水稻粒型基因研究進(jìn)展及應(yīng)用

康雪蒙，馬夢影，鞏文靚，段海燕

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

水稻(Oryza sativaL.)是作為中國的主要糧食作物的消費品種，在人們?nèi)粘Ｉ钪姓紦?jù)著舉足輕重的地位。第一次綠色革命時利用矮稈基因Sd1對水稻株型進(jìn)行了調(diào)整，再加之農(nóng)藥和化肥的使用使得水稻產(chǎn)量大幅度上升[1]；第二次綠色革命時超級稻的普及更使得水稻的產(chǎn)量有了質(zhì)的飛躍。然而，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的普及，導(dǎo)致了耕地面積的逐年減少。據(jù)統(tǒng)計，近20年來中國水稻的單產(chǎn)量一直徘徊不前[2]。這就使得如何有效的提高水稻的單產(chǎn)量成為了水稻研究者們所要面臨的最主要的問題。千粒重、穗粒數(shù)和有效穗數(shù)是影響水稻產(chǎn)量的三大農(nóng)藝性狀，而水稻粒型是決定千粒重進(jìn)而影響水稻產(chǎn)量的重要性狀[3]。此外，經(jīng)濟的快速發(fā)展使得人們的生活水平逐漸提高，人們開始對水稻品質(zhì)有著更高的要求。有研究表明粒型不僅僅對千粒重有影響，還對稻米的口感、外觀品質(zhì)也有一定的影響作用[4-5]。相比較而言，粳稻的口感更優(yōu)于秈稻，再加之長粒品種更受人們喜歡[6]。

隨著近幾年科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，水稻粒型基因的研究已經(jīng)相對成熟。已經(jīng)有超過600多個與粒型相關(guān)的數(shù)量性狀基因座(QTL)被成功定位，其中有與粒長相關(guān)的QTLs 136個，與粒寬相關(guān)的QTLs 139個，與粒厚相關(guān)的QTLs 53 個，與長寬比相關(guān)的QTLs 74 個以及220 個與粒質(zhì)量相關(guān)的QTLs[7-9]。在定位這些QTL的同時，不同粒型基因的作用機理也被人逐漸了解。這就使得利用水稻粒型基因?qū)αＰ瓦M(jìn)行改良進(jìn)而增加水稻單產(chǎn)成為了目前水稻研究的一個重要方向。但在利用粒型基因?qū)λ玖Ｐ瓦M(jìn)行改良的過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）聚合兩個及兩個以上基因時所面臨的問題較多；（2）將相同粒型基因應(yīng)用于不同水稻品種也會得到不同的表型性狀；（3）利用粒型基因?qū)λ镜牧Ｐ瓦M(jìn)行改良是否會降低水稻的蒸煮食味品質(zhì)，是否會延長水稻的生育期等其他農(nóng)藝性狀。本文主要通過對前人已發(fā)現(xiàn)的水稻粒型基因及其作用原理，基因之間的聚合效應(yīng)以及在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，以期對此后的水稻粒型改良育種試驗有所幫助。

1 在水稻中已克隆的粒型基因

粒長，粒寬和長寬比是影響水稻粒型的三大性狀。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，粒長、粒寬一般在6～15 mm，1.2～3.8 mm 之間，長寬比則在3.95～5 范圍內(nèi)[10]。這三大性狀之間并非完全獨立，它們之間也在相互影響。粒長的增加導(dǎo)致粒寬和長寬比的減小，粒寬的增加會降低長寬比[11-12]。近些年來隨著科技的進(jìn)步，育種家們利用分子標(biāo)記和圖位克隆技術(shù)已成功克隆出許多與粒型相關(guān)的基因[13]。

