王紅波，董華林，鄭興飛，殷得所，查中萍，胡建林，游艾青，周 黎*，徐得澤*

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所/糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 433064）

水稻抽穗期是指水稻從播種到穗自劍葉中伸出所需的天數(shù)，通常以群體50%穗伸出劍葉的時(shí)間為節(jié)點(diǎn)。 抽穗期的遲與早會(huì)影響水稻光合產(chǎn)物積累時(shí)間，間接影響水稻灌漿時(shí)期的環(huán)境和籽粒充實(shí)進(jìn)程，最終對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響。

目前研究認(rèn)為，水稻的抽穗期主要受遺傳和環(huán)境因素的共同影響。 以擬南芥為研究模型，研究者們已發(fā)現(xiàn)的植物開(kāi)花調(diào)控途徑包括：光周期和生物鐘途徑、春化作用途徑、溫度傳感器、自主開(kāi)花途徑、赤霉素途徑和年齡途徑[1]。光周期途徑是調(diào)控水稻抽穗期最重要的途徑之一，解析光周期途徑相關(guān)基因的功能，不僅能夠揭示水稻抽穗期變異的分子機(jī)制，同時(shí)還能指導(dǎo)水稻抽穗期的遺傳改良。 本文綜述了水稻抽穗期相關(guān)基因的定位、克隆及其分子調(diào)控機(jī)制，并討論和展望了利用相關(guān)基因開(kāi)展水稻抽穗期遺傳改良相關(guān)工作。

1 抽穗期相關(guān)基因的定位

20 世 紀(jì)90 年 代， 日 本 學(xué) 者Yano 等[2]就 利 用Nipponbare/Kasalath 的F2及回交群體對(duì)水稻抽穗期QTL進(jìn)行分析， 并定位到Hd1～Hd5等5 個(gè)影響抽穗期的主效及微效QTL。 隨后，Lin 等[3]利用BC1F5群體定位到Hd7、Hd8、Hd11， 利 用BC3F2和BC4F2群 體 定 位 到Hd6、Hd9、Hd10、Hd12、Hd13和Hd14。 此后，Monna 等[4]又通過(guò)精細(xì)定位發(fā)現(xiàn)Hd3是由兩個(gè)緊密連鎖的基因Hd3a和Hd3b組成，兩者間的遺傳距離約為1.6 cM。

此后，研究者們又利用水稻T-DNA 插入突變體、自然變異材料、染色體片段代換系以及近等基因系等，挖掘到大量調(diào)控水稻抽穗期的主效及微效QTLs。 根據(jù)Gramene網(wǎng)站（archive.gramene.org/db/qtl/）上最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截止目前，在水稻中已發(fā)現(xiàn)了618 個(gè)抽穗期相關(guān)的QTLs，其中第3 和第7 號(hào)染色體上最多，第10 號(hào)染色體上最少。

2 水稻抽穗期基因的克隆及功能研究

光周期途徑是調(diào)控水稻抽穗的重要途徑。經(jīng)過(guò)多年研究， 目前克隆得到至少13 個(gè)與光周期調(diào)控途徑相關(guān)的基因，包括Hd1/Se-1[5]、Hd2/Ghd7.1/DTH7/OsPRR37[6,7]、Hd3a[8]、RFT1[9]、Hd4/Ghd7[10]、Hd5/Ghd8/DTH8/LHD1[11,12]、Hd6/CK2a[13]、Ehd1[14]、Hd16/EL1[15]、Hd17/Ef7[16]、Ehd2/RID1[17]、Ehd3[18]、Ehd4[19]以及DTH2[20]等。

