宋 露，何明良，劉穎湘，卜慶云，李秀峰，王臻昱，田曉杰

(中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

水稻(OryzasativaL.)是重要的糧食作物之一，世界上一半以上的人口都以其為主食。影響水稻作物產(chǎn)量的三個(gè)要素分別是單株有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)以及千粒重。而千粒重主要由粒型和灌漿程度決定，可見粒型是一個(gè)十分重要的產(chǎn)量性狀。粒型主要由粒長、粒寬、粒厚以及長寬比所組成。在被子植物中，種子發(fā)育始于雙受精事件，即二倍體胚和三倍體胚乳的形成[1]。種皮由母體的株被發(fā)育而來，包裹著胚和胚乳[2]。這三個(gè)結(jié)構(gòu)相互交流，協(xié)調(diào)控制種子的生長和發(fā)育，從而決定種子的最終大小[2]。種子大小主要由母體和合子組織的遺傳信息所控制，同時(shí)也受到生長環(huán)境因素的影響。在擬南芥中，一些調(diào)控因子通過調(diào)控胚乳生長來調(diào)控種子的發(fā)育[3-5]，這種情況下，種子的大小取決于合子組織(胚和胚乳)的基因型，而不受控于母體組織的基因型。另外，胚乳的生長也受到與表觀遺傳修飾相關(guān)的親本效應(yīng)的影響[6]。同時(shí)，來自于母體的種皮為胚和胚乳的生長提供空間[7-9]。而水稻種子最外層的穎殼是禾本科植物特有的器官，為水稻種子的生長設(shè)置了最大的上限。在水稻中，主要通過調(diào)控穎殼細(xì)胞的發(fā)育來調(diào)控水稻的粒型，主要包括泛素-蛋白酶體途徑、G蛋白信號(hào)途徑、絲裂原激活蛋白激酶信號(hào)途徑、植物激素和轉(zhuǎn)錄因子等信號(hào)途徑。本文總結(jié)了以上幾種信號(hào)途徑的研究進(jìn)展，并重點(diǎn)闡述近年來新發(fā)現(xiàn)的幾種調(diào)控因子的遺傳和分子機(jī)制。

圖1 水稻粒型信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Signal regulatory network of rice grain size

1 泛素-蛋白酶體途徑

近年來，泛素-蛋白酶體途徑被報(bào)道能夠參與調(diào)控水稻種子的生長。GW2(GRAIN WIDTH AND WEIGHT 2)是一類RING型E3泛素連接酶，主要通過抑制水稻穎殼細(xì)胞的分裂和灌漿速率，負(fù)向調(diào)控水稻的粒寬和粒重[10]。同時(shí)，小麥和玉米的GW2同源基因也參與調(diào)控種子的大小，表明在粒型調(diào)控上，GW2在不同植物物種中具有功能保守性[11-14]。此外，最近的研究發(fā)現(xiàn)，GW2能夠與谷氧還蛋白WG1(WIDE GRAIN 1)/OsGRX8相結(jié)合，通過泛素化修飾WG1/OsGRX8降低其蛋白穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制穎殼細(xì)胞的分裂，負(fù)向調(diào)控水稻的粒寬和粒重，并建立GW2-WG1-OsbZIP47信號(hào)通路調(diào)控水稻粒寬和粒重的分子模型[15]。qSW5/GW5與GW2功能相似，通過抑制穎殼細(xì)胞的分裂，負(fù)向調(diào)控水稻的粒寬。GW5能夠結(jié)合泛素分子，因此被認(rèn)為通過泛素-蛋白酶體途徑參與調(diào)控水稻的粒型[16]。同時(shí)，遺傳學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在粒寬的調(diào)控上，GW2與GW5的功能是相互獨(dú)立的[16]。另外，HECT型E3泛素連接酶LARGE2/OsUPL2也參與調(diào)控水稻的粒型，功能缺陷型突變體large2表現(xiàn)為粒寬、穗長、每穗粒數(shù)顯著增加[17]。生化分析發(fā)現(xiàn)，LARGE2通過泛素化APO1/2降低它們的蛋白穩(wěn)定性，負(fù)向調(diào)控水稻穗型和每穗粒數(shù)，但其參與調(diào)控水稻粒型的分子機(jī)制還沒有被闡明[17]。此外，去泛素化蛋白酶WTG1/OsOTUB1也參與調(diào)控水稻的粒型，wtg1-1(wideandthickgrain1-1)突變體表現(xiàn)為粒寬、粒厚顯著增加，粒長變短；而WTG1/OsOTUB1過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻粒厚、粒重降低、粒長增加，細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)WTG1/ OsOTUB1通過調(diào)控穎殼細(xì)胞的延伸，參與調(diào)控水稻的粒型[18-19]。以上研究成果均表明，泛素-蛋白酶體途徑在水稻粒型的調(diào)控上發(fā)揮重要作用。

