開放不同步。有趣的是，Nishiyama等[74]發(fā)現(xiàn)開花前將水稻進行1 h的黑暗處理能夠使花時明顯提前，而對水稻進行持續(xù)的光照處理時，會導致花時紊亂、分散或整日開花。同樣，顧蘊潔等[75]也發(fā)現(xiàn)黑暗中的稻穗受到光照處理時不會開花，而將水稻從光照條件下轉(zhuǎn)移至黑暗條件下能夠促進開花。這些結(jié)果說明水稻開花習性受光信號調(diào)控。植物自身節(jié)律與光照息息相關，大部分水稻在一天中特定的時間段開花，說明開花也是植物有節(jié)律性的運動之一。將開花前的水稻進行短時間的遮光處理可以明顯促進開花，長時間的光照又會使得水稻開花紊亂，是否是由于光照與黑暗的變化使得水稻穎花中具有節(jié)律性表達的基因受到了影響，進而引起開花時間的變化，值得進一步的研究。

4.3.3 CO2濃度 CO2能有效誘導水稻漿片吸水、加快穎花開放，且對小麥、黑麥、燕麥、玉米等禾本科植物的開花都有明顯的促進效應[76]。王忠等[26]發(fā)現(xiàn)體積分數(shù)≥5%的CO2氣體、pH≤5.6的CO2水溶液能顯著促進開穎；而N2、呼吸抑制劑NaN3和KCN等能夠抑制呼吸作用，導致穎花CO2濃度降低，進而抑制穎花開放。據(jù)此，王忠等[26]認為穎花因呼吸增強而積累的CO2是促進漿片膨大的主要因素，并推測CO2可能通過降低細胞pH，促使細胞壁松弛。許祥明等[77]還發(fā)現(xiàn)體積分數(shù)1%左右的甲酸、乙酸、丙酸等有機酸溶液也能顯著促進水稻開穎，與CO2的作用機制一樣，通過降低細胞pH促使細胞壁松弛。也有研究認為CO2可能通過提高穎花溫度進而促進穎花開放[78]。由于CO2處理對花絲伸長、裂藥、花粉活力和柱頭活力均無影響，因此，CO2調(diào)節(jié)開穎的技術可以應用于水稻雜交制種[79]。

基于以上研究結(jié)果，我們推測在水稻穎花成熟時，外界環(huán)境因素的改變、其他植物激素合成或信號轉(zhuǎn)導的變化以及漿片中的JA合成基因表達量增加等因素使得漿片中的JAs含量上升，OsJAR1表達量上調(diào)促進JA信號的轉(zhuǎn)導，進一步通過MYCs/MYBs轉(zhuǎn)錄因子激活下游JA響應基因的表達，影響漿片內(nèi)碳水化合物的代謝與轉(zhuǎn)運以及細胞壁的結(jié)構(gòu)的變化，最終導致漿片滲透勢降低、細胞壁松弛，漿片吸水膨脹，穎花開放(圖4)。

圖4 水稻穎花開放的調(diào)控模型Fig. 4 The regulatory model of floret opening in rice

5 展望

穎花開閉是水稻生殖發(fā)育過程中的關鍵生物學事件，合適的開花時間對水稻成功繁育后代至關重要[43]。為了保證最大的繁殖成功率，水稻進化出一套精密的內(nèi)部調(diào)控機制以適應外部環(huán)境(溫度、光照、濕度、CO2濃度等)的變化。因此，研究水稻花時性狀的調(diào)控機理對于理解植物的適應性進化具有重要的理論意義。目前關于水稻花時性狀的研究進展較為緩慢，僅有JA信號通路和少數(shù)基因被證實參與調(diào)控，其遺傳調(diào)控網(wǎng)絡還很不清楚。為了全面闡明水稻花時的調(diào)控網(wǎng)絡，今后應該綜合利用遺傳學手段、多組學手段以及基因編輯技術等，規(guī)模化克隆花時調(diào)控基因，在此基礎上，重點闡明JA與其他激素間交叉互作調(diào)控水稻花時的信號網(wǎng)絡，以及水稻快速響應外部環(huán)境變化的開花習性的分子機理。

水稻花時對水稻生產(chǎn)也具有重要意義。開花時的溫度＞35 ℃會導致水稻小穗不育[36]。早季種植的水稻大多在6—8月份抽穗揚花，隨著全球氣候變暖，夏季氣溫越來越高，一些開花時間晚的品種開花時極易遭受高溫脅迫，導致花粉不育，產(chǎn)量降低。讓水稻提早開花能夠規(guī)避高溫引起的育性降低。野生稻不同品種間開花時間差異明顯，是研究花時的優(yōu)良材料，其中，早開花的野生稻也可作為培育早花時品種的種質(zhì)資源。野生稻O. officinalis在06:00開花，Ishimaru等[80]將O.officinalis的早花時QTL(Early morning flowering，EMF)導入到栽培稻‘越光’中可以使‘越光’的花時至少提前1 h，并且在溫室里進行高溫模擬處理時，導入EMF的‘越光’在10:00前完成開花，不育的小穗僅有14.3%，而野生型‘越光’在處理溫度最高的11:00—13:00開花，不育的小穗有49.6%。因此，提早水稻開花是應對水稻高溫脅迫、提高育性的有效策略[36]。

利用秈粳亞種間雜種優(yōu)勢是提高水稻產(chǎn)量的重要手段，但由于秈粳亞種間開花習性存在較大差異，制種產(chǎn)量低，種子成本大幅上升，影響其推廣速度與面積[81]。雖然通過一些化學調(diào)控和農(nóng)藝措施可以在一定程度上促進父母本花時相遇，但是這些手段費時費力，難以應用于大田制種。通過研究秈粳稻花時的遺傳規(guī)律，找到調(diào)控秈粳稻花時差異的關鍵基因，培育早花時的粳稻或者花時推遲的秈稻品種是解決花時不遇的根本途徑。但是，目前克隆的調(diào)控花時的基因極少，對于花時遺傳調(diào)控機理的解析需要研究策略上的創(chuàng)新。漿片是控制水稻開花的關鍵結(jié)構(gòu)，以漿片作為研究對象可能是挖掘花時基因的一個突破口。Wang等[43]在漿片轉(zhuǎn)錄組基礎上篩選并克隆了第1個花時基因DFOT1，在秈稻常規(guī)品種、粳稻常規(guī)品種和不育系中編輯DFOT1都可以提早開花，同時結(jié)合生產(chǎn)主栽品種進行單倍型分析，鑒定了秈稻早花的DFOT1單倍型，攜帶早花DFOT1單倍型的品種可以作為特異種質(zhì)或雜交親本應用于雜交制種。利用開花過程中秈粳稻不同時間點漿片的轉(zhuǎn)錄組及代謝組分析，有望鑒定出調(diào)控秈粳稻花時差異的關鍵基因和物質(zhì)，結(jié)合遺傳學、分子生物學和細胞學等手段，進一步解析調(diào)控秈粳稻花時差異的分子網(wǎng)絡，并篩選出早花時基因的優(yōu)良單倍型應用于水稻育種。