姚莎莎 王晶晶 王俊杰 梁衛(wèi)紅

（河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新鄉(xiāng) 453007）

水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，全球超過一半的人口以其為主食［1]。隨著人口的不斷增加、環(huán)境的惡化以及耕地面積的減少，糧食安全問題愈加嚴重。水稻產(chǎn)量與品質(zhì)協(xié)同遺傳改良的研究仍是育種工作的當(dāng)務(wù)之急。水稻產(chǎn)量的3個要素分別是單株有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)以及千粒重［2-3]，其中，千粒重是決定水稻產(chǎn)量最直觀的性狀。粒型是影響千粒重和水稻籽粒外觀及品質(zhì)的主要因素，由粒長、粒寬和粒厚決定，受多基因控制。現(xiàn)有研究顯示，水稻籽粒大小的調(diào)控機制非常復(fù)雜，已鑒定的信號通路涉及植物激素信號、泛素-蛋白酶體途徑、G蛋白信號通路、MAPK級聯(lián)及轉(zhuǎn)錄調(diào)控等［1,4-8]。盡管已經(jīng)認識到多種植物激素在調(diào)控水稻籽粒發(fā)育過程中具有重要的作用［9-10]，但是目前對植物激素信號調(diào)控水稻粒型的分子機制的認識仍然不夠系統(tǒng)。為此，本文以水稻胚乳發(fā)育過程中激素動態(tài)變化特征為切入點，聚焦于植物激素信號對籽粒發(fā)育和粒型調(diào)控的研究進展，對粒型調(diào)控相關(guān)植物激素信號網(wǎng)絡(luò)進行梳理，旨在為深入研究植物激素信號在調(diào)控水稻粒型中的作用機制提供參考。

1 水稻胚乳發(fā)育的基本過程

水稻籽粒由穎殼（稃殼）和穎果（糙米）兩部分組成，穎殼是禾本科植物特有的器官，由內(nèi)稃和外稃組成，不僅為種子提供了保護層，同時形成了填充容器，設(shè)定了粒型上限［11]。水稻穎果由皮層（包括果皮和種皮）、胚乳和胚組成，它們分別由母體珠被、受精的中央細胞、受精卵發(fā)育而來。因此，種子的發(fā)育受母體和合子組織等因素協(xié)調(diào)控制［12]。

胚乳是淀粉和蛋白質(zhì)等物質(zhì)的儲藏部位，占據(jù)水稻種子的絕大部分體積，是人類食物的重要來源。水稻胚乳屬于核型胚乳發(fā)育類型，根據(jù)細胞的形態(tài)和生理特征，可以將水稻胚乳發(fā)育過程劃分為游離核期（受精后0-3 d）、細胞化期（受精后3-6 d）、儲存物質(zhì)積累期（受精后6-16 d）、成熟期（受精后16-30 d）4個主要階段［13]。初生胚乳核在受精后3.5 h開始分裂，但該過程只發(fā)生核分裂而無胞質(zhì)分裂，因此形成的是一個具有多個游離細胞核的單個胚乳細胞。受精后第3天，開始進行胞質(zhì)分裂，并產(chǎn)生細胞壁，這一過程稱為細胞化。細胞化約在第5天基本完成，此時胚乳細胞完全填滿胚囊，并開始合成淀粉、脂質(zhì)等儲存物質(zhì)。儲存物質(zhì)的積累一直持續(xù)到第21天，隨后胚乳的干物質(zhì)增長基本停滯，同時含水量進一步減少，直至成熟［10]。

