水稻重要農(nóng)藝性狀調(diào)控基因及其育種利用研究進(jìn)展

張海淼 李洋 劉海峰 孔令廣 丁新華

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，泰安 271018）

水稻（Oryza sativa）是全球重要的糧食作物之一，也是我國三大主要糧食作物之一。2019年我國水稻總產(chǎn)量達(dá)到了世界水稻總產(chǎn)量的29.8%，繼續(xù)保持了水稻生產(chǎn)第一大國的地位。目前我國種植的水稻以亞洲栽培稻（Oryza sativaL.）為主，亞洲栽培稻主要包括粳稻（Oryza sativasubsp. geng）和秈稻（Oryza sativasubsp. xian）兩個(gè)亞種［1-2］。1956年，黃耀祥院士培育出的矮桿秈稻品種“廣場矮”大幅提高了水稻單產(chǎn)，率先完成了中國的第一次“綠色革命”。1973年，袁隆平院士利用三系雜種優(yōu)勢培育出世界上第一株秈型雜交水稻，進(jìn)一步推動了水稻研究的進(jìn)程，三系雜交水稻的面世和在世界范圍內(nèi)的不斷推廣解決了包括中國在內(nèi)的二十多個(gè)國家的溫飽問題。當(dāng)面臨作物品質(zhì)需求日益多樣化和人均耕地面積不斷減少的矛盾時(shí)，傳統(tǒng)育種技術(shù)周期長、效率低、預(yù)見性差等局限性開始暴露。世紀(jì)交替之際，我國相繼啟動了“水稻分子育種計(jì)劃”、“水稻功能基因組計(jì)劃”等項(xiàng)目，推動了水稻優(yōu)質(zhì)農(nóng)藝性狀功能基因的鑒定進(jìn)程，為分子育種提供了理論前提和基礎(chǔ)。理想株型基因IPA1的鑒定為平衡水稻免疫和生長提供了新的育種思路，同時(shí)攜帶IPA1優(yōu)異等位基因ipa11D或ipa12D的嘉優(yōu)中科綠色超級稻的培育和推廣標(biāo)志著水稻研究邁入分子育種時(shí)代［3］。

1 水稻的起源

從分子學(xué)角度來說，水稻起源的探究本質(zhì)上是野生稻到栽培稻馴化相關(guān)基因的鑒定，水稻株型、粒型、穎芒、產(chǎn)量和品質(zhì)等農(nóng)藝性狀馴化的過程是為了適應(yīng)環(huán)境變化、滿足人們需求不斷進(jìn)行基因變異的過程。目前，關(guān)于水稻起源的假說主要有兩種。單一起源假說認(rèn)為秈稻和粳稻是從同種野生稻馴化而來，多地起源假說認(rèn)為秈稻和粳稻是從多地獨(dú)立馴化而來［4］。Tan等［5］對87份秈稻和95份粳稻的基因序列進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)這182份水稻均存在PROG1基因的變異，這種共同的變異使野生稻由匍匐狀進(jìn)化成直立狀，株型更加緊湊，同時(shí)也支持了單一起源假說。Molina等［6］對多份野生稻和栽培稻的第8、10、12號染色體上630個(gè)基因測序，并得出中國長江流域是粳稻和秈稻唯一起源地的結(jié)論。sh4是影響水稻落粒性的主效數(shù)量性狀基因，Zhang等［7］對sh4單 核 苷 酸 多 態(tài) 性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）位點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)所選取的41份野生稻第237位SNP位點(diǎn)均為G，而30份亞洲栽培稻SNP位點(diǎn)均為T，進(jìn)一步證明了sh4是多態(tài)性較低的單一起源基因，這一研究成果被認(rèn)為是水稻單一起源假說強(qiáng)有力的證據(jù)。直到2017年，Civáň和 Brown［8］發(fā)現(xiàn)sh4和PROG1等位基因在栽培稻馴化之前就已經(jīng)出現(xiàn)在野生稻上，否定了之前的單一起源假說。Singh等［9］對野生稻和栽培稻中的果皮色澤基因（Rc）、粒長粒重主效控制基因（GS3）和 淀 粉 合 酶 基 因（GBSSI，SSSI，SSIIa，SSIIb，SSIIIa，SSIIIb，SSIVa，SSIVb）進(jìn)行了遺傳進(jìn)化分析，研究發(fā)現(xiàn)Rc、SSSI、SSIIa、SSIIb、SSIIIa和SSIVa為雙系起源，其余基因?yàn)槿灯鹪础ｋS著分子檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的證據(jù)開始向水稻的多地起源假說傾斜。中國啟動了對3 010份水稻基因組深度重測序的項(xiàng)目（3K Rice Genome Project，3KRG），該項(xiàng)目對所選取的水稻材料進(jìn)行了SNP分析，并于2018年在Nature上分享了研究成果，研究表明秈稻和粳稻均攜帶自身特有的基因家族，并提出秈稻和粳稻是獨(dú)立多地起源，同時(shí)更正了多年來日本對秈稻和粳稻拉丁文的錯誤命名［1］。水稻馴化過程的解析為科研工作者定向選擇馴化相關(guān)基因進(jìn)行分子育種提供了重要依據(jù)。

2 農(nóng)藝性狀功能基因及其分子育種研究進(jìn)展

相對于傳統(tǒng)雜交育種，分子育種目的性更強(qiáng)，可以通過改變一個(gè)或幾個(gè)基因來獲得目的性狀，并且打破了傳統(tǒng)育種的生殖隔離，在提高產(chǎn)量的同時(shí)兼顧品質(zhì)、抗性、營養(yǎng)高效等多種性狀的改良?；蚪M重測序技術(shù)的廣泛應(yīng)用加速了我國對水稻多種農(nóng)藝性狀調(diào)控基因的克隆，為分子育種提供了技術(shù)支撐。最新數(shù)據(jù)顯示，Yong等［10］對3K-RG中IR 64等12份沒有參考基因組的亞洲栽培稻進(jìn)行了三代測序，并對基因組進(jìn)行組裝、校正，所得的高質(zhì)量基因組進(jìn)一步推動了科研工作者對種質(zhì)資源的深度挖掘和高效利用。中國科學(xué)院對1 275份水稻進(jìn)行群體分析并獲得了146份調(diào)控株型、粒型、抗性等29個(gè)農(nóng)藝性狀的表型數(shù)據(jù)，鑒定出143個(gè)SNP位點(diǎn)，為進(jìn)一步利用優(yōu)異等位基因進(jìn)行水稻品系改良奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［11］。

