陳志愛，岳紅亮，丁 穎，代金英，張桂云，胡 蕾，嚴(yán)國(guó)紅

（江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 鹽城 224002）

水稻（L.）作為世界上主要的糧食作物之一，也是我國(guó)最重要的糧食作物。近年來(lái)水稻品種特別是常規(guī)粳稻品種單位面積產(chǎn)量一直在一個(gè)比較高的基數(shù)上徘徊不前，而人口數(shù)量卻不斷增長(zhǎng)（據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年我國(guó)的人口將達(dá)到15億），土地資源也日趨匱乏。因此，運(yùn)用有效的育種方法來(lái)提高糧食產(chǎn)量，以滿足日益增長(zhǎng)的糧食需求就顯得尤為重要。

水稻產(chǎn)量是一個(gè)綜合性狀，受多個(gè)遺傳因素影響，其中穗型相關(guān)性狀是影響水稻產(chǎn)量的直接因素。水稻穗型一般定義為稻穗的大小和生長(zhǎng)姿態(tài)。稻穗分化一般分為8個(gè)時(shí)期，分別為第一苞分化期、第一次枝梗分化期、第二次枝梗原基及穎花原基分化期、雌雄蕊形成期、花粉母細(xì)胞形成期、花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期、花粉內(nèi)容物充實(shí)期及花粉完成期，最終形成幼穗，各個(gè)時(shí)期的發(fā)育特點(diǎn)見表1。

表1 水稻幼穗分化各個(gè)時(shí)期特征

分析可知，幼穗分化期決定了稻穗的長(zhǎng)度、一二次枝梗數(shù)目、穗粒數(shù)以及籽粒大小等性狀，進(jìn)而成為影響單株產(chǎn)量的重要因素。穗型性狀可以分解為穗長(zhǎng)、一二次枝梗數(shù)目、穗粒數(shù)以及粒型4要素。其中穗長(zhǎng)是衡量穗子長(zhǎng)短的指標(biāo)，決定著一次枝梗和二次枝梗的空間排列、穗粒密度等性狀，進(jìn)而影響水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，穗長(zhǎng)常被用來(lái)直接衡量水稻產(chǎn)量的高低，對(duì)其數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）的研究一直也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 水稻的穗長(zhǎng)及其影響因素

穗長(zhǎng)通常指從穗頸節(jié)到穗頂端的長(zhǎng)度。一般而言，穗長(zhǎng)過短，會(huì)導(dǎo)致穗軸上的一次枝梗多而緊密，二次枝梗發(fā)育受阻；穗過長(zhǎng)會(huì)使穗分枝稀疏分布，引起枝梗著粒密度降低，穗粒數(shù)減少，影響水稻產(chǎn)量。因此，適宜的穗長(zhǎng)可以形成穗枝梗排列適中、著粒密度均勻、穗粒數(shù)合適的優(yōu)良穗型，有利于水稻產(chǎn)量的提高。研究表明，穗長(zhǎng)是典型的、復(fù)雜的數(shù)量性狀，受基因和環(huán)境的共同影響。廖春燕等利用粳稻Azucena與秈稻IR64雜交構(gòu)建的雙單倍體群體（doubled haploid lines，DH）材料證明了穗長(zhǎng)受到環(huán)境影響的同時(shí)，還易受到穗型等其他性狀的影響。姚曉云等利用沈農(nóng)265和麗江新團(tuán)黑谷的重組自交系群體（recombinant inbred lines，RILs）鑒定出的株高QTL和對(duì)株高和穗長(zhǎng)均有影響。Zhang等報(bào)道的GRAS蛋白DHD1，該蛋白相關(guān)基因過表達(dá)會(huì)引起抽穗期的推遲，并增加水稻的穗長(zhǎng)、分蘗數(shù)和穗粒數(shù)，從而使產(chǎn)量增加。

以往在探討產(chǎn)量構(gòu)成因素的過程中，通常以穗長(zhǎng)作為產(chǎn)量相關(guān)性狀；然而，穗長(zhǎng)的遺傳因素及其對(duì)水稻產(chǎn)量的影響尚未得到很好的認(rèn)識(shí)。另一方面，有報(bào)道稱穗長(zhǎng)性狀與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，可作為育種的選擇標(biāo)準(zhǔn)。因此，分析穗長(zhǎng)遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的選育具有重要意義。

