主要農作物粒重的研究進展

摘要：粒重是作物的重要產量性狀之一，研究作物粒重的遺傳機制有利于認識作物馴化過程，并為提高作物產量的相關研究奠定基礎。以水稻、玉米、小麥等重要作物的粒重研究為例，對與粒重相關的基因以及粒重形成的遺傳和生化機理進行了綜述。

關鍵詞：作物；粒重；遺傳機制；基因

中圖分類號：S511；S512.1；S513；Q343.1+5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1281-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.001

Abstract： Grain weight is one of the important yield traits of main crops. Studying genetic mechanism of grain weight of main crops is helpful for understanding domestication process of crop， and laying a foundation for improving crop yield. Taking studies on grain weight of rice， corn， wheat and other important crops as examples， the authors summarized the grain weight related genes， and the genetics formation and biochemical mechanism of grain weight.

Key words： Grain weight； genetic mechanism； gene

重要作物如水稻、玉米、小麥等作物產量、質量的高低直接關系到糧食安全，因此提高作物的產量和質量是育種改良最重要的目標之一。作為產量三要素之一的粒重是提高作物產量的關鍵，而產量性狀是多基因控制的復雜性狀，目前僅有少數幾個基因得到克隆和功能鑒定，這些基因所編碼的蛋白不同、行使的功能也各異。通過這些研究初步了解了與粒重相關的產量性狀形成的遺傳機理。今后需要進行大量的基因定位或突變體的鑒定，分析相關基因的生物學功能，逐步闡明與粒重相關的產量性狀形成的復雜遺傳機理，為作物高產分子育種提供堅實的理論依據。

1 水稻粒重的研究

粒重是影響水稻產量的重要因子。影響水稻粒重的因素有很多，例如粒長、粒寬、粒型、單穗粒數和容重等都可以改變水稻的粒重。增加水稻子粒的體積和提高子粒的充實度可以提高粒重，增加產量。近幾年來，隨著分子標記技術的發展和應用，水稻粒重基因的定位已有許多相關報道。

徐建龍等[1]應用292個Lemont/特青的重組自交系（RILs）群體檢測到影響千粒重的11個數量性狀位點（QTL），分別位于第1、2、3、4、5、10和第12染色體上，聯合貢獻率為53.9%。林荔輝等[2]利用以兩個秈稻品種H359和Acc8558為親本雜交建立的RIL群體檢測到16個與粒重有關的QTL，分布在8條不同的染色體上，可解釋81.4%的表型變異，其中有5個QTL分布在第3染色體上。吳秀菊等[3]利用以粳稻Asominori為遺傳背景的染色體片段置換系（CSSLs）群體，在多個環境下對稻谷粒重和精米粒重等性狀進行了QTL定位，在5個環境下共檢測到6個與粒重相關的QTL，分布于第1、6、7和第8染色體上，對表型變異的貢獻率介于13%～35%之間。趙彥宏等[4]以水稻“珍汕97B×明恢63”的F1雜種（汕優63）所衍生的永久F2群體為材料，對單穗粒重進行QTL定位分析，共檢測到9個與單穗粒重相關的QTL，其中7個具有環境互作效應，并證明上位性是控制水稻單穗粒重遺傳變異的重要遺傳組分之一。樊葉楊等[5]通過14個水稻胚乳淀粉合成積累的相關基因和42個預測的相關基因，與千粒重QTL位點進行連鎖分析，發現有38個相關基因與千粒重QTL連鎖遺傳，表明其中一些千粒重主效基因本身可能就是編碼淀粉合成相關酶的基因。王松鳳等[6]以Nipponbare（japonica）/Kasalath（indica）//Nipponbare BC1 F10的98個家系為材料在3種環境下對水稻粒形的相關性狀及千粒重進行數量性狀基因位點的定位分析，共檢測到19個QTL， 分別控制粒長、粒厚、粒寬、粒形和千粒重；利用CSSL群體驗證粒長、粒寬、粒形以及千粒重穩定表達的QTL，證明這些QTL是穩定表達的主效QTL。郭詠梅等[7]在水旱栽培條件下利用DH群體對水稻粒型和粒重等相關性狀進行了初步定位，共檢測到14個QTLs，其中控制粒重、粒長、粒寬和長寬比的QTLs分別為5、5、1、3個。控制粒長的qGL-5、粒重的qGWt-1a和qGWt-1b在水旱條件下都能被檢測到，說明粒長和粒重的農藝性狀受土壤水分條件影響較小。劉立峰等[8]利用越富/IRAT109構建了RIL永久分離群體，構建了一個含201個SSR標記的水稻分子連鎖圖譜，覆蓋水稻基因組的1 833.8 cM，標記間的平均距離為9.0 cM，利用這一連鎖圖，對與抗旱相關的根系、生理性狀、產量及產量因子進行QTL分析，其中千粒重、單株產量兩個抗旱相關性狀的QTL tgw6.1和yp6.1定位于6號染色體上的RM541-RM527標記區間的同一位置，貢獻率分別高達33.4%和25.6%。陳冰嬬等[9]利用秈稻恢復系蜀恢527和菲律賓的Milagrosa為親本培育了BC2F2高代回交群體，對水稻粒長、粒寬、長寬比和千粒重4種性狀進行了定位分析，共檢測到了10 個控制粒長、粒寬、長寬比和千粒重的QTL，其中有3個具有多效性，位于第3染色體上著絲粒區域的qgl3b是一個控制粒長、長寬比和千粒重的主效QTL，它可以分別解釋粒長、長寬比和千粒重表型變異的29.37%、26.15%和17.15%。吳家勝等[10]利用親本IR64/Azucena的加倍單倍體群體對單穗粒重和千粒重進行了初步定位，共檢測到12個千粒重相關QTLs和7個穗粒重QTLs，分布在1～10號染色體上，具有顯著的加性效應或加性與環境互作效應。