2 胚乳發(fā)育過程中植物激素的動態(tài)變化

植物激素是調(diào)節(jié)高等植物發(fā)育和環(huán)境信號應(yīng)答的重要分子。通過轉(zhuǎn)錄組分析、激素含量測定，以及胚乳特異性表達植物激素生物合成酶的研究，證明植物激素水平的動態(tài)變化在水稻胚乳發(fā)育中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，特別是對粒型和籽粒成分的調(diào)控［9-10]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的植物激素在胚乳發(fā)育過程中的積累各有特點（圖1），其中細胞分裂素（cytokinin, CK）含量在胚乳游離核期迅速增加，而當(dāng)進入細胞化時期，其合成受到強烈抑制，一直到儲藏物質(zhì)積累時期都維持較低的水平；受精后脫落酸（abscisic acid, ABA）的合成穩(wěn)步增加，當(dāng)細胞化期完成時其含量到達峰值，在儲藏階段則逐漸降低；生長素（auxin）的合成（以吲哚乙酸IAA為例）在種子受精后3 d開始被激活，含量不斷提高，進入儲藏物質(zhì)的積累階段后，胚乳中生長素的含量迅速增加，并穩(wěn)定維持在較高的水平；但茉莉酸（jasmonic acid, JA）水平的變化趨勢則與上述激素相反，其含量在游離核期維持較高水平，隨后逐漸下降，到受精第 6 天及之后的階段均維持極低水平；油菜素內(nèi)酯（brassinosteroid, BR）的合成在受精后迅速增加，第3天達到頂峰，隨后逐漸降低［10]，BR的變化趨勢和CK類似，但峰值出現(xiàn)時間晚于CK。赤霉素（gibberellin, GA）在胚乳發(fā)育過程中的積累僅在營養(yǎng)物質(zhì)儲藏時期有逐步增加的特征，但是在胚乳游離核期和細胞化時期都未檢測到GA［14]。乙烯（ethylene）在胚乳發(fā)育過程中的變化趨勢類似JA，乙烯含量在游離核期處于較高水平，隨后逐漸降低，貫穿整個發(fā)育階段［15]。然而植物激素在胚乳發(fā)育過程中的動態(tài)變化與調(diào)控胚乳發(fā)育的內(nèi)在聯(lián)系仍有待深入研究。

圖1 水稻胚乳發(fā)育過程中植物激素的動態(tài)變化示意圖Fig. 1 Schematic illustration of the phytohormones accumulation in developing rice endosperm

3 植物激素對籽粒發(fā)育的調(diào)控

植物激素包括細胞分裂素、油菜素內(nèi)酯、生長素、赤霉素、乙烯、茉莉酸和脫落酸等，對于水稻粒型調(diào)控具有重要作用，目前已克隆了數(shù)十個激素信號相關(guān)的粒型調(diào)控基因，分別涉及不同激素的合成或分解代謝途徑、激素的信號傳遞等過程，還有些基因則涉及整合不同植物激素信號，協(xié)同調(diào)控粒型。

3.1 細胞分裂素

CK通過組氨酸-天冬氨酸磷酸化信號調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育。細胞分裂素由膜定位的組氨酸激酶受體感知，通過His-Asp磷酸化轉(zhuǎn)導(dǎo)，激活細胞核中的幾種轉(zhuǎn)錄因子。磷酸化過程涉及組氨酸受體激酶（histidine kinases, HKs）、組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白（histidine phosphotransfer proteins, HPs）和反應(yīng)調(diào)節(jié)因子（response regulators, RRs）。

CK信號通路在調(diào)控水稻籽粒大小方面起著重要作用。如含有DUF1645結(jié)構(gòu)域的蛋白OsSGL可以通過CK信號通路調(diào)節(jié)籽粒大小。研究顯示，OsSGL過表達水稻的籽粒在縱向上表現(xiàn)出細胞長度和大小增加，以及細胞寬度減?。?6]。此外，參與CK信號傳導(dǎo)的幾個基因，如OsRR1和OsRR4，在OsSGL過表達水稻中表達量增加，推測OsSGL可能是CK信號傳導(dǎo)上游的正調(diào)節(jié)因子［17]。

CK水平受生物合成和滅活途徑的調(diào)節(jié)。在CK代謝過程中，細胞分裂素氧化酶（cytokinin oxidases,CKXs）調(diào)控CK降解。外源施加CK能夠抑制CKXs表達，導(dǎo)致籽粒增大［18]。鋅指轉(zhuǎn)錄因子DST能夠結(jié)合于OsCKX2啟動子，調(diào)控OsCKX2在穗部表達，DST突變體的花序中CK水平升高，其穗粒數(shù)明顯增加，千粒重也有所增加，而過表達DST的轉(zhuǎn)基因水稻則穗粒數(shù)減少，粒重減?。?9]。

