脆稈水稻的研究進(jìn)展

黃艷玲 申廣勒 王 慧 李俠芳 陳 思 張從合

（安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜交稻新品種創(chuàng)制重點實驗室，合肥230088）

水稻是世界主要糧食作物之一，生產(chǎn)水稻主要取其種子進(jìn)行去殼、去糙加工成為人類可食用的大米，產(chǎn)生的秸稈主要通過機械粉碎的方式進(jìn)行秸稈還田。普通水稻秸稈具有高纖維、硅質(zhì)化等特點，機械較難粉碎；脆稈水稻具有纖維素含量低、木質(zhì)素含量高、營養(yǎng)成分高、脆性強等特點，可作為新型飼料資源，實現(xiàn)了一種兩收，即成熟后稻谷供人類食用，秸稈供動物食用，經(jīng)濟效益更高。秸稈經(jīng)過青貯-動物飼料-過腹還田，實現(xiàn)更友好的綠色循環(huán)。

脆稈水稻秸稈變脆是由于細(xì)胞壁的纖維素含量降低、半纖維素含量增加所致。通過不斷挖掘、定位、克隆新的脆稈基因，解析細(xì)胞壁的生物合成機制，改善秸稈的結(jié)構(gòu)和組分，可進(jìn)一步提高脆稈水稻的產(chǎn)量、品質(zhì)，增強秸稈抗倒伏、抗病蟲害的能力，提高秸稈的飼喂功能和還田效率，定向改良選育谷草兼用型水稻品種，是脆稈水稻推廣應(yīng)用前提。

1 水稻脆稈相關(guān)基因的定位與克隆

自1963 年第1 個水稻脆稈基因bc1被發(fā)現(xiàn)后，對于脆稈水稻的研究較多，到目前為止，已發(fā)現(xiàn)BC1、BC3、Bc7、BC10、bc11、BC12、BC25等20 多個水稻脆稈基因，大多數(shù)脆稈基因已被定位和克隆（表1）。中國水稻所利用γ 射線誘變秈稻雙科早中發(fā)現(xiàn)莖、葉較脆的突變體fp1，較野生型有較少的纖維素和較多的木質(zhì)素，SSR 標(biāo)記在RM16 和CAPS標(biāo)記C524a 之間，遺傳距離分別為3.1cM 和0.4cM，與已知的水稻脆莖突變基因bc1等位，位于3 號染色體，葉脆嫩是由單隱性基因控制[1-3]。沈革志等[4]通過根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)Ds 轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)化中花11 的群體，獲得脆稈突變體bcm581-1，該突變體的變脆是受單個隱性基因控制。Yan 等[5]利用γ 射線60Co 誘變粳稻中花11 獲得脆稈突變體bc7（t），精細(xì)定位1號染色體長臂上8.4kb 的區(qū)段內(nèi)，與OsCesA4等位，不能編碼功能正常的蛋白。姜鴻瑞等[6]利用重離子輻照武運粳7 號獲得一個脆稈突變體bc17，其定位于水稻7 號染色體162kb 區(qū)域中，受隱性單基因控制。戴文慧等[7]利用甲基磺酸乙酯（EMS）誘變秈稻Kasalath 獲得一個脆稈突變體bc21，其位于水稻6 號染色體上STS2 和STS3 之間約52.9kb 的范圍內(nèi)，受隱性單基因控制。Aohara 等[8]發(fā)現(xiàn)突變體bc5是比較特殊的一類，只在葉和莖的發(fā)育節(jié)點上表達(dá)，該基因暫定位于2 號染色體3.1cM 內(nèi)。

