水稻直播相關性狀遺傳分析及分子機制研究進展

馬雅美，張少紅，趙均良

（廣東省農業科學院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術重點實驗室/廣東省水稻工程實驗室，廣東 廣州 510640）

水稻是我國最重要的糧食作物之一。水稻產業的高效、可持續發展是關乎國家糧食安全和國家穩定的重要基礎。傳統水稻種植一般采用育苗移栽的栽培方式。移栽可為水稻生長提供適宜扎根成活的土壤條件，且能較好地控制雜草。全球77%的水稻生產采用育苗移栽的栽培方式，而我國甚至高達95%［1-2］。育苗移栽的栽培方式為水稻產量的提高做出了重要貢獻。但隨著時代變遷和環境影響，水稻育苗移栽在生產中面臨越來越嚴重的問題。首先是勞動力問題，隨著我國社會轉型和農村勞動力轉移，農業勞動力短缺問題日益嚴重，需要投入大量勞動力的育苗和移栽方式明顯不適應目前社會發展的要求。其次是水資源問題，采用育苗移栽的栽培方式，水稻整個生育期都需要灌溉大量的水，造成水資源浪費。再次是水稻生產過程中的溫室氣體排放問題。移栽的耕作方式使水稻在大部分生長階段都浸在水中，缺氧環境導致大量溫室氣體排放。據統計，水稻水田排放了超過全球11%的甲烷氣體［3］。

鑒于上述問題，直播耕作模式逐漸受到重視。直播是指水稻不經過育苗階段，直接通過人工或機械方式在田間播種的栽培方式。水稻直播早期在美國、歐洲等農業機械化水平較高的國家和地區應用廣泛，近年來開始在亞洲國家大面積推廣，部分國家直播稻面積已超過50%。我國水稻直播發展也比較快，據不完全統計，水稻直播面積安徽已達57 萬hm2，湖北、江西、江蘇均超過40萬hm2，廣東也突破10 萬hm2。目前水稻直播主要有旱直播、濕直播和水直播3 種模式。旱直播是把干種子直接撒播到干土壤中的直播方式；濕直播是把剛萌動的水稻種子播種到濕潤土壤中的直播方式；水直播是把經過催芽的水稻種子播種在淹水田塊的直播方式。直播的栽培方式在節約水資源、節省勞動力成本、增加農民收入、提高水稻種植機械化水平等方面均具有顯著作用［4］。相對于育苗移栽，直播栽培方式最多可以減少水稻生產過程中30%的勞動力成本，可見，直播是未來極具價值的水稻栽培模式。但目前水稻直播應用和推廣仍然面臨很大的問題和挑戰。其中最主要的挑戰是具備適宜直播栽培性狀的水稻品種不多，適應直播的性狀主要集中在種子發芽、出苗、營養吸收等早期生長過程。然而，由于近現代水稻品種選育一直圍繞移栽栽培方式開展，造成早期苗活力、厭氧發芽等大量適應直播的性狀相關優異功能基因丟失，導致目前大部分現代品種并不適應直播的栽培方式［5］。據統計，目前大部分高產水稻品種應用于直播時會出現產量下降20%～50%［6］。

水稻產量與栽培措施、土壤類型、氣候環境等因素密切相關，其中雜草、環境脅迫、水分管理等因素對直播稻產量影響最大，雜草管理對直播稻產量影響超過30%，是限制直播稻產量最重要的因素［7］。出苗不均勻、成苗率低是直播稻另一個亟需解決的問題。成苗率問題在旱直播中尤為嚴重，主要由于種子發芽率低，以及早期生長受限制等因素導致。提高水稻對直播栽培措施的適應，同時優化相關配套栽培措施，是推廣直播稻、保障直播稻產量最有效的方法。從品種選育角度來看，針對直播栽培所需的性狀，培育適應直播的水稻品種，是突破目前直播稻推廣和應用瓶頸的關鍵。目前一般認為，適宜直播的水稻品種應具有發芽率高、苗活力和根活力強、較好的耐低溫和厭氧發芽率、抗倒伏等特點［8］。針對直播稻所需性狀進行品種改良和選育最成功的例子在美國、斯里蘭卡和馬來西亞，這些國家超過90%的水稻栽培均采用直播的栽培方法［9］。然而上述適應直播的優異性狀基本上都是多基因控制的復雜性狀，目前對控制這些性狀的功能基因和分子機制研究較少，因此分子育種和遺傳改良難度極大。只有鑒定控制這些性狀的功能基因，剖析這些性狀形成和調控的分子機制，才能對這些性狀進行精準、高效的改良，選育適應直播的水稻品種。

