水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀的遺傳研究

李 瓊,姜 雪 (.茅臺(tái)學(xué)院釀酒工程系，貴州仁懷 564507；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，貴州貴陽 550006)

水稻(L．)是世界上最重要的糧食作物之一，全世界約40%的人口以稻米為主食，其中90%的水稻種植者和消費(fèi)者集中在亞洲。我國是世界水稻生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國，60%左右的中國人以稻米為主糧，水稻作為我國的主要糧食作物之一，其種植面積約3 067萬hm，居我國糧食作物的第二位。由此可見，保證水稻生產(chǎn)對(duì)保障我國乃至世界糧食安全有著重要意義。近年來，我國的糧食消費(fèi)量隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)而急劇增加，作為世界第一人口大國，我國稻米進(jìn)口量已位于全球之首。2019年，我國人口數(shù)量達(dá)到14億，2030年預(yù)計(jì)將突破16億接近17億，糧食將短缺超過1億t。因而，提高水稻產(chǎn)量不僅是解決世界糧食安全的重要途徑，也是解決我國糧食安全問題的關(guān)鍵。伴隨工業(yè)化進(jìn)程，農(nóng)業(yè)資源愈加緊缺，人增地減的趨勢(shì)愈演愈烈，因而靠擴(kuò)大種植面積來提高稻米的總產(chǎn)量幾乎不可能，唯一的途徑是依靠技術(shù)手段，發(fā)展并培育出更多具有理想株型、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻新品種，大幅度提高單產(chǎn)水平，從而增加稻谷總產(chǎn)量，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。

水稻的產(chǎn)量主要構(gòu)成因素有每穗粒數(shù)、有效穗數(shù)及粒重，其中每穗粒數(shù)和粒重是產(chǎn)量的直接影響因素；而有效穗數(shù)和有效分蘗數(shù)等同，是株型的重要組成部分。長(zhǎng)久以來，株型改良在提高水稻單產(chǎn)中發(fā)揮重要作用?！熬G色革命”正是由于推廣了抗倒伏半矮稈的小麥與水稻新品種，從而改善了植株株型，使得世界糧食產(chǎn)量有了巨大的提升，為解決我國乃至世界糧食危機(jī)作出重要貢獻(xiàn)。因此，對(duì)水稻粒型和株型遺傳機(jī)制進(jìn)行研究，從分子水平上闡明其遺傳機(jī)制，將有助于認(rèn)識(shí)其遺傳特點(diǎn)，進(jìn)而有助于培育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻新品種，提高世界糧食產(chǎn)量，造福人類。

1 水稻理想株型的遺傳研究

所謂株型，指的是植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其生理、生態(tài)特點(diǎn)，是植株的形態(tài)結(jié)構(gòu)及其生理和生態(tài)所獨(dú)具的特殊功能等諸方面的綜合體現(xiàn)。故株型的型是類型的“型”，而絕不是形態(tài)的“形”?！熬G色革命”中半矮化基因在作物的遺傳改良得到廣泛使用后，株型育種也逐漸成為育種專家關(guān)注的重點(diǎn)?；使I(yè)的發(fā)展使半矮稈作物品種在全世界范圍內(nèi)得到了推廣使用，有效解決了發(fā)展中國家“饑餓”的問題?；谏鲜銮闆r，育種專家開始尋找“理想株型”進(jìn)而最大程度獲得作物的收獲產(chǎn)量?！袄硐胫晷汀钡母拍钭钤缬蒁onald提出(1968年)，目的是在農(nóng)作物育種中基于假定群體內(nèi)個(gè)體間無差異從而尋找個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度最小而個(gè)體能夠最大限度利用光能和營養(yǎng)，提高單位面積的收獲指數(shù)。后續(xù)科學(xué)家們對(duì)理想株型進(jìn)行了大量研究，提出了多種理想模式。理想株型的三大特點(diǎn)是耐肥抗倒、適合密植、谷草比大，是在特定的生態(tài)環(huán)境條件下各種與豐產(chǎn)性相關(guān)有利性狀的最佳組配結(jié)果。具體的表型指標(biāo)有半矮稈、穗大且直立、分蘗力中等。

