水稻根系遺傳研究進展

丁仕林 劉朝雷 錢前,*

（1福建農林大學資源與環境學院，根系生物學研究中心/海峽聯合研究院，福州350002；2中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州 310006；第一作者：histdsl＠163.com；*通訊作者：qianqian188＠hotmail.com）

根系作為水稻主要的器官之一，具有固定水分，吸收養分，合成與分泌激素、酶、有機酸等功能[1]。但由于根系生長在看不見的土壤環境中，難以對水稻根系無損傷的取樣，對水稻根系形態性狀的觀察、統計和分析難度都較大，因此相對于地上部性狀而言，對水稻根系的研究較為落后。近年來，由于基因圖位克隆技術的完善與發展，相關生物信息學軟件的開發，根系研究方法不斷創新與發展，促進了水稻的根系研究。本文介紹了國內外水稻根系研究的方法，水稻根系的結構以及相關基因的定位、克隆和功能研究等方面的進展，對根系的理論研究以及根系育種進行了展望。

1 水稻根系的結構及其主要功能

水稻的根屬于須根系，由1條種子根和大量不定根及側根組成，種子根由胚根發育形成，不定根出自莖節根帶的根點（根原基），種子根（1條）和不定根的數目是有限的。側根發生起始于特定的中柱鞘細胞，是水稻根系不可缺少的部分[2]。水稻根從根尖到根基一般分為根冠、分生區、伸長區和成熟區，除了根冠與其他組織具有明顯的分界之外，其他三個區域都是相互重疊的。根尖的最前端部分是根冠，每天都有許多細胞從根冠表面脫落下來，稱為根邊緣細胞，它們包裹在根冠的周圍，是水稻根冠表面和土壤間的“界限”。大部分水稻邊緣細胞呈橢圓形或者長桿狀，主要分布于根尖0～2 mm處[3-4]，當根表皮的細胞由伸長區發育至根毛區，部分表皮細胞開始發生突起形成根毛。根的橫剖面由中柱、皮層、表皮等部分組成，中柱內含有木質部的大導管呈輻射狀排列，韌皮部與后生木質部相間排列。水稻根尖皮層組織中細胞分離或部分皮層細胞崩潰，形成通氣組織，通氣組織可以促進氧氣擴散進入根部，同時使根部的甲烷、H2S、CO2等氣體排到體外，調節根際氧化勢，排泄廢氣[2]。

水稻根系具有多種功能，其物理功能主要是固定植株，其次是養分和水分吸收的主要器官，又具有合成和分泌多種氨基酸、有機酸和激素等生理活性物質的功能。李娟等[5]對多個水稻養分吸收動態的模擬模型分析得出，水稻根系常數平均值是 K＞N＞P，水稻氮鉀吸收過程基本同步，磷則稍晚，平衡施肥能夠顯著提高根系對氮、磷、鉀的吸收能力。水稻根系除了可以吸收氮、磷、鉀等無機養分和水分之外，還可以吸收二氧化碳或者碳酸。孫桂蓮等[6]采用同位素示蹤技術研究了水稻對的吸收和積累動態，結果在水稻各部位均檢測到了14C的存在，通過下部組織吸收的會向上部組織輸送，并在葉片和稻穗中積累。隨著研究的推進，科研工作者發現了越來越多的根系分泌物。陸定志等[7]從水稻根系傷流液中分離出了30多種氨基酸。FUKUMORITA等[8]研究發現，根系可以合成蔗糖和游離氨基酸。HAYASHI等[9-12]發現，水稻傷流液中還含有赤霉素、脫落酸、細胞分裂素和乙烯前體等植物激素類物質和檸檬酸、琥珀酸、蘋果酸等有機酸類物質。

2 水稻根系研究方法

由于根系處于土壤環境中，尤其是水稻根系纖細并且長期生長在淹水環境中，因而對水稻根系的取樣、測定都存在一定的困難。1727年德國學者HALES用挖掘法研究植物根系在土壤中的分布情況。1892年KING采用鐵絲箱隔離土法得到了近似自然狀態下的水稻根系。之后，美國生態學家WEAVER對挖掘法進行了改進，于1923年首次使用新挖掘法開展水稻根系研究，對水稻根系研究起到了很大的促進作用[13-15]。

