水稻穗粒數遺傳基礎研究進展

郭澤西+馬海燕+馬亞飛+袁雪

摘 要：大穗是水稻高產品種選育的主攻方向，介紹了水稻穗粒數及相關性狀的遺傳基礎，綜述了穗粒數QTL的定位和功能分析，最后指出了穗粒數遺傳基礎研究中的問題并展望了今后穗粒數研究方向。

關鍵詞：穗粒數；QTL；遺傳基礎

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.07.025

Basal Research Progresses on the Genetics of Grains Number Per Panicle in Rice

GUO Zexi， MA Haiyan， MA Yafei， YUAN Xue

（College of Agriculture， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530005， China）

Abstract： To breed rice variety with large panicle is one of objectives in rice breeding program. Basal research progresses on the genetics of the grains number per panicle and its related character in rice were introduced， QTL of grains number per panicle and functional analysis were reviewed. Finally， the problem about the genetics of the grains number per panicle were pointed out， the research direction of the grains number per panicle was also forecasted.

Key words： grains number per panicle； QTL； basal research on the genetics

我國水稻種植面積0.3×108 hm2，是我國種植面積最大的糧食作物，總產量為2.04×108 t，位居世界第一位，水稻產量和安全品質是必須考慮的問題。雖然水稻產量6 300 kg·hm-2高于世界平均水平，但是我國水稻單產的增長越來越緩慢，提高的難度越來越大，如何提高單產是當務之急[1]。凌啟鴻等[2]認為在眾多水稻產量性狀中，單位面積適宜的穗粒數起主要作用，穩定穗數，主攻大穗，有利于數量和質量的統一。許多學者提出了理想株型模式[3-6]，這些理想株型均以提高穗粒數為主要目標，它是增加單產的關鍵。當水稻產量達到一定水平時，穗數的增加已經不能有力地提高產量，而增加每穗穗粒數就為高產水稻品種的選育提供了指導方向[1，7]。

1 水稻穗粒數及其相關性狀

稻穗由穗長、一次枝梗、二次枝梗和小穗構成。水稻穗粒數是指單個稻穗上著生在枝梗上的籽粒（穎花）數。每穗粒數較其他與產量相關的性狀相比，具有較大的變異范圍， 這取決于穗部發育時形成的穎花數[8]。穗粒（穎花）直接著生在二次枝梗上，二次枝梗又分布在一次枝梗上，一次枝梗呈圓錐狀分布在稻穗上，因此，水稻穗軸長度（穗長）、一次枝梗、二次枝梗數等均與稻穗粒數多少有關。

張玉屏等[9]通過對5個穗型不同的雜交稻穗部性狀之間的相互關系的研究發現，在水稻穗粒數相關性狀中穗長與穗粒數呈極顯著正相關，較長穗長的稻穗穗粒數明顯大于較短的稻穗，認為穗長是影響每穗粒數的一個關鍵因子。每穗粒數主要取決于植物的第一、第二枝梗的個數[10]。多數研究認為，二次枝梗與穗粒數有極顯著的相關性，往往穗粒數越多的品種，二次枝梗數量也較大，一次枝梗次之，但也有較大相關性。Mei等[11]在對穗粒數相關性狀進行定位分析時發現，二次枝梗不僅與穗粒數呈極顯著正相關，而且還將控制穗粒數和二次枝梗的QTLs定位在相同的位點。

2 水稻穗粒數相關性狀的遺傳

經典遺傳學研究表明，水稻穗粒數相關性狀的性狀均為數量性狀，群體內的各個體間表現為連續變異的性狀，比如穗長、一次枝梗、二次枝梗和穗粒數等。一般認為，穗長和一次枝梗有較高的遺傳力，這表明穗長和一次枝梗的群體表型差異中由遺傳因素造成的差異比例較大，穗粒數遺傳力次之，二次枝梗的遺傳力較低[12-13]。

目前，通過不同的遺傳群體如BC1群體、F2群體、近等基因系和單片段代換系等群體對水稻穗部性狀進行的研究認為，穗部性狀在分離后代中表現為連續的表型變異，受環境和遺傳背景的影響較大。這些性狀受若干基因控制，各個基因對性狀的貢獻率較小，這些基因位點稱作數量性狀基因位點——QTL[14]。