2.1 營養(yǎng)高效利用調(diào)控基因

半個(gè)多世紀(jì)以來，全球水稻產(chǎn)量持續(xù)增長的部分原因是化肥施用量的增加［12］?；释度脒^高會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，并且目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥利用率普遍較低［13］，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，違背了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念。因此，鑒定水稻營養(yǎng)高效利用調(diào)控基因、提高肥料利用率，對發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)具有重要意義。

氮、磷、鉀是水稻生長和繁殖所必需的三大營養(yǎng)元素，提高營養(yǎng)元素利用率、減少化肥施用量成為科研工作者新的育種目標(biāo)。20世紀(jì)60年代攜帶sd1半矮桿水稻的推廣大幅提高了水稻單產(chǎn)，但半矮稈水稻赤霉素合成受阻，導(dǎo)致生長抑制轉(zhuǎn)錄因子DELLA在植物體內(nèi)不斷積累，降低了水稻對氮肥的響應(yīng)和吸收［14-15］。2018年，傅向東研究組鑒定到正向調(diào)控水稻銨態(tài)氮吸收速率的生長調(diào)控因子GRF4，DELLA蛋白通過抑制GRF4-GIF1復(fù)合體對下游靶基因的調(diào)控來抑制水稻對氮的吸收。攜帶半矮基因sd1和GRF4優(yōu)異等位基因GRF4ngr2的高產(chǎn)水稻品種9311在保留了半矮化性狀的同時(shí)具有較高的氮元素吸收率。此外，GRF4還能誘導(dǎo)OsCAB1、OsTPP和OsSWEETs等碳代謝相關(guān)基因的表達(dá)。GRF4-DELLA拮抗機(jī)制的發(fā)現(xiàn)對調(diào)節(jié)水稻生長和碳氮代謝具有重要指導(dǎo)意義［14］。近日，傅向東研究組從9311背景的ngr5突變體中克隆出氮元素響應(yīng)基因NGR5。研究表明，NGR5和PRC2復(fù)合體亞基LC2在細(xì)胞核中產(chǎn)生相互作用，并通過提高下游分蘗抑制因子（D14、OsSPL14）的H3K27me3修飾水平抑制其表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)正向調(diào)控水稻對氮肥的響應(yīng)同時(shí)促進(jìn)分蘗數(shù)的增加。同時(shí)，NGR5還是赤霉素信號路徑關(guān)鍵調(diào)控因子，DELLA蛋白可以和NGR5直接互作并競爭性結(jié)合NGR5的負(fù)調(diào)控因子GID1，當(dāng)赤霉素受體GID1感知到赤霉素信號時(shí)NGR5可免遭降解，從而提高水稻對氮肥的利用率，實(shí)現(xiàn)低氮高產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展理念［16］。

磷酸鹽（Pi）是植物唯一能吸收的磷形態(tài)［17］。位于細(xì)胞質(zhì)膜（PM）的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（PTs）是Pi吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵，OsCK2通過磷酸化OsPT8來抑制其從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）向PM的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而避免Pi攝取過量［18］，但轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的去磷酸化機(jī)制一直不明確。毛傳澡研究組［19］釣取到和OsPT8互作并且能夠調(diào)節(jié)PTs可逆磷酸化的關(guān)鍵蛋白OsPP95。當(dāng)Pi缺乏時(shí)，OsPP95快速積累與OsCK2相互抑制并使OsPT8去磷酸化，促使PTs從ER轉(zhuǎn)運(yùn)到PM；當(dāng)Pi富足時(shí)，OsPP95被E2泛素結(jié)合酶OsPHO2快速降解，同時(shí)大量被磷酸化修飾的OsPT8滯留在ER無法完成對Pi的轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而減少對Pi的吸收，最終得以平衡水稻體內(nèi)Pi的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。該研究組同步揭示了OsCK2對OsPHO2的負(fù)調(diào)控機(jī)制，OsCK2的亞基OsCK2α3在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對OsPHO2的磷酸化修飾加速其降解，并維持OsPHO2及其靶蛋白OsPHO1或磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPHF1在Pi富足時(shí)仍處于適當(dāng)水平，從而確保Pi從根到芽的轉(zhuǎn)運(yùn)和芽的正常生長［20］。

鉀離子（K+）是限制作物產(chǎn)量和品質(zhì)的因素之一，在穩(wěn)定植物代謝、提高植物抗逆性方面具有重要作用［21］。研究表明，在低鉀濃度（＜ 0.2-0.5 mmol/L）和高鉀濃度（1 mol/L-10 mmol/L）下OsCBL1-OsCIPK23復(fù)合體的形成能促進(jìn)OsAKT1介導(dǎo)的水稻根部對K+的吸收［22］。近日，章文華研究組發(fā)現(xiàn)OsAKT2具有弱內(nèi)流型鉀通道活性，可以阻止H+/蔗糖協(xié)同誘導(dǎo)的細(xì)胞膜去極化，OsAKT2的功能突變會導(dǎo)致水稻幼苗在短日條件下生長緩慢，磷脂酸可通過直接抑制OsAKT2來影響水稻生長發(fā)育，該研究揭示了水稻磷脂信號和K+通道調(diào)控的直接聯(lián)系，對改良水稻K+利用率具有重要指導(dǎo)意義［23］。

2.2 激素調(diào)控基因

激素在植物先天免疫、營養(yǎng)生長以及生殖生長過程中起著重要作用，包括獨(dú)腳金內(nèi)酯（Strigolactones，SLs）、油菜素內(nèi)酯（Brassinolides，BRs）、茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、水楊酸（Salicylic acid，SA）、脫落酸（Abscisic acid，ABA）和赤霉素（Gibberellic acid，GA）等［24］，不同植物激素信號各自獨(dú)立或交叉調(diào)節(jié)植物生長與防御的平衡。

SLs是20世紀(jì)60年代在棉花中發(fā)現(xiàn)的抑制植物分蘗的新型激素［25］。目前已鑒定出水稻中多個(gè)SLs信號路徑的關(guān)鍵組分。當(dāng)感知到SLs時(shí)，SLs信號傳導(dǎo)抑制子Clp蛋白酶的核蛋白D53被D53-D14-SCFD3復(fù)合體泛素化修飾并特異性降解，進(jìn)而激活下游相關(guān)基因?qū)Ls信號的響應(yīng)［26-27］。李家洋研究組對粳稻Nekken 2和秈稻恢復(fù)系華占的重組自交系進(jìn)行差異分析，在華占中發(fā)現(xiàn)了SLs合成基因HTD1的優(yōu)異等位基因HTD1HZ，HTD1HZ在SLs生物合成中部分功能喪失，能夠緩解SLs對分蘗和側(cè)芽生長的抑制作用。并且，在培育“綠色革命”產(chǎn)物半矮化品種IR8的過程中SD1DGWG和HTD1HZ被共同選擇并穩(wěn)定遺傳，我國雙桂、MH63等秈稻品種也攜帶HTD1HZ［28］。分蘗調(diào)控基因HTD1HZ的發(fā)現(xiàn)充分證明了華占在雜交育種中的優(yōu)勢，為雜交育種親本的選擇提供了新的依據(jù)，并對利用SLs信號路徑上的基因來改良水稻株型具有重要的指導(dǎo)意義。