理想株型的選育是提高水稻抗倒伏能力的重要途徑，也是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。1(Ideal Plant Architecture 1)是控制水稻理想株型的主效基因，該基因編碼的含SBP-box的轉(zhuǎn)錄因子參與了多個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程的調(diào)控。1對(duì)水稻株型和產(chǎn)量具有促進(jìn)作用，是由于1含有miR156的靶位點(diǎn)，在體內(nèi)會(huì)以轉(zhuǎn)錄切割和翻譯抑制2種形式被miR156調(diào)控。如果1基因的第3個(gè)外顯子發(fā)生C到A的點(diǎn)突變，會(huì)影響miR156對(duì)1的結(jié)合，進(jìn)而破壞miR156對(duì)1的調(diào)控作用，最終導(dǎo)致1轉(zhuǎn)錄本和蛋白量同時(shí)升高。轉(zhuǎn)基因研究表明，盡管點(diǎn)突變導(dǎo)致了氨基酸的改變，但是該突變沒有改變1蛋白的功能，1高表達(dá)產(chǎn)生分蘗少、莖稈粗壯、穗大粒多的理想株型并獲得10%以上的增產(chǎn)。

然而，1如何影響株型以及1是否與其他控制株型的基因存在互作關(guān)系仍然未知。李家洋團(tuán)隊(duì)通過Chip-seq方法，在全基因組范圍內(nèi)找到多個(gè)1直接靶向的位點(diǎn)，證明IPA1是調(diào)控水稻株型的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。他們發(fā)現(xiàn)1能夠直接結(jié)合到Rice Teosinte Branched 1 (1)基因啟動(dòng)子區(qū)域的GTAC motif以及直接正向調(diào)控 Dense and Erect Panicle (1)基因，其中1與玉米中控制分蘗的關(guān)鍵基因1基因同源。1基因抑制水稻分蘗的產(chǎn)生，1基因控制水稻穗型，進(jìn)而影響株高以及圓錐花序的長(zhǎng)度。通過對(duì)1靶標(biāo)基因功能的闡明將有助于理解植物株型潛在的分子機(jī)制，進(jìn)一步促進(jìn)理想株型的育種應(yīng)用。

最近李家洋團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用酵母雙雜交的方法，篩選到一個(gè)與IPA1在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)生互作的蛋白IPA1 Interacting Protein 1(IPI1)，該基因編碼一個(gè)Ring-finger E3連接酶。在圓錐花序中，1基因可以促進(jìn)IPA1的降解，然而1可以使IPA1在莖尖中穩(wěn)定表達(dá)。與野生型相比，IPI1突變體株型明顯被改變，表現(xiàn)為水稻分蘗數(shù)增多，圓錐花序伸長(zhǎng)以及單株產(chǎn)量的提高等特性。另外，在莖尖組織中，IPI1能夠?qū)PA1進(jìn)行多聚泛素化修飾以調(diào)控其蛋白含量，但是在不同的組織中，泛素化修飾的類型是不同的，泛素化修飾的差異決定了IPA1蛋白是降解還是穩(wěn)定的狀態(tài)。這些結(jié)果都證明，在不同的水稻組織中，IPI1通過對(duì)IPA1蛋白水平的精確調(diào)控來影響水稻株型，這些發(fā)現(xiàn)將會(huì)為水稻理想株型的培育工作帶來新的視角和策略。