2 G蛋白信號(hào)途徑

G蛋白偶聯(lián)信號(hào)通路，通過膜受體和由Gα、Gβ和Gγ亞基組成的異源三聚G蛋白復(fù)合物，將信號(hào)傳遞到下游效應(yīng)器，參與調(diào)控植物的生長和發(fā)育。在擬南芥和水稻中，Gα和Gβ亞基缺陷型突變體粒長變短，說明Gα和Gβ亞基正向調(diào)控水稻的粒長[20-23]。蛋白Gγ亞基GS3(GRAIN SIZE 3)編碼一個(gè)與擬南芥AGG3同源的非典型Gγ亞基，包含一個(gè)N端的類γ結(jié)構(gòu)域和一個(gè)C端富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域，其第二外顯子單核苷酸的替換C165A導(dǎo)致翻譯提前終止，產(chǎn)生長粒，被水稻育種家廣泛應(yīng)用[24-25]。另一個(gè)等位基因編碼含有N端γ樣結(jié)構(gòu)域的截短蛋白，缺乏C端富含半胱氨酸的區(qū)域，被認(rèn)為是功能增強(qiáng)型等位基因，產(chǎn)生短粒[26]。DEP1(DENSEANDERECTPANICLE1)/qPE9(PANICLEERECTNESS)是水稻穗型的一個(gè)主效QTL基因，編碼另一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)的Gγ亞基，它包含與GS3相似的N端和C端結(jié)構(gòu)域。dep1/qpe9-1等位基因編碼一個(gè)截短的蛋白質(zhì)，包含完整的N端γ樣結(jié)構(gòu)域，和缺失大部分的C端富含半胱氨酸的區(qū)域，被認(rèn)為是功能增強(qiáng)型等位基因，導(dǎo)致穗型直立、粒型變小、粒重降低[27-29]。最近的一項(xiàng)研究表明，DEP1過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻粒型增大，而DEP1基因的缺失或敲除產(chǎn)生小粒和直立穗[30]，進(jìn)一步證實(shí)了DEP1/ qPE9正向調(diào)控水稻粒型的結(jié)論。GS3與DEP1/qPE9和GGC2(Gγ)競爭性結(jié)合RGB1(Gβ)，起著功能拮抗的作用[30]。DEP1與GGC2和RGB1相互作用正向調(diào)控水稻粒長，但GS3與DEP1和GGC2競爭性結(jié)合RGB1，從而抑制了該功能。GS3的降解受其C末端的影響，GS3的功能增強(qiáng)型等位基因編碼的蛋白質(zhì)缺少C末端，因此更穩(wěn)定，競爭性結(jié)合RGB1的能力增強(qiáng)，因而產(chǎn)生極短的籽粒。遺傳分析表明，在粒長的調(diào)控上，Gγ亞基的功能發(fā)揮依賴于RGA1(Gα)和 RGB1。RGA1 蛋白具有自激活，RGA1與RGB1-DEP1/GS3/GGC2二聚體的解離，受未知G蛋白偶聯(lián)受體介導(dǎo)的生長信號(hào)所調(diào)節(jié)，解離的RGA1和RGB1-DEP1/GGC2二聚體可能會(huì)激活未知的下游效應(yīng)子，通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞的分裂來調(diào)節(jié)水稻粒型；而GS3與DEP1/qPE9和GGC2競爭性結(jié)合RGB1，負(fù)向調(diào)控水稻種子的生長[31]。另外，MADS1被認(rèn)為是G蛋白信號(hào)的下游效應(yīng)器，參與調(diào)控水稻粒型。OsMADS1最后一個(gè)內(nèi)含子的突變，導(dǎo)致其剪接缺陷，產(chǎn)生長粒，且OsMADS1的突變等位基因在水稻馴化過程中經(jīng)歷了人工選擇[32]。DEP1和GS3能夠與細(xì)胞核中的轉(zhuǎn)錄因子MADS1相互結(jié)合，提高其轉(zhuǎn)錄活性，促進(jìn)下游基因的轉(zhuǎn)錄，從而抑制種子的生長[33]。而其他研究結(jié)果表明GS3與DEP1的功能相反[30]，因此對(duì)于這一結(jié)果存在較大爭議，還需進(jìn)一步研究和分析。此外，Gγ亞基RGG1和RGG2能夠抑制水稻種子的生長，而RGG2功能缺陷型突變體促進(jìn)了水稻種子的生長[33-34]。不同Gβ和Gγ亞基間的組合，在水稻粒型的調(diào)控上發(fā)揮著不同的生物功能，如RGB1/DEP1 和 RGB1/GGC2的二聚體能夠促進(jìn)水稻種子的生長[30]，而RGB1/RGG1和RGB1/RGG2的二聚體抑制了水稻種子的生長。未來的研究還需進(jìn)一步挖掘更多的G蛋白復(fù)合物的上游信號(hào)元件、受體和下游效應(yīng)器，以完善G蛋白信號(hào)途徑調(diào)控水稻粒型的分子網(wǎng)絡(luò)。

