水稻粒形基因的遺傳研究進(jìn)展

田 穎， 于雪然， 杜懷東， 田 蕾， 李培富

(寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏銀川 750021)

水稻(OryzasativaL.)是我國重要的糧食作物之一，大約50%以上的人口以稻米為主食。育種家對(duì)矮桿基因和雜種優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，在這之后我國的水稻產(chǎn)量開始顯著提高。但在人口增長和耕地減少的嚴(yán)峻形勢(shì)下，提高并穩(wěn)定水稻產(chǎn)量仍然是我國水稻育種的主要研究方向[1]。隨著人民生活水平的逐漸改善，消費(fèi)者對(duì)稻米的需求日益多樣化，稻米品質(zhì)也更加受到重視。因此，如何增加我國水稻產(chǎn)量和有效改良稻米品質(zhì)等關(guān)鍵問題，已經(jīng)成為現(xiàn)代水稻育種研究的主要目標(biāo)。研究證明，水稻產(chǎn)量是由多個(gè)基因控制的農(nóng)藝性狀，主要由以下3個(gè)因素決定：有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量[2]，水稻粒形、籽粒大小和灌漿充實(shí)度都顯著影響著千粒質(zhì)量[3]。水稻粒形主要由粒長、粒寬和長寬比等組成。有研究表明粒形不僅與千粒質(zhì)量關(guān)系密切，而且在一定程度上影響稻米品質(zhì)[4-5]。育種家認(rèn)為，改善水稻粒形對(duì)促進(jìn)我國水稻優(yōu)質(zhì)育種的發(fā)展和稻米品質(zhì)的提高具有重要的研究意義[6]。近年來，許多已定位和克隆的水稻粒形基因?qū)τ陉U明粒形的調(diào)控機(jī)制有著重要的研究意義，為我國水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種奠定了關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)和遺傳資源。

1 水稻粒形的遺傳特性

水稻粒形是由多基因控制的性狀，主要為加性效應(yīng)，是數(shù)量性狀遺傳。在早期研究中，芮重慶等選用不同粒形的6個(gè)秈稻品種進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，加性效應(yīng)在水稻粒長的遺傳中起著決定性的作用，并且細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間可能還存在著一定的互作效應(yīng)[7]。石春海等利用不同的雜交組合研究粒形的遺傳，發(fā)現(xiàn)粒長是一個(gè)由多基因調(diào)控的數(shù)量性狀，其中加性效應(yīng)在遺傳中占比較高[8]。劉金波等使用了主基因+多基因混合遺傳模型，對(duì)水稻籽粒長度進(jìn)行了遺傳分析，認(rèn)為粒長的遺傳主要是加性效應(yīng)[9]。

大多數(shù)研究表明，多基因的加性效應(yīng)及顯性效應(yīng)均控制水稻粒寬，主要受加性效應(yīng)的控制，遺傳力高，顯性方向隨組合的變化而發(fā)生變化[10-11]。呂勇統(tǒng)計(jì)了突變體植株F2代群體的粒寬數(shù)據(jù)，對(duì)粒寬作了頻率分布直方圖，發(fā)現(xiàn)粒寬在圖中呈現(xiàn)連續(xù)正態(tài)分布，據(jù)此可證實(shí)水稻粒寬受到了多基因的控制[12]。石春海等采用多個(gè)雜交組合進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，水稻粒寬的遺傳主要表現(xiàn)為加性效應(yīng)[13]。

符福鴻等對(duì)三系雜交稻的粒形進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明加性效應(yīng)在水稻籽粒長寬比的遺傳中起主導(dǎo)作用[14]。石春海研究發(fā)現(xiàn)一些水稻組合具有良好的配合力，加性效應(yīng)在籽粒長寬比中表現(xiàn)顯著[4]。方平平等采用雙列雜交設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)水稻籽粒長寬比主要受到了種子的直接遺傳效應(yīng)影響[15]，在早期的研究中卻發(fā)現(xiàn)粒形受母體基因型控制[8，16-21]。

