劉曉剛，楊治偉，馬 鈺，趙 娜，馬嘉欣，羅成科，楊淑琴，田 蕾，李培富

(寧夏大學 農(nóng)學院/寧夏優(yōu)勢特色作物現(xiàn)代分子育種重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

水稻是一種喜硅、富硅作物，素有硅酸植物之稱，對硅的需求僅次于氮、磷、鉀三大元素。1926年，美國加州大學農(nóng)業(yè)研究人員SOMMER首次提出硅是水稻生長發(fā)育的必要元素之一[1]。此后，水稻中硅的研究逐漸引起人們的重視。1935年日本開始對硅在水稻中的生理作用、硅肥生產(chǎn)以及硅肥在水稻生產(chǎn)上的應用展開研究，并于1957年成立硅肥協(xié)會[2]。我國對硅肥的研究始于20世紀70年代中期，到80年代才逐步展開工業(yè)化生產(chǎn)，2001年臺灣在水稻生產(chǎn)中推廣使用硅肥，面積達1 333 hm2，水稻增產(chǎn)12%。至今，我國對水稻中硅的研究已經(jīng)取得了顯著成就[3]。水稻的生長發(fā)育離不開硅，硅能夠改善植株受光態(tài)勢，減輕葉片下垂，并能通過增強葉肉傳導和改變水稻的初級代謝對光合速率進行前饋刺激來提高光合性能[4]。硅在水稻植株內(nèi)可形成硅化細胞，使莖葉表皮細胞壁加厚，莖稈機械強度增強，從而提高水稻植株的抗病和抗倒伏能力，特別是增強對水稻稻瘟病、胡麻葉斑病、白葉枯病和二化螟的抗性[5]。硅還可以提高水稻的根系活力，通過增加根線粒體數(shù)量促進氧化磷酸化的進行，釋放出大量ATP，提高水稻根系的氧化能力和供養(yǎng)能力，從而延長根系功能期，防止根系早衰[6]。因此，開展水稻硅含量研究對于水稻抗病、抗倒伏新品種選育等具有重要意義。有關硅對水稻生理上的作用及施用硅肥能使水稻增產(chǎn)抗逆增效方面的研究已有很多報道，但對水稻中硅含量的遺傳差異及水稻硅含量的遺傳學研究尚無系統(tǒng)的報道。為此，對我國耕地土壤中硅元素狀況，硅與其他元素的相互作用，水稻中硅含量的遺傳差異，硅元素對水稻農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)的影響及水稻硅含量的遺傳學研究進展進行了綜述，并對今后的研究方向進行了展望。

1 我國耕地土壤中硅元素狀況

硅是地殼中第二大主要元素，主要以SiO2和硅酸鹽的形式存在，其中SiO2占土壤的50%～70%[7]。SiO2和硅酸鹽礦物在有機物分解和植物呼吸產(chǎn)生的碳酸作用下，可以緩慢分解成可吸收態(tài)的硅酸，水稻對SiO2和硅酸鹽礦物的吸收量為1 125～1 950 mg/hm2，是對氮、磷、鉀吸收量總和的4.4倍。土壤有效硅含量通常被作為衡量土壤供硅能力的指標，但由于成土母質(zhì)、氣候條件、土壤水分等眾多因素的影響，能被植物吸收利用的硅只有50～250 mg/kg[8]。

不同地區(qū)的耕地土壤中硅含量也不同。以長江沖積物和湖積物為主的南方水稻土有效硅含量為200～300 mg/kg，以酸性紅色土為主的南方水稻土有效硅含量為80～120 mg/kg，紅砂巖、花崗巖、花崗片麻巖、輕質(zhì)第四紀紅色黏土和淺海沉積物母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量一般低于80 mg/kg[9]。四川省內(nèi)形成的沖擊型黃色土、酸性紫色土及砂巖黃色土母質(zhì)發(fā)育的水稻土有效硅含量平均為69.64 mg/kg[10]。泉維潔等[11]通過對山東省不同土壤類型1 818個耕層土壤樣本的調(diào)查分析，得出不同土壤有效硅含量高低順序為褐土>砂姜黑土>鹽土>潮土>棕壤>粗骨土，且全省土壤有效硅含量平均為234 mg/kg。