3 MAPK信號(hào)途徑

植物絲裂原激活蛋白激酶MAPK(Mitogen activated protein kinases)信號(hào)途徑，在多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮重要功能，包括激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、粒型調(diào)控以及脅迫響應(yīng)等[35-36]。MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)途徑一般包括三個(gè)以上的激酶，即MAPKs、MAPKKs(MAPK kinases)和MAPKKKs(MAPKK kinases)。SMG1(Small Grain 1)編碼MAPK激酶OsMAPKK4，smg1突變體由于穎殼細(xì)胞分裂能力下降，形成小粒[37]。同樣，OsMAPK6突變體dsg1(dwarf and small grain 1)也是由于穎殼細(xì)胞分裂能力下降，粒型變?。磺襉sMAPKK4與OsMAPK6能夠相互結(jié)合，OsMAPK6是OsMAPKK4的磷酸化底物[38]。此外，OsMAPKKK10功能缺陷型突變體smg2-1(smallgrain2-1)穎殼細(xì)胞分裂能力下降，導(dǎo)致粒型變?。欢M成型激活的OsMAPKKK10轉(zhuǎn)基因水稻，穎殼細(xì)胞分裂能力顯著提高，粒型變大[39]。OsMAPKKK10通過有序的磷酸化OsMAPKK4和OsMAPK6激活他們的激酶活性，正向調(diào)控水稻粒型[39]。而受體類似蛋白激酶OsER1(ERECTA 1)的突變體oser1表現(xiàn)為粒長增加、粒寬降低、每穗粒數(shù)顯著增加的表型。遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，OsER1作用于OsMAPKKK10-OsMAPKK4-OsMAPK6級(jí)聯(lián)信號(hào)通路的上游，負(fù)向調(diào)控水稻的每穗粒數(shù)[40]，但其參與調(diào)控水稻粒型的分子機(jī)制還沒有被闡明。另外，OsMKP1(MAPK phosphatase 1)是MAPK信號(hào)的負(fù)調(diào)控因子，它通過使MAPK6發(fā)生去磷酸化作用，抑制其激酶活性，負(fù)向調(diào)控水稻種子的生長。OsMKP1功能缺陷型突變體，通過提高穎殼細(xì)胞的分裂能力，使其粒長、粒寬顯著增加[39,41]；而OsMKP1過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻，由于穎殼細(xì)胞分裂能力降低，產(chǎn)生較小的種子。因此，MAPK6活性對(duì)于水稻粒型的調(diào)控起著非常重要的作用[39,41]。最近，水稻轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY53被報(bào)道是OsMAPKKK10-OsMAPKK4-OsMAPK6級(jí)聯(lián)信號(hào)通路的下游靶基因，參與調(diào)控水稻種子的生長[42-43]。OsWRKY53是OsMAPK6的磷酸化底物，OsMAPK6通過磷酸化OsWRKY53提高其生物功能[42]。OsWRKY53過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻穎殼細(xì)胞延伸和分裂能力顯著提高，使得粒長、粒寬顯著增加，相反的，oswrky53突變體穎殼細(xì)胞延伸和分裂能力都顯著降低，因而種子變小[43]。雖然OsMAPKKK10-OsMAPKK4-OsMAPK6信號(hào)通路主要通過調(diào)控穎殼細(xì)胞的分裂來調(diào)節(jié)種子的生長，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，OsMAPK6組成型過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻粒型增大主要是由于穎殼細(xì)胞延伸能力提高所致，說明OsMAPK6主要調(diào)控細(xì)胞分裂，但在細(xì)胞延伸上也有一定的調(diào)控作用[43]。因此，OsWRKY53作為OsMAPKKK10-OsMAPKK4-OsMAPK6的微效靶基因參與調(diào)控水稻粒型的分子模型是成立的。

