亓娜 朱崴 唐占兵

[摘要]隨著全球性基因組計劃的深入開展，基因克隆與功能分析方面的研究取得了突破性進展。新基因資源的發(fā)現(xiàn)和利用有效地促進了作物改良。水稻作為重要的糧食作物，研究人員已經對其多個性狀基因進行了定位和克隆，例如，水稻株型基因、產量性狀基因、稻米品質基因等。本文對水稻基因組進展、基因概念發(fā)展、基因資源在育種中的應用等方面進行了討論并取得了一些突破性進展，在提高水稻的抗蟲、抗病及增產提質等諸多方面都展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。

[關鍵詞]水稻;基因資源;育種

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202008

1865年，孟德爾通過豌豆實驗，發(fā)現(xiàn)了遺傳的兩大基本規(guī)律，即基因的分離定律和基因的自由組合定律。1909年，丹麥遺傳學家約翰遜將“遺傳因子”命名為“基因”。1909年，摩爾根和他的學生在孟德爾定律的基礎上，利用果蠅進行雜交實驗，揭示了位于同源染色體上不同座位的兩對以上等位基因的遺傳規(guī)律，即著名的連鎖與互換規(guī)律。1953年，沃森和克里克建立了DNA的雙螺旋模型，開始了分子生物學的新時代，從此，人們開始從分子水平上認識基因。一個多世紀以來，基因概念的新發(fā)展成了遺傳學、育種學、分子生物學、基因組學等多學科發(fā)展的核心概念。隨著水稻全基因組測序的順利完成，水稻科學進入功能基因組學時代，水稻作為模式作物而發(fā)揮著越來越大的作用。

1 基因組計劃促進了水稻基因克隆和功能研究的進展

美國于20世紀80年代中期提出人類基因組計劃（Human Genome Program，HGP），1990年正式啟動，全世界6個國家、20個研究所、2 000多位科學家參與了這一計劃[1]。為了配合HGP，美國啟動了植物基因組計劃，主要任務如下：（1）實施擬南芥和水稻測序;（2）繪制出包括玉米、大豆、小麥、大麥、高粱、水稻、棉花、番茄和松樹等10～12個關鍵植物的基因圖譜;（3）著重研究對作物產量具有明顯作用的基因，包括帶有抗病、種子生長、谷粒質量和開花期等密碼信息的基因。此外，還包括那些對其他基因起控制作用的基因。當前，這一計劃的任務多已完成。1992年，日本、中國幾乎是同時啟動水稻基因組計劃（Rice Genome Program，RGP）。2005年，國際水稻基因組發(fā)表了水稻基因組精細圖。在RGP精細圖中，預測到37 544個基因，顯示了61個未能測序的間隙（Gap）[2]。在分析現(xiàn)行的基因組時，基因數(shù)量計算不只依據(jù)開放閱讀框架（ORF）數(shù)量、實際的基因數(shù)量，還依賴于轉錄組研究、基因功能互補實驗、蛋白組分析、分子網絡、等位基因（Allele）查詢、基因庫全息分析等方法確定[3]?？寺∨c功能分析帶來的便利主要表現(xiàn)如下：（1）擬南芥基因組計劃提供了系統(tǒng)的分析方法、突變體、基因注釋、模式模型;（2）RGP提供了基因組精細圖和詳細注釋;（3）水稻已經克隆了數(shù)百個重要的農藝性狀基因;（4）比較基因組研究為基因克隆和基因功能分析提供了線索。

2 通過基因克隆獲得的一些重要農藝性狀基因

水稻已進入后基因組時代，據(jù)不完全統(tǒng)計，先后克隆水稻重要性狀相關基因300多個，有些已應用于水稻育種。

2.1 水稻株型基因

株型是決定作物產量的關鍵因素，理想株型應具有株型緊湊、株高適中、有效分蘗多、穗大粒多、莖稈粗壯等特征。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前已鑒定到與株高相關的數(shù)量性狀座位（QTL）共1 104個，已克隆與株高有關的基因143個。水稻植株高度MYB樣基因OsMPH1參與水稻的株高調控，OsMPH1的過表達導致水稻株高的增加，而OsMPH1的敲低導致相反的表型，莖部縱切面的顯微鏡檢查表明OsMPH1調控節(jié)間細胞長度的變化導致植物高度的變化。赤霉素（GA）信號改變了谷物的育種，產生了分蘗增加的半矮植株，從而推動了“綠色革命”。SLR1蛋白通過與水稻分蘗調節(jié)基因MOC1表達產物結合而受到保護，免受GAs觸發(fā)的降解，從而避免分蘗數(shù)減少。

2.2 水稻產量性狀基因

產量性狀是決定水稻品種特性的重要指標之一。水稻產量主要由三個特征控制：有效穗每畝的數(shù)量、每穗和千粒重晶粒的數(shù)量。穗數(shù)是產量的基礎，每穗粒數(shù)與穗長、枝梗數(shù)和著粒密度關系密切。粒重是千粒重，由粒長、粒寬、粒厚度和晶粒豐滿的四個共同因素控制。到目前為止，大量有關產量性狀的QTL已被映射，但是要深入揭示產量性狀分子遺傳機理，則必須通過QTL的精細定位直至最終基因的克隆。

