水稻直播適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)與育種策略

閆曉霞，王 豐，柳武革，廖亦龍，朱滿山，付崇允，霍 興，劉迪林

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省育種新技術(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）

隨著人口增長(zhǎng)及資源約束，保證充足的糧食生產(chǎn)成為人類的巨大挑戰(zhàn)［1］。水稻是全球約50%人口的主糧，在保障人類糧食安全方面發(fā)揮著核心作用。目前水稻生產(chǎn)大多采用移栽方式，費(fèi)力費(fèi)工、生產(chǎn)效率低、資源利用率低，在勞動(dòng)力短缺、耕地和水資源緊張的背景下，水稻育秧移栽的傳統(tǒng)方式面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)［2］。而水稻直播直接將水稻種子播到大田，無需育秧和移栽，與移栽相比省工、省力、省秧田，而且可以達(dá)到與移栽水稻相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益良好，近年來在廣東、江蘇、浙江、湖南、湖北、江西等省份迅速推廣，正在成為我國水稻生產(chǎn)的重要方式之一［2-3］。

根據(jù)播種時(shí)大田水分狀況，水稻直播可分為旱直播、濕直播和水直播［4］，直播水稻生產(chǎn)中普遍面臨“全苗難、草害重、易倒伏”三大突出問題。全苗難是導(dǎo)致直播稻產(chǎn)量不高不穩(wěn)的首要因素，能否全苗直接影響群體的起點(diǎn)苗數(shù)，進(jìn)而影響群體質(zhì)量和最終產(chǎn)量。其次，雜草是直播生產(chǎn)的主要生物制約因素，可造成減產(chǎn)30%～80%，直播稻的成功很大程度上取決于有效的雜草管理［5］。稻田的雜草種類繁多，水稻和雜草的生長(zhǎng)期重疊，容易發(fā)生“草欺苗”的現(xiàn)象。此外，易倒伏也是直播稻生產(chǎn)的突出問題。由于水稻種子直接播種在稻田表面，根系下扎不深，直播稻的用種量大，到中后期水稻群體較大造成通風(fēng)透光性差，且水稻植株間爭(zhēng)奪養(yǎng)分，最終水稻基部節(jié)間較長(zhǎng)，后期易倒伏，既妨礙收割，又降低產(chǎn)量和品質(zhì)［6-8］。

針對(duì)上述三大問題，在出苗、防草和抗倒伏三方面對(duì)直播專用稻的品種特性提出更高要求。一個(gè)理想的直播稻品種，需要“易出苗、能防草、抗倒伏”，既要具備很強(qiáng)的逆境發(fā)芽成苗能力，如耐淹水萌發(fā)、耐低溫發(fā)芽和頂土出苗能力等，又要在苗期具有早生快發(fā)、抑制雜草生長(zhǎng)或抗除草劑的特性，同時(shí)還要有較強(qiáng)的抗倒伏性，這三大特性構(gòu)成了水稻直播適應(yīng)性的核心性狀。要加快直播稻品種的培育，必須加強(qiáng)對(duì)水稻直播適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)解析，充分利用水稻資源庫中存在的豐富自然變異和現(xiàn)代基因組技術(shù)，通過基因定位、全基因組關(guān)聯(lián)分析和圖位克隆等方法，挖掘優(yōu)異等位基因，為直播稻品種的精準(zhǔn)培育提供充足的基因資源。通過分子育種和常規(guī)育種技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多基因的快速高效聚合，培育新型的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗直播專用品種［9-10］。

本文圍繞直播稻“出苗、防草、抗倒”三大方面，對(duì)水稻直播適應(yīng)性的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行梳理，重點(diǎn)闡述控制直播適應(yīng)性的關(guān)鍵基因及育種進(jìn)展，并探討了直播專用稻的培育策略，以期為直播品種培育和直播稻生產(chǎn)的健康發(fā)展提供參考。

1 直播出苗的遺傳基礎(chǔ)

受環(huán)境溫度、淹水和田地平整度等因素限制，直播稻出苗面臨多重環(huán)境脅迫，如低氧、低溫和土壤壓迫等。選育具備低氧萌發(fā)、低溫萌發(fā)和頂土出苗特性的水稻品種，對(duì)于直播稻正常全苗至關(guān)重要［9-13］。

1.1 低氧萌發(fā)性

水稻低氧萌發(fā)性是指種子在淹水等低氧條件下正常萌發(fā)和生長(zhǎng)的能力。為了在低氧條件下萌發(fā)成苗，水稻進(jìn)化出“代謝適應(yīng)”和“逃逸”等策略，包含信號(hào)傳導(dǎo)、生理變化和形態(tài)適應(yīng)三層響應(yīng)［13-15］。與其他大田作物不同，水稻是半水生沼澤植物，部分水稻種質(zhì)的胚芽鞘在淹水環(huán)境下快速伸長(zhǎng)，到達(dá)水面后將氧氣輸送到種子，形成有葉和根的幼苗［15-16］。