2 硅與其他元素的相互作用

施用硅肥能調(diào)節(jié)水稻對氮、磷、鉀的吸收，并置換出土壤中的磷酸根，從而促進有效磷的釋放，同時促進水稻中同化產(chǎn)物向多糖物質(zhì)轉化，以保證水稻的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[12]。2017年，翁穎等[13]進一步證實了硅對水稻磷吸收的促進作用。另外，提高水稻的硅氮比可控制水稻的株高和葉片直立度，從而提高水稻的抗倒伏能力，實現(xiàn)高產(chǎn)[14]。此外，施用硅肥可以提高鹽堿稻田水稻的耐鹽性，這是因為在鹽堿脅迫下，硅可強烈抑制水稻對鈉的吸收，進而提高水稻的耐鹽性[15]。

硅與重金屬元素的相互作用主要體現(xiàn)在對重金屬的拮抗作用方面[16]。研究表明，硅能夠提高植物根系的通氣和供氧能力，促使根系周圍的Fe2+、Mn2+和Cd2+被氧化沉積在根系表面，從而減輕重金屬鹽對水稻的毒害作用[17-18]。此外，硅酸鹽可在水中形成凝膠狀的單酸硅(H4SiO4)，并吸附Fe2+、Mn2+和Cd2+，這也是硅緩解毒害作用的原因之一[19-21]。

3 水稻硅含量的遺傳差異

3.1 硅在水稻植株中的分布規(guī)律

研究表明，水稻中硅含量(占水稻干質(zhì)量的比例)一般在10%以上，并廣泛分布于水稻根、莖、葉等各個部位[22]。水稻中硅的積累遵循末端分布規(guī)律，且各部位的硅積累量一般表現(xiàn)為谷殼>葉片>葉鞘>莖>根，通常谷殼的硅含量約占植株硅含量的20%，而根的硅含量一般約占植株硅含量的2%[23-24]。另有研究表明，硅一般沉積在水稻表皮細胞壁、中皮層上及細胞間隙中。不同葉位的硅元素積累則以劍葉最高[25]。

3.2 硅含量在水稻基因型間的差異

我國稻種資源豐富，不同基因型之間硅含量也存在明顯差異。甘秀芹等[26]研究了30個水稻品種(系)的硅素積累與分配特性及其基因型差異，表明不同品種水稻植株的硅含量在水稻幼穗分化期有較大差異。早季水稻粵雜122比枝優(yōu)253的硅含量高63%，晚季水稻特優(yōu)桂99比粵雜122的硅含量高80%，品種間存在極顯著差異。研究表明，在低硅土壤條件下，粳稻劍葉的硅含量比秈稻的高50%～100%，粳稻谷殼硅含量比秈稻高93%[27-28]。魏海燕等[29]研究表明，在不同氮素水平下，粳稻對硅素的積累存在極顯著的基因型差異，同時各基因型硅素積累與分配對氮素的反應也存在差異。在水稻不同生育時期，前期的硅素積累量少，且大量分布在莖和葉鞘上；幼穗分化期以后，硅素積累量主要分布在穗上，占總積累量的70%～75%[26,30]。上述研究為我國富硅稻種資源的鑒定和篩選奠定了基礎，并為進一步通過分子育種手段培育富硅水稻新品種提供了寶貴的資源。

4 硅對水稻農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

4.1 硅對水稻農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

呂惠貞等[31]研究表明，施用硅肥可增加水稻有效穗數(shù)和穗實粒數(shù)，進而增加產(chǎn)量。錢雙[32]和范澤群等[33]研究認為，硅對水稻的增產(chǎn)作用是通過增加千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)和穗數(shù)實現(xiàn)的。周青等[34-35]也指出，硅肥在水稻生產(chǎn)中的作用主要是通過增加穎花數(shù)和穗實粒數(shù)擴大“總擴容”，進一步協(xié)調(diào)源庫關系，改善群體質(zhì)量，增強干物質(zhì)的生產(chǎn)積累能力，從而起到明顯的增產(chǎn)作用。吳建富等[36]在氮硅配施對雙季稻產(chǎn)量影響的研究中發(fā)現(xiàn)，氮硅肥的合理配施有利于提高水稻群體的有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量和結實率，避免植株徒長，從而提高產(chǎn)量。另外，施用硅肥還可以提高水稻超氧化物歧化酶活性，保護細胞膜的完整性，從而起到延緩植株衰老、提高產(chǎn)量的作用[37-39]。近年來，我國及韓國、日本等水稻主要生產(chǎn)國不斷開發(fā)推廣硅肥，使水稻增產(chǎn)3%～15%，明顯提升了種植效益和經(jīng)濟效益[2]。