BRs可以調(diào)節(jié)植物株高、葉片傾角、籽粒大小、分蘗、開花等多種性狀，在提高植物產(chǎn)量方面具有巨大的潛力［29］。當(dāng)BRs信號被OsBRI1和共受體OsBAK1感知后，通過一系列磷酸化事件將信號依次傳遞到OsBSK3和OsBSU1，并拮抗OsGSK2對轉(zhuǎn)錄因子OsBZR1的抑制作用，最終通過OsBZR1對BRs信號下游相關(guān)基因的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對BRs信號的響應(yīng)［30-32］。目前在水稻中還發(fā)現(xiàn)了其他調(diào)節(jié)BRs信號的關(guān)鍵基因，如DLT和OFP8均正調(diào)控BRs信號［33-34］，LIC通過與OsBZR1互作負(fù)調(diào)控BRs信號［35］，OFP19通過與DLT和OSH1形成復(fù)合物負(fù)調(diào)控BRs信號［36］。同時(shí)，激酶OsGSK2是協(xié)調(diào)BRs信號和SLs信號的關(guān)鍵組分，可通過磷酸化CYC U2抑制中胚軸的伸長。研究表明，BRs和SLs分別通過抑制OsGSK2的磷酸化修飾和降解OsGSK2的底物來調(diào)節(jié)水稻中胚軸的伸長生長［37］。最近，儲成才研究組［38］發(fā)現(xiàn)OFP3通過和多個(gè)OsGSK2的靶蛋白發(fā)生相互作用抑制BRs的合成和傳導(dǎo)，同時(shí)OsGSK2 對OFP3的磷酸化修飾不僅增強(qiáng)了OFP3蛋白的穩(wěn)定性還增強(qiáng)了OFP3和靶蛋白之間的相互作用。錢前研究組［39］發(fā)現(xiàn)OsGSK2可在細(xì)胞核內(nèi)磷酸化OML4并負(fù)調(diào)控水稻籽粒大小和粒重。卜慶云研究組［40］發(fā)現(xiàn)OsMED25通過和靶蛋白OsBZR1共同調(diào)控BRs信號下游基因的表達(dá)正向調(diào)控水稻對BRs信號的感知。張啟發(fā)研究組［41］鑒定到可以同時(shí)調(diào)控水稻生長和免疫的基因OsALDH2B1。OsALDH2B1不僅具有轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能可參與調(diào)節(jié)水稻的抗性、產(chǎn)量等多種性狀，還具有乙醛酸脫氫酶活性可以調(diào)節(jié)水稻育性。OsALDH2B1通過抑制JA合成途徑OsAOS2的表達(dá)來負(fù)調(diào)控JA介導(dǎo)的水稻對條斑病菌（Xanthomonas oryzaepv.oryzicola，Xoc）、白葉枯病菌（Xanthomonas oryzaepv.oryzae，Xoo）和稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）的抗性，并通過拮抗BRs信號路徑中位于其上游的OsBZR1對其下游OsLIC的抑制作用來降低水稻對BRs的敏感性，同時(shí)還可負(fù)調(diào)控粒長、粒重主效調(diào)控基因GS3的表達(dá)來影響水稻的產(chǎn)量。以上研究成果對尋找能夠協(xié)調(diào)植物防御和生長平衡的新節(jié)點(diǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

JA主要參與調(diào)節(jié)植物對死體營養(yǎng)型病原菌的抗性，而SA介導(dǎo)對活體、半活體營養(yǎng)型病原菌的抗性［42-43］。JA和SA在擬南芥和水稻中均具有拮抗作用［44］。在擬南芥中，JA可以通過調(diào)控多個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子來抑制SA的積累。JA信號關(guān)鍵調(diào)控蛋白MYC2與NACs的啟動子結(jié)合后激活NACs的轉(zhuǎn)錄，并進(jìn)一步抑制SA合成基因ICS1的表達(dá)［45］。在水稻中，超量表達(dá)SA信號路徑關(guān)鍵調(diào)控因子OsNPR1會強(qiáng)烈激發(fā)SA信號并提高對Xoo和M. oryzae的抗性，同時(shí)抑制JA信號［46］。近日，劉俊研究組鑒定了可通過動態(tài)調(diào)節(jié)SA信號和JA信號來提高水稻對M. oryzae抗性的關(guān)鍵基因OsbHLH6，OsbHLH6主要分布在植物細(xì)胞核中，部分位于細(xì)胞質(zhì)中。在M.oryzae入侵早期，OsbHLH6被誘導(dǎo)表達(dá)并競爭結(jié)合到JA信號抑制子OsJAZ的靶蛋白OsMYC2上，隨后激活JA信號，并阻止TGAs激活SA信號。當(dāng)M.oryzae入侵超過24 h后，OsbHLH6和被病原菌誘導(dǎo)表達(dá)的OsNPR1在細(xì)胞質(zhì)中互作，并無法進(jìn)入細(xì)胞核中激活JA信號，最終解除了JA對SA的抑制［47］。該研究對揭示SA和JA動態(tài)調(diào)控水稻抗性具有重要指導(dǎo)意義。

