水稻產(chǎn)量基因設(shè)計(jì)育種及其發(fā)展前景

況慧云等

摘 要：基因設(shè)計(jì)育種旨在控制所有重要農(nóng)藝性狀基因的所有等位性變異。該文闡述了水稻基因組測(cè)序及其研究進(jìn)展、已克隆并應(yīng)用于水稻產(chǎn)量相關(guān)的農(nóng)藝性狀基因，以及水稻產(chǎn)量基因的分子輔助育種，并對(duì)水稻產(chǎn)量基因設(shè)計(jì)育種的前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：水稻；產(chǎn)量；基因設(shè)計(jì)育種；分子輔助育種

中圖分類號(hào) S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）08-42-04

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在人口數(shù)量增加和城市化進(jìn)程加快的背景下，我國(guó)總耕地和人均耕地面積進(jìn)一步下降，因此如何提高水稻的產(chǎn)量，維持水稻生產(chǎn)的穩(wěn)定性、安全性，促進(jìn)糧食生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展將長(zhǎng)期擺在我們面前。水稻基因設(shè)計(jì)育種就是在水稻全基因組測(cè)序的基礎(chǔ)上，對(duì)功能已知的主要農(nóng)藝性狀基因進(jìn)行有利基因的剪切、聚合，從而培育出在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等多方面有所提高的水稻新品種。20世紀(jì)60年代的“綠色革命”就是通過水稻品種的矮化育種從而使產(chǎn)量提高了20%～30%，而70年代秈型雜交水稻三系的成功配套又使水稻產(chǎn)量在矮化的基礎(chǔ)上增長(zhǎng)了20%左右。從遺傳學(xué)的角度說，這兩個(gè)水稻產(chǎn)量突破的里程碑，都可歸結(jié)為矮稈基因和野敗胞質(zhì)不育基因的挖掘與利用。

1 水稻基因組測(cè)序及其研究

人類對(duì)水稻的遺傳研究最早是從形態(tài)學(xué)的角度來研究的，其實(shí)質(zhì)就是基因和形態(tài)之間的連鎖遺傳。孟德爾兩大經(jīng)典遺傳定律得出的主要就是從形態(tài)學(xué)的角度來研究的，隨著科學(xué)的不斷深入，基因的概念不斷完善，人們慢慢的從最初肉眼可見的形態(tài)學(xué)性狀發(fā)展到肉眼不可見的形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、發(fā)育生物學(xué)等性狀或生物學(xué)事件。而現(xiàn)在通常認(rèn)為基因組包含了生物進(jìn)化、遺傳和生命的信息，是細(xì)胞遺傳物質(zhì)的總和。一個(gè)生物體的基因組也就是該生物的DNA（部分病毒是RNA）的全部遺傳信息。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，2002-2006年完成了水稻全基因組精細(xì)物理圖譜繪制，為水稻功能基因組研究打開了便利的大門。而新一代的測(cè)序技術(shù)的高通量、高精度、低成本又必將對(duì)水稻遺傳和發(fā)育的研究方法和技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)而巨大的影響。

DNA測(cè)序技術(shù)是分子生物學(xué)研究中最常用的技術(shù)，它的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展。自1949年Sanger[1]就通過手工測(cè)序技術(shù)了測(cè)定胰島素兩條肽鏈氨基末端序列至今，可將測(cè)序技術(shù)大致化分為三代。1977年Sanger[2]發(fā)明了具有里程碑意義雙脫氧鏈終止法，同年Maxam和Gilbert[3]發(fā)明了化學(xué)降解法測(cè)定DNA序列。由于Sanger測(cè)序法簡(jiǎn)便快速高效，再結(jié)合20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的熒光自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，很快成為DNA測(cè)序的主流。這些以雙脫氧鏈終止法以及在它們的基礎(chǔ)上發(fā)展的各種DNA測(cè)序技術(shù)統(tǒng)稱為第一代DNA測(cè)序技術(shù)。第二代測(cè)序技術(shù)的核心思想是邊合成邊測(cè)序，即通過捕捉新合成末端的標(biāo)記來確定DNA的序列，該代技術(shù)主要包括Roche 454公司的GS FLX、Illumina公司的Solexa Genome Analyzer和AB I公司的SOLID測(cè)序平臺(tái)[4]。盡管其對(duì)全新的基因組進(jìn)行測(cè)序時(shí)還需要結(jié)合第一代測(cè)序技術(shù)，并且產(chǎn)生的測(cè)序結(jié)果比第一代測(cè)序技術(shù)的長(zhǎng)度要短得多，但第二代測(cè)序技術(shù)能夠獲得海量的數(shù)據(jù)，并且價(jià)格低廉。最近，以單分子測(cè)序?yàn)樘攸c(diǎn)的第三代DNA測(cè)序技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，如Helicos公司的Heliscope單分子測(cè)序儀[5]、Pacific Biosciences公司的SMRT技術(shù)和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的納米孔單分子技術(shù)都獲得了極大的發(fā)展，特別納米孔單分子技術(shù)則更是在原理上做出本質(zhì)變革，直接使用外切酶切割單鏈DNA的末端，然后對(duì)切下的單堿基進(jìn)行檢測(cè)，這樣既提高讀取長(zhǎng)度又減少了后序拼接的工作量，可對(duì)未知基因組進(jìn)行重新測(cè)序。