4 激素信號(hào)途徑

植物激素在植物的生長、發(fā)育、脅迫響應(yīng)以及代謝過程中發(fā)揮著十分重要的功能，油菜素內(nèi)酯(Brassinosteroids)和生長素(Auxin)主要通過調(diào)控水稻穎殼的發(fā)育來調(diào)控種子大小。

在水稻和擬南芥中，BR功能缺陷型突變體和不敏感突變體形成較小的粒型，說明油菜素內(nèi)酯能夠促進(jìn)種子的生長[44-49]。GS5是一個(gè)主要的粒型QTL基因，編碼絲氨酸羧肽酶，通過調(diào)控穎殼細(xì)胞的分裂和延伸來調(diào)控種子的生長；GS5結(jié)合并抑制OsBAK1-7的內(nèi)吞作用，正向調(diào)控BR信號(hào)和水稻粒型[31,50]。水稻OsPPKL1蛋白與擬南芥BSU1具有很高的序列同源性，參與調(diào)控細(xì)胞的伸長、分裂以及BR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。OsPPKL1由一個(gè)粒長QTL基因qGL3/GL3.1所編碼，OsPPKL1通過抑制穎殼細(xì)胞的擴(kuò)增負(fù)向調(diào)控水稻粒型[51]。qgl3突變體在OsPPKL1的kelch結(jié)構(gòu)域中發(fā)生了一個(gè)單堿基的替換，即364位的天冬氨酸突變成谷氨酸，導(dǎo)致粒長變長，作物產(chǎn)量提高[31]。OsPPKL1通過與細(xì)胞周期相關(guān)蛋白Cyclin-T1;3相結(jié)合，使其發(fā)生去磷酸化作用，抑制其表達(dá)，從而抑制粒長的生長。此外，近期的報(bào)道發(fā)現(xiàn)，qGL3/OsPPKL1還能夠與GSK3/SHAGGY類似蛋白激酶OsGSK3相互作用，參與調(diào)控BR信號(hào)和水稻粒型。qGL3/OsPPKL1通過去磷酸化OsGSK3，提高其蛋白穩(wěn)定性，負(fù)向調(diào)控水稻粒長和BR信號(hào)[52]。有意思的是，OsPPKL1 和 OsPPKL3負(fù)向調(diào)控水稻的粒長的生長，而OsPPKL2正向調(diào)控水稻粒長的生長[51]。另外，水稻BR受體OsBRI1也能參與對(duì)水稻粒型的調(diào)控，OsBRI1功能缺陷型突變體d61-1和d61-2，粒型顯著變小，但其參與調(diào)控粒型的分子機(jī)制尚不清楚[53]。水稻GSK3/SHAGGY類似蛋白激酶OsGSK2是擬南芥BIN2的同源基因，組成型激活的OsGSK2轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)生較小的種子，而OsGSK2RNA干擾轉(zhuǎn)基因水稻產(chǎn)生較大的種子[54]。OsGSK2通過與多個(gè)底物蛋白相互結(jié)合，參與調(diào)控水稻的粒型。首先，OsGSK2直接與轉(zhuǎn)錄激活子GS2(GRAIN SIZE 2)/OsGRF4(GROWTH-REGULATING FACTOR 4)結(jié)合抑制其活性，說明OsGSK2可能通過OsGRF4-GRF-OsGIFs(INTERACTING FACTORs)調(diào)控模型參與調(diào)控水稻粒型[31]。其次，OsGSK2可調(diào)節(jié)GS9(GRAIN SHAPE GENE ON CHROMOSOME 9)的轉(zhuǎn)錄活性。GS9 是一種轉(zhuǎn)錄激活子，與OsOFP8和OsOFP14形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，通過調(diào)控穎殼細(xì)胞的分裂，參與調(diào)節(jié)水稻種子的生長，OsOFP8 能夠抑制GS9的轉(zhuǎn)錄活性，而OsGSK2能夠減弱這種抑制作用[55]。另外，OsGSK2通過磷酸化GRAS家族蛋白DLT(DWARF ANDLOW-TILLERING)介導(dǎo)調(diào)控BR信號(hào)和水稻粒型，DLT過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻表現(xiàn)為粒長增加、粒寬和粒厚顯著降低的表型[54,56-57]。此外，OsGSK2還通過磷酸化LARGE1/OML4(MEI2-LIKE PROTEIN4)提高其蛋白穩(wěn)定性，負(fù)向調(diào)控水稻的粒型和粒重。OML4功能缺陷型突變體粒型增大、粒重增加；而OML4過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻粒型變小、粒重降低，OML4通過抑制穎殼細(xì)胞的延伸來負(fù)向調(diào)控水稻種子的生長[58]。