1.1 粒長基因

早在1928年趙連芳利用水稻品種‘4269’和‘4257’進(jìn)行雜交，分別對F1及F2代的粒長進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)粒長的遺傳機制表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳[14]。GS3是控制粒長的主效基因，也是目前應(yīng)用最多的一個粒長基因。Wan 等[15]構(gòu)建的重組自交系先將GS3大致定位在第3號染色體的87.5 kb，而后Fan 等[16]通過回交育種將又將GS3精確的定位在7.9 kb區(qū)間。研究表明：GS3編碼一個跨膜蛋白，在大粒品種中發(fā)現(xiàn)GS3第二個外顯子上存在的單堿基取代作用導(dǎo)致了水稻籽粒的增長。另外，GS3包含4 個結(jié)構(gòu)域，其中GS3自身存在的調(diào)節(jié)器官大小的結(jié)構(gòu)域(OSR)對粒長起到負(fù)調(diào)節(jié)作用，而其C端的TNFR/NGFR蛋白家族中富含半胱氨酸的同源區(qū)域及VWFC 模塊在一定程度范圍內(nèi)抑制了OSR 結(jié)構(gòu)域?qū)αｉL的影響[16-17]。

GL7是通過圖位克隆和遺傳學(xué)克隆的一個粒長QTL，為半顯性基因[18]。研究發(fā)現(xiàn)，GL7能夠增加水稻籽粒長度是由于其基因座上17.1 kb 的串聯(lián)重復(fù)。在此區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)2 個候選基因Os07g0603300和Os07g0603400，其中Os07g0603300編碼了一種與擬南芥的LONGIFOLIA1 和LONGIFOLIA2 蛋白質(zhì)具有20%～22%同源性的蛋白質(zhì)TON1 RECRUIT MOTIF(TRM)，這種蛋白質(zhì)可以使得籽粒縱向細(xì)胞伸長從而產(chǎn)生長粒。此外，還發(fā)現(xiàn)通過減少Os07g0603400基因的表達(dá)會促進(jìn)GL7的表達(dá)而出現(xiàn)籽粒增長的現(xiàn)象[19-20]。

GL3.3是通過‘珍汕97’和‘南洋占’構(gòu)建的RIL 檢測得到與粒長有關(guān)的主效QTL，通過對其進(jìn)一步的研究將其精細(xì)定位在15.1 kb 區(qū)間。試驗表明：GL3.3對粒長起到負(fù)向調(diào)控的作用，而在‘南洋占’中發(fā)現(xiàn)GL3.3的等位基因第三外顯子存在堿基突變使得可讀框(ORF)變小最終產(chǎn)生了長粒[21]。

qGL3是在水稻品種‘N411’中克隆得到的又一調(diào)控水稻粒長的基因，其編碼一個與擬南芥BSU1 同源的蛋白磷酸酶(OsPPKL1)[22]。有研究表明，二者雖為同源蛋白，但qGL3對BR 信號通路卻起到負(fù)調(diào)控作用，且與擬南芥BR 信號通路不同，qGL3是通過影響OsGSK3 的蛋白水平、是否磷酸化和OsBZR1 的分布來影響B(tài)R信號和對粒長進(jìn)行調(diào)控的。而‘N411’粒長的增加則是因為qGL3的功能缺失使得其對OsGSK3不具備脫磷酸化功能[23]。

LGY3是秈稻‘R186’與泰國品種‘RD23’通過雜交及回交所得到的與粒長相關(guān)的基因并將其最終定位到8.9 kb。LGY3編碼蛋白OsMADS1，G 蛋白βγ亞基二聚體通過與OsMADS1 直接作用來影響其轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而對水稻粒型造成影響。以‘日本晴’為背景構(gòu)建了NIL NPB-lgy3 發(fā)現(xiàn)lgy3增加了籽?？v向細(xì)胞的分裂才促進(jìn)了粒長的增加。OsMADS1lgy3是OsMADS1 發(fā)生變異進(jìn)而編碼的一種C 端截短蛋白，對粒長也起到了促進(jìn)作用[24]。

