水稻粒型基因研究进展及应用

康雪蒙，马梦影，巩文靓，段海燕

（1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080）

0 引言

水稻(Oryza sativaL.)是作为中国的主要粮食作物的消费品种，在人们日常生活中占据着举足轻重的地位。第一次绿色革命时利用矮秆基因Sd1对水稻株型进行了调整，再加之农药和化肥的使用使得水稻产量大幅度上升[1]；第二次绿色革命时超级稻的普及更使得水稻的产量有了质的飞跃。然而，随着经济的快速发展以及城镇化的普及，导致了耕地面积的逐年减少。据统计，近20年来中国水稻的单产量一直徘徊不前[2]。这就使得如何有效的提高水稻的单产量成为了水稻研究者们所要面临的最主要的问题。千粒重、穗粒数和有效穗数是影响水稻产量的三大农艺性状，而水稻粒型是决定千粒重进而影响水稻产量的重要性状[3]。此外，经济的快速发展使得人们的生活水平逐渐提高，人们开始对水稻品质有着更高的要求。有研究表明粒型不仅仅对千粒重有影响，还对稻米的口感、外观品质也有一定的影响作用[4-5]。相比较而言，粳稻的口感更优于籼稻，再加之长粒品种更受人们喜欢[6]。

随着近几年科学技术的飞速发展，水稻粒型基因的研究已经相对成熟。已经有超过600多个与粒型相关的数量性状基因座(QTL)被成功定位，其中有与粒长相关的QTLs 136个，与粒宽相关的QTLs 139个，与粒厚相关的QTLs 53 个，与长宽比相关的QTLs 74 个以及220 个与粒质量相关的QTLs[7-9]。在定位这些QTL的同时，不同粒型基因的作用机理也被人逐渐了解。这就使得利用水稻粒型基因对粒型进行改良进而增加水稻单产成为了目前水稻研究的一个重要方向。但在利用粒型基因对水稻粒型进行改良的过程中发现以下问题：（1）聚合两个及两个以上基因时所面临的问题较多；（2）将相同粒型基因应用于不同水稻品种也会得到不同的表型性状；（3）利用粒型基因对水稻的粒型进行改良是否会降低水稻的蒸煮食味品质，是否会延长水稻的生育期等其他农艺性状。本文主要通过对前人已发现的水稻粒型基因及其作用原理，基因之间的聚合效应以及在实际生产中的应用进行总结，以期对此后的水稻粒型改良育种试验有所帮助。

1 在水稻中已克隆的粒型基因

粒长，粒宽和长宽比是影响水稻粒型的三大性状。据数据统计表明，粒长、粒宽一般在6～15 mm，1.2～3.8 mm 之间，长宽比则在3.95～5 范围内[10]。这三大性状之间并非完全独立，它们之间也在相互影响。粒长的增加导致粒宽和长宽比的减小，粒宽的增加会降低长宽比[11-12]。近些年来随着科技的进步，育种家们利用分子标记和图位克隆技术已成功克隆出许多与粒型相关的基因[13]。

1.1 粒长基因

早在1928年赵连芳利用水稻品种‘4269’和‘4257’进行杂交，分别对F1及F2代的粒长进行测量，发现粒长的遗传机制表现为数量性状遗传[14]。GS3是控制粒长的主效基因，也是目前应用最多的一个粒长基因。Wan 等[15]构建的重组自交系先将GS3大致定位在第3号染色体的87.5 kb，而后Fan 等[16]通过回交育种将又将GS3精确的定位在7.9 kb区间。研究表明：GS3编码一个跨膜蛋白，在大粒品种中发现GS3第二个外显子上存在的单碱基取代作用导致了水稻籽粒的增长。另外，GS3包含4 个结构域，其中GS3自身存在的调节器官大小的结构域(OSR)对粒长起到负调节作用，而其C端的TNFR/NGFR蛋白家族中富含半胱氨酸的同源区域及VWFC 模块在一定程度范围内抑制了OSR 结构域对粒长的影响[16-17]。