李家洋科研團(tuán)隊(duì)與何祖華科研團(tuán)隊(duì)通過合作，利用YY12超級(jí)稻品種的原始品系克隆了調(diào)控株型的主效基因81-2，該位點(diǎn)位于大片段三元串聯(lián)重復(fù)序列中，處于1基因的上游，這段基因組結(jié)構(gòu)變異使啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平降低，1基因表達(dá)量升高，從而產(chǎn)生了具有適當(dāng)分蘗數(shù)量的理想株型?？茖W(xué)家們進(jìn)一步研究也發(fā)現(xiàn)IPA1對(duì)水稻株型也有著精細(xì)劑量的調(diào)控效應(yīng)，利用不同的等位基因組合能夠創(chuàng)造不同的基因表達(dá)水平，從而合理地平衡分蘗數(shù)和穗粒數(shù)因素，實(shí)現(xiàn)最高的產(chǎn)量潛力。這些研究為解析水稻株型精細(xì)調(diào)控機(jī)理奠定了基礎(chǔ)，也為分子設(shè)計(jì)育種提供了技術(shù)途徑。

獨(dú)腳金內(nèi)酯作為一種新型植物激素在植物株型形成過程中發(fā)揮了重要作用，能夠作為一種信號(hào)分子長(zhǎng)距離傳輸進(jìn)而抑制側(cè)芽的生長(zhǎng)，控制側(cè)分枝。對(duì)獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)途徑的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值。李家洋科研團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事水稻株型建成機(jī)制研究，系統(tǒng)解析了理性株型及獨(dú)角金內(nèi)酯的合成途徑和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。DWARF53(D53)是獨(dú)角金內(nèi)酯信號(hào)通路過程中重要的負(fù)調(diào)控因子，可能調(diào)控了該激素下游響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。最新研究發(fā)現(xiàn)IPA1是D53下游的直接調(diào)控因子，它能夠影響?yīng)毮_金內(nèi)酯基因表達(dá)的改變以及分蘗數(shù)量。IPA1功能缺失突變體出現(xiàn)了分蘗數(shù)量增多的表型結(jié)果，且對(duì)外源施加的激素人工合成類似物rac-GR24不敏感；D53蛋白能夠與IPA1蛋白直接作用，抑制基因的轉(zhuǎn)錄激活活性，進(jìn)而負(fù)調(diào)控下游基因的表達(dá)。該結(jié)果表明，IPA1即D53下游的轉(zhuǎn)錄因子，直接受D53調(diào)控，參與獨(dú)腳金內(nèi)酯激素的信號(hào)途徑。此研究還通過解析IPA1和D53調(diào)控網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，更進(jìn)一步豐富了水稻理想株型的分子機(jī)制，為水稻的分子育種提供了新的策略。

2 水稻產(chǎn)量相關(guān)基因的研究進(jìn)展

3(Grain Size 3)位于水稻3號(hào)染色體上，是首個(gè)被克隆的控制粒型的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)。該基因主要調(diào)控水稻的粒長(zhǎng)和粒重性狀，微效調(diào)控粒寬和粒厚性狀。3的編碼蛋白是包括了4個(gè)結(jié)構(gòu)域的跨膜蛋白，對(duì)粒重起負(fù)調(diào)控作用，這4個(gè)結(jié)構(gòu)域分別是N端為植物特有的控制器官大小OSR(organ size regulation)結(jié)構(gòu)域、腫瘤壞死因子受體/神經(jīng)生長(zhǎng)因子受體TNFR/NGFR、跨膜結(jié)構(gòu)域、C端的C型血管性血友病因子VWFC模塊。其中OSR結(jié)構(gòu)域是一個(gè)起負(fù)調(diào)控作用的關(guān)鍵因子，野生型3等位基因的水稻籽粒長(zhǎng)度為中等，但丟失OSR結(jié)構(gòu)域的突變型水稻籽粒會(huì)變長(zhǎng)，同時(shí)粒重增加。3的C端TNFR/NGFR和VWFC 2個(gè)結(jié)構(gòu)域能夠共同抑制OSR結(jié)構(gòu)域的功能，2個(gè)結(jié)構(gòu)域丟失的突變型水稻籽粒長(zhǎng)度會(huì)變短。通過對(duì)82份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行重測(cè)序發(fā)現(xiàn)，其3可以分為4種等位基因。等位基因3-3與63基因型一致，其包括11個(gè)長(zhǎng)粒的品種，此等位基因造成氨基酸無義突變，導(dǎo)致以上4個(gè)結(jié)構(gòu)域的缺失；3-1和3-2等位基因分別與Zhenshan97和Nipponbare一致，其包含所有預(yù)測(cè)的4個(gè)結(jié)構(gòu)域，籽粒表現(xiàn)為中等長(zhǎng)度；3-4等位基因與Chuan7和一些在第5個(gè)外顯子突變的材料一致，其編碼的蛋白缺少TNFR/NGFR結(jié)構(gòu)域和VWFC結(jié)構(gòu)域，籽粒的長(zhǎng)度受到明顯的抑制。在細(xì)胞水平上，3調(diào)控穎片上表皮細(xì)胞的數(shù)目來影響籽粒長(zhǎng)度，表明3可能在細(xì)胞分裂過程中扮演重要的作用。

