水稻基因资源及其在育种中的应用

亓娜 朱崴 唐占兵

[摘要]随着全球性基因组计划的深入开展，基因克隆与功能分析方面的研究取得了突破性进展。新基因資源的发现和利用有效地促进了作物改良。水稻作为重要的粮食作物，研究人员已经对其多个性状基因进行了定位和克隆，例如，水稻株型基因、产量性状基因、稻米品质基因等。本文对水稻基因组进展、基因概念发展、基因资源在育种中的应用等方面进行了讨论并取得了一些突破性进展，在提高水稻的抗虫、抗病及增产提质等诸多方面都展现出了良好的发展前景。

[关键词]水稻;基因资源;育种

中图分类号：S511 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202008

1865年，孟德尔通过豌豆实验，发现了遗传的两大基本规律，即基因的分离定律和基因的自由组合定律。1909年，丹麦遗传学家约翰逊将“遗传因子”命名为“基因”。1909年，摩尔根和他的学生在孟德尔定律的基础上，利用果蝇进行杂交实验，揭示了位于同源染色体上不同座位的两对以上等位基因的遗传规律，即著名的连锁与互换规律。1953年，沃森和克里克建立了DNA的双螺旋模型，开始了分子生物学的新时代，从此，人们开始从分子水平上认识基因。一个多世纪以来，基因概念的新发展成了遗传学、育种学、分子生物学、基因组学等多学科发展的核心概念。随着水稻全基因组测序的顺利完成，水稻科学进入功能基因组学时代，水稻作为模式作物而发挥着越来越大的作用。

1 基因组计划促进了水稻基因克隆和功能研究的进展

美国于20世纪80年代中期提出人类基因组计划（Human Genome Program，HGP），1990年正式启动，全世界6个国家、20个研究所、2 000多位科学家参与了这一计划[1]。为了配合HGP，美国启动了植物基因组计划，主要任务如下：（1）实施拟南芥和水稻测序;（2）绘制出包括玉米、大豆、小麦、大麦、高粱、水稻、棉花、番茄和松树等10～12个关键植物的基因图谱;（3）着重研究对作物产量具有明显作用的基因，包括带有抗病、种子生长、谷粒质量和开花期等密码信息的基因。此外，还包括那些对其他基因起控制作用的基因。当前，这一计划的任务多已完成。1992年，日本、中国几乎是同时启动水稻基因组计划（Rice Genome Program，RGP）。2005年，国际水稻基因组发表了水稻基因组精细图。在RGP精细图中，预测到37 544个基因，显示了61个未能测序的间隙（Gap）[2]。在分析现行的基因组时，基因数量计算不只依据开放阅读框架（ORF）数量、实际的基因数量，还依赖于转录组研究、基因功能互补实验、蛋白组分析、分子网络、等位基因（Allele）查询、基因库全息分析等方法确定[3]。克隆与功能分析带来的便利主要表现如下：（1）拟南芥基因组计划提供了系统的分析方法、突变体、基因注释、模式模型;（2）RGP提供了基因组精细图和详细注释;（3）水稻已经克隆了数百个重要的农艺性状基因;（4）比较基因组研究为基因克隆和基因功能分析提供了线索。

2 通过基因克隆获得的一些重要农艺性状基因

水稻已进入后基因组时代，据不完全统计，先后克隆水稻重要性状相关基因300多个，有些已应用于水稻育种。

2.1 水稻株型基因

株型是决定作物产量的关键因素，理想株型应具有株型紧凑、株高适中、有效分蘖多、穗大粒多、茎秆粗壮等特征。据不完全统计，目前已鉴定到与株高相关的数量性状座位（QTL）共1 104个，已克隆与株高有关的基因143个。水稻植株高度MYB样基因OsMPH1参与水稻的株高调控，OsMPH1的过表达导致水稻株高的增加，而OsMPH1的敲低导致相反的表型，茎部纵切面的显微镜检查表明OsMPH1调控节间细胞长度的变化导致植物高度的变化。赤霉素（GA）信号改变了谷物的育种，产生了分蘖增加的半矮植株，从而推动了“绿色革命”。SLR1蛋白通过与水稻分蘖调节基因MOC1表达产物结合而受到保护，免受GAs触发的降解，从而避免分蘖数减少。

2.2 水稻产量性状基因

产量性状是决定水稻品种特性的重要指标之一。水稻产量主要由三个特征控制：有效穗每亩的数量、每穗和千粒重晶粒的数量。穗数是产量的基础，每穗粒数与穗长、枝梗数和着粒密度关系密切。粒重是千粒重，由粒长、粒宽、粒厚度和晶粒丰满的四个共同因素控制。到目前为止，大量有关产量性状的QTL已被映射，但是要深入揭示产量性状分子遗传机理，则必须通过QTL的精细定位直至最终基因的克隆。