GL7是通过图位克隆和遗传学克隆的一个粒长QTL，为半显性基因[18]。研究发现，GL7能够增加水稻籽粒长度是由于其基因座上17.1 kb 的串联重复。在此区间内发现2 个候选基因Os07g0603300和Os07g0603400，其中Os07g0603300编码了一种与拟南芥的LONGIFOLIA1 和LONGIFOLIA2 蛋白质具有20%～22%同源性的蛋白质TON1 RECRUIT MOTIF(TRM)，这种蛋白质可以使得籽粒纵向细胞伸长从而产生长粒。此外，还发现通过减少Os07g0603400基因的表达会促进GL7的表达而出现籽粒增长的现象[19-20]。

GL3.3是通过‘珍汕97’和‘南洋占’构建的RIL 检测得到与粒长有关的主效QTL，通过对其进一步的研究将其精细定位在15.1 kb 区间。试验表明：GL3.3对粒长起到负向调控的作用，而在‘南洋占’中发现GL3.3的等位基因第三外显子存在碱基突变使得可读框(ORF)变小最终产生了长粒[21]。

qGL3是在水稻品种‘N411’中克隆得到的又一调控水稻粒长的基因，其编码一个与拟南芥BSU1 同源的蛋白磷酸酶(OsPPKL1)[22]。有研究表明，二者虽为同源蛋白，但qGL3对BR 信号通路却起到负调控作用，且与拟南芥BR 信号通路不同，qGL3是通过影响OsGSK3 的蛋白水平、是否磷酸化和OsBZR1 的分布来影响BR信号和对粒长进行调控的。而‘N411’粒长的增加则是因为qGL3的功能缺失使得其对OsGSK3不具备脱磷酸化功能[23]。

LGY3是籼稻‘R186’与泰国品种‘RD23’通过杂交及回交所得到的与粒长相关的基因并将其最终定位到8.9 kb。LGY3编码蛋白OsMADS1，G 蛋白βγ亚基二聚体通过与OsMADS1 直接作用来影响其转录，进而对水稻粒型造成影响。以‘日本晴’为背景构建了NIL NPB-lgy3 发现lgy3增加了籽粒纵向细胞的分裂才促进了粒长的增加。OsMADS1lgy3是OsMADS1 发生变异进而编码的一种C 端截短蛋白，对粒长也起到了促进作用[24]。

1.2 粒宽基因

GW2是第一个被克隆发现有关粒宽的基因。Song 等[25]通过对亲本‘WY3’和‘FAZ1’进行杂交及回交试验，将其定位在第2条染色体上8.2 kb区间。通过进一步的研究发现，GW2编码一种E3 泛素连接酶,对蛋白酶体有降解作用，进而减少细胞的分裂。在‘WY3’上发现GW2的等位基因的第4 外显子上存在着碱基突变，使得底物不能被特异性降解最终促进了颖花外壳细胞的分裂，粒宽被增加的同时也发现灌浆的速率、胚乳的大小均得到了提升。

GW5是位于第5 条染色体控制粒宽的另一主效QTL。通过对比不同粒宽的水稻品种发现，宽粒的水稻品种GW5上存在着1212 bp 片段的缺失，这可能就是造成粒宽增加的原因[26]。Weng 等[27]发现GW5是通过编码蛋白来促进水稻颖花外壳细胞的分裂从而增加了粒宽。随着研究的深入，发现GW5是通过抑制BR信号途径中转录因子的活性，使得尚未磷酸化的转录因子影响油菜素内酯位于下游的响应基因的表达[28]。

GS5在‘珍汕97’和‘H94’构建的双单倍体上发现的存在于第五条染色体上的又一调控粒宽的基因，其编码的丝氨酸缩肽酶对粒宽起到正向调控作用[29]。另有研究表明：在GS5的启动子区域发现的单核苷酸多态性(SNPs)造成了GS5的差异性表达最终导致了粒宽的改变[30]。

GW8对粒宽也起到正向调控作用，Wang 等[31]对GW8进行精细定位，发现GW8位于第八号染色体的7.5 kb 区间，其主要是通过影响与颖壳细胞周期相关的基因进而影响粒宽。此外，对GW8的表达量进行检测发现其主要是在水稻的幼穗中表达，随着水稻的生长发育其表达量开始下降[32]。