對(duì)大量水稻種質(zhì)資源的篩選表明，多數(shù)水稻品種在淹水條件下發(fā)芽成苗能力弱，低氧萌發(fā)性好的種質(zhì)占比一般在2%以內(nèi)［15，17-22］。例如，陳振挺采用250 份中國水稻微核心種質(zhì)模擬直播淹水條件，發(fā)現(xiàn)成苗率達(dá)70%以上的品種只有4 份，僅占1.6%［18］。Angaji 等［21］對(duì)8 114 份水稻材料進(jìn)行淹水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)成苗率超過70%的僅19份，占0.23%，多數(shù)是地方品種，最具代表性的是源自緬甸的Khao Hlan On（KHO）和源自中國的Ma-Zhan Red（MZR）。

通過基因定位，已鑒定到大量控制低氧萌發(fā)性 的QTL［11-12，21，23-28］。Baltazar 等［11］利 用IR64和地方品種Kharsu 80A 的F2:3群體，檢測(cè)到4 個(gè)QTL（qAG7.1、qAG7.2、qAG7.3和qAG3），解釋表型變異的8.1%～12.6%。Angaji 等［21］利用IR64/KHO 的分離群體鑒定到5 個(gè)控制水稻淹水成苗的QTL，解釋表型變異的17.9%～33.5%，其中表型貢獻(xiàn)最大的是AG1（qAG9-2）。Baltazar 等［23］利用IR64/Nanhi 的F2:3群體，定位到3 個(gè)QTL，其中qAG7貢獻(xiàn)率達(dá)22.3%。Ghosal 等［24］報(bào)道了控制低氧脅迫下存活率的主效位點(diǎn)qSUR7-1，貢獻(xiàn)率超過30%。Septiningsih 等［26］鑒定到來自Ma-Zhan Red 的主效QTL AG2（qAG7.1），其中qAG7.1、qSUR7-1和qAG7位于染色體相近區(qū)域，可能由同一基因控制。在不同群體被反復(fù)檢測(cè)到的主效位點(diǎn)AG1（qAG9-2）和AG2（qAG7.1），是培育直播稻專用品種的重要基因資源，二者已用于分子育種［20］。

近年來，全基因組關(guān)聯(lián)分析在水稻低氧萌發(fā)性的遺傳解析方面發(fā)揮了較大作用。結(jié)合關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析，Hsu 等［25］鑒定到一個(gè)效應(yīng)值高達(dá)27%的淹水萌發(fā)主效QTL，與IR64/KHO 群體中的qAG1-2重疊，增效等位基因來自日本晴，區(qū)間內(nèi)包含己糖激酶基因HXK6。Zhang 等［29］利用432 份秈稻進(jìn)行的全基因組關(guān)聯(lián)分析，結(jié)合胚芽鞘表達(dá)譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1 個(gè)編碼DUF 結(jié)構(gòu)域蛋白的基因，與萌發(fā)期耐淹性高度相關(guān)，且該基因受缺氧誘導(dǎo)。Nghi 等［30］在273 份粳稻的關(guān)聯(lián)分析中，找到11 個(gè)可能調(diào)控胚芽鞘長(zhǎng)度的顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)。Su 等［31］通過關(guān)聯(lián)分析，檢測(cè)到26 個(gè)淹水萌發(fā)性相關(guān)的SNP 位點(diǎn)，并預(yù)測(cè)了4 個(gè)候選基因。

采用關(guān)聯(lián)分析、圖位克隆和反向遺傳學(xué)等策略，已功能驗(yàn)證了一些低氧萌發(fā)基因，增進(jìn)了對(duì)淹水萌發(fā)調(diào)控機(jī)制的理解［27，32-36］。Kretzschmar等［27］采用圖位克隆策略，從緬甸地方品種KHO中克隆到海藻糖6-磷酸磷酸酯酶基因OsTPP7；OsTPP7 將海藻糖-6-磷酸（T6P）轉(zhuǎn)化為海藻糖，作為能量傳感器的核心，根據(jù)局部組織蔗糖的多少來確定合成或分解，激活胚芽鞘中Amy3 的表達(dá)，增強(qiáng)種子萌發(fā)過程淀粉動(dòng)員、促進(jìn)胚芽鞘生長(zhǎng)，提高種子厭氧萌發(fā)能力。OsTPP7在國際水稻研究所（IRRI）30%以上的衍生品種中缺失，但是存在于多數(shù)粳稻品種中，但在273 份粳稻群體中并未發(fā)現(xiàn)OsTPP7基因的SNP 多態(tài)性和轉(zhuǎn)錄變異與淹水下的胚芽鞘長(zhǎng)度變異存在關(guān)聯(lián)［30］。Ye 等［32］發(fā)現(xiàn)OsCBL10基因的啟動(dòng)子變異與淹水萌發(fā)性顯著關(guān)聯(lián)，OsCBL10啟動(dòng)子可分為耐淹型（T 型）和不耐淹型（I 型），OsCBL10在耐淹型品種中低水平表達(dá)，而其高表達(dá)降低了淹水萌發(fā)性，因此OsCBL10 是低氧信號(hào)通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子。Zhang 等［33］、Ma 等［34］利用反向遺傳學(xué)策略，鑒定到2 個(gè)淹水發(fā)芽的負(fù)調(diào)控因子OsEBP89和OsFLZ18。其中，乙烯響應(yīng)因子OsEBP89 是AP2/ERF 亞家族成員，該基因受淹水脅迫誘導(dǎo)，敲除后可提高淹水發(fā)芽率，OsEBP89 蛋白可與SnRK1α 蛋白相互作用并被其磷酸化［33］；類似地，Ma 等［34］對(duì)水稻中的類FCS 鋅指蛋白進(jìn)行了全基因組鑒定，發(fā)現(xiàn)8 個(gè)OsFLZ 蛋白與SnRK1A 相互作用，其中OsFLZ18 與SnRK1A 相互作用并抑制SnRK1A 轉(zhuǎn)錄激活活性，從而調(diào)節(jié)其靶基因Amy3的表達(dá)，OsFLZ18 的過表達(dá)株系在淹水后幼苗生長(zhǎng)延遲、胚芽鞘縮短。有證據(jù)表明，表觀遺傳途徑也參與水稻缺氧萌發(fā)的調(diào)控。Castano-duque等［35］通過對(duì)2 700 份（雨季）和1 500 份（旱季）水稻材料進(jìn)行缺氧發(fā)芽率的關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)甲基化途徑相關(guān)基因CLSY1參與缺氧萌發(fā)。此外，結(jié)合基因定位、關(guān)聯(lián)分析、差異表達(dá)分析及序列變異信息等，預(yù)測(cè)了一批淹水發(fā)芽相關(guān)的候選基因，這些基因涵蓋轉(zhuǎn)錄因子、酶類、熱激蛋白和表達(dá)蛋白等［17，37-40］。