粒形性狀的遺傳存在著一因多效的現(xiàn)象，并且不同粒形性狀之間的相關(guān)性存在著差異。石春海等的研究表明，粒長與粒寬之間存在著極顯著的負(fù)相關(guān)，而與長寬比則表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)，粒寬與長寬比之間呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)[8]。林荔輝等利用重組自交系群體研究發(fā)現(xiàn)粒長與粒寬的相關(guān)系數(shù)值較小，不存在明顯的相關(guān)性[22]。

2 水稻粒形基因的克隆

目前，有很多影響水稻粒形調(diào)控的基因已經(jīng)被克隆(圖1、表1)，各個(gè)基因調(diào)控水稻粒形的方式不同，主要包含轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控、G蛋白信號(hào)、泛素途徑和植物激素途徑[23]。

GS3是第1個(gè)被定位并克隆的調(diào)控水稻粒長的主效基因，F(xiàn)an等用明恢63和川7進(jìn)行連續(xù)雜交和回交，發(fā)現(xiàn)該基因編碼的跨膜蛋白可負(fù)調(diào)控粒長和粒質(zhì)量[24]。Zhang等選用小粒N643和大粒N411進(jìn)行雜交，克隆得到一個(gè)負(fù)調(diào)控粒長的主效基因qGL3[25]。 Gao等在研究中發(fā)現(xiàn)qGL3可去磷酸化OsGSK3蛋白并使其穩(wěn)定，進(jìn)而抑制油菜素內(nèi)酯信號(hào)傳導(dǎo)[26]。GL4是在非洲野生稻W(wǎng)1411中發(fā)現(xiàn)并克隆的可調(diào)控粒長和粒質(zhì)量的數(shù)量性狀基在座(QTL)，非洲栽培稻的籽粒長度由于該基因調(diào)控內(nèi)外穎縱向細(xì)胞的伸長而受到影響，同時(shí)該基因也可以調(diào)節(jié)種子的落粒性，繼而影響水稻的千粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量[27]。Ishimaru等利用Nipponbare和Kasalath的回交自交系定位到一個(gè)調(diào)控粒長和千粒質(zhì)量的基因TGW6，編碼吲哚乙酸(IAA)-葡萄糖水解酶，該基因功能缺失會(huì)影響IAA的供應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控籽粒長度及籽粒質(zhì)量從而使水稻增產(chǎn)[28]。Yu等從504份栽培稻品種中克隆了一個(gè)粒長基因OsLG3，該基因可在不降低稻米品質(zhì)的同時(shí)正向調(diào)控水稻籽粒長度，有效提高產(chǎn)量[29]。Xiong等認(rèn)為過表達(dá)OsLG3還可顯著提高水稻的耐旱性[30]。Si等采用全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)的方法，在381個(gè)不同水稻品種中克隆了一個(gè)調(diào)控粒長的主效基因GLW7，編碼OsSPL13，可以通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞擴(kuò)張正向調(diào)控水稻的籽粒大小[31]。Heang等發(fā)現(xiàn)PGL1是一個(gè)正調(diào)控籽粒長度的基因，過量表達(dá)PGL1時(shí)內(nèi)穎細(xì)胞長度會(huì)增加，進(jìn)而引起了水稻籽粒長度和千粒質(zhì)量增加[32]。