最近，水稻轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY53被報(bào)道是OsGSK2的一個(gè)新的靶基因，OsGSK2通過磷酸化OsWRKY53降低其蛋白穩(wěn)定性，負(fù)向調(diào)控水稻種子的生長。oswrky53能夠部分抑制OsGSK2-RNAi粒型增大的表型 ，且二者主要通過調(diào)控穎殼細(xì)胞的延伸來調(diào)控水稻種子的生長[43]。此外，OsGSK2還能夠通過磷酸化MAPKK4，抑制其激酶活性，參與調(diào)控水稻的粒型，但二者之間的遺傳關(guān)系及調(diào)控機(jī)制尚不清楚[43]。另外，近年的報(bào)道發(fā)現(xiàn)，qSW5/GW5通過結(jié)合并抑制GSK2的激酶活性，使去磷酸化形式的BZR1和DLT在細(xì)胞核內(nèi)大量積累，正向調(diào)控水稻的粒寬和粒重[59]。而GSE5是qSW5/GW5相應(yīng)基因座號(hào)下的另一開放閱讀框，編碼鈣調(diào)素結(jié)合蛋白，通過抑制水稻穎殼細(xì)胞的分裂，負(fù)向調(diào)控水稻的粒寬。GSE5/GW5啟動(dòng)子區(qū)的自然變異，為水稻的粒型多樣性做出貢獻(xiàn)。與窄粒秈稻品種相比，大多數(shù)寬粒秈稻品種在GSE5/GW5啟動(dòng)子中具有950 bp的缺失(DEL1)，而大多數(shù)粳稻品種具有1 212 bp的缺失(DEL2)，這些缺失導(dǎo)致GSE5/GW5表達(dá)量降低，促進(jìn)了穎殼細(xì)胞的分裂，使粒寬和粒重增加。相比之下，GSE5/GW5的過量表達(dá)產(chǎn)生了窄粒。DEL1和DEL2等位基因分別廣泛應(yīng)用于秈稻和粳稻的育種[60]。生長素信號(hào)被Aux/IAA(Auxin/INDOLE-3-ACETIC ACID)轉(zhuǎn)錄抑制子和ARF(AUXIN RESPONSE FACTOR)轉(zhuǎn)錄因子所介導(dǎo)[61]。OsSK41(SHAGGY-like kinase 41)/OsGSK5與OsARF4相互作用，參與調(diào)控水稻的粒型和粒重[62]。OsSK41/OsGSK5由粒重主效QTLqTGW3/GL3.3所編碼[62-64]，OsSK41可以磷酸化OsARF4，通過抑制穎殼細(xì)胞的延伸，負(fù)向調(diào)控水稻的粒寬和粒重，二者的功能缺陷型突變體均表現(xiàn)為粒型增大、粒重增加。由于OsSK41和OsARF4能夠調(diào)控生長素響應(yīng)基因的表達(dá)，表明OsSK41和OsARF4可能通過調(diào)控生長素信號(hào)來調(diào)控水稻粒型。另外，生長素運(yùn)輸也參與調(diào)控水稻的粒型，BG1(BIG GRAIN 1)是一個(gè)膜定位蛋白，在水稻莖的維管組織和幼穗中表達(dá)量較高。功能獲得型突變體bg1-D，表現(xiàn)為生長素向基質(zhì)運(yùn)輸增加、生長素分布改變和超大粒型，細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)bg1-D穎殼細(xì)胞分裂能力和延伸能力均顯提高[65]。此外，中央細(xì)胞的受精作用導(dǎo)致生長素的產(chǎn)生，生長素被輸出到母體組織中以促進(jìn)種皮的發(fā)育，合子組織缺陷性生長素輸出也會(huì)影響母體組織的生長和種子的大小[66]。

