陳 亮,樓巧君,李鐵梅,梅捍衛(wèi),馮芳君,嚴(yán) 明,徐小艷,范佩清,羅利軍

(上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106)

作為世界第一人口大國(guó),中國(guó)人均水資源量(2 300 m3)僅為世界平均水平的28%,且水資源的時(shí)空分布嚴(yán)重不均衡,全國(guó)各地旱災(zāi)頻發(fā)[1]?！吨袊?guó)水旱災(zāi)害防御公報(bào)2020》顯示,2010—2019年年均因旱受災(zāi)面積1 084.4萬(wàn)hm2,年均因旱災(zāi)糧食損失178.62億kg,干旱是我國(guó)65%中低產(chǎn)稻田的主要限制因素。同時(shí),長(zhǎng)期淹水的稻田會(huì)釋放大量溫室氣體甲烷[2],產(chǎn)生嚴(yán)重面源污染[3]。水稻抗旱性的提高可以使水稻充分利用降雨,實(shí)行旱種旱管,從而大幅減少灌溉用水,大幅減少溫室氣體排放和農(nóng)田面源污染[4]。因此,面對(duì)水資源匱缺和糧食增長(zhǎng)需求,培育節(jié)水抗旱品種已成為當(dāng)前水稻育種的主要目標(biāo)之一。

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,深根性介導(dǎo)的避旱性在提高植物抗旱性方面起著重要作用。避旱性主要是通過(guò)發(fā)達(dá)的深根系統(tǒng)來(lái)吸取深層土壤水分,使植株免受或減輕干旱脅迫的影響,保持更長(zhǎng)時(shí)間的正常生長(zhǎng)發(fā)育。水稻的深根特性主要取決于根系生長(zhǎng)角度、根系在深層土壤中的分布、根系穿透緊實(shí)土壤層或犁底層的能力。由于深根與抗旱性的密切關(guān)系,水稻深根性的遺傳研究獲得了廣泛關(guān)注并取得了較大進(jìn)展,本文對(duì)水稻深根性相關(guān)性狀的遺傳進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)梳理,以期為水稻深根性遺傳研究的進(jìn)一步開展和加快水稻根系抗旱育種發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 栽培稻根系生長(zhǎng)角度的遺傳研究

水稻根系屬于須根系,難以直接從土壤中獲得完整的水稻根系的立體結(jié)構(gòu)信息。Kato等[5]首次將水稻秧苗種植在籃子里,對(duì)水稻根系生長(zhǎng)角度進(jìn)行了觀察,發(fā)現(xiàn)12個(gè)水陸稻品種在不同角度區(qū)間內(nèi)的根系數(shù)量和比例是不同的。Uga等[6]利用籃子將水稻根系分成兩部分,生長(zhǎng)角度(與垂直線比較)為0°—53°的根系(穿過(guò)籃子底部)定義為深根,根系角度為53°—90°的根系(穿過(guò)籃子側(cè)面)定義為淺根,將深根數(shù)與總根數(shù)的比值稱為深根比,以深根比來(lái)衡量水稻根系生長(zhǎng)角度,發(fā)現(xiàn)59個(gè)水稻品種的深根比在9.7%—64.2%,變異豐富。隨著研究方法的不斷完善,植物根系生長(zhǎng)角度的遺傳研究逐漸獲得了重視,在水稻[7]、小麥[8]、大麥[9]、玉米[10]、高粱[11]、油菜[12]等農(nóng)作物中開展了一系根系生長(zhǎng)角度QTL定位研究,利用根型突變體也克隆出若干調(diào)控水稻根系生長(zhǎng)角度的基因,如sor1[13]、docs1[14]、SOR1[15]、lra1[16]、rmd[17]等。下面對(duì)水稻中已定位克隆的根系生長(zhǎng)角度QT進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