本文圍繞水稻早期生長活力、厭氧發芽生長、低溫發芽、抗倒伏4 個直播稻關鍵性狀，系統梳理和總結了目前在遺傳分析、功能基因克隆和分子機制研究等方面的相關進展，并對這些遺傳改良在直播中的應用進行展望，為水稻直播相關性狀的基礎理論研究和育種應用研究提供參考。

1 水稻早期生長活力研究

早期生長活力是決定水稻直播成苗率和后期產量的關鍵因素之一。較強的早期苗活力主要體現在種子發芽快、發芽整齊、幼苗和根系統生長速度快等，具體指標包括種子萌發率、苗生長速度、根生長活力、苗高、苗干重、葉面積等［10］。較好的早期生長活力可以保證直播的出苗率，避免缺苗，同時保證水稻幼苗更好地與雜草競爭，抑制雜草生長，促進幼苗盡快扎根，為早期生長提供足夠營養。

1.1 水稻早期苗活力相關功能基因及分子機制

隨著直播稻的推廣和需求逐漸增大，越來越多研究關注水稻早期活力的相關性狀。水稻基因庫中存在大量早期苗活力的優異自然變異［11］，近年來相關的遺傳分析和功能基因克隆研究進展較快。Chen 等［12］利用744 份國際稻種資源進行水稻早期苗活力全基因組關聯分析，鑒定到42個與水稻早期苗活力相關的QTL。OsGA20ox1是第一個鑒定到的與水稻早期苗活力相關的功能基因，該基因編碼GA20 氧化酶，該酶是催化赤霉素生物合成倒數第二步反應的關鍵酶。分析該基因序列發現，其啟動子區的變異控制了OsGA20ox1的表達量，導致水稻體內GA 含量升高，從而提高苗活力［13］。OsIPMS1也是控制水稻早期苗活力的功能基因，能催化亮氨酸的生物合成，敲除OsIPMS1導致水稻幼苗氨基酸含量下降，早期苗活力明顯降低。進一步研究表明，OsIPMS1通過提高種子萌發過程中游離氨基酸的生物合成，促進赤霉素合成，增強種子萌發過程中三羧酸循環和糖酵解反應，從而為種子萌發和幼苗生長提供營養［14］。

中胚軸伸長是早期苗活力的另一個重要指標。發芽階段中胚軸快速伸長有利于提高出苗速度和出苗整齊度。Zhao 等［15］利用621 個材料組成的水稻自然群體和全基因組關聯分析，鑒定到兩個控制水稻中胚軸伸長的功能基因（OsML1和OsML2）。OsPAO5是一個多胺氧化酶基因，也是一個控制水稻中胚軸伸長的功能基因。研究發現，敲除OsPAO5基因后，水稻在早期苗期生長階段中胚軸長度明顯增加，出苗更整齊，還可以增加粒重、粒數等產量性狀。可見，OsPAO5是非常有潛力用于改良水稻直播性能的目標基因［16］。

1.2 水稻早期根活力相關功能基因及分子機制

除了地上部分苗活力，早期根活力也是水稻適應直播的另一個重要表型［17］。種子中的營養元素只能短時間支持幼苗生長，如種子中的氮和鐵可以支持幼苗生長7～10 d，磷可以支持幼苗生長10～14 d。因此較強的早期根生長活力可以促進幼苗更快扎根，為早期苗生長盡快提供營養，早期根活力常常與早期苗生長性狀（如苗干重等）密切相關［18］。此外，較強的早期根活力也可以促進植株在土壤中扎根，從而提高直播稻的抗倒伏能力［19］。