1.2 低溫萌發(fā)力

低溫是限制直播稻成苗的主要因素之一。在我國華南和長(zhǎng)江中下游雙季稻區(qū)，春季直播往往會(huì)遭遇“倒春寒”引起的低溫冷害，影響種子萌發(fā)和正常生長(zhǎng)，嚴(yán)重威脅早稻直播生產(chǎn)的安全性，這就要求直播品種具有較高的低溫萌發(fā)力。Fujino 等［41］利用多種分離群體，已鑒定到數(shù)十個(gè)控制低溫發(fā)芽力的QTL，其中qLTG3-1是為數(shù)不多已克隆的低溫萌發(fā)基因，該基因來自溫帶粳稻品種Italica Livorno，能顯著增強(qiáng)低溫發(fā)芽勢(shì)，只有1 個(gè)外顯子，編碼蛋白全長(zhǎng)184 個(gè)氨基酸，含有GRP 結(jié)構(gòu)域和LTP 結(jié)構(gòu)域；qLTG3-1基因的表達(dá)不受低溫誘導(dǎo)，在種子萌發(fā)過程中，其在糊粉層和覆蓋胚芽鞘的上胚層表達(dá)，可能調(diào)控這些組織的細(xì)胞液泡化，引起這些組織的松弛而提高低溫下的發(fā)芽勢(shì)。OsSAP16是首個(gè)利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）鑒定到的低溫萌發(fā)基因，編碼1 個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)域蛋白，其表達(dá)水平和低溫萌發(fā)力顯著正相關(guān)［42］。Wang 等［43］在麗江新團(tuán)黑谷/沈農(nóng)265 的重組自交系群體中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)低溫萌發(fā)力QTL，分別對(duì)應(yīng)上述的qLTG3-1和OsSAP16，測(cè)序證實(shí)麗江新團(tuán)黑谷同時(shí)含有qLTG3-1和OsSAP16，因此，麗江新團(tuán)黑谷是用于低溫萌發(fā)力改良的優(yōu)異供體。Li 等［44］鑒定到3 個(gè)低溫萌發(fā)力QTL，其中qLTG-9精細(xì)定位在9號(hào)染色體72.3 kb 的區(qū)間內(nèi)。Shim 等［45］利用粳稻和普通野生稻構(gòu)建的種間分離群體，鑒定到源自普通野生稻的低溫發(fā)芽主效位點(diǎn)qLTG1。楊梯豐等［46］結(jié)合GWAS 和單片段代換系，在10 號(hào)染色體上精細(xì)定位到1 個(gè)全新的低溫萌發(fā)QTL，并鑒定了候選基因。Yang 等［47］在另一項(xiàng)GWAS研究采用200 份秈稻資源，結(jié)合關(guān)聯(lián)分析和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，最終鑒定到低溫萌發(fā)相關(guān)的3 個(gè)差異表達(dá)基因。

