水稻硅含量的遺傳研究進(jìn)展

劉曉剛，楊治偉，馬 鈺，趙 娜，馬嘉欣，羅成科，楊淑琴，田 蕾，李培富

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

水稻是一種喜硅、富硅作物，素有硅酸植物之稱，對(duì)硅的需求僅次于氮、磷、鉀三大元素。1926年，美國加州大學(xué)農(nóng)業(yè)研究人員SOMMER首次提出硅是水稻生長發(fā)育的必要元素之一[1]。此后，水稻中硅的研究逐漸引起人們的重視。1935年日本開始對(duì)硅在水稻中的生理作用、硅肥生產(chǎn)以及硅肥在水稻生產(chǎn)上的應(yīng)用展開研究，并于1957年成立硅肥協(xié)會(huì)[2]。我國對(duì)硅肥的研究始于20世紀(jì)70年代中期，到80年代才逐步展開工業(yè)化生產(chǎn)，2001年臺(tái)灣在水稻生產(chǎn)中推廣使用硅肥，面積達(dá)1 333 hm2，水稻增產(chǎn)12%。至今，我國對(duì)水稻中硅的研究已經(jīng)取得了顯著成就[3]。水稻的生長發(fā)育離不開硅，硅能夠改善植株受光態(tài)勢(shì)，減輕葉片下垂，并能通過增強(qiáng)葉肉傳導(dǎo)和改變水稻的初級(jí)代謝對(duì)光合速率進(jìn)行前饋刺激來提高光合性能[4]。硅在水稻植株內(nèi)可形成硅化細(xì)胞，使莖葉表皮細(xì)胞壁加厚，莖稈機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，從而提高水稻植株的抗病和抗倒伏能力，特別是增強(qiáng)對(duì)水稻稻瘟病、胡麻葉斑病、白葉枯病和二化螟的抗性[5]。硅還可以提高水稻的根系活力，通過增加根線粒體數(shù)量促進(jìn)氧化磷酸化的進(jìn)行，釋放出大量ATP，提高水稻根系的氧化能力和供養(yǎng)能力，從而延長根系功能期，防止根系早衰[6]。因此，開展水稻硅含量研究對(duì)于水稻抗病、抗倒伏新品種選育等具有重要意義。有關(guān)硅對(duì)水稻生理上的作用及施用硅肥能使水稻增產(chǎn)抗逆增效方面的研究已有很多報(bào)道，但對(duì)水稻中硅含量的遺傳差異及水稻硅含量的遺傳學(xué)研究尚無系統(tǒng)的報(bào)道。為此，對(duì)我國耕地土壤中硅元素狀況，硅與其他元素的相互作用，水稻中硅含量的遺傳差異，硅元素對(duì)水稻農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響及水稻硅含量的遺傳學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)今后的研究方向進(jìn)行了展望。

1 我國耕地土壤中硅元素狀況

硅是地殼中第二大主要元素，主要以SiO2和硅酸鹽的形式存在，其中SiO2占土壤的50%～70%[7]。SiO2和硅酸鹽礦物在有機(jī)物分解和植物呼吸產(chǎn)生的碳酸作用下，可以緩慢分解成可吸收態(tài)的硅酸，水稻對(duì)SiO2和硅酸鹽礦物的吸收量為1 125～1 950 mg/hm2，是對(duì)氮、磷、鉀吸收量總和的4.4倍。土壤有效硅含量通常被作為衡量土壤供硅能力的指標(biāo)，但由于成土母質(zhì)、氣候條件、土壤水分等眾多因素的影響，能被植物吸收利用的硅只有50～250 mg/kg[8]。

不同地區(qū)的耕地土壤中硅含量也不同。以長江沖積物和湖積物為主的南方水稻土有效硅含量為200～300 mg/kg，以酸性紅色土為主的南方水稻土有效硅含量為80～120 mg/kg，紅砂巖、花崗巖、花崗片麻巖、輕質(zhì)第四紀(jì)紅色黏土和淺海沉積物母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量一般低于80 mg/kg[9]。四川省內(nèi)形成的沖擊型黃色土、酸性紫色土及砂巖黃色土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量平均為69.64 mg/kg[10]。泉維潔等[11]通過對(duì)山東省不同土壤類型1 818個(gè)耕層土壤樣本的調(diào)查分析，得出不同土壤有效硅含量高低順序?yàn)楹滞?砂姜黑土>鹽土>潮土>棕壤>粗骨土，且全省土壤有效硅含量平均為234 mg/kg。