水稻穗型的主要調(diào)控基因是19-1。1編碼了一個(gè)G蛋白的γ亞基，該亞基區(qū)域富含半胱氨酸。與動(dòng)物蛋白一樣，植物的G蛋白也包含、、亞基，但區(qū)別是植物通過G蛋白α亞基自發(fā)進(jìn)行GTP與GDP交換從而激活G蛋白，信號(hào)通過α亞基與βγ二聚體分別傳遞，參與植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的生理生化反應(yīng)。1的第5外顯子處發(fā)生637 bp缺失和12 bp插入突變，導(dǎo)致了C端翻譯的提前終止，γ亞基的富含半脫氨酸區(qū)域缺失，該缺失突變?cè)鰪?qiáng)了G蛋白信號(hào)的傳遞，提高分生組織活性，促進(jìn)細(xì)胞增殖，從而表現(xiàn)出每穗粒數(shù)的增加。

1也包含有OSR-like的結(jié)構(gòu)域，推測(cè)3和19-1在負(fù)向調(diào)控細(xì)胞分裂過程中有功能相似性。3和19-1與擬南芥中AGG3同源，其編碼一個(gè)非典型的異源三聚體G蛋白γ亞基。同樣AGG3包含有OSR-like的結(jié)構(gòu)域、TNFR/NGFR結(jié)構(gòu)域和VWFC結(jié)構(gòu)域。3基因依賴G蛋白信號(hào)傳導(dǎo)參與調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞的K離子通道的運(yùn)輸及器官大小，超表達(dá)植物器官變大而突變型器官則變小，細(xì)胞水平的分析證明3主要通過促進(jìn)細(xì)胞的增殖進(jìn)而正向調(diào)控器官的大小。而3基因的γ亞基缺失突變使籽粒長(zhǎng)度增加，相反，OSR結(jié)構(gòu)域的超表達(dá)或1基因γ亞基的獲得性突變能夠使籽粒長(zhǎng)度變短。表明水稻中，3和1基因的G蛋白γ亞基與3基因功能的不同，可能是由于3和1基因G蛋白信號(hào)位置不同或者它們可能調(diào)控獨(dú)立于傳統(tǒng)的G蛋白信號(hào)通路。