1.1 深根比QTL-DRO1的定位克隆

DRO1是第一個(gè)定位克隆的水稻深根比主效QTL。Uga等[7]以深根比為12.2%的秈型水稻品種‘IR64’與深根比為92.5%的粳型陸稻品種‘Kinandang Patong’構(gòu)建的117份重組自交系群體(Recombinant inbred line,RIL)為材料,采用籃子水培法檢測(cè)深根比,在第9號(hào)染色體定位到了一個(gè)LOD值高達(dá)26.9、加性效應(yīng)為16.1%、解釋了深根比表型變異66.7%的深根比主效QTL-Dro1,通過(guò)精細(xì)定位將Dro1的定位區(qū)間縮小至608.4 kb,位于16 679.5—17 287.9 kb。旱地栽培試驗(yàn)表明:Dro1近等基因系(Near isogenic line,Dro1-NIL)與‘IR64’在0—25 cm土層的根干重沒(méi)有顯著差異,而在25—50 cm土層,Dro1-NIL的根干重顯著高于‘IR64’,穗重顯著高于‘IR64’,Dro1-KP的導(dǎo)入使‘IR64’抗旱性顯著增強(qiáng),更加適應(yīng)旱地栽培。通過(guò)進(jìn)一步精細(xì)定位,DRO1的定位區(qū)間縮小至6 kb內(nèi)[18]。該區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)預(yù)測(cè)基因,序列分析發(fā)現(xiàn)‘IR64’在該基因的編碼區(qū)第四外顯子中有1個(gè)堿基缺失,導(dǎo)致提前引入終止密碼子,產(chǎn)生截?cái)嗟牡鞍?。遺傳互補(bǔ)試驗(yàn)表明:DRO1對(duì)根長(zhǎng)、根干重、地上部性狀上沒(méi)有顯著影響,但轉(zhuǎn)DRO1株系的根系生長(zhǎng)角度是‘IR64’的兩倍左右。Dro1-NIL表現(xiàn)出比‘IR64’更強(qiáng)烈的向重力性反應(yīng)。DRO1主要在根尖分生區(qū)和節(jié)根原基中表達(dá),DRO1的表達(dá)水平和深根比呈正相關(guān)。DRO1的表達(dá)水平受到外源生長(zhǎng)素2,4-D的抑制,DRO1的啟動(dòng)子區(qū)域存在TGTCTC基序并能夠和生長(zhǎng)素響應(yīng)因子結(jié)合。在旱地進(jìn)行的抗旱性試驗(yàn)表明:在中度干旱脅迫條件下‘IR64’的單株產(chǎn)量明顯下降,而Dro1-NIL產(chǎn)量則無(wú)顯著變化;在重度干旱脅迫條件下‘IR64’幾乎無(wú)法灌漿,而Dro1-NIL仍有30%籽粒完成灌漿;在無(wú)干旱脅迫條件下,Dro1-NIL與‘IR64’產(chǎn)量沒(méi)有差異,說(shuō)明DRO1提高了水稻的抗旱性。在水田中,Dro1-NIL和‘IR64’在各種施肥條件下的總根長(zhǎng)沒(méi)有顯著差異,但Dro1-NIL在深層土壤中的根數(shù)比‘IR64’多,Dro1-NIL的粒重增加、結(jié)實(shí)率提高,增產(chǎn)約10%。表明在水分正常情況下,提高水稻根系向下生長(zhǎng)的比例也能促進(jìn)水稻產(chǎn)量增加[19]。在中度土壤緊實(shí)度下,DRO1提高了30—60 cm土層的根系密度[20]。Deshmukh等[21]證實(shí)了Dro1-NIL在淹水田、干濕交替水田和雨養(yǎng)旱地3種栽培條件下都比‘IR64’顯著增產(chǎn),增產(chǎn)約14%。

研究發(fā)現(xiàn),DRO1在其他植物中的同源基因也與根系角度相關(guān)。AtDRO1和PpeDRO1表達(dá)模式與DRO1一樣,具有根特異性,AtDRO1突變后淺層根系增加,超表達(dá)AtDRO1株系的深根比增大,超表達(dá)PpeDRO1提高了轉(zhuǎn)基因植株的深根比[22]。在小麥中,TaANDRO1-like、TaBNDRO1-like和TaDNDRO1-like已發(fā)生了分化,但仍與根角度相關(guān)[23]。González等[24]研究發(fā)現(xiàn),TtDro1B中插入MITE元件后產(chǎn)生較小、較淺的根系。Loarce等[25]研究發(fā)現(xiàn),TtDro1A的表達(dá)量是TtDro1B的2.49—8.76倍,2個(gè)基因的表達(dá)量與根系角度呈正相關(guān),TtDro1B表達(dá)量越高,深根比越大。

1.2 地表根QTL-qSOR1的定位克隆

在印度尼西亞的Bulu生態(tài)型水稻材料中有部分種質(zhì)在分蘗后會(huì)產(chǎn)生地表根系。Uga等[26]利用地表根品種‘Gemdjah Beton’與無(wú)地表根的日本水稻品種‘Sasanishiki’雜交構(gòu)建RIL,以地表根比例(地表根數(shù)占總根數(shù)的比例)為檢測(cè)指標(biāo),在3、4、6、7號(hào)染色體上定位了4個(gè)地表根QTL,都是‘Gemdjah Beton’等位基因使地表根數(shù)量增加,位于7號(hào)染色體的QTL在6個(gè)定位試驗(yàn)中均可檢測(cè)到,解釋了32.5%—53.6%的表型變異率,命名此QTL為qSOR1,用7個(gè)BC2F3重組單株的后裔測(cè)驗(yàn)將qSOR1定位在RM21941和RM21976之間,標(biāo)記物理間距812 kb。通過(guò)進(jìn)一步精細(xì)定位,qSOR1定位區(qū)間縮小至12.31 kb,候選基因Os07g0614400在外顯子3中有一個(gè)SNP存在,‘Gemdjah Beton’等位基因的這個(gè)SNP的變異導(dǎo)致提前形成終止密碼子,遺傳互補(bǔ)試驗(yàn)也驗(yàn)證了Os07g0614400為qSOR1候選基因[27]。qSOR1是DRO1的同源基因,主要在根尖柱狀細(xì)胞中表達(dá),通過(guò)負(fù)調(diào)控生長(zhǎng)素信號(hào)途徑來(lái)調(diào)控根系的向重力性,調(diào)控土壤表層根的形成,避開了土壤鹽層的脅迫,提高鹽堿地水稻產(chǎn)量。通過(guò)分析qSOR1和DRO1在‘IR64’背景下4種組合方式的根系生長(zhǎng)角度,發(fā)現(xiàn)2個(gè)基因的表達(dá)量互不影響,DRO1∕qSOR1、DRO1∕qsor1、dro1∕qSOR1和dro1∕qsor1的深根比逐漸變小,表明DRO1和qSOR1是通過(guò)加性作用方式調(diào)控根系生長(zhǎng)角度。根部定點(diǎn)施肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),淺根型近等基因系qsor1-NIL的根生物量、根面積和磷吸收量顯著高于深根型近等基因系Dro1-NIL,說(shuō)明淺層根型材料能更好地利用施于根部的磷[28]。