除了參與CK合成、降解和信號傳導(dǎo)的基因外，還有一些粒型相關(guān)基因與CK的運輸密切相關(guān)。例如顯性突變體bg3-D（big grain3）中，根和芽中的CK含量增加，表現(xiàn)出籽粒顯著增大，這是由嘌呤滲透酶OsPUP4的活化引起的。OsPUP4的功能是調(diào)控CK的運輸，通過影響CK的分布調(diào)節(jié)植株表型，包括籽粒大小、籽粒數(shù)和葉片伸長等［20]。

3.2 油菜素內(nèi)酯

BR涉及調(diào)控植物多種發(fā)育過程，既可以單獨也可與其他激素一起控制粒型。BR相關(guān)突變體通常表現(xiàn)出籽粒大小的改變，BR生物合成突變體（BR缺陷）和BR信號突變體（BR不敏感）均具有小粒表型。

BR生物合成突變體的籽粒減小表型，主要是由于內(nèi)源性BR的減少，如BRD1（Brassionsteroiddependent1）［21]、BRD2（Brassionsteroid-dependent2）［22]、D2（EBISU DWARF）［23]和D11（DWARF11）［24]呈現(xiàn)出粒長和粒寬都降低的表型，粒型的改變源于穎殼細胞的擴張受阻。CPB1（CLUSTERED PRIMARY BRANCH 1）［25]、GNS4［26]和PMM1［27]是分別被獨立鑒定的D11新等位基因，編碼細胞色素P450蛋白，是BR生物合成途徑的重要組分，通過調(diào)節(jié)BR積累，影響水稻幼穗分化和穗形態(tài)。OsCPD1和OsCPD2是細胞色素P450單加氧酶CYP90A家族的成員，oscpd1和oscpd2雙突變體在整個生長期表現(xiàn)出多種異常的發(fā)育表型，其中包括粒長變短。通過施加BL，可以補償oscpd雙突變體的表型缺陷，證實了該雙突變體存在BR的內(nèi)源性缺陷。與該突變體相反的是，OsCPD1和OsCPD2的過表達水稻具有粒長變長的典型BR增強表型［28]。

基于突變體的研究和同源克隆等方法，目前已在水稻中建立了一條從上游受體到下游轉(zhuǎn)錄因子，相對完整的BR信號通路。BR被膜定位的受體激酶OsBRI1及其共受體OsBAK1感知［3]，啟動胞內(nèi)信號傳導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)，激活轉(zhuǎn)錄因子OsBZR1和DLT，進而調(diào)節(jié)其靶基因的表達。GSK2是一種GSK3/SHAGGY樣激酶，已被確定為BR信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵負調(diào)節(jié)因子。目前，已鑒定的GSK2作用靶標(biāo)包括DLT［29]、OsWRKY53［30]，以及OVATE家族蛋白（OVATE family proteins, OFPs），諸如OFP1［31]、OFP3［32]、OFP19［33]，GSK2通過改變這些下游蛋白的磷酸化水平，控制水稻粒型。此外，GSK2還能直接與粒型相關(guān)轉(zhuǎn)錄激活因子GS2/LGS1/OsGRF4［34]和GS9［35]結(jié)合，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性。近來的研究發(fā)現(xiàn)，GSK2下游的正調(diào)節(jié)因子SG2的突變體sg2（small grain2）粒長和粒寬均變短，對外源性BR不敏感［36]，說明SG2處于BR信號通路中，參與對粒型的調(diào)控。