表1 脆稈基因的名稱、功能及所在染色體

2 水稻脆稈相關(guān)基因的功能

水稻莖稈細(xì)胞壁主要成分包括纖維素、木質(zhì)素等，細(xì)胞壁中纖維素含量與莖稈強度密切相關(guān)[9-10]。Bc6、BC13、BC88、Osfc16位于9 號染色體上的同一基因位點，參與細(xì)胞壁的合成，編碼纖維素合成酶催化亞基CESA9。Bc6是一個半顯性的突變體，整個生育期都極其脆，BC13僅機械強度降低1/3，表型無明顯差異，bc88僅在第5 外顯子有一個點突變，Osfc16能降低纖維素結(jié)晶度和次生細(xì)胞壁的厚度，表現(xiàn)出更強的去酯化半乳糖醛酸積累能力和富集微量Cd 的能力[11-15]；脆稈基因Bc7和bc11是OsCESA4發(fā)生2 種不同位點的突變，bc11突變導(dǎo)致細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)改變，纖維素顯著降低，植株的機械強度降低[4，16]。突變體S1-24 是由OsCesA7基因中的一個隱性位點突變引起的，OsCesA7在纖維素合成和植株發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[17]。OsCesA4、OsCesA7和OsCesA9是3 個不同的纖維素合酶催化亞基，參與纖維素的合成，它們在功能上并不冗余[18]。

BC3、BC10、BC12、BC14、BC25均 間 接 參與細(xì)胞壁的合成。脆稈基因BC3位于2 號染色體上，編碼發(fā)動蛋白OsDRP2B，對次生細(xì)胞壁的合成起主要作用，調(diào)控質(zhì)膜上纖維素合酶催化亞基OsCESA4的豐度[19-21]。BC10位于5 號染色體，編碼Ⅱ型內(nèi)膜蛋白，具有糖基轉(zhuǎn)移酶的功能，主要在發(fā)育中的厚壁組織和維管束細(xì)胞中表達(dá)[22]。BC12位于9 號染色體，編碼水稻驅(qū)動蛋白- 4，主要進(jìn)行細(xì)胞分裂和次生細(xì)胞壁加厚的組織表達(dá)[23]，而Li 等[24]也發(fā)現(xiàn)了一個水稻赤霉素合成缺陷的突變體（gdd1），與BC12相同，編碼一種驅(qū)動蛋白類似蛋白。Dai等[25]通過T-DNA 插入OsBC1L4中，編碼一個類COBRA 蛋白，OsBC1L4的表達(dá)與主要初生壁形成的纖維素合成酶基因（CESAs）高度相關(guān)。BC14位于2 號染色體，編碼高爾基體的核苷酸糖轉(zhuǎn)運蛋白OsNST1，具有轉(zhuǎn)運尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的活性，參與細(xì)胞壁多糖合成[26]。BC25定位在3 號染色體，編碼參與纖維素合成的UDP 葡萄糖醛酸脫羧酶，參與糖代謝，次生細(xì)胞壁厚度減少，強烈影響水稻細(xì)胞壁的形成[27]。

水稻細(xì)胞壁生物合成代謝機制還有待研究，需要進(jìn)一步解析影響莖稈強度的生物學(xué)機制。利用遺傳學(xué)和圖位克隆技術(shù)進(jìn)行染色體定位，并通過生物信息學(xué)分析鑒定目標(biāo)基因，可為培育谷草兼用型新水稻品種高效篩選可利用分子標(biāo)記。

3 脆稈水稻品種的培育

中國水稻研究所采用三交組合Ⅱ- 32B//協(xié)青早B/Dular 群體中獲得的顯性脆稈水稻ZGBCR，與中9B/中9A 雜交、回交，培育出顯性脆稈水稻不育系——中脆A，可用于選育谷草兼用型雜交稻新組合[28]。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院利用重離子誘變揚粳113 得到一個半顯性水稻脆稈突變體sdbc1，與武運粳7 號雜交選育獲得首個通過審定的脆稈品種科輻粳7 號，標(biāo)志著我國從實驗室創(chuàng)制的水稻脆稈基因資源到生產(chǎn)應(yīng)用品種的跨越?？戚椌? 號高效、低成本解決了水稻秸稈還田難題，脆嫩的秸稈是牛羊飼料的來源，對牛羊等動物來說脆性秸稈適口性好，易咀嚼、易消化，營養(yǎng)價值也得到提高[29-30]。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員吳躍進(jìn)利用理想脆稈基因IBC培育“脆而不倒”水稻新品種科脆粳1 號，克服了脆稈材料植株矮小、易碎、易倒伏、產(chǎn)量低等問題，通過增大秸稈莖粗、莖厚，彌補細(xì)胞壁組分變化帶來的倒伏風(fēng)險，保障產(chǎn)量，秸稈纖維素和木質(zhì)素含量減少10%，半纖維素含量增加15%，具有粉碎效果好、易降解、營養(yǎng)價值高、飼喂效果佳、秸稈還田效率高等優(yōu)點，實現(xiàn)水稻綜合利用方面的重大突破[31]。李健等[32]利用中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院選育的脆稈137 與連粳7 號、徐稻3 號雜交，將脆稈基因?qū)氤Ｒ?guī)品種中，最終選育出具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀、可供生產(chǎn)應(yīng)用的2個脆稈新品系CG16-3 和CG16-9。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所總農(nóng)藝師牟鳳臣以寒地優(yōu)良粳稻為底盤品種，以科輻粳7 號為脆稈基因供體，利用分子設(shè)計與常規(guī)育種相結(jié)合的方法培育出適宜黑龍江生態(tài)條件的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、耐逆、抗寒、糧飼兼用型新品種松科粳169[33]。

