水稻穗發育與高產育種

李云峰，任德勇

·導讀·

水稻穗發育與高產育種

李云峰1，任德勇2

1西南大學水稻研究所/西南大學農業科學研究院/轉基因植物與安全控制重慶市重點實驗室，重慶 400716；2中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州 311400

水稻是全球最重要的糧食作物之一，其穗發育對于產量有重大影響。穗部器官主要包括枝梗、小穗和小花；其中，枝梗屬于花序結構，其數量、長度和分布等對穗型起決定性作用，并最終決定“每穗粒數”；而小花最外輪花器官穎殼的發育也在很大程度上決定了粒型，進而影響“千粒重”；除此之外，漿片、雌雄蕊等花器官的發育也會決定開花習性、育性等影響“雜種優勢”利用的性狀[1-3]。因此，剖析水稻穗部各器官起始和形成的調控機制、明確其決定相關農藝性狀的機制，不僅具有重要理論價值，還可以指導高產育種，對保障中國糧食安全具有重要意義。水稻穗發育基因調控是一個多基因、多途徑，且有序、精密、協同的工作過程，當前已經克隆了許多水稻穗發育調控基因，但是，在分子機制及調控網絡解析方面還需要進一步完善和深入，同時基于相關基因的分子設計育種也亟待大力開展。本專題展示了部分水稻穗發育調控基因的功能和分子設計研究進展，以期為水稻高產育種提供理論依據和應用指導。

水稻稻穗即其花序，由穗軸、各級枝梗以及著生在枝梗上的小穗組成。穗中軸為主軸，即穗軸；穗軸上有穗節，每個穗節上直接著生一次枝梗；部分一次枝梗上再分生出二次枝梗，極少數二次枝梗上會再形成三次枝梗；在一次和次級枝梗上分生出小穗軸，每個小穗軸末端著生一個小穗，最終小穗中唯一一個可育的頂生小花產生一個籽粒。因此，水稻產量三要素之一的每穗粒數主要受一次枝梗數、二次枝梗數以及枝梗上小穗著生密度等穗部性狀的影響[4-5]。近年來，科學家在這些穗部性狀的遺傳基礎、調控基因研究等方面取得了卓越成績[3, 6-7]，但多數研究主要集中于單個功能基因的解析或應用，對多個調控基因的組合研究比較少見，每穗粒數與千粒重調控基因的協同作用研究也鮮見報道。本專題論文《、和組合應用調控水稻穗部性狀》[8]以穗型和粒型差異顯著的雙親所構建的重組自交系為材料，對每穗粒數、一次枝梗著粒數、二次枝梗著粒數和粒型進行QTL分析和候選基因功能鑒定，評價不同基因組合的產量構成因素，并對超級稻品種SN265進行分子設計基因編輯育種，為水稻優勢等位基因聚合育種提供重要種質和基因資源；揭示了、和對每穗粒數和粒型的影響，明確了//為重組自交系中最佳基因組合，并且通過改良SN265的位點進一步提高了其單株產量。該研究不僅為水稻穗部性狀優勢等位基因協同聚合育種提供了重要種質、基因資源，同時也為類似的研究起到了良好的示范作用。

在水稻穗部性狀的研究中，由于材料背景限制，通常單一雜交組合僅能鑒定到少數QTL，單個QTL貢獻率因試驗材料和研究方法的不同往往表現出巨大差異，并且以基因克隆為目的構建的定位群體難以直接應用于育種。單片段代換系（single segment substitution lines，SSSL）是一種攜帶供體親本單個代換片段的染色體片段代換系，可以極大限度減少遺傳背景的干擾，是QTL鑒定及研究基因間遺傳關系的理想材料，同時鑒定到的QTL可直接應用于育種實踐[9]。本專題論文《水稻CSSL-Z481代換片段攜帶的穗部性狀QTL分析及次級代換系培育》[10]以4個代換片段的優良代換系Z481為材料，共鑒定出45個包括枝梗數、穗長等水稻穗部性狀QTL，并進一步分解出11個次級SSSL和3個雙片段代換系（dual-segment substitution lines，DSSL）。其中，15個QTL是其研究中新鑒定的QTL；用SSSL和DSSL解析水稻穗部性狀QTL的加性效應和上位性效應的結果顯示，不同QTL聚合會產生不同的上位性效應，這些遺傳信息對育種家進行SSSL平臺的水稻分子設計育種非常必要。因而，與傳統用復雜統計軟件和初級作圖群體的QTL定位和上位性分析相比，該研究的創新性在于將這些穗部性狀QTL分解到相應的單片段代換系上，這些QTL的單片段代換系遺傳背景相同，為后續無論是新穗部性狀相關基因的圖位克隆，還是系統的穗部性狀分子設計育種工作都提供了可靠的遺傳信息和育種材料。