2 水稻穗長(zhǎng)的遺傳調(diào)控

2.1 穗長(zhǎng)性狀QTL的定位與克隆

水稻穗長(zhǎng)是復(fù)雜的數(shù)量性狀，遺傳力低。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用不同的遺傳群體在水稻的12條染色體上定位到250多個(gè)與穗長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的QTL（來(lái)自http://www.gramene.org/）。Zhang等利用日本晴與WS3為親本雜交構(gòu)建的回交自交系群體為研究材料，定位到2個(gè)穗長(zhǎng)QTL和；研究表明，和對(duì)穗長(zhǎng)性狀具有加性效應(yīng)，通過構(gòu)建染色體片段疊系的方法，可將精細(xì)定位在第6染色體25 kb的物理區(qū)間內(nèi)（圖1）。在位點(diǎn)上，等位基因也增加了一次枝梗、二次枝梗和每穗粒數(shù)，且該等位基因具有稈寬而壯的抗倒伏特性。但對(duì)分蘗數(shù)、株高等農(nóng)藝性狀無(wú)顯著影響。Liu等以秀水79和C-bao雜交構(gòu)建的群體為研究材料，鑒定到4個(gè)穗長(zhǎng)QTL，其中在第9染色體90 kb的物理區(qū)間內(nèi)精細(xì)到（）（圖1）。編碼一個(gè)功能未知的Remorin_包含蛋白。秀水79的等位基因?qū)е滤腴L(zhǎng)減小，而C-bao的等位基因減弱對(duì)穗長(zhǎng)有抑制作用。和它的優(yōu)良等位基因能夠用于改善水稻穗長(zhǎng)。Sun等利用秈稻品種HR1128與粳稻品種日本晴雜交構(gòu)建的BIL群體為研究材料，檢測(cè)到5個(gè)與穗長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的QTL，最終將初步定位在第6染色體上1.3 Mb的物理區(qū)段內(nèi)（圖1）。連光倩等利用秈稻Sabe和粳稻茭白稻雜交構(gòu)建的F群體，鑒定到2個(gè)控制穗長(zhǎng)的QTL，最終將精細(xì)定位于第9染色體90.47 kb的物理區(qū)段內(nèi)（圖1）。張?jiān)戚x等利用秈稻扎西瑪和南粳46雜交構(gòu)建的RIL群體為研究材料，鑒定到3個(gè)與穗長(zhǎng)相關(guān)的QTL，最后將定位在187 kb的物理區(qū)間內(nèi)（圖1）。李進(jìn)利用Sasanishiki和Habataki為親本構(gòu)建的染色體片段代換系群體定位到一個(gè)穗長(zhǎng)QTL，并以SL411與Sasanishiki雜交構(gòu)建的遺傳定位群體，將定位到第3染色體上216.6 kb的物理區(qū)間內(nèi)（圖1）。楊旭東等利用日本晴和染色體片段代換系Z1347構(gòu)建F群體，鑒定到與穗長(zhǎng)相關(guān)的、、和這4個(gè)QTL，并分別與RM5389、RM2126、RM6063和RM457連鎖。張治海以日本晴和西恢18號(hào)構(gòu)建的水稻染色體片段代換系Z745為研究材料，鑒定出4個(gè)與穗長(zhǎng)相關(guān)的QTL，分別為、、和。沈文強(qiáng)等利用日本晴和西恢18構(gòu)建的染色體片段代換系Z746為研究材料，檢測(cè)到4個(gè)與穗長(zhǎng)相關(guān)的QTL，分別為、、和，其中：與可能等位，而編碼一個(gè)鋅指蛋白，過量表達(dá)會(huì)引起穗變短，也具有減少穗長(zhǎng)的加性效應(yīng)，其連鎖標(biāo)記與相距1.52 Mb，可作為的候選基因。羅蘭等以江西東鄉(xiāng)普通野生稻和日本晴構(gòu)建的染色體片段置換系為研究材料,共檢測(cè)到5個(gè)與穗長(zhǎng)相關(guān)的QTL，分別為、、、、。