1.3 頂土出苗能力

胚軸的伸長(zhǎng)是種子萌發(fā)后頂土出苗的動(dòng)力，中胚軸的伸長(zhǎng)與禾本科植物出苗直接相關(guān)。旱直播條件下，頂土出苗能力對(duì)于直播成苗十分關(guān)鍵，具有優(yōu)良的中胚軸伸長(zhǎng)能力的種質(zhì)在頂土出苗速率和整齊度方面均表現(xiàn)突出［48］。目前，利用不同的群體和方法，定位了控制中胚軸伸長(zhǎng)的大量QTL，并已成功克隆3 個(gè)控制水稻中胚軸伸長(zhǎng)的基因［48-53］。Lyu 等［51］敲除植物多胺氧化酶基因OsPAO5后，發(fā)現(xiàn)中胚軸伸長(zhǎng)、出苗更快、產(chǎn)量提高，可以用于直播稻品系的創(chuàng)制，OsPAO5啟動(dòng)子區(qū)的SNP 自然變異影響其表達(dá)水平，在中胚軸馴化中受到選擇。Xiong 等［52］通過對(duì)1 個(gè)高腰兒突變體gaoyao1（gy1）的遺傳分析，圖位克隆了調(diào)控中胚軸和胚芽鞘伸長(zhǎng)的基因GY1及其優(yōu)異等位變異GY1376T，其中GY1 編碼1 個(gè)葉綠體定位的磷脂酶A1 蛋白，通過促進(jìn)茉莉酸的合成從而抑制中胚軸和胚芽鞘的伸長(zhǎng)。乙烯信號(hào)通路通過抑制GY1及其他茉莉酸合成途徑基因的表達(dá)來下調(diào)茉莉酸的含量，促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)，進(jìn)而調(diào)控水稻中胚軸和胚芽鞘長(zhǎng)度；優(yōu)異等位變異GY1376T的存在與長(zhǎng)中胚軸密切相關(guān)，可用于培育新型旱直播水稻品種。Sun 等［53］通過水稻中胚軸長(zhǎng)度的GWAS 分析，證明油菜素甾醇（Brassinosteroids，BRs）信號(hào)通路的關(guān)鍵組分OsGSK2 調(diào)控中胚軸長(zhǎng)度，其編碼區(qū)的等位變異決定了水稻中胚軸長(zhǎng)度的自然變異和從野生稻到栽培稻的馴化，這一過程受BRs 和獨(dú)腳金內(nèi)酯的共同調(diào)控。以上功能基因都具有優(yōu)異的自然等位變異，為通過改良水稻中胚軸伸長(zhǎng)從而促進(jìn)水稻直播品種的培育提供了基因資源。

2 直播稻防草的遺傳基礎(chǔ)

草害是影響水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的重要制約因素之一［5］。隨著直播稻生產(chǎn)面積的擴(kuò)大，稻田草害的問題日益突出。我國稻田雜草常見的有40 多種，如稗草、千金子、異型莎草、節(jié)節(jié)草、鴨舌草和水莧菜等［54］。由于稻田雜草的侵害，水稻的產(chǎn)量損失可達(dá)40%以上。作為田間除草的有效方法之一，除草劑具有高效、經(jīng)濟(jì)、省力的優(yōu)點(diǎn)。但噴施除草劑可能對(duì)水稻帶來危害，培育具有除草劑抗性的水稻品種成為防治直播稻田雜草危害的關(guān)鍵［55］。此外，利用水稻苗期快速生長(zhǎng)和抑制雜草生長(zhǎng)的特性來增強(qiáng)水稻對(duì)雜草的直接競(jìng)爭(zhēng)能力，也是防止“草欺苗”現(xiàn)象的有效途經(jīng)。

2.1 除草劑抗性基因

目前，通過誘變篩選策略已獲得一些水稻抗除草劑突變體，主要涉及乙酰乳酸合成酶ALS、5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸酯合成酶EPSPS、乙酰輔酶A 羧化酶ACCase 及對(duì)羥苯基丙酮酸雙氧化酶HPPD 等除草劑靶標(biāo)位點(diǎn)［54］。例如，貴州大學(xué)通過EMS 誘變獲得抗草甘膦突變體osgr-1，是OsEPSPS 酶3 個(gè)氨基酸突變導(dǎo)致［56］；抗咪唑啉酮類除草劑突變體，是乙酰乳酸合成酶OsALS基因突變所致［57］。從資源材料中也篩選到自然突變體，例如抗咪唑啉酮類除草劑材料金粳818，其ALS基因編碼區(qū)1 880 位堿基G 轉(zhuǎn)換為A，該突變與抗除草劑紅米strawhullR 突變位點(diǎn)相同，并設(shè)計(jì)了用于分子育種的功能標(biāo)記，ALS基因抗除草劑位點(diǎn)包括至少9 種氨基酸變異，不同位點(diǎn)突變決定了咪唑啉酮類除草劑抗性水平的差異［58-59］。其中，在ALS基因上新發(fā)現(xiàn)的W548M突變，對(duì)所有ALS 類除草劑都具有抗性，且對(duì)咪唑啉酮類除草劑的抗性水平比傳統(tǒng)的S627N 突變體提高了10 倍［59］。畢俊國等［60］從30 570 份水稻種質(zhì)資源中篩選到1 份抗咪唑啉酮類除草劑的新種質(zhì)（編號(hào)R16-4），其突變位點(diǎn)也是ALS基因編碼區(qū)1 880 位的G/A 突變，R16-4 為偏秈型的水稻導(dǎo)入系，抗性表現(xiàn)為顯性遺傳。