Hd1位于第6 號(hào)染色體上，是水稻中克隆的第一個(gè)抽穗期調(diào)控基因，其cDNA 全長(zhǎng)1,557 bp，具有2 個(gè)外顯子，編碼一個(gè)由395 個(gè)氨基酸組成的鋅指蛋白。 此前研究認(rèn)為，Hd1具有雙重作用，在短日照條件下促進(jìn)水稻抽穗，而在長(zhǎng)日照條件下延遲抽穗[5,21]。Hd2與OsPRR37/Ghd7.1/DTH7為同一基因，位于第7 號(hào)染色體上，基因全長(zhǎng)12,518 bp，包含8 個(gè)外顯子和7 個(gè)內(nèi)含子，編碼一個(gè)由742 個(gè)氨基酸組成的含有CCT 結(jié)構(gòu)域的蛋白， 是一個(gè)長(zhǎng)日照條件下的開(kāi)花抑制因子[6,7]。Hd4基因即Ghd7基因，同樣位于第7 號(hào)染色體上， 是一個(gè)長(zhǎng)日照條件下水稻開(kāi)花的抑制因子， 編碼一個(gè)由257 個(gè)氨基酸組成的CCT 結(jié)構(gòu)蛋白[10]。Hd5基因與DTH8/Ghd8/OSHAP3H/LHD1為同一基因，其cDNA 全長(zhǎng)1,156 bp，含1 個(gè)外顯子，編碼一個(gè)由297 個(gè)氨基酸組成的多肽。 在短日照條件下，Hd5能夠促進(jìn)水稻開(kāi)花，而在長(zhǎng)日照條件下，Hd5則會(huì)延遲水稻開(kāi)花[11,12]。Hd6/CK2a基因位于第3 號(hào)染色體的長(zhǎng)臂端， 其cDNA 全長(zhǎng)1,474 bp，共包含11 個(gè)外顯子，編碼一個(gè)由333 個(gè)氨基酸組成的蛋白。Hd6在長(zhǎng)日照和正常日照條件下延遲水稻開(kāi)花，在短日照條件下不能延遲水稻開(kāi)花[13]。Hd16基因位于第3 號(hào)染色體，其cDNA 全長(zhǎng)2,723 bp，共包含16 個(gè)外顯子， 編碼一個(gè)由707 個(gè)氨基酸組成的酪蛋白激酶-I 類(lèi)蛋白。Hd16基因是一個(gè)水稻開(kāi)花抑制因子，在長(zhǎng)日照條件下會(huì)延遲水稻開(kāi)花，而在短日照條件下延遲水稻開(kāi)花的效應(yīng)不明顯[15]。

Hd17基因位于第6 號(hào)染色體短臂端， 基因全長(zhǎng)5,043 bp，在長(zhǎng)日照條件下能夠促進(jìn)水稻開(kāi)花[16]。Ehd1基因位于第10 號(hào)染色體上，在長(zhǎng)、短日照條件下均能促進(jìn)水稻開(kāi)花[14]。Ehd2基因位于第10 號(hào)染色體上，基因全長(zhǎng)3,496 bp，具有3 個(gè)外顯子和2 個(gè)內(nèi)含子， 編碼一個(gè)由475 個(gè)氨基酸的組成的轉(zhuǎn)錄因子蛋白。Ehd2基因在長(zhǎng)、短日照條件下均能促進(jìn)水稻開(kāi)花[17]。Ehd3基因位于第8 號(hào)染色體上，基因全長(zhǎng)4,124 bp，具有6 個(gè)外顯子和5 個(gè)內(nèi)含子，編碼一個(gè)由563個(gè)氨基酸組成的轉(zhuǎn)錄因子蛋白[18]。Ehd4基因位于第3 號(hào)染色體的短臂端，基因全長(zhǎng)3,390 bp，具有3 個(gè)外顯子和2 個(gè)內(nèi)含子， 編碼一個(gè)由832 個(gè)氨基酸組成的轉(zhuǎn)錄因子蛋白，是水稻中特有的開(kāi)花調(diào)控因子[19]。DTH2是一個(gè)抽穗期微效調(diào)控基因，在長(zhǎng)日照條件下能夠促進(jìn)水稻開(kāi)花，其編碼一個(gè)具有鋅指結(jié)構(gòu)域的COSTANS 類(lèi)轉(zhuǎn)錄激活蛋白[20]。

Hd3a和RFT1又被稱(chēng)為成花素基因，均位于水稻第6號(hào)染色體，并緊密連鎖[8,9]。擬南芥中的成花素基因只有FT，而水稻中存在Hd3a和RFT1兩個(gè)成花素基因。Hd3a基因的cDNA 全長(zhǎng)847 bp，有4 個(gè)外顯子，編碼一個(gè)由178 個(gè)氨基酸組成的蛋白產(chǎn)物[8]；RFT1與Hd3a同源，其cDNA 全長(zhǎng)866 bp，含有4 個(gè)外顯子，同樣編碼一個(gè)由178 個(gè)氨基酸組成的蛋白產(chǎn)物[9]。 當(dāng)Hd3a和RFT1同時(shí)被RNAi 干涉后，水稻不能正常開(kāi)花[8,9]。

