水稻穗發(fā)育與高產(chǎn)育種

李云峰，任德勇

·導(dǎo)讀·

水稻穗發(fā)育與高產(chǎn)育種

李云峰1，任德勇2

1西南大學(xué)水稻研究所/西南大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/轉(zhuǎn)基因植物與安全控制重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716；2中國(guó)水稻研究所/水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311400

水稻是全球最重要的糧食作物之一，其穗發(fā)育對(duì)于產(chǎn)量有重大影響。穗部器官主要包括枝梗、小穗和小花；其中，枝梗屬于花序結(jié)構(gòu)，其數(shù)量、長(zhǎng)度和分布等對(duì)穗型起決定性作用，并最終決定“每穗粒數(shù)”；而小花最外輪花器官穎殼的發(fā)育也在很大程度上決定了粒型，進(jìn)而影響“千粒重”；除此之外，漿片、雌雄蕊等花器官的發(fā)育也會(huì)決定開(kāi)花習(xí)性、育性等影響“雜種優(yōu)勢(shì)”利用的性狀[1-3]。因此，剖析水稻穗部各器官起始和形成的調(diào)控機(jī)制、明確其決定相關(guān)農(nóng)藝性狀的機(jī)制，不僅具有重要理論價(jià)值，還可以指導(dǎo)高產(chǎn)育種，對(duì)保障中國(guó)糧食安全具有重要意義。水稻穗發(fā)育基因調(diào)控是一個(gè)多基因、多途徑，且有序、精密、協(xié)同的工作過(guò)程，當(dāng)前已經(jīng)克隆了許多水稻穗發(fā)育調(diào)控基因，但是，在分子機(jī)制及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)解析方面還需要進(jìn)一步完善和深入，同時(shí)基于相關(guān)基因的分子設(shè)計(jì)育種也亟待大力開(kāi)展。本專(zhuān)題展示了部分水稻穗發(fā)育調(diào)控基因的功能和分子設(shè)計(jì)研究進(jìn)展，以期為水稻高產(chǎn)育種提供理論依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

水稻稻穗即其花序，由穗軸、各級(jí)枝梗以及著生在枝梗上的小穗組成。穗中軸為主軸，即穗軸；穗軸上有穗節(jié)，每個(gè)穗節(jié)上直接著生一次枝梗；部分一次枝梗上再分生出二次枝梗，極少數(shù)二次枝梗上會(huì)再形成三次枝梗；在一次和次級(jí)枝梗上分生出小穗軸，每個(gè)小穗軸末端著生一個(gè)小穗，最終小穗中唯一一個(gè)可育的頂生小花產(chǎn)生一個(gè)籽粒。因此，水稻產(chǎn)量三要素之一的每穗粒數(shù)主要受一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)以及枝梗上小穗著生密度等穗部性狀的影響[4-5]。近年來(lái)，科學(xué)家在這些穗部性狀的遺傳基礎(chǔ)、調(diào)控基因研究等方面取得了卓越成績(jī)[3, 6-7]，但多數(shù)研究主要集中于單個(gè)功能基因的解析或應(yīng)用，對(duì)多個(gè)調(diào)控基因的組合研究比較少見(jiàn)，每穗粒數(shù)與千粒重調(diào)控基因的協(xié)同作用研究也鮮見(jiàn)報(bào)道。本專(zhuān)題論文《、和組合應(yīng)用調(diào)控水稻穗部性狀》[8]以穗型和粒型差異顯著的雙親所構(gòu)建的重組自交系為材料，對(duì)每穗粒數(shù)、一次枝梗著粒數(shù)、二次枝梗著粒數(shù)和粒型進(jìn)行QTL分析和候選基因功能鑒定，評(píng)價(jià)不同基因組合的產(chǎn)量構(gòu)成因素，并對(duì)超級(jí)稻品種SN265進(jìn)行分子設(shè)計(jì)基因編輯育種，為水稻優(yōu)勢(shì)等位基因聚合育種提供重要種質(zhì)和基因資源；揭示了、和對(duì)每穗粒數(shù)和粒型的影響，明確了//為重組自交系中最佳基因組合，并且通過(guò)改良SN265的位點(diǎn)進(jìn)一步提高了其單株產(chǎn)量。該研究不僅為水稻穗部性狀優(yōu)勢(shì)等位基因協(xié)同聚合育種提供了重要種質(zhì)、基因資源，同時(shí)也為類(lèi)似的研究起到了良好的示范作用。

