水稻分蘗基因研究進(jìn)展

孫佳麗，彭既明，彭 銳

（1.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；

2. 湖南雜交水稻研究中心，湖南 長沙 410125）

水稻分蘗基因研究進(jìn)展

孫佳麗1，2，彭既明1，2，彭 銳2

（1.中南大學(xué)研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；

2. 湖南雜交水稻研究中心，湖南 長沙 410125）

分蘗是單子葉植物特殊的一種分枝，也是水稻植株生長發(fā)育過程起重要作用的農(nóng)藝特性，分蘗數(shù)量直接決定水稻有效穗數(shù)量，從而影響水稻產(chǎn)量。隨著水稻基因組學(xué)和分子遺傳學(xué)的快速發(fā)展，對(duì)分蘗的研究有了較大進(jìn)步。綜述了國內(nèi)外在水稻分蘗基因研究領(lǐng)域，包括其遺傳分析、定位與克隆等的研究進(jìn)展。

水稻；分蘗基因；克隆；QTL；綜述

分蘗作為水稻等作物的重要農(nóng)藝性狀，是構(gòu)成其株型的重要因素。不論是國際水稻研究所的超高產(chǎn)新株型，還是中國超級(jí)稻、 超級(jí)雜交稻，其核心基本上都涵蓋了水稻的分蘗數(shù)［1］。分蘗包含分蘗力和分蘗角兩個(gè)方面［2］，其中分蘗力表現(xiàn)了莖蘗數(shù)的多少，分蘗角反映了分蘗與主莖的離散程度。對(duì)水稻分蘗力的研究主要分為兩個(gè)方面：一類是作為數(shù)量性狀的研究，一類是作為質(zhì)量性狀的研究。

分子生物學(xué)的快速發(fā)展促進(jìn)了人們對(duì)分蘗機(jī)理的探究，水稻分蘗基因的定位、克隆更有利于將分蘗作用機(jī)理應(yīng)用到大田育種中，對(duì)世界糧食安全及社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。

1 水稻分蘗力遺傳研究進(jìn)展

1.1作為數(shù)量性狀的研究進(jìn)展

Li等［10］通過構(gòu)建分子鏈鎖圖譜進(jìn)行了QTL分析，在1、6、8號(hào)染色體上確定與葉色、干重等性狀相關(guān)的4個(gè)QTL。任翔等［11］利用RILs群體水稻的分蘗能力進(jìn)行QTL分析，發(fā)現(xiàn)在第2、5、8和9號(hào)染色體上的4個(gè)QTL對(duì)分蘗能力具有影響，存在上位效應(yīng)，貢獻(xiàn)率大于單獨(dú)QTL，并在1、2號(hào)染色體成簇分布。Yuan等［12］將秈稻品種秈稻9經(jīng)過γ射線處理后得到多分蘗矮突變體gsor23。遺傳分析表明，突變體表型受單個(gè)隱性基因控制，它位于1號(hào)染色體長臂端長度為386 kb的插入缺失標(biāo)記之間。

李家洋等［13］利用圖位克隆方法從單稈突變體材料中分離出MOC1基因，以F2中突變體表型單株為定位群體，將其定位于6號(hào)染色體上長度為2 kb的DNA序列之內(nèi)。Jiang等［14］利用SSR標(biāo)記將水稻分蘗突變體extM1B的突變基因定位于6號(hào)染色體。鄧其明等［15］對(duì)秈粳稻組合“圭630/02428”進(jìn)行花藥組織培養(yǎng)，從后代中獲得寡分蘗突變體G069，將控制寡分蘗的基因定位于6號(hào)染色體，并克隆了該基因。段遠(yuǎn)霖等［16］通過遺傳分析表明，detl受一對(duì)隱性基因控制，以detl與品種DZ 60雜交建立了F2定位群體，利用微衛(wèi)星標(biāo)記分析F2群體中的突變體，將DET1基因定位在6號(hào)染色體的長臂端，標(biāo)記在SSR2和SSR3之間約68 kb的范圍內(nèi)。

江海湃等［17］將野生型秈稻品種9311經(jīng)350 Gy的60Co-γ射線輻射處理后產(chǎn)生多分蘗矮桿突變體htd1-2，遺傳分析表明該突變體由一對(duì)隱性基因突變控制；隨后利用簡單重復(fù)序列、酶擴(kuò)增多態(tài)性序列和衍生型CAPS等分子標(biāo)記的方法，最終將分蘗基因定位于水稻4號(hào)染色體的116 kb區(qū)間內(nèi)。