最近，日本科學(xué)家鑒定到HIS1（Hpdd Inhibitor Sensitive 1）基因，編碼1 個(gè)Fe（Ⅱ）/2-氧戊二酸依賴性加氧酶，可以催化羥基化反應(yīng)使β-三酮類除草劑失去毒性，對(duì)雙環(huán)磺草酮（bTH benzobicyclon，BBC）及其他4 種β-三酮類除草劑具有廣譜抗性［61］，該基因第4 個(gè)外顯子28 bp 缺失導(dǎo)致對(duì)除草劑敏感，而該基因第1、5 外顯子插入逆轉(zhuǎn)座子Tos17 可以介導(dǎo)BBC 抗性［62］。絕大部分粳稻中含有功能性的HIS1等位基因，對(duì)雙環(huán)磺草酮表現(xiàn)抗性；相反，很多秈稻對(duì)雙環(huán)磺草酮敏感。秈稻中發(fā)現(xiàn)兩種功能喪失型等位變異：一類是上述的28 bp 缺失，另一類是1 510 位的T/G 突變，且后者發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于前者［63］。

2.2 雜草競(jìng)爭(zhēng)性

由于除草劑的環(huán)境殘留問題，雜草防除的另一個(gè)方向是增強(qiáng)水稻對(duì)雜草的直接競(jìng)爭(zhēng)能力。培育早生快發(fā)、早期生長(zhǎng)旺盛的水稻，可以有效遏制雜草。此外，化感水稻品種可以通過向環(huán)境分泌化感物質(zhì)抑制雜草生長(zhǎng)，一般可以減少雜草32%～60%。來自美國的PI321777 是1 個(gè)強(qiáng)化感材料，其中的苯丙氨酸解氨酶OsPAL2;3 啟動(dòng)子活性高是調(diào)控其化感抑草能力的原因之一，該基因可作為提高化感抑草潛力的候選基因［64］。從我國的稻種資源中，也挖掘出蟻公包（臺(tái)灣品種）和地谷（云南品種）兩份地方資源，對(duì)無芒稗的控制效果均顯著好于PI312777［65］。目前，國內(nèi)已有化感水稻品種培育的報(bào)道，例如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)培育的化57S 和化兩優(yōu)78 等［66］。

3 直播稻抗倒伏的遺傳基礎(chǔ)

抗倒伏性是直播稻品種的理想性狀之一，它有助于提高水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，提高機(jī)收效率［62］。20 世紀(jì)50 年代末，半矮稈基因sd1被成功應(yīng)用于水稻育種，在提高水稻產(chǎn)量和解決水稻倒伏問題等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，但是sd1基因也降低了氮肥利用效率和生物量，使得水稻進(jìn)一步增產(chǎn)的難度加大。近年來，隨著水稻直播栽培的推廣，水稻倒伏現(xiàn)象日益嚴(yán)重。影響倒伏的主要因素有水稻株型、根系生長(zhǎng)、莖稈結(jié)構(gòu)和細(xì)胞壁化學(xué)成分［67］。已經(jīng)鑒定到多個(gè)抗倒伏性相關(guān)的QTL，包括prl5、BSU11、SCM2、SCM3等［68-76］。其中，抗倒伏座位prl5來自秈稻品種Kasalath，具有增強(qiáng)莖稈抗推力的作用，它通過延緩葉片衰老和增加莖稈的碳水化合物積累，增強(qiáng)基部莖稈的機(jī)械強(qiáng)度，從而提高抗倒伏性，但不影響水稻產(chǎn)量和株高［68-69］。另一個(gè)抗莖彎曲的位點(diǎn)BSUC11，主要影響總纖維素含量，在水稻成熟后防止上部莖稈的支撐力下降。利用圖位克隆法，克隆了APO1基因（即SCM2），既調(diào)控穗部結(jié)構(gòu)、增加穗數(shù)，又增強(qiáng)莖稈強(qiáng)度和厚度［72］。SCM3對(duì)應(yīng)的基因被鑒定為OsTB1/FC1，該基因作用于獨(dú)角金內(nèi)酯下游，抑制水稻側(cè)芽伸出，負(fù)調(diào)控水稻分蘗數(shù)［74］。Yadav 等［75］報(bào)道了兩個(gè)主效QTL 位點(diǎn)qSC1.1和qCS1.1，它們分別控制莖粗和莖稈強(qiáng)度。Jiang 等報(bào)道了位于2 號(hào)染色體的1 個(gè)穩(wěn)定表達(dá)QTL［76］，候選基因可能涉及細(xì)胞分裂素信號(hào)、細(xì)胞周期信號(hào)和NAC 轉(zhuǎn)錄因子信號(hào)等生物過程?？刂魄o粗和莖稈厚度的位點(diǎn)qCd6和qCt6，與SCM2/APO1及qBs2（抗彎曲脅迫）重疊，位于SCM4附近［77］。通過關(guān)聯(lián)分析，在bc3和SCM3同一位置鑒定到控制莖粗的QTL［78］。此外，水稻直播中的根倒伏現(xiàn)象嚴(yán)重，亟需加強(qiáng)水稻根系性狀研究。Uga 等［79］克隆了1 個(gè)控制根生長(zhǎng)角度的數(shù)量性狀位點(diǎn)DRO1，該基因的高表達(dá)可以增加根向下彎曲的角度，改變根系形態(tài)、增加扎根深度。

