水稻耐熱性遺傳調控機理研究進展

張和云，朱嘉瑜，葛杭悅，陳楊，陳飛

(杭州師范大學 生命與環境科學學院，浙江 杭州 310036)

溫度是影響植物生長發育最為重要的環境因素之一，異常的高溫或低溫等極端天氣條件均會對植物生長造成嚴重的危害。在目前全球氣候不斷變暖的背景下，高溫熱害已成為農業生產可持續發展的一個重要制約因素[1]。據統計，在過去的30 a間，由于全球氣候變暖導致的小麥和玉米的產量損失分別達到5.5%和3.8%[2]，最新估測認為，全球氣溫每升高1 ℃，會引起全球主要農作物出現不同程度的減產，其中，玉米減產達7.4%，小麥為6%，水稻為3.2%，大豆為3.1%[3]。因此，解析作物耐熱性遺傳調控機制，對作物耐熱性進行遺傳改良已成為當前作物育種的迫切要求。

水稻是我國的第一大糧食作物，它的種植面積占全國糧食作物面積的30%左右，其產量約占全國糧食產量的38%。水稻是一種喜溫作物，其生長區最適溫度為白天平均28 ℃和夜晚平均22 ℃[4]，日間平均溫度超過32 ℃就會影響到水稻的正常生長和發育，特別是在生殖生長階段(孕穗期和抽穗揚花期)，異常高溫會引起穎花不育，影響正常結實，最終導致產量損失[5-6]。近年來，隨著全球氣候變暖，我國夏季極端高溫天氣發生頻率變高，導致水稻遭受高溫熱害影響的事件頻繁發生，特別是長江流域稻作區，自20世紀80年代以來遭遇嚴重高溫熱害的次數大幅度增加，導致遇災年份水稻大幅度減產，給我國的糧食生產和消費帶來了不可預估的因素[1, 7]。據保守估計，2003年高溫熱害期間長江流域受災面積達3.0×107hm2，稻谷產量損失達5.18×107t[1]。近年來，浙江省水稻高溫熱害情況同樣嚴重，除東部沿海和浙南部分山區外，其余大部分地區均有發生高溫熱害事件，且呈逐步增加的態勢，其中以金華、麗水等地尤為嚴重[8-9]。因此，為應對全球氣候變暖導致的水稻減產威脅，開展水稻耐熱性分子遺傳機理解析，發掘水稻耐熱遺傳/基因資源，以推動水稻耐熱分子育種進程已成為當前水稻研究的一個重要課題。

植物對環境溫度的感知和耐受性的獲得是一個十分復雜的生理過程，涉及諸多基因和多種耐高溫機制的協調作用，包括長期進化形成的物候適應和形態上的適應，以及短期的“逃避”或適應機制，例如，形態學的改變(包括下胚軸和葉柄的伸長、提早開花、降低氣孔密度等)、熱休克蛋白(heat shock protein, HSP)的保護、活性氧的清除等[10]。近年來，利用模式植物擬南芥，我們在植物熱脅迫感受、信號轉導及耐熱分子機制方面取得了一定的進展，大量植物熱應激響應和信號相關的基因被鑒定，如熱激轉錄因子(heat shock transcription factor, HSF)、bHLH(basic helix-loop-helix)轉錄因子PIF4(Phytochrome interacting factor 4)等[11-16]。盡管我們對植物熱應激和信號轉導分子機制有了一定的認識，但我們對水稻等作物的耐熱遺傳調控機制的研究仍嚴重滯后。本文就近年來水稻耐熱性QTL(quantitative traits loci)定位和耐熱性相關基因克隆的研究進行綜述，旨在為進一步開展水稻耐熱遺傳機理研究與分子育種提供幫助。

1 水稻耐熱性狀QTL的定位研究

目前研究普遍認為，水稻耐熱性同樣是一個受多基因調控的典型的數量性狀。近年來隨著水稻耐熱性研究重要性的日益凸顯，大量有關水稻耐熱性狀QTL定位的研究被報道[16-29]。迄今已有超過60個水稻耐熱性相關的QTL被定位，其中，以水稻開花期和灌漿期耐熱性狀為主，也有部分苗期耐熱性狀相關的QTL。這些QTL在水稻12條染色體上均有分布，其中第6和7號染色體上未檢測到與開花期耐熱性相關的QTL，部分檢測到的主效QTL對表型變異的貢獻率接近20%。這些研究成果為我們后續通過分子標記輔助選育(marker-assisted selection，MAS)聚合耐熱基因、培育高產耐熱水稻新品種奠定了基礎。