1.3 其他根系生長(zhǎng)角度QTL分析

除了以上2個(gè)已克隆的根系生長(zhǎng)角度QTL外,還有大量研究報(bào)道了水稻根系生長(zhǎng)角度QTL的定位分析(表1)。在利用‘IR64’∕‘Kinandang Patong’的RIL群體進(jìn)行深根比QTL發(fā)掘時(shí)只定位到一個(gè)主效QTL-DRO1,但這不能充分解釋2個(gè)親本深根比的巨大差異,而且攜帶有與‘Kinandang Patong’相同DRO1等位基因的水稻種質(zhì)中仍有許多表現(xiàn)為低深根比[18]。因此,Uga等[29]繼續(xù)研究‘Kinandang Patong’中存在的其他深根比QTL,挑選了3個(gè)淺根材料(‘Tupa729’與‘Kinandang Patong’具有相同的DRO1單倍型,‘ARC5955’和‘Pinulupot1’的DRO1單倍型與‘Kinandang Patong’和‘IR64’均不同)與‘Kinandang Patong’配置了3個(gè)F2群體,在2、4、6號(hào)染色體定位到了3個(gè)深根比QTL,4號(hào)染色體上檢測(cè)到的QTL在3個(gè)F2群體中均被檢測(cè)到,分別解釋了32.0%、36.2%和56.6%的表型變異,是一個(gè)主效QTL,命名為DEEPER ROOTING2(DRO2),位于27.74—30.69 Mb。同時(shí),Uga等[30]又構(gòu)建了26個(gè)‘IR64’背景、‘Kinandang Patong’為供體的導(dǎo)入系,含有DRO1的導(dǎo)入系其深根比顯著高于輪回親本,但其他不含DRO1的導(dǎo)入系的深根比與‘IR64’沒(méi)有顯著差異,可能是dro1掩蓋了其他QTL的效應(yīng)。因此,為了屏蔽DRO1的影響,利用‘IR64’背景的DRO1近等基因系Dro1-NIL與‘Kinandang Patong’配置了F2群體,在7號(hào)染色體上定位到一個(gè)深根比QTL,解釋21.9%的表型變異,命名為DRO3,位于23.0—23.95 Mb。為了進(jìn)一步挖掘‘Kinandang Patong’中的深根比QTL,Kitom等[31]再次挑選了3個(gè)深根比不同但都攜帶有與‘Kinandang Patong’相同DRO1單倍型的水稻品種與‘Kinandang Patong’配置3個(gè)F2群體,在2、4、6號(hào)染色體上定位到3個(gè)深根比主效QTL,將在2號(hào)和6號(hào)染色體定位的QTL分別命名為DRO4(28.9—30.3 Mb)和DRO5(29.65—31.21 Mb)。

除了日本學(xué)者從‘Kinandang Patong’中挖掘到5個(gè)根系生長(zhǎng)角度主效QTL外,還有一些學(xué)者也對(duì)水稻根系生長(zhǎng)角度開展了研究(表1)。Courtois等[32]運(yùn)用全基因組關(guān)聯(lián)分析從167份熱帶粳稻中檢測(cè)到6個(gè)分布在1、3、4、5、7號(hào)染色體的根角度顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)。Catolos等[33]檢測(cè)了300份來(lái)自雜交組合IR64-21∕‘Dular’的RIL群體的根系生長(zhǎng)角度,在9號(hào)染色體上定位到根系生長(zhǎng)角度QTL-qRT9.1(RM434—RM257),其加性效應(yīng)為16.7%,解釋了28.9%的表型變異。Bettembourg等[34]檢測(cè)了162份秈稻和169份粳稻的根系生長(zhǎng)角度,分別定位了15個(gè)和38個(gè)根系生長(zhǎng)角度QTL。Wedger等[35]用雜草稻與‘低腳烏尖’培育的RIL群體定位了4個(gè)根系生長(zhǎng)角度QTL,位于2號(hào)和12號(hào)染色體,增效等位基因均來(lái)自雜草稻。Vinarao等[36]用來(lái)自‘Sherpa’∕‘IRAT109’的RIL群體定位了8個(gè)根系生長(zhǎng)角度QTL,分布在1、2、3、4、11號(hào)染色體上,qRCA1.1(39.42—40.41 Mb)和qRCA4(29.78—30.69 Mb)分別解釋了8.0%—10.2%和17.4%—24.3%的表型變異率。Vinarao等[37]還用‘IRAT109’與‘RL11’‘Langi’和‘Norin PL8810’構(gòu)建了3個(gè)F2群體,在‘RL11’‘Langi’的F2群體中驗(yàn)證了qRCA4在不同遺傳背景下的效應(yīng),并將qRCA4的定位區(qū)間縮小為720 kb(30.04—30.76 Mb),與DRO2位置重疊[29],42.2%的熱帶粳稻攜帶有與‘IRAT109’相同的qRCA4等位基因,在其他水稻種質(zhì)中出現(xiàn)頻率低,可用來(lái)改良秈稻根系生長(zhǎng)角度。最近,Nie等[38]利用234個(gè)BC2F7株系(R974∕DY80(東鄉(xiāng)野生稻株系)∕∕R974)在1、2、5、7號(hào)染色體上定位了6個(gè)深根比QTL,其中3個(gè)QTL的增效等位基因來(lái)自東鄉(xiāng)野生稻。

表1 水稻根系生長(zhǎng)角度QTL定位研究匯總Table 1 Summary of QTL mapping studies on root growth angle in Rice

