水稻穗長研究進展

陳志愛，岳紅亮，丁 穎，代金英，張桂云，胡 蕾，嚴國紅

（江蘇沿海地區農業科學研究所，江蘇 鹽城 224002）

水稻（L.）作為世界上主要的糧食作物之一，也是我國最重要的糧食作物。近年來水稻品種特別是常規粳稻品種單位面積產量一直在一個比較高的基數上徘徊不前，而人口數量卻不斷增長（據預測，到2030年我國的人口將達到15億），土地資源也日趨匱乏。因此，運用有效的育種方法來提高糧食產量，以滿足日益增長的糧食需求就顯得尤為重要。

水稻產量是一個綜合性狀，受多個遺傳因素影響，其中穗型相關性狀是影響水稻產量的直接因素。水稻穗型一般定義為稻穗的大小和生長姿態。稻穗分化一般分為8個時期，分別為第一苞分化期、第一次枝梗分化期、第二次枝梗原基及穎花原基分化期、雌雄蕊形成期、花粉母細胞形成期、花粉母細胞減數分裂期、花粉內容物充實期及花粉完成期，最終形成幼穗，各個時期的發育特點見表1。

表1 水稻幼穗分化各個時期特征

分析可知，幼穗分化期決定了稻穗的長度、一二次枝梗數目、穗粒數以及籽粒大小等性狀，進而成為影響單株產量的重要因素。穗型性狀可以分解為穗長、一二次枝梗數目、穗粒數以及粒型4要素。其中穗長是衡量穗子長短的指標，決定著一次枝梗和二次枝梗的空間排列、穗粒密度等性狀，進而影響水稻的產量和品質。因此，穗長常被用來直接衡量水稻產量的高低，對其數量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）的研究一直也是國內外研究的熱點。

1 水稻的穗長及其影響因素

穗長通常指從穗頸節到穗頂端的長度。一般而言，穗長過短，會導致穗軸上的一次枝梗多而緊密，二次枝梗發育受阻；穗過長會使穗分枝稀疏分布，引起枝梗著粒密度降低，穗粒數減少，影響水稻產量。因此，適宜的穗長可以形成穗枝梗排列適中、著粒密度均勻、穗粒數合適的優良穗型，有利于水稻產量的提高。研究表明，穗長是典型的、復雜的數量性狀，受基因和環境的共同影響。廖春燕等利用粳稻Azucena與秈稻IR64雜交構建的雙單倍體群體（doubled haploid lines，DH）材料證明了穗長受到環境影響的同時，還易受到穗型等其他性狀的影響。姚曉云等利用沈農265和麗江新團黑谷的重組自交系群體（recombinant inbred lines，RILs）鑒定出的株高QTL和對株高和穗長均有影響。Zhang等報道的GRAS蛋白DHD1，該蛋白相關基因過表達會引起抽穗期的推遲，并增加水稻的穗長、分蘗數和穗粒數，從而使產量增加。

以往在探討產量構成因素的過程中，通常以穗長作為產量相關性狀；然而，穗長的遺傳因素及其對水稻產量的影響尚未得到很好的認識。另一方面，有報道稱穗長性狀與水稻產量呈正相關關系，可作為育種的選擇標準。因此，分析穗長遺傳調控網絡對水稻高產優質品種的選育具有重要意義。

