尉 鑫，曾智鋒，楊維豐，韓 婧，柯善文*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東廣州 510642；2.亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510642)

水稻(OryzasativaL.)是重要的糧食作物，全球50 %以上的人口以稻米為主食[1]。隨著人類(lèi)活動(dòng)的影響以及工業(yè)化生產(chǎn)的加劇，有效耕地面積持續(xù)下降，近年來(lái)世界水稻的產(chǎn)量一度停滯不前[2]。為了解決糧食供應(yīng)不足的問(wèn)題，提高水稻單產(chǎn)已經(jīng)成為糧食總產(chǎn)量增加的重要途徑。水稻產(chǎn)量主要由3個(gè)重要因素決定：千粒重、有效穗數(shù)和穗粒數(shù)。其中，有效穗數(shù)由植株的分蘗能力決定，穗粒數(shù)主要取決于枝梗數(shù)和結(jié)實(shí)率，而千粒重則受籽粒的形狀、大小以及灌漿飽滿度的影響[3]。

稻米的長(zhǎng)度、寬度和長(zhǎng)寬比影響水稻的粒形，而粒形是稻米品質(zhì)鑒定的重要組成部分。中國(guó)優(yōu)質(zhì)稻谷標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：長(zhǎng)寬比不低于2.8的列為優(yōu)質(zhì)秈稻品種。育種家在選育優(yōu)質(zhì)稻米品種過(guò)程中將谷粒形狀作為重要指標(biāo)之一[4]。多數(shù)QTL(quantitative trait loci)的分析結(jié)果表明，水稻粒形的遺傳受多基因控制，且存在一因多效的現(xiàn)象，不同粒形性狀間有不同程度的相關(guān)性[5-9]。筆者從水稻粒形相關(guān)基因的克隆及功能分析方面綜述了前人的研究成果并展望研究前景，以期為水稻粒形基因克隆及高產(chǎn)育種提供理論指導(dǎo)。

1 水稻籽粒的結(jié)構(gòu)

水稻加工成的消費(fèi)產(chǎn)品主要來(lái)源于籽粒，籽粒中主要包含淀粉等營(yíng)養(yǎng)成分，這就為人體的健康飲食提供了良好的材料。通常植物種子主要由3部分組成：胚、胚乳和種皮。與其他谷類(lèi)作物一樣，水稻種子在結(jié)構(gòu)上明顯不同于雙子葉植物的種子，例如擬南芥(圖1)。擬南芥種子中的胚占據(jù)了大部分的空間，其主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存于子葉中，而水稻種子中的大部分空間被胚乳占據(jù)，并且胚乳中儲(chǔ)存了大量的淀粉、少量的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)以及其他微量物質(zhì)(圖1)，因此水稻的胚乳部分是人們主要的采食部位。水稻的粒形可以影響胚乳部分的大小并決定其重量，而其重量與粒重直接相關(guān)，所以水稻粒形是決定水稻產(chǎn)量的重要因素。

圖1 水稻和擬南芥成熟種子的縱切面[10]Fig.1 Longitudinal sections of mature seeds of Arabidopsis and rice [10]

2 水稻粒形相關(guān)基因的克隆

圖位克隆技術(shù)是挖掘功能基因的重要技術(shù)，該方法首先利用表型上差異較明顯的材料進(jìn)行雜交處理來(lái)構(gòu)建初級(jí)定位群體，例如F2群體、RIL群體等；然后采用分子標(biāo)記篩選并結(jié)合表型分析的操作來(lái)發(fā)現(xiàn)效應(yīng)值較大的QTLs，并且在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展新的作圖群體，進(jìn)一步縮短目標(biāo)區(qū)間的遺傳距離；最后對(duì)定位區(qū)間的候選基因進(jìn)行分析與驗(yàn)證，以此來(lái)確定目的基因的正確位置。

到目前為止，研究學(xué)者們已經(jīng)克隆了一些直接或間接與水稻粒形調(diào)控相關(guān)的基因(表1)。其中僅有少數(shù)幾個(gè)基因?qū)λ镜牧Ｐ纹鹬饕{(diào)控作用，其他的大部分基因均表現(xiàn)出一因多效的現(xiàn)象，它們是水稻粒形調(diào)控的微效基因，這些微效基因?qū)λ酒渌M織器官發(fā)育的影響更為顯著。

表1 已克隆的水稻粒形相關(guān)基因

接下表

注：數(shù)據(jù)主要來(lái)源于國(guó)家水稻數(shù)據(jù)中心，基因數(shù)據(jù)庫(kù)，http：∥www.ricedata.cn/gene/