近年來(lái),筆者課題組對(duì)水稻根系生長(zhǎng)角度開展了系列研究。王培等[39]檢測(cè)了“全球水稻分子育種計(jì)劃”中177份優(yōu)異種質(zhì)的深根比,平均深根比為21.5%,變異范圍為7.2%—43.1%,大部分種質(zhì)深根比在15%—25%,‘沈農(nóng)265’‘Lemont’‘Yen Fang Chu’‘原粳7號(hào)’等4個(gè)品種的深根比超過(guò)了40%。楊波等檢測(cè)了我國(guó)南方十一個(gè)省(市、區(qū))2 234份栽培稻種質(zhì)的深根比,平均深根比為25.8%,變異范圍為8.6%—60.1%,47.2%材料的深根比集中在20%—30%,25.2%材料的深根比低于20%,深根比超過(guò)40%的高深根比種質(zhì)占比6.1%(待發(fā)表);來(lái)自上海和湖南的種質(zhì)具有較高的深根比,廣東、廣西和貴州的種質(zhì)中深根比超過(guò)40%的不到1%;地方品種的深根比普遍高于育成材料,粳稻深根比高于秈稻,粳稻中深根比大于40%的比例是秈稻的3.6倍;在水分梯度抗旱大棚[40-41]中對(duì)131份具有不同深根比的水稻品種進(jìn)行的孕穗期抗旱性鑒定評(píng)價(jià)結(jié)果表明,高深根比材料中表現(xiàn)出抗旱的比例是低深根比材料的3.2倍,是中等深根比材料的2.0倍。Lou等[42]在上海和海南對(duì)來(lái)自珍汕97B與‘IRAT109’的180份RIL的深根比進(jìn)行了3次檢測(cè),深根比變異范圍在3.7%—67.2%,在1、2、4、7、10號(hào)染色體上定位到6個(gè)深根比QTL,qRDR2(29.6—31.5 Mb)具有最大的貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng)(來(lái)自‘IRAT109’的等位基因增加深根比),與DRO4(28.9—30.3 Mb)[31]所在區(qū)間有部分重疊,qRDR4與DRO2[29]所在區(qū)間相鄰,qRDR7與qSOR1[26]所在區(qū)間相鄰;對(duì)170份中國(guó)水稻微核心種質(zhì)與67份節(jié)水抗旱種質(zhì)開展了重測(cè)序,并利用1 019 883個(gè)SNP對(duì)深根比開展了關(guān)聯(lián)分析,總?cè)涸?、3、4、6、7號(hào)染色體的7個(gè)區(qū)域鑒定到48個(gè)顯著關(guān)聯(lián)SNP,秈稻群在1號(hào)和2號(hào)染色體上檢測(cè)到了顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn),2號(hào)染色體上的顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)位置與連鎖分析所鑒定的qRDR2有所重疊,粳稻群只在1號(hào)染色體鑒定了顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn),這個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn)在3個(gè)群體中都能鑒定到;對(duì)自然群體進(jìn)行選擇性清除分析發(fā)現(xiàn),qRDR2區(qū)域存在明顯的選擇性清除;從377份中國(guó)地方陸稻品種中挑選出10個(gè)最大深根比(平均深根比為49.4%)和10個(gè)最小深根比(14.4%)材料,分析了隨機(jī)挑選的9個(gè)關(guān)聯(lián)分析鑒定SNP在這20個(gè)品種中的SNP類型,發(fā)現(xiàn)其中7個(gè)SNP在極端深根比群之間存在顯著差異。宋從志[43]和牛國(guó)卿[44]對(duì)連鎖分析中鑒定的qRDR7開展了精細(xì)定位,將qRDR7定位區(qū)間縮小為58 kb。查曉捍[45]對(duì)qRDR2開展了精細(xì)定位,將qRDR2定位區(qū)間縮小為570 kb。楊波[46]對(duì)通過(guò)QTL-seq檢測(cè)到的qRDR5開展了精細(xì)定位(定位群體來(lái)自高深根比陸稻品種‘毛谷’與低深根比品種‘BLCO.BRANCO’及高深根比陸稻品種‘紫芒飛蛾’與低深根比品種‘臺(tái)農(nóng)67’構(gòu)建的F2群體),將qRDR5的定位區(qū)間縮小至17.37 kb。

親本‘IR64’/‘Kinandang Patong’‘Gemdjah Beton’/‘Sasanishiki’‘ARC5955’/‘Kinandang Patong’‘Pinulupot1’/‘Kinandang Patong’‘Tupa729’/‘Kinandang Patong’Dro1images/BZ_34_390_2027_422_2059.pngNIL/‘Kinandang Patong’‘Momiroman’/‘Kinandang Patong’‘Yumeaoba’/‘Kinandang Patong’‘Tachisugata’/‘Kinandang Patong’‘珍汕97’/‘IRAT109’IR64images/BZ_34_392_2340_424_2372.png21/‘Dular’BHA/‘低腳烏尖’SH/‘低腳烏尖’‘Sherpa’/‘IRAT109’R974/DY80//R9474群體類型RIL RIL F2 F2 F2自然群體F2 F2 F2 F2 RIL自然群體RIL自然群體RIL RIL RIL RIL群體大小117 124 138 134 133 167 121 123 128 121 180 237 300 331 224 175 252 234性狀深根比地表根比例深根比深根比深根比根角度根角度根角度根角度根角度深根比深根比深根比根角度根角度根角度根角度深根比QTL數(shù)量1 4 2 1 2 6 1 1 3 1 6 8 1 5 5 2 2 8 6染色體9號(hào)3、4、6、7號(hào)2、4號(hào)4號(hào)4、6號(hào)1、3、4、5、7號(hào)7號(hào)4號(hào)2、4、6號(hào)2號(hào)1、2、4、7、10號(hào)1、2、3、4、6、7號(hào)9號(hào)12條染色體2、12號(hào)2、12號(hào)1、2、3、4、11號(hào)1、2、5、7號(hào)文獻(xiàn)［7］［26］［29］［32］［30］［31］［42］［33］［34］［35］［36］［38］