相對于其他地上部分的早期活力指標，早期根活力的研究較少。目前主要以根的長度或重量作為根活力的表型。Yang 等［20］則利用根掃描系統對早期根系統生長的多個性狀進行更全面的表型鑒定，通過綜合評估遺傳群體的早期根活力進行QTL 定位。Wang 等［17］利用全基因組關聯分析鑒定到一個大效應的控制側根數的QTL，并通過基因敲除證明一個糖基水解酶基因（LOC_Os11g44950）是這個位點的功能基因，該基因可以響應生長素信號，其促進水稻根生長活力的機制可能是通過水解反應使根細胞的細胞壁松弛，從而促進側根生長。Zhao 等［21］通過全基因組關聯分析鑒定到一個糖基轉移酶OsIAGLU，通過調節多種植物激素控制主根生長和側根數量。

2 水稻厭氧發芽生長研究

水稻已進化出耐淹機制和避淹機制以應對低氧或缺氧脅迫［22］，成為唯一可以耐低氧環境發芽的作物。但一般的水稻現代品種耐低氧能力不強［23］，淹水成苗率低是直播稻需要解決的重要問題之一。在旱直播和濕直播過程中，由于田塊不平整、暴雨、低洼積水或田塊排水困難等系列原因，會造成低氧或者缺氧環境，從而影響直播種子成苗。水直播方式則為了控制雜草和防止鳥食，直接把發芽種子浸沒在有水層的田塊中［24］。因此，提高水稻低氧脅迫耐受性，使其在低氧環境中快速萌發和生長，對提高直播稻成苗率具有重要意義，同時也對后期苗活力、營養利用乃至產量具有重要影響［25］。大量研究表明，水稻種質資源中含有大量可以提高低氧脅迫下發芽和生長的功能基因和優異遺傳變異，克隆相關功能基因并剖析其調控分子機制，選育在低氧脅迫下具有高發芽率和快速生長特性的水稻品種，對于水稻直播推廣和應用具有重要意義。

2.1 水稻厭氧脅迫下的胚芽鞘快速伸長

通過胚芽鞘快速生長并伸出水面，是水稻發芽過程中獨特的應對缺氧脅迫的一種策略。低氧脅迫可以促進水稻胚芽鞘快速伸長。由于胚芽鞘具有中空結構，胚芽鞘快速生長并伸出水面使氧氣可以通過胚芽鞘擴散到胚乳，從而促進種子萌發和幼苗生長。通過水稻胚芽鞘伸長機理的多年研究發現，胚芽鞘生長與生長素信號通路相關［26］。其中較為明確的機制是，在低氧環境下小分子RNA miR393 表達受到抑制，從而提高miR393 靶標基因生長素響應因子（Auxin Response Factor）的表達，進而激活生長素信號，最終促進胚芽鞘伸長［27-28］。除了生長素以外，乙烯和赤霉素也是對胚芽鞘生長有重要影響的植物激素。Hattori等［29］以深水稻為研究對象，利用來源于粳稻T65 和深水稻C9285 的F2群體，鑒定得到3 個主效耐淹QTL，分別位于第1、3、12 號染色體上，并從第12 號染色體上克隆了2 個耐淹主效基因SK1（SNORKEL1）和SK2（SNORKEL2）。研究表明，SK1和SK2編碼乙烯響應因子，淹水脅迫誘導SK1和SK2在深水稻莖基部（包括節和節間）、葉片、葉鞘等部位的表達。SK1和SK2可以正向調控赤霉素途徑，通過促進細胞伸長生長，進而使植株盡早突破水面而獲得氧氣，最終使得水稻在淹水條件下存活。

