水稻穗發(fā)芽研究進(jìn)展

張 琪，賈俊婷，張愛霞，劉文華，陳兵先

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物基因研究中心/廣東省農(nóng)作物種質(zhì)資源保存與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

種子休眠和萌發(fā)是植物適應(yīng)外界環(huán)境并確保其生存與繁衍的重要特性。農(nóng)作物在馴化過程中，由于更多考慮高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病蟲、耐逆境等栽培性狀，同時保證在播種時種子具有一致的萌發(fā)特性，而常常忽視對種子適度休眠的保留，從而導(dǎo)致許多禾本科作物發(fā)生穗發(fā)芽現(xiàn)象。穗發(fā)芽也稱穗萌（pre-harvest sprouting），是一些禾谷類作物成熟后期遇到連續(xù)高溫、陰雨氣候時在穗上萌發(fā)的現(xiàn)象。近年來，隨著全球氣候變暖，作物成熟后期的陰雨天氣導(dǎo)致穗發(fā)芽災(zāi)害頻繁發(fā)生。據(jù)報道，穗發(fā)芽直接造成的小麥平均年損失超過10億美元［1］。我國長江中下游和黃淮地區(qū)等冬小麥主產(chǎn)區(qū)在2013、2015、2016 年均遭受嚴(yán)重的穗發(fā)芽災(zāi)害［2］。2016、2020 年，受臺風(fēng)影響，江浙地區(qū)水稻、玉米等也爆發(fā)大面積穗發(fā)芽，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。穗發(fā)芽不僅導(dǎo)致作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降，也嚴(yán)重影響作物制種質(zhì)量。

水稻是我國重要的糧食作物，水稻種子及其產(chǎn)量是保證我國糧食安全的關(guān)鍵所在。在我國南方稻區(qū)，常規(guī)稻約有6%的播種面積出現(xiàn)穗發(fā)芽，雜交稻制種過程中因赤霉素的施用，加上親本不育系所特有的種子休眠性淺、易裂穎的特點(diǎn)，穗發(fā)芽率可高達(dá)20%，在雨量充沛的特殊年份和區(qū)域穗芽率更高［3］。隨著近年來極端天氣頻發(fā)，水稻穗發(fā)芽現(xiàn)象已呈現(xiàn)普遍遞增的態(tài)勢，全國多個水稻種植區(qū)均有穗發(fā)芽現(xiàn)象（圖1），即使在黑龍江寒帶水稻生產(chǎn)區(qū)，穗發(fā)芽也呈現(xiàn)上升勢頭。

圖1 水 稻穗發(fā)芽現(xiàn)象Fig.1 Phenomenon of rice sprouting

穗發(fā)芽的水稻種子基本喪失種用價值，而對于尚未出現(xiàn)穗萌者，其籽粒內(nèi)部其實(shí)已經(jīng)開始營養(yǎng)物質(zhì)的動員，在貯藏過程中更易發(fā)生劣變，種子活力迅速下降，嚴(yán)重影響播種質(zhì)量和加工品質(zhì)［4-5］。因此，探討穗發(fā)芽發(fā)生的生理與分子機(jī)理，研發(fā)有效防控水稻穗發(fā)芽的措施一直是國內(nèi)外種子生物學(xué)家研究的重點(diǎn)。國際上1975 年已開始舉辦國際谷物穗發(fā)芽會議，但當(dāng)前對于水稻穗發(fā)芽機(jī)理的認(rèn)識仍十分有限，水稻生產(chǎn)上仍缺乏安全、高效的穗發(fā)芽防控技術(shù)。本文從水稻穗發(fā)芽的生理基礎(chǔ)、穗發(fā)芽數(shù)量性狀位點(diǎn)、關(guān)鍵功能基因、防控穗發(fā)芽措施以及水稻穗發(fā)芽和種子休眠研究的展望等多方面進(jìn)行探討，以期為開展水稻穗發(fā)芽作用機(jī)制研究以及利用遺傳改良培育抗穗發(fā)芽水稻新品種提供參考。

1 水稻穗發(fā)芽的生理基礎(chǔ)