GA和ABA是一對在植物生長發(fā)育過程中起拮抗作用的激素。GA能促進(jìn)植物開花、莖的伸長和種子萌發(fā)，而高濃度ABA抑制植物莖的伸長、種子萌發(fā)，并通過誘導(dǎo)腋芽休眠對干旱、低溫等非生物脅迫做出應(yīng)激反應(yīng)［48-50］。在GA信號路徑中，GID1和SCFSLY1/GID2復(fù)合體共同促進(jìn)DELLA的降解，緩解DELLA對GA的抑制［51-53］。在ABA信號路徑中，受體二聚體PYL/PYRs/RCARs識別ABA后以單體的形式和蛋白磷酸酶PP2Cs結(jié)合并伴隨SnRK2s的解離，SnRK2s通過磷酸化下游ABF和AREB等轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)ABA應(yīng)答［49］。2015年萬建民研究組確定赤霉素和脫落酸之間的拮抗機(jī)制受SnRK2-APC/CTE的調(diào)控。SnRK2s被ABA激活后通過磷酸化修飾分蘗抑制基因（Tiller Enhancer，TE）抑制其編碼的APC/CTE的活性，同時(shí)干擾TE和ABA受體OsPYL/RCARs的相互作用，解除APC/CTE對OsPYL/RCARs的降解，并通過正反饋機(jī)制進(jìn)一步增強(qiáng)ABA信號；此外，當(dāng)植物感知到GA信號時(shí)，SnRK2s被抑制表達(dá)并促進(jìn)OsPYL/RCARs的降解，從而干擾ABA信號的傳導(dǎo)［54］。近日，萬建民研究組發(fā)現(xiàn)高水平GA可通過促進(jìn)APC/CTE介導(dǎo)的MOC1或OsSHR1的降解，抑制水稻分蘗或根的生長，低水平GA可以在根分生組織中激活A(yù)PC / CTE以促進(jìn)根的生長。而ABA可拮抗GA介導(dǎo)的APC / CTE降解路徑，并通過SnRK2-APC/CTE樞紐穩(wěn)定MOC1或OsSHR1，從而維持分蘗或根的生長［55］。APC/CTE介導(dǎo)的ABA和GA拮抗機(jī)制的不斷完善對改善水稻株型提出了新的育種思路，在GA和ABA交叉調(diào)節(jié)路徑中或許可以通過適當(dāng)增強(qiáng)植物ABA信號來促進(jìn)根系生長和分蘗數(shù)的增加。

2.3 生物脅迫調(diào)控基因

分別由稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）、稻黃單胞菌稻生致病變種（Xanthomonasoryzaepv.oryzicola，Xoc）和稻黃單胞菌水稻致病變種（Xanthomonas oryzaepv.oryzae，Xoo）引起的稻瘟病、細(xì)菌性條斑病和白葉枯病是造成水稻產(chǎn)量和品質(zhì)損失的三大病害［56-57］。目前，水稻病害的防治多以噴施化學(xué)藥劑為主，農(nóng)藥的殘留和蓄積不僅會影響作物的生長發(fā)育、造成土壤污染，同時(shí)還會給人們的健康帶來隱患。因此，培育并應(yīng)用廣譜抗性品種是替代化學(xué)防治的有效措施。

全面了解水稻和病原菌的相互作用，尋找主效抗病基因是研究水稻抗病機(jī)制的關(guān)鍵。目前，科研工作者已經(jīng)克隆了大量的水稻抗性基因并進(jìn)行了功能鑒定。其中包括Pi2、Pita、Pib、Pigm和bsr d1等28個(gè)抗稻瘟病的主效基因以及Xa1、Xa10、xa13、xa25和xa41等11個(gè)抗白葉枯病的主效基因［58-60］，并鑒定出13個(gè)抗條斑病的主效數(shù)量性狀位點(diǎn)（Quantitative trait loci，QTL），其中位于5號染色體上的qBlsr5a可以解釋表型變異的14%［61-62］。異源表達(dá)玉米抗性基因Rxo1的水稻對條斑病的抗性顯著提高［63-64］。

由于Magnaporthe oryzae、Xoo和Xoc生理小種的多樣性，尋找特異性和非特異性廣譜抗病基因是育種工作的重要目標(biāo)。編碼硫胺素合成酶基因OsDR8通過促進(jìn)維生素B1的積累正調(diào)控水稻對Xoo和M. oryzae的抗性［65］。轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY45-1表達(dá)時(shí)產(chǎn)生的小RNA會抑制ST1的表達(dá)，從而負(fù)調(diào)控水稻對Xoo和Xoc的抗性；OsWRKY45-2表達(dá)時(shí)沒有小RNA的產(chǎn)生，從而正調(diào)控水稻對Xoo和Xoc的抗性［66-67］。沉默OsHDT1顯著提高水稻對Xoo和M. oryzae的抗性［68］。E3泛素連接酶OsPUB15與Pid2互作激發(fā)植物細(xì)胞超敏反應(yīng)（Hypersensitive response，HR）和基礎(chǔ)免疫應(yīng)答，從而正調(diào)控水稻對M. oryzae的抗性［69］。OsMPK15通過抑制PR基因的表達(dá)和活性氧的爆發(fā)負(fù)調(diào)控水稻對Xoo和多個(gè)M. oryzae生理小種的抗性［70］。秈稻地谷對1 000多個(gè)M. oryzae生理小種具有較強(qiáng)的抗性，這種廣譜抗性是由其3號染色體上的bsrd1介導(dǎo)的。bsrd1的啟動子可以和MYBS1緊密結(jié)合且被抑制表達(dá)，并進(jìn)一步抑制過氧化氫酶的活性阻止H2O2的降解，從而提高地谷對M. oryzae的抗性。近日，陳學(xué)偉研究組［71］發(fā)現(xiàn)地谷bsrd1表達(dá)量的降低會上調(diào)OsMYB30的表達(dá)，OsMYB30作為水稻對M. oryzae抗性的正調(diào)控因子，直接結(jié)合Os4CL3和Os4CL5的啟動子并誘導(dǎo)其表達(dá)，促進(jìn)木質(zhì)素在細(xì)胞壁的積累，提高了水稻對M. oryzae的抗性。此外，研究表明攜帶多個(gè)抗性基因的品種往往具有更強(qiáng)的廣譜性，比如攜帶Pi2/Pi1或Pi2/Pi54的品種對M. oryzae的抗性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單基因系水稻品種，含有Pi9/Xa23或Pi54 / Xa21的品種可以同時(shí)提高水稻對Xoo和M. oryzae兩種病原菌的抗性［72］。

植物和病原菌互作通常會觸發(fā)激素的生物合成和信號傳導(dǎo)等防御反應(yīng)［73］。促植物生長激素（如生長素和赤霉素）的積累往往是水稻容易受病原菌入侵的易感因素，而抑制生長的激素（如水楊酸和茉莉酸）則是提高植物抗性的因素［74］。例如，OsHsp18.0CI通過激活JA和SA信號路徑相關(guān)基因的表達(dá)正調(diào)控水稻對Xoo的抗性［75］。OsBGLU19通過激活OsAOS2等JA信號路徑相關(guān)基因的表達(dá)正調(diào)控水稻對Xoc的抗性［76］。小肽激素PSK候選受體OsPSKR1通過激活OsPR1a、OsPR5等SA信號路徑相關(guān)基因的表達(dá)正調(diào)控水稻對Xoc的抗性［77］。和野生型相比，SLs缺陷型突變體d17和d14的細(xì)胞壁合成基因被抑制表達(dá)，同時(shí)H2O2和可溶性糖含量明顯降低，對M. oryzae敏感性增加，表明SLs可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞壁防御、過氧化氫酶活和糖代謝等途徑正調(diào)控水稻對M. oryzae的抗性［78］。但這種廣義概念也有例外，比如GH3-8通過催化生長素-氨基酸復(fù)合物的形成抑制生長素的積累，從而保護(hù)植物免遭由于細(xì)胞壁防御能力下降受到的損傷，介導(dǎo)了依賴于生長素信號路徑的抗病機(jī)制［73］。BRs信號路徑相關(guān)基因OsSERK2不僅可以改良水稻株型還可提高水稻對Xoo和M. oryzae的抗性［79］。