Xue W Y等[4]分離并克隆到一個控制穗粒數(shù)、抽穗期和株高的多效QTL-Ghd7。長日照條件下，Ghd7的增強表達能推遲抽穗、增加株高和每穗粒數(shù)，而功能減弱的自然突變體能夠種植到溫帶甚至更冷的地區(qū)。Ghd7被認為是控制水稻抽穗期和產量潛力的關鍵因素。Ghd7也通過調控PHYTOCHROME B-TEOSINTE BRANCHED1途徑，參與分蘗分枝的調控。干旱、脫落酸、茉莉酸和高溫脅迫能強烈抑制Ghd7的表達，然而低溫可促進Ghd7的表達。通過表達Ghd7能夠增加水稻對干旱的敏感性，而敲除Ghd7能夠增強水稻的抗旱能力。Ghd8和Ghd7在控制水稻的抽穗期、株高和籽粒產量方面具有相似的功能和較大的多效性。Ghd8在Ghd7的上游起作用以激活其轉錄，從而抑制Hd3a表達，進而影響開花時間和水稻適應性。因此，Ghd7對增加全球水稻生產的潛力和適應性上起著非常重要的作用。

2.3 稻米品質基因

稻米品質是決定一個水稻品種特性的最重要指標之一，主要從五個方面反映，分別是外觀、碾米、蒸煮、營養(yǎng)以及味道，具體內容有透明度、堊白、粒型、直鏈淀粉含量、膠稠度、糊化溫度、蛋白質含量以及有無香味等。而由于Wx是控制直鏈淀粉含量（AC）的主效基因。因此在非糯品種中，Wx基因分化為Wxa和Wxb兩種等位基因，其中，野生稻全為Wxa，秈稻以Wxa為主，直鏈淀粉含量較高;粳稻基本為Wxb，直鏈淀粉含量較低。所述Wxb基因編碼顆粒結合淀粉合成酶（Granule Bound Starch Synthase， GB-SSI），至少有6種等位基因，導致水稻胚乳從不含直鏈淀粉（糯性）到不同含量的直鏈淀粉的變化。Wxb基因的5'端非編碼區(qū)還存在大量的簡單重復序列（CT）變異。這種變化與直鏈淀粉含量存在較高的相關性。一般來說，高AC的品種具有較少的CT重復次數(shù)。直鏈淀粉含量和蛋白質含量是決定米飯食味的兩個重要因素，它們共同決定了米飯軟硬、黏性、味道及綜合食味。

3 利用基因資源改良現(xiàn)代品種

在中國，已經培育出的水稻品種超過4 000個，推廣面積超過100萬hm2的品種超過68個。從常規(guī)育種角度來看，育種家會自然地利用多個重要的農藝性狀基因或有利等位基因（QTL）。分子育種或設計育種（Breeding by Design）與常規(guī)育種有所不同，一個根本的區(qū)別是在分子水平或基因水平進行設計并育種。最近，在分子育種方面有了少量的育種實踐，王康愷等[5]利用分子標記輔助選擇出4種富γ-氨基丁酸含量優(yōu)良育種后代材料。李揚[6]等以長粒品種作為供體親本，利用GS3基因的功能性分子標記SF28進行分子標記輔助選擇，結合田間農藝性狀考察，選出89個具備細長粒型且綜合農藝性狀良好的單株。降好宇等[7]利用現(xiàn)代分子標記輔助技術獲得聚合有Bph14和Bph15兩個抗性基因的株系，其抗性比有單個抗性基因的抗性高。

隨著對基因本質認識的深化，利用基因改良品種和創(chuàng)制新品種的理論研究和實踐活動必然要轉向多基因利用、基因組互作、三型（基因型、表現(xiàn)型、環(huán)境型）統(tǒng)一的新設計和新思維發(fā)展，要在育種設計和育種實踐（常規(guī)育種技術與新技術結合）方面進行新的探索，以便高效、定向培育出新品種。

參考文獻

[1]崔國慶，王世明，馬福盈，等.水稻高稈染色體片段代換系Z1377的鑒定及重要農藝性狀QTL定位[J].作物學報，2018，44（10）： 1477-1484.

[2]Zhang Y X，Yu C S，Lin J Z，et al.OsMPH1 Regulates Plant Height and Improves Grain Yield in Rice[J].PLoS One，2017，12（7）：e0180825.

[3]Liao Z G，Yu H，Duan J B，et al.SLR1 Inhibits MOC1 Degradation to Coordinate Tiller Number and Plant Height in Rice[J].Nature Communications，2019，10 （1）：2738.

[4]Xue W Y，Xing Y Z，Weng X Y，et al.Natural variation in Ghd7 is an important regulator of heading date and yield potential in rice[J].Nature Genetics，2008，40 （6）：761-767.

[5]王康愷.利用分子標記輔助選擇水稻富γ-氨基丁酸含量優(yōu)良育種后代材料[D].銀川：寧夏大學，2019.

[6]李揚，徐小艷，嚴明，等.利用GS3基因功能性分子標記改良水稻粒型的研究[J].上海農業(yè)學報，2016（1）：1-5.

[7]降好宇，曾蓋，郝明，等.廣譜抗稻瘟病種質75-1-127的褐飛虱抗性基因鑒定及分子標記輔助選擇育種[J].中國水稻科學，2019.33（3）：227-234.