1.2 粒寬基因

GW2是第一個被克隆發(fā)現(xiàn)有關(guān)粒寬的基因。Song 等[25]通過對親本‘WY3’和‘FAZ1’進(jìn)行雜交及回交試驗，將其定位在第2條染色體上8.2 kb區(qū)間。通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，GW2編碼一種E3 泛素連接酶,對蛋白酶體有降解作用，進(jìn)而減少細(xì)胞的分裂。在‘WY3’上發(fā)現(xiàn)GW2的等位基因的第4 外顯子上存在著堿基突變，使得底物不能被特異性降解最終促進(jìn)了穎花外殼細(xì)胞的分裂，粒寬被增加的同時也發(fā)現(xiàn)灌漿的速率、胚乳的大小均得到了提升。

GW5是位于第5 條染色體控制粒寬的另一主效QTL。通過對比不同粒寬的水稻品種發(fā)現(xiàn)，寬粒的水稻品種GW5上存在著1212 bp 片段的缺失，這可能就是造成粒寬增加的原因[26]。Weng 等[27]發(fā)現(xiàn)GW5是通過編碼蛋白來促進(jìn)水稻穎花外殼細(xì)胞的分裂從而增加了粒寬。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)GW5是通過抑制BR信號途徑中轉(zhuǎn)錄因子的活性，使得尚未磷酸化的轉(zhuǎn)錄因子影響油菜素內(nèi)酯位于下游的響應(yīng)基因的表達(dá)[28]。

GS5在‘珍汕97’和‘H94’構(gòu)建的雙單倍體上發(fā)現(xiàn)的存在于第五條染色體上的又一調(diào)控粒寬的基因，其編碼的絲氨酸縮肽酶對粒寬起到正向調(diào)控作用[29]。另有研究表明：在GS5的啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)的單核苷酸多態(tài)性(SNPs)造成了GS5的差異性表達(dá)最終導(dǎo)致了粒寬的改變[30]。

GW8對粒寬也起到正向調(diào)控作用，Wang 等[31]對GW8進(jìn)行精細(xì)定位，發(fā)現(xiàn)GW8位于第八號染色體的7.5 kb 區(qū)間，其主要是通過影響與穎殼細(xì)胞周期相關(guān)的基因進(jìn)而影響粒寬。此外，對GW8的表達(dá)量進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)其主要是在水稻的幼穗中表達(dá)，隨著水稻的生長發(fā)育其表達(dá)量開始下降[32]。

OsUBP15 是在水稻突變體lg1-D被鑒定發(fā)現(xiàn)，并將其定位于第2條染色體89 kb區(qū)間。研究表明：通過調(diào)控OsUBP15 的表達(dá)量可以對粒寬進(jìn)行改變。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)OsUBP15 其本質(zhì)為一種泛素特異性蛋白酶，且具有去泛素酶活性的功能。對OsUBP15進(jìn)行過表達(dá)發(fā)現(xiàn)其主要是增加了水稻穎殼橫向細(xì)胞的數(shù)量進(jìn)而對增加了粒寬，這表明OsUBP15對水稻粒寬具有正向調(diào)節(jié)作用[33-34]。

1.3 長寬比基因

GW7、TGW3和GS2都是通過改變水稻籽粒的細(xì)胞進(jìn)而改變水稻長寬比。GW7主要是通過影響水稻籽粒的細(xì)胞分裂模式進(jìn)而變改籽粒的長寬比。通過對GW7表達(dá)的上調(diào)發(fā)現(xiàn)，GW7可以有效的增加縱向細(xì)胞的分裂并縮短橫向細(xì)胞的分裂[35]。TGW3則是通過改變水稻籽粒穎殼的大小和數(shù)目對籽粒長寬比產(chǎn)生影響。在小粒品種中發(fā)現(xiàn)TGW3編碼了一種OsGSK5 蛋白使得蛋白雙聚體產(chǎn)生，這種蛋白雙聚體的產(chǎn)生會對粒長起到抑制作用，最終形成短粒。與此同時，在大粒品種中發(fā)現(xiàn)TGW3的等位基因的第三內(nèi)含子堿基發(fā)生突變，抑制了蛋白雙聚體的形成才會形成長粒[36]。GS2主要是通過促進(jìn)細(xì)胞分裂和細(xì)胞擴張來調(diào)節(jié)籽粒大小，研究表明GS2編碼了一個生長調(diào)節(jié)因子OsGRF4，改變了細(xì)胞的生命周期進(jìn)而促使籽粒的長寬比發(fā)生了改變[37]。