植物細(xì)胞壁由纖維素、半纖維素、胼胝質(zhì)、果膠、木質(zhì)素等組成，是阻擋病原菌入侵的天然屏障［80］。超量表達(dá)OsSUS3可以促進(jìn)細(xì)胞壁多糖和胼胝質(zhì)的沉積，降低纖維素結(jié)晶度和半纖維素中阿拉伯糖的比例，并以此提高水稻對Xoc的抗性［81］。PGs是一類Xoc在入侵初期分泌的能夠降解植物果膠、軟化細(xì)胞壁的半乳糖醛酸酶［82］，并能夠正調(diào)控Xoc在水稻上的致病力［83］。為了防止病原菌對細(xì)胞壁的降解，植物會通過誘導(dǎo)多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白PGIPs的積累來抑制PGs的活性，緩解PGs對植物細(xì)胞壁中多聚半乳糖醛酸的水解［84］。水稻基因組編碼7個(gè)PGIP蛋白，其中OsPGIP1、OsPGIP4和qBlsr5a定位于5號染色體上的同一區(qū)間，但對于OsPGIPs是如何介導(dǎo)水稻對Xoc的抗性還知之甚少。2016年丁新華研究組首次鑒定了OsPGIP4通過誘導(dǎo)OsAOC和OsAOS等JA信號通路相關(guān)基因的表達(dá)增強(qiáng)水稻對Xoc的抗性，并利用 RNAi 技術(shù)對OsPGIP4進(jìn)行抑制表達(dá)顯著降低了攜帶qBlsr5a的中抗品種Acc8558對RS105的抗性，進(jìn)一步證實(shí)了OsPGIP4可能參與qBlsr5a介導(dǎo)的水稻對Xoc的數(shù)量抗性［62］。近日，該研究組又揭示了OsPGIP1介導(dǎo)的水稻對Xoc的抗性依賴于植物細(xì)胞壁的先天免疫能力和JA信號通路的激活。研究發(fā)現(xiàn)不同于OsPGIP3、OsPGIP5、OsPGIP6和OsPGIP7，OsPGIP1被Xoc生理小種RS105誘導(dǎo)后表達(dá)量顯著上調(diào)，并通過轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步證實(shí)沒有病原菌入侵時(shí)OsPGIP1超量表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株和野生型植株基因表達(dá)無明顯差異，但RS105會顯著誘導(dǎo)OsPGIP1超量表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株JA的積累和編碼細(xì)胞壁纖維素合酶基因OsCesAs、木質(zhì)素合成相關(guān)基因OsPALs等的表達(dá)，揭示了OsPGIP1介導(dǎo)的防御反應(yīng)依賴于PGIP-PGs復(fù)合體的形成。同時(shí)，超量表達(dá)OsPGIP1不影響水稻農(nóng)藝性狀，是抗性品種培育過程中可選擇的優(yōu)質(zhì)基因［83］。

2.4 非生物脅迫調(diào)控基因

冷害、高溫、干旱和土壤鹽堿化等非生物脅迫是限制水稻生長的重要因素。植物通過調(diào)節(jié)自身的生長發(fā)育來適應(yīng)環(huán)境的變化［74］，比如可通過基因差異表達(dá)、改變酶活、降低氣孔導(dǎo)度和激活激素信號通路等應(yīng)對非生物脅迫。因此，確定關(guān)鍵的遺傳決定因素、提高作物的抗逆性對滿足水稻生產(chǎn)需求具有重要意義。

低溫會影響水稻過氧化氫酶的活性和代謝平衡，甚至?xí)?dǎo)致種子休眠，嚴(yán)重影響水稻的生長發(fā)育。類受體激酶CTB4a與ATP合酶β亞基AtpB相互作用，并通過提高ATP合酶活性和ATP含量正調(diào)控水稻在低溫脅迫下的結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量［85］。OsMADS57和OsTB1產(chǎn)生相互作用并共同介導(dǎo)水稻對低溫脅迫的抗性。在低溫條件下，OsMADS57和OsTB1共同與OsWRKY94的啟動子結(jié)合并促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄，同時(shí)解除對D14的抑制，最終提高植物抗寒性并抑制分蘗的形成；在常溫條件下，OsWRKY94和D14被抑制表達(dá)，植物分蘗正常形成［86］。黃榮裕研究組發(fā)現(xiàn)在籽粒發(fā)育過程中，LGS1的表達(dá)提高了籽粒灌漿率，增加了籽粒長度和胚乳細(xì)胞數(shù)，正向調(diào)控水稻產(chǎn)量；同時(shí)，LGS1轉(zhuǎn)錄本在低溫下的積累又提高了水稻幼苗的抗寒能力［87］。儲成才研究組發(fā)現(xiàn)水稻在孕穗期遇到低溫脅迫時(shí)，粳稻9號染色體上的bZIP73Jap和bZIP71形成的復(fù)合體可通過抑制OsNCED3和OsNCED5等ABA合成基因的表達(dá)降低ABA水平，同時(shí)過氧化氫酶活性的增強(qiáng)加速了H2O2降解，最終提高水稻對低溫的適應(yīng)性。在生殖生長階段，二聚體的形成激活了抗低溫主效QTLqLTG31Nip、單糖轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsMST7和OsMST8的表達(dá)，并促進(jìn)葡萄糖、蔗糖等向花粉的輸送，從而提高水稻種子在冷脅迫條件下的結(jié)實(shí)率［88］。種康研究組發(fā)現(xiàn)低溫顯著誘導(dǎo)OsCYP202的表達(dá)，OsCYP20-2通過在葉綠體和細(xì)胞核中招募不同的靶蛋白來協(xié)調(diào)植物生長和對低溫的耐受性。位于葉綠體中的OsCYP20-2通過靶向OsFSD2加速細(xì)胞活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的清除，增強(qiáng)水稻對低溫的抗性；同時(shí)，位于細(xì)胞核中的OsCYP20-2通過降解SLR1解除DELLA蛋白對植物生長的抑制，從而保證植物在低溫環(huán)境中的正常生長［89］。