2.2 水稻厭氧脅迫下的能量調節

能量缺乏是低氧脅迫對種子發芽和幼苗生長最致命的影響。水稻在低氧脅迫下可以通過對基因表達進行重編程，調整自身能量代謝以適應低氧環境，這是水稻實現厭氧發芽和生長的另一有效策略。研究發現，在芽期和苗期具有較好耐受低氧脅迫的水稻品種，其生理反應和基因表達與不耐受品種相比有明顯差異。這些差異表達基因包括α-淀粉酶、乙醇脫氫酶、丙酮酸羧化酶等，這些代謝相關的酶快速表達與水稻耐厭氧發芽和苗期生長密切相關［30］。其中α-淀粉酶表達調節對低氧脅迫響應的分子機制目前研究相對清楚。缺氧信號通過鈣離子信號通路，激活CBL4和CIPK15，繼而激活SnRK1A 和MYBS1，最終促進α-淀粉酶表達。α-淀粉酶表達量提高可以加快種子淀粉水解，維持低氧脅迫下種子發芽所需的能量［22］。在CBL4-CIPK15-SnRK1AMYBS1 信號通路中，OsCIPK15編碼一個類鈣調神經磷酸酶B 亞基互作蛋白激酶，在缺糖條件下受誘導表達。正常條件下，cipk15突變體的萌發和野生型沒有明顯差異，但是浸沒在10 cm 的深水條件下，cipk15突變體無法長出胚芽鞘，生長受到明顯抑制。研究表明，CIPK15 通過調節能量和脅迫感受因子SnRK1A（Snf1 Protein Kinase 1），進而引起下游一系列級聯反應，比如誘導轉錄因子MYBS1 的表達，增強淀粉水解酶基因的表達和誘導乙醇脫氫酶的合成，從而促進無氧呼吸以保證細胞生長所需的能量，最終促使胚芽鞘伸長［31］。最新研究證明，水稻FLZ基因家族多個成員與SnRK1A 存在蛋白互作，進一步的轉基因試驗證明OsFLZ18 可以通過與SnRK1A 互作，影響水稻幼苗生長以及淹水條件下胚芽鞘的伸長［32］。

2.3 水稻適應厭氧脅迫的功能基因

海藻糖-6-磷酸磷酸酶7（TPP7）基因是從水稻一個厭氧發芽QTL（qAG-9-2）中克隆得到的功能基因，其編碼的海藻糖-6-磷酸磷酸酶在6-磷酸海藻糖代謝過程中發揮重要作用。研究表明，TPP7基因通過調節源庫平衡，增加向胚和胚芽鞘輸送的糖含量，保證能量來源，從而使水稻在淹水脅迫下萌發存活［33］。

SUB1A是目前鑒定到的水稻另一個耐受低氧脅迫的功能基因，它編碼一個乙烯響應因子。SUB1A通過調節乙烯和赤霉素途徑完成對耐淹性狀的調控。首先，SUB1A可以誘導GA2ox表達，降解赤霉素；同時誘導赤霉素途徑的重要負調控子SLR1和SLRL1的表達，從而抑制赤霉素信號，抑制節間伸長。此外，SUB1A通過反饋抑制乙烯的產生進一步抑制赤霉素的產生，從而抑制赤霉素介導的伸長，減少能量消耗以使水稻存活［34-35］。

目前，針對水稻厭氧發芽和厭氧生長的遺傳分析鑒定到大量相關的QTL 和候選功能基因，如Zhang 等［36］通過全基因組關聯分析鑒定到15 個與厭氧發芽相關的QTL。但這些QTL 的功能基因克隆進展非常緩慢，真正通過圖位克隆鑒定到的功能基因目前只有OsTPP7［37-39］。

3 水稻低溫發芽研究

低溫冷害是水稻生產過程中重要的限制因素。與其他作物相比，起源于熱帶、亞熱帶的水稻對低溫脅迫更敏感，且在整個生育期都對低溫脅迫敏感。其中，發芽期的低溫冷害與水稻直播關系最密切。低溫常導致發芽率低，發芽延遲，苗活力低，最終影響產量。低溫發芽率存在明顯的秈粳分化，一般來說，粳稻的低溫發芽率高于秈稻，這與粳稻適應低溫環境密切相關［40］。直播稻對水稻發芽期的耐冷性有更高要求。在華南雙季稻區，早稻直播常常會遇到倒春寒天氣，導致種子萌發率低，影響直播稻的發芽率和成苗率。而對于溫帶或亞溫帶地區的直播稻，耐低溫發芽則是其實施直播栽培的基本前提條件［41］。