2 水稻穗長的遺傳調控

2.1 穗長性狀QTL的定位與克隆

水稻穗長是復雜的數量性狀，遺傳力低。目前，國內外許多學者利用不同的遺傳群體在水稻的12條染色體上定位到250多個與穗長發育相關的QTL（來自http://www.gramene.org/）。Zhang等利用日本晴與WS3為親本雜交構建的回交自交系群體為研究材料，定位到2個穗長QTL和；研究表明，和對穗長性狀具有加性效應，通過構建染色體片段疊系的方法，可將精細定位在第6染色體25 kb的物理區間內（圖1）。在位點上，等位基因也增加了一次枝梗、二次枝梗和每穗粒數，且該等位基因具有稈寬而壯的抗倒伏特性。但對分蘗數、株高等農藝性狀無顯著影響。Liu等以秀水79和C-bao雜交構建的群體為研究材料，鑒定到4個穗長QTL，其中在第9染色體90 kb的物理區間內精細到（）（圖1）。編碼一個功能未知的Remorin_包含蛋白。秀水79的等位基因導致穗長減小，而C-bao的等位基因減弱對穗長有抑制作用。和它的優良等位基因能夠用于改善水稻穗長。Sun等利用秈稻品種HR1128與粳稻品種日本晴雜交構建的BIL群體為研究材料，檢測到5個與穗長發育相關的QTL，最終將初步定位在第6染色體上1.3 Mb的物理區段內（圖1）。連光倩等利用秈稻Sabe和粳稻茭白稻雜交構建的F群體，鑒定到2個控制穗長的QTL，最終將精細定位于第9染色體90.47 kb的物理區段內（圖1）。張云輝等利用秈稻扎西瑪和南粳46雜交構建的RIL群體為研究材料，鑒定到3個與穗長相關的QTL，最后將定位在187 kb的物理區間內（圖1）。李進利用Sasanishiki和Habataki為親本構建的染色體片段代換系群體定位到一個穗長QTL，并以SL411與Sasanishiki雜交構建的遺傳定位群體，將定位到第3染色體上216.6 kb的物理區間內（圖1）。楊旭東等利用日本晴和染色體片段代換系Z1347構建F群體，鑒定到與穗長相關的、、和這4個QTL，并分別與RM5389、RM2126、RM6063和RM457連鎖。張治海以日本晴和西恢18號構建的水稻染色體片段代換系Z745為研究材料，鑒定出4個與穗長相關的QTL，分別為、、和。沈文強等利用日本晴和西恢18構建的染色體片段代換系Z746為研究材料，檢測到4個與穗長相關的QTL，分別為、、和，其中：與可能等位，而編碼一個鋅指蛋白，過量表達會引起穗變短，也具有減少穗長的加性效應，其連鎖標記與相距1.52 Mb，可作為的候選基因。羅蘭等以江西東鄉普通野生稻和日本晴構建的染色體片段置換系為研究材料,共檢測到5個與穗長相關的QTL，分別為、、、、。

雖然已經鑒定了大量與穗長發育相關的QTL，但只有少數穗長QTL被克隆。中國水稻研究所錢前研究組與中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究組合作，以直立穗型品種沈農265與彎曲穗型品種南京11和日本晴雜交構建的群體為研究材料，克隆出直立密穗基因——（dense and erect panicle 1）（圖1），該基因位于第9染色體上，并且與等位。Jiao等利用粳稻SNJ和秈稻TN1為材料構建的回交群體克隆一個控制理想株型的半顯性QTL-IPA1（ideal plant architectutre1）（圖1）。研究表明，該基因在正常條件下促進生長發育，當感染稻瘟病菌時，能被誘導磷酸化以提高免疫應答，這一機制不僅可以提高水稻產量，而且可以提高稻瘟病抗性，打破了單一基因不能同時實現增產和抗病的傳統觀點，為高產抗病育種提供了重要理論基礎和新的實際應用途徑。

圖1 定位及克隆穗長QTL/基因在染色體上的分布

此外，參與調控水稻株高或抽穗期的基因，如、、和等，亦參與穗長的遺傳調控。是水稻穗型結構的正調節因子，編碼赤霉素20-氧化酶，調控赤霉素的合成，基因突變后，赤霉素合成受限，株高降低。研究發現，將半矮稈基因導入到水稻中后，不僅能顯著提高秈稻產量，還能顯著改變粳稻穗長。、和編碼的產物中，分別含有鋅指結構域、CCT結構域和CCAAT盒結構域。將這3類有功能的等位基因導入到目標基因功能缺失的水稻中后，在長日照條件下不僅能顯著延長生育期，還能顯著增加株高，改變穗長，提高單株產量。以上分析表明，穗長與株高和抽穗期等農藝性狀之間存在一定的遺傳相關性。