2 硅與其他元素的相互作用

施用硅肥能調(diào)節(jié)水稻對(duì)氮、磷、鉀的吸收，并置換出土壤中的磷酸根，從而促進(jìn)有效磷的釋放，同時(shí)促進(jìn)水稻中同化產(chǎn)物向多糖物質(zhì)轉(zhuǎn)化，以保證水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[12]。2017年，翁穎等[13]進(jìn)一步證實(shí)了硅對(duì)水稻磷吸收的促進(jìn)作用。另外，提高水稻的硅氮比可控制水稻的株高和葉片直立度，從而提高水稻的抗倒伏能力，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)[14]。此外，施用硅肥可以提高鹽堿稻田水稻的耐鹽性，這是因?yàn)樵邴}堿脅迫下，硅可強(qiáng)烈抑制水稻對(duì)鈉的吸收，進(jìn)而提高水稻的耐鹽性[15]。

硅與重金屬元素的相互作用主要體現(xiàn)在對(duì)重金屬的拮抗作用方面[16]。研究表明，硅能夠提高植物根系的通氣和供氧能力，促使根系周圍的Fe2+、Mn2+和Cd2+被氧化沉積在根系表面，從而減輕重金屬鹽對(duì)水稻的毒害作用[17-18]。此外，硅酸鹽可在水中形成凝膠狀的單酸硅(H4SiO4)，并吸附Fe2+、Mn2+和Cd2+，這也是硅緩解毒害作用的原因之一[19-21]。

3 水稻硅含量的遺傳差異

3.1 硅在水稻植株中的分布規(guī)律

研究表明，水稻中硅含量(占水稻干質(zhì)量的比例)一般在10%以上，并廣泛分布于水稻根、莖、葉等各個(gè)部位[22]。水稻中硅的積累遵循末端分布規(guī)律，且各部位的硅積累量一般表現(xiàn)為谷殼>葉片>葉鞘>莖>根，通常谷殼的硅含量約占植株硅含量的20%，而根的硅含量一般約占植株硅含量的2%[23-24]。另有研究表明，硅一般沉積在水稻表皮細(xì)胞壁、中皮層上及細(xì)胞間隙中。不同葉位的硅元素積累則以劍葉最高[25]。

3.2 硅含量在水稻基因型間的差異

我國稻種資源豐富，不同基因型之間硅含量也存在明顯差異。甘秀芹等[26]研究了30個(gè)水稻品種(系)的硅素積累與分配特性及其基因型差異，表明不同品種水稻植株的硅含量在水稻幼穗分化期有較大差異。早季水稻粵雜122比枝優(yōu)253的硅含量高63%，晚季水稻特優(yōu)桂99比粵雜122的硅含量高80%，品種間存在極顯著差異。研究表明，在低硅土壤條件下，粳稻劍葉的硅含量比秈稻的高50%～100%，粳稻谷殼硅含量比秈稻高93%[27-28]。魏海燕等[29]研究表明，在不同氮素水平下，粳稻對(duì)硅素的積累存在極顯著的基因型差異，同時(shí)各基因型硅素積累與分配對(duì)氮素的反應(yīng)也存在差異。在水稻不同生育時(shí)期，前期的硅素積累量少，且大量分布在莖和葉鞘上；幼穗分化期以后，硅素積累量主要分布在穗上，占總積累量的70%～75%[26,30]。上述研究為我國富硅稻種資源的鑒定和篩選奠定了基礎(chǔ)，并為進(jìn)一步通過分子育種手段培育富硅水稻新品種提供了寶貴的資源。

4 硅對(duì)水稻農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

4.1 硅對(duì)水稻農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

呂惠貞等[31]研究表明，施用硅肥可增加水稻有效穗數(shù)和穗實(shí)粒數(shù)，進(jìn)而增加產(chǎn)量。錢雙[32]和范澤群等[33]研究認(rèn)為，硅對(duì)水稻的增產(chǎn)作用是通過增加千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和穗數(shù)實(shí)現(xiàn)的。周青等[34-35]也指出，硅肥在水稻生產(chǎn)中的作用主要是通過增加穎花數(shù)和穗實(shí)粒數(shù)擴(kuò)大“總擴(kuò)容”，進(jìn)一步協(xié)調(diào)源庫關(guān)系，改善群體質(zhì)量，增強(qiáng)干物質(zhì)的生產(chǎn)積累能力，從而起到明顯的增產(chǎn)作用。吳建富等[36]在氮硅配施對(duì)雙季稻產(chǎn)量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，氮硅肥的合理配施有利于提高水稻群體的有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率，避免植株徒長，從而提高產(chǎn)量。另外，施用硅肥還可以提高水稻超氧化物歧化酶活性，保護(hù)細(xì)胞膜的完整性，從而起到延緩植株衰老、提高產(chǎn)量的作用[37-39]。近年來，我國及韓國、日本等水稻主要生產(chǎn)國不斷開發(fā)推廣硅肥，使水稻增產(chǎn)3%～15%，明顯提升了種植效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