高溫脅迫會破壞植物細(xì)胞膜的流動性和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，植物通過誘導(dǎo)熱激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）的積累提高自身蛋白質(zhì)正確折疊的效率，從而提高耐熱性［90］。HSPs按蛋白質(zhì)分子量可分為小熱激蛋白（small heat shock proteins，sHSP）、HSP60、HSP70、HSP90和HSP100五個(gè)家族，sHSP是一類不依賴ATP有助于提高蛋白質(zhì)正確折疊率的伴侶蛋白［91］。近日，張恒木研究組發(fā)現(xiàn)超量表達(dá)OsHSP20促進(jìn)水稻種子萌發(fā)和根系伸長，并明顯提高水稻對高溫和鹽脅迫的適應(yīng)性［92］。林鴻宣研究組從突變體aet1中成功克隆編碼tRNAHis鳥苷轉(zhuǎn)移酶基因AET1，AET1與兩個(gè)靶蛋白RACK1A和eIF3h共同調(diào)控生長素應(yīng)答因子OsARF23和OsARF19 的翻譯效率，從而提高水稻對高溫的耐受力［93］。劉建祥研究組發(fā)現(xiàn)OsbZIP74參與調(diào)節(jié)OsNTL3介導(dǎo)的應(yīng)激反應(yīng)。OsbZIP74前體蛋白bZIP74P定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。OsNTL3前體蛋白NTL3P定位于質(zhì)膜，可以感知熱脅迫時(shí)細(xì)胞膜流動性和完整性的變化，并將熱應(yīng)激響應(yīng)信號傳遞到細(xì)胞核。在高溫脅迫時(shí)，OsNTL3從質(zhì)膜遷移到細(xì)胞核，OsbZIP74可變剪切產(chǎn)生bZIP74A并進(jìn)入細(xì)胞核，誘導(dǎo)OsNTL3上調(diào)表達(dá)，OsbZIP74和OsNTL3協(xié)同調(diào)節(jié)水稻的耐熱性［94］。

干旱脅迫會造成水稻花粉敗育、氣孔關(guān)閉、光合速率和生長速率下降，是限制水稻產(chǎn)量的因素之一［95］。雖然已在水稻生產(chǎn)中大面積推廣節(jié)水灌溉，但總體運(yùn)行成本過高、農(nóng)業(yè)勞作人員接受程度較低，因此探究水稻對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制是利用分子育種技術(shù)提高品種抗旱性的關(guān)鍵。干旱脅迫會誘導(dǎo)ABA快速積累，水稻中超量表達(dá)ABA 合成基因OsNCED3會顯著提高葉片中ABA的含量，并增強(qiáng)過氧化氫酶和抗氧化酶的活性，最終提高水稻對干旱脅迫的抗性［96］。儲昭輝研究組發(fā)現(xiàn)OsDT11可通過降低氣孔導(dǎo)度減少水分的散失來提高植物的抗旱性。此外，在干旱脅迫條件下OsDT11可通過誘導(dǎo)BURP、GRAM和HVA22等基因的表達(dá)觸發(fā)植物對ABA信號的響應(yīng)，并受ABA信號路徑上游基因OsbZIP23和Os2H16的調(diào)控［95］。OsASR2通過特異性結(jié)合到順式作用元件GT-1激活靶基因Os2H16的表達(dá)來提高水稻對Xoo和干旱脅迫的抗性［97-98］。近日，劉煒研究組發(fā)現(xiàn)干旱脅迫誘導(dǎo)OsESG1的表達(dá)，OsESG1抑制表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻過氧化氫酶活性降低，H2O2的積累影響了苗期根冠發(fā)育并導(dǎo)致H2O吸收速率下降，同時(shí)編碼生長素轉(zhuǎn)運(yùn)體基因OsPIN1b、OsPIN2和OsPIN10a上調(diào)表達(dá)，說明OsESG1可能通過調(diào)節(jié)生長素的分配和運(yùn)輸影響植物根系對干旱脅迫的適應(yīng)性［99］。

全球約有6%的土地存在鹽堿化的問題。在高鹽脅迫下，高濃度Na+和Cl-在植物體內(nèi)不斷積累極易產(chǎn)生二次脅迫，導(dǎo)致鹽離子中毒，甚至引發(fā)植物死亡［100］。水稻屬于非鹽生植物，對鹽脅迫表現(xiàn)出高度的敏感性［101］。水稻已經(jīng)進(jìn)化出多種適應(yīng)性防御機(jī)制，以保護(hù)自身免受鹽脅迫的傷害，分離和鑒定鹽脅迫相關(guān)基因?qū)ε嘤望}新品種具有重要意義。黃驥研究組發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫會誘導(dǎo)水稻AP2和bHLH等80個(gè)轉(zhuǎn)錄因子上調(diào)表達(dá)，1 055個(gè)功能基因上調(diào)表達(dá)，1 030個(gè)功能基因下調(diào)表達(dá)，其中大部分生長發(fā)育調(diào)控基因下調(diào)表達(dá)，如SCL33（LOC_Os07g0633200）、NADPME2（LOC_Os01g0723400）和SAUR76（LOC_Os08g0452500）等［102］。研 究 表明在鹽脅迫下水稻中超量表達(dá)OsSTLK會降低氣孔導(dǎo)度減少水分蒸發(fā)，并通過增強(qiáng)超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性減少ROS的積累，同時(shí)降低Na+和K+的比值以及MAPK磷酸化水平，進(jìn)而增強(qiáng)水稻對鹽脅迫的抗性［103］。在鹽脅迫下，OsMPT3突變體增加了脯氨酸合成的前體谷氨酰胺的積累，降低了Ca2+、Pi、ATP、可溶性糖和脯氨酸的積累，同時(shí)增加了Na+和K+的比值，并對外源ATP高度敏感，該研究表明OsMPT3可通過調(diào)節(jié)植物細(xì)胞能量供應(yīng)，并引起鹽脅迫下參與滲透調(diào)節(jié)的離子和代謝物積累的變化，正調(diào)控水稻的對鹽脅迫的抗性［104］。謝先芝研究組發(fā)現(xiàn)OsSRK1編碼非典型的S類受體激酶（S-receptor-like kinase），超量表達(dá)OsSRK1會提高水稻對ABA的敏感性，并通過促進(jìn)葉原基細(xì)胞分裂增加葉片寬度，同時(shí)誘導(dǎo)OsMyb4、OsDREB1A、ZOS3和OsWRKY08等基因的表達(dá)提高水稻對鹽脅迫的耐性［105］。楊志敏研究組發(fā)現(xiàn)Na+/H+反向運(yùn)輸?shù)鞍譕sNHAD介導(dǎo)鹽脅迫條件下水稻亞細(xì)胞Na+的穩(wěn)態(tài)。OsNHAD抑制表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻對Na+敏感性增強(qiáng)，Na+在葉綠體中的積累導(dǎo)致葉綠素含量下降、光系統(tǒng)Ⅱ光化學(xué)效率降低、生長發(fā)育遲緩，而異源表達(dá)OsNHAD可以回補(bǔ)擬南芥突變體atnhd11鹽脅迫下生長異常的表型，說明OsNHAD 通過介導(dǎo)葉綠體中Na+的外排提高水稻對鹽脅迫的耐受力［106］。盡管水稻對鹽脅迫的耐受性受多個(gè)基因調(diào)控，但引入編碼關(guān)鍵效應(yīng)蛋白的單基因可能會改善這一復(fù)雜的農(nóng)藝性狀，超量表達(dá)OVP1可增加液泡膜焦磷酸酶和ATP酶的活性，從而為逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MHX提供質(zhì)子驅(qū)動力并將Na+隔離在液泡中，減少了Na+對細(xì)胞質(zhì)的損傷，最終提高了水稻對鹽脅迫的適應(yīng)性和耐受力［107］。OVP1超量表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株已經(jīng)過研究者4年的田間試驗(yàn)，其分蘗、產(chǎn)量等綜合性狀明顯優(yōu)于野生型，OVP1可作為提高品種鹽脅迫耐受性的重要候選基因。