有關早期的水稻耐熱性QTL定位研究前人已有綜述[30]，這些研究主要以稻穗上半部的育性、整穗結實率、谷粒重等性狀作為耐熱性指標來進行QTL定位。隨著水稻基因組學和分子標記技術的發展，特別是利用全基因組高密度SNP構建連鎖圖譜進行QTL定位分析，水稻耐熱性QTL定位研究又有了新的進展。Ye等[24]利用耐熱水稻品種N22(Nigina 22)與熱敏感品種IR64構建作圖群體，基于SNP標記定位到4個與水稻開花期耐熱性相關的QTL，其中2個為主效QTL，分別位于第1(qHTSF1.1)和4(qHTSF4.1)染色體上，其表型貢獻率分別達12.6%和17.6%。為鑒定和驗證前期定位的耐熱性QTL，Ye等[25]繼續利用另一個耐鹽品種Giza178分別與熱敏感品種IR64和Milyang23構建作圖群體，在IR64/Giza178群體中定位到4個與開花期耐熱性相關的QTL(qHTSF1.2、qHTSF2.1、qHTSF3.1和qHTSF4.1)，在Milyang23/Giza178群體中鑒定到2個不同位置的QTL(qHTSF6.1和qHTSF11.2)，為進一步驗證這些QTL，作者構建了IR64/Milyang23/Giza178三交群體并利用該群體定位到5個QTL，其中3個與二交群體中定位的QTL區間重疊(qHTSF1.2、qHTSF4.1和qHTSF6.1)，而qHTSF4.1與前期利用IR64/N22群體定位到的一個主效QTL相同。因此，Ye等[26]對qHTSF4.1進行了后續的精細定位研究，最終將QTL區間縮小至1.2 Mb區間內，但未能進一步縮小目標區間，該區間高度保守并包含大量屬于同一基因家族的基因。進一步驗證表明，qHTSF4.1能顯著緩解高溫脅迫引起的水稻育性下降，含有qHTSF4.1的水稻品種均表現出一定程度的耐熱性。

此外，PS等[28]基于高通量SNP芯片技術，利用N22和IR64構建的重組自交系(recombinant inbred lines, RILs)以開花期小花育性和每株產量作為指標定位到5個耐熱性相關的QTL，分別位于第3、5、9和12染色體，能夠解釋6.27%～21.29%的表型變異。其中2個為主效QTL，1個與前期定位QTL重疊(qSTIY5.1/qSSIY5.2)，另一個為新的水稻耐熱QTL(qSTIPSS9.1)，這2個主效QTL區間均被縮小至400 kb范圍內，其區間分別含有65和54個基因。Li等[31]利用耐熱品種Liaoyan241與敏感品種IAPAR-9構建RILs，對正常溫度和熱脅迫下水稻結實率性狀進行分析，在第1、3、4、5和6染色體上共定位到11個QTL，其中4個主效QTL(qNS1、qNS4、qNS6和qRRS4)在不同年份和不同環境中能穩定檢測到。除定位了大量開花期和抽穗灌漿期性狀相關的耐熱QTL外，最近也有研究關注水稻苗期耐熱性狀的QTL定位。如Kilasi等[29]同樣利用N22和IR64構建RILs，通過考察水稻幼苗在正常溫度和高溫脅迫下根長和株高等指標，共鑒定到10個控制水稻幼苗耐熱性狀QTL，分別位于第1、2、3、4、5、6和10染色體，其中5個為主效QTL(rlht5.1、slht6.1/slpc6.1、slpc2.1、slpc10.2和slpc10.3)，其表型貢獻率均超過10%。

2 水稻耐熱性相關基因克隆

2.1 水稻耐熱QTL的克隆

盡管已經定位了大量的水稻耐熱性狀QTL，但是耐熱QTL的克隆研究仍少見報道。Li等[32]利用非洲稻(CG14，Oryzaglaberrima)與亞洲栽培稻(WYJ，Oryzasativassp.Japonica)構建遺傳群體，檢測到至少5個與控制非洲稻高溫抗性相關的主效QTLs，并利用回交群體成功分離克隆了其中1個主效QTL Thermo-Tolerance1 (OgTT1)，OgTT1位于水稻3號染色體，編碼一個26S蛋白酶體的α2亞基，能促進細胞中的蛋白酶體在高溫下對泛素化底物的降解速率，從而降低高溫脅迫下細胞中積累的有毒變性蛋白的種類和數量，緩解高溫引起的細胞死亡。在水稻、擬南芥和高羊茅(Festucaelata)植株中過表達OgTT1能顯著提高轉基因后代的耐熱性。Wei等[33]利用耐熱水稻品系HT54(來自廣陸矮4號)與熱敏感品系HT13(源自秈稻05-Zhan)構建作圖群體，定位了HT54中苗期耐熱性調控的主效位點OsHTAS，該位點位于水稻第9號染色體InDel5和RM7 364兩個分子標記之間。進一步研究發現，OsHTAS基因編碼一個泛素連接酶，通過調控熱脅迫下H2O2誘導的葉片氣孔關閉來提高水稻的耐熱性[34]。