2 粒型基因之間的相互作用

不同的粒型基因雖然分布在不同的染色體上，但是這些基因之間相互影響、相互作用[38]。了解這些基因之間的相互作用原理并將其應(yīng)用于水稻育種，對有效的改良水稻粒型并對提高水稻產(chǎn)量有著重大的意義。

Yan 等[39]通過構(gòu)建涵蓋GS3、GW2、GIF1和qGW5這4 個基因的遺傳材料發(fā)現(xiàn)了其相互之間的作用機理。GW2和qSW5對GS3均起到正向調(diào)節(jié)的作用，GW2對qSW5則起到了負(fù)調(diào)節(jié)作用，而qSW5的上調(diào)促進(jìn)了GIF1的表達(dá)，GW2和GS3的上調(diào)則抑制了GIF1的表達(dá)。Wan 等[33]發(fā)現(xiàn)GW2和OsUBP15可能在泛素化和去泛素化過程中共同使用一些下游底物，這表明在調(diào)控水稻粒寬方面二者并不是完全獨立的。GL3.3與GS3發(fā)現(xiàn)也存在著互作作用，二者共同作用于水稻可顯著增大粒型[21]。另有研究表明：GW8與GW7之間存在也存在著相互作用，GW8的上調(diào)對GW7的表達(dá)具有抑制效果，這主要是因為GW8與GW7啟動子之間相互作用最終抑制了GW7的表達(dá)[31,35]。而通過GS3與GW8構(gòu)建的雙突變材料發(fā)現(xiàn)二者并不相互影響，相互作用。Sun 等[40]在鑒定異源三聚體G 蛋白5 個亞基的功能時發(fā)現(xiàn)GS3、GGC2、DEP1在對水稻籽粒大小作用方面之間相互抑制。無論GGC2或DEP1與Gβ 蛋白單獨結(jié)合還是GGC2和DEP1與Gβ 蛋白共同結(jié)合在一起時對粒長均具有促進(jìn)作用，但當(dāng)GS3與Gβ蛋白結(jié)合時卻起到競爭作用，使得粒長變短。

3 粒型基因在育種上的應(yīng)用

21世紀(jì)以來，全球的科技水平突飛猛進(jìn)使得基因組學(xué)，分子生物學(xué)等學(xué)科得到了快速發(fā)展。人們開始根據(jù)生產(chǎn)需求結(jié)合分子育種技術(shù)來對已有的品種進(jìn)行改良并開始培育新品種[41-42]。隨著越來越多的粒型基因被發(fā)現(xiàn)，將這些粒型基因有機的結(jié)合起來對水稻粒型進(jìn)行調(diào)整進(jìn)而促進(jìn)水稻單產(chǎn)的增加這是水稻研究者們共同努力的方向。