除上述基因外，與籽粒大小相關(guān)的大多數(shù)QTL，如GW5/qSW5/GSE5和GS5可能都參與水稻的BR信號傳導(dǎo)。GW5/qSW5/GSE5被確定為控制粒寬和粒重的主要QTL［37]。GW5的表達水平影響穎殼的細胞增殖，與粒寬呈負相關(guān)。GW5/qSW5/GSE5編碼鈣調(diào)結(jié)合蛋白，定位于質(zhì)膜上，通過與GSK2結(jié)合，抑制GSK2活性并介導(dǎo)BR響應(yīng)，是BR信號傳導(dǎo)的正調(diào)節(jié)因子［38]。GS5編碼絲氨酸羧肽酶，這是第一個被確定為正向調(diào)節(jié)粒型的QTL［39]。對GS5啟動子多態(tài)性的轉(zhuǎn)基因研究顯示，GS5的表達水平與籽粒大小相關(guān)，GS5表達量越高，籽粒越大。GS5過表達可以競爭性地抑制OsBAK1-7與膜類固醇結(jié)合蛋白1（OsMSBP1）之間的相互作用，從而阻止OsBAK1-7被OsMSBP1內(nèi)吞，增強BR信號傳導(dǎo)［40]。

3.3 生長素

生長素通過調(diào)節(jié)生長素應(yīng)答基因的表達來控制水稻發(fā)育過程，如種子生長、胚胎發(fā)育和配子體形成等［41]。生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要涉及3個蛋白質(zhì)家族，分別為生長素輔助受體TIR1/AFB（F-box transport inhibitor response 1/auxin signaling F-box protein）、轉(zhuǎn)錄抑制因子AUX/IAA（auxin/indole-3 -acetic acid）和生長素應(yīng)答因子ARF（auxin response factor）［42]。

水稻粒型控制中的生長素相關(guān)基因，有些與生長素信號傳遞相關(guān)，如qTGW3/TGW3/GL3.3編碼一種GSK3/SHAGGY樣激酶OsGSK5/OsSK41，該激酶與生長素應(yīng)答因子OsARF4相互作用，進而抑制生長素應(yīng)答基因的表達，負調(diào)控水稻的籽粒大小和粒重，OsGSK5/OsSK41和OsARF4的功能缺陷突變體均表現(xiàn)為籽粒增大、粒重增加［43]。調(diào)控水稻粒型OsARF基因，不止OsARF4，研究表明，miR167a-OsARF6-OsAUX3模塊可調(diào)節(jié)水稻的粒長和粒重，OsARF6可以直接與OsAUX3啟動子上的生長素應(yīng)答元件結(jié)合，而miR167a通過負調(diào)控OsARF6的表達，正向調(diào)控水稻籽粒大小，OsAUX3和OsARF6的功能缺陷突變體以及miR167a的過表達植株均表現(xiàn)為粒長和粒重增加［44]。

另一個重要的生長素信號傳遞基因 Gnp4/LAX2編碼一個含有RAWUL（RING-finger and wd40-associated ubiquitin-like）結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，涉及調(diào)控OsIAA3-OsARF25-OsERF142/SMOS1信號模塊，參與對粒型的控制。Gnp4/LAX2的過表達可以顯著增加籽粒長度和千粒重，這是由于Gnp4/LAX2可結(jié)合OsIAA3，干擾OsIAA3與OsARF25的相互作用。OsIAA3的RNAi植株表現(xiàn)為較長的籽粒，而突變體osarf25具有較小的籽粒。在該通路中，OsARF25結(jié)合在器官大小調(diào)節(jié)基因OsERF142/SMOS1的啟動子上，激活其表達［45]。

還有一些粒型基因則涉及生長素的合成與積累。最近研究表明，生長素積累的負調(diào)節(jié)因子DNR1（Dull nitrogen response 1）的表達水平受外部氮素的調(diào)節(jié)。通過降低粳稻品種的DNR1水平，能夠促進生長素積累，進而提高粳稻對氮的利用效率，使籽粒增大［46]。TSG1（Tillering and small grain 1）編碼色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶，tsg1突變體表現(xiàn)為生長素缺陷的表型，包括分蘗數(shù)增加、穗數(shù)減少和籽粒減小等［47]。另一個粒型QTL——GSA1編碼一種UDP葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，催化底物為黃酮類和木質(zhì)素單體，通過影響類黃酮介導(dǎo)的生長素含量變化及相關(guān)基因表達，影響籽粒大小，GSA1過表達導(dǎo)致籽粒增大，同時還能提高對非生物脅迫的耐受性［48]。