D10基因的突變導(dǎo)致抑制分枝的植物激素獨(dú)角內(nèi)酯合成失敗，從而得到多分蘗植株［18］。半矮化多分蘗突變體f2-132由60Co-γ輻射誘變粳稻品種F2-285A獲得［19］。遺傳分析表明，該性狀受1對(duì)隱性基因控制，已將突變基因定位在4號(hào)染色體物理距離為46 kb的2個(gè)Indel標(biāo)記之間。

李萬昌等［20］報(bào)道了一個(gè)顯性多分蘗突變體HT1，利用微衛(wèi)星標(biāo)記的方法將該顯性多分蘗基因精確定位于10號(hào)染色體上。

王丹［21］以水稻多分蘗突變體te為材料，分離并鑒定出一個(gè)水稻分蘗關(guān)鍵調(diào)控因子TE，并將其定位于3號(hào)染色體的23 kb區(qū)間內(nèi)。

1.2作為質(zhì)量性狀的研究進(jìn)展

唐家斌等［22］對(duì)分蘗速度慢、成熟葉片葉尖、最高分蘗數(shù)少、葉緣黃化的寡分蘗突變體G069進(jìn)行研究，將其與父本“02428”雜交，并以突變型單株與“02428”回交構(gòu)建BC2F2。應(yīng)用RFLP和SSR標(biāo)記構(gòu)建連鎖圖譜，將控制分蘗的基因定位到2號(hào)染色體，并暫定基因名為ft1。

Economic Regulation of Network Connection of Offshore Wind:Applying European Expe-rience to China:Part I Ilka LEWINGTON,PAN Deng(8)

王永勝等［23］通過EMS誘變處理了秈稻豐矮占5號(hào)種子，進(jìn)一步篩選遺傳穩(wěn)定的M2代植株，得到一株突變體，命名為ret 5-5，表型為不分蘗，后代的性狀趨于穩(wěn)定，推測(cè)該突變體可能涉及2個(gè)或多個(gè)基因；之后，王永勝等［24］又通過EMS誘變處理粳秈稻89的種子，在M2代篩選到一年分蘗總數(shù)高達(dá)2 000的極度分蘗突變體；進(jìn)一步研究表明，該突變基因可能由2對(duì)顯性基因控制。

李學(xué)勇等［13］在研究中發(fā)現(xiàn)了一株完全喪失分蘗能力的天然突變體moc1，對(duì)其進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果顯示這一性狀是由于單個(gè)核基因隱性突變導(dǎo)致的。

孫丙耀等［25］在水稻Ds插入突變株篩選過程中，發(fā)現(xiàn)1個(gè)雙分蘗突變體dt1，同一分蘗節(jié)的2個(gè)分蘗都可抽出有效穗。突變體后代插入基因型分析顯示，其后代出現(xiàn)分離，表明該突變體為Ds插入雜合體。隨后他們采用TAIL-PCR技術(shù)克隆了該基因。

李萬昌等［20］在水稻品種新稻18中發(fā)現(xiàn)了一株多分蘗植株，經(jīng)過多代自交獲得了穩(wěn)定的多分蘗突變株，突變體htl在整個(gè)生育期最顯著的特點(diǎn)就是分蘗數(shù)目多，是其野生型新稻18的3倍以上。該多分蘗突變體是目前唯一一株株高不受分蘗數(shù)增加影響的突變體。

段遠(yuǎn)霖等［16］從EMS誘變?nèi)毡厩绶N子的M2代中篩選得到一個(gè)植株明顯矮化、分蘗數(shù)急劇增多的突變體，命名為detl。detl還顯示出明顯的穗型、粒型和育性等方面的生殖發(fā)育缺陷。

多分蘗矮稈突變體d63［26］來源于SARⅢ二倍體與明恢63雜交得到的雙胚苗株系的自然突變。與野生型相比，其株高顯著下降、分蘗明顯增多、劍葉變細(xì)變短、結(jié)實(shí)率降低、千粒重減小，對(duì)其進(jìn)行遺傳研究，結(jié)果表明該突變性狀由一對(duì)隱性單基因控制。該基因位于水稻8號(hào)染色體短臂端距離RM22195約0.4 cM的位置。用水稻基因組注釋軟件Rice Genome Annotation預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)從端粒區(qū)至RM22195間共有14個(gè)注釋基因，未發(fā)現(xiàn)已經(jīng)報(bào)道的與株高、分蘗相關(guān)的同源基因。因此，這個(gè)基因可能是一個(gè)未被報(bào)道的新基因。