1.4 基于突變體的水稻根系生長(zhǎng)角度基因挖掘

突變體是基因發(fā)掘的優(yōu)異材料,在水稻根型突變體中克隆了一批調(diào)控根系生長(zhǎng)角度的基因。Hanzawa等[13]從粳稻品種‘日本晴’的種子愈傷組織再生植株中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)根系露出地表的突變體sor1-1,利用sor1-1與秈稻‘Kasalath’的F2群體將地表根基因sor1定位在4號(hào)染色體136 kb的區(qū)間內(nèi),序列分析發(fā)現(xiàn)Os04g0101800的ORF缺失33 bp,遺傳互補(bǔ)試驗(yàn)驗(yàn)證了此基因?yàn)閟or1。Chen等[15]發(fā)現(xiàn)對(duì)乙烯不敏感的水稻‘貓胡子’突變體mhz2∕sor1-2能產(chǎn)生地表根,此表型也是由sor1突變導(dǎo)致。SOR1編碼E3泛素連接酶,通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素Aux∕IAA蛋白的穩(wěn)定性來(lái)調(diào)控根特異的乙烯應(yīng)答和根系向重力性。SOR1與定位在7號(hào)染色體的qSOR1[27]都調(diào)控水稻地表根的形成,但二者沒(méi)有同源性,qSOR1可能具有與SOR1不同的功能。Bettembourg等[14]發(fā)現(xiàn)鋁敏感基因DOCS1的功能缺失突變體docs1-1與根冠發(fā)育有關(guān),影響根系的向重力性反應(yīng),突變體表現(xiàn)出更大的根冠角度。Wang等[16]從粳稻品種‘黑粳2號(hào)’的EMS突變體庫(kù)中篩選到了一個(gè)根系生長(zhǎng)角度變大突變體lra1,突變體降低了重力響應(yīng)敏感性,lra1編碼OsPIN2蛋白,通過(guò)影響根尖生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸來(lái)調(diào)控根系生長(zhǎng)角度。Huang等[17]發(fā)現(xiàn)來(lái)自粳稻材料952260Co輻射誘變產(chǎn)生的水稻形態(tài)決定突變體rmd展現(xiàn)出更陡直的根系,RMD蛋白定位在根冠平衡石表面,RMD蛋白通過(guò)將肌動(dòng)蛋白微絲與重力感應(yīng)器官-平衡石聯(lián)系起來(lái)調(diào)控根系的生長(zhǎng)角度,突變體展現(xiàn)出更快的重力應(yīng)答,低磷通過(guò)誘導(dǎo)rmd的上調(diào)表達(dá)來(lái)改變根系生長(zhǎng)角度以適應(yīng)外界低水平磷供應(yīng)。

2 栽培稻根系向重力性的遺傳研究

重力作為一個(gè)持續(xù)存在且較穩(wěn)定的環(huán)境因子,在調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、代謝以及形態(tài)建成等方面發(fā)揮著十分重要的作用。在重力刺激下,植物的根沿重力方向向下生長(zhǎng)的現(xiàn)象稱之為根的正向地性。大量研究表明,根系生長(zhǎng)角度與根系向重力性存在密切關(guān)系[14-18],對(duì)水稻的根系向重力性開展遺傳研究能促進(jìn)對(duì)根系生長(zhǎng)角度分子調(diào)控機(jī)制的理解,但這方面的研究目前還較少。Norton等[47]利用凝膠裝置檢測(cè)了134份來(lái)自‘Bala’בAzucena’的RIL對(duì)重力改變的響應(yīng)特征,轉(zhuǎn)置20 h后,‘Azucena’種子根轉(zhuǎn)變了75.2°,而‘Bala’轉(zhuǎn)變了49.6°。以單位時(shí)間內(nèi)根尖彎曲程度作為根系響應(yīng)重力的鑒定指標(biāo),在6號(hào)和11號(hào)染色體上各定位到了一個(gè)根系向重性QTL,并檢測(cè)到了一個(gè)上位性互作QTL。Lou等[48]調(diào)查了226份中國(guó)水稻微核心種質(zhì)和抗旱核心種質(zhì)的根系向重力性應(yīng)答特征,發(fā)現(xiàn)重力應(yīng)答速度平均為41.05°∕h,變異范圍為16.77°—62.83°∕h,秈稻的平均應(yīng)答速度為42.49°∕h,粳稻的平均應(yīng)答速度為39.71°∕h,秈稻的重力應(yīng)答速度總體上顯著高于粳稻;重力應(yīng)答速度與深根數(shù)、種子根伸展速度、抗旱系數(shù)呈顯著正相關(guān),在4、11、12號(hào)染色體上定位了3個(gè)根系重力應(yīng)答速度QTL;表達(dá)量分析表明,LOC_Os12g29350負(fù)調(diào)控向重力性。

