李嘉琪，巴金磊，邙光偉，宮宇，穆云森，郅學(xué)超，劉劍平，張瑩瑩

（承德市農(nóng)林科學(xué)院，河北承德 067000）

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，對(duì)許多亞洲國家的糧食安全至關(guān)重要。中國和印度是世界上人口最多的2個(gè)國家，也是最大的大米生產(chǎn)國和消費(fèi)國。水稻適應(yīng)性強(qiáng)，能生長(zhǎng)在多種農(nóng)業(yè)氣候條件下，從喜馬拉雅山的高海拔到印度和東南亞的海岸都有水稻出現(xiàn)。水稻的傳統(tǒng)品種和地方品種很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐耐寥酪蛩?，包括干旱、洪水、寒冷、炎熱以及鹽堿和酸性土壤條件等。

隨著人口的增長(zhǎng)，人們不斷需要在不斷減少的農(nóng)用土地上生產(chǎn)越來越多的水稻。從20 世紀(jì)60年代開始，綠色革命（GR）時(shí)代成功地應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)，首次在臺(tái)灣品種 Dee Geo Woo Gen 中發(fā)現(xiàn)了半矮化（sd1）基因[1]。GR 水稻品種具有較高的收獲指數(shù)和抗倒伏能力。由于其高產(chǎn)潛力，GR 品種逐漸取代了大多數(shù)傳統(tǒng)水稻品種和地方品種。該種質(zhì)已保存在國際基因庫中，成為基因發(fā)現(xiàn)的寶貴資源。水稻耐澇的SUB1 基因簇已從傳統(tǒng)低產(chǎn)澳大利亞品種FR13A 中克隆[2]。該基因現(xiàn)已成功導(dǎo)入一系列高產(chǎn)GR水稻品種，在南亞和東南亞主要易受洪澇災(zāi)害的地區(qū)種植，產(chǎn)量穩(wěn)定。基于此，文中綜述了水稻不同類型的淹水脅迫，以及耐澇水稻的遺傳機(jī)制，以期為培育耐澇水稻品種提供依據(jù)。

1 水稻生產(chǎn)系統(tǒng)中的淹水脅迫類型

南亞和東南亞的大多數(shù)水稻種植區(qū)受到不同程度的洪水、干旱和土壤鹽堿化的影響。其中，雨水積聚、河流排放和潮汐運(yùn)動(dòng)造成的洪水在印度、孟加拉國、緬甸、泰國、柬埔寨和越南的大河流域造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。水稻遭遇淹水脅迫主要有以下4 種類型。

1.1 洪水在水稻發(fā)芽期間浸沒

這種情況在實(shí)行水稻直播的地區(qū)很常見。在這種條件下，水稻種子完全浸沒，并遭受缺氧，導(dǎo)致發(fā)芽不良或無發(fā)芽、幼苗死亡和作物生長(zhǎng)不良。目前，已經(jīng)鑒定出能夠在水下發(fā)芽的水稻種質(zhì)。

1.2 在水稻苗期或分蘗期發(fā)生淹水

在這種情況下，在洪水退去之前，水稻植株被完全淹沒1～2 周。Catling[3]將這種類型的耐淹性定義為營養(yǎng)期的耐淹性，這是因?yàn)橐恍┧酒贩N能夠在完全淹水的10～14 d內(nèi)存活，并在洪水退去后恢復(fù)生長(zhǎng)。已從印度水稻長(zhǎng)白FR13A 中克隆出1個(gè)基因簇SUB1，該基因簇適應(yīng)營養(yǎng)期淹水[2]。

1.3 洪水持續(xù)數(shù)周，直到水稻孕穗和繁殖階段

這種現(xiàn)象在排水系統(tǒng)差的地區(qū)很常見，尤其是在沿海和潮汐地區(qū)季風(fēng)季節(jié)河流泛濫的河岸附近。水深一般為20～50 cm，這種洪水中的水稻作物遭受相當(dāng)大的產(chǎn)量損失。

1.4 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的深水洪水

該情況水位0.5～4.0 m[3]，并可能持續(xù)1個(gè)月至數(shù)月，具體取決于區(qū)域。深水水稻也被稱為漂浮水稻，通過快速節(jié)間伸長(zhǎng)，隨著水位上升而生長(zhǎng)，從而保持部分葉片高于水位。許多傳統(tǒng)水稻品種都適應(yīng)了這種類型的生態(tài)系統(tǒng)，隨著洪水的上升，一天可以拉長(zhǎng)25 cm。

2 耐澇水稻種質(zhì)