3.4 赤霉素

GA在調(diào)節(jié)植物生長和發(fā)育過程中具有多重作用，包括種子萌發(fā)、枝條伸長、葉片擴張以及花、種子的發(fā)育等。近些年的研究表明，GA信號通路在籽粒大小調(diào)控中也發(fā)揮重要的作用。擬南芥和水稻的GA信號通路均涉及核心抑制因子DELLA蛋白，在沒有GA的情況下，通過DELLA蛋白抑制GA信號。當(dāng)GA存在時，DELLA蛋白與受體GID1結(jié)合后，構(gòu)象發(fā)生變化，進而被E3泛素連接酶SCFGID2/SLY1泛素化修飾，最終進入26S蛋白酶體被降解，從而解除DELLA對GA信號的抑制［49]。

研究表明，已經(jīng)鑒定了GA調(diào)控粒型信號通路中的一些轉(zhuǎn)錄因子，如GAST（Gibberellic acid stimulated transcript）家族編碼具有保守的富含半胱氨酸結(jié)構(gòu)域的小肽，基因表達受GA的誘導(dǎo)［50]。GAST家族的許多成員參與GA信號通路，正調(diào)控粒寬和粒重。GA誘導(dǎo)該家族成員GW6在幼穗中高表達，通過促進穎殼細胞的擴張，增加粒寬，GW6敲除株系表現(xiàn)為籽粒變小和粒重降低，而GW6過表達水稻則籽粒變大、粒重增加［51]；另一個GAST成員OsGASR9也是響應(yīng)GA反應(yīng)的正調(diào)節(jié)因子，調(diào)控水稻株高、籽粒大小和產(chǎn)量。OsGASR9的RNAi植株表現(xiàn)為株高降低、籽粒變小和產(chǎn)量降低，而其過表達植株則呈相反的性狀［52]。

WRKYs轉(zhuǎn)錄因子同樣與GA信號通路控制粒型有關(guān)。Lan等［53]鑒定了一個T-DNA插入突變體sgsd3，該突變體具有小粒表型。進一步分析表明，突變基因編碼一種WRKY轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY36，該轉(zhuǎn)錄因子通過穩(wěn)定水稻中唯一的DELLA蛋白編碼基因SLR1表達，抑制GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而負調(diào)控籽粒大小。轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炓沧C實OsWRKY36過表達植株表現(xiàn)為籽粒變小，而該基因的干擾植株和敲除株系均具有籽粒增大表型。

另外一些粒型基因涉及GA生物合成途徑，如SGD2（Small Grain and Dwarf 2）、OsBCL1/OsBCL2、GLW7.1、SNG1等。其中，SGD2編碼HD-Zip II家族轉(zhuǎn)錄因子，sgd2突變體表現(xiàn)出株高降低、籽粒變小、發(fā)芽率降低、抽穗延遲和生育力下降等GA缺乏的表型［54]，原因是突變體中GA生物合成受到抑制。近年的研究發(fā)現(xiàn)，受控于OsBUL1啟動子的OsBCL1和OsBCL2過表達轉(zhuǎn)基因水稻籽粒增大，且GA生物合成相關(guān)基因表達水平顯著高于對照水稻，提示OsBCL1和OsBCL2通過正調(diào)控GA的生物合成，促進籽粒增大［55]。另一個粒型QTL位點GLW7.1編碼CCT基序家族蛋白GHD7，作用方式同樣是上調(diào)GA生物合成基因的表達，通過提高內(nèi)源GA含量，促進穎殼細胞分裂和擴張，導(dǎo)致籽粒增大［56]。近年來，發(fā)現(xiàn)SNG1編碼一種己糖激酶樣蛋白OsHXK3，也是通過影響GA的生物合成和穩(wěn)態(tài)，正調(diào)控籽粒大小和重量［57]。