1997年，在新加坡舉行的植物分子生物學(xué)會(huì)議上發(fā)起國(guó)際水稻基因組測(cè)序計(jì)劃（IRGSP），并于1998年正式啟動(dòng)，水稻基因組共有12條染色體，其中第1染色體最長(zhǎng)，第10染色體最短。其中中國(guó)大陸分擔(dān)了第4染色體的測(cè)定工作。該計(jì)劃以粳稻品種日本晴為測(cè)序材料，利用逐步克隆法進(jìn)行全基因組的測(cè)序。到2002年底，國(guó)際水稻基因組測(cè)序計(jì)劃圓滿完成，共測(cè)定堿基對(duì)3.66億個(gè)，精確度達(dá)到99.99%，并預(yù)測(cè)遺傳基因62 435個(gè)。而在秈亞種基因組的測(cè)序工作上，中國(guó)科學(xué)院基因組信息中心暨北京華大基因研究中心等多家單位，于1998-2001年利用全基因組霰彈法構(gòu)建了秈稻品種9311基因組工作的框架圖，該圖基本覆蓋了水稻的整個(gè)基因組92%以上的水稻基因，這是人類對(duì)水稻秈粳兩個(gè)亞種同時(shí)在全基因組層次上最直觀的了解。在單子葉植物中，水稻的基因組較小，約389Mb[6]，且與其它單子葉植物的基因組具有基因位置的同線性[7]，隨著水稻高密度遺傳圖譜和物理圖譜的相繼構(gòu)建[8]，尤其是全基因組測(cè)序結(jié)果的公布[9，10]，水稻已經(jīng)被認(rèn)為是單子葉植物的遺傳、發(fā)育和基因組研究的模式植物。

但是完成基因組測(cè)序僅僅是基因組計(jì)劃的第一步，后面還有很多工作并未完成，首先要分析基因組順序中所包含的全部遺傳信息，其次整個(gè)基因組如何對(duì)各個(gè)基因進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，以及各個(gè)基因如何行使功能，還有太多的未知區(qū)域等待探索。止前，已報(bào)道的功能基因只有不到20%，而克隆的基因更少之又少。近年來，隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的水稻基因被克隆，對(duì)基因功能研究的新方法的也越來越多，如基因轉(zhuǎn)導(dǎo)技術(shù)、基因敲除技術(shù)、轉(zhuǎn)座子和T-DNA標(biāo)簽技術(shù)及突變體庫篩選和全基因組表達(dá)分析等。

2 水稻產(chǎn)量基因的挖掘與應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是水稻秈粳物理框架圖的測(cè)序完成，使水稻的基因定位和克隆工作取得了巨大的進(jìn)步。目前，已經(jīng)有多個(gè)與產(chǎn)量相關(guān)的農(nóng)藝性狀基因被克隆。

2.1 水稻矮化基因SD1 20世紀(jì)60年代的水稻“綠色革命”就利用了SD1的突變基因，使株高大大降低。Sasaki等[11]發(fā)現(xiàn)水稻的SD1基因編碼與赤霉素合成有關(guān)的GA20氧化酶（GA20ox），該酶是GA合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶，它催化GA53→GA44→GA19→GA20三步反應(yīng)。水稻基因組至少攜帶2個(gè)GA20ox基因（GA20ox-1和GA20ox-2），其中GA20ox-2在葉片、莖和未展開的葉片中活躍表達(dá)，而GA20ox-1優(yōu)先在未開的花中表達(dá)。盡管植物花器的形成與育性均與有生物活性的GA相關(guān)，但sd1突變體開花結(jié)實(shí)均正常，這就揭示了為什么sd1產(chǎn)生較短的葉和較矮的株高，而產(chǎn)量卻不受影響的原因。通過含sd1的突變體結(jié)合常規(guī)育種，使水稻產(chǎn)量提高了20%～30%。endprint