非结构性碳水化合物与水稻颖花形成关系的研究进展

董明辉，江 贻，陈培峰，赵步洪，顾俊荣

（1江苏太湖地区农业科学研究所，江苏苏州 215155；2扬州大学江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点，江苏扬州 225009）

0 引言

中国是世界上稻米需求量最大的国家，但人多地少、农业资源短缺对水稻生产的影响日益加重。《国家人口发展规划(2016—2030)》预测到2030 年中国人口将达到14.5亿的峰值，要保证粮食安全，必须在现有基础上使总产和单产得到大幅度的提升[1-3]。从近50 年中国水稻发展状况分析，穗粒数成为主导单产大幅提高的首要因子[4-6]。尤其近年来一些大穗型超级稻作为高产或超高产创建的优选品种，因其颖花多，库容大，增产潜力大的特性应用面积不断扩大。但该类型品种产量在年度间的变幅较大，主要表现在枝梗与颖花易退化，穗粒数和结实率不稳定，增产潜力发挥效果不佳。研究已证实颖花分化、退化不仅受遗传控制，同时也易受环境生态和栽培条件的调控。通过近几年研究发现大穗型水稻在不同栽培环境条件下颖花分化、退化差异较大，同一稻穗下部二次枝梗颖花的分化、退化极不稳定，颖花量忽高忽低[7,13-14]。水稻颖花形成受穗分化期植株体内非结构性碳水化合物(NSC)含量以及C/N 比值的调控，抽穗前15 天-抽穗期较高的NSC 含量有利于颖花分化，减少退化，而抽穗前20天-抽穗前25 天则表现相反的结论。NSC 糖信号与激素之间的相互作用及对作物器官（包括穗）建成的重要性已有共识，通过小麦、玉米幼穗形成及拟南芥种子萌发、幼苗发育等过程的植物糖与激素响应途径研究表明，植物糖信号传导途径是植物复杂的信号网络中的一部分，与多种激素信号间存在密切的相互作用，在穗分化期直接影响植物的生长发育进程，与最终颖花的形成密切相关。但目前NSC 的调控作用或与激素共同调控水稻颖花的形成及其机理研究还不够深入，多为推断或假设，调控途径仍不清晰。因此，深入研究水稻穗分化发育阶段非结构性碳水化合物糖信号-激素及激素间的平衡-相关蛋白酶表达-颖花形成之间的内在联系，阐明大穗型水稻二次颖花易退化、穗粒数不稳定的糖与激素调节机理，对于构建适宜颖花量为目标的高产栽培技术途径，指导水稻优质高产育种与栽培，具有重要意义。

1 水稻颖花形成的特点

研究表明在品种演替进程中，特别是生产上推广应用超级稻品种以来，水稻穗型不断扩大[5,12]。对近20年来生产上应用品种一、二次枝梗数和一二次枝梗的穗粒数变异系数分析，二次枝梗数、总枝梗数、二次枝梗粒数等性状在不同品种间的差异较大，具有较丰富的变异，是影响最终穗粒数的主要因素[5]。也有研究通过对不同穗型（中等穗型、偏大穗型、大穗型）穗粒结构分析，认为每穗粒数的提高由中等穗型到偏大穗型，主要依靠一次枝梗的贡献，而由偏大穗型到大穗型以及特大穗型和超大穗型，则主要依靠二次枝梗的贡献[12]。这种差异可能与品种类型有关，不同籼、粳稻或籼粳杂交稻其穗粒结构特征存在一定的差异。水稻最终穗粒数的形成是由每穗总颖花数和结实率决定的，形成过程贯穿于穗分化期至齐穗期约40～45天。每穗颖花数是决定穗粒数的基础，但其多少决定于穗分化期的生长发育情况，历时25 天左右，其中第一苞分化期（约抽穗前30天）为颖花增殖期，之后至花粉母细胞减数分裂末期（约抽穗前5 天）为颖花减退期，减数分裂期是颖花数受影响最强的时期[16]。研究认为穗粒数的多少主要由一次枝梗分化数和二次颖花退化数决定，其中一次枝梗分化数的多少直接影响每穗颖花分化数的数量，二次颖花易退化是穗粒数减少的主要原因[17-19]。

2 幼穗分化发育与同化物代谢的关系

关于小花的分化、退化，研究认为与穗分化期植株体内氮素水平以及碳氮代谢平衡性、幼穗生理活性等诸因素有关，水稻从营养生长到生殖生长转变不仅需要积累必需的氮素营养，还需要有利于水稻生殖生长的碳水化合物为幼穗分化和发育提供能量物质[20]。Toshiyuki[21]，Horie[22]等认为，水稻在穗分化期内茎叶干物质积累速度快有利于形成更多的颖花，对最终产量的形成起关键作用，主要原因是这段时期生长速率更强的个体能积累更多的NSC，而NSC 对于穗粒数、千粒重都有重要作用。潘庆民等指出[23]，穗分化期单茎干重与单茎颖花分化数呈正相关，说明干物质积累多有利于颖花分化，水稻幼穗分化、发育与同期同化物的代谢状况密切相关。超级稻或杂交稻群体生长量大，单位面积颖花量大的特点，生产上存在的颖花易退化、结实不稳定是否与茎叶与穗同时对同化物竞争而导致单位颖花同化物少有关，目前还未知；穗分化发育阶段，NSC的代谢及对小花分化、退化、小花育性及最终颖花数形成的作用机理值得系统、深入探究。