2 水稻分蘗角遺傳研究進(jìn)展

錢前等［27］將兩株分蘗角度差異顯著的秈粳稻雜交，F(xiàn)1花培加倍構(gòu)建DH群體，考察了115個(gè)DH株系的分蘗角度，構(gòu)建分子遺傳圖譜，檢測(cè)到位于9、12號(hào)染色體貢獻(xiàn)率分別為22.7%、11.9%和20.9%的3個(gè)QTLs。

余傳元等［28］利用秈粳亞種組合Asominori×IR24的RIL和CSSL，對(duì)分蘗角度QTL進(jìn)行定位，結(jié)果在RIL中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)控制分蘗角度的主效QTLs，且qTA-9基因座同時(shí)出現(xiàn)在兩種環(huán)境中，并將其定位于9號(hào)染色體上約15 cM的區(qū)域內(nèi)。由此推測(cè)，加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)互作可能是造成水導(dǎo)致分蘗角度超親分離。

丁亞輝等［39］對(duì)不同栽培條件下的水稻分蘗角進(jìn)行分析，插秧深度對(duì)分蘗角度影響顯著。在一定肥力范圍內(nèi)，分蘗角度隨肥力增加而變大，水層變化對(duì)分蘗角度無影響。

方立魁等［30］用EMS化學(xué)誘變處理恢復(fù)系縉恢10號(hào)，得到散生突變體tac2。該突變體苗期表型正常，分蘗期株型松散，分蘗角度較野生型顯著增大，株高明顯降低。外源赤霉素處理可以使該突變體株高恢復(fù)，但分蘗角度不受影響。該性狀受1對(duì)隱性基因控制并被定位于9號(hào)染色體RM 3320與RM 201之間，遺傳距離分別為19.2 cM和16.7 cM。

趙春芳等［31］以攜帶日本晴基因組的秈稻9311 CSSL進(jìn)行遺傳圖譜分析，鑒定出q TA11等分蘗角度QTL，加性效應(yīng)為增效作用，并將其定位于11號(hào)染色體RM1761-RM4504的3.30 Mb區(qū)間。Zhang等［32］以TD70和Kasalath配制組合，構(gòu)建RIL群體，應(yīng)用SSR標(biāo)記對(duì)RIL群體進(jìn)行基因型分析，共檢測(cè)出3 個(gè)分蘗角度QTL，分別是包含TAC1基因的q TA9以及q TA8、q TA11，貢獻(xiàn)率分別為26.08%、4.10%、4.35%。

陳宗祥等［33］對(duì)分蘗角基因TAC1TQ和抗紋枯病基因q SB-9TQ互作效應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，兩基因同時(shí)存在時(shí)對(duì)紋枯病抗性增強(qiáng)，TAC1TQ具有減輕紋枯病發(fā)病的作用，且兩者存在負(fù)向互作效應(yīng)。

3 水稻分蘗基因的克隆與功能研究進(jìn)展

水稻分蘗分子機(jī)理的研究，對(duì)水稻生產(chǎn)進(jìn)行遺傳調(diào)控具有重要意義，而其中最關(guān)鍵的步驟就是分蘗基因的分離與鑒定。

目前，應(yīng)用圖位克隆方法已成功克隆到11個(gè)控制水稻分蘗的基因［9］，除MOC1為無蘗基因外，其他均為多蘗矮稈基因。MOC1基因控制著腋生分生組織的起始和分蘗芽的形成，這一結(jié)論已經(jīng)通過mRNA組織原位雜交得到證實(shí)，同時(shí)它還具有促進(jìn)分蘗芽伸長的功能。李家洋等［13］運(yùn)用組織原位雜交和RT-PCR技術(shù)，發(fā)現(xiàn)能夠影響分生組織的OSH1基因和OsTB1基因，由于受MOC1基因的調(diào)控，這兩個(gè)基因在突變體moc1中表達(dá)量明顯降低。因此，MOC1很可能是水稻分蘗調(diào)控的關(guān)鍵基因。