易受洪水影響的生態(tài)系統(tǒng)中存在豐富的遺傳多樣性的水稻種質(zhì)資源。20 世紀(jì)70年代，許多從洪水易發(fā)地區(qū)采集的地方品種在菲律賓IRRI 進(jìn)行了篩選。到目前為止，F(xiàn)R13A 已被公認(rèn)為最耐淹澇的地方品種，并最終用于QTL 定位研究和SUB1 基因克隆。印度易發(fā)生山洪災(zāi)害的地區(qū)也已經(jīng)發(fā)布了一些植物期耐淹品種，通過IRRI 標(biāo)準(zhǔn)化的篩選方法，還確定了發(fā)芽期耐淹水的地方品種，包括Khaiyan、Khao Hlan On、Nanhi 和 Ma Zhan Red。這些水稻種質(zhì)已被用于遺傳作圖和生理學(xué)研究，并利用傳統(tǒng)和分子育種方法培育出對(duì)淹水脅迫具有高度耐受性的改良水稻系[4]。

3 水稻耐澇性的遺傳研究

近年來，隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，耐澇基因的QTL分析、精細(xì)定位和克隆已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。通過對(duì)水稻耐澇性組成性狀的分析，研究了水稻耐澇性的遺傳基礎(chǔ)。

在各種類型的淹水脅迫中，深水水稻因其獨(dú)特的莖伸長(zhǎng)能力最早引起水稻遺傳學(xué)家的關(guān)注。在一項(xiàng)關(guān)于深水水稻莖伸長(zhǎng)遺傳的經(jīng)典研究中，Ramiah 等[5]首次表明，伸長(zhǎng)因子（ef1 和ef2）的重復(fù)基因控制節(jié)間伸長(zhǎng)。對(duì)于深水性狀的評(píng)估，Vergara 等[6]提出了測(cè)量節(jié)間總長(zhǎng)度（TIL），而Inouye[7]提出了使用最低伸長(zhǎng)節(jié)間（LEI）的位置。Xu 等[8]在營養(yǎng)期淹水的FR13A 品種中定位了耐澇性的主要QTL，即水稻9 號(hào)染色體上的SUB1，該QTL 貢獻(xiàn)了耐澇性表型變異的70%。Nemoto 等[9]使用LEI 作為性狀，在染色體3和 12 上識(shí)別了 2個(gè)重要的 QTL。Kawano 等[10]使用 LEI 和節(jié)間伸長(zhǎng)率（RIE），分別在染色體 3 和 12 以及 1 和 12 上檢測(cè)到每個(gè)性狀的2個(gè)QTL。此外，Hattori 等[11]研究了T65遺傳背景中的每個(gè) QTL（NIL-1、NIL-3 和 NIL-12），產(chǎn)生了近等基因系（NIL），并研究了節(jié)間伸長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，12 號(hào)染色體上的QTL 對(duì)深水區(qū)節(jié)間伸長(zhǎng)最有效。利用定位克隆和功能增益分析，Hattori 等[12]在12 號(hào)染色體的QTL區(qū)域識(shí)別了 2個(gè)乙烯反應(yīng)因子（ERF）基因，即 Snorkel1（SK1）和Snorkel2（SK2）。這些基因在非深水水稻T65 中缺失。在深水水稻的QTL 分析中，水稻植株的水下伸長(zhǎng)被認(rèn)為是表型最重要的性狀，Nagai 等[13]鑒定了 2個(gè)新的 QTL，qTIL2 和qTIL4，用于早期苗期的總節(jié)間伸長(zhǎng)。這些QTL 調(diào)節(jié)早期節(jié)間伸長(zhǎng)，并與深水條件下的3個(gè)主要QTL 協(xié)調(diào)發(fā)揮作用。

在IRRI 進(jìn)行了AG 的QTL 定位研究，并確定了主要QTL[14-15]。其中1個(gè)QTL 來自水稻9 號(hào)染色體上的Khao Hlan 品種qAG-9-2，精確定位到約50 kb 的區(qū)域。編碼海藻糖-6-磷酸磷酸酶（OsTPP）的基因已被克隆和功能驗(yàn)證。該QTL 也已轉(zhuǎn)移到流行的高產(chǎn)水稻品種中。