Note:Data originated from China Rice Data Center and gene database,http：∥www.ricedata.cn/gene/

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，93個(gè)已被克隆的水稻粒形相關(guān)基因分布于12對(duì)染色體上的數(shù)目各不相同，其中第3號(hào)染色體上的最多，第1、9、12號(hào)染色體上的較少(圖2)。經(jīng)過(guò)多年來(lái)研究學(xué)者的努力，比較多的水稻粒形調(diào)控基因被成功克隆，但是與利用不同背景材料得到定位的粒形QTLs相比仍然很少，而且被克隆的粒形基因中大多數(shù)源自突變體材料，很難直接運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐，所以基于自然變異條件下的基因定位、克隆對(duì)作物品種的改良和應(yīng)用具有更加重要的意義。

圖2 已克隆水稻粒形基因在染色體上的分布Fig.2 Distribution of cloned grain shape genes on chromosomes in rice

3 水稻粒形主效基因的克隆

近年來(lái)，許多重要的水稻粒形基因都是利用栽培品種間表型差異較大的自然變異對(duì)目標(biāo)QTL進(jìn)行克隆而得到的。這類(lèi)基因通常只對(duì)水稻粒形性狀具有顯著效應(yīng)，并且不影響植物體的正常形態(tài)和發(fā)育，例如GW2、GS2、GS3、qGL3、TGW3、GL4、GW5、GS5、TGW6、GW7、GLW7和GW8等。

調(diào)控水稻粒長(zhǎng)的主效基因主要包括GS3、qGL3、GL4和GLW7。Fan等[38]利用大粒的明恢63與小粒的川7構(gòu)建NIL群體，利用5 740個(gè)BC3F2個(gè)體中的1 384個(gè)隱性個(gè)體和11個(gè)分子標(biāo)記，將GS3定位在第3號(hào)染色體上著絲粒附近的7.9 kb區(qū)間內(nèi)。Zhang等[41]選用小粒的N643和大粒的N411進(jìn)行雜交，通過(guò)分析BC2F3代的結(jié)果將qGL3范圍縮小到RM15548和RM3513標(biāo)記之間，高精度連鎖分析將qGL3進(jìn)一步定位到XJ39和XJ26之間的46.6 kb區(qū)間內(nèi)。Wu等[47]將滲入系中大粒的GIL25和小粒的IRGC102305進(jìn)行雜交，對(duì)F2代的186個(gè)單株進(jìn)行檢測(cè)，將目標(biāo)區(qū)域確定在第4號(hào)染色體上的RM3335和RM5608之間，最后利用后代純合的分離株系將GL4定位在M3和M4之間的5.9 kb區(qū)域內(nèi)。Si等[74]利用小粒性狀和大粒性狀的381個(gè)不同水稻品種進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)，成功克隆了一個(gè)位于第7號(hào)染色體上控制粒長(zhǎng)的主效QTL-GLW7，其編碼植物特殊的轉(zhuǎn)錄因子OsSPL13。

調(diào)控水稻粒寬的主效基因主要包括GW2、GW5、GS5和GW8。Song等[24]利用小粒的FAZ1與大粒的WY3構(gòu)建BC2F2群體，利用加密標(biāo)記不斷地縮短定位區(qū)間，最后通過(guò)對(duì)BC3F4群體的檢測(cè)，將GW2定位在第2號(hào)染色體的標(biāo)記W024和W004之間的8.2 kb區(qū)間內(nèi)。Shomura等[97]利用窄粒Kasalath和寬粒日本晴雜交自交產(chǎn)生的F2代分離群體進(jìn)行QTL定位分析從而將qsw5精細(xì)定位于第5號(hào)染色體短臂端的2 263 bp區(qū)間內(nèi)，但是Liu等[57]重新將GW5定位于第5號(hào)染色體短臂端，編碼鈣調(diào)素結(jié)合蛋白。Li等[59]利用珍汕97和H94構(gòu)建DH群體，與此同時(shí)多次回交珍汕97發(fā)展作圖群體，從而將GS5定位在第5號(hào)染色體上短臂端的11.6 kb區(qū)間內(nèi)。Wang等[83]利用華粳秈74(受體親本)和Basmati385、Basmati370(供體親本)構(gòu)建的單片段代換系，鑒定出位于第8號(hào)染色體上長(zhǎng)臂端的主效QTL-GW8，繼續(xù)進(jìn)行精細(xì)定位以及高精度連鎖分析，將GW8定位在第8號(hào)染色體上的7.5 kb區(qū)間內(nèi)。