GW2是Song等利用小粒FAZ1和大粒WY3構(gòu)建F2群體后定位并克隆的主效基因，主要調(diào)控粒寬和粒質(zhì)量，其編碼的環(huán)型E3泛素連接酶對(duì)細(xì)胞的分裂起負(fù)調(diào)節(jié)的作用，GW2的WY3等位基因?qū)λ咀蚜５膶挾群颓ЯＹ|(zhì)量具有顯著的提高作用[33]。qSW5/GW5/GSE5編碼了一個(gè)鈣調(diào)素結(jié)合蛋白，該基因功能的缺失會(huì)增加穎花的外殼細(xì)胞數(shù)量，從而導(dǎo)致穎花的外殼細(xì)胞變寬，水稻籽粒的千粒質(zhì)量以及產(chǎn)量都會(huì)顯著提高[34-36]。Li等用寬粒珍汕97和細(xì)長粒H94構(gòu)建了群體，發(fā)現(xiàn)克隆了基因GS5，是控制水稻粒寬、籽粒灌漿和千粒質(zhì)量的數(shù)量性狀基因[37]，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該基因還可能受到脫落酸(ABA)的調(diào)控[38]。GW8/OsSPL16是由Wang等定位發(fā)現(xiàn)的可正調(diào)控水稻粒寬和粒質(zhì)量的基因，研究發(fā)現(xiàn)該基因的缺失和低表達(dá)導(dǎo)致籽粒變長，相反，該基因高表達(dá)會(huì)加快細(xì)胞分裂和籽粒灌漿，使得水稻籽粒變得充實(shí)并且寬度增加，可有效提高水稻產(chǎn)量[39-40]。Shi等發(fā)現(xiàn)GW6通過調(diào)控細(xì)胞生長而非細(xì)胞增殖來調(diào)控水稻粒寬，GW6通過調(diào)節(jié)赤霉素(GA)的應(yīng)答和生物合成，正調(diào)控赤霉素信號(hào)通路[41]。Sun等研究發(fā)現(xiàn)了屬于GRAS基因家族成員的基因GS6，將含有突變體gs6的水稻與野生型水稻的粒形性狀對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，粒寬和粒質(zhì)量均明顯增加，并且內(nèi)外稃增厚有更多的凸起和毛狀物，鄰近表皮的厚壁細(xì)胞也開始增多[42]。

GL7/GW7是一個(gè)可以同時(shí)調(diào)控粒寬和粒長的主效基因，GL7編碼的LONGIFOLIA蛋白正調(diào)控水稻細(xì)胞的縱向伸長；GW7表達(dá)量上調(diào)時(shí)水稻籽粒會(huì)變得細(xì)長，原因是該基因的表達(dá)增加了水稻籽?？v向細(xì)胞的分裂，同時(shí)橫向細(xì)胞的分裂減少[43]。Zhao等構(gòu)建F3群體定位并克隆得到了基因GS9，可負(fù)調(diào)控水稻籽粒長寬比，研究發(fā)現(xiàn)GS9可能受到油菜素內(nèi)酯信號(hào)的調(diào)控[44]。GL2/GS2編碼了生長調(diào)節(jié)因子OsGRF4，表達(dá)量增加時(shí)加快了細(xì)胞分裂，細(xì)胞也變大，進(jìn)而增加了籽粒的千粒質(zhì)量及水稻產(chǎn)量[33，45-46]。Ying等利用黃華占(HHZ)和JZ1560構(gòu)建重組自交系(RIL)群體檢測(cè)出調(diào)控籽粒長寬比的基因TGW3，編碼一個(gè)類似糖原合酶激酶GSK3的激酶，能協(xié)同改變穎殼中細(xì)胞的大小和數(shù)量，負(fù)調(diào)控水稻籽粒長寬比[47]。

表1 已克隆的水稻粒形相關(guān)基因

表1(續(xù))

表1(續(xù))