在水稻穗部性狀的研究中，由于材料背景限制，通常單一雜交組合僅能鑒定到少數(shù)QTL，單個(gè)QTL貢獻(xiàn)率因試驗(yàn)材料和研究方法的不同往往表現(xiàn)出巨大差異，并且以基因克隆為目的構(gòu)建的定位群體難以直接應(yīng)用于育種。單片段代換系（single segment substitution lines，SSSL）是一種攜帶供體親本單個(gè)代換片段的染色體片段代換系，可以極大限度減少遺傳背景的干擾，是QTL鑒定及研究基因間遺傳關(guān)系的理想材料，同時(shí)鑒定到的QTL可直接應(yīng)用于育種實(shí)踐[9]。本專(zhuān)題論文《水稻CSSL-Z481代換片段攜帶的穗部性狀QTL分析及次級(jí)代換系培育》[10]以4個(gè)代換片段的優(yōu)良代換系Z481為材料，共鑒定出45個(gè)包括枝梗數(shù)、穗長(zhǎng)等水稻穗部性狀QTL，并進(jìn)一步分解出11個(gè)次級(jí)SSSL和3個(gè)雙片段代換系（dual-segment substitution lines，DSSL）。其中，15個(gè)QTL是其研究中新鑒定的QTL；用SSSL和DSSL解析水稻穗部性狀QTL的加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)的結(jié)果顯示，不同QTL聚合會(huì)產(chǎn)生不同的上位性效應(yīng)，這些遺傳信息對(duì)育種家進(jìn)行SSSL平臺(tái)的水稻分子設(shè)計(jì)育種非常必要。因而，與傳統(tǒng)用復(fù)雜統(tǒng)計(jì)軟件和初級(jí)作圖群體的QTL定位和上位性分析相比，該研究的創(chuàng)新性在于將這些穗部性狀QTL分解到相應(yīng)的單片段代換系上，這些QTL的單片段代換系遺傳背景相同，為后續(xù)無(wú)論是新穗部性狀相關(guān)基因的圖位克隆，還是系統(tǒng)的穗部性狀分子設(shè)計(jì)育種工作都提供了可靠的遺傳信息和育種材料。

水稻小花有4輪花器官，從外到內(nèi)依次由穎殼（外稃和內(nèi)稃）、漿片、雄蕊和雌蕊組成。受精后漿片和雄蕊逐漸退化，雌蕊發(fā)育成種子，最終形成一個(gè)由外層內(nèi)外稃包裹內(nèi)部米粒的水稻籽粒。在發(fā)育過(guò)程中，穎殼作為一種花器官，其原基的起始、分化和最終的器官形態(tài)建成都發(fā)生在雙受精之前，之后穎殼的大小不再發(fā)生變化，只是隨著籽粒的發(fā)育進(jìn)一步硅化、脫水、成熟。所以雙受精之前的穎殼發(fā)育在很大程度上決定籽粒形態(tài)，進(jìn)而影響稻米的產(chǎn)量與品質(zhì)形成，其發(fā)育調(diào)控機(jī)制的研究對(duì)于改善粒型、提升產(chǎn)量具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)穎殼發(fā)育影響水稻籽粒形態(tài)的基因數(shù)量龐大，它們位于多個(gè)調(diào)控途徑并且通過(guò)不同的調(diào)控方式影響穎殼細(xì)胞的分化和增殖過(guò)程，進(jìn)而決定最終籽粒形態(tài)建成[3, 7]。本專(zhuān)題論文《水稻的突變導(dǎo)致小穗外稃退化》[11]報(bào)道了2個(gè)水稻外稃退化等位突變體和，其外稃明顯變窄，不能與內(nèi)稃緊密鉤合，導(dǎo)致小花開(kāi)裂，內(nèi)輪花器官部分裸露在外，最終米粒極顯著變??；通過(guò)圖位克隆、表達(dá)模式分析等進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)編碼Dicer like（DCL）蛋白OsDCL4，通過(guò)介導(dǎo)tasiR-ARFs的合成影響了外稃近-遠(yuǎn)軸極性建立；突變使得外稃近軸面遠(yuǎn)軸化，最終影響籽粒的形態(tài)發(fā)育和產(chǎn)量形成。此研究證實(shí)了外稃的早期細(xì)胞分化過(guò)程在籽粒形態(tài)發(fā)育中的重要作用，為相關(guān)研究提供了新的角度。本專(zhuān)題另外一篇論文《水稻短寬粒基因的圖位克隆》[12]報(bào)道了一個(gè)EMS誘變的短寬粒突變體，對(duì)其穎殼進(jìn)行了詳細(xì)的表型分析，發(fā)現(xiàn)突變體穎殼縱向細(xì)胞變短是導(dǎo)致粒長(zhǎng)變短的主要原因，而粒寬增加是由于穎殼橫向細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞大小同時(shí)增加，所以對(duì)于穎殼發(fā)育在縱向和橫向上呈現(xiàn)了相反的調(diào)控方式；進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)可能調(diào)控先前已報(bào)道的粒長(zhǎng)和粒寬基因、和/等，從不同方向影響了穎殼的細(xì)胞增殖和細(xì)胞擴(kuò)展，進(jìn)而決定水稻籽粒長(zhǎng)度和寬度；編碼一個(gè)植物特異的轉(zhuǎn)錄因子，是水稻直立密穗基因的等位基因，因此，可以同時(shí)調(diào)控水稻穗型和粒型的發(fā)育，這為相關(guān)性狀的分子設(shè)計(jì)提供了寶貴的基因資源。