2.2 穗長QTL的分子機理

是一個控制穗長和穗型的主效QTL，其在分生組織中表達，并編碼水稻異三聚體G蛋白的γ亞基，進而控制分生組織大小。研究表明，基因中碳末端存在大片段缺失，引起基因表達差異，進而導致穗長和粒質量降低，但穗粒數和枝梗數顯著增加，產量提高。除此之外，Huang等研究發現，東北和長江中下游稻區主栽直立穗或半直立穗品種中均攜帶基因，且該基因等位基因的變異亦能引起穗型直立。進一步研究發現，基因受的正向調控，進而影響水稻穗長和千粒質量等產量性狀。另一方面，Jiao等研究認為，序列上的一個堿基突變干擾了其上游基因對的調控，使得基因的表達量增加，植株表現出大穗、壯稈。生長調控因子（growth-regulating factors，GRFs）是一類植物特有的生長調節因子。研究表明，GRF4可以與DELLA蛋白相互作用，并且該基因參與赤霉素信號轉導途徑，正向調節植物生長和光合作用，促進氮和葡萄糖代謝。盡管DELLA蛋白抑制植物體內的碳-氮代謝，但赤霉素可通過降解DELLA蛋白途徑來促進表達，進而增強植株固碳和吸氮能力，平衡植物碳-氮代謝。提高基因的表達，可以產生大粒、長穗的表型。是的一個優異等位變異基因，該基因在保持水稻半矮化的同時，又可提高水稻氮肥利用效率和產量。

目前，以穗長變異突變體為研究材料，對穗長調控的遺傳機制也進行了研究。（2）編碼一個生物學功能尚不清楚的特異性蛋白，該蛋白位于內質網中，由1 365個氨基酸組成。基因突變后，植株表現為穗長變短，穗軸和枝梗伸長，穗型更直立。（3）編碼與糖蛋白相關的磷脂酶A，該基因突變后，植株穗長變短，穗粒數減少。S（）編碼一個可能的多肽轉運蛋白，該基因突變后，引起穗長變短。尚江源等從粳稻品種圣稻808（SD808）的EMS誘變突變體庫中發現4份短穗突變體，并通過基因定位和圖位克隆了控制短穗的基因，將該基因命名為（）。是的等位基因。淳雁等通過輻射誘變定位到一個短穗突變體，并通過圖位克隆技術對控制該性狀的基因（）進行了定位和克隆，發現主要在分裂旺盛的組織表達，其編碼蛋白定位于內質網，并且編碼細胞分裂素受體OsHK4/OHK4。能形成同源二聚體，其胞外域的長α螺旋中部的D86和Q87缺失會破壞其二聚化，降低對細胞分裂素的結合能力，使得細胞分裂素信號減弱，影響細胞分裂素的穩態。的單倍型具有提高穗長的潛力。（）編碼位于內質網的F-Box蛋白并通過調節細胞分裂素氧化酶基因的轉錄水平來影響穗長，基因突變后，突變株的穗長發生變化，穗粒數增加。（）基因編碼細胞色素P450家族的單加氧酶，該基因過量表達可導致赤霉素信號轉導過程中關鍵抑制因子的積累，降低花序和穗下第1節中的赤霉素含量，使株高與穗長變短。

3 展望

長期以來，水稻產量一直是重要的育種目標之一，在發育過程中受多種QTL控制。這些QTL及其相關基因的鑒定將有助于在水稻產量改良中應用優良等位基因。在育種實踐中，人們對穗長進行了廣泛的研究，但對其相關基因及其與產量構成要素的關系卻沒有引起足夠的重視。目前，雖然大量研究者把穗長直接作為產量性狀進行研究，對其遺傳調控機制的認識也取得了一定的進展，已明確了植物激素、G蛋白通路等參與到穗長的遺傳調控中，不過相較于有效分蘗數、穗粒數、千粒質量等產量相關性狀，穗長的研究還不夠深入，對穗長調控分子機制的認識比較缺乏。而且，穗長為典型的數量性狀，遺傳力不僅較低，環境因素對穗長的影響還較大，導致不同研究中穗長QTL定位結果間重復性較差。因此，發掘穗長基因/QTL，并對其作用機制進行探究，有助于完善穗長的遺傳調控網絡，加深對水稻穗發育及形成的認識。同時，新基因的發現可為育種家更好地利用分子設計育種技術精準改良水稻穗型，并為選育高產優質的水稻新品種提供資源。