圖1 水稻根系結構

2.1 挖掘法

對水稻根系進行挖掘研究的方法大概有 5種：原狀土柱法[16]、原狀土片法[17]、簡易根箱法[18]、網袋法[19]和塑料管土柱法[20]。

2.2 非挖掘法

由于在挖掘根系的過程中多少會損傷到根系，并且有時不能獲得完整的根系，而非挖掘法克服了挖掘法會損傷根系的不足，可以準確測量根系性狀，但是不能展現水稻根系在土壤中的自然分布情況，不能讓人直觀的觀察到水稻根系在不同土壤條件下的生長形態及特點。非挖掘法主要有同位素示蹤法[21]、霧培法[22]、桶盆缽栽培法[23]、沙培法[22]和水培法[24]。

2.3 虛擬模型法

植物形態結構模擬與可視化研究起源于 20世紀60年代，目前在根系空間分布特性的三維建模與可視化表達這方面的研究并不多見。劉桃菊等[25]根據L-系統的生成規則和水稻根系的分布形態，通過計算機模擬實現了水稻根系的三維重建。PAGES等[26]提出了一種可以系統地描述根系生長發育全部過程的根系通用模型-Root Typ。徐其軍等[27]在水稻生長過程中根尖的生長變化模式，根據水稻根系形態特征參數，構建了三維顯示模型，實現了可視化表達。張玉等[28]通過測定水稻根系坐標和分析根系分布特性，建立了根系的橫向和縱向分布模型。根系虛擬模型法通過計算機可視化技術實現了根系形態的三維模擬，為水稻根系可視化提供了技術支持。

3 水稻根系性狀的QTL

目前，關于水稻根系相關性狀的QTL已經發表數百個，主要涉及植株總根長、最大根長、根面積、體積、根直徑、根干質量、根系的穿透力、根系活力、根系傷流量、不定根數量等。徐曉明等[29]利用輪回親本中恢9308（R9308）回交多代的高代回交群體與超級稻協優9308衍生重組自交系為材料，采用瓊脂無土栽培技術，將水稻根長QTL—qRL4定位在第4號染色體分子標記RM5687與InDel49間624.6 kb范圍內。沈波等[30]應用珍汕97B/密陽46構建的重組自交系（RIL）群體對根系傷流量進行統計，檢測到4對控制根系活力的上位性互作。翟榮榮等[31]以協青早B/中恢9308構建的234個重組自交系（RIL），在正常水分和20%聚乙二醇處理條件下對水稻最長根長、根表面積、體積、根平均直徑、根尖數、根鮮質量、根冠比和總根長進行QTL定位，正常水分條件下檢測到 7個QTL，分布在第 2、3、9、10、11染色體上；水分脅迫條件下檢測到14個QTL，分布在第 2、3、5、6、9 染色體上，在第 3 染色體上 RM6283～RM7370區間發現了苗期根系性狀與抗旱性以及產量相關的性狀存在連鎖關系。姜樹坤等[32]構建以北陸129、笹錦及其雜交衍生的回交重組自交系群體（RIL），對水稻根系相關性狀進行檢測，得出這些QTL主要分布在 第1、2、5、9和 11染色體上，在第9和第11染色體上QTL成簇分布，其中，發現 第11染色體上5461121～6686166 bp之間1個控制根表面積、根數和根長的 QTL—qRL11。趙春芳等[33]在低磷條件下以9311為背景的日本晴置換系為材料，對水稻苗期不定根及相對性狀進行了QTL定位，結果定位到 9個QTLs，根長和相對性狀中共同檢測到1個 QTL，位于第5染色體上。王小虎等[34]以窄葉青8號/京系17的F1花培加倍單倍體分離群體為材料，在水培條件下，對水稻最大根長、根干質量、根數、根基數和根冠比等性狀進行分析，發現和最大根長、總根數、根干質量相關的QTL各有 2個，分別位于第1和第6、第 1和第2、第1和第12染色體上，結果表明各根系性狀與植株分蘗數、株周長、單蘗直徑和地上部干質量存在顯著或極顯著正相關關系，根系各性狀之間也存在極顯著正相關關系。班超等[35]對已經發表的在水旱條件下水稻根系性狀QTL進行了整理，通過QTL的貢獻率，分析得到 11個主效的 QTL，確定第 1、2、3、5、11 號染色體上一共11個分子標記區域為“一因多效”可能性比較大的區域，并且通過分析還得到35個可信度很大的QTL和3個“熱點”QTL。XIAO等[36]在冷脅迫處理條件下，以根系的電導率為指標，在第10染色體上定位到2個耐冷QTL，分別為qRC10-1和qRC10-2，通過對qRC10-2的精細定位，在48.5 kb的候選區域，Os10g0489500和Os10g0490100被確定為qRC10-2的候選基因。QU等[37]通過構建IRAT109/Yuefu的120個的重組自交系（RILs），在水稻苗期、分蘗期、抽穗期、結實期、成熟期，測量水稻根系的根基粗、根數、最大根長、根鮮質量、根干質量、根體積等相關性狀，這表明大多數QTLs都是在特定的發育階段的。其中，不同性狀的QTLs在水稻不同的遺傳群體的相同標記區間可以重復檢測到，反映出該QTLs的穩定遺傳并且具有一因多效。因此，在進行分子標記輔助育種時可以同步選擇多類性狀和基因，從而同步改良多個農藝性狀，這些主效 QTL、一因多效的 QTL、成簇分布的 QTL以及“熱點”可以作為水稻根系分子育種的重要依據，加速重要根系性狀的基因定位、克隆以及分子育種研究進程。