2.5 產(chǎn)量調(diào)控基因

隨著人口的不斷增加，我國對稻米的需求量也居高不下，不斷提高水稻單產(chǎn)滿足人們基本需求一直是育種工作者的首要目標(biāo)。單位面積上的穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重和結(jié)實(shí)率是影響水稻產(chǎn)量的決定性因素［108］。隨著基因組測序和功能基因組學(xué)的發(fā)展，目前已經(jīng)鑒定了多個(gè)調(diào)控水稻粒型、粒重、結(jié)實(shí)率的主效QLT，如GW2［109］、GS3［110］、GS2［111］。近日，高振宇和錢前研究組鑒定出TGW2也是調(diào)控籽粒大小的主效數(shù)量性狀基因，并通過與細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子KRP1互作抑制水稻穎殼細(xì)胞分裂，最終負(fù)調(diào)控粒寬和粒重［112］。已鑒定的QTL主要通過影響小G 蛋白信號通路、植物激素水平的變化、MAPK級聯(lián)反應(yīng)等來調(diào)控水稻細(xì)胞的伸長［113-114］。TGW6通過影響IAA-葡萄糖水解酶的活性來調(diào)節(jié)生長素的含量，進(jìn)而影響水稻的產(chǎn)量［115］。MAPK級聯(lián)反應(yīng)主要通過MAPKs激酶將磷酸化信號逐級傳遞到細(xì)胞核并引起防御基因的差異表達(dá)，從而介導(dǎo)植物的免疫反應(yīng)，研究表明OsMKK4不僅影響植物抗性，還是MAPK信號通路和BRs信號通路交叉調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因子，是水稻的株高、粒長、粒寬等產(chǎn)量影響因素的正向調(diào)控因子［116］。此外，在水稻中超量表達(dá)OsMKKK10也顯著增加了株高、粒重［117］。而GSN1通過對OsMAPK6去磷酸化修飾抑制MAPK級聯(lián)反應(yīng)對產(chǎn)量的正向調(diào)控，是產(chǎn)量影響因素的負(fù)調(diào)控因子［118］。GS5通過促進(jìn)細(xì)胞分裂和外稃的發(fā)育正調(diào)控籽粒大?。?19-120］，并且影響B(tài)Rs信號的傳導(dǎo)。細(xì)胞分裂素主要分布于植物根分生組織、葉片、果實(shí)和種子等部位，能夠促進(jìn)植物莖頂端分生組織的細(xì)胞分裂和細(xì)胞增殖［121］。OsCKX2主要在花器官中表達(dá)量較高，并通過抑制細(xì)胞分裂素在植物體內(nèi)的積累，負(fù)調(diào)控水稻的粒數(shù)，從而降低水稻的產(chǎn)量［122］。DST等位基因DSTreg1通過抑制OsCKX2的表達(dá)，緩解細(xì)胞分裂素的降解，從而促進(jìn)水稻籽粒的伸長和產(chǎn)量的提高［119，122］。

OsmiR156［123］、OsmiR397［124］、OsmiR396［125］和OsmiR408［126］等均參與調(diào)控水稻生殖生長。謝先芝研究組［127］發(fā)現(xiàn)OsmiR530是潛在的產(chǎn)量調(diào)控因子，OsPIL15通過與OsMIR530啟動子的順式作用元件結(jié)合促進(jìn)OsMIR530在細(xì)胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄，OsmiR530的積累抑制了下游OsPL3的表達(dá)，并進(jìn)一步抑制小穗穎殼的細(xì)胞分裂從而負(fù)調(diào)控水稻產(chǎn)量。分蘗角度在水稻育種中可作為培育理想株型以提高產(chǎn)量的主要目標(biāo)性狀之一，可塑性較強(qiáng)。miR167在不同植物中高度保守［128］，吳昌銀研究組［129］發(fā)現(xiàn)OsmiR167a可以通過抑制生長素應(yīng)答基因（OsARF12，OsARF25，OsARF17）的表達(dá)來增大水稻分蘗夾角，并且這種調(diào)控依賴于HSFA2D和LAZY1介導(dǎo)的生長素不對稱分布途徑。

主莖和分蘗的均勻生長不僅是影響水稻株型和產(chǎn)量因素之一，還能確保同步成熟便于收獲，DWT1是這一性狀的關(guān)鍵調(diào)控因子，DWT1的突變導(dǎo)致水稻頂端優(yōu)勢增強(qiáng)并引起矮化現(xiàn)象［130］。梁婉琪研究組［131］發(fā)現(xiàn)DWTI及其同源蛋白DWL2均可與磷脂酰肌醇單磷酸激酶OsPIP5K1在細(xì)胞核內(nèi)互作，并促進(jìn)OsPIP5K1和其產(chǎn)物磷酸肌醇第二信使PI（4，5）P2在細(xì)胞核內(nèi)富集，OsPIP5K1突變后使dwt1突變體的頂端優(yōu)勢消失，即DWTI是通過影響OsPIP5K1和磷酸肌醇信號通路共同調(diào)控水稻的均勻生長。