4 直播稻育種進(jìn)展

水稻直播適應(yīng)性是以“出苗、防草、抗倒”為主體、包含多性狀的綜合性狀體系，其中的核心性狀包括低氧萌發(fā)性、低溫發(fā)芽力、頂土出苗力、除草劑抗性、早生快發(fā)性以及抗倒伏性等。除了除草劑耐受性以外，直播適應(yīng)性涉及的其他性狀都是多基因控制的復(fù)雜性狀，單一性狀的改良可能需要對(duì)多個(gè)基因或QTL 進(jìn)行聚合。由于復(fù)雜數(shù)量性狀之間可能存在相互作用，多個(gè)QTL 或基因的導(dǎo)入和聚合效應(yīng)可能出現(xiàn)協(xié)同或拮抗等作用。因此，在前育種環(huán)節(jié)對(duì)QTL 的聚合效應(yīng)和育種價(jià)值進(jìn)行評(píng)估極為必要［80-82］。

4.1 直播稻品種選育

在美國、澳大利亞、韓國和歐洲等地，直播稻占比高，品種選育重點(diǎn)考慮了直播適應(yīng)性［83-84］。澳大利亞水稻種植面積約15 萬hm2，大約90%的水稻采用飛機(jī)播種，其主要品種有Amaroo、Langi 和Koshikari，每公頃用種量約120 kg［83］。在韓國，最初用于直播栽培的品種均從移栽品種中篩選，主要注重早熟、低溫發(fā)芽和抗倒伏等特性，20 世紀(jì)90 年代開始，韓國設(shè)立了直播品種選育專項(xiàng)，已培育出農(nóng)安、水原420、水原423、益山421、密陽150 等一系列品種用于直播稻生產(chǎn)［84］。

在我國，現(xiàn)有的直播稻品種基本上從移栽稻品種中篩選［85］。通過篩選適宜直播條件的優(yōu)質(zhì)水稻品種，可以充分挖掘和利用現(xiàn)有水稻品種，如彭碧琳等［86］針對(duì)華南雙季稻區(qū)篩選出適宜早晚兩季直播種植的品種五優(yōu)308。此外，直播生產(chǎn)中用得較多的有龍粳21、龍粳31、黃華占等。就直播稻品種要求的逆境發(fā)芽出苗（低溫發(fā)芽、低氧發(fā)芽、頂土出苗）、雜草競(jìng)爭(zhēng)性（耐除草劑、早生快發(fā)）、抗倒伏（少蘗重穗、深根稈壯）等特性而言，還很難找到完全符合要求的直播稻品種。王楚桃等［87］用自育保持系Q2B 與廣東優(yōu)質(zhì)抗稻瘟病材料余航絲苗雜交，回交轉(zhuǎn)育成三系不育系神9A，具有耐低溫淹水發(fā)芽特性。王寶祥等［88］選育出適合黃淮地區(qū)輕簡(jiǎn)栽培（機(jī)插、直播）的水稻新品種連粳15 號(hào)，具有早熟、優(yōu)質(zhì)、抗倒伏、抗病等特點(diǎn)，并總結(jié)出黃淮稻區(qū)直播稻育種主要目標(biāo)：早熟大穗、中胚軸長(zhǎng)、抗逆、偏感光型早熟、抗倒、抗除草劑。

配套使用除草劑和抗除草劑水稻品種是一種高效的直播除草手段。水稻的除草劑耐受系統(tǒng)Clearfield 是一種非轉(zhuǎn)基因耐除草劑水稻生產(chǎn)技術(shù)，對(duì)咪唑啉酮具有耐受性，已在美國通過誘變育種引入并應(yīng)用多年［89-90］。唐曉艷團(tuán)隊(duì)利用EMS 誘變技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)上大面積推廣的優(yōu)質(zhì)稻品種“黃華占”進(jìn)行誘變，成功創(chuàng)制了抗咪唑啉酮的“潔田稻001”，并通過安徽省審定，在直播生產(chǎn)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力［55］。天津市水稻研究所培育了抗咪唑啉酮類除草劑的常規(guī)水稻品種金粳818、津稻372 和金粳518 等，其中金粳818 是首個(gè)國審非轉(zhuǎn)基因抗除草劑粳稻品種，這些抗除草劑品種的培育和應(yīng)用，有望在直播稻育種和生產(chǎn)中發(fā)揮巨大作用（https://www.ricedata.cn/variety/varis/614995.htm）。