OsUBP15 是在水稻突变体lg1-D被鉴定发现，并将其定位于第2条染色体89 kb区间。研究表明：通过调控OsUBP15 的表达量可以对粒宽进行改变。进一步研究发现OsUBP15 其本质为一种泛素特异性蛋白酶，且具有去泛素酶活性的功能。对OsUBP15进行过表达发现其主要是增加了水稻颖壳横向细胞的数量进而对增加了粒宽，这表明OsUBP15对水稻粒宽具有正向调节作用[33-34]。

1.3 长宽比基因

GW7、TGW3和GS2都是通过改变水稻籽粒的细胞进而改变水稻长宽比。GW7主要是通过影响水稻籽粒的细胞分裂模式进而变改籽粒的长宽比。通过对GW7表达的上调发现，GW7可以有效的增加纵向细胞的分裂并缩短横向细胞的分裂[35]。TGW3则是通过改变水稻籽粒颖壳的大小和数目对籽粒长宽比产生影响。在小粒品种中发现TGW3编码了一种OsGSK5 蛋白使得蛋白双聚体产生，这种蛋白双聚体的产生会对粒长起到抑制作用，最终形成短粒。与此同时，在大粒品种中发现TGW3的等位基因的第三内含子碱基发生突变，抑制了蛋白双聚体的形成才会形成长粒[36]。GS2主要是通过促进细胞分裂和细胞扩张来调节籽粒大小，研究表明GS2编码了一个生长调节因子OsGRF4，改变了细胞的生命周期进而促使籽粒的长宽比发生了改变[37]。

2 粒型基因之间的相互作用

不同的粒型基因虽然分布在不同的染色体上，但是这些基因之间相互影响、相互作用[38]。了解这些基因之间的相互作用原理并将其应用于水稻育种，对有效的改良水稻粒型并对提高水稻产量有着重大的意义。

Yan 等[39]通过构建涵盖GS3、GW2、GIF1和qGW5这4 个基因的遗传材料发现了其相互之间的作用机理。GW2和qSW5对GS3均起到正向调节的作用，GW2对qSW5则起到了负调节作用，而qSW5的上调促进了GIF1的表达，GW2和GS3的上调则抑制了GIF1的表达。Wan 等[33]发现GW2和OsUBP15可能在泛素化和去泛素化过程中共同使用一些下游底物，这表明在调控水稻粒宽方面二者并不是完全独立的。GL3.3与GS3发现也存在着互作作用，二者共同作用于水稻可显著增大粒型[21]。另有研究表明：GW8与GW7之间存在也存在着相互作用，GW8的上调对GW7的表达具有抑制效果，这主要是因为GW8与GW7启动子之间相互作用最终抑制了GW7的表达[31,35]。而通过GS3与GW8构建的双突变材料发现二者并不相互影响，相互作用。Sun 等[40]在鉴定异源三聚体G 蛋白5 个亚基的功能时发现GS3、GGC2、DEP1在对水稻籽粒大小作用方面之间相互抑制。无论GGC2或DEP1与Gβ 蛋白单独结合还是GGC2和DEP1与Gβ 蛋白共同结合在一起时对粒长均具有促进作用，但当GS3与Gβ蛋白结合时却起到竞争作用，使得粒长变短。

3 粒型基因在育种上的应用

21世纪以来，全球的科技水平突飞猛进使得基因组学，分子生物学等学科得到了快速发展。人们开始根据生产需求结合分子育种技术来对已有的品种进行改良并开始培育新品种[41-42]。随着越来越多的粒型基因被发现，将这些粒型基因有机的结合起来对水稻粒型进行调整进而促进水稻单产的增加这是水稻研究者们共同努力的方向。