1.1 種子萌發(fā)、種子休眠與穗發(fā)芽的關(guān)系

種子萌發(fā)是植物生命周期的起點(diǎn)，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中決定作物產(chǎn)量的關(guān)鍵過程。種子休眠是植物應(yīng)對自然環(huán)境而獲得的自我保護(hù)性的適應(yīng)性特征，也是谷類作物的一個重要農(nóng)藝性狀。休眠狀態(tài)的種子可確保自身度過惡劣的環(huán)境，直到環(huán)境條件達(dá)到理想狀態(tài)時才開始萌發(fā)［6］。種子休眠是一個復(fù)雜的特征，受多種內(nèi)源和外部變量的影響，涉及一系列復(fù)雜的生理和生化過程，被認(rèn)為是種子生物學(xué)中認(rèn)知最少的領(lǐng)域。對于農(nóng)作物而言，種子過度休眠會導(dǎo)致該作物無法正常按季節(jié)栽培，雜草叢生，而休眠不足又會造成作物提前獲得萌發(fā)特性，出現(xiàn)種子在穗上就開始發(fā)芽的現(xiàn)象。穗發(fā)芽促進(jìn)胚乳中的淀粉水解，從而降低粒重，也為腐生真菌創(chuàng)造有利環(huán)境［7］。植物激素脫落酸（ABA）和赤霉素（GA）是拮抗調(diào)控多種植物種子休眠、萌發(fā)和穗發(fā)芽的主要內(nèi)源調(diào)節(jié)因子。乙烯、一氧化氮、油菜素內(nèi)酯、光、溫度和其他外界環(huán)境因素都在種子休眠和萌發(fā)中發(fā)揮主要作用。

1.2 種子含水量與穗發(fā)芽

成熟脫水是正常型種子發(fā)育成熟的末端事件，是種子生理成熟的標(biāo)志之一［4,8］。對于易穗萌水稻而言，其種子在成熟后期并不發(fā)生脫水干燥，種胚含水量保持在較高水平，這也證實(shí)了Bewley 等［6］所提出的成熟脫水對于種子萌發(fā)能力的獲得并非必需過程的觀點(diǎn)。吸水是種子萌發(fā)的先決條件，充足的吸水量才能保證胚根突破種皮完成萌發(fā)［9］。種子萌發(fā)吸水過程可分3 個階段，首先是快速的物理吸脹階段，此階段新陳代謝較弱，活的或死亡的種子都可能發(fā)生；其次為吸水停滯階段（或平臺期），此時種子中的基質(zhì)已完全水化，但液泡和新的原生質(zhì)尚未形成；經(jīng)過一段時間的吸水停滯期之后，再次進(jìn)入快速吸水期，在此期間儲存的物質(zhì)被動員起來，轉(zhuǎn)錄和翻譯大幅上調(diào)，DNA 合成和細(xì)胞分裂增加，細(xì)胞呼吸能力增強(qiáng)［6］。田間條件下，當(dāng)喪失脫水干燥能力的稻穗遇到高溫高濕天氣時，穗發(fā)芽就會變本加厲［10］。事實(shí)上，一些抗穗萌水稻品種在遇到連續(xù)陰雨高溫天氣時也會發(fā)生一定程度的穗萌現(xiàn)象，可見高含水量不僅是種子正常萌發(fā)的先決條件，也是水稻穗發(fā)芽的必備條件。