4.2 直播稻分子育種

在直播稻分子育種方面，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的策略是分子標(biāo)記輔助回交育種。利用分子標(biāo)記跟蹤目標(biāo)基因，將控制目標(biāo)性狀的QTL 或基因從供體親本向高產(chǎn)主栽品種轉(zhuǎn)移，并保持輪回親本的主要遺傳特性。水稻淹水萌發(fā)性的主效位點(diǎn)AG1（即qAG-9-2，OsTPP7）和AG2，在分子育種中研究較多［80-81，91-93］。國際水稻研究所通過雜交和連續(xù)回交，在IR64 背景中導(dǎo)入AG1位點(diǎn)，培育了近等基因系IR64-AG1，試驗(yàn)證明AG1的導(dǎo)入在不同背景中均提高了萌發(fā)耐淹性，對(duì)產(chǎn)量無負(fù)面影響［91］。通過比較AG1和AG2在高產(chǎn)品種Ciherang 中的效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)二者顯著提高萌發(fā)耐淹性，導(dǎo)入系在淹水條件下的增產(chǎn)幅度達(dá)2.8 t/hm2，且AG1和AG2的導(dǎo)入在正常和淹水條件下，對(duì)出苗、生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量都沒有不良影響［80］。對(duì)AG1與其他重要基因的聚合效應(yīng)也進(jìn)行了評(píng)估［81］，例如AG1和耐淹基因Sub1的聚合對(duì)淹水萌發(fā)和苗期耐淹性沒有負(fù)面影響，但在長(zhǎng)時(shí)間（16 d）淹水條件下Sub1和AG1相互作用會(huì)降低成苗率［92］；AG1和磷高效基因Pup1則能高效協(xié)同，二者聚合后既提高淹水萌發(fā)性，又促進(jìn)了磷素的高效吸收，AG1和Pup1聚合系通過增加分蘗、提高磷素吸收以及低氧條件的萌發(fā)，展現(xiàn)出強(qiáng)勁的早期活力，AG1和Pup1聚合是直播稻品種培育的可行策略［81］。韓國的Kim 等［93］以KHO 為供體和粳稻品種Dongan 雜交、回交，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇，培育了4 個(gè)聚合AG1和AG2的新品系，顯著提高了淹水萌發(fā)能力，在低氧條件下的成苗率比輪回親本提高了33%～115%。在抗倒伏分子育種方面，Yano 等［74］聚合了抗倒伏基因SCM2和SCM3，發(fā)現(xiàn)聚合系比只含有SCM2或SCM3的品系具有更高的莖稈強(qiáng)度和抗倒伏性。Kashiwagi 等［94］在日本晴背景中聚合了來自秈稻的4 個(gè)莖粗QTL，多基因聚合系的抗推力比對(duì)照品種增強(qiáng)約40%，且基部節(jié)間的機(jī)械強(qiáng)度更大。在低溫發(fā)芽力方面，楊梯豐等［46］開發(fā)了基因內(nèi)分子標(biāo)記Gltg3-1，可以在雜交后代中準(zhǔn)確選擇低溫發(fā)芽基因qLTG3-1。

近年來，利用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制抗除草劑水稻種質(zhì)進(jìn)展較快，在直播防草中具有廣闊應(yīng)用前景。高彩霞團(tuán)隊(duì)和朱健康團(tuán)隊(duì)分別對(duì)EPSPS基因進(jìn)行編輯，均獲得了抗草甘膦的水稻品種［95-96］。多個(gè)團(tuán)隊(duì)在日本晴、南粳9108、中花11、南粳46 等不同背景中對(duì)ALS基因進(jìn)行編輯并獲得成功，對(duì)咪唑乙煙酸和雙草醚表現(xiàn)出抗性［97-99］。此外，轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用也加速了除草劑水稻的培育。Liberty Link 和Roundup Ready 是對(duì)草銨膦和草甘膦具有抗性的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，采用具有草銨膦抗性的雙丙氨磷抗性（BAR）基因，通過基因工程手段選育了抗草銨膦水稻品種Gulfmont 和Koshihi kari［100］。國內(nèi)多家單位將BAR基因?qū)胨?，獲得抗草銨膦的水稻品系；將抗草甘膦基因EPSPS導(dǎo)入水稻，獲得耐受農(nóng)達(dá)除草劑的水稻品系［101］。

在國際水稻研究所（IRRI），通過傳統(tǒng)雜交育種和基因組輔助育種，將來自多個(gè)供體親本的多個(gè)優(yōu)異性狀進(jìn)行聚合，包括耐低氧萌發(fā)性、早期活力、快速和整齊出苗特性、高根密度、營養(yǎng)高效吸收等相關(guān)QTL，培育的苗頭品系最多聚合了11 個(gè)QTL，且在直播條件下增產(chǎn)極顯著［62，82］。