碳水化合物按其在植株内的存在形式可分为结构性碳水化合物和非结构性碳水化合物(NSC)两种，前者主要用于植物体的形态建成，后者（如淀粉、蔗糖、葡萄糖等）则参与植株代谢过程和产量形成[23-24]，近年来相关研究表明[13-15,25-26]，枝梗及颖花分化及退化亦与穗分化期NSC的浓度和含量关系密切，陈培峰等[14]研究认为抽穗前12 天至抽穗期茎鞘积累较高的NSC 不利于枝梗和颖花的形成，抽穗前16天至抽穗前8天幼穗积累较高的NSC 对穗粒数形成起重要作用。NSC 与穗粒数的形成有非常密切的关系，但其在穗分化不同时期扮演什么样的调控角色仍不清晰。

3 幼穗发育与非结构性碳水化合物的关系

传统认识认为糖在植物体内的活性浓度较高，是植物生产发育过程中的能量来源和结构物质，不是一种信号物质。但在拟南芥等植物上的研究表明，糖可以作为信号传导中的初级信使，影响植物的生长发育和基因表达，具有类似激素的作用[27-29]，在植物的生长发育等许多过程中起调控作用[28,30]。蔗糖作为碳水化合物运输的主要形式，是用来研究调控植物生长发育和基因表达的主要糖组分[31]。但又有研究发现己糖（果糖和葡萄糖）可能替代蔗糖的这种作用，BORISJUK[32]研究报道，在早期豌豆种子发育中高水平的细胞壁转化酶活性提高了己糖的水平，促进细胞分裂使胚快速生长；在拟南芥子叶发育过程中葡萄糖浓度与细胞分裂的活性相关，葡萄糖作为发育激发因子对细胞周期蛋白D 基因的表达进行调节[33]，上述研究说明植物己糖与细胞分裂和器官的分化发育关系密切，笔者通过试验证实孕穗初期喷施一定浓度葡萄糖可促进枝梗和颖花分化（图1），因此稻穗颖花的分化发育、退化与己糖的内在关联值得研究。

Wagner 等[34]研究麦类果聚糖代谢指出，果聚糖是麦类作物营养器官的主要贮藏性碳水化台物，在幼穗分化阶段果聚糖呈现先积累后消费的特点，Hendrix[35]研究得出开花前穗果聚糖的积累量和消费量与幼穗的形成均有密切的相关性，认为穗果聚糖代谢具有重要的生理意义。王志敏等[36]研究表明小麦开花前约8天内，穗中还原糖浓度较高，且此期还原糖浓度与最终颖花数也有密切相关性，认为此期小花发育对穗中还原糖水平有明显的依赖性，此期穗还原糖主要来自于果聚糖的水解和蔗糖的降解。进一步研究穗中糖代谢酶活性表明，开花前8天酸性蔗糖转化酶活性均较高，在于此阶段穗中果聚糖合成酶(SST)活性已下降，而蔗糖合成酶(SS)活性又很低，认为转化酶催化的蔗糖降解作用对于维持此阶段穗库强度并为小花发育提供还原糖基质具有重要作用[19]。Halford 等[37-38]研究证实，己糖激酶和SNF1-相关蛋白激酶(sucrose non.fermenting-1-related protein kinase)参与植物糖感知和糖信号传导。上述研究主要来自于小麦、豌豆、拟南芥等高等植物的研究结果，水稻幼穗中糖代谢及有关蛋白酶的表达仍未见报道。最近陈培峰等[14]研究表明水稻抽穗前8天幼穗较高的NSC积累量是水稻大穗形成基础，与王志敏等[36]研究小麦开花前约8天内，穗中还原糖浓度较高有利于颖花数形成结论较为相似，笔者前期通过抽穗前喷施一定浓度的葡萄糖和己糖（果糖和蔗糖）试验均能有效减少了退化，且越接近抽穗退化越少（图2）。但这些可溶性糖是作为水稻幼穗发育的代谢同化物，亦或调节物质其作用机理尚不完全清楚。