4.2 硅對(duì)水稻品質(zhì)的影響

隨著人民生活水平的提高，對(duì)稻米品質(zhì)的要求也逐漸提高。謝必武等[40]以優(yōu)質(zhì)特種稻瑞市9號(hào)為材料研究硅肥對(duì)稻米品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)施硅可以在一定程度上降低直鏈淀粉含量，提高蛋白質(zhì)含量，改善稻米的食用品質(zhì)。周青等[34]研究表明，施硅可以提高稻米香味和精米率，改善蒸煮品質(zhì)，并降低堊白率。王力等[41]研究表明，施用硅肥可顯著提高稻米精米率和整精米率，同時(shí)降低稻米堊白率和堊白度。胡時(shí)友等[42]研究證明，施用硅肥可提高稻米透明度、膠稠度和蛋白質(zhì)含量。此外，在全國進(jìn)行的743個(gè)水稻硅肥田間試驗(yàn)結(jié)果表明，施用硅肥使稻米平均增產(chǎn)10.3%，精米率提高4.9%，堊白率降低8.0%[43]。

4.3 硅對(duì)水稻抗倒伏性的影響

HOSHIKAWA等[44]指出，倒伏會(huì)降低水稻籽粒的飽滿度和品質(zhì)，同時(shí)影響收割。目前，關(guān)于硅與水稻抗倒伏性的關(guān)系存在3種觀點(diǎn)：(1)硅氮比直接影響水稻的倒伏情況，硅氮比>1則抗倒伏，反之則易倒伏[45]；(2)硅的施用增強(qiáng)了細(xì)胞壁的厚度，使莖基部第一、二節(jié)間縮短，增強(qiáng)了莖的機(jī)械強(qiáng)度，從而抗倒伏[46-47]；(3)水稻硅含量與抗倒伏性沒有關(guān)系[48]。目前，眾多研究人員在硅與水稻抗倒伏性關(guān)系方面的研究結(jié)論大多與第2種觀點(diǎn)相同，與第3種觀點(diǎn)相同的比較少。

5 水稻硅含量的遺傳學(xué)研究

早期對(duì)硅的研究主要局限在細(xì)胞學(xué)、植物生理學(xué)和土壤肥料學(xué)等方面[49-51]。最早關(guān)于硅含量的遺傳學(xué)研究是在硅藻和海藻中進(jìn)行的[52]。目前，已在海綿中鑒定出3個(gè)控制生物硅化的蛋白質(zhì)[53]，并在大麥和南瓜中成功克隆了控制硅轉(zhuǎn)運(yùn)的基因[54-55]，但在水稻中并未找到此基因的序列[22]。隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，研究人員逐漸開展了對(duì)水稻中硅含量的遺傳學(xué)研究。

5.1 水稻硅含量QTL(數(shù)量性狀位點(diǎn))的初步定位

在水稻硅含量QTL初步定位研究方面，DAI等[56]利用珍汕97B/密陽46構(gòu)建的重組自交系(RIL)群體對(duì)水稻不同部位的硅含量QTL進(jìn)行定位，在1(2)、6、11號(hào)染色體上定位到4個(gè)控制水稻谷殼硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為29.3%；在1、5、11、12號(hào)染色體上定位到4個(gè)控制水稻劍葉硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為14.8%；在1、5號(hào)染色體上定位到2個(gè)控制水稻莖稈硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為18.6%。MA等[57]利用Nipponbare/Kasalath構(gòu)建的98個(gè)回交自交系(BIL)群體分別在3、5、9號(hào)染色體上定位到3個(gè)控制水稻谷殼硅含量的QTL。吳秀榮等[58]經(jīng)過2 a試驗(yàn)定位到3個(gè)控制莖稈硅含量的QTL和6個(gè)控制劍葉硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為16.8%～29.2%。吳青松[59]利用Kinmaze/DV85構(gòu)建的81個(gè)RIL群體分別在水稻7、8、10號(hào)染色體上定位到3個(gè)控制單株吸硅能力的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為35.7%；在1、3、9、11號(hào)染色體上定位到4個(gè)控制根吸硅能力的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為46.2%。同年利用Asominori/IR14構(gòu)建的RIL群體分別在7(2)、8號(hào)染色體上定位到控制單株硅吸收相關(guān)的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為36.0%；在3、7、9號(hào)染色體上定位到3個(gè)控制根吸硅能力的QTL，聯(lián)合貢獻(xiàn)率為37.0%。NORTON等[60]利用Bala/Azucena構(gòu)建的79個(gè)BIL群體定位到2個(gè)控制水稻葉片硅含量的QTL,聯(lián)合貢獻(xiàn)率為25.3%。