5 直播專用稻培育策略

作為古老而又重新煥發(fā)活力的生產(chǎn)技術(shù)，直播稻生產(chǎn)模式具有節(jié)省勞力、節(jié)約資源、降低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢(shì)，推廣面積在不斷擴(kuò)大。針對(duì)水稻直播生產(chǎn)中普遍存在的“全苗難、草害重、易倒伏”三大突出問題，需要從品種和栽培調(diào)控技術(shù)等方面協(xié)同解決，而培育“易出苗、能防草、抗倒伏”的直播品種，將極大緩解對(duì)直播栽培技術(shù)的壓力，降低直播稻生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，是促進(jìn)直播水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的根本保障。盡管從移栽品種中已篩選出一些比較適合直播的品種并用于生產(chǎn)，但這類篩選也存在局限性，直播適應(yīng)性的一些關(guān)鍵等位變異，可能在現(xiàn)代育種過程中丟失，從現(xiàn)代栽培品種篩選出來的品種只是相對(duì)表現(xiàn)好些，與直播專用稻品種還有較大差距。此外，合理的分蘗動(dòng)態(tài)是水稻高產(chǎn)群體形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，由于直播水稻無緩苗過程，群體分蘗強(qiáng)且快，通常容易形成較大群體，導(dǎo)致穗數(shù)多而穗粒數(shù)減少。針對(duì)此問題，要著重篩選分蘗力中等、穗大、分蘗成穗率高的品種，在直播條件下適當(dāng)控制分蘗數(shù)量，同時(shí)在生產(chǎn)上“控群體、壯莖稈、促大穗”，在足量的有效穗數(shù)下，增加穗肥占比，實(shí)現(xiàn)有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)的充分互補(bǔ)［102］。

當(dāng)前，直播稻品種培育仍然面臨一些制約。例如，優(yōu)異供體資源缺乏、優(yōu)良基因不多、分子標(biāo)記體系不健全、缺乏有效的多性狀聚合策略等，也存在功能基因研究和育種應(yīng)用脫節(jié)的問題。需要水稻遺傳資源學(xué)、功能基因組學(xué)、分子育種和傳統(tǒng)育種領(lǐng)域引起重視，上下游緊密合作解決這些問題。

基于研究現(xiàn)狀，我們初步提出直播專用稻的培育策略。首先，加強(qiáng)對(duì)優(yōu)異稻種資源的篩選和利用。前期已有一些代表性種質(zhì)被篩選出來，這些表現(xiàn)優(yōu)異的特色種質(zhì)，應(yīng)該在尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)廣泛共享利用，同時(shí)繼續(xù)加大對(duì)種質(zhì)資源寶庫的篩選力度，選出符合育種目標(biāo)的特異種質(zhì)資源。由于長(zhǎng)期以來的水稻育種工作主要針對(duì)移栽品種，當(dāng)前應(yīng)用的大部分品種并不具備直播適應(yīng)性，某些直播特性已經(jīng)在長(zhǎng)期的人工選擇中丟失。為此，要特別重視從古老的地方種乃至野生稻資源中，把丟失的性狀和基因找回來。其次，對(duì)直播適應(yīng)性的遺傳解析是改良水稻直播適應(yīng)性的重要基礎(chǔ)，通過對(duì)耐淹水萌發(fā)、耐低溫萌發(fā)、頂土出苗、抗除草劑和抗倒伏等特性的篩選和基因挖掘，可為育種家提供更多的遺傳改良靶標(biāo)。截至目前，已經(jīng)克隆和功能驗(yàn)證的基因不多，而其中好用的基因更是十分稀少。無論是出苗特性，還是在防草或抗倒伏方面，都需要繼續(xù)挖掘更多好用的優(yōu)異等位變異，為直播稻品種提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，否則直播稻品種的分子育種將面臨“巧婦難為無米之炊”的尷尬境地。再次，需要發(fā)展高效的多基因聚合策略。除了除草劑抗性，其他直播特性幾乎都是多基因控制的復(fù)雜性狀，采用傳統(tǒng)的回交轉(zhuǎn)育結(jié)合表型鑒定的育種方式，很難將控制性狀的多個(gè)基因都導(dǎo)入到目標(biāo)材料中。在單性狀突破的基礎(chǔ)上，逐步對(duì)多性狀進(jìn)行聚合，在品種培育上更為穩(wěn)妥。

當(dāng)前，水稻全基因組測(cè)序、大量控制水稻各種性狀的基因或QTL 定位和克隆、分子標(biāo)記輔助選擇育種、全基因組選擇、轉(zhuǎn)基因（基因編輯）和分子設(shè)計(jì)育種等新技術(shù)的開發(fā)，為今后水稻高效精準(zhǔn)遺傳改良和新品種選育提供了重要技術(shù)支撐［103］，隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，尤其是高密度SNP 芯片的研發(fā)，通過開發(fā)出與控制水稻直播適應(yīng)性的基因位點(diǎn)緊密連鎖的分子標(biāo)記，以及全基因組高密度分子標(biāo)記，可以進(jìn)行快速的前景選擇和背景選擇，從而將相關(guān)主效基因?qū)肽繕?biāo)材料，并最大限度減少連鎖累贅效應(yīng)，育成具有直播適應(yīng)性的新材料和新品種，解決目前水稻直播輕簡(jiǎn)化栽培面臨的品種短缺問題，促進(jìn)直播水稻生產(chǎn)的健康可持續(xù)發(fā)展。隨著新的基因資源發(fā)掘和育種技術(shù)進(jìn)步，直播專用稻品種的選育將步入快車道，并扭轉(zhuǎn)當(dāng)前直播稻品種選育相對(duì)滯后的局面。