3 栽培稻根系穿透力的遺傳研究

傳統(tǒng)水田在耕作層20—30 cm下面往往存在一個(gè)5—20 cm厚的犁底層,犁底層可以防止水分過(guò)快滲漏,使耕作層的土壤含水量維持較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定,提高降雨和灌溉水的利用率。但犁底層的存在也使水稻根系難以達(dá)到深層土壤,阻擋了水稻根系對(duì)犁底層下面水分和養(yǎng)分的有效吸取利用。因此,培育有較好根系穿透力的水稻品種有利于提高其抗旱性和養(yǎng)分利用效率,其也是較早得到水稻科研工作者重視的深根性狀。Ray等[49]首次開展了水稻根系穿透力的QTL定位研究。他們用60%的蠟和40%的凡士林制作了3 mm厚的蠟質(zhì)層,檢測(cè)了來(lái)自雜交組合‘Co39’∕‘Moroberekan’的202個(gè)RIL的根系穿透力,在2、4、5、6、11號(hào)染色上定位了6個(gè)根系穿透力QTL,除5號(hào)染色體定位的QTL外,其他QTL的增效等位基因均來(lái)自高根系穿透力親本‘Moroberekan’。Price等[50]采用80%的蠟和20%的白色軟石蠟制作3 mm厚的蠟質(zhì)層,觀察2個(gè)陸稻品種‘Bala’和‘Azucena’構(gòu)建的205份RIL的根系穿透力,在2、3、5、10、11號(hào)染色體定位到7個(gè)QTL。Ali等[51]構(gòu)建了2個(gè)秈稻材料IR58821-23-B-1-2-1和IR52561-UBN-1-1-2所培育的RIL群體,采用66.7%的石蠟與33.3%的凡士林配置的蠟質(zhì)層,觀察166個(gè)株系的根系穿透力,在2、3、10號(hào)染色體上共定位到6個(gè)根系穿透力QTL,絕大部分有利等位基因來(lái)自抗旱性較好的親本IR58821-23-B-1-2-1。Zheng等[52]配置了蠟與凡士林比例為2∶1的蠟質(zhì)層,考察‘IR64’∕‘Azucena’的109份DH系的根系穿透力,在2、3、7、8號(hào)染色體上鑒定到4個(gè)根系穿透力QTL。

4 栽培稻深層土壤根系分布的遺傳研究

根系在犁底層以下或土層30 cm以下深層土壤中的分布也是水稻深根性的重要組成部分,許多學(xué)者對(duì)深層土壤中的根系特征進(jìn)行了研究,定位了一批調(diào)控水稻深層土壤根系分布的QTL(表2)。

表2 深層土壤水稻根系性狀QTL定位研究匯總Table 2 Summary of QTL mapping studies on root traits of rice in deep soil

Champoux等[53]利用‘Co39’和‘Moroberekan’構(gòu)建的203份RIL對(duì)土壤30 cm以下根干重進(jìn)行了定位分析,在2、3、4、7、8、9、12號(hào)染色體檢測(cè)的8個(gè)標(biāo)記與30 cm以下根干重顯著關(guān)聯(lián),其中與2號(hào)染色體標(biāo)記RG437顯著關(guān)聯(lián)的QTL解釋了17.0%的表型變異。Yadav等[54]利用組合‘IR64’∕‘Azucena’衍生的105份DH系,在1、6、7、9號(hào)染色體上定位到了5個(gè)土壤30 cm以下根干重QTL,在1、2、6、7、8、9號(hào)染色體上定位到了6個(gè)每分蘗深根干重QTL。Kamoshita等[55]利用2個(gè)秈稻品種‘IR58821’與‘IR52561’構(gòu)建的184份RIL,在2、3、4、9、11號(hào)染色體上定位了5個(gè)深根生物量、深根生物量比例和每分蘗深根生物量QTL。Courtois等[56]檢測(cè)了125份RIL株系(‘IAC165’בCo39’)在30—60 cm和60—90 cm深層土壤的根干重,分別在4、8號(hào)染色體和4、10、11號(hào)染色體定位到了2個(gè)和3個(gè)QTL,同時(shí)檢測(cè)到調(diào)控深根干重、每分蘗深根干重和深根干重與地上部干重比值相關(guān)QTL各3個(gè),位于4號(hào)染色體RM261—RZ69區(qū)間的深根干重與地上部干重比值QTL解釋了20.7%的表型變異。MacMillan等[57]對(duì)205份RIL(‘Bala’∕‘Azucena’)的土壤深度50 cm以下根生物量進(jìn)行了QTL定位分析,正常種植條件下在2、3、7、9號(hào)染色體上定位到4個(gè)QTL,低氮處理下在4、5、9號(hào)染色體上定位到3個(gè)QTL,弱光處理下在1、2、9號(hào)染色體上定位了4個(gè)QTL,干旱處理下在2號(hào)和9號(hào)染色體上定位了3個(gè)QTL。Cairns等[58]將來(lái)自‘Bala’∕‘Azucena’組合的114份RIL種植在水田和旱地,但只在旱地的干旱處理中在3號(hào)和6號(hào)染色體上定位到2個(gè)土壤深度35 cm以下根系密度QTL。Courtois等[32]檢測(cè)了167份熱帶粳稻在土層30 cm以下的根生物量和根干重,在1、2、3、4、7、8、10、11、12號(hào)染色體上分別發(fā)現(xiàn)了19個(gè)和23個(gè)顯著關(guān)聯(lián)位點(diǎn),檢測(cè)到深根數(shù)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)7個(gè)(1、2、4、7、10號(hào)染色體)、深根生物量比例關(guān)聯(lián)位點(diǎn)3個(gè)(1、4、8號(hào)染色體)。Phung等[59]在根管中觀察了180份越南水稻種質(zhì)的根系相關(guān)性狀,在6、10、12號(hào)染色體上定位到3個(gè)控制40—60 cm根生物量的QTL,在1、2、6號(hào)染色體上檢測(cè)到了7個(gè)調(diào)控60 cm以下根生物量的QTL,在1、2、6、10號(hào)染色體上鑒定到5個(gè)控制40 cm以下根干重的QTL。Terra等[60]在溫室觀察了‘IAC165’與‘BRS Primavera’配置的150份F2:3家系在5—25 cm土層和25—45 cm土層的根長(zhǎng)、根面積和根體積,在3號(hào)染色體上定位到1個(gè)與5—25 cm土層根長(zhǎng)、根面積和根體積相關(guān)的QTL,在1號(hào)染色體上定位到1個(gè)與25—45 cm土層的根長(zhǎng)、根面積和根體積相關(guān)的QTL。Li等[61]觀察了529份重測(cè)序水稻種質(zhì)在水旱兩種條件下成熟時(shí)的21個(gè)根系性狀,包括6個(gè)深根比例性狀、2個(gè)深根體積和2個(gè)深根干重性狀,10個(gè)深根性狀共檢測(cè)到299個(gè)關(guān)聯(lián)SNP,位于225個(gè)位點(diǎn)。Sabar等[62]檢測(cè)了‘IR55419-04’∕‘Super Basmati’的418個(gè)F2單株在PVC管中60—100 cm處的深根長(zhǎng)、深根體積、深根面積和深根直徑,均在3號(hào)染色體相同或部分區(qū)間重疊的地方定位到了1個(gè)QTL。