上述研究結果顯示不同群體的粒重QTL數量和位置不同，在水稻12條染色體中都檢測到了影響粒重的QTL。鄂志國等[11]以粳稻品種日本晴的測序圖譜為基礎，挑選較廣泛應用于水稻QTL研究的標記繪制了公共圖譜，并將國內外公開發表的251個水稻千粒重QTL整合到該圖譜中。研究表明，目前定位的粒重QTL雖分散于各條染色體，但主要集中在1、3、5、6、10號染色體上。盡管已定位的水稻粒重QTL位點很多，但是能夠將粒重基因精細定位的卻很少。根據現有文獻關于粒重基因的精細定位僅有gw3.1、GS3、gw6和GW2，克隆的粒重基因僅有GS3和GW2。

1.1 gw 3.1

Li 等[12]利用康乃爾大學組配的熱帶粳稻品種Jefferson作為輪回親本與普通野生稻材料IRGC 2105491配置的組合，利用回交群體，將用來初步定位的源于野生稻的控制粒重的基因gw3.1精細定位在第3號染色體標記JL123h和JL109的93.8 kb區間，該基因具有顯著增加粒重的作用。該研究表明利用回交能夠剔除其他微效基因的影響，增加主效QTL的貢獻率，提高定位準確度。

1.2 GS3

近10年來，至少10個不同的對定位組合的研究都在第3染色體上著絲粒附近定位到1個千粒重和粒長的主效QTL[13-17]，這種在不同遺傳背景都能定位到的主效基因位點有力地證實了該區域千粒重控制基因存在的真實性和其廣泛適用性。該基因主要控制千粒重和粒長，定位在93.8 kb的區域，后進一步定位到7.9 kb的片段，推測該基因編碼一個轉膜蛋白[18，19]。另外，通過水稻和玉米的比較基因組研究，發現玉米中一個控制粒重的位點與水稻GS3高度同源，推測GS3與作物馴化和選擇有密切關系[20，21]。

1.3 gw6和 tgw6

Li等[18]、Lu等[22]、Xing等[23]和Ishimaru等[24]利用不同遺傳群體在水稻第6染色體的同一個區域定位了主效的千粒重基因tgw6，該基因是千粒重上調基因，可以提高碳水化合物的合成能力，在提高產量方面具有很大的潛力[25]。馬麗蓮[26]利用水稻大粒品種構建F2∶F3群體，定位了2個粒重的主效位點gw3和gw6，利用F3群體將gw6定位于RM7179和RM3187兩個分子標記之間的4.7 cM的范圍內。