調(diào)控水稻粒形長(zhǎng)寬比的主效基因主要包括GS2、TGW3和GW7。Hu等[16]利用小粒Zhonghua11和大粒Baodali構(gòu)建分離群體，將GS2定位在第2號(hào)染色體上的7.4 kb區(qū)間內(nèi)。Ying等[44]將秈稻小粒品種黃華占(HHZ)和粳稻大粒品種JZ1560進(jìn)行雜交構(gòu)建RIL群體，利用SLAF-seq測(cè)序技術(shù)構(gòu)建遺傳圖譜并進(jìn)行QTL定位分析，成功檢測(cè)到一個(gè)位于第3號(hào)染色體上控制籽粒大小和千粒重的主效QTL-TGW3。Wang等[72]利用TaifengA(TFA)和HJX74構(gòu)建作圖群體，最終將GW7基因準(zhǔn)確定位于第7號(hào)染色體的2.6 kb區(qū)間內(nèi)，其表達(dá)量上調(diào)可導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)谷粒的形成。

綜上所述，水稻粒形主效基因的克隆主要涉及粒長(zhǎng)、粒寬和長(zhǎng)寬比3個(gè)方面，但是定位方法有所不同，大致分為3種：第一種，利用表型差異較大的雙親品種構(gòu)建F2代分離群體、高回交世代群體、DH群體、NIL群體和RIL群體等作圖群體進(jìn)行基因克??；第二種，利用滲入系、CSSL和SSSL排除遺傳背景干擾，針對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)行基因克??；第三種，利用測(cè)序技術(shù)，例如GWAS，針對(duì)某一性狀對(duì)大量不同品種材料進(jìn)行測(cè)序分析，從而直接找到目標(biāo)QTL，然后進(jìn)行基因的克隆。就目前來(lái)看，利用測(cè)序分析技術(shù)進(jìn)行基因克隆的方法與其他2種相比占有一定的優(yōu)勢(shì)，不但節(jié)省了科研人員的工作量而且大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。

4 水稻粒形基因間的互作

4.1GW2、GS3、GIF1和GW5/qSW5之間的互作Yan等[98]為了研究GS3、GW2、qSW5/GW5和GIF1這4個(gè)基因間的關(guān)系，對(duì)GS3-RNAi、GW2-RNAi系和qSW5的CSSL進(jìn)行了基因表達(dá)分析。發(fā)現(xiàn)qSW5和GW2正向調(diào)控GS3的表達(dá)，GW2的表達(dá)能夠下調(diào)qSW5的表達(dá)，qSW5正向調(diào)控GIF1的表達(dá)，而GW2和GS3負(fù)向調(diào)控GIF1的表達(dá)；此外，利用一個(gè)含有180個(gè)水稻品種的自然群體，詳細(xì)分析了qSW5和GS3的等位基因作用，結(jié)果表明qSW5對(duì)粒長(zhǎng)的作用受到GS3的影響，GS3對(duì)粒寬的作用受到qSW5的影響(圖3)。該研究為更加深入理解水稻籽粒大小發(fā)育的分子機(jī)制及提高水稻產(chǎn)量提供了有用的信息。

圖3 GS3、GW2、qSW5/GW5和GIF1之間的互作Fig.3 Interaction between GS3，GW2，qSW5/GW5 and GIF1

4.2qGL3/GL3.1、OsPPKL2和OsPPKL3之間的互作Zhang等[41]發(fā)現(xiàn)位于OsPPKL1中第2個(gè)Kelch功能域上保守的AVLDT區(qū)域的D364E的稀有等位變異qgl3導(dǎo)致長(zhǎng)粒表型；OsPPKL1和OsPPKL3在水稻粒長(zhǎng)調(diào)控中發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)子的作用，而OsPPKL2是一個(gè)正調(diào)節(jié)子；Kelch功能域在OsPPKL1的負(fù)調(diào)節(jié)功能中是充分必要的(圖4)。田間試驗(yàn)表明，優(yōu)異等位基因qgl3的利用可以通過(guò)增加粒長(zhǎng)、灌漿速率和粒重而顯著提高常規(guī)稻和雜交稻的產(chǎn)量。

圖4 OsPPKL1、OsPPKL2和OsPPKL3之間的互作Fig.4 Interaction between OsPPKL1，OsPPKL2 and OsPPKL3