4.2 硅對水稻品質(zhì)的影響

隨著人民生活水平的提高，對稻米品質(zhì)的要求也逐漸提高。謝必武等[40]以優(yōu)質(zhì)特種稻瑞市9號為材料研究硅肥對稻米品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)施硅可以在一定程度上降低直鏈淀粉含量，提高蛋白質(zhì)含量，改善稻米的食用品質(zhì)。周青等[34]研究表明，施硅可以提高稻米香味和精米率，改善蒸煮品質(zhì)，并降低堊白率。王力等[41]研究表明，施用硅肥可顯著提高稻米精米率和整精米率，同時降低稻米堊白率和堊白度。胡時友等[42]研究證明，施用硅肥可提高稻米透明度、膠稠度和蛋白質(zhì)含量。此外，在全國進行的743個水稻硅肥田間試驗結果表明，施用硅肥使稻米平均增產(chǎn)10.3%，精米率提高4.9%，堊白率降低8.0%[43]。

4.3 硅對水稻抗倒伏性的影響

HOSHIKAWA等[44]指出，倒伏會降低水稻籽粒的飽滿度和品質(zhì)，同時影響收割。目前，關于硅與水稻抗倒伏性的關系存在3種觀點：(1)硅氮比直接影響水稻的倒伏情況，硅氮比>1則抗倒伏，反之則易倒伏[45]；(2)硅的施用增強了細胞壁的厚度，使莖基部第一、二節(jié)間縮短，增強了莖的機械強度，從而抗倒伏[46-47]；(3)水稻硅含量與抗倒伏性沒有關系[48]。目前，眾多研究人員在硅與水稻抗倒伏性關系方面的研究結論大多與第2種觀點相同，與第3種觀點相同的比較少。

5 水稻硅含量的遺傳學研究

早期對硅的研究主要局限在細胞學、植物生理學和土壤肥料學等方面[49-51]。最早關于硅含量的遺傳學研究是在硅藻和海藻中進行的[52]。目前，已在海綿中鑒定出3個控制生物硅化的蛋白質(zhì)[53]，并在大麥和南瓜中成功克隆了控制硅轉運的基因[54-55]，但在水稻中并未找到此基因的序列[22]。隨著分子遺傳學的發(fā)展，研究人員逐漸開展了對水稻中硅含量的遺傳學研究。

5.1 水稻硅含量QTL(數(shù)量性狀位點)的初步定位

在水稻硅含量QTL初步定位研究方面，DAI等[56]利用珍汕97B/密陽46構建的重組自交系(RIL)群體對水稻不同部位的硅含量QTL進行定位，在1(2)、6、11號染色體上定位到4個控制水稻谷殼硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻率為29.3%；在1、5、11、12號染色體上定位到4個控制水稻劍葉硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻率為14.8%；在1、5號染色體上定位到2個控制水稻莖稈硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻率為18.6%。MA等[57]利用Nipponbare/Kasalath構建的98個回交自交系(BIL)群體分別在3、5、9號染色體上定位到3個控制水稻谷殼硅含量的QTL。吳秀榮等[58]經(jīng)過2 a試驗定位到3個控制莖稈硅含量的QTL和6個控制劍葉硅含量的QTL，聯(lián)合貢獻率為16.8%～29.2%。吳青松[59]利用Kinmaze/DV85構建的81個RIL群體分別在水稻7、8、10號染色體上定位到3個控制單株吸硅能力的QTL，聯(lián)合貢獻率為35.7%；在1、3、9、11號染色體上定位到4個控制根吸硅能力的QTL，聯(lián)合貢獻率為46.2%。同年利用Asominori/IR14構建的RIL群體分別在7(2)、8號染色體上定位到控制單株硅吸收相關的QTL，聯(lián)合貢獻率為36.0%；在3、7、9號染色體上定位到3個控制根吸硅能力的QTL，聯(lián)合貢獻率為37.0%。NORTON等[60]利用Bala/Azucena構建的79個BIL群體定位到2個控制水稻葉片硅含量的QTL,聯(lián)合貢獻率為25.3%。