1.3 水解酶活性與穗發(fā)芽

水解酶活性在水稻穗發(fā)芽過程中同樣發(fā)揮重要作用。與抗穗萌品種相比，易穗萌的水稻品種在生育后期的籽粒內(nèi)一直保持高濃度的可溶性糖，它們主要由籽粒內(nèi)淀粉酶水解淀粉所致，以便為穗發(fā)芽提供能量［11］。Lee 等［12］發(fā)現(xiàn)，水稻在灌漿后期逐漸獲得發(fā)芽的潛力，高濕條件可使超過50%的水稻發(fā)生穗發(fā)芽，這是由于灌漿時遭遇高溫后，淀粉合成酶活性降低，導(dǎo)致籽粒直鏈淀粉含量低，游離糖含量高，淀粉結(jié)晶度低，吸水快，穗發(fā)芽發(fā)生率高；未發(fā)芽的種子也會在干燥脫水后生活力迅速下降，種子壽命大大縮減。王娟等［13］研究發(fā)現(xiàn)，易穗萌的雜交稻在制種過程中表現(xiàn)出較高的α-淀粉酶和半胱氨酸蛋白酶活性以及高含量的可溶性糖和低含量的可溶性蛋白。有報道稱丁香酚可通過顯著降低α-淀粉酶活性而抑制雜交水稻種子的萌發(fā)和收獲前穗發(fā)芽［14］。除淀粉酶外，一些細(xì)胞壁水解酶也參與水稻萌發(fā)的過程，比如β-甘露聚糖酶和β-半乳糖苷酶在萌發(fā)的種子的糊粉層、盾片、胚根等組織表達(dá)［15-17］。由于種子正常萌發(fā)與穗萌機(jī)制存在差異性，故水解酶活性是否在穗發(fā)芽過程發(fā)揮作用目前仍有待進(jìn)一步研究。

1.4 植物激素與穗發(fā)芽

植物激素在調(diào)控水稻休眠和萌發(fā)中發(fā)揮重要作用，對于穗發(fā)芽調(diào)控也非常重要。A BA 含量在抽穗后5～15 d 達(dá)到峰值，之后隨著灌漿進(jìn)行而下降［6］。在高溫高濕的穗發(fā)芽環(huán)境下，發(fā)育后期的種胚內(nèi)ABA 含量逐漸下降，而其他激素的含量變化則不顯著［6］。本研究團(tuán)隊(duì)在水稻黃熟期噴施10 μmol/L ABA 可有效抑制穗發(fā)芽，即使在易穗萌環(huán)境下其穗發(fā)芽率依然很低。Chen 等［18］從眾多種子萌發(fā)抑制物質(zhì)中篩選出香豆素可有效抑制水稻種子萌發(fā)和穗發(fā)芽，其機(jī)制是通過下調(diào)OsABA8’ox 基因表達(dá)，降低ABA 分解速度，提高種胚內(nèi)ABA 含量實(shí)現(xiàn)的。因此，在生理層面，較之于其他激素，水稻籽粒內(nèi) ABA 的水平及其敏感性或許與穗發(fā)芽的關(guān)系更為密切。除ABA 外，GA 含量以及ABA 與GA 的比率也是調(diào)節(jié)穗發(fā)芽的關(guān)鍵因素［19］。水稻大田制種過程中，噴施“920”（主要成分為GA）量大的田塊更容易發(fā)生穗發(fā)芽［20］。

1.5 穗部特征與穗發(fā)芽

水稻、小麥等禾谷類作物穗發(fā)芽與穗部結(jié)構(gòu)如穗型的大小、密度、穗下垂程度和穎殼的堅(jiān)韌度等因素存在一定的相關(guān)性，大穗、穎殼堅(jiān)韌、穗枝梗挺拔、著粒密度小的品種不易穗發(fā)芽；反之，較易穗發(fā)芽［21-22］。Mares 等［23］研究發(fā)現(xiàn)，穗部的芒對于穗發(fā)芽影響較大，芒較長和芒角較寬的籽粒比芒短者更容易穗發(fā)芽，這很可能是由于芒增加了小穗的吸水性能和延長水分在籽粒上的停滯時間所致。徐保欽等［24］發(fā)現(xiàn)去除稃殼的雙親及F1種子與未去除稃殼者相比，其休眠指數(shù)大幅度下降,更易出現(xiàn)穗發(fā)芽表型。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，易穗發(fā)芽的水稻品種的籽粒穎殼外表面細(xì)胞排列疏松，茸毛較多且孔洞大，這種結(jié)構(gòu)利于種子的透水性和透氣性，從而易萌發(fā)。不易穗發(fā)芽的品種，其穎殼背面細(xì)胞排列緊密，細(xì)胞間隙較小，茸毛少、孔洞小，不利于種子透水、透氣［25］。一般認(rèn)為，種皮顏色更深的品種具有更強(qiáng)的休眠特性，不易穗發(fā)芽，比如白粒小麥比紅粒小麥在種皮結(jié)構(gòu)上更為松散，更易從外界吸水，發(fā)生穗發(fā)芽［26］。此外，水稻的穎殼、種皮、胚乳和胚中存在大量的發(fā)芽抑制物，主要有ABA、有機(jī)酸、酚類、醛類等，這些物質(zhì)的含量影響種子休眠和穗發(fā)芽程度［27］。