4.3PGL1、PGL2和APG之間的互作Heang等[39]的研究表明一對(duì)拮抗作用的堿性螺旋-環(huán)-螺旋(bHLH)蛋白通過(guò)調(diào)控內(nèi)外穎細(xì)胞長(zhǎng)度，參與決定水稻籽粒長(zhǎng)度。在內(nèi)外穎過(guò)量表達(dá)PGL1，轉(zhuǎn)基因水稻籽粒長(zhǎng)度和重量增加，是一種結(jié)合DNA的典型bHLH的抑制子。在內(nèi)外穎過(guò)量表達(dá)PGL2同樣可以增加水稻粒長(zhǎng)和粒重，并且這種增加與轉(zhuǎn)基因表達(dá)水平相關(guān)。PGL1的互作因子APG與其產(chǎn)生拮抗作用，是一個(gè)負(fù)調(diào)控因子。PGL1和APG在體內(nèi)互作，都定位在核內(nèi)，沉默APG的表型與過(guò)量表達(dá)PGL1一致，2個(gè)已知的籽粒長(zhǎng)度相關(guān)基因GS3和SRS3的表達(dá)在PGL1過(guò)量表達(dá)株系和APG沉默植株中基本不受影響。PGL2與典型bHLH蛋白APG在體外和體內(nèi)互作，與PGL1功能冗余，通過(guò)與APG形成異源二聚體抑制APG的功能，從而正向調(diào)節(jié)水稻籽粒長(zhǎng)度。PGL1-APG代表了一種新的籽粒長(zhǎng)度和重量調(diào)控的途徑(圖5)。

圖5 PGL1、APG、GS3和SRS3之間的互作Fig.5 Interaction between PGL1，APG，GS3 and SRS3

4.4其他粒形基因間的互作Wang等[72]研究發(fā)現(xiàn)，GW7編碼一種募集基蛋白(TONNEAU1)，在細(xì)胞分裂的過(guò)程中調(diào)控橫向細(xì)胞分裂減少，縱向細(xì)胞分裂增加，過(guò)量表達(dá)可使籽粒變得更加細(xì)長(zhǎng)。GW8(OsSPL16)是對(duì)粒寬具有調(diào)控作用的包含SBP結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，可以與GW7啟動(dòng)子結(jié)合從而抑制其表達(dá)，并且OsSPL16-GW7模塊的相互作用可同時(shí)高稻米品質(zhì)和稻米產(chǎn)量。與此同時(shí)，gs3和gw8的雙突變材料(以HJX74為背景的NIL-gw8gs3)表明谷粒細(xì)長(zhǎng)的程度與親本相比呈現(xiàn)出累加作用，從而證明了GW8與GS3的調(diào)控途徑是相互獨(dú)立的。

Hu等[99]研究證明，TGW3編碼一種蛋白激酶OsGSK5/OsSK41，此蛋白激酶屬于GSK3/SHAGGY-Like家族。OsARF4是一種轉(zhuǎn)錄抑制因子，功能缺失可增加水稻粒長(zhǎng)，在植物生長(zhǎng)素途徑中發(fā)揮作用。兩者相互作用會(huì)使OsARF4磷酸化，而OsSK41和OsARF4的共同表達(dá)導(dǎo)致OsARF4的轉(zhuǎn)錄抑制功能增強(qiáng)。進(jìn)一步的研究表明，GL3.3(TGW3)與GS3之間存在相互作用，其疊加效應(yīng)可使水稻籽粒顯著增大，已經(jīng)應(yīng)用于大粒粳稻的品種選育中[100]。

5 水稻粒形調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)途徑

在水稻和擬南芥中，調(diào)控種子粒形的信號(hào)途徑是相對(duì)保守的，均是通過(guò)影響胚乳和胚的生長(zhǎng)發(fā)育來(lái)調(diào)控籽粒大小，并且是通過(guò)多種信號(hào)途徑共同作用的結(jié)果。將這些信號(hào)途徑總結(jié)歸納主要分為6種：IKU信號(hào)途徑、泛素-蛋白酶體途徑、G-蛋白信號(hào)途徑、MAPK信號(hào)途徑、植物激素途徑和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子途徑，其中植物激素途徑中主要包括的激素是油菜素內(nèi)酯和生長(zhǎng)素[101]。