5 水稻深根性基因的挖掘

隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步,轉(zhuǎn)錄組技術(shù)逐漸成為解析植物生長(zhǎng)發(fā)育、逆境應(yīng)答等重要生物學(xué)過(guò)程分子機(jī)制和基因發(fā)掘的利器。在水稻抗旱研究過(guò)程中有學(xué)者對(duì)干旱脅迫下的根系轉(zhuǎn)錄組特征進(jìn)行了研究,但涉及根系轉(zhuǎn)錄組的研究較少,有3篇文章報(bào)道了PEG處理下的水稻幼苗根系轉(zhuǎn)錄組分析[63-65]及對(duì)采集自根管水旱生長(zhǎng)下根系開展的轉(zhuǎn)錄組分析[66],但這些研究與深根性沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。

同一水稻品種的根系生長(zhǎng)角度存在廣泛的變化。為了解不同生長(zhǎng)角度根系形成和維持的分子機(jī)制,Lou等[67]系統(tǒng)分析了37個(gè)具有不同深根比水稻品種的淺根與深根的轉(zhuǎn)錄譜,14個(gè)深根材料的平均深根比為52.7%,15個(gè)低深根比材料的平均深根比為13.2%,8個(gè)中等深根比材料的平均深根比為22.3%。采用籃子法水培獲得37個(gè)水稻品種的大、小生長(zhǎng)角度根系的根尖樣品,通過(guò)RNA-seq獲得了74個(gè)根系樣品的轉(zhuǎn)錄組信息,檢測(cè)到40 117個(gè)基因用于后續(xù)分析。聚類分析表明:74個(gè)樣品分成兩群,所有14個(gè)深根型材料聚成一類,所有15個(gè)淺根型材料聚成一類,6個(gè)中等深根比材料與深根型材料聚集在一起,2個(gè)中等深根比材料與淺根型材料聚集在一起。同一個(gè)材料的2個(gè)根系生長(zhǎng)角度不同的根系樣品(深根和淺根)全部聚在一起,品種內(nèi)深根、淺根之間的基因表達(dá)差異大大小于品種間。兩群之間共發(fā)現(xiàn)13 242個(gè)表達(dá)量差異基因,其中11 945個(gè)差異表達(dá)基因存在于深根型和淺根型品種之間,篩選了FPKM值＞0.5的1 789個(gè)差異基因用于富集分析,這些基因絕大部分與根系分布有關(guān),富集在遺傳信息加工和代謝等10個(gè)通路中。37個(gè)水稻品種的深淺根之間分別檢測(cè)到599、488、299個(gè)差異表達(dá)基因,同一類別材料的絕大部分差異表達(dá)基因的表達(dá)模式相同,這些基因富集在18個(gè)KEGG通路,其中17個(gè)屬于代謝途徑,特別是能量代謝途徑。檢測(cè)到了10個(gè)數(shù)量性狀轉(zhuǎn)錄子,部分轉(zhuǎn)錄子參與能量代謝途徑。用qRT-PCR和微陣列技術(shù)microarray驗(yàn)證了49個(gè)候選差異表達(dá)基因。基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)了18個(gè)節(jié)點(diǎn)基因,一半的節(jié)點(diǎn)基因是線粒體基因組基因,主要與能量代謝相關(guān),特別是ATP生物合成;18個(gè)節(jié)點(diǎn)基因中的17個(gè)在深根中的表達(dá)量都高于淺根,深根中的ATP生產(chǎn)比淺根快。這些都是水稻深根研究的重要潛在候選基因,需要持續(xù)關(guān)注。