雖然已經(jīng)鑒定了大量與穗長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的QTL，但只有少數(shù)穗長(zhǎng)QTL被克隆。中國(guó)水稻研究所錢前研究組與中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所傅向東研究組合作，以直立穗型品種沈農(nóng)265與彎曲穗型品種南京11和日本晴雜交構(gòu)建的群體為研究材料，克隆出直立密穗基因——（dense and erect panicle 1）（圖1），該基因位于第9染色體上，并且與等位。Jiao等利用粳稻SNJ和秈稻TN1為材料構(gòu)建的回交群體克隆一個(gè)控制理想株型的半顯性QTL-IPA1（ideal plant architectutre1）（圖1）。研究表明，該基因在正常條件下促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，當(dāng)感染稻瘟病菌時(shí)，能被誘導(dǎo)磷酸化以提高免疫應(yīng)答，這一機(jī)制不僅可以提高水稻產(chǎn)量，而且可以提高稻瘟病抗性，打破了單一基因不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)和抗病的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，為高產(chǎn)抗病育種提供了重要理論基礎(chǔ)和新的實(shí)際應(yīng)用途徑。

圖1 定位及克隆穗長(zhǎng)QTL/基因在染色體上的分布

此外，參與調(diào)控水稻株高或抽穗期的基因，如、、和等，亦參與穗長(zhǎng)的遺傳調(diào)控。是水稻穗型結(jié)構(gòu)的正調(diào)節(jié)因子，編碼赤霉素20-氧化酶，調(diào)控赤霉素的合成，基因突變后，赤霉素合成受限，株高降低。研究發(fā)現(xiàn)，將半矮稈基因?qū)氲剿局泻?，不僅能顯著提高秈稻產(chǎn)量，還能顯著改變粳稻穗長(zhǎng)。、和編碼的產(chǎn)物中，分別含有鋅指結(jié)構(gòu)域、CCT結(jié)構(gòu)域和CCAAT盒結(jié)構(gòu)域。將這3類有功能的等位基因?qū)氲侥繕?biāo)基因功能缺失的水稻中后，在長(zhǎng)日照條件下不僅能顯著延長(zhǎng)生育期，還能顯著增加株高，改變穗長(zhǎng)，提高單株產(chǎn)量。以上分析表明，穗長(zhǎng)與株高和抽穗期等農(nóng)藝性狀之間存在一定的遺傳相關(guān)性。

2.2 穗長(zhǎng)QTL的分子機(jī)理

是一個(gè)控制穗長(zhǎng)和穗型的主效QTL，其在分生組織中表達(dá)，并編碼水稻異三聚體G蛋白的γ亞基，進(jìn)而控制分生組織大小。研究表明，基因中碳末端存在大片段缺失，引起基因表達(dá)差異，進(jìn)而導(dǎo)致穗長(zhǎng)和粒質(zhì)量降低，但穗粒數(shù)和枝梗數(shù)顯著增加，產(chǎn)量提高。除此之外，Huang等研究發(fā)現(xiàn)，東北和長(zhǎng)江中下游稻區(qū)主栽直立穗或半直立穗品種中均攜帶基因，且該基因等位基因的變異亦能引起穗型直立。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，基因受的正向調(diào)控，進(jìn)而影響水稻穗長(zhǎng)和千粒質(zhì)量等產(chǎn)量性狀。另一方面，Jiao等研究認(rèn)為，序列上的一個(gè)堿基突變干擾了其上游基因?qū)Φ恼{(diào)控，使得基因的表達(dá)量增加，植株表現(xiàn)出大穗、壯稈。生長(zhǎng)調(diào)控因子（growth-regulating factors，GRFs）是一類植物特有的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子。研究表明，GRF4可以與DELLA蛋白相互作用，并且該基因參與赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，正向調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)和光合作用，促進(jìn)氮和葡萄糖代謝。盡管DELLA蛋白抑制植物體內(nèi)的碳-氮代謝，但赤霉素可通過降解DELLA蛋白途徑來(lái)促進(jìn)表達(dá)，進(jìn)而增強(qiáng)植株固碳和吸氮能力，平衡植物碳-氮代謝。提高基因的表達(dá)，可以產(chǎn)生大粒、長(zhǎng)穗的表型。是的一個(gè)優(yōu)異等位變異基因，該基因在保持水稻半矮化的同時(shí)，又可提高水稻氮肥利用效率和產(chǎn)量。

