水稻產量相關性狀的遺傳研究

李 瓊,姜 雪 (.茅臺學院釀酒工程系，貴州仁懷 564507；2.貴州省農業科學院水稻研究所，貴州貴陽 550006)

水稻(L．)是世界上最重要的糧食作物之一，全世界約40%的人口以稻米為主食，其中90%的水稻種植者和消費者集中在亞洲。我國是世界水稻生產和消費第一大國，60%左右的中國人以稻米為主糧，水稻作為我國的主要糧食作物之一，其種植面積約3 067萬hm，居我國糧食作物的第二位。由此可見，保證水稻生產對保障我國乃至世界糧食安全有著重要意義。近年來，我國的糧食消費量隨著人口數量的增長而急劇增加，作為世界第一人口大國，我國稻米進口量已位于全球之首。2019年，我國人口數量達到14億，2030年預計將突破16億接近17億，糧食將短缺超過1億t。因而，提高水稻產量不僅是解決世界糧食安全的重要途徑，也是解決我國糧食安全問題的關鍵。伴隨工業化進程，農業資源愈加緊缺，人增地減的趨勢愈演愈烈，因而靠擴大種植面積來提高稻米的總產量幾乎不可能，唯一的途徑是依靠技術手段，發展并培育出更多具有理想株型、優質高產的水稻新品種，大幅度提高單產水平，從而增加稻谷總產量，以滿足人們日益增長的需求。

水稻的產量主要構成因素有每穗粒數、有效穗數及粒重，其中每穗粒數和粒重是產量的直接影響因素；而有效穗數和有效分蘗數等同，是株型的重要組成部分。長久以來，株型改良在提高水稻單產中發揮重要作用。“綠色革命”正是由于推廣了抗倒伏半矮稈的小麥與水稻新品種，從而改善了植株株型，使得世界糧食產量有了巨大的提升，為解決我國乃至世界糧食危機作出重要貢獻。因此，對水稻粒型和株型遺傳機制進行研究，從分子水平上闡明其遺傳機制，將有助于認識其遺傳特點，進而有助于培育出優質高產的水稻新品種，提高世界糧食產量，造福人類。

1 水稻理想株型的遺傳研究

所謂株型，指的是植株的形態結構及其生理、生態特點，是植株的形態結構及其生理和生態所獨具的特殊功能等諸方面的綜合體現。故株型的型是類型的“型”，而絕不是形態的“形”。“綠色革命”中半矮化基因在作物的遺傳改良得到廣泛使用后，株型育種也逐漸成為育種專家關注的重點。化肥工業的發展使半矮稈作物品種在全世界范圍內得到了推廣使用，有效解決了發展中國家“饑餓”的問題。基于上述情況，育種專家開始尋找“理想株型”進而最大程度獲得作物的收獲產量。“理想株型”的概念最早由Donald提出(1968年)，目的是在農作物育種中基于假定群體內個體間無差異從而尋找個體間競爭強度最小而個體能夠最大限度利用光能和營養，提高單位面積的收獲指數。后續科學家們對理想株型進行了大量研究，提出了多種理想模式。理想株型的三大特點是耐肥抗倒、適合密植、谷草比大，是在特定的生態環境條件下各種與豐產性相關有利性狀的最佳組配結果。具體的表型指標有半矮稈、穗大且直立、分蘗力中等。

理想株型的選育是提高水稻抗倒伏能力的重要途徑，也是提高產量的關鍵因素。1(Ideal Plant Architecture 1)是控制水稻理想株型的主效基因，該基因編碼的含SBP-box的轉錄因子參與了多個生長發育過程的調控。1對水稻株型和產量具有促進作用，是由于1含有miR156的靶位點，在體內會以轉錄切割和翻譯抑制2種形式被miR156調控。如果1基因的第3個外顯子發生C到A的點突變，會影響miR156對1的結合，進而破壞miR156對1的調控作用，最終導致1轉錄本和蛋白量同時升高。轉基因研究表明，盡管點突變導致了氨基酸的改變，但是該突變沒有改變1蛋白的功能，1高表達產生分蘗少、莖稈粗壯、穗大粒多的理想株型并獲得10%以上的增產。