3 水稻粒形基因間的互作

粒形是由多基因調(diào)控的數(shù)量性狀，不同的粒形基因之間存在著不同程度的相互作用。將這些基因之間的互作原理應(yīng)用于水稻育種，對(duì)提高水稻產(chǎn)量和有效改良粒形有著重要的意義。Yan等通過基因表達(dá)分析，來探究GS3、GW2、qSW5、GIF1等4個(gè)基因之間的關(guān)系，結(jié)果表明，對(duì)GW2的轉(zhuǎn)錄進(jìn)行抑制可以降低qSW5的表達(dá)，而GW2和qSW5都會(huì)促進(jìn)GS3的表達(dá)，GIF1的表達(dá)，受到了GW2和GS3的負(fù)向調(diào)節(jié)，但qSW5可以正調(diào)控其表達(dá)量；闡明GS3、GW2、qSW5/GW5和GIF1這4個(gè)基因的關(guān)系，可加速基因聚合育種的進(jìn)程[141]。Li等發(fā)現(xiàn)HGW編碼的上游調(diào)控蛋白，可以有效增加抽穗和粒質(zhì)量基因的表達(dá)量，該基因很有可能直接通過GIF1基因的作用來調(diào)控水稻粒形和產(chǎn)量。進(jìn)一步研究了HGW通過GIF1、GW2、GW5和GS3調(diào)節(jié)粒形和籽粒質(zhì)量后發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)錄水平下GIF1基因的表達(dá)量減少了90%，而其他基因的表達(dá)量則大約減少了20%～50%[97]。Gao等使用了雙向方差分析的方法，研究了GS3、qGL3和GS3×qGL3相互作用對(duì)水稻粒長的影響，發(fā)現(xiàn)GS3和qGL3對(duì)粒長的調(diào)控表現(xiàn)為累加效應(yīng)[142]。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，GW8包含的SBP結(jié)構(gòu)域，可以與GW7啟動(dòng)子直接結(jié)合，使GW7的表達(dá)量降低，從而調(diào)控了水稻粒寬[39-40]。Hao等研究發(fā)現(xiàn)，WG1/OsGRX8調(diào)控水稻籽粒大小，是粒寬方向細(xì)胞增殖所必需的，GW2可以與WG1互作并將其泛素化，從而調(diào)控WG1蛋白的穩(wěn)定性[143]。Shi等研究發(fā)現(xiàn)OsUBP15可能與GW2存在著某種關(guān)系，都通過泛素途徑對(duì)水稻粒形進(jìn)行調(diào)控[144]。Xia等研究發(fā)現(xiàn)，GL3.3與GS3在遺傳上有上位互作效應(yīng)，這種相互作用可以調(diào)控水稻籽粒的大小，目前已經(jīng)應(yīng)用于大粒粳稻的育種中[23]。Duan等發(fā)現(xiàn)GS2基因和OsGIFs互作后，對(duì)細(xì)胞增殖和細(xì)胞伸長都產(chǎn)生了影響，進(jìn)而影響了水稻籽粒大小和產(chǎn)量，OsGIF1正調(diào)控水稻籽粒的發(fā)育[138]。