水稻小花有4輪花器官，從外到內依次由穎殼（外稃和內稃）、漿片、雄蕊和雌蕊組成。受精后漿片和雄蕊逐漸退化，雌蕊發育成種子，最終形成一個由外層內外稃包裹內部米粒的水稻籽粒。在發育過程中，穎殼作為一種花器官，其原基的起始、分化和最終的器官形態建成都發生在雙受精之前，之后穎殼的大小不再發生變化，只是隨著籽粒的發育進一步硅化、脫水、成熟。所以雙受精之前的穎殼發育在很大程度上決定籽粒形態，進而影響稻米的產量與品質形成，其發育調控機制的研究對于改善粒型、提升產量具有重要的理論和應用價值。通過穎殼發育影響水稻籽粒形態的基因數量龐大，它們位于多個調控途徑并且通過不同的調控方式影響穎殼細胞的分化和增殖過程，進而決定最終籽粒形態建成[3, 7]。本專題論文《水稻的突變導致小穗外稃退化》[11]報道了2個水稻外稃退化等位突變體和，其外稃明顯變窄，不能與內稃緊密鉤合，導致小花開裂，內輪花器官部分裸露在外，最終米粒極顯著變小；通過圖位克隆、表達模式分析等進一步研究，發現編碼Dicer like（DCL）蛋白OsDCL4，通過介導tasiR-ARFs的合成影響了外稃近-遠軸極性建立；突變使得外稃近軸面遠軸化，最終影響籽粒的形態發育和產量形成。此研究證實了外稃的早期細胞分化過程在籽粒形態發育中的重要作用，為相關研究提供了新的角度。本專題另外一篇論文《水稻短寬?；虻膱D位克隆》[12]報道了一個EMS誘變的短寬粒突變體，對其穎殼進行了詳細的表型分析，發現突變體穎殼縱向細胞變短是導致粒長變短的主要原因，而粒寬增加是由于穎殼橫向細胞數目和細胞大小同時增加，所以對于穎殼發育在縱向和橫向上呈現了相反的調控方式；進一步發現可能調控先前已報道的粒長和粒寬基因、和/等，從不同方向影響了穎殼的細胞增殖和細胞擴展，進而決定水稻籽粒長度和寬度；編碼一個植物特異的轉錄因子，是水稻直立密穗基因的等位基因，因此，可以同時調控水稻穗型和粒型的發育，這為相關性狀的分子設計提供了寶貴的基因資源。

水稻的第2輪花器官漿片，著生于外稃的內側，其基部一側與內稃基部邊緣相連，與穎花開放習性密切聯系。水稻穎花開放閉合時間很短，一般不超過2 h，在這段時間內，穎花要完成花絲伸長、花藥開裂、散粉、受精等一系列過程，開閉穎過程如果受到內、外部因素影響不能正常進行會導致雙受精失敗率增加，如果是在雜交水稻制種中會導致父、母本花期不遇，嚴重制約雜交水稻制種效率。穎花開、閉分別由漿片的膨脹和萎縮推動，開穎時，漿片細胞內滲透物質濃度升高，造成細胞水勢降低，漿片吸水膨大將外稃向外推開，同時將內稃向內壓擠，外稃和內稃相互分開；閉穎時，漿片細胞內液泡膜破裂釋放水解酶，使其胞內細胞器膜質解離與自溶，最終引起漿片萎縮，外稃向內稃靠攏，穎花閉合[13-14]。先前研究初步表明，漿片中淀粉酶促進淀粉快速水解產生的可溶性糖是引起水稻漿片滲透勢變化的主要物質[14-15]，但是淀粉酶在此過程中的具體作用尚不明確。本專題論文《水稻α-淀粉酶基因的表達模式與穎花開放的關系》[16]通過碘染檢測水稻小花11—14期淀粉粒分布情況變化，并通過RT-PCR、RT-qPCR和α-淀粉酶啟動子驅動報告基因分析水稻-淀粉酶在此過程時空表達模式，探究了-淀粉酶基因在穎花開放過程中發揮功能的相關機制。結果表明，水稻穎花開放過程中淀粉粒降解主要發生在漿片和內外稃片相互嵌合的鉤合槽；-淀粉酶基因和在穎花開放時表達量顯著增加，在漿片、鉤合槽和花絲中特異表達，可能與穎花開放時淀粉降解以及漿片膨大密切相關。該研究結果有助于探明水稻開穎過程的調控機理，為改善水稻開花習性，同時提高雜交水稻制種效率及產量提高提供理論依據，對水稻高產穩產具有重要意義。

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Panicle Development and High-Yield Breeding in Rice

LI YunFeng1, REN DeYong2

1Rice Research Institute, Southwest University/Academy of Agricultural Sciences, Southwest University/Chongqing Key Laboratory of Application and Safety Control of Genetically Modified Crops, Chongqing 400716;2China National Rice Research Institute/State Key Laboratory of Rice Biology, Hangzhou 311400

2023-03-01；

2023-03-20

國家自然科學基金（31971919，32172044）、重慶市杰出青年基金（cstc2020jcyj-jqX0020）、重慶市英才計劃（cstc2021ycjh-bgzxm0066）

李云峰，Tel：023-68251264；E-mail：liyf1980@swu.edu.cn

（責任編輯 李莉）