2 水稻穗發(fā)芽相關(guān)QTL

水稻穗發(fā)芽的研究始于20 世紀(jì)50 年代，學(xué)者們利用正向遺傳學(xué)克隆穗發(fā)芽相關(guān)QTL 位點(diǎn)，挖掘基因，解析遺傳機(jī)制，以期為培育具有穗發(fā)芽抗性的品種提供分子理論依據(jù)［28］。分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展為定位控制種子休眠性、穗發(fā)芽等數(shù)量性狀位點(diǎn)、研究某一基因的“劑量效應(yīng)”和解析每一個基因位點(diǎn)對環(huán)境的敏感性等方面提供可能［29］。目前所定位的水稻穗發(fā)芽相關(guān)QTL 如表1 所示。當(dāng)前已經(jīng)在水稻中建立了種子休眠和果皮顏色之間的聯(lián)系，紅粒品種對收獲前發(fā)芽表現(xiàn)出更強(qiáng)的抵抗力。通過遺傳研究，發(fā)現(xiàn)兩個影響水稻紅粒的基因座，其中一個編碼螺旋-環(huán)-螺旋的轉(zhuǎn)錄因子，該基因座引入白粒水稻時，會導(dǎo)致休眠增強(qiáng)［30-31］；一個在種子發(fā)育早期影響ABA 和類黃酮產(chǎn)生的多效基因被證明影響種皮誘導(dǎo)的休眠，而后者與下表皮的果皮顏色有關(guān)［32］。Dong 等［33］將粳稻品種Asominori和秈稻品種IR24 為親本構(gòu)建重組自交系，檢測到6 個和水稻穗發(fā)芽性狀相關(guān)的QTL，貢獻(xiàn)率為10.7%～25.3%。在秈稻156 和谷梅2 號構(gòu)建的305個重組自交系中，有11 個與穗芽指數(shù)、穗芽速率、穗芽率相關(guān)QTL 被檢測到［34］。Gao 等［35］以秈稻保持系骨干親本崗G46B 和保持系K81 為親本構(gòu)建的F2群體，共檢測到3 個和穗發(fā)芽性狀相關(guān)的QTL 。Mizuno 等［38］、楊錕等［41］構(gòu)建的染色體片段置換系中，在第9 染色體上檢測到2 個與穗發(fā)芽相關(guān)的QTL，為qSDR9.1和qSDR9.2。羅正良等［42］在水稻第8 染色體上定位到一個抗水稻穗發(fā)芽的主效QTLqPSR8。

表1 水稻種子穗發(fā)芽相關(guān)QTLTable 1 QTL for pre-harvest sprouting-related traits in rice

一些學(xué)者從種子休眠性狀考慮穗發(fā)芽問題，定位了一些與水稻休眠相關(guān)的QTL。從2000 年開始陸續(xù)有200 多個與水稻種子休眠相關(guān)的QTL被定位［41］，Sdr1是第一個被精細(xì)定位的控制種子休眠的QTL，與控制水稻抽穗期的QTLHd8均定位在第3 染色體上，兩個基因緊密連鎖［43］。Mizuno 等［38］、Gu 等［44］用雜草稻SS18-2 和育種家系EM 93-1 構(gòu)建BC1 群體，檢測到6 個與種子休眠性相關(guān)的QTL，其中在第12 染色體上有一個主效QTLqSD12精細(xì)定位于75 kb 的區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間共有9 個候選基因，其中PIL5和bHLH最有可能是目的基因。