5.2 水稻硅含量QTL的精細(xì)定位

在水稻硅含量QTL精細(xì)定位研究方面，吳季榮[23]利用珍汕97B/密陽46構(gòu)建的221個(gè)RIL群體在RM510和RM204之間檢測到1個(gè)距離RM510 0.1 cM并控制谷殼硅含量的QTL，貢獻(xiàn)率為34.9%，表現(xiàn)為正向不完全顯性。隨后吳季榮等[61]構(gòu)建次級(jí)群體對(duì)控制谷殼硅含量的qHUSS.1區(qū)域進(jìn)行分解驗(yàn)證，在此區(qū)域分解出3個(gè)QTL，并將區(qū)間縮小到147 kb。之后吳季榮[62]又通過構(gòu)建異質(zhì)區(qū)間迭代的近等基因系(NIL)將qHUSS.1區(qū)間縮小到62.4 kb。龔俊義[63]利用珍汕97B/密陽46的剩余雜合體衍生群體,把1個(gè)控制產(chǎn)量性狀的QTL精細(xì)定位在水稻6號(hào)染色體短臂遠(yuǎn)著絲粒RM469—RM6917區(qū)間62.4 kb的區(qū)域內(nèi)，把1個(gè)控制谷殼硅含量的QTL精細(xì)定位在水稻6號(hào)染色體短臂近著絲粒RM3438—Si9337區(qū)間125 kb的區(qū)域內(nèi)，并在這2個(gè)區(qū)間內(nèi)初步驗(yàn)證了產(chǎn)量性狀QTL和谷殼硅含量QTL的作用。在此基礎(chǔ)上，龔俊義等[64]又在目標(biāo)區(qū)間的13個(gè)SSR標(biāo)記中挑選出雜合區(qū)間彼此交迭的3個(gè)剩余雜合體,構(gòu)建了3套NIL，最終將qHUS6.1定位在RM19410和RM19417之間約64.2 kb含9個(gè)候選基因的區(qū)域內(nèi)。杜景紅等[65]利用珍汕97B/密陽46的4個(gè)F1單株，經(jīng)單粒傳構(gòu)建了859個(gè)RIL群體，最終在1.6 cM的RM510—RM204區(qū)間內(nèi)檢測到1個(gè)控制谷殼硅含量的QTL，進(jìn)一步證實(shí)了6號(hào)染色體短臂對(duì)珍汕97B/密陽46硅含量的重要作用。王凱[66]利用從珍汕97/密陽46 RIL群體篩選出的1個(gè)剩余雜合體，通過連續(xù)自交發(fā)展3套與目標(biāo)區(qū)間相互交迭的NIL,利用小樣本量群體將控制谷殼硅含量的QTLqHUS6.1定位在僅含有1個(gè)開放閱讀框的區(qū)間內(nèi)，同時(shí)構(gòu)建了1套僅針對(duì)目標(biāo)QTLqHUS6.1的單基因NIL。

5.3 水稻硅含量相關(guān)基因的克隆

在水稻硅含量相關(guān)基因的克隆方面，WATANABE等[67]研究發(fā)現(xiàn)4類降低硅濃度的基因(金屬硫蛋白基因、葉綠素a/b結(jié)合蛋白基因、水稻白葉枯病抗性基因Xa21家族成員、碳酸酐酶基因)和1類提高硅濃度基因(鋅指蛋白基因)。2006年，MA等[68]提出水稻中至少存在2個(gè)將外界硅運(yùn)輸?shù)侥举|(zhì)部的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，并通過混合分離分析法將其中1個(gè)基因成功定位到2號(hào)染色體RM5303和E60168之間。同年利用圖位克隆方法成功克隆了硅內(nèi)流轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Lsi1。進(jìn)一步分析表明，該基因?qū)儆谒ǖ赖鞍准易逯械念惛鏊?26內(nèi)在固有蛋白Ⅲ(NIPⅢ)亞家族，主要在主根和側(cè)根中表達(dá)。該基因編碼1個(gè)由298個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)含有6個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域和2個(gè)Asn-Pro-Ala基序。該蛋白質(zhì)的主要功能：(1)負(fù)責(zé)將硅酸從根細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)[69]；(2)增強(qiáng)水稻對(duì)草食性昆蟲的抗性[70]；(3)調(diào)節(jié)水稻的抗氧化能力，從而使水稻免受紫外線的輻射[71]、提高水稻對(duì)低溫脅迫的抗性[72]。MA等[73]繼續(xù)利用圖位克隆方法獲得了第2個(gè)水稻硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Lsi2，該基因編碼的蛋白質(zhì)同樣為跨膜蛋白，包含11個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域。與Lsi1蛋白功能不同，Lsi2蛋白主要負(fù)責(zé)將硅酸從根細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外。2008年，YAMAJI等[74]利用同源克隆方法克隆出第3個(gè)控制水稻硅轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的基因Lsi6，該基因也屬于水通道蛋白家族中的NIPⅢ亞家族基因，是Lsi1的同源基因，主要在葉鞘和葉片中表達(dá)，而在根部表達(dá)量較少，主要在硅從木質(zhì)部轉(zhuǎn)出過程中起作用。