2.6 品質(zhì)調(diào)控基因

淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、氨基酸含量、堊白等是評價(jià)水稻營養(yǎng)品質(zhì)和外觀品質(zhì)的重要指標(biāo)［132］，高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)一直是科研工作者力求兼得的兩個(gè)育種目標(biāo)。稻米的質(zhì)量取決于品種、生產(chǎn)和收獲條件、采后管理、碾磨和貯藏條件等。利用組織特異性O(shè)leosin-18啟動子和RNAi技術(shù)沉默表達(dá)LOX3延長了稻米貯藏期，減少了營養(yǎng)損傷，同時(shí)還不影響水稻的產(chǎn)量［133］。目前，市場上最受歡迎的是長粒、白色透明的稻米。GIF1在自身啟動子的驅(qū)動下持續(xù)表達(dá)導(dǎo)致水稻產(chǎn)量增加，而在Waxy啟動子的驅(qū)動下表達(dá)GIF1則會導(dǎo)致水稻小粒的產(chǎn)生［134］。在水稻中超量表達(dá)OsmiRNA397抑制了OsLAC的表達(dá)，并增強(qiáng)了水稻對BRs的敏感性，產(chǎn)生了比野生型更多的分蘗，籽粒也顯著增長［135］。超表達(dá)GW7促使籽粒變長變窄，從而改善水稻籽粒的外觀品質(zhì)，GW7啟動子可與GW8編碼的OsSPL16直接結(jié)合并被抑制表達(dá)，最終負(fù)調(diào)控水稻的產(chǎn)量［136］。雖然堊白不會影響稻米的口感，但是消費(fèi)者在購買稻米的時(shí)候會更傾向于堊白度低的品種，溫度、土壤肥沃程度、土壤含水量都是影響堊白產(chǎn)生的因素之一［137］。Chalk5編碼液泡膜質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸酶，超表達(dá)Chalk5導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成受阻，胚乳堊白率顯著增加［138］。備受歡迎的泰國香米因含有2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline，2-AP）而具有獨(dú)特的香氣。OsBADH2則是影響2-AP合成的關(guān)鍵基因。在普通品種中，OsBADH2氧化2-AP的前體，進(jìn)而抑制2-AP的合成。但在類似泰國香米等具有獨(dú)特氣味的品種中，OsBADH2的突變解除了對2-AP合成的抑制作用［139］。

水稻營養(yǎng)成分包含蛋白質(zhì)、碳水化合物、纖維素等，蛋白質(zhì)含量約占籽粒干重的7%，淀粉含量約占籽粒干重的80%［137］。RSR1［140］、OsBP5［137］、OsbZIP58［141］等都是影響籽粒淀粉含量的關(guān)鍵基因。近日，萬建民研究組［142］發(fā)現(xiàn)在水稻中異源表達(dá)玉米GLK基因可使植物葉綠素得到積累并進(jìn)一步提高在田間的光合效率，經(jīng)多代穩(wěn)定繁殖后產(chǎn)量可提升30%-40%，糖、淀粉以及氨基酸等代謝物的含量也明顯高于野生型。錢前研究組［143］鑒定到OsMADS6等位基因突變體afg1，AFG1的功能突變導(dǎo)致水稻籽粒變小，總淀粉和直鏈淀粉含量降低，蛋白質(zhì)和可溶性糖含量增加，對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要影響。

3 展望

國以民為本，民以食為天，食以稻為先。水稻養(yǎng)育著我國60%的人口，是我國重要的糧食作物。因此，提高水稻單產(chǎn)仍是未來育種的首要目標(biāo)。當(dāng)前，我國不僅面臨人口不斷增加、耕地面積不斷減少的局面，還存在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境發(fā)展不平衡的矛盾。現(xiàn)代稻作生產(chǎn)過程中生物脅迫或非生物脅迫等因素限制了水稻品種的增產(chǎn)潛力，雖然商業(yè)化肥和農(nóng)藥的投入在短時(shí)間內(nèi)可以改變這一窘境，但依靠化肥和農(nóng)藥助力水稻生產(chǎn)不僅違背了綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展理念，也不是從根本上解決問題的長久之計(jì)，因此利用分子育種技術(shù)培育綜合性狀優(yōu)良的新品種是未來水稻研究的重點(diǎn)發(fā)展方向。此外，對水稻基因進(jìn)行改造的同時(shí)不能只注重單一性狀的改良。比如超量表達(dá)OsNPR1雖然會提高水稻的抗性，但卻以犧牲水稻的正常發(fā)育為代價(jià)［144］。因此，像IPA1理想株型基因的發(fā)掘和在“嘉優(yōu)中科”的應(yīng)用就很好的化解了生長和防御不可兼得的矛盾［3］。位于3號染色體上的bsrd1未與任何農(nóng)藝性狀調(diào)控基因有連鎖關(guān)系，對bsrd1的利用可在不影響水稻品質(zhì)的前提下提高對Magnaporthe oryzae的抗性［72］。上文介 紹 的NGR5［16］、OsPGIP4［83］、OsALDH2B1［41］等都是品種培育過程中可以兼顧多個(gè)性狀改良的優(yōu)質(zhì)“候選者”。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，滿足人們對水稻品質(zhì)的多樣化需求、擴(kuò)大有效和中高端供給成為市場新導(dǎo)向。除了生產(chǎn)者關(guān)注的高產(chǎn)、高抗等性狀，消費(fèi)者也越來越注重稻米的外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)。近年來，隨著水稻基因組序列的不斷完善，越來越多的科研工作者利用轉(zhuǎn)基因等技術(shù)對水稻品質(zhì)進(jìn)行了改良，比如集高抗、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)于一身的“中科”系列品種就是良好的成果［145］，還有利用TALEN靶向基因敲除技術(shù)對OsBADH2進(jìn)行功能突變，在短時(shí)間內(nèi)即可獲得2-AP含量較高的水稻品種［146］。但目前最大的挑戰(zhàn)是世界范圍內(nèi)消費(fèi)者對轉(zhuǎn)基因技術(shù)的質(zhì)疑。因此，稻米安全性的監(jiān)督和評價(jià)應(yīng)該更有力、更透明，同時(shí)在育種過程中還可利用組織特異性或誘導(dǎo)型啟動子減少基因持續(xù)表達(dá)對水稻的影響。

科學(xué)研究的最終意義是為國所用、為民所用。基因組技術(shù)的不斷發(fā)展為我們挖掘更多農(nóng)藝性狀調(diào)控基因提供了技術(shù)支撐，但水稻的研究不能僅僅停留于功能基因的鑒定，如何將科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成為民所需的第一生產(chǎn)力才是科研工作最關(guān)鍵的一環(huán)。將雜交育種技術(shù)、分子育種技術(shù)和現(xiàn)代化信息技術(shù)相融合，加速發(fā)展可持續(xù)、現(xiàn)代化水稻生產(chǎn)，培育營養(yǎng)高效、高抗、高產(chǎn)等綜合性狀優(yōu)良的品種成為新時(shí)代的重要挑戰(zhàn)。