水稻的第2輪花器官漿片，著生于外稃的內(nèi)側(cè)，其基部一側(cè)與內(nèi)稃基部邊緣相連，與穎花開(kāi)放習(xí)性密切聯(lián)系。水稻穎花開(kāi)放閉合時(shí)間很短，一般不超過(guò)2 h，在這段時(shí)間內(nèi)，穎花要完成花絲伸長(zhǎng)、花藥開(kāi)裂、散粉、受精等一系列過(guò)程，開(kāi)閉穎過(guò)程如果受到內(nèi)、外部因素影響不能正常進(jìn)行會(huì)導(dǎo)致雙受精失敗率增加，如果是在雜交水稻制種中會(huì)導(dǎo)致父、母本花期不遇，嚴(yán)重制約雜交水稻制種效率。穎花開(kāi)、閉分別由漿片的膨脹和萎縮推動(dòng)，開(kāi)穎時(shí)，漿片細(xì)胞內(nèi)滲透物質(zhì)濃度升高，造成細(xì)胞水勢(shì)降低，漿片吸水膨大將外稃向外推開(kāi)，同時(shí)將內(nèi)稃向內(nèi)壓擠，外稃和內(nèi)稃相互分開(kāi)；閉穎時(shí)，漿片細(xì)胞內(nèi)液泡膜破裂釋放水解酶，使其胞內(nèi)細(xì)胞器膜質(zhì)解離與自溶，最終引起漿片萎縮，外稃向內(nèi)稃靠攏，穎花閉合[13-14]。先前研究初步表明，漿片中淀粉酶促進(jìn)淀粉快速水解產(chǎn)生的可溶性糖是引起水稻漿片滲透勢(shì)變化的主要物質(zhì)[14-15]，但是淀粉酶在此過(guò)程中的具體作用尚不明確。本專(zhuān)題論文《水稻α-淀粉酶基因的表達(dá)模式與穎花開(kāi)放的關(guān)系》[16]通過(guò)碘染檢測(cè)水稻小花11—14期淀粉粒分布情況變化，并通過(guò)RT-PCR、RT-qPCR和α-淀粉酶啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)報(bào)告基因分析水稻-淀粉酶在此過(guò)程時(shí)空表達(dá)模式，探究了-淀粉酶基因在穎花開(kāi)放過(guò)程中發(fā)揮功能的相關(guān)機(jī)制。結(jié)果表明，水稻穎花開(kāi)放過(guò)程中淀粉粒降解主要發(fā)生在漿片和內(nèi)外稃片相互嵌合的鉤合槽；-淀粉酶基因和在穎花開(kāi)放時(shí)表達(dá)量顯著增加，在漿片、鉤合槽和花絲中特異表達(dá)，可能與穎花開(kāi)放時(shí)淀粉降解以及漿片膨大密切相關(guān)。該研究結(jié)果有助于探明水稻開(kāi)穎過(guò)程的調(diào)控機(jī)理，為改善水稻開(kāi)花習(xí)性，同時(shí)提高雜交水稻制種效率及產(chǎn)量提高提供理論依據(jù)，對(duì)水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

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Panicle Development and High-Yield Breeding in Rice

LI YunFeng1, REN DeYong2

1Rice Research Institute, Southwest University/Academy of Agricultural Sciences, Southwest University/Chongqing Key Laboratory of Application and Safety Control of Genetically Modified Crops, Chongqing 400716;2China National Rice Research Institute/State Key Laboratory of Rice Biology, Hangzhou 311400

2023-03-01；

2023-03-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（31971919，32172044）、重慶市杰出青年基金（cstc2020jcyj-jqX0020）、重慶市英才計(jì)劃（cstc2021ycjh-bgzxm0066）

李云峰，Tel：023-68251264；E-mail：liyf1980@swu.edu.cn

（責(zé)任編輯 李莉）