3 抽穗期相關(guān)基因互作效應(yīng)研究

Lin 等[21,22]研 究 發(fā) 現(xiàn)，Hd3基 因 能 增 強(qiáng)Hd1和Hd2基因的表達(dá)；Hd1與Hd5基因之間也存在上位性效應(yīng)；Hd5基因?qū)d2基因有加性效應(yīng)；Hd4則對(duì)Hd1及Hd2有加性效應(yīng)。 Shibaya 等[6]研究發(fā)現(xiàn)Hd2與Hd16，Hd2與Hd4之間也存在互作效應(yīng)。 Gao 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，DTH7、Ghd7和DTH8基因均存在多種不同的單倍型， 不同基因單倍型組合水稻品種在相同和不同日照條件下均表現(xiàn)豐富的抽穗期變異。 Zhang 等[23]研究發(fā)現(xiàn)，Ghd7、Ghd8和Hd1基因在水稻資源中存在不同的單倍型，且這些單倍型存在功能強(qiáng)弱的差異。 強(qiáng)功能基因單倍型累加會(huì)造成水稻晚抽穗，而弱功能或無(wú)功能基因單倍型組合則使水稻趨向于早抽穗。

4 光周期相關(guān)基因的抽穗期調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

在水稻中，調(diào)控抽穗期的光周期途徑主要分為Hd1途徑和Ehd1途徑。在長(zhǎng)、短日照條件下，Hd1途徑和Ehd1途徑調(diào)控模式并不相同。Ehd1是水稻抽穗調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中重要的開(kāi)花信號(hào)中間調(diào)節(jié)器，負(fù)責(zé)接收上游多個(gè)抽穗期調(diào)控基因信號(hào)，并調(diào)控下游Hd3a和RFT1基因的表達(dá)，從而影響水稻抽穗，以Ehd1為核心的調(diào)控路徑是水稻中特有的[20]。

在短日照條件下， 生物鐘相關(guān)基因OsGI能夠通過(guò)激活Hd1的表達(dá)，促進(jìn)Ehd1和下游Hd3a的表達(dá)，促進(jìn)水稻開(kāi)花[24]；同時(shí)，Hd1還受到Ehd2的激活表達(dá)，以及Hd17的抑制表達(dá)。最新研究表明，在長(zhǎng)日照條件下，Hd1的功能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換， 且這種功能轉(zhuǎn)換依賴(lài)于Ghd7或者Ghd8功能的有無(wú)[25-27]。 當(dāng)有功能的Ghd7或者Ghd8存在時(shí)， 會(huì)與Hd1發(fā)生互作， 共同抑制Ehd1及Hd3a、RFT1的表達(dá)，延遲水稻開(kāi)花；當(dāng)無(wú)功能Ghd7或Ghd8存在時(shí)，這種互作則不能發(fā)生，Hd1只發(fā)揮促進(jìn)水稻開(kāi)花的作用。

在長(zhǎng)日照條件下，OsGI一方面能夠促進(jìn)Hd1的表達(dá)，促進(jìn)Hd3a和RFT1的表達(dá)，同時(shí)還能促進(jìn)Ghd7的表達(dá)，抑制Ehd1的表達(dá)[24]。Hd2/Ghd7.1能抑制Ehd1基因的表達(dá)，降低成花素基因Hd3a和RFT1的表達(dá)， 延遲水稻開(kāi)花[6,7]。Ghd7和Hd5/Ghd8不僅能夠直接抑制Ehd1的表達(dá)， 降低Hd3a和RFT1的表達(dá)， 而且還能與Hd1互作， 共同抑制Ehd1的表達(dá)，導(dǎo)致水稻延遲抽穗[26-28]。 研究表明，Hd6和Hd1、Hd2之間存在互作關(guān)系，Hd6 能夠磷酸化Hd2/Ghd7.1但不能磷酸化Hd1， 表明Hd6可能位于Hd2的上游， 但其如何通過(guò)Hd1和Hd2實(shí)現(xiàn)對(duì)抽穗期的調(diào)控目前仍不清楚[13]。此外，Hd16 蛋白還能夠特異性的磷酸化Hd4/Ghd7，降低Hd3a和RFT1的表達(dá)，造成水稻延遲開(kāi)花[15]。