4 糖信号与激素信号的相互关系及其对幼穗发育的调节

植物糖信号传导途径是植物复杂的信号网络中的一部分，与多种激素信号间存在密切的相互作用，影响植物的生长发育[39-41]，任何器官的发育都依赖于植株体内各种内源激素的均衡及其与同化物间的协同作用[42]。多数研究证实了赤霉素(GA)、生长素(IAA)、细胞分裂素(CTK)、脱落酸(ABA)和乙稀等五大类激素参与了稻穗颖花的形成调控。ABA、乙烯一般作为抑制性激素，在小麦上研究发现花粉母细胞减数分裂期增加ABA含量降低花粉育性和颖花数[43]；乙稀一般在植物组织都能产生，但产生量通常很少，在许多植物中，乙烯似乎是促进花芽退化的主要因子[41]，杨建昌等[44]指出内源ABA 和乙烯的相互拮抗作用调控颖花的育性。关于糖信号与激素间的关系，研究证实ABA有促进葡萄糖响应的作用[45]，但在高浓度葡萄糖胁迫下内源ABA水平较高，导致拟南芥幼苗发育停止[46-47]，说明ABA 与葡萄糖之间存在相互作用的关系。Zhou[48]研究发现通过外加乙烯合成前体ACC，可以诱导高浓度葡萄糖胁迫下拟南芥子叶和新梢的重新发育，表明葡萄糖与内源激素联系密切。Cheng等[47]在低浓度(2%)条件下，葡萄糖通过己糖激酶调节ABA合成与信号转导，使葡萄糖与乙烯之间产生相互拮抗作用，因此认为己糖激酶是糖与激素联系的一个关键元件，但具体的调控路径还需深入研究。通常CTK、IAA 和GA 作为促进性激素，在穗分化期不断变化，表现为先下降后升高的趋势，在穗分化始期最高[49-50]。多数研究表明了幼穗发育与这3 种激素关系密切，王夏雯等[49]研究指出颖花分化与IAA 与CTK 的比例关系有关，但CTK 的含量水平起主导作用；穗分化期不同阶段GA 与ABA含量及其配比与穗分化的关系有所差异[50]，两激素间有一定的拮抗关系。研究还发现，糖信号还与GA、IAA和CTK 信号有关。葡萄糖抑制了GA诱导的大麦胚中α-淀粉酶基因的表达，但这种抑制作用与GA 的生物合成无关，与糖信号和GA 信号的传导有关[51]。IAA 对蔗糖诱导的营养储藏蛋白(VSP)基因在大豆中的表达具有拮抗作用[52]，另有报道拟南芥葡萄糖不敏感突变体gin2 对IAA 不敏感，但对CTK 高度敏感[53]。Rokove[54]在开花前用CTK物质处理刺激14C蔗糖向麦穗的转运，从而增加了最终颖花数，认为机理可能在于CTK 类物质处理可部分抵消ABA 对蔗糖运转和籽粒形成的抑制作用，但CTK与葡萄糖信号之间则存在拮抗关系[55]。说明激素与可溶性糖类之间的相互作用因不同糖组分和发育阶段不同而异，但至今这方面的系统性深入研究还不够，NSC的调控作用或与激素共同调控颖花的形成机理多为推断或假设，对水稻糖信号物质（NSC中可溶性糖）-植物激素-蛋白的表达和代谢酶活性-颖花形成之间的关系，知之甚少。因此，通过研究揭示糖与激素信号之间的联系以及它们对水稻幼穗的分化发育存在何种协同调控关系，对研究稻穗生长发育的信号调控网络、并从信号水平上认知水稻有效穗粒数的形成有很重要的意义。

5 问题与展望

综上所述，NSC糖信号与激素之间的相互作用及对作物器官（包括穗）建成的重要性已有共识，但关于植物糖与激素响应途径之间联系的信息大多是通过小麦、玉米幼穗形成及拟南芥种子萌发、幼苗发育等过程获得的，作为第一大粮食作物的水稻幼穗分化发育及颖花形成过程中NSC作用机理认识较为缺乏，值得深入研究。目前研究已经认识到大穗型水稻颖花库容量大，二次颖花易退化，小花育性不佳、结实稳定性差等问题，但其深层次的内在机理依旧不是十分清晰。从如下几个层面进行深层次剖析可为探清上述难点和问题提供科学的技术路径：一是大穗型水稻非结构性碳水化合物代谢特征及穗分化发育阶段各可溶性糖组分的积累与分解规律，其与颖花形成（分化、退化）的相关性进一步加以验证；二是幼穗分化发育与结实过程中，内源激素的含量与各激素间的比值，相关代谢蛋白如何表达？三是非结构性碳水化合物糖信号-激素及激素间的平衡-相关蛋白酶表达-颖花形成之间的内在联系是什么？四是可借助剪叶减源、外源调控等措施对非结构性碳水化合物、幼穗生理与颖花形成的影响效应与机理研究，提出促进非结构性碳水化合物代谢和最终颖花数形成的技术途径。阐释好上述问题，对于揭示大穗型水稻幼穗分化、发育特性，进一步解释大穗型水稻二次颖花易退化、穗粒数不稳定的糖与激素调节机理，提出以构建适宜颖花量为目标的高产栽培技术途径，指导水稻优质高产育种与栽培，均有重要的科学意义和实践意义。