鄧其明等［15］克隆了6號(hào)染色體上的G069基因。利用水稻寡分蘗突變體G069與廣親和材料02428雜交和連續(xù)回交，采用基因芯片技術(shù)，建立了寡分蘗基因在02428基因組背景下的近等基因系02428-ftl，在分蘗始期對(duì)分蘗節(jié)位的石蠟切片觀察表明，寡分蘗基因的突變會(huì)抑制水稻側(cè)芽分生組織的分化，使水稻分蘗發(fā)生起始時(shí)間推遲，導(dǎo)致分蘗數(shù)量顯著減少。

孫丙耀等［25］將Ds插入突變體命名為雙分蘗突變體dt1，該基因在水稻分蘗盛期控制分蘗，促進(jìn)同一分蘗鞘內(nèi)生成兩個(gè)大小不同的分蘗，而野生型只包含一個(gè)分蘗。大分蘗抽穗時(shí)間與野生型基本相同，小分蘗抽穗比野生型晚15～20 d，長度小于大分蘗10 cm左右，雖然小分蘗抽穗較遲且穗軸纖細(xì)，結(jié)實(shí)率低，但大多數(shù)小分蘗能成為有效分蘗。隨后應(yīng)用TAILPCR技術(shù)克隆了該基因。

4 展 望

分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的快速發(fā)展，使得水稻分蘗的研究更加深入明了，將為水稻實(shí)際生產(chǎn)調(diào)控奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。目前，在分蘗基因的定位與克隆方面已取得了一定成就。但水稻分蘗的發(fā)生是一個(gè)多途徑影響的過程［34］，基因精細(xì)調(diào)節(jié)以及遺傳、激素、環(huán)境的相互作用調(diào)節(jié)都可影響分蘗的發(fā)生。鑒于水稻分蘗調(diào)控的復(fù)雜性，對(duì)水稻分蘗突變體的深入探究任重而道遠(yuǎn)。

［1］ 李家洋.水稻分蘗數(shù)目與分蘗角度的分子機(jī)理［J］.中國基礎(chǔ)科學(xué)，2008，10（3）：14-15.

［2］ 周勁松，梁國華.水稻分蘗性狀的分子遺傳研究進(jìn)展［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，18（1）：80-84.

［3］ 劉 楊.水稻分蘗芽萌發(fā)與休眠相互轉(zhuǎn)換的激素學(xué)機(jī)制［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［4］ Vergara B S. A farmer's primer on growing rice（Third edition）［M］. Philippines：IRRI，1992.

［5］ Maclean J L，Dawe D C，Hardy B. Rice almance（Third edition）［M］. Philippines：IRRI，2002.

［6］ Zhong X H，Peng S B，Sheehy J E. Effects of leaf N concentration and leaf area index on determining rice tillering［J］. Chinese Acad of Sci，1999，（3）：8-9.

［7］ 孟德璇，郭亞晶，劉 楊，等.水稻分蘗形成的生理特性及其基因調(diào)控［J］.遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，（4）：41-44.

［8］ 李杰勤，王麗華，詹秋文.水稻分蘗基因研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（21）：6351-6352.

［9］ 李萬昌，王俊偉，余嬌嬌.水稻分蘗基因的研究概況［J］.作物雜志，2012，（3）：19-22.

［10］ Li Y S，Zheng X W，Li D M. QIL analysis of submergence tolerance at tillering stage in rice［J］. Chinese Rice Reserch News Letter，2000，8（2）：2-5.

［11］ 任 翔，翁清妹，祝莉莉，等.水稻分蘗能力QTL的定位［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（49）：533-537.

［12］ Yuan S J，Wang T，Yin L. Cloning and expression of gene responsible for high-tillering dwarf phenotype in Indica rice mutant gsor 23［J］. Rice Science，2013，20（5）：320- 328.

［13］ 李學(xué)勇，錢 前，李家洋.水稻分蘗的分子機(jī)理研究［J］.中國科學(xué)院院刊，2003，（4）：274-276.

［14］ Jiang Z X，Wang S Q，Deng Q M. Genetic analysis and molecular tagging on a novel excessive tillering mutant in rice［J］. Acta Genetica Sinica，2006，33（4）：339-344.

［15］ 鄧其明，王穎洹，王世全，等.一份水稻寡分蘗近等基因系的構(gòu)建及全基因組差異表達(dá)分析［J］.中國水稻科學(xué)，2008，22（1）：15-22.

［16］ 段遠(yuǎn)霖，李生平，吳為人.水稻矮稈多分蘗突變體detl的遺傳分析和基因定位［J］.基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué)，2012，31（6）：538-543.