胚乳的發(fā)育過程是初生胚乳核進(jìn)行核分裂產(chǎn)生多核細(xì)胞，多核細(xì)胞被細(xì)胞化轉(zhuǎn)化，合體到細(xì)胞化階段影響著水稻籽粒的大小。Ishimaru等利用日本晴和Kasalath衍生的高代回交群體定位到一個(gè)控制千粒重的數(shù)量性狀基因6，精細(xì)定位能夠?qū)⑵鋮^(qū)間縮小在4.9 kb范圍之內(nèi)，基因預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)該區(qū)間僅有一個(gè)候選基因。6(Thousand Grain Weight 6)基因編碼了一個(gè)吲哚乙酸-葡萄糖水解酶，該產(chǎn)物能夠使吲哚乙酸-葡萄糖的結(jié)合物水解為吲哚乙酸和葡萄糖單體。與日本晴的基因序列相比對(duì)， Kasalath的6等位基因序列中有6個(gè)堿基發(fā)生了同義突變，另外1個(gè)堿基的缺失使蛋白的翻譯提前終止。6基因功能的缺失導(dǎo)致胚乳中游離吲哚乙酸含量下降，進(jìn)而細(xì)胞數(shù)量增加，粒重和粒長(zhǎng)也隨之增加，該基因?qū)αｉL(zhǎng)性狀起負(fù)調(diào)控作用。除此之外，6還間接參與了源庫之間碳水化合物的運(yùn)輸。日本晴品種的6等位基因通過調(diào)控IAA供應(yīng)影響合體到細(xì)胞化的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而限制了庫器官的細(xì)胞數(shù)目和籽粒長(zhǎng)度，而Kasalath中6等位基因功能喪失會(huì)導(dǎo)致籽粒重量增加實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

77(Grain Length 7/Grain Weight 7)是一個(gè)數(shù)量性狀基因，控制著粒長(zhǎng)和粒重。該基因編碼的TONNEAU1招募基序蛋白與擬南芥的LONGIFOLIA蛋白是同源，后者能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞縱向伸長(zhǎng)。基因功能分析研究表明，該位點(diǎn)發(fā)生的大片段重復(fù)使表達(dá)量上升，同時(shí)相連鎖的2個(gè)負(fù)調(diào)控因子表達(dá)量下降，最終表型上粒長(zhǎng)和千粒重有所增加，而堊白度和堊白米率降低顯著，改善了稻米品質(zhì)的同時(shí)而產(chǎn)量未受影響。7基因表達(dá)量的上調(diào)使縱向細(xì)胞分裂數(shù)目增加了而橫向細(xì)胞分裂減少，最終細(xì)長(zhǎng)籽粒增多。進(jìn)一步的分析表明，OsSPL16/GW8能夠與7基因的啟動(dòng)子區(qū)域直接結(jié)合從而抑制該基因的表達(dá)。上述研究表明77基因的克隆對(duì)于水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

7(grain length and wieight on chromosome 7)編碼一個(gè)植物特有的轉(zhuǎn)錄因子OsSPL13，控制粒長(zhǎng)和粒重。筆者通過對(duì)40個(gè)熱帶和341個(gè)溫帶粳稻品種的全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)，將7定位于第7染色體的18.5～21.0 Mb區(qū)段。經(jīng)過進(jìn)一步的關(guān)聯(lián)分析以及表達(dá)分析，最終確定7為13。該基因是個(gè)正向的調(diào)控因子，可通過增大穎殼細(xì)胞的大小，進(jìn)而促進(jìn)籽粒伸長(zhǎng)，最終顯著地提高產(chǎn)量。筆者發(fā)現(xiàn)，7表達(dá)和翻譯水平受其啟動(dòng)子上一個(gè)串聯(lián)重復(fù)序列影響，而13在這些大粒的熱帶粳稻品種中表達(dá)量較高。通過進(jìn)化分析的研究表明，熱帶粳稻的7大粒等位基因是經(jīng)人工選擇從秈稻滲入而來。