這些途徑中所涉及到的已克隆基因可能通過(guò)大量不同的信號(hào)通路以及某些未知通路來(lái)參與調(diào)控細(xì)胞分裂和細(xì)胞增殖的過(guò)程。其中GW2和GW5/qSW5參與泛素-蛋白酶體途徑的調(diào)控；GS3和DEP1(qPE9-1)參與G-蛋白信號(hào)途徑的調(diào)控；OsMKK4(SMG1)和OsMAPK6參與MAPK信號(hào)途徑的調(diào)控；qGL3、CycT1；3和GS5參與植物激素途徑中的油菜素內(nèi)酯調(diào)控途徑；BG1和TGW6參與植物激素途徑中的生長(zhǎng)素調(diào)控途徑；而調(diào)控水稻粒形的大部分基因在轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子途徑中發(fā)揮作用，例如GW6a(OsglHAT1)、GL7、GW8、GS2、SRS5等(圖6)。

圖6 水稻主要粒形基因的調(diào)控解析[101]Fig.6 The major signaling pathways of grain shape control in rice[101]

目前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)已克隆水稻粒形相關(guān)基因參與IKU信號(hào)途徑的調(diào)控，其主要存在于擬南芥中。IKU信號(hào)途徑與細(xì)胞分裂素和脫落酸信號(hào)相調(diào)控共同參與擬南芥種子結(jié)構(gòu)中胚乳的形成，起到了正向調(diào)控的作用[101]。對(duì)胚乳形成具有反向調(diào)控作用的TGW6是一個(gè)控制水稻粒長(zhǎng)和籽粒充實(shí)度的基因，其調(diào)控決定了水稻籽粒最終形態(tài)的形成[68]，與IKU信號(hào)途徑一樣直接作用于種子胚乳的形成過(guò)程。

TGW3、LGY3、GL4、GSN1、WTG1和GS9為最新發(fā)現(xiàn)的水稻粒形主效調(diào)控基因，其中LGY3作用于G-蛋白信號(hào)途徑[45]，GSN1作用于MAPK信號(hào)途徑[60]，WTG1作用于泛素-蛋白酶體途徑[81]，GS9作用于油菜素內(nèi)酯調(diào)控途徑[85]，而TGW3和GL4的作用途徑尚不明確[44，47]。但毋庸置疑的是水稻粒形基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已初步被闡明。

6 小結(jié)與展望

由于世界人口的不斷增加，耕地面積的不斷減少，作為主要糧食作物的水稻產(chǎn)量問(wèn)題一直受到人們的高度關(guān)注，而水稻粒形又與水稻產(chǎn)量有著非常密切的聯(lián)系，因此水稻粒形基因的克隆已經(jīng)成為水稻產(chǎn)量和米質(zhì)性狀研究的熱點(diǎn)之一。然而水稻自身遺傳背景的復(fù)雜性為水稻粒形的研究增加了困難，選擇粒形差異較大或者遺傳遠(yuǎn)緣的品種材料會(huì)起到至關(guān)重要的作用。

經(jīng)過(guò)多年來(lái)研究學(xué)者的不斷努力，已經(jīng)有很多水稻粒形相關(guān)基因被成功克隆。筆者歸納了93個(gè)已克隆的與水稻粒形相關(guān)的基因，并且對(duì)多基因間的相互作用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)揭示了水稻粒形調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，一些基因既能獨(dú)立對(duì)水稻粒形性狀產(chǎn)生調(diào)控作用，也會(huì)相互聯(lián)系共同存在于同一個(gè)信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制細(xì)胞分裂和細(xì)胞伸長(zhǎng)的功能，其中許多基因在育種選擇過(guò)程中顯著提高了水稻產(chǎn)量。這些發(fā)現(xiàn)既為科研人員針對(duì)水稻粒形性狀的分子調(diào)控機(jī)制的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)，也為作物遺傳育種的基因改良工作創(chuàng)造了有利的條件。

如今關(guān)于水稻粒厚方面的研究報(bào)道比較少，而控制水稻粒形的基因是緊密聯(lián)系、相互作用的，粒厚基因的遺傳同樣受主效基因的調(diào)控，其遺傳研究與粒長(zhǎng)、粒寬等相比較還不夠成熟[102]。利用新開(kāi)發(fā)的基因組編輯技術(shù)CRISPR/Cas9在相同的遺傳背景下生成已知水稻粒形基因的突變體，將有助于建立控制水稻籽粒大小的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[101]。值得注意的是，相同的等位基因突變可能會(huì)導(dǎo)致不同遺傳背景下水稻的不同表型，研究為何相同的突變?cè)诓煌贩N上有不同的效果，將有助于育種工作者合理利用等位基因突變來(lái)提高特定遺傳背景下的水稻產(chǎn)量。