3.5 乙烯

乙烯在促進葉片衰老、果實成熟、種子休眠中發(fā)揮重要作用。近年的研究發(fā)現(xiàn)，乙烯的生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的變化均能影響水稻籽粒大小。

調(diào)控籽粒內(nèi)源乙烯的水平，能夠改變粒型。乙烯是由甲硫氨酸（Met）通過三步反應(yīng)合成的，其中活化的Met轉(zhuǎn)化為1-氨基環(huán)丙烷羧酸（1-aminocyclopropanecarboxylic acid, ACC）是限速步驟。有研究發(fā)現(xiàn)，在鹽脅迫條件下，ACC含量升高引起的乙烯積累，阻礙水稻的生長發(fā)育，而ACC脫氨酶可以緩解鹽脅迫導(dǎo)致的高乙烯水平。5'-磷酸吡哆醛（pyridoxal 5'-phosphate hydrate, PLP）是一種ACC脫氨酶輔助因子，PLP作為ACC的抑制劑，可通過緩解鹽堿條件下乙烯的高積累，促進植物生長發(fā)育。利用PLP的抑制效應(yīng)，可以提高水稻千粒重，單株產(chǎn)量和總生物量［58]。對水稻精胺合酶編碼基因OsSPMS1的轉(zhuǎn)基因研究發(fā)現(xiàn)，RNAi株系籽粒中ACC和乙烯含量顯著高于野生型，而過表達植株種子中乙烯含量顯著低于野生型，該基因負調(diào)控籽粒大小、單株產(chǎn)量以及種子萌發(fā)［59]。

除了上述涉及乙烯合成途徑的粒型基因，目前還發(fā)現(xiàn)有些粒型基因與乙烯信號通路相關(guān)，乙烯信號通路中已知的組分主要有負調(diào)節(jié)因子CTR1（constitutive triple response 1）、正調(diào)節(jié)因子EIN2（ethylene insensitive 2）、轉(zhuǎn)錄因子EIN3和EIL1（EIN3-LIKE1）以及乙烯反應(yīng)因子（ERFs）［60]。其中，乙烯反應(yīng)因子OsERF115是被鑒定的乙烯信號通路中關(guān)鍵的下游因子。OsERF115編碼一種AP2/ERF型轉(zhuǎn)錄因子，在幼穗和發(fā)育中的穎果中特異性表達。OsERF115的轉(zhuǎn)錄受乙烯強烈誘導(dǎo)，這是通過OsEIL1直接與OsERF115啟動子結(jié)合，激活其表達實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炞C實，過表達OsERF115通過促進穎殼細胞的縱向伸長和橫向分裂，增強灌漿活性，顯著增加粒長、粒寬和粒厚，提高粒重，而其敲除突變體的表型與之相反，表明OsERF115正調(diào)控籽粒大小和粒重［61]。

3.6 茉莉酸

JA及其衍生物作為重要的脂質(zhì)衍生激素，在調(diào)節(jié)植物生長和發(fā)育以及適應(yīng)各種生物和非生物脅迫方面發(fā)揮重要作用。近期研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸信號通路途徑也涉及籽粒大小調(diào)控。如與野生型相比，響應(yīng)JA信號的纈氨酸-谷氨酰胺（valineglutamine, VQ）基序蛋白編碼基因OsVQ13的過表達株系具有籽粒變大的表型。絲裂原活化蛋白激酶基因OsMPK6過表達株系也具有籽粒增大的表型，進一步的研究顯示OsVQ13與OsMPK6存在相互作用，共同參與籽粒大小的調(diào)控［62]。