在長(zhǎng)日照條件下，Hd17能夠抑制Ghd7基因的表達(dá)，增加下游Ehd1的表達(dá)，最終增加Hd3a的表達(dá)，促進(jìn)水稻開(kāi)花[16]。Ehd1的表達(dá)受Ehd2、Ehd3、Ehd4及Hd5等的正向調(diào)控，受Ghd7和Ghd8等的負(fù)調(diào)控。Ehd2通過(guò)上調(diào)Ehd1基因，促進(jìn)Hd3a和RFT1的表達(dá)[17]；Ehd3基因通過(guò)負(fù)向調(diào)控Ghd7的表達(dá)， 促進(jìn)Ehd1及其下游Hd3a和RFT1的表達(dá)，促進(jìn)水稻開(kāi)花；此外，Ehd3還能通過(guò)一個(gè)不依賴(lài)Ghd7的未知途徑，促進(jìn)Ehd1的表達(dá)，促進(jìn)水稻開(kāi)花[18]。Ehd4通過(guò)正向調(diào)控Ehd1的表達(dá)， 促進(jìn)下游Hd3a和RFT1的表達(dá)， 促進(jìn)水稻開(kāi)花。 但現(xiàn)有研究表明，Ehd4 蛋白并不與Ehd1的啟動(dòng)子或mRNA 發(fā)生直接互作， 此外Ehd4調(diào)控Ehd1表達(dá)也不依賴(lài)于其他光周期途徑基因[19]。

除了Hd1途徑和Ehd1途徑外，近來(lái)還發(fā)現(xiàn)了光周期調(diào)控途徑中獨(dú)立的DTH2途徑。在長(zhǎng)日照條件下，DTH2能夠直接上調(diào)成花素基因Hd3a和RFT1表達(dá)， 促進(jìn)水稻開(kāi)花， 且不影響Ehd1、Ehd2、Ehd3、Ghd7、DTH8等其他抽穗期相關(guān)基因的表達(dá)[20]。 已克隆的水稻光周期途徑相關(guān)基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖1。

5 抽穗期相關(guān)基因在水稻育種中的應(yīng)用與展望

Zhou 等[29]利用基因編輯技術(shù)敲除了粳稻空育131 抗稻瘟病育種株系的Ghd8基因，得到了抽穗期顯著提前、單株產(chǎn)量顯著增加的新株系。 Wang 等[30]通過(guò)將秈稻品種GKMP 和GKLPL 中包含Ghd7基因的染色體片段導(dǎo)入到粳稻空育131 中，育成株系的抽穗期顯著延長(zhǎng)，極大地?cái)U(kuò)大了材料的適宜種植范圍， 且產(chǎn)量提高了近30%。Takeuchi[31]利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)， 將粳稻品種Koshihikari 的Hd1、Hd4、Hd5和Hd6等位基因分別替換為秈稻品種Kasalath 中的對(duì)應(yīng)等位基因，獲得了主要農(nóng)藝性狀與Koshihikari 相同，僅抽穗期分別提早12 d，延遲3 d、10 d 和11 d 的新品種。 Leng 等[32]將秈稻TN1 中的Hd1等位基因?qū)氲骄綜hunjiang06 中， 獲得了抽穗期較Chunjiang06 晚7 d，單株產(chǎn)量顯著增加的新株系。

上述研究是利用抽穗期相關(guān)基因進(jìn)行水稻遺傳改良的成功案例，證明了相關(guān)設(shè)想的可行性。 由于抽穗期是復(fù)雜的數(shù)量性狀，受眾多主效和微效基因的共同調(diào)控，不同水稻品種中影響其抽穗期的主效基因并不相同。 因此，針對(duì)不同水稻品種，在開(kāi)展相關(guān)抽穗期改良工作之前，可以通過(guò)對(duì)抽穗期相關(guān)基因開(kāi)展“基因診斷”[29]，明確調(diào)控其抽穗期的主效基因，然后再針對(duì)性地開(kāi)展相關(guān)工作，這樣能夠更加精準(zhǔn)、快速、有效地實(shí)現(xiàn)改良的目的。

隨著越來(lái)越多抽穗期相關(guān)基因被克隆，相關(guān)功能及在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的作用被解析，也必將幫助我們更加清晰地了解抽穗期調(diào)控的分子機(jī)制，并為水稻抽穗期遺傳改良提供豐富的基因資源和理論基礎(chǔ)。