5.2 水稻硅含量QTL的精細定位

在水稻硅含量QTL精細定位研究方面，吳季榮[23]利用珍汕97B/密陽46構建的221個RIL群體在RM510和RM204之間檢測到1個距離RM510 0.1 cM并控制谷殼硅含量的QTL，貢獻率為34.9%，表現(xiàn)為正向不完全顯性。隨后吳季榮等[61]構建次級群體對控制谷殼硅含量的qHUSS.1區(qū)域進行分解驗證，在此區(qū)域分解出3個QTL，并將區(qū)間縮小到147 kb。之后吳季榮[62]又通過構建異質(zhì)區(qū)間迭代的近等基因系(NIL)將qHUSS.1區(qū)間縮小到62.4 kb。龔俊義[63]利用珍汕97B/密陽46的剩余雜合體衍生群體,把1個控制產(chǎn)量性狀的QTL精細定位在水稻6號染色體短臂遠著絲粒RM469—RM6917區(qū)間62.4 kb的區(qū)域內(nèi)，把1個控制谷殼硅含量的QTL精細定位在水稻6號染色體短臂近著絲粒RM3438—Si9337區(qū)間125 kb的區(qū)域內(nèi)，并在這2個區(qū)間內(nèi)初步驗證了產(chǎn)量性狀QTL和谷殼硅含量QTL的作用。在此基礎上，龔俊義等[64]又在目標區(qū)間的13個SSR標記中挑選出雜合區(qū)間彼此交迭的3個剩余雜合體,構建了3套NIL，最終將qHUS6.1定位在RM19410和RM19417之間約64.2 kb含9個候選基因的區(qū)域內(nèi)。杜景紅等[65]利用珍汕97B/密陽46的4個F1單株，經(jīng)單粒傳構建了859個RIL群體，最終在1.6 cM的RM510—RM204區(qū)間內(nèi)檢測到1個控制谷殼硅含量的QTL，進一步證實了6號染色體短臂對珍汕97B/密陽46硅含量的重要作用。王凱[66]利用從珍汕97/密陽46 RIL群體篩選出的1個剩余雜合體，通過連續(xù)自交發(fā)展3套與目標區(qū)間相互交迭的NIL,利用小樣本量群體將控制谷殼硅含量的QTLqHUS6.1定位在僅含有1個開放閱讀框的區(qū)間內(nèi)，同時構建了1套僅針對目標QTLqHUS6.1的單基因NIL。

5.3 水稻硅含量相關基因的克隆

在水稻硅含量相關基因的克隆方面，WATANABE等[67]研究發(fā)現(xiàn)4類降低硅濃度的基因(金屬硫蛋白基因、葉綠素a/b結合蛋白基因、水稻白葉枯病抗性基因Xa21家族成員、碳酸酐酶基因)和1類提高硅濃度基因(鋅指蛋白基因)。2006年，MA等[68]提出水稻中至少存在2個將外界硅運輸?shù)侥举|(zhì)部的轉運蛋白，并通過混合分離分析法將其中1個基因成功定位到2號染色體RM5303和E60168之間。同年利用圖位克隆方法成功克隆了硅內(nèi)流轉運蛋白基因Lsi1。進一步分析表明，該基因屬于水通道蛋白家族中的類根瘤素-26內(nèi)在固有蛋白Ⅲ(NIPⅢ)亞家族，主要在主根和側根中表達。該基因編碼1個由298個氨基酸組成的蛋白質(zhì)，該蛋白質(zhì)含有6個跨膜結構域和2個Asn-Pro-Ala基序。該蛋白質(zhì)的主要功能：(1)負責將硅酸從根細胞外轉運到細胞內(nèi)[69]；(2)增強水稻對草食性昆蟲的抗性[70]；(3)調(diào)節(jié)水稻的抗氧化能力，從而使水稻免受紫外線的輻射[71]、提高水稻對低溫脅迫的抗性[72]。MA等[73]繼續(xù)利用圖位克隆方法獲得了第2個水稻硅轉運蛋白基因Lsi2，該基因編碼的蛋白質(zhì)同樣為跨膜蛋白，包含11個跨膜結構域。與Lsi1蛋白功能不同，Lsi2蛋白主要負責將硅酸從根細胞內(nèi)轉運至胞外。2008年，YAMAJI等[74]利用同源克隆方法克隆出第3個控制水稻硅轉運和積累的基因Lsi6，該基因也屬于水通道蛋白家族中的NIPⅢ亞家族基因，是Lsi1的同源基因，主要在葉鞘和葉片中表達，而在根部表達量較少，主要在硅從木質(zhì)部轉出過程中起作用。