3 水稻穗發(fā)芽相關(guān)基因

3.1 調(diào)控穗發(fā)芽的植物激素相關(guān)基因

目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，種子休眠不充分或者休眠喪失是作物穗發(fā)芽的主要原因［5,45］。在禾谷類作物穗發(fā)芽的功能基因及其分子機(jī)制研究方面，關(guān)注最多的仍是 ABA 和GA 兩類植物激素的合成、代謝與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。在水稻中，ABA 與GA 比率是調(diào)控種子休眠決定穗發(fā)芽的關(guān)鍵。在多種植物中，ABA 信號通路的主要關(guān)鍵基因被逐漸發(fā)掘，如小麥中的TaMFT和TaPHS1［46］，擬南芥中的ABI3、DOG1和LEC2［47］，玉米中的VP1［48］，水稻中的Sdr4、OsDSG1、OsAB13、OsAB15、PHS8、PHS9、OsNCED3、OsVP1、OsPDS、β-OsLCY、OsFbx352、OsMFT2、OsZDS和OsCRTISO［49］，這些基因與ABA 的生物合成、感知、分解代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)，它們在控制種子休眠和穗發(fā)芽中起重要作用。在GA 生物合成過程中催化級聯(lián)反應(yīng)的關(guān)鍵酶如GA3-氧化酶（GA3ox）和GA20-氧化酶（GA20ox）已在水稻、小麥、擬南芥和大麥中被鑒定［50-51］。然而，這些基因具體的調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。Nelson 等［52］比較了GA信號途徑突變體sly1-2和野生型的轉(zhuǎn)錄組差異，發(fā)現(xiàn)突變體種子中存在大量與休眠相關(guān)的轉(zhuǎn)錄本。相比之下，ABA 代謝與信號途徑的關(guān)鍵基因則更多應(yīng)用于解決穗發(fā)芽問題。如過表達(dá)ABA 合成基因NCED可使種子發(fā)生過度休眠，穗發(fā)芽受到抑制［53］。玉米ABA 突變體vp2、vp5、vp7、w3、y3和y9中ABA 前體-類胡蘿卜素合成受阻而導(dǎo)致成熟種子中ABA 含量下降，出現(xiàn)穗發(fā)芽表型［54］。此外，ABA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對于調(diào)控穗發(fā)芽同樣至關(guān)重要，陸續(xù)有 PP2C、SnRK、ABI3、ABI4、ABI5 等相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子也逐漸被證實(shí)在調(diào)控種子休眠、萌發(fā)和穗發(fā)芽中發(fā)揮決定性作用［55-57］。對于水稻而言，ABA 生物合成基因OsABA1（NCED）突變后導(dǎo)致 ABA 合成受阻，成熟期種子的ABA 含量減少，出現(xiàn)強(qiáng)烈的穗發(fā)芽表型［1,58］。Fan等［59］發(fā)現(xiàn)在水稻易穗萌品種中，OsVP1（ABI3）基因的大部分轉(zhuǎn)錄本在外顯子區(qū)域發(fā)生了錯誤剪切，從而不能編碼正常有功能的蛋白，而抗穗萌品種中該基因只有少量比例的轉(zhuǎn)錄本發(fā)生錯誤剪切。Sugimoto 等［60］克隆得到一個休眠基因Sdr4，該基因轉(zhuǎn)錄水平受OsVP1調(diào)控，所編碼的蛋白與已知功能蛋白的同源性低，推測可能為調(diào)控水稻穗發(fā)芽的特異性轉(zhuǎn)錄因子。