5 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控途徑

轉(zhuǎn)錄調(diào)控在植物的生長、發(fā)育過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前，有多個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子參與調(diào)控水稻種子的生長，包括轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄共激活因子以及參與染色質(zhì)修飾的調(diào)控因子。GLW7(GRAINLENGTHANDWEIGHTONCHROMOSOME7)是一個(gè)粒型的主效QTL，編碼OsSPL13基因[67]。OsSPL13通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞的延伸，正向調(diào)控水稻粒型。OsSPL13能夠結(jié)合到SRS5啟動(dòng)子上促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄，SRS5突變體粒長變短，而SRS5過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻粒長變長[68]。GW8是粒寬的主效QTL，編碼OsSPL16基因，OsSPL16通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞的分裂正向調(diào)控水稻粒型[69]。GW7(GRAINWIDTH7)/GL7(GRAINLENGTHONCHROMOSOME7)/SLG7(SLENDERGRAINONCHROMOMSOME7)是水稻粒型的另一主效QTL，其啟動(dòng)子區(qū)的突變，導(dǎo)致GW7/GL7/SLG7高表達(dá)，產(chǎn)生窄且長的粒，這一有益基因也被廣泛應(yīng)用于水稻育種[70]。OsSPL16可直接結(jié)合到GW7/GL7/SLG7啟動(dòng)子上抑制其表達(dá)[70]，二者可能在同一遺傳通路上調(diào)控水稻粒型。有研究發(fā)現(xiàn)GW7/GL7/SLG7分別通過促進(jìn)和抑制粒長和粒寬方向上穎殼細(xì)胞的分裂，參與調(diào)控水稻粒型[70]。相反的，另一研究發(fā)現(xiàn)GW7/GL7/SLG7分別通過促進(jìn)和抑制粒長和粒寬方向上穎殼細(xì)胞的延伸來調(diào)控水稻粒型[71]。對(duì)GW7/GL7/SLG7和OsSPL16相關(guān)突變體的種子進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)胞學(xué)分析，可能有助于解決這一問題。GS2/GL2(GRAIN-LENGTH-ASSOCIATED2)/PT2(GLW2/PANICLETRAITS2)是也水稻粒型的主效QTL，編碼轉(zhuǎn)錄因子OsGRF4基因，主要通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞的延伸和分裂，正向調(diào)控水稻的粒型[72-76]。OsmiR396能夠與OsGRF4結(jié)合并抑制其表達(dá)，將OsGRF4中OsmiR396的靶點(diǎn)突變后，水稻粒型顯著增大。此外，OsGRF4還能夠與共激活轉(zhuǎn)錄因子OsGIF1/2/3相結(jié)合，OsGIF1過表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株形成大粒[72-73,75,77]。因此，OsmiR396-OsGRF4-OsGIFs模型在水稻粒型的調(diào)控上發(fā)揮重要作用。AP2型轉(zhuǎn)錄因子SMOS1(SMALL ORGAN SIZE 1)作為生長素依賴的調(diào)控因子，通過直接調(diào)控細(xì)胞延伸調(diào)控基因OsPHI-1(PHOSPHATE-INDUCEDPROTEIN 1)的表達(dá)參與調(diào)控水稻粒型[78]。而近期的研究發(fā)現(xiàn)，SMOS1可以與DLT形成復(fù)合物，調(diào)控BR信號(hào)反應(yīng)和水稻粒型，表明SMOS1介導(dǎo)了生長素和BR之間的信號(hào)交流[54,79]。堿性螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子An-1(Awn-1)參與調(diào)控水稻芒和粒長的發(fā)育，An-1上調(diào)表達(dá)后產(chǎn)生較長的芒和粒長，而An-1RNA干擾轉(zhuǎn)基因水稻的芒和粒長顯著變短，An-1主要通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞的分裂參與調(diào)節(jié)水稻的粒型[80]。此外，粒型QTL基因GW6a(GRAINWEIGHTONCHROMOSOME6a)編碼組蛋白H4乙?；D(zhuǎn)移酶OsglHAT1。OsglHAT1通過促進(jìn)穎殼細(xì)胞的分裂，正向調(diào)控水稻粒型[81]。由于OsglHAT1影響了組蛋白H4的整體乙酰化水平，說明染色體修飾也參與調(diào)控水稻的粒型。