6 展望

目前，硅在水稻生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但依然存在很多問題。我國水稻土資源豐富、類型復(fù)雜，不同水稻土中硅含量分布差異較大。因此，集中人力、物力全面普查我國水稻土資源，分析土壤成分，對(duì)研究不同地區(qū)水稻土的硅素肥力狀況以及硅肥的合理施用具有重大意義。

我國對(duì)水稻中硅的研究已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，對(duì)于硅在水稻中的運(yùn)輸機(jī)制和調(diào)控水稻有機(jī)酸代謝等方面的作用已經(jīng)很清楚，對(duì)于其調(diào)控水稻產(chǎn)量形成、改善水稻品質(zhì)和增強(qiáng)水稻抗逆性的系統(tǒng)研究也較多。今后的研究可以從以下方面進(jìn)行加強(qiáng):(1)對(duì)硅與其他元素的互作效應(yīng)、氮磷鉀硅配施技術(shù)展開深入研究；(2)從水稻分蘗、拔節(jié)、孕穗和成熟期的干物質(zhì)積累入手，探明硅在水稻營養(yǎng)生長期和生殖生長期所起的關(guān)鍵作用；(3)以前對(duì)硅元素提高水稻的抗病性研究多停留在細(xì)胞學(xué)水平，對(duì)硅調(diào)控水稻防止病菌感染、增強(qiáng)抗病能力的生理機(jī)制有待于繼續(xù)驗(yàn)證和探討。

前期的研究使人們更清晰地認(rèn)知了硅對(duì)植物的生理作用和遺傳效應(yīng)，但為了更全面地了解水稻硅的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配機(jī)制，有必要對(duì)未發(fā)現(xiàn)的控制水稻硅含量的QTL進(jìn)行挖掘。目前，對(duì)于這一方面的研究多停留在珍汕97B/密陽46組合上，對(duì)不同地區(qū)代表性品種組合控制水稻硅含量的QTL的挖掘幾乎沒有。因此，開發(fā)培育具有地方特色富硅的功能性水稻新品種已經(jīng)成為分子育種的研究新領(lǐng)域之一。由于QTL的主效應(yīng)和上位效應(yīng)對(duì)數(shù)量性狀的遺傳具有重要作用，且QTL簇內(nèi)不同QTL對(duì)同一性狀和相關(guān)性狀的遺傳效應(yīng)和作用方式都可能存在差異，研究不同QTL在水稻硅含量遺傳控制上的互作關(guān)系和綜合效應(yīng)具有重要的遺傳學(xué)和育種學(xué)意義。

在初步定位的基礎(chǔ)上，對(duì)效應(yīng)較大的QTL進(jìn)行精細(xì)定位，尋找與目標(biāo)性狀相關(guān)的候選基因。目前，對(duì)已克隆的Lsi1、Lsi2和Lsi6基因的研究所涉及的植物不多，因此利用已發(fā)現(xiàn)的硅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(Lsi1、Lsi2和Lsi6)對(duì)植物全基因組進(jìn)行探索，并推測其硅元素積累狀態(tài)，預(yù)測植物的序列同源性和硅元素積累狀態(tài)之間的相關(guān)性成了新的研究方向。對(duì)未克隆的候選基因進(jìn)行深度分析，并與性狀變異相關(guān)基因進(jìn)行同源對(duì)比，對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行功能分析，同時(shí)尋找與目標(biāo)基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，為水稻富硅品種的分子標(biāo)記輔助選擇提供條件，有助于豐富水稻中硅元素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配機(jī)制的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并為高硅水稻分子育種研究提供理論依據(jù)。