關(guān)于水稻穗發(fā)育基因的研究結(jié)果表明，(frizzy panicle)能夠阻止腋芽分生組織的形成同時(shí)建立起花序分生組織，并與水稻產(chǎn)量關(guān)聯(lián)緊密。是一個(gè)重要的發(fā)育基因，編碼蛋白如果改變水稻就無法結(jié)實(shí)；而控制基因的表達(dá)量可以控制水稻的產(chǎn)量?；虻谋磉_(dá)功能強(qiáng)，水稻籽粒就變大，數(shù)量減少；基因的表達(dá)功能弱，水稻籽粒就變小，數(shù)量增加。因此FZP表達(dá)量的變化調(diào)控著每穗粒數(shù)和千粒重之間的平衡，也是水稻產(chǎn)量最大化的潛在利用因素。邢永忠研究團(tuán)隊(duì)利用粒型表現(xiàn)差異顯著的親本Chuan7和Nanyangzhan構(gòu)建群體，通過圖位克隆的方法發(fā)現(xiàn)在Chuan7的基因上游5.3 kb處有一個(gè)轉(zhuǎn)錄沉默子發(fā)生了復(fù)制使拷貝數(shù)變異，片段長(zhǎng)度18 bp，最終使Chuan7里有2個(gè)18 bp片段串聯(lián)在一起，影響著水稻的千粒重和每穗粒數(shù)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄抑制子OsBZR1結(jié)合了CNV-18 bp中的基因序列，使該基因的表達(dá)受到抑制。而發(fā)生了18 bp串聯(lián)重復(fù)的基因比單個(gè)拷貝的基因表達(dá)量低，使得籽粒略微變小而籽粒數(shù)量增加；最終千粒重大概減少了10%左右，每穗粒數(shù)增加40%～50%，單位穗數(shù)差異不大，而產(chǎn)量高出了15%左右。絕大多數(shù)水稻只有1個(gè)18 bp片段，只有分布在印度、孟加拉等東南亞國家的少數(shù)品種才有2個(gè)自然發(fā)生變異的串聯(lián)重復(fù)。該成果在水稻增產(chǎn)育種領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1(number of grains 1)編碼烯酰-CoA水合酶/異構(gòu)酶蛋白，通過增加每穗粒數(shù)來提高水稻產(chǎn)量。該基因的功能位點(diǎn)是其啟動(dòng)子區(qū)域的12 bp的插入可以增加1基因的表達(dá)量，增強(qiáng)烯酰-CoA水合酶的活性，減少了脂肪酸和亞麻酸的含量，體內(nèi)JA含量降低，進(jìn)而增加每穗粒數(shù)提高產(chǎn)量。將1基因?qū)氲剿酒贩NZhonghua17(不含NOG1位點(diǎn))，其產(chǎn)量可提高25.8%。而且在水稻品種Teqing中過表達(dá)該基因可以提高產(chǎn)量達(dá)19.5%，同時(shí)，其他農(nóng)藝性狀沒有受到影響。該研究表明，1的優(yōu)良等位基因?qū)λ井a(chǎn)量的提高有著重要的意義，進(jìn)一步解析1的分子機(jī)制將對(duì)水稻產(chǎn)量的提高提供理論依據(jù)。

3 展望

通過對(duì)水稻產(chǎn)量相關(guān)性狀(株型、籽粒性狀)的分子機(jī)理進(jìn)行研究，克隆其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中不同環(huán)節(jié)上控制產(chǎn)量性狀的關(guān)鍵基因，從而揭示影響水稻產(chǎn)量基因的遺傳機(jī)制，不僅能夠促進(jìn)對(duì)于植物發(fā)育模式的理解，而且能為作物遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。同時(shí)應(yīng)用基因編輯技術(shù)CRISPR/Cas9，分離和鑒定水稻等重要糧食作物中產(chǎn)量性狀的突變體及其相應(yīng)的調(diào)節(jié)因子，也將有助于揭示控制作物生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)理，進(jìn)而通過遺傳操作改良現(xiàn)有作物品種的株型，提高產(chǎn)量，從而緩解糧食供需矛盾，為解決當(dāng)前人類所面臨的糧食危機(jī)提供一個(gè)新的突破口。同時(shí)，水稻作為單子葉模式作物，對(duì)其進(jìn)行的研究結(jié)果也將為其他作物的研究提供重要的參考價(jià)值，利用雙子葉植物和單子葉植物之間生長(zhǎng)發(fā)育控制機(jī)制的保守性，人們就可通過反向遺傳學(xué)的手段定向地改造植物株型，培育出具有理想株型的作物新品種。