4 粒形基因在水稻育種上的應(yīng)用

水稻粒形是影響千粒質(zhì)量的重要數(shù)量性狀，并且直接決定了水稻的品質(zhì)，將粒形基因合理地應(yīng)用在水稻育種中，可有效提高水稻產(chǎn)量、改良水稻品質(zhì)。張劍霞在珍汕97B中聚合了抗白葉枯病基因Xa23和粒長基因GS3，獲得了改良型珍汕97B，是有效抗白葉枯病并且具備良好外觀品質(zhì)的新品種[145]。楊梯豐等使用分子聚合育種，得到了具有GS3和其他優(yōu)異基因的純合聚合系，經(jīng)過測(cè)定發(fā)現(xiàn)水稻籽粒變長，有效改良了外觀品質(zhì)[146]。Nan等通過更新孔玉131的GS3位點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其粒長、百粒質(zhì)量和單株總粒質(zhì)量分別提高了12.05%、16.30%、4.47%[147]。Song等研究發(fā)現(xiàn)，含有GW2基因的豐矮占1號(hào)細(xì)胞數(shù)量會(huì)增加，并加快了水稻的灌漿速度，籽粒寬度和千粒質(zhì)量也顯著增加，有效提高了單株產(chǎn)量[33]。Zhao等通過遺傳相互作用分析后發(fā)現(xiàn)，GS9的功能獨(dú)立于其他先前確定的影響水稻籽粒大小的基因，將等位基因gs9引入優(yōu)質(zhì)水稻栽培品種中，可以顯著改善水稻粒形和外觀品質(zhì)，這表明GS9不論單獨(dú)或與其他粒形基因相結(jié)合，都可以培育出具有優(yōu)化粒形的良好水稻品種[44]。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于親本日本晴，含有GL7基因的近等基因系，水稻籽粒長寬比明顯增加，大大減少了稻米中的堊白粒率和堊白度，使外觀品質(zhì)得到了極大改善。這表明GL7的有益等位基因和其他與產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)的基因聚合有益于優(yōu)良水稻品種的選育[43]。Hu等構(gòu)建近等基因系研究發(fā)現(xiàn)，攜帶GS2/OsGRF4等位基因的水稻品種可以顯著提高千粒質(zhì)量和產(chǎn)量，可在培育高產(chǎn)水稻品種中得到應(yīng)用[46]。Li等利用標(biāo)記輔助回交將GW6基因?qū)攵i稻9311和粳稻中花11中，改良后的水稻籽粒長度、千粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量均有所提高，為培育大粒和高產(chǎn)水稻品種提供了依據(jù)[148]；Shi等將南洋占的GW6NYZ導(dǎo)入秈稻華粳秈74，可使單株產(chǎn)量提高14.49%，大田產(chǎn)量提高10.44%，將GW6NYZ導(dǎo)入武運(yùn)粳7號(hào)，發(fā)現(xiàn)其大田產(chǎn)量提高7.97%，這說明GW6對(duì)秈稻和粳稻都有潛在增產(chǎn)作用[41]。Wang等發(fā)現(xiàn)GIF1基因在水稻籽粒發(fā)育時(shí)，控制著蔗糖酶(轉(zhuǎn)化酶)的活性。在現(xiàn)代栽培稻中含有GIF1基因的籽粒灌漿速率明顯提高，產(chǎn)量也顯著增加[79]。

5 存在問題及展望

經(jīng)過多年來育種學(xué)家的不斷努力，許多與水稻粒形相關(guān)的基因都已經(jīng)被成功克隆。本文歸納總結(jié)已定位克隆的粒形相關(guān)基因的作用，簡(jiǎn)單介紹多基因間的相互作用，并對(duì)粒形基因在品質(zhì)改良和育種中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)描述。

通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，近年來育種家在水稻粒形基因的定位、克隆及功能方面已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，但仍有不足的地方，需要進(jìn)一步加強(qiáng)和改善：(1)目前已經(jīng)克隆了許多調(diào)控水稻粒形的相關(guān)基因，但多基因之間的遺傳互作研究比較少見，部分粒形基因間遺傳互作的方式和關(guān)系不夠清晰，在育種中的應(yīng)用也較少；(2)利用粒形基因改良水稻粒形時(shí)可能會(huì)降低水稻品質(zhì)，如整精米率隨著粒長的增加而下降，堊白度隨著粒寬的增加而增加，使水稻的加工品質(zhì)變差[149]；(3)將同一粒形基因應(yīng)用于不同的水稻品種會(huì)導(dǎo)致不同的表型性狀，探討為何會(huì)產(chǎn)生這樣的結(jié)果，可為相關(guān)基因位點(diǎn)的育種應(yīng)用提供精確的理論依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的育種目標(biāo)，首先要選擇粒形差異大或者親緣關(guān)系遠(yuǎn)的品種材料，選育出粒形適宜的育種材料。對(duì)已定位和克隆的水稻粒形基因，在聚合不同優(yōu)質(zhì)基因時(shí)，必須要打破水稻產(chǎn)量與品質(zhì)之間的不良連鎖關(guān)系，有效改良稻米品質(zhì)。隨著我國生物技術(shù)的快速發(fā)展，育種家可利用高效基因組編輯技術(shù)CRISPR/Cas9精準(zhǔn)有效地聚合優(yōu)異等位基因，精確敲除水稻品種中的不利性狀，快速獲得新材料，提高育種效率。在未來的育種工作中，要定位和克隆更多與水稻粒形相關(guān)的基因，不斷的更新和完善粒形調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種奠定關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)和遺傳資源。