目前，以穗長(zhǎng)變異突變體為研究材料，對(duì)穗長(zhǎng)調(diào)控的遺傳機(jī)制也進(jìn)行了研究。（2）編碼一個(gè)生物學(xué)功能尚不清楚的特異性蛋白，該蛋白位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，由1 365個(gè)氨基酸組成。基因突變后，植株表現(xiàn)為穗長(zhǎng)變短，穗軸和枝梗伸長(zhǎng)，穗型更直立。（3）編碼與糖蛋白相關(guān)的磷脂酶A，該基因突變后，植株穗長(zhǎng)變短，穗粒數(shù)減少。S（）編碼一個(gè)可能的多肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，該基因突變后，引起穗長(zhǎng)變短。尚江源等從粳稻品種圣稻808（SD808）的EMS誘變突變體庫(kù)中發(fā)現(xiàn)4份短穗突變體，并通過基因定位和圖位克隆了控制短穗的基因，將該基因命名為（）。是的等位基因。淳雁等通過輻射誘變定位到一個(gè)短穗突變體，并通過圖位克隆技術(shù)對(duì)控制該性狀的基因（）進(jìn)行了定位和克隆，發(fā)現(xiàn)主要在分裂旺盛的組織表達(dá)，其編碼蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，并且編碼細(xì)胞分裂素受體OsHK4/OHK4。能形成同源二聚體，其胞外域的長(zhǎng)α螺旋中部的D86和Q87缺失會(huì)破壞其二聚化，降低對(duì)細(xì)胞分裂素的結(jié)合能力，使得細(xì)胞分裂素信號(hào)減弱，影響細(xì)胞分裂素的穩(wěn)態(tài)。的單倍型具有提高穗長(zhǎng)的潛力。（）編碼位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的F-Box蛋白并通過調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂素氧化酶基因的轉(zhuǎn)錄水平來(lái)影響穗長(zhǎng)，基因突變后，突變株的穗長(zhǎng)發(fā)生變化，穗粒數(shù)增加。（）基因編碼細(xì)胞色素P450家族的單加氧酶，該基因過量表達(dá)可導(dǎo)致赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中關(guān)鍵抑制因子的積累，降低花序和穗下第1節(jié)中的赤霉素含量，使株高與穗長(zhǎng)變短。

3 展望

長(zhǎng)期以來(lái)，水稻產(chǎn)量一直是重要的育種目標(biāo)之一，在發(fā)育過程中受多種QTL控制。這些QTL及其相關(guān)基因的鑒定將有助于在水稻產(chǎn)量改良中應(yīng)用優(yōu)良等位基因。在育種實(shí)踐中，人們對(duì)穗長(zhǎng)進(jìn)行了廣泛的研究，但對(duì)其相關(guān)基因及其與產(chǎn)量構(gòu)成要素的關(guān)系卻沒有引起足夠的重視。目前，雖然大量研究者把穗長(zhǎng)直接作為產(chǎn)量性狀進(jìn)行研究，對(duì)其遺傳調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)也取得了一定的進(jìn)展，已明確了植物激素、G蛋白通路等參與到穗長(zhǎng)的遺傳調(diào)控中，不過相較于有效分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量相關(guān)性狀，穗長(zhǎng)的研究還不夠深入，對(duì)穗長(zhǎng)調(diào)控分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)比較缺乏。而且，穗長(zhǎng)為典型的數(shù)量性狀，遺傳力不僅較低，環(huán)境因素對(duì)穗長(zhǎng)的影響還較大，導(dǎo)致不同研究中穗長(zhǎng)QTL定位結(jié)果間重復(fù)性較差。因此，發(fā)掘穗長(zhǎng)基因/QTL，并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行探究，有助于完善穗長(zhǎng)的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，加深對(duì)水稻穗發(fā)育及形成的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，新基因的發(fā)現(xiàn)可為育種家更好地利用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)精準(zhǔn)改良水稻穗型，并為選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水稻新品種提供資源。