然而，1如何影響株型以及1是否與其他控制株型的基因存在互作關系仍然未知。李家洋團隊通過Chip-seq方法，在全基因組范圍內找到多個1直接靶向的位點，證明IPA1是調控水稻株型的關鍵轉錄因子。他們發現1能夠直接結合到Rice Teosinte Branched 1 (1)基因啟動子區域的GTAC motif以及直接正向調控 Dense and Erect Panicle (1)基因，其中1與玉米中控制分蘗的關鍵基因1基因同源。1基因抑制水稻分蘗的產生，1基因控制水稻穗型，進而影響株高以及圓錐花序的長度。通過對1靶標基因功能的闡明將有助于理解植物株型潛在的分子機制，進一步促進理想株型的育種應用。

最近李家洋團隊應用酵母雙雜交的方法，篩選到一個與IPA1在細胞核內發生互作的蛋白IPA1 Interacting Protein 1(IPI1)，該基因編碼一個Ring-finger E3連接酶。在圓錐花序中，1基因可以促進IPA1的降解，然而1可以使IPA1在莖尖中穩定表達。與野生型相比，IPI1突變體株型明顯被改變，表現為水稻分蘗數增多，圓錐花序伸長以及單株產量的提高等特性。另外，在莖尖組織中，IPI1能夠對IPA1進行多聚泛素化修飾以調控其蛋白含量，但是在不同的組織中，泛素化修飾的類型是不同的，泛素化修飾的差異決定了IPA1蛋白是降解還是穩定的狀態。這些結果都證明，在不同的水稻組織中，IPI1通過對IPA1蛋白水平的精確調控來影響水稻株型，這些發現將會為水稻理想株型的培育工作帶來新的視角和策略。

李家洋科研團隊與何祖華科研團隊通過合作，利用YY12超級稻品種的原始品系克隆了調控株型的主效基因81-2，該位點位于大片段三元串聯重復序列中，處于1基因的上游，這段基因組結構變異使啟動子區甲基化水平降低，1基因表達量升高，從而產生了具有適當分蘗數量的理想株型。科學家們進一步研究也發現IPA1對水稻株型也有著精細劑量的調控效應，利用不同的等位基因組合能夠創造不同的基因表達水平，從而合理地平衡分蘗數和穗粒數因素，實現最高的產量潛力。這些研究為解析水稻株型精細調控機理奠定了基礎，也為分子設計育種提供了技術途徑。

獨腳金內酯作為一種新型植物激素在植物株型形成過程中發揮了重要作用，能夠作為一種信號分子長距離傳輸進而抑制側芽的生長，控制側分枝。對獨腳金內酯信號途徑的研究具有重要的科學價值。李家洋科研團隊長期從事水稻株型建成機制研究，系統解析了理性株型及獨角金內酯的合成途徑和信號轉導。DWARF53(D53)是獨角金內酯信號通路過程中重要的負調控因子，可能調控了該激素下游響應網絡。最新研究發現IPA1是D53下游的直接調控因子，它能夠影響獨腳金內酯基因表達的改變以及分蘗數量。IPA1功能缺失突變體出現了分蘗數量增多的表型結果，且對外源施加的激素人工合成類似物rac-GR24不敏感；D53蛋白能夠與IPA1蛋白直接作用，抑制基因的轉錄激活活性，進而負調控下游基因的表達。該結果表明，IPA1即D53下游的轉錄因子，直接受D53調控，參與獨腳金內酯激素的信號途徑。此研究還通過解析IPA1和D53調控網絡關系，更進一步豐富了水稻理想株型的分子機制，為水稻的分子育種提供了新的策略。

2 水稻產量相關基因的研究進展

3(Grain Size 3)位于水稻3號染色體上，是首個被克隆的控制粒型的數量性狀位點(QTL)。該基因主要調控水稻的粒長和粒重性狀，微效調控粒寬和粒厚性狀。3的編碼蛋白是包括了4個結構域的跨膜蛋白，對粒重起負調控作用，這4個結構域分別是N端為植物特有的控制器官大小OSR(organ size regulation)結構域、腫瘤壞死因子受體/神經生長因子受體TNFR/NGFR、跨膜結構域、C端的C型血管性血友病因子VWFC模塊。其中OSR結構域是一個起負調控作用的關鍵因子，野生型3等位基因的水稻籽粒長度為中等，但丟失OSR結構域的突變型水稻籽粒會變長，同時粒重增加。3的C端TNFR/NGFR和VWFC 2個結構域能夠共同抑制OSR結構域的功能，2個結構域丟失的突變型水稻籽粒長度會變短。通過對82份水稻種質資源進行重測序發現，其3可以分為4種等位基因。等位基因3-3與63基因型一致，其包括11個長粒的品種，此等位基因造成氨基酸無義突變，導致以上4個結構域的缺失；3-1和3-2等位基因分別與Zhenshan97和Nipponbare一致，其包含所有預測的4個結構域，籽粒表現為中等長度；3-4等位基因與Chuan7和一些在第5個外顯子突變的材料一致，其編碼的蛋白缺少TNFR/NGFR結構域和VWFC結構域，籽粒的長度受到明顯的抑制。在細胞水平上，3調控穎片上表皮細胞的數目來影響籽粒長度，表明3可能在細胞分裂過程中扮演重要的作用。