QTL受環境的影響，一個原因可能是QTL針對不同環境主動做出的表達水平的不同，另一個原因可能是被外界干擾被動做出的表達差異。遺傳背景影響的主要表現與QTL互作的位點發生改變引起的，稱之為上位性。同過不同群體和方法對水稻進行QTL定位，結果顯示在水稻中有大量的上位性互作[15-18]。上位性互作是指不同座位上的非等位基因之間的非加性作用，對上位性的檢測只涉及到兩個基因之間的相互作用。楊蓋宇等[19]通過構建Ghd7和Qph1兩個同時分離的近等基因系群體，發現Ghd7和Qph1位點均攜帶增效等位基因，Ghd7和Qph1的上位性影響了株高，能夠較好地調控株高、抽穗期和每穗穎花數三者間的關系，使之達到合理水平。Xing等[20]通過構建重組自交系對水稻穗粒數相關性狀進行QTL定位和研究發現，控制水稻穗粒數的有18對雙基因的互作位點，表明遺傳背景對穗粒數遺傳影響較大。

水稻穗粒數在不同的發育時期基因表達的數量和順序是變化的，存在基因表達的發育階段性。通過對不同發育時期的性狀進行QTL定位，并將結果進行比對，這種QTL定位方法稱為動態定位[21]。動態定位揭示了性狀發育過程中的QTL變化，還能用于分析相關性狀間不同發育時期的關系。

3 水稻穗粒數QTL的定位和功能分析

近年來，隨著基因組測序方法的飛速發展，越來越多的分子標記（如SNP、InDel）被開發出來，極大地推動了水稻穗粒數性狀的遺傳分析和遺傳因子的剖析。通過高密度的遺傳圖譜將這些穗型相關性狀的基因較精細地定位于基因組上，并實現了部分基因的分離克隆。這為結合傳統育種、轉基因和分子標記輔助選擇技術等手段培育滿足對水稻新目標的需求提供了技術指導。

3.1 水稻穗粒數QTL定位

自Paterson[22]第一次運用分子標記進行番茄的QTL定位以來，已有大量關于各種控制重要農藝性狀的QTL報道。在利用不同群體進水稻產量相關QTL定位時，將許多相關性狀的QTL定位在距離很近的區域。樊葉楊等[23]通過構建在前期定位的第6染色體RM587-RM19784區域內的3個剩余雜合體，將控制每穗實粒數、每穗穎花數和單株產量的QTL定位于RM3414和RM19417之間約96.4 kb，且3個性狀QTL的遺傳作用模式為加性作用。Xiao等[24]通過遺傳分析和精細定位，在染色體的同一區域內定位到了控制水稻千粒重和穗粒數的QTL。趙建國等[25]利用秈粳稻雜交，通過單粒傳法獲得重組自交系，在第1染色體上檢測到一個與每穗粒數相關的QTL-qSNP1，定位在標記RM1-RM259。在RM1附近檢測到控制每穗實粒數QTL1個。劉丹等[26]通過秈粳交的148個重組自交系株系對水稻穗部性狀QTL進行定位分析，在第一染色體區間RM259-RM572定位到了3個可能緊密連鎖的控制不同穗部性狀的QTL。

通過大量QTL初步定位和精細定位，在相同或相近的區域千粒質量和穗粒數QTL被識別 [27]。qTNSP6-1和qTGWT6-1這兩個QTL被共同限定在第6染色體上一個125 kb的區域內，分別控制千粒質量和穗粒數[28]。Sn9.1和gw9.1被共同限定在第9染色體的37.4 kb區域內，分別控制千粒質量和穗粒數[29]。Zhang等[30]在近等基因系下將穗粒數QTL-qGpp8和qHd8定位在同一座位，很可能是同一個QTL共同控制穗粒數和抽穗期。

Li等[31]通過對219個水稻重組自交系和重組自交系與母本的回交后代構建SNP連鎖圖譜，25個相關性狀的QTL被定位，關于5穗粒數的QTLs被定位出來，其中3個超顯性的QTLs被定位在1、2、8染色體上，一個部分顯性的QTL定位在第2染色體，另外一個完全顯性的QTL被定為在第8染色體上，在回交后代中有一個基因簇，qhHD8/qhPH8/qhSPP8/qhEP8。將這個基因簇命名為RH8，它可以解釋40%的抽穗期的變幅和關于穎花數、株高的QTLs重合。

3.2 水稻穗粒數QTL的功能分析

在水稻穗粒數QTL中，LAX、LAX2、APO1、LOG、SP1、DEP1、EP3、Gnp4和DEP3的定位群體是先通過F2群體定位，然后再通過圖位克隆得到的，Gnla、Ghd7、DTH /Ghd8和SPL14是以近等基因系為定位群體然后通過圖位克隆得到的，RCN、RCN2和LRK1是根據已知的信息進行超量表達來定位的，FZP基因是根據轉座子標簽法來研究的，RFL基因是根據其已知信息對其進行抑制和過量表達進行研究的[32]。