3.2 水稻穗發(fā)芽基因最新研究

近年來，我國科學(xué)家在水稻穗發(fā)芽分子機(jī)理研究方面取得較大突破，Du 等［61］利用圖位克隆技術(shù)獲得淀粉脫脂酶基因PHS8，發(fā)現(xiàn)突變體phs8 種子的胚乳內(nèi)糖原分解和糖積累加快，并抑制ABA 信號通路中兩個重要轉(zhuǎn)錄因子OsABAI3和OsABI5 的表達(dá)，穗出現(xiàn)早萌的表型。Liu 等［54］發(fā)現(xiàn)水稻鉬輔因子基因OsCNX6參與調(diào)控ABA 的合成，該基因在調(diào)控水稻籽粒發(fā)育、尤其是種子休眠、萌發(fā)和穗發(fā)芽控制方面中發(fā)揮重要作用。中科院儲成才課題組發(fā)現(xiàn)穗發(fā)芽基因PHS9在水稻種子胚胎發(fā)育晚期特異性表達(dá)，該基因編碼一類谷氧還蛋白，可與ABA 受體RCAR 結(jié)合，整合活性氧（ROS）信號和ABA 信號，從而調(diào)控水稻穗發(fā)芽。在江浙主栽品種淮稻5 號和武運(yùn)粳27號中敲除PHS9基因能夠顯著抑制新鮮收獲的種子萌發(fā)，表明可以通過基因編輯PHS9有效緩解水稻穗發(fā)芽［3］。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用強(qiáng)休眠的水稻品種Kasalath 和弱休眠的水稻品種日本晴構(gòu)建染色體單片段代換系，成功從Kasalath 中克隆得到一個控制水稻種子休眠的數(shù)量性狀位點(diǎn)SD6，并證實(shí)SD6 負(fù)調(diào)控水稻種子休眠，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)SD6的互作蛋白ICE2 正調(diào)控種子休眠［62］。中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所方軍課題組從分子水平上提供了種皮顏色與穗發(fā)芽抗性存在相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。發(fā)現(xiàn)紅色種皮抑制穗發(fā)芽的現(xiàn)象與OsVP1、Rc及另一個調(diào)控因子OsC1之間協(xié)同作用有關(guān)，這3 個基因通過促進(jìn)原花色素的生物合成和ABA 信號的感知，從而增強(qiáng)種子對ABA的敏感性，最終抑制穗發(fā)芽［63］。中國水稻研究所近期揭示了 SAPK10-bZIP72-AOC 通路介導(dǎo)脫落酸和茉莉酸協(xié)同作用抑制水稻種子萌發(fā)的分子機(jī)制，為改良水稻穗發(fā)芽抗性提供了重要理論依據(jù)［64］。

4 水稻穗發(fā)芽的防控

穗發(fā)芽是遺傳性狀，水稻品種的差異性、穗緊密程度以及穎殼閉合差異等特性是影響穗發(fā)芽的內(nèi)因；高溫、高濕等栽培環(huán)境是導(dǎo)致水稻穗發(fā)芽的外因。因此穗發(fā)芽防控需從內(nèi)外多個因素考慮。國內(nèi)外研究者們致力于揭示水稻穗發(fā)芽機(jī)理的同時也從未停止對穗發(fā)芽預(yù)防和控制技術(shù)的研發(fā)。

4.1 抗穗種質(zhì)資源篩選與品種培育

“綠色革命”和突破性品種的選育都離不開對優(yōu)異種質(zhì)資源的發(fā)掘［65］。我國是以水稻為主糧的農(nóng)業(yè)大國，國家種質(zhì)庫、各省級種質(zhì)庫和種質(zhì)圃保存龐大的栽培種、野生種、地方品種等水稻種質(zhì)資源。利用傳統(tǒng)資源鑒評方法結(jié)合高通量表型組學(xué)技術(shù)對海量稻種資源開展抗穗發(fā)芽鑒定，并結(jié)合常規(guī)育種、分子育種選育抗穗發(fā)芽水稻品種是解決水稻穗發(fā)芽問題的根本出路。在雜交稻抗穗發(fā)芽育種過程中，選育耐穗發(fā)芽父母本是防止雜交水稻種子穗發(fā)芽的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn)，不育系和保持系的穗發(fā)芽特性差異較大，不同穗發(fā)芽抗性的親本正反交試驗(yàn)表明，F(xiàn)1代的抗穗發(fā)芽程度偏向于母本，這種抗性甚至在F2代中也有體現(xiàn)，但相較于F1代而言，穗發(fā)芽抗性顯著下降［66］。廖泳祥等［67］利用水稻不育系易于穗發(fā)芽的D69A 和不易穗發(fā)芽的D23A 作母本分別與蜀恢527 配合制種，發(fā)現(xiàn)F1代種子中D69A/蜀恢527 組配更容易穗發(fā)芽。趙明等［68］利用 4 個IRRI 強(qiáng)休眠品種改良獲得一批強(qiáng)休眠性的保持系材料，可作為下一輪雜交中間親本材料使用。因此，在雜交水稻制種中選用抗穗發(fā)芽或具有適當(dāng)休眠特性以及抗倒伏特性的不育系作母本是從遺傳上解決水稻穗萌的根本措施。