6 展望

抗旱性是一種非常復(fù)雜的非生物脅迫抵抗機(jī)制,抗旱機(jī)制存在避旱性、耐旱性、逃旱性、復(fù)原抗旱性等4種類型,其中避旱性被認(rèn)為是抗旱性的第一道防御,深根性作為避旱性最重要的性狀得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注,對(duì)與深根性密切相關(guān)的根系生長(zhǎng)角度、根系向重力性、根系穿透力、深層土壤根系分布等性狀開展了大量遺傳研究,定位了大量QTL(表1和表2)。但目前水稻深根抗旱育種進(jìn)展不大,今后水稻深根性的研究還需要加強(qiáng)以下兩個(gè)方面的工作。

6.1 加快主效深根性QTL的精細(xì)定位克隆

目前已定位了110多個(gè)根系生長(zhǎng)角度QTL、309個(gè)深層土壤根系性狀QTL、5個(gè)根系向重力性QTL及23個(gè)根系穿透力QTL,但已克隆的主效QTL只有DRO1[18]和qSOR1[27]。Li等[63]通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析鑒定了2個(gè)根系相關(guān)基因Nal1和OsJAZ1,通過(guò)表達(dá)量的改變可以調(diào)控根長(zhǎng)、根數(shù)、根體積和根重,但其抗旱性效應(yīng)還有待證實(shí)。通過(guò)根型突變體已克隆了sor1[13,15]、docs1[14]、lra1[16]和rmd[17]等影響根角度的基因,它們與水分和養(yǎng)分的關(guān)系還需要進(jìn)一步研究確認(rèn)。DRO1有利等位基因在水稻種質(zhì)資源中廣泛存在,在抗旱育種中的利用價(jià)值有限;qSOR1主要是調(diào)控地表根性狀,難以應(yīng)用到抗旱育種。這些根角度基因還無(wú)法滿足目前水稻根系抗旱育種的需要。

Ding等[68]評(píng)估了17個(gè)水稻抗旱QTL近等基因系在水旱兩種條件下的農(nóng)藝性狀,最終只確定4個(gè)產(chǎn)量QTL和3個(gè)根系QTL的效應(yīng),說(shuō)明復(fù)雜數(shù)量性狀的QTL定位準(zhǔn)確性不高,QTL在應(yīng)用于抗旱分子育種計(jì)劃之前必須驗(yàn)證其真實(shí)性并獲得其精確位置和真實(shí)遺傳效應(yīng)。雖然已定位了110多個(gè)根角度QTL,但只有DRO2[29]、DRO4[31]、qRCA4[36]、qRDR5[46]等少量主效QTL在多個(gè)群體中被檢測(cè)到,今后要加快對(duì)這些主效QTL的精細(xì)定位克隆,明確其效應(yīng)及在抗旱分子育種中的利用方式。

根系穿透力是深根性非常重要的組成部分,對(duì)于深層土壤緊實(shí)度較高或存在犁底層的稻田更是水稻必備的深根特性,因此較早就得到了水稻根系研究者的重視,但2000年后很少有水稻根系穿透力的遺傳研究報(bào)道[49-52],也沒(méi)有根系穿透力QTL精細(xì)定位克隆的報(bào)道。上述4個(gè)水稻根系穿透力研究均采用蠟質(zhì)層法,蠟質(zhì)層配置比較復(fù)雜,檢測(cè)根系穿透力還需特定裝置,這些都妨礙了對(duì)大量材料的精準(zhǔn)鑒定,今后需要?jiǎng)?chuàng)新根系穿透力研究方法以打破這種僵局。根系角度與向重力性密切相關(guān),但水稻根系向重力性遺傳研究偏少[47-48],也沒(méi)有相關(guān)QTL精細(xì)定位克隆的報(bào)道,加強(qiáng)對(duì)根系向重力性的遺傳研究也會(huì)促進(jìn)深根性的研究。Ogura等[69]在擬南芥中利用高通量的圖像采集技術(shù),通過(guò)關(guān)聯(lián)分析克隆了一個(gè)響應(yīng)重力應(yīng)答的基因EXOCYST70A3,特定地作用于生長(zhǎng)素向外運(yùn)輸?shù)鞍譖IN4的分布,精準(zhǔn)調(diào)控?cái)M南芥根系統(tǒng)構(gòu)型以適應(yīng)降雨模式?？梢?jiàn),發(fā)展應(yīng)用高通量自動(dòng)化無(wú)損連續(xù)精準(zhǔn)的表型鑒定技術(shù)是加快發(fā)掘復(fù)雜數(shù)量性狀QTL的重要途徑。

6.2 針對(duì)目標(biāo)環(huán)境開展水稻深根QTL發(fā)掘

水稻根系的生長(zhǎng)發(fā)育受多種因素的影響,土壤質(zhì)地和水分狀況對(duì)根系的生長(zhǎng)影響最大。旱地沒(méi)有犁底層,土壤緊實(shí)度逐漸增加,雨養(yǎng)低洼稻田往往存在犁底層,根系生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)遇到土壤機(jī)械阻力,水稻根系在這兩種土壤中生長(zhǎng)時(shí)遇到的土壤機(jī)械阻力和其采用的穿透機(jī)制都是不同的。Cairns等[58]將同一套重組自交系群體種植在水田和旱地,在兩種田塊干旱處理后,土層35 cm以下根系密度QTL只在旱地中檢測(cè)到,卷葉、干葉、葉片相對(duì)含水量的絕大部分QTL也只在一種田塊中被檢測(cè)到。因此,針對(duì)不同土壤生態(tài)環(huán)境要采用合適的研究方法對(duì)目標(biāo)深根性狀開展QTL發(fā)掘,以促進(jìn)深根QTL在水稻抗旱分子育種中的應(yīng)用。