1.4 GW2和TGW2

Song等[27]選擇粒重差異比較大的豐矮占1號（Fengaizhan-1， FAZ1）和WY3作為親本構建作圖群體，對控制水稻粒寬和粒長相關QTL進行了初步定位，并成功克隆了一個控制粒寬和粒重的主效QTL-GW2，該基因編碼的新型RING蛋白在體外具有E3泛素連接酶活性。Yoon等[28]將控制粒重的QTL-TGW2定位到水稻第2號染色體上與GW2位于鄰近的染色體區域，兩者可能是同一個遺傳位點。這也表明該QTL基因在不同的背景下都具有控制水稻千粒重的功能，同時也表明其穩定性和重要性。

1.5 TGW3b和SPP3b

最近一些研究顯示千粒重和單穗粒數兩個性狀的QTL經常定位在染色體同一個較小區域。Liu等[29]利用水稻RIL群體將一個控制千粒重的QTL-TGW3b和一個控制單穗粒數的QTL-SPP3b定位在第3號染色體上，兩個可能是同一個位點。TGW3b是一個多效的基因位點，粒長、粒寬和粒厚度等性狀都受到該位點的控制。Cheng等將分別控制單穗粒數和千粒重的qTNSP6-1 和 qTGWT6-1定位在第6號染色體上一個125 kb大小的區域。Xie等在第9號染色體37.4kb的區域檢測到了控制單穗粒數的QTL-sn9.1和千粒重的QTL-gw9.1。GW2是一個控制粒寬和粒重的基因，可增加千粒重49.8%，但是與單穗粒數呈負相關[30]。DEP1是控制穗粒密度和穗型的基因位點，編碼一個未知的磷脂酰乙醇胺錨定蛋白，顯著提高穗粒數和穗產量，但是抑制千粒重增加[27]。

這些研究不僅為水稻粒重QTL的精確定位和基因克隆提供了準備，同時也為禾本科其他作物的研究提供了實踐經驗和理論基礎。

2 小麥粒重的研究

小麥的子粒性狀包括粒型、千粒重和容重三部分，受環境影響較大，千粒重具有很高的遺傳力且最為穩定。Giura等[31]早期研究大粒小麥品種G603-86，控制粒重的位點在6D和4A染色體上。Shah等[32]在3A染色體上發現了與小麥產量密切相關的位點Eps，該區域控制單穗粒數、千粒重、單位面積穗數、粒型、株高和開花期等重要農藝性狀。

小麥的結實率、粒型都是影響小麥產量的重要農藝性狀，Wang等[33]利用冬小麥RIL群體在多種環境下對小麥結實率、粒重等產量性狀進行了定位分析，檢測到33個結實率QTL，31個與粒重相關的QTL，分布于1A、1B、2A、2D、3A、3B、3D、4A、4D、 5A、5B、6D和7D染色體上，千粒重的QTL位點與之前報道的一些QTL相近，可能是同一個位點[34-36]。

廖祥政等[37]利用348對SSR標記對人工合成小麥Am3和普通小麥萊州953的BC5 F2∶F3群體進行全基因組掃描，利用復合區間作圖法檢測到3個千粒重QTL，對表型變異的貢獻率為10.90%～33.79%。采用混合線性模型作圖法檢測到1個千粒重QTL（QGw.caas-3D），該QTL與環境互作效應小，而且與復合區間作圖法在3個環境中都檢測到的QTL 相同，表明QGw.caas-3D 是一個穩定的主效QTL。

王瑞霞等[38]以142 個和尚麥/豫8679 的F7∶F8 重組自交系及其親本為試驗材料，研究千粒重等性狀在多環境下的表現情況，并利用已構建的含有170個SSR 標記和2個EST 標記的遺傳圖譜，定位了21個千粒重相關QTL，可解釋表型變異的4.36%～16.80%。

周淼平等[39]利用望水白和Alondra構建的RIL群體，在多個環境下對千粒重等產量性狀進行了初步的定位分析，檢測到5個千粒重QTL，分別位于2A、2B、3B、4D和7A染色體上，可解釋9.6%～25.7%的表型變異。其中位于3B和7A 染色體的QTL位點分別與Boorner等[40]和Campbell等[36]發現的QTL可能屬于同一QTL 。

Sun等[41]在多環境條件下利用普通小麥川35050和山農483構建RIL 群體對粒長、粒寬、千粒重和容重4個性狀進行了初步定位分析，共檢測到20個QTL，分布于12條染色體上（1A、1B、1D、2A、2B、3B、4A、4B、5D、6A、6B和7B），其中控制千粒重的QTL有5個，控制粒寬、千粒重和容重3個性狀的QTL在2A和5D染色體上聚到一起。