4.2 田間栽培管理種子干燥

栽培環(huán)境對穗發(fā)芽的影響同樣至關(guān)重要。易澇田塊種植的水稻更易倒伏，倒伏后的稻穗浸水往往造成大量的穗發(fā)芽。在水稻種植過程中，應(yīng)選擇排灌方便、排水良好、陽光充足、含氮量適中的田塊種植；盡量選擇早熟品種并適當(dāng)調(diào)整播種期避開揚(yáng)花授粉期的陰雨天氣；施肥時合理控制氮、磷、鉀的比例，防止植株貪青晚熟；在黃熟至蠟熟期注意及時排水曬田、適時收割，避免惡劣天氣，防止植株倒伏。此外，也可以根據(jù)親本的休眠特性適時、適量使用赤霉素“920”。陰雨天氣時，應(yīng)適時適量噴施穗發(fā)芽抑制劑。對于已收獲的種子，應(yīng)及時脫水干燥，避免種子堆積發(fā)熱導(dǎo)致籽粒發(fā)芽和種子活力的下降。

4.3 穗發(fā)芽的化學(xué)防控

通過噴施化學(xué)物質(zhì)解決水稻穗發(fā)芽問題是當(dāng)前較為普遍的方式。馬來酰肼和丁酰肼是最早應(yīng)用于控制水稻穗發(fā)芽的有效物質(zhì)，具有較好的抑制水稻穗發(fā)芽的效果。該物質(zhì)通過降低種子的呼吸作用和內(nèi)源赤霉素的含量發(fā)揮作用。然而研究表明，二者可誘導(dǎo)染色體發(fā)生畸變，并降低種子活性，且可能具有致癌作用，因此在生產(chǎn)上逐漸被淘汰［69］。多效唑和烯效唑是植物內(nèi)源赤霉素合成的抑制劑，它們不僅可以較好抑制水稻穗萌，還能在一定程度上增加結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量［70］。目前已經(jīng)商品化的“穗萌抑制劑”的主要成分是青鮮素和延滯性有機(jī)酸，是目前抑制水稻穗發(fā)芽使用相對較多的一種抑制劑。穗萌抑制劑能有效降低種子穗發(fā)芽率，一般穗發(fā)芽能控制在5%左右，連續(xù)高溫陰雨天氣條件下，也可減少7%～29%的損失［71］。浙江大學(xué)胡晉［72］發(fā)現(xiàn)，在水稻乳熟末期至黃熟初期噴施1～2 g/kg 的丁香酚可有效抑制穗萌發(fā)；廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院陳兵先［73］應(yīng)用幾種南藥提取物，于黃熟期噴施水稻，可較好地防控穗發(fā)芽的發(fā)生，該穗萌提取物為純植物源提取物，對土壤環(huán)境無污染，且不會影響收獲后種子的正常發(fā)芽。

4.4 穗發(fā)芽的生物技術(shù)防控

基因組學(xué)輔助育種是解決收獲前穗發(fā)芽問題、提高作物產(chǎn)量較為有前途的方法之一。如前所述，鑒定抗穗發(fā)芽顯性QTL 和功能基因挖掘方面在過去20 年取得巨大進(jìn)展。隨著功能基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)的發(fā)展，將會有更多與穗發(fā)芽相關(guān)的基因被發(fā)掘。應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)手段解決水稻穗發(fā)芽問題將成為一種行之有效的方式。如在易穗發(fā)芽水稻品種中過表達(dá)OsVP1可在一定程度上抑制穗發(fā)芽現(xiàn)象，沉默該基因可誘導(dǎo)種子萌發(fā)和穗萌［74-75］；擬南芥中過表達(dá)ABA 合成基因NCED6可使種子中ABA的含量增加20 倍，成功地抑制長角果的早萌，在水稻中或可嘗試［76］。硫氧還蛋白是控制種子中多類蛋白之間二硫鍵形成的關(guān)鍵酶，將小麥α-醇溶蛋白基因啟動子連接藍(lán)色黑鴨草反義基因PTrxh轉(zhuǎn)入小麥中可有效抑制穗萌，該基因?qū)λ舅朊鹊目刂迫杂写M(jìn)一步研究［32,77］。近年來我國科學(xué)家所克隆的水稻穗發(fā)芽基因PHS1-PHS4、PHS7、PHS8、PHS9、OsCNX1和OsCNX6等均有望在水稻抗穗發(fā)芽分子育種中得以應(yīng)用［1,54,61］。