水稻JA信號抑制因子OsJAZ11在種子發(fā)育過程中高表達，與野生型相比，過表達OsJAZ11轉(zhuǎn)基因水稻粒寬和粒重都有所增加，但是籽粒灌漿和產(chǎn)量卻有所降低。對其作用機制的研究發(fā)現(xiàn)，OsJAZ11通過協(xié)調(diào)OsGW7和MADS等粒型調(diào)控基因的表達，參與種子大小和小穗發(fā)育的調(diào)控［63-64]，在OsJAZ11過表達株系中，JA生物合成/信號傳導(dǎo)和MADS-box的表達水平均發(fā)生了改變，并且籽粒大小負調(diào)節(jié)因子OsGW7的表達在OsJAZ11過表達株系中顯著降低［65]，因此，OsJAZ11通過JA生物合成和信號傳導(dǎo)途徑影響水稻籽粒大小。

3.7 脫落酸

雖然以往對ABA與籽粒關(guān)系的研究主要側(cè)重在種子休眠和耐旱方面，但在胚乳發(fā)育過程中已檢測到ABA水平的動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)ABA參與控制水稻籽粒中營養(yǎng)物質(zhì)的積累，并影響水稻籽粒的灌漿和大小［66]。如OsNCED3編碼脫落酸生物合成酶，在發(fā)育種子的胚中高表達，調(diào)控水稻籽粒發(fā)育。利用CRISPR/Cas9技術(shù)敲除該基因，在突變體的胚中，ABA含量較低，而GA水平則較高，從而加速了胚的發(fā)育，并提前打破種子休眠，同時導(dǎo)致籽粒減小，而過表達OsNCED3則導(dǎo)致籽粒增大、粒重增加［67]。

3.8 其他可協(xié)同多個植物激素通路的粒型調(diào)控因子

現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，一些粒型相關(guān)基因并不僅僅在一條激素信號通路中起作用。如PPKL1是整合調(diào)控粒型的BR信號與CK信號的關(guān)鍵分子。在CK信號傳遞中，PPKL1作為磷酸酶，通過與OsAHP2相互作用，抑制CK信號的傳遞。但是當(dāng)PPKL1關(guān)鍵位點突變后，則解除對CK信號的抑制，導(dǎo)致PPKL1的半顯性突變體的籽粒增大［68]。在BR信號通路中，OsPPKL1通過調(diào)節(jié)OsGSK3的磷酸化水平及其穩(wěn)定性，負調(diào)節(jié)籽粒大小，還能通過調(diào)節(jié)OsBZR1的磷酸化水平及亞細胞定位，抑制BR信號傳遞［69]。近期分離鑒定的PPKL1上游蛋白OsBSK3可以活化BR信號，正調(diào)控籽粒大?。?0]，PPKL1相互作用蛋白OsAK3也被證明參與調(diào)節(jié)水稻BR信號傳導(dǎo)，正調(diào)控籽粒大?。?1]。

異源三聚體GTP結(jié)合蛋白（G蛋白）與籽粒大小調(diào)控相關(guān)，并參與不同激素信號的傳遞。例如，G蛋白的β-亞基RGB1不僅參與CK生物合成的調(diào)節(jié)，而且還參與生長素信號通路的調(diào)控。抑制RGB1的表達會提高幼穗中CKXs的表達，導(dǎo)致內(nèi)源CK水平降低，籽粒減小［72]；在生長素信號通路中，受RGB1調(diào)控的下游效應(yīng)分子之一是轉(zhuǎn)錄因子OsNFYB1，該轉(zhuǎn)錄因子激活生長素合成基因OsYUC11的表達，通過提高生長素的水平，導(dǎo)致籽粒增大［73]。此外，G蛋白的γ亞基DEP1/qPE9-1則通過生長素信號和CK途徑，正調(diào)控淀粉積累，導(dǎo)致籽粒變大［74-75]。

一些轉(zhuǎn)錄因子在協(xié)同不同激素信號調(diào)控粒型中也發(fā)揮重要作用，如NAC轉(zhuǎn)錄因子OsNAC129可能參與協(xié)調(diào)BR和ABA信號，調(diào)節(jié)淀粉合成、籽粒填充等多種生物過程，負調(diào)控粒型［76]。一些OFP轉(zhuǎn)錄因子成員作為OsGSK2的底物參與BR信號傳遞，控制粒型，還有些則與GA信號相關(guān)。如OsOFP1過表達水稻還可以抑制GA合成，導(dǎo)致粒長縮短和粒寬增加［32]。OsOFP22過表達能促進SLR1蛋白的積累，在抑制GA信號傳遞的同時，也抑制 BR 信號應(yīng)答基因的表達，調(diào)節(jié)水稻株型和粒型［77]。已鑒定的調(diào)控水稻粒型的植物激素信號基因如表1所示。