水稻穗型的主要調控基因是19-1。1編碼了一個G蛋白的γ亞基，該亞基區域富含半胱氨酸。與動物蛋白一樣，植物的G蛋白也包含、、亞基，但區別是植物通過G蛋白α亞基自發進行GTP與GDP交換從而激活G蛋白，信號通過α亞基與βγ二聚體分別傳遞，參與植物生長發育過程中的生理生化反應。1的第5外顯子處發生637 bp缺失和12 bp插入突變，導致了C端翻譯的提前終止，γ亞基的富含半脫氨酸區域缺失，該缺失突變增強了G蛋白信號的傳遞，提高分生組織活性，促進細胞增殖，從而表現出每穗粒數的增加。

1也包含有OSR-like的結構域，推測3和19-1在負向調控細胞分裂過程中有功能相似性。3和19-1與擬南芥中AGG3同源，其編碼一個非典型的異源三聚體G蛋白γ亞基。同樣AGG3包含有OSR-like的結構域、TNFR/NGFR結構域和VWFC結構域。3基因依賴G蛋白信號傳導參與調控保衛細胞的K離子通道的運輸及器官大小，超表達植物器官變大而突變型器官則變小，細胞水平的分析證明3主要通過促進細胞的增殖進而正向調控器官的大小。而3基因的γ亞基缺失突變使籽粒長度增加，相反，OSR結構域的超表達或1基因γ亞基的獲得性突變能夠使籽粒長度變短。表明水稻中，3和1基因的G蛋白γ亞基與3基因功能的不同，可能是由于3和1基因G蛋白信號位置不同或者它們可能調控獨立于傳統的G蛋白信號通路。

胚乳的發育過程是初生胚乳核進行核分裂產生多核細胞，多核細胞被細胞化轉化，合體到細胞化階段影響著水稻籽粒的大小。Ishimaru等利用日本晴和Kasalath衍生的高代回交群體定位到一個控制千粒重的數量性狀基因6，精細定位能夠將其區間縮小在4.9 kb范圍之內，基因預測結果發現該區間僅有一個候選基因。6(Thousand Grain Weight 6)基因編碼了一個吲哚乙酸-葡萄糖水解酶，該產物能夠使吲哚乙酸-葡萄糖的結合物水解為吲哚乙酸和葡萄糖單體。與日本晴的基因序列相比對， Kasalath的6等位基因序列中有6個堿基發生了同義突變，另外1個堿基的缺失使蛋白的翻譯提前終止。6基因功能的缺失導致胚乳中游離吲哚乙酸含量下降，進而細胞數量增加，粒重和粒長也隨之增加，該基因對粒長性狀起負調控作用。除此之外，6還間接參與了源庫之間碳水化合物的運輸。日本晴品種的6等位基因通過調控IAA供應影響合體到細胞化的轉變，進而限制了庫器官的細胞數目和籽粒長度，而Kasalath中6等位基因功能喪失會導致籽粒重量增加實現增產。

77(Grain Length 7/Grain Weight 7)是一個數量性狀基因，控制著粒長和粒重。該基因編碼的TONNEAU1招募基序蛋白與擬南芥的LONGIFOLIA蛋白是同源，后者能夠調節細胞縱向伸長。基因功能分析研究表明，該位點發生的大片段重復使表達量上升，同時相連鎖的2個負調控因子表達量下降，最終表型上粒長和千粒重有所增加，而堊白度和堊白米率降低顯著，改善了稻米品質的同時而產量未受影響。7基因表達量的上調使縱向細胞分裂數目增加了而橫向細胞分裂減少，最終細長籽粒增多。進一步的分析表明，OsSPL16/GW8能夠與7基因的啟動子區域直接結合從而抑制該基因的表達。上述研究表明77基因的克隆對于水稻高產優質育種具有重要的應用價值。