5 展望

我國豐富的水稻種質(zhì)資源蘊(yùn)含大量的寶貴基因。在長期的人工馴化選擇過程中，栽培稻不可避免地喪失或者弱化某些基因的功能。從野生稻、古老地方品種中尋找抗蟲、抗病、耐貧瘠、抗穗發(fā)芽等優(yōu)異基因并將其導(dǎo)入栽培稻中將是未來培育多抗、廣適水稻新品種的有效方式之一。建國以來，我國共開展三次全國范圍內(nèi)的農(nóng)作物種質(zhì)資源收集工作，保存大量的水稻資源，如僅廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院保存的栽培稻、野生稻資源有2 萬余份。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)、智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，綜合利用表型組學(xué)、重測序、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多組學(xué)關(guān)聯(lián)技術(shù)加大水稻種質(zhì)資源鑒評力度，挖掘調(diào)控種子休眠、穗發(fā)芽等農(nóng)藝性狀的優(yōu)異基因，并通過分子育種新型手段導(dǎo)入主栽品種將是解決水稻穗發(fā)芽問題的根本所在。

在水稻穗發(fā)芽基礎(chǔ)研究方面，ABA 和GA 是連接內(nèi)外信號的集合器，拮抗調(diào)控種子休眠和穗萌發(fā)。隨著定量遺傳學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將為揭示水稻休眠和穗發(fā)芽的分子機(jī)制提供新方法。除水稻外，在少數(shù)作物品種中已開發(fā)出關(guān)聯(lián)種子休眠和萌發(fā)的突變體文庫［1］。因此，在水稻中創(chuàng)建突變體文庫對未來的研究至關(guān)重要。此外，突變體分析以及重要基因位點(diǎn)的圖位克隆可能為水稻種子休眠提供新的信息。因此，收獲前發(fā)芽抗性的遺傳改良要求種子休眠恢復(fù)的程度不能過強(qiáng)也不能過弱［22,78］。如何將種子的休眠程度控制在一定的閾值范圍內(nèi)，既能有效控制田間穗發(fā)芽，又不影響收獲種子的休眠釋放還能促進(jìn)直播稻種子萌發(fā)，將是遺傳育種學(xué)家考慮的問題。

考慮到環(huán)境對種子休眠和萌發(fā)的重要影響，我們建議對收獲前抗穗發(fā)芽和易穗發(fā)芽水稻品種的表觀基因組信息展開研究。事實(shí)上，越來越多的研究表明，穗發(fā)芽的遺傳機(jī)制在于DNA 和組蛋白甲基化所致［79-80］。如一個DNA 甲基化RNA 依賴性基因ARGONAUTE4_9被證明在小麥穗發(fā)芽抗性機(jī)制中發(fā)揮作用［80］。然而，水稻穗發(fā)芽的表觀遺傳學(xué)機(jī)制仍不清楚。因此，破解水稻穗發(fā)芽抗性調(diào)控的表觀遺傳機(jī)理將為深入理解環(huán)境對種子休眠和萌發(fā)影響的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。此外穗發(fā)芽抗性候選基因需要通過CRISPRCas9［81］、RNAi［82］和超級農(nóng)桿菌瘤桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)化［83］等方法驗(yàn)證?？傊艚覴NA 和表觀遺傳學(xué)在內(nèi)的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控為揭示水稻穗發(fā)芽的抗性機(jī)制提供新的途徑。對穗發(fā)芽整個調(diào)控系統(tǒng)的深入研究將為設(shè)計(jì)和改良穗發(fā)芽抗性水稻新品種提供幫助。