4 根系相關基因克隆

目前，國內外科學家利用圖位克隆技術以及構建水稻永久性和臨時性遺傳群體對水稻基因的定位、分離、克隆，已經克隆出一些調控水稻不定根、冠根、側根、根毛等性狀的基因。在水稻中ral1是第一個在原形成發育和維管形態受損的突變體，通過敲除RAL1、RAL2、RAL1會導致維管發育缺陷[38]。OsCEM編碼了一種與生長素的極性運輸有關的蛋白質并且只表達在芽中[39]。INUKAI等[40]通過對不定根形成有缺陷的突變體研究定位了CRL1，這個基因功能為抑制不定根的形成，CRL1編碼一個在側根、維管束組織、不定根的原基、胚子葉以及幼莖中表達的具有LOB結構域的蛋白質；CRL2與不定根以及側根原基的形成有關[41]；CRL3只參與不定根原基的形成，而與其他類型根原基和地上部頂端分生組織的形成無關[42]；CRL4編碼 OsGNOM1蛋白在不定根原基、維管組織、根尖、葉片、側根表達，CRL4受到OsPINs家族的調控，通過極性運輸調控不定根的形成[43]；CRL5編碼了1個 AP2/ERF轉錄因子家族蛋白質，在生長素的作用下CRL5可以誘導不定根的形成起始[44]。OsSCR1和OsSCR2主要功能為參與根系發育過程，對根內皮層/皮層前體細胞的不對稱分裂至關重要，并且在內皮層細胞中表達，當根尖內皮層細胞不均等分裂之后表達水平被下調[45]。OsKSR2的主要功能為調控根系發育，突變體Osksr2的初生根、不定根、側根的伸長受到抑制[46]。OsCAND1主要負責不定根生長起始，WANG等[47]通過突變體Oscand1發現根的分生組織中G2/M細胞周期性循環中止，從而導致不定根不能正常生長，在不定根原基的發育過程中，OsCAND1的表達局限于根冠。LI等[48]證明了過表達轉錄因子基因TaMOR可以增加水稻不定根數并且獲得更高的產量，TaMOR編碼了屬于 AS2/LOB蛋白家族的1個在植物中特定的轉錄因子，組織表達模式顯示了TaMOR主要表達在根形成起始階段。

根系伸長主要是由根系頂端分生組織干細胞所驅動。INUKAI等[40]發現，突變體rrl1、rrl2顯示出較短的根系，RRL1和RRL2抑制了根系頂端分生組織細胞的延伸；INUKAI等[49]還發現，突變體rrl3對機械刺激敏感且根系較短，在機械阻礙條件下RRL3調控分生區細胞分裂過程，但不調控對ABA、IAA和乙烯的敏感性。SRT6的表達可以抑制初生根的發育，顯著減少初生根的長度和根系直徑。OsGNA1編碼6-磷酸氨基葡萄糖胺乙酰轉移酶，參與到UDPN-乙酰氨基葡萄糖的生物合成[50]。WU等[51]發現突變體gna1在根系延伸方面對溫敏缺陷，突變體的異常根形態包括根的縮短、微管的中斷、伸長區細胞的收縮。JIA等[52]發現，突變體Osspr1顯示根細胞伸長減少，OsSPR1編碼1個線粒體蛋白質。OsDGL1編碼長醇-二磷酸寡糖蛋白質糖基轉移酶48 kDa亞基前體。LIU等[53]發現，突變體osdgl1在根系細胞壁上多糖發生變化，根細胞長度較短，根分生組織較小和細胞死亡。OsCKI1編碼了一種酪蛋白激酶，在水稻的不定根的形成和生長中起著重要的作用[53]。ZHOU等[54]證明，WOX11能夠促進水稻不定根的起始和伸長，WOX11和ADA2-GCN5調控的是一組參與能量代謝、細胞壁生物合成和激素反應的根特定基因，WOX11通過招募ADA2-GCN5建立了不定根分生組織細胞分裂的基因表達程序。CHEN等[55]分離出1個根系細胞變小的短根突變體，通過圖位克隆和全基因組測序定位到1個氯離子轉運體（OsCCC1），OsCCC1在根系和地上部中表達尤其在根尖中大量表達，其通過調控Cl-、K+、Na+穩態來維持細胞滲透勢，從而參與到根系細胞的伸長。