這些基因可以分為兩類，一類是多效性基因，同時控制穗粒數和抽穗期兩個性狀，另一類基因純粹地只控制每穗粒數性狀。

Ghd7屬于第一種類型。Xing等[33]等對其進行了精細定位，將該基因定位在第7染色體著絲粒附近。 Xue等[34]分離了該基因，華中農業大學成功克隆Ghd7基因，Ghd7基因編碼CCT結構蛋白域，對光周期敏感，能夠控制水稻穗粒數、株高和抽穗期3個性狀。該基因在長日照下表達增強，通過延遲開花使株高和穗粒數增加。在第1染色體上半矮生基因sd-1附近的Qph1為主效株高基因，同時對每穗粒數也有較大效應。RCN1和RCN2是TERMINALFLOWER1 （TFL1）/CENTRORADIALIS（CEN）-like基因，過量表達后延長營養生長，導致抽穗期變晚，穗粒數增加。

只控制穎花數性狀的基因是第二種類型，大多是通過調控一次枝梗和二次枝梗的表達來實現的。Ashikaird等[35]用秈粳交把Gnla定位在第1染色體短臂。Gnla是一個負向調控因子，編碼細胞分裂素氧化脫氫酶，能降解細胞分裂素含量，表達量的降低可引起花序分生組織中細胞分裂素的積累，促進二次枝梗的發育，從而增加穎花數量，最終提高產量。育種家通過人工選擇已使大部分高產秈稻含有Gnla的突變型，如9311、特青等[35]。

DEP1是直立穗高產基因[36]，其編碼產物為PEBP結構域類蛋白。DEP1是穗型和穗粒數的顯性負調控因子，其理想基因型為該基因缺失或者低量表達，主要通過增加二次枝梗來增加穗粒數。Gnla和DEP1可能在同一個代謝途徑上[37]。

LAX1是控制穗分枝的基因，進入生殖生長后，編碼一個bHLH類型的轉錄因子，調控側芽組織的形成，導致一次枝梗數和二次枝梗的增加，進而改變穗粒數[38]。

SP1基因的編碼產物是PTR家族轉運子，可能參與硝酸根的運輸。誘變的SP變體穗長、一次枝梗降低而使穗粒數降低，因此該基因的理想型為正常表達。對該基因的研究利于揭示水稻對營養物質的利用方式和生長發育的關系[39]。

FZP基因是通過轉座子標簽法定位到的，是通過對野生型水稻單堿基的突變來定位到的，因此，該基因的突變型為野生型。編碼產物是水稻BD1同源物，是負調控因子，它雖然不影響小穗的形成，但是會阻止腋下分生組織的形成，而其突變體有促進組織形成的作用[40]。

劉頭明等[41]利用2 200個單株近等基因系分離群體在第1染色體的Gnla 基因附近精細定位了一個影響穗粒數的QTL-SPPl，物理距離為107 kb，與Gnla的物理距離為1.2 Mb，它可能編碼一個IAA的合成酶，在植物花序發育中能夠調控每穗穎花數。

Jiao[42]和Miura[43]等發現OsS-PL14位于第8染色體長臂，基因突變后由于擾亂了小RNA的調控導致穗部枝梗數量增加、產量增加，該基因與Gnla的聚合能夠極顯著地增加一次枝梗、穗粒數[34]。

在蛋白質水解過程中APOI基因的產物可以特異性地識別底物，從而調控花序分生組織的形成。該基因的過量表達可以使一次枝梗數量增加、穗長變長，穗粒數明顯增加[44-45]。SCM2是APO1的等位基因，不僅能提高穗粒數，還能增加莖的強度。

4 展 望

盡管人們對水稻穗粒數的研究已有很長時間，但大都集中在表型分析和初定位等方面，不能對其遺傳機制進行準確的闡述和分析，精細定位和克隆很少，不能滿足育種中的需求。近年來，隨著全基因組關聯分析（GWAS）技術的發展和成熟，利用自然群體通過該技術進行遺傳分析有了很大的突破。全基因組關聯分析通過利用遍布在全基因組中的微小標記（SNP和InDel等）和表型性狀來構建高密度的遺傳圖譜進而進行精細定位。基于SNP標記的GWAS所定位的QTL，由于圖譜遺傳密度大，可提高選擇的準確性，已經用于水稻的遺傳基礎研究。Huang等[46]通過對517份水稻品種測序，構建了一張包含360萬的SNP高密度基因圖譜，隨后對秈稻亞種的14個性狀進行全基因組關聯分析，檢測到37個突變位點與之關聯，能解釋36%的表型變異。因此，利用GWAS對水稻穗粒數進行遺傳分析可以進一步了解穗粒數性狀發生的遺傳基礎、挖掘育種潛在功能基因，這對水稻的育種和改良大有裨益。

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