Xue W Y等[4]分离并克隆到一个控制穗粒数、抽穗期和株高的多效QTL-Ghd7。长日照条件下，Ghd7的增强表达能推迟抽穗、增加株高和每穗粒数，而功能减弱的自然突变体能够种植到温带甚至更冷的地区。Ghd7被认为是控制水稻抽穗期和产量潜力的关键因素。Ghd7也通过调控PHYTOCHROME B-TEOSINTE BRANCHED1途径，参与分蘖分枝的调控。干旱、脱落酸、茉莉酸和高温胁迫能强烈抑制Ghd7的表达，然而低温可促进Ghd7的表达。通过表达Ghd7能够增加水稻对干旱的敏感性，而敲除Ghd7能够增强水稻的抗旱能力。Ghd8和Ghd7在控制水稻的抽穗期、株高和籽粒产量方面具有相似的功能和较大的多效性。Ghd8在Ghd7的上游起作用以激活其转录，从而抑制Hd3a表达，进而影响开花时间和水稻适应性。因此，Ghd7对增加全球水稻生产的潜力和适应性上起着非常重要的作用。

2.3 稻米品质基因

稻米品质是决定一个水稻品种特性的最重要指标之一，主要从五个方面反映，分别是外观、碾米、蒸煮、营养以及味道，具体内容有透明度、垩白、粒型、直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度、蛋白质含量以及有无香味等。而由于Wx是控制直链淀粉含量（AC）的主效基因。因此在非糯品种中，Wx基因分化为Wxa和Wxb两种等位基因，其中，野生稻全为Wxa，籼稻以Wxa为主，直链淀粉含量较高;粳稻基本为Wxb，直链淀粉含量较低。所述Wxb基因编码颗粒结合淀粉合成酶（Granule Bound Starch Synthase， GB-SSI），至少有6种等位基因，导致水稻胚乳从不含直链淀粉（糯性）到不同含量的直链淀粉的变化。Wxb基因的5'端非编码区还存在大量的简单重复序列（CT）变异。这种变化与直链淀粉含量存在较高的相关性。一般来说，高AC的品种具有较少的CT重复次数。直链淀粉含量和蛋白质含量是决定米饭食味的两个重要因素，它们共同决定了米饭软硬、黏性、味道及综合食味。

3 利用基因资源改良现代品种

在中国，已经培育出的水稻品种超过4 000个，推广面积超过100万hm2的品种超过68个。从常规育种角度来看，育种家会自然地利用多个重要的农艺性状基因或有利等位基因（QTL）。分子育种或设计育种（Breeding by Design）与常规育种有所不同，一个根本的区别是在分子水平或基因水平进行设计并育种。最近，在分子育种方面有了少量的育种实践，王康恺等[5]利用分子标记辅助选择出4种富γ-氨基丁酸含量优良育种后代材料。李扬[6]等以长粒品种作为供体亲本，利用GS3基因的功能性分子标记SF28进行分子标记辅助选择，结合田间农艺性状考察，选出89个具备细长粒型且综合农艺性状良好的单株。降好宇等[7]利用现代分子标记辅助技术获得聚合有Bph14和Bph15两个抗性基因的株系，其抗性比有单个抗性基因的抗性高。

随着对基因本质认识的深化，利用基因改良品种和创制新品种的理论研究和实践活动必然要转向多基因利用、基因组互作、三型（基因型、表现型、环境型）统一的新设计和新思维发展，要在育种设计和育种实践（常规育种技术与新技术结合）方面进行新的探索，以便高效、定向培育出新品种。

参考文献

[1]崔国庆，王世明，马福盈，等.水稻高秆染色体片段代换系Z1377的鉴定及重要农艺性状QTL定位[J].作物学报，2018，44（10）： 1477-1484.

[2]Zhang Y X，Yu C S，Lin J Z，et al.OsMPH1 Regulates Plant Height and Improves Grain Yield in Rice[J].PLoS One，2017，12（7）：e0180825.

[3]Liao Z G，Yu H，Duan J B，et al.SLR1 Inhibits MOC1 Degradation to Coordinate Tiller Number and Plant Height in Rice[J].Nature Communications，2019，10 （1）：2738.

[4]Xue W Y，Xing Y Z，Weng X Y，et al.Natural variation in Ghd7 is an important regulator of heading date and yield potential in rice[J].Nature Genetics，2008，40 （6）：761-767.

[5]王康愷.利用分子标记辅助选择水稻富γ-氨基丁酸含量优良育种后代材料[D].银川：宁夏大学，2019.

[6]李扬，徐小艳，严明，等.利用GS3基因功能性分子标记改良水稻粒型的研究[J].上海农业学报，2016（1）：1-5.

[7]降好宇，曾盖，郝明，等.广谱抗稻瘟病种质75-1-127的褐飞虱抗性基因鉴定及分子标记辅助选择育种[J].中国水稻科学，2019.33（3）：227-234.