2.2 通過水稻耐熱突變體克隆相關耐熱調控基因

除了耐熱QTL的定位和克隆外，近年來還有部分研究通過篩選水稻耐熱突變體克隆相關耐熱調控基因。例如，Wang等[35]從秈稻品種中秈3037中獲得了1個自然突變的隱性熱敏感矮化突變體togr1-1，圖位克隆顯示TOGR1編碼1個包含9個基序且溫度依賴型的DEAD-box RNA解旋酶，該解旋酶參與高溫條件下pre-rRNA的正常加工。TOGR1基因突變會導致突變后的TOGR1蛋白不能被招募到SSU中形成功能性的pre-rRNA加工體，致使rRNA的生物合成受阻，提高TOGR1的表達水平能有效提高水稻植株的耐熱性。此外，部分研究還利用擬南芥中分離獲得的耐熱性相關基因信息來鑒定參與水稻耐熱性調控的關鍵基因。例如，Shen等[36]利用擬南芥2個耐熱性差異顯著的基因型(Col-0：Columbia-0；Ler：Landsbergerecta)構建作圖群體，定位到2個與耐熱性相關的主效QTL，并通過圖位克隆鑒定了其中1個QTL(qHat2-1)，該基因編碼一個類受體蛋白激酶ERECTA(ER)。在水稻中過表達擬南芥類受體蛋白激酶ERECTA能提高水稻的耐熱性，同時水稻ERECTA功能缺失突變體則表現出耐熱性下降的表型。進一步研究發現，ERECTA通過一種新的細胞保護機制調控逆境下的細胞死亡，提高ERECTA表達量可以顯著增強了逆境下細胞膜的完整性，緩解因熱脅迫引起的細胞死亡，從而提高耐熱性。此外，部分研究還通過反向遺傳學方法來鑒定水稻耐熱相關基因。例如，Zhang等[37]分離到1個水稻種子種受高溫表達的轉錄因子OsMADS7，通過RNAi特異抑制OsMADS7在水稻胚乳中的表達，能穩定高溫脅迫下稻米直鏈淀粉含量，維持小穗育性，說明該基因也參與了水稻耐性調控。但是，目前我們克隆的水稻耐熱性相關基因仍十分有限，需要后續研究繼續發掘更多的水稻耐熱調控基因。

3 研究展望

復雜性狀的遺傳改良對于水稻育種家來說是一項十分具有挑戰性的工作，特別是溫度、干旱、鹽分等環境脅迫性狀的耐性改良。一方面這些性狀均存在復雜的基因調控網絡，單個QTL/基因的貢獻率不高；另一方面，在田間狀態下，多種脅迫共同存在的情況常有發生，例如高溫和干旱往往伴隨發生，單一性狀的改良往往達不到預期效果。因此，在選育高溫耐性品種的同時需綜合考慮多種因素，最終培育出能耐受異常高溫的廣適型水稻新品種。

就水稻耐熱性育種而言，由于國內對水稻熱害認識和研究起步較晚，因此，相較于耐鹽、旱、病蟲等性狀育種進程相對落后很多，目前仍以通過常規育種手段篩選耐熱水稻品系為主。近年來國際水稻研究所、中國水稻研究所和國內科研院校等單位先后開始耐熱水稻品種選育，相繼篩選出了一批水稻耐熱品系，但水稻耐熱性育種仍進展緩慢。盡管已經定位了大量的耐熱性QTL，部分研究也獲得了可用于MAS的性狀共離分子標記[26, 33]，但應用MAS選育水稻耐熱品種的分子育種實踐尚未見報道。其原因主要是目前這些定位的QTL區間仍比較大，且大部分鑒定獲得的耐熱QTL貢獻率都偏低，難以聚合利用；同時，目前耐熱QTL鑒定大部分通過育性和產量等不同指標進行定位分析，而不同考察指標獲得的水稻耐熱QTL也存在差異。因此，后續研究有必要進一步對已獲得的主效耐熱QTL進行更精細的定位和克隆，同時采用更加合理的性狀指標來分離新的主效耐熱QTL，以期能通過分子育種聚合多個耐高溫QTL/基因，培育獲得耐熱且產量和品質較為穩定的水稻新品種。

除了常規育種手段，目前也有研究通過轉基因等現代生物技術手段來改良水稻的耐熱性。如在水稻中過表達FAD7(脂肪酸去飽和酶, fatty acid desaturase)、OsWRKY11轉錄因子，以及部分熱激蛋白和熱激轉錄因子基因，或敲除類糖原合成激酶1基因(OsGSK1)均能顯著提高轉基因植株的耐熱性[38]。除了水稻中發掘的基因外，也有部分研究通過在水稻中表達來源于擬南芥或其他物種的耐熱性基因來提高水稻的耐熱性[39]。此外，也有研究從野生稻中篩選耐熱遺傳資源來改進水稻的耐鹽性[40]。這些研究成果為通過基因工程手段改良水稻的耐熱性提供了可能。但是，目前在我們對水稻耐高溫分子遺傳機理的認識仍十分有限，耐熱性相關基因克隆也較少，因此，需要我們分離鑒定更多與水稻高溫響應相關的新基因，以加深對水稻高溫耐受分子機理的認識，同時為后續通過分子育種培育耐熱高產優質水稻奠定基礎。