3.1 水稻低溫發芽功能基因克隆

低溫發芽是一個典型的微效多基因控制的復雜性狀［42］，功能基因克隆非常困難。目前已鑒定到較多控制水稻低溫發芽的QTL［43-45］，但真正被克隆的功能基因只有2 個。第一個被克隆的是qLTG3-1，它編碼一個富含甘氨酸（GRP）的未知功能蛋白。目前，推測其生理功能是促進種胚外層包裹組織的液泡化降解，從而增強種子的低溫萌發力［46］。研究發現，qLTG3-1存在1 個71 bp 的插入突變，在其他中等低溫發芽抗性材料中存在1 個錯義突變，研究證明這兩個突變是該基因的功能性突變［47］。進一步研究發現，qLTG3-1在多種環境下都可以促進水稻發芽，因此該基因可能是一個與發芽相關的功能基因，而非特異的控制低溫發芽的功能基因［47］。第2 個被克隆的低溫發芽功能基因是OsSAP16。OsSAP16是水稻18 個SAP成員之一，編碼擁有保守的A20/AN1-C2H2 鋅指結構域的蛋白。OsSAP16在發芽過程中被誘導，同時也可以被低溫誘導，提高其表達量可以顯著提高水稻低溫發芽率［48］。

此外，還有許多水稻低溫發芽QTL 定位的研究。如Yang 等［49］利用國際稻種資源進行全基因組關聯分析，在第10 號染色體鑒定到1 個全新的低溫發芽QTL，并鑒定到候選功能基因。野生稻是水稻抗逆基因的重要來源。Nguyen 等［50］從普通野生稻中鑒定到5 個與低溫發芽相關的QTL，后續研究進一步把其中位于第1 號染色體的1 個QTL 精細定位到167 kb 的基因組區間內。Shim等［51］也在普通野生稻中發現qTLG3-1的一個全新等位基因可以控制水稻低溫發芽。

3.2 水稻低溫發芽分子機制

水稻低溫發芽與植物激素GA 密切相關。Wang 等［52］發現，低溫可以促進GA 降解，繼而抑制水稻種子胚乳中的淀粉水解，從而抑制種子發芽。最新的代謝組學技術為水稻低溫發芽的分子機制研究提供了更高效的手段。通過對耐低溫發芽品種和不耐低溫發芽品種進行代謝組學分析，Yang 等［53］鑒定到730 個差異代謝物，對這些代謝物進行統計分析發現，氨基酸合成和谷胱甘肽代謝過程中的關鍵代謝物與低溫發芽密切相關。

4 水稻抗倒伏研究

倒伏會導致水稻嚴重減產，品質大幅下降，并影響后期機械化收割等。研究證明直播稻的倒伏風險遠高于常規移栽栽培方式種植的水稻，因此抗倒伏是直播稻極其重要的性狀［54］。水稻倒伏主要包括根倒伏、莖彎折和莖折斷3 種類型。由于直播稻扎根較淺，因此對根倒伏更敏感。此外，為避免缺苗，直播稻會提高播種密度，容易形成局部植株密度過大，單個植株獲得光照減少，造成莖稈不夠粗壯，增加了直播稻的倒伏風險。

4.1 水稻倒伏影響因素

抗倒伏不但是直播稻的育種目標，也是長期以來水稻育種的一個重要目標。20 世紀50 年代，廣東農業科學院水稻研究所黃耀祥院士首先提出通過選育半矮稈水稻來解決華南地區由于臺風等原因造成的水稻倒伏問題。黃耀祥院士通過利用含有矮稈基因sd1的育種材料成功選育出半矮稈水稻，提高了水稻的抗倒伏能力，同時大幅提高水稻收獲指數，相關成果直接推動了“第一次綠色革命”［55-56］。

但半矮稈性狀也會造成水稻生物量降低，客觀上阻止了水稻產量的進一步提高［57］。研究陸續發現，SD1基因具有多效性，導致水稻矮化的sd1基因型會降低水稻光合作用和生物量，以及導致莖稈解剖學缺陷等一系列不良農藝性狀［58］。最新研究表明，除了株高，莖壁解剖結構、莖壁細胞的成分組成等因素對提高水稻抗倒伏能力有緊密關系［59-60］。因此適當提高水稻株高，通過增大莖稈直徑，提高莖稈細胞厚度和莖稈木質素含量等方法，可以在保證水稻生物量的同時提高水稻抗倒伏能力［61］。