6 展望

目前，硅在水稻生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應用，但依然存在很多問題。我國水稻土資源豐富、類型復雜，不同水稻土中硅含量分布差異較大。因此，集中人力、物力全面普查我國水稻土資源，分析土壤成分，對研究不同地區(qū)水稻土的硅素肥力狀況以及硅肥的合理施用具有重大意義。

我國對水稻中硅的研究已經(jīng)取得了突破性進展，對于硅在水稻中的運輸機制和調(diào)控水稻有機酸代謝等方面的作用已經(jīng)很清楚，對于其調(diào)控水稻產(chǎn)量形成、改善水稻品質(zhì)和增強水稻抗逆性的系統(tǒng)研究也較多。今后的研究可以從以下方面進行加強:(1)對硅與其他元素的互作效應、氮磷鉀硅配施技術展開深入研究；(2)從水稻分蘗、拔節(jié)、孕穗和成熟期的干物質(zhì)積累入手，探明硅在水稻營養(yǎng)生長期和生殖生長期所起的關鍵作用；(3)以前對硅元素提高水稻的抗病性研究多停留在細胞學水平，對硅調(diào)控水稻防止病菌感染、增強抗病能力的生理機制有待于繼續(xù)驗證和探討。

前期的研究使人們更清晰地認知了硅對植物的生理作用和遺傳效應，但為了更全面地了解水稻硅的吸收、轉運和分配機制，有必要對未發(fā)現(xiàn)的控制水稻硅含量的QTL進行挖掘。目前，對于這一方面的研究多停留在珍汕97B/密陽46組合上，對不同地區(qū)代表性品種組合控制水稻硅含量的QTL的挖掘幾乎沒有。因此，開發(fā)培育具有地方特色富硅的功能性水稻新品種已經(jīng)成為分子育種的研究新領域之一。由于QTL的主效應和上位效應對數(shù)量性狀的遺傳具有重要作用，且QTL簇內(nèi)不同QTL對同一性狀和相關性狀的遺傳效應和作用方式都可能存在差異，研究不同QTL在水稻硅含量遺傳控制上的互作關系和綜合效應具有重要的遺傳學和育種學意義。

在初步定位的基礎上，對效應較大的QTL進行精細定位，尋找與目標性狀相關的候選基因。目前，對已克隆的Lsi1、Lsi2和Lsi6基因的研究所涉及的植物不多，因此利用已發(fā)現(xiàn)的硅轉運蛋白基因(Lsi1、Lsi2和Lsi6)對植物全基因組進行探索，并推測其硅元素積累狀態(tài)，預測植物的序列同源性和硅元素積累狀態(tài)之間的相關性成了新的研究方向。對未克隆的候選基因進行深度分析，并與性狀變異相關基因進行同源對比，對目標基因進行功能分析，同時尋找與目標基因緊密連鎖的分子標記，為水稻富硅品種的分子標記輔助選擇提供條件，有助于豐富水稻中硅元素吸收、轉運和分配機制的基因調(diào)控網(wǎng)絡，并為高硅水稻分子育種研究提供理論依據(jù)。