目前，由于GS3是作用機理研究較為清楚的一個粒型基因，所以其應(yīng)用也是較為廣泛的。張劍霞[43]利用GS3和Xa23這2個基因?qū)Α渖?7B’和‘Ⅱ-32B’的粒型進(jìn)行改良，使得‘Ⅱ-32B’和‘珍汕97B’粒長由8.0 mm 分別增加到了9.71 mm 和9.81 mm。伍豪等[44]將長粒品種‘宜香B’和短粒品種‘美B’進(jìn)行雜交及回交試驗，最終將‘美B’的粒長由最初的7.9 mm改良變?yōu)?.87 mm，并將其命名為‘82B’。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)‘82B’千粒重及長寬比等農(nóng)藝性狀均得到了提升?！甋AGC-4’是具有許多優(yōu)秀的性狀的水稻品種，但其粒長較短在市場稍有劣勢。因此李揚等[45]利用‘三粒寸’、‘MIGA’、‘IAC1246’和‘JAPPENI TUNGKUNGO’長粒水稻品種分別和‘SAGC-4’進(jìn)行雜交和回交試驗，以期用這4 個長粒水稻品種中的GS3對‘SAGC-4’的粒長進(jìn)行改良。結(jié)果表明改良后的‘SAGC-4’的粒長由8.32 mm 平均增加了1.52 mm 達(dá)到了9.84 mm。Wang 等[31]將GS3和GW8這2 個基因聚合在‘HJX74’上培育出了新品種‘Huabiao1’，在產(chǎn)量保持不變的前提下粒長得到增加，粒寬得到了減少。黃海祥等[46]利用優(yōu)秀粳稻品種‘嘉禾218’中g(shù)s3基因和‘ZH559’培育出新品種‘中嘉8號’，在浙江省栽培兩年后與‘秀水134’進(jìn)行產(chǎn)量對比，增產(chǎn)6.1%。中科院利用‘吉粳88’/南方長粒粳稻中的GS3和Pi5兩個基因而培育出的水稻新品種‘中科804’，試栽兩年后與‘秋光’進(jìn)行產(chǎn)量對比發(fā)現(xiàn)增產(chǎn)8.4%[47-48]。Zeng等[49]將gs3、GW5等基因成功的聚合應(yīng)用得到了雜交超級稻‘兩優(yōu)培九’，這一研究的成功為水稻分子育種樹立了良好的榜樣。

中科院和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在成功克隆GW8的同時也將其應(yīng)用在水稻的分子育種上。將GW8導(dǎo)入到巴基斯坦優(yōu)質(zhì)水稻‘Basmati’后，在增產(chǎn)14%的基礎(chǔ)上‘Basmati’的粒型得到顯著改變、堊白率下降，使得其外觀品質(zhì)和口感均得到了改良[31]?！戚椌? 號’也是中科院利用gw8、gw7和dep1這3 個基因?qū)Α溥\粳7號’進(jìn)行改良得到的水稻新品種，經(jīng)過實地栽培證實新品種的產(chǎn)量得到了質(zhì)的突破，而且口感也得到了進(jìn)一步的提升。Ying等[36]在發(fā)現(xiàn)并克隆TGW3的同時也將其大粒等位基因結(jié)合到‘黃華占’上，使得‘黃華占’的產(chǎn)量提升了10%。Hu等[37]利用‘寶大?！蠫S2基因分別與‘93-11’和‘Wuyungeng7(WYG7)’構(gòu)建了近等基因系，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)93-11 (NIL-GS2BDL)和WYG7(NIL-GS2BDL)的粒長分別增加了21.0%和27.3%，小區(qū)產(chǎn)量也取得了顯著的增產(chǎn)效果。

4 展望

據(jù)數(shù)據(jù)表明，水稻雜交過程中約1%的概率可以獲得目標(biāo)產(chǎn)物，而這個過程既耗時又費力[50-51]。利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)可以有效的篩選目標(biāo)水稻，縮短傳統(tǒng)育種時間。因此，利用分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)是提高水稻產(chǎn)量的重要突破口，在利用分子標(biāo)記等技術(shù)基礎(chǔ)上的設(shè)計育種更是被水稻研究者認(rèn)為是進(jìn)行第三次綠色革命斗爭有效的利刃[52-53]。

然而就目前來說，對水稻不同粒型基因的定位及其作用原理的研究已經(jīng)取得了極大的進(jìn)展，但這些粒型基因在實際生產(chǎn)上的應(yīng)用仍存在著不同的問題。因此，下一步的研究工作重點為：

（1）利用遺傳連鎖圖譜和關(guān)聯(lián)作圖等方法定位并克隆更多的粒型基因來改良并豐富水稻種質(zhì)資源，以供遺傳學(xué)家和育種學(xué)家加快水稻育種進(jìn)程；（2）對已經(jīng)克隆的粒型基因的作用機制以及粒型遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更深層次的研究，以期可以為兩個及以上基因聚合時提供更加科學(xué)的理論依據(jù)；（3）粒型基因也會對水稻其他農(nóng)藝性狀造成影響，如何有效避免粒型基因?qū)ζ渌r(nóng)藝性狀造成消極作用也是需要進(jìn)一步研究的。