除了基因和遺傳控制，環境和栽培方式也對倒伏有極其重要影響。Wang 等［62］發現，相對于水直播和濕直播，旱直播的水稻擁有更短的基部節，更厚的莖壁，具有更好的抗倒伏能力。此外，不同氮肥施用方式也會影響水稻的抗倒伏能力。廣東省農業科學院水稻研究所與國際水稻研究所合作研發的“水稻三控施肥技術”（控肥、控苗、控病蟲），通過前期控肥縮短基部節間的方式，可以在不降低甚至增加株高的情況下提高抗倒性［63-64］。

4.2 水稻抗倒伏功能基因

目前鑒定到一些水稻抗倒伏QTL，如Yadav等［65］利用BC 群體鑒定了12 個與各種倒伏性狀相關的QTL，并確定了一個編碼GA 合成酶的基因是控制水稻抗倒伏能力的候選功能基因。該研究也證明了這些抗倒伏性狀與直播稻的產量具有顯著正相關，即提高水稻抗倒伏能力可以提高直播稻的產量。Merugumala 等［66］通過圖位克隆在水稻第6 號染色體上鑒定到1 個抗倒伏QTL，通過回交和分子標記輔助選擇，成功構建了與親本背景一致、具有更寬更厚莖稈的抗倒伏水稻新品種。

抗倒伏是極其復雜的性狀，而且與栽培耕作方式、環境等許多因素存在復雜的相互作用，因此相關基因克隆研究進展較為緩慢。目前已鑒定的與抗倒伏相關的QTL 超過30 個，但只有3 個功能基因被克隆。APO1是第一個被克隆的可以提高莖稈強度的基因，其編碼一個由429 個氨基酸組成的F-box 蛋白。APO1基因可以提高水稻莖稈強度，從而提高水稻的抗倒伏能力。同時，APO1還可以提高每穗粒數，因此可以利用APO1同時提高水稻產量和抗倒伏能力［67］。

野生稻也是抗倒伏功能基因的重要來源，其中非洲野生稻具有較強的莖稈和較高的生物量，是提高水稻抗倒伏性狀的重要基因庫。Long 等［68］從非洲野生稻入手，通過構建遺傳群體，鑒定到12 個全新的提高水稻抗倒伏能力的QTL，并在第1、8 號染色體上分別精細定位了兩個可以提高莖稈強度的QTL。

5 展望

隨著我國未來社會和農業生產進一步轉型升級，直播必然是未來重要的水稻栽培方式。大量研究表明，直播稻在產量上可以達到與移栽稻相當的水平［69］，但由于現代水稻品種普遍缺乏應對直播逆境環境的特性，因此目前適應直播的水稻品種非常缺乏，嚴重制約直播稻在我國的進一步應用和推廣。針對制約直播稻推廣和應用的關鍵因素，首先可以加強水稻輕簡化栽培技術的研究。例如，廣東省農業科學院水稻研究所經過多年探索，初步制定了直播稻高產高效栽培技術規程，在廣東省陽江和廉江等地示范應用，相比傳統栽培法節肥 21.8%～23.7%，減少灌溉2～3 次，增產8.4%～18.4%［64］。此外，需要加強抗除草劑種質的創制，但水稻中天然抗除草劑的種質資源缺乏，可探索利用化學、物理誘變等技術，培育抗多種除草劑的水稻新品種。而更為重要的是，加強培育適合水稻直播的新品種。

目前，大量水稻高產優質品種都是圍繞移栽的栽培方式選育的，許多優異的直播相關性狀功能基因在現代品種中已經丟失，客觀上導致這些性狀的挖掘和改良困難，因此通過基于現代品種進行常規選育種的策略選育適應直播的品種可能效果不佳，必須從具有更豐富多樣性的種質資源，甚至野生稻資源入手，運用現代分子生物學和功能基因組學技術，挖掘適應直播相關性狀的優異功能基因，剖析這些優異性狀形成和調控的分子機制。同時利用更高效、更精準的現代分子育種技術，把鑒定到的功能基因應用于直播稻的遺傳改良，加快選育適合直播的水稻新品種，促進直播稻在水稻生產中更廣泛應用和推廣，滿足當前水稻產業需求。