表1 已鑒定的調(diào)控水稻粒型的植物激素信號基因Table 1 Identified phytohormone signalling genes regulating grain size in rice

4 展望

水稻粒型是復(fù)雜的數(shù)量性狀，水稻粒型調(diào)控分子機制也非常復(fù)雜。水稻粒型調(diào)控不僅涉及多種信號通路［1,4-8]，而且受到包括營養(yǎng)、田間管理、種植區(qū)域等環(huán)境因素的顯著影響［4]。

作為熱點問題之一，粒型調(diào)控機制的研究近年來取得了較大的進展，借助于圖位克隆、基因組編輯技術(shù)、表達譜分析、激素含量測定和表型觀察等手段，研究證實植物激素水平的動態(tài)變化在決定水稻粒型和營養(yǎng)成分積累中發(fā)揮著關(guān)鍵和獨特作用。如生長素和GA促進籽粒長度；CK促進籽粒的長度但抑制了粒寬，產(chǎn)生細長的籽粒；而BR、乙烯和JA同時促進粒長和粒寬［9-10,62,65]。水稻粒型相關(guān)基因也在持續(xù)的分離和鑒定當(dāng)中，目前，推測這些基因主要涉及調(diào)控植物激素的生物合成、運輸、降解以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過調(diào)控胚及胚乳的發(fā)育過程，最終影響籽粒大小和產(chǎn)量。從涉及不同植物激素信號的水稻粒型相關(guān)基因以及相互關(guān)系可以看到，近年來，盡管在植物激素信號調(diào)控水稻粒型的分子機制研究中取得較大進展，但迄今對整個水稻調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解仍然有限且零散（圖2），已知粒型調(diào)控因子在整個信號網(wǎng)絡(luò)中與其他分子的關(guān)聯(lián)、不同信號通路之間的相互作用關(guān)系和地位仍有待進一步揭示。值得期待的是，基因組編輯技術(shù)、多組學(xué)關(guān)聯(lián)分析、系統(tǒng)生物學(xué)等技術(shù)的應(yīng)用，將促進粒型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究的深入，不斷發(fā)現(xiàn)新的粒型調(diào)控因子，填補各信號通路的空缺，構(gòu)建逐步完善的粒型調(diào)控的分子網(wǎng)絡(luò)。

圖2 與水稻粒型相關(guān)的植物激素信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)Fig. 2 Phytohormone signaling regulatory networks associated with rice grain size

盡管水稻中已發(fā)現(xiàn)超過400個與粒型相關(guān)的QTL，一些基因也被克隆和鑒定（表1），但是能夠用于育種實踐的基因資源卻十分有限，原因之一是水稻籽粒大小通常與籽粒數(shù)量呈負相關(guān)［1]，如DEP1表達下調(diào)可顯著增加籽粒數(shù)和產(chǎn)量，但同時也導(dǎo)致籽粒變小［74-75]，精準(zhǔn)調(diào)控DEP1的表達水平，增加產(chǎn)量的同時，避免粒型的改變顯得尤為重要。由于迄今平衡每穗粒數(shù)和籽粒大小之間的分子機制尚不清楚，因而很大程度上制約了水稻粒型基因在分子設(shè)計育種的應(yīng)用，這也是后續(xù)研究需要面臨的一個挑戰(zhàn)。因此，深入研究粒型調(diào)控機制，有助于解析水稻粒型調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。隨著更多粒型有益等位基因的挖掘和鑒定，找尋優(yōu)化正、負因素找到最佳協(xié)調(diào)表達模式，將其合理、有效的組合運用到育種上，有望為水稻產(chǎn)量和品質(zhì)的提升作出貢獻。