目前，由于GS3是作用机理研究较为清楚的一个粒型基因，所以其应用也是较为广泛的。张剑霞[43]利用GS3和Xa23这2个基因对‘珍汕97B’和‘Ⅱ-32B’的粒型进行改良，使得‘Ⅱ-32B’和‘珍汕97B’粒长由8.0 mm 分别增加到了9.71 mm 和9.81 mm。伍豪等[44]将长粒品种‘宜香B’和短粒品种‘美B’进行杂交及回交试验，最终将‘美B’的粒长由最初的7.9 mm改良变为9.87 mm，并将其命名为‘82B’。对试验数据进行分析发现‘82B’千粒重及长宽比等农艺性状均得到了提升。‘SAGC-4’是具有许多优秀的性状的水稻品种，但其粒长较短在市场稍有劣势。因此李扬等[45]利用‘三粒寸’、‘MIGA’、‘IAC1246’和‘JAPPENI TUNGKUNGO’长粒水稻品种分别和‘SAGC-4’进行杂交和回交试验，以期用这4 个长粒水稻品种中的GS3对‘SAGC-4’的粒长进行改良。结果表明改良后的‘SAGC-4’的粒长由8.32 mm 平均增加了1.52 mm 达到了9.84 mm。Wang 等[31]将GS3和GW8这2 个基因聚合在‘HJX74’上培育出了新品种‘Huabiao1’，在产量保持不变的前提下粒长得到增加，粒宽得到了减少。黄海祥等[46]利用优秀粳稻品种‘嘉禾218’中gs3基因和‘ZH559’培育出新品种‘中嘉8号’，在浙江省栽培两年后与‘秀水134’进行产量对比，增产6.1%。中科院利用‘吉粳88’/南方长粒粳稻中的GS3和Pi5两个基因而培育出的水稻新品种‘中科804’，试栽两年后与‘秋光’进行产量对比发现增产8.4%[47-48]。Zeng等[49]将gs3、GW5等基因成功的聚合应用得到了杂交超级稻‘两优培九’，这一研究的成功为水稻分子育种树立了良好的榜样。

中科院和华南农业大学在成功克隆GW8的同时也将其应用在水稻的分子育种上。将GW8导入到巴基斯坦优质水稻‘Basmati’后，在增产14%的基础上‘Basmati’的粒型得到显著改变、垩白率下降，使得其外观品质和口感均得到了改良[31]。‘科辐粳9 号’也是中科院利用gw8、gw7和dep1这3 个基因对‘武运粳7号’进行改良得到的水稻新品种，经过实地栽培证实新品种的产量得到了质的突破，而且口感也得到了进一步的提升。Ying等[36]在发现并克隆TGW3的同时也将其大粒等位基因结合到‘黄华占’上，使得‘黄华占’的产量提升了10%。Hu等[37]利用‘宝大粒’中GS2基因分别与‘93-11’和‘Wuyungeng7(WYG7)’构建了近等基因系，经过检测发现93-11 (NIL-GS2BDL)和WYG7(NIL-GS2BDL)的粒长分别增加了21.0%和27.3%，小区产量也取得了显著的增产效果。

4 展望

据数据表明，水稻杂交过程中约1%的概率可以获得目标产物，而这个过程既耗时又费力[50-51]。利用分子标记辅助选择技术可以有效的筛选目标水稻，缩短传统育种时间。因此，利用分子标记辅助选择等技术是提高水稻产量的重要突破口，在利用分子标记等技术基础上的设计育种更是被水稻研究者认为是进行第三次绿色革命斗争有效的利刃[52-53]。

然而就目前来说，对水稻不同粒型基因的定位及其作用原理的研究已经取得了极大的进展，但这些粒型基因在实际生产上的应用仍存在着不同的问题。因此，下一步的研究工作重点为：

（1）利用遗传连锁图谱和关联作图等方法定位并克隆更多的粒型基因来改良并丰富水稻种质资源，以供遗传学家和育种学家加快水稻育种进程；（2）对已经克隆的粒型基因的作用机制以及粒型遗传调控网络进行更深层次的研究，以期可以为两个及以上基因聚合时提供更加科学的理论依据；（3）粒型基因也会对水稻其他农艺性状造成影响，如何有效避免粒型基因对其他农艺性状造成消极作用也是需要进一步研究的。