6 展望

種子大小受復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的調(diào)控，該網(wǎng)絡(luò)整合了多種發(fā)育和環(huán)境信號(hào)。盡管最近的研究已經(jīng)確定了一些關(guān)鍵的水稻粒型調(diào)控因子和信號(hào)途徑，但我們對(duì)完整調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解仍然有限。探索已知粒型調(diào)控基因的上下游組件，以及闡明現(xiàn)有調(diào)節(jié)途徑之間可能存在的聯(lián)系，完善水稻粒型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，將是未來研究工作的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。通過將傳統(tǒng)研究方法與現(xiàn)代高通量方法(如表型組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和全基因組關(guān)聯(lián)研究)相結(jié)合，可加速這一研究的進(jìn)程。此外，相同的基因或等位基因?qū)λ镜募?xì)胞增殖、細(xì)胞延伸以及作物產(chǎn)量的影響可能不一致，一個(gè)可能的原因是研究人員經(jīng)常使用可能具有多個(gè)其他突變的近等基因系，進(jìn)行遺傳和生理分析。而基因組編輯技術(shù)提供了一種在相同遺傳背景下生成特定突變體的便捷方法，將有助于解決這一問題。

種子大小通常與種子的數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，顯然，植物在漫長的進(jìn)化過程中對(duì)這兩個(gè)性狀進(jìn)行了平衡，但平衡每穗粒數(shù)和種子大小之間的分子機(jī)制尚不清楚，這也將是未來研究工作的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。另外，種子大小在不同植物物種之間具有很大的差異，挖掘不同植物物種間粒型差異的關(guān)鍵基因，可以從進(jìn)化上對(duì)粒型調(diào)控的分子機(jī)制進(jìn)行深層次的理解，這可能可以通過綜合分析大規(guī)模遺傳和基因組數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。從進(jìn)化角度上，探究粒型衍化和進(jìn)化特征，對(duì)于粒型調(diào)控機(jī)理的闡明，是一種新的啟發(fā)和便捷手段。隨著一些粒型有益等位基因的挖掘和鑒定，這些等位基因如何被人為組合應(yīng)用到育種上，為水稻作物產(chǎn)量的提高做出貢獻(xiàn)，也是育種學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)。這就需要挖掘出更多的粒型調(diào)控元件，最終將各個(gè)元件，點(diǎn)成線，線成網(wǎng)。水稻粒型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的闡明，必會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量的提高做出巨大貢獻(xiàn)。