Sun等[42]利用中國硬粒小麥和軟粒小麥構建了132個家系的RIL群體，對容重、粒重、粒型等和商品質量性狀進行了研究分析，結果顯示，控制容重、粒重和粒型的QTL共同定位在5A和6A染色體短臂上，控制粒重和粒型性狀的QTL定位在5A和4B染色體上，這與Marza等[43]研究的結果相一致。

3 玉米粒重的研究

分子數量遺傳學和分子標記技術的發展使得玉米數量性狀的研究得到了很大的發展。到目前為止已有大量的關于玉米的重要農藝性狀QTL的報道，產量性狀作為玉米生產的重要性狀受到了廣泛的關注。王幫太等[44]通過對已報道的400個產量相關QTL進行整合，構建了玉米產量相關性狀QTL的綜合圖譜，其中粒重QTL最多，達到144個，覆蓋了玉米的所有染色體，在1、5、7號染色體上分布最多。在分析得到的96個最真實的QTL中粒重占43個，而且在1號染色體上呈現聚集現象。說明控制同一性狀的QTL可能不是隨機分布，而是在染色體上存在著控制某一特定性狀的QTL 集中區域，這可能與控制同一性狀的基因成簇存在有關[45]，對QTL聚集區域進行深入研究和分析，有助于玉米粒重基因的精確定位和克隆。

Martin等[46]對玉米中的谷氨酸鹽合成酶（Glutamine synthetase isoenzymes，GSI）的兩個異構體編碼基因Glhl-3（GSI-3）和Ghcl-4（GSI-4）的單、雙突變體進行了詳細的研究，發現這兩個基因特異性控制子粒的產量，其中Ghc1-4主要控制子粒的大小，G1hl-3主要調節玉米的子粒數。吳永升等[47]對編碼玉米莖稈與穗部谷氨酰胺合成酶的Gln1-3進行了克隆和功能分析，結果表明，Gln1-3基因區域基因組DNA（gDNA）全長4 571 bp，起始密碼子至終止密碼子序列長3 062 bp，由10個外顯子、9個內含子組成，剪接方式主要為5′供位保守的GU 與3′受位AG 模式。編碼的GS1蛋白由356個氨基酸組成，相對分子質量39.2 ku，等電點（pI）為5.202。該基因直接與氮利用效率及產量相關聯，通過改變穗部氨態氮同化酶活性控制子粒數目與子粒大小。

GS3是控制水稻粒型和粒重的一個主效基因。利用同源克隆的方法，Li等[48]從玉米分離得到GS3的同源基因ZmGS3，該基因包含5個外顯子，編碼一個198個氨基酸組成的蛋白，控制玉米的子粒發育，但是其遺傳機制與水稻有所不同，體現了GS3基因功能在種間的多態性。

4 小結

粒重是作物的重要產量性狀之一，也是典型的數量性狀，改良這一性狀可以有效提高作物的產量。此外，粒重在禾谷類作物進化上也具有重要的意義，野生作物的種子小，產量低，收獲難度很大，人們在作物馴化過程中趨向于選擇大粒的品種進行栽培，逐步形成了子粒較大的栽培種。而粒重性狀又是穩定遺傳的，有利于遺傳分析。所以研究作物粒重的遺傳機制有利于認識作物的馴化過程，并為提高作物產量的相關研究奠定基礎。

作物粒重的研究方法主要是通過雜交構建遺傳標記群體，建立標記和性狀遺傳連鎖圖譜，對粒重相關基因（QTLs）進行定位。這些群體包括臨時群體（F2、BC1等）和永久群體（RIL等），用于構建連鎖圖譜的分子標記包括RAPD、RFLP、AFLP、SSR等，其中SSR標記是常用的標記。目前水稻的粒重研究進展較快，一些貢獻效應大的粒重相關QTLs，例如GW2、GS3等已經被克隆，這為認識粒重形成的遺傳和生化機理奠定了基礎，也為農作物品種的分子設計育種準備了條件。其他作物如玉米、小麥等也開展了粒重相關基因的發掘研究，發現了多個起重要作用的QTLs，但對其他作物粒重相關基因的研究報道較為少見。

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