4 水稻耐澇基因的克隆與等位基因挖掘

4.1 營養(yǎng)期耐澇性SUB1 基因的克隆

SUB1 基因的克隆對(duì)于理解水稻耐澇性具有里程碑意義。在9 號(hào)染色體的SUB1 QTL 區(qū)域中發(fā)現(xiàn)了3個(gè)ERF基因 SUB1A、SUB1B 和 SUB1C[2]。對(duì) SUB1A 蛋白質(zhì)編碼區(qū)序列變異的研究發(fā)現(xiàn)了2個(gè)等位基因，SUB1A-1 和SUB1A-2。一般來說，SUB1A-1 等位基因存在于耐澇品種中，而不耐澇的品種的特征是SUB1A-2 等位基因的存在或SUB1A基因的缺失（空等位基因）。

2.2 深水水稻莖伸長(zhǎng)基因SK1 和SK2 的克隆

深水水稻已經(jīng)進(jìn)化出適應(yīng)其生長(zhǎng)環(huán)境的能力，通過獲得快速拉長(zhǎng)莖的能力，引入中空組織（通氣組織），作為通氣管允許空氣交換，從而防止缺氧造成的死亡[3]。生理學(xué)研究表明，乙烯、赤霉素和ABA 3 種植物激素調(diào)節(jié)水稻對(duì)洪水的反應(yīng)[16]?；趫D位克隆的SK1 和SK2 基因是12號(hào)染色體上1個(gè)主要QTL 的基礎(chǔ)，用于淹水響應(yīng)[17]。這些作者還證明，將3個(gè)來自深水水稻的QTL 導(dǎo)入非深水水稻，使后者能夠耐受淹水。

用SK1 和SK2 基因轉(zhuǎn)化的非深水水稻植株在響應(yīng)深水淹水時(shí)表現(xiàn)出節(jié)間伸長(zhǎng)，并且在非深水水稻中由水稻肌動(dòng)蛋白啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的SK 基因的異位過度表達(dá)導(dǎo)致節(jié)間伸長(zhǎng)，即使在干燥條件下也是如此，因此SK 基因正調(diào)控節(jié)間后期伸長(zhǎng)。SK1 和SK2 基因編碼假定的ERF 轉(zhuǎn)錄因子，具有單個(gè)AP2/ERF 結(jié)構(gòu)域和核定位信號(hào)。乙烯處理顯著誘導(dǎo)SK 基因的表達(dá)，但其他植物激素不誘導(dǎo)SK 基因的表達(dá)。這2 種SK 蛋白都是核蛋白，具有轉(zhuǎn)錄激活能力。

4.3 水稻厭氧萌發(fā)OsTPP7 基因的克隆

厭氧萌發(fā)對(duì)浸水條件下的均勻發(fā)芽和幼苗形成至關(guān)重要，也是直接播種水稻（DSR）品種發(fā)展的關(guān)鍵特征[14]。緬甸水稻地方品種Khao Hlan On 對(duì)AG 高度耐受，控制該性狀的主要QTL qAG-9-2 定位在9 號(hào)染色體上。該QTL隨后被精細(xì)定位到1個(gè)50 kb 的基因組區(qū)。最近，Kretzschmar等[18]成功克隆了海藻糖-6-磷酸磷酸酶基因（OsTPP7），該基因參與海藻糖-6-磷酸（T6P）代謝。在厭氧脅迫下，OsTPP7活性可能通過增加異養(yǎng)增殖組織中的庫強(qiáng)度，從而促進(jìn)胚芽鞘快速生長(zhǎng)。

5 發(fā)展高產(chǎn)耐澇水稻品種的范圍和前景

在GR 期間，具有半矮稈株高Sd1 基因的水稻品種推廣導(dǎo)致了世界范圍內(nèi)水稻產(chǎn)量的快速提高。在雨水灌溉的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，新品種的產(chǎn)量仍然受到雨水過多和不足的影響。從傳統(tǒng)品種中鑒定出的SUB1 基因，通過分子輔助回交（MABC）將其轉(zhuǎn)移到其他不耐澇品種中，并成功推廣種植，為亞洲易發(fā)生山洪災(zāi)害的地區(qū)，特別是印度東部和東北部的部分地區(qū)提供了的產(chǎn)量穩(wěn)定性。印度和IRRI 的基因庫中有大量水稻地方品種，這些品種長(zhǎng)期以來一直由易受洪水災(zāi)害和深水水稻種植區(qū)的農(nóng)民種植。在這些地方品種中有可能找到SUB1A 基因的優(yōu)良等位基因或新基因，這些基因可以更好地提高水稻耐澇性。此外，還需要尋找更多的耐澇基因，以進(jìn)一步提高水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性。這些研究有助于為易受洪水影響的地區(qū)開發(fā)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻品種，以防止雨季期間稻田頻繁泛濫造成的損失。