［17］ 江海湃，張淑英，包勁松，等.水稻多分蘗矮桿突變體htd1-2的遺傳分析和基因定位［J］.遺傳，2009，31（5）：531-539.

［18］ 王 濤，袁守江，尹 亮，等.秈稻矮化多分蘗突變體gsor 23的基因克隆與表達(dá)分析［J］.中國水稻科學(xué)，2013，27（1）：1-8.

［19］ 張艷培，孫 偉，尹 亮，等.水稻半矮化多分蘗突變體f 2-132的表型分析和基因定位［J］.植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2014，（1）：165-170.

［20］ 李萬昌，王永飛，馬三梅，等.水稻多分蘗突變體ht1的遺傳分析和分子定位［J］.遺傳，2010，32（10）：1065-1070.

［21］ 王 丹.水稻分蘗調(diào)控基因TE的功能分析和類病變突變體lms1的圖位克隆［D］.北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院. 2012.

［22］ 唐家斌，曾萬勇，王文明，等.水稻寡分蘗突變體的分離和遺傳學(xué)初步研究［J］.中國科學(xué)，2001，31（3）：208-212.

［23］ 王永勝，王 景，蔡業(yè)統(tǒng).一種水稻分蘗突變體的初步分析［J］.熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào)，2001，9（4）：341-344.水稻極度分蘗突變體的分離和遺傳學(xué)初步研究［J］.作物學(xué)報(bào)，2002，28（2）：235-239.

［25］ 孫丙耀，顧福根，袁云香，等.水稻Ds插入雙分蘗突變體形成機(jī)理的分析［J］.作物學(xué)報(bào)，2007，33（1）：97-101.

［26］ 薛晶晶，吳紹華，張紅宇，等.水稻多分蘗矮稈突變體d63的遺傳分析與基因定位［J］.中國水稻科學(xué)，2012，（6）：663-668.

［27］ 錢 前，何 平，滕 勝，等.水稻分蘗角度的QTLs分析［J］.遺傳學(xué)報(bào)，2001，28（1）：29-32.

［28］ 余傳元，劉裕強(qiáng)，江 玲，等.水稻分蘗角度的QTL定位和主效基因的遺傳分析［J］.遺傳學(xué)報(bào)，2005，32（9）：948-954.

［29］ 于亞輝，徐正進(jìn).不同栽培條件下水稻分蘗角度動(dòng)態(tài)變化分析［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（2）：179-181.

［30］ 方立魁，桑賢春，楊正林，等.一個(gè)水稻分蘗角度突變體tac2的遺傳分析和基因初步定位［J］. 中國水稻科學(xué)，2009，23（3）：315-318.

［31］ 趙春芳，周麗慧，于 新，等.基于CSSL的高密度物理圖譜定位水稻分蘗角度QTL［J］.植物學(xué)報(bào)，2012，47（6）：594-601.

［32］ Zhang Y D，Dong S L，Zhang Y H，et al. Construction of molecular genetic linkage map based on an RIL population of rice and detection of QTLs for tiller angle［J］. Agricultural Science & Technology，2013，14（5）：689-694.

［33］ 陳宗祥，左示敏，張亞芳，等.抗紋枯病基因qSB-9TQ和分蘗角基因TAC1TQ在抗病育種中的互作效應(yīng)及育種價(jià)值［J］.中國水稻科學(xué)，2014，28（5）：479-486.

［34］ 殷得所，孫小瓊，萬丙良，等.水稻寡分蘗突變體差異表達(dá)基因的鑒定和生物信息學(xué)分析［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48（8）：1973-1979.

（責(zé)任編輯：成 平）

Research Progress of Rice Tillering Gene

SUN Jia-li1，2，PENG Ji-ming1，2，PENG Rui2

（1. Longping Branch of Graduate School， Central South University， Changsha 410125， PRC；2. Hunan Hybrid Rice Research Center， Changsha 410125， PRC）

Tillering is a special kind of branch of monocotyledonous plant and agronomy trait of rice which plays an important role in the progress of rice plant growth and development.Tillering number directly determines the rice effective panicle number and affects rice yield. With the rapid development of genomics and molecular genetics in rices，the great progress had been made in the studies on rice tillering in recent years.Advances in genetic analysis，location，cloning of tillering gene in rice are reviewed in this paper.

rice； tillering gene； cloning； QTL； review

Q341

A

1006-060X（2016）08-0110-03

10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.08.032

2016-04-22

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201403002）

孫佳麗（1990-），女，山東濰坊市人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗具z傳育種。

彭既明