側根起源于種子根和不定根，根毛起源于表皮細胞的分化，在水分和養分吸收方面都具有重要作用，目前很多和側根、根毛發育有關的基因已經被定位到。突變體lrt1和lrt2不能夠形成側根和不能感受重力，對2,4-D、NAA、IBA和IAA具有排斥反應，從而影響根系形態[56]。CHO等[57]發現，OsWOX3具有促進器官發育的作用，包括側根分支和葉片中維管組織的形成、小穗中外稃和內稃的形態建成、分蘗和側根的數量。一對重復基因（NAL2和NAL3）編碼 OsWOX3A，具有調控根毛形成的作用。CHEN等[58]發現，OsORC3在根系分生區和子房、花藥等部位大量表達，當它的外顯子1個堿基A突變為G，會導致側根和根毛的生長受到抑制。Arm1和Arm2作用于生長素響應通路的不同過程中調控側根形成，突變體arm1顯示了各種根系形態缺陷，包括減少側根的形成、增加種子根的伸長、減少根直徑和抑制根系木質部的發育；然而，突變體arm2則減少側根的形成，抑制根系木質部發育以及提高株高[59]。在水稻中OsAPY是1個調控根毛伸長和植株生長的重要基因，由于OsAPY的突變，突變體rth1顯示出無根毛[60]。突變體rh2完全失去了根毛且根長縮短，株高降低[61]。OsCSLD1可以調控根毛伸長而不調控根系起始，只表達在根毛細胞中。OsRHL1是一個轉錄因子，負責調控根毛的發育[62]。OsSRH1和OsSRH3負責調控根毛的長度且兩者都為短根毛基因[63]。OsEXPB5編碼在根毛形態建成過程中更有效地作用于修飾細胞壁的蛋白質[64]。OsEXPA17表達在根毛細胞中，包含1個點突變，導致氨基酸序列發生變化，從而導致根毛變短[60]。GIRI等[65]證明了生長素轉運蛋白OsAUX1的主要功能為當根系外部磷濃度較低時，OsAUX1可以將根尖部位的生長素運輸到分生區，從而促進根毛伸長。

根角對獲取像磷酸鹽這樣積累在表層土壤的營養物質有很大的影響,低磷條件下誘導較淺的根系生長作為一種適應性反應，因此，控制根角的基因和機制對植物育種至關重要。HUANG等[66]發現了1個微絲結合蛋白-RMD，通過微絲和平衡細胞的連接來控制根系生長角度，RMD在低磷條件下上調了RMD蛋白水平，但是缺乏RMD蛋白的根系具有更陡峭的冠根角度并且對外界磷酸鹽的濃度反應不敏感，因此根角度對外部磷酸鹽獲取的適應性變化是依靠RMD蛋白調控的。

5 展望

目前，國內外關于水稻根系性狀方面的研究主要為QTLs和基因功能研究，雖然在根系研究中有很多QTLs已經報道，但是真正從相關根系性狀QTLs克隆到相關功能基因卻很少，難以驗證其功能，因此在未來研究過程中要采用多種方法進行根系性狀QTL以及有利基因的定位。我們知道水稻根系相關性狀和地上部性狀存在不同程度的相關性，在基因型水平也存在相關性，因此今后關于根系研究的重點應放在各性狀基因間的相關性上，實現調控水稻地上部農藝性狀和根系相關性狀在基因水平的最優搭配，從而培育出以至于“設計”出水稻地上部和根系最優搭配的優質、高產、穩產、抗逆性強、適應性廣等特性的水稻品種。