7(grain length and wieight on chromosome 7)編碼一個植物特有的轉錄因子OsSPL13，控制粒長和粒重。筆者通過對40個熱帶和341個溫帶粳稻品種的全基因組關聯分析(GWAS)，將7定位于第7染色體的18.5～21.0 Mb區段。經過進一步的關聯分析以及表達分析，最終確定7為13。該基因是個正向的調控因子，可通過增大穎殼細胞的大小，進而促進籽粒伸長，最終顯著地提高產量。筆者發現，7表達和翻譯水平受其啟動子上一個串聯重復序列影響，而13在這些大粒的熱帶粳稻品種中表達量較高。通過進化分析的研究表明，熱帶粳稻的7大粒等位基因是經人工選擇從秈稻滲入而來。

關于水稻穗發育基因的研究結果表明，(frizzy panicle)能夠阻止腋芽分生組織的形成同時建立起花序分生組織，并與水稻產量關聯緊密。是一個重要的發育基因，編碼蛋白如果改變水稻就無法結實；而控制基因的表達量可以控制水稻的產量。基因的表達功能強，水稻籽粒就變大，數量減少；基因的表達功能弱，水稻籽粒就變小，數量增加。因此FZP表達量的變化調控著每穗粒數和千粒重之間的平衡，也是水稻產量最大化的潛在利用因素。邢永忠研究團隊利用粒型表現差異顯著的親本Chuan7和Nanyangzhan構建群體，通過圖位克隆的方法發現在Chuan7的基因上游5.3 kb處有一個轉錄沉默子發生了復制使拷貝數變異，片段長度18 bp，最終使Chuan7里有2個18 bp片段串聯在一起，影響著水稻的千粒重和每穗粒數。進一步分析發現轉錄抑制子OsBZR1結合了CNV-18 bp中的基因序列，使該基因的表達受到抑制。而發生了18 bp串聯重復的基因比單個拷貝的基因表達量低，使得籽粒略微變小而籽粒數量增加；最終千粒重大概減少了10%左右，每穗粒數增加40%～50%，單位穗數差異不大，而產量高出了15%左右。絕大多數水稻只有1個18 bp片段，只有分布在印度、孟加拉等東南亞國家的少數品種才有2個自然發生變異的串聯重復。該成果在水稻增產育種領域具有廣闊的應用前景。

1(number of grains 1)編碼烯酰-CoA水合酶/異構酶蛋白，通過增加每穗粒數來提高水稻產量。該基因的功能位點是其啟動子區域的12 bp的插入可以增加1基因的表達量，增強烯酰-CoA水合酶的活性，減少了脂肪酸和亞麻酸的含量，體內JA含量降低，進而增加每穗粒數提高產量。將1基因導入到水稻品種Zhonghua17(不含NOG1位點)，其產量可提高25.8%。而且在水稻品種Teqing中過表達該基因可以提高產量達19.5%，同時，其他農藝性狀沒有受到影響。該研究表明，1的優良等位基因對水稻產量的提高有著重要的意義，進一步解析1的分子機制將對水稻產量的提高提供理論依據。

3 展望

通過對水稻產量相關性狀(株型、籽粒性狀)的分子機理進行研究，克隆其調控網絡中不同環節上控制產量性狀的關鍵基因，從而揭示影響水稻產量基因的遺傳機制，不僅能夠促進對于植物發育模式的理解，而且能為作物遺傳改良提供理論基礎。同時應用基因編輯技術CRISPR/Cas9，分離和鑒定水稻等重要糧食作物中產量性狀的突變體及其相應的調節因子，也將有助于揭示控制作物生長發育的分子機理，進而通過遺傳操作改良現有作物品種的株型，提高產量，從而緩解糧食供需矛盾，為解決當前人類所面臨的糧食危機提供一個新的突破口。同時，水稻作為單子葉模式作物，對其進行的研究結果也將為其他作物的研究提供重要的參考價值，利用雙子葉植物和單子葉植物之間生長發育控制機制的保守性，人們就可通過反向遺傳學的手段定向地改造植物株型，培育出具有理想株型的作物新品種。