4 脆稈水稻的應(yīng)用研究

控制水稻莖稈機械強度的基因突變絕大部分伴隨著一些不利性狀，如植株矮小、籽?；?、植株一碰就碎及水稻產(chǎn)量和品質(zhì)降低等，不能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用?？拼嗑? 號、松科粳169 的培育成功改變了脆稈基因在生產(chǎn)中利用困難的現(xiàn)狀。

2021 年10 月中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院和安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司（以下簡稱荃銀高科）簽約谷草兼用脆稈水稻科脆粳1 號關(guān)鍵基因及技術(shù)轉(zhuǎn)讓，荃銀高科獲得該技術(shù)的獨占使用權(quán)，真正實現(xiàn)了品種從創(chuàng)制到應(yīng)用推廣的飛躍[31]。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的脆稈水稻松科粳169，稻谷產(chǎn)量達(dá)到了550kg/667m2，比對照增產(chǎn)5.1%，且米質(zhì)達(dá)到國家優(yōu)質(zhì)稻谷二級；松科粳169 苗期莖稈不脆，成熟期脆性增高，秸稈的纖維素含量較普通水稻下降24.3%、半纖維素含量升高17.2%，發(fā)酵成青貯飼料，酸香松軟，營養(yǎng)價值高，通過飼喂肉羊試驗，羊日增重為135g，較普通秸稈提高20.3%[33]。

5 脆稈水稻的展望

據(jù)《第二次全國污染源普查公報》顯示，秸稈年產(chǎn)生量為8.05 億t，秸稈利用量只有5.85 億t，剩下2 億多t 的秸稈不但造成浪費，也引起環(huán)境污染[34]。近20 年來，我國居民對牛肉、羊肉、豬肉及多種動物奶的需求持續(xù)增長，但優(yōu)質(zhì)飼草供給不足嚴(yán)重影響國內(nèi)對這類產(chǎn)品的供應(yīng)和國家糧食安全。大力開展水稻秸稈飼料化，不但能解決秸稈還田和環(huán)境污染的問題，也能有效緩解草食畜牧業(yè)與牧草資源供給之間的矛盾，谷草兼用型水稻是我國種業(yè)發(fā)展的重要方向。

水稻秸稈飼料化還需要與水稻秸稈青貯工藝及農(nóng)機農(nóng)具相配套。脆稈突變體的研究已有60 多年，前人對脆稈突變體的形成、細(xì)胞壁合成和調(diào)控機制以及脆稈基因的定位和克隆進(jìn)行研究，并取得長足的進(jìn)步。中國水稻研究所培育了世界上第1 個印水型顯性脆稈水稻不育系中脆A[28]；中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院培育的脆稈品種科輻粳7 號和科脆粳1 號，高效、低成本解決水稻秸稈還田難題；黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育出適宜黑龍江生態(tài)條件糧飼兼用型的新品種松科粳169[33]；由于脆稈水稻的秸稈具有纖維素含量高，半纖維含量低，蛋白質(zhì)、糖等成分增加的優(yōu)點，利用脆稈水稻的秸稈喂養(yǎng)湖羊，增加進(jìn)食量，湖羊的體重增加，能有效緩解飼料短缺問題[35]；吳超等[36]研究脆稈水稻的收獲指數(shù)為0.601，接近國際水稻所超級稻的收獲指數(shù)。因此，加大脆稈水稻基因及品種研發(fā)投入，完善脆稈水稻品種的審定標(biāo)準(zhǔn)，可為保障國家糧食安全、減少環(huán)境污染、充分利用生物資源提供有力支撐。