水稻穗发育特征及遗传调控进展

黄先忠， 艾 昊， 李瑞宁， 赵合明

(安徽科技学院 农学院 作物生物技术研究中心，安徽 凤阳 233100)

在农作物众多的农艺性状中，产量性状是关注的重要性状之一，其多是复杂的数量性状，受多个基因和环境的相互作用共同来控制。单位面积的有效穗数、每穗粒数和千粒重是构成农作物产量的三要素。水稻(

Oryza

sativa

)是我国重要的粮食作物，株型和穗型直接影响这三个要素，对产量提高起着重要作用，株型和穗型改良一直以来是农作物遗传改良的重点目标。近年来，我国科学家在水稻理想株型和穗型改良中取得了很多重要进展，培育了很多高产优质品种。随着水稻分子遗传学和基因组学发展，许多调控水稻穗形态、穗粒数和种子大小的关键基因被克隆出来，对水稻穗型形成的分子基础和遗传调控网络有了很好的了解。本文拟从水稻穗的结构与特征、发育过程，控制水稻穗发育的遗传机制研究进展，以及穗型调控基因的功能多效性等方面有关于水稻穗型相关研究进行综述，目的是梳理穗型基因研究存在的问题，并对未来水稻穗型研究领域的关键科学问题和核心技术进行展望，以期为水稻穗型改良提供参考和借鉴。

1 水稻穗的结构与特征、发育过程

植物的花是通过幼苗顶端分生组织SAM(shoot apical meristem)、侧生分生组织分别产生，也可以通过以上两者同时产生，这就分别产生了三种主要的花序种类：总状花序、聚伞花序和圆锥花序。禾本科植物的花序由其特有的结构单元组成，这一结构单元叫小穗(spikelet)，花序结构通常描述为小穗的排列方式而不是小花的排列方式。水稻是典型的圆锥花序(panicle)，但由于小穗并不直接生长在主轴上，而是生长在侧枝上，这种分枝方式又属于复总状花序。水稻的花序是由多个小穗组成的复合穗，每个小穗包含几朵小花，这样小穗本身也被认为是小的或次生的花序。花序结构由主轴、枝梗和小穗所组成。穗着生在穗颈节上，穗颈是指自剑叶叶枕到穗颈节之间的茎秆，将这段长度称为穗的伸长度。穗颈长短因品种而不同，是品种分类的显著形态特征之一。不同的水稻品种穗轴的长度变化较大。穗轴顶端的瘤状体是生长点退化的痕迹，使水稻产生有限花序，不同于双子叶模式植物拟南芥的无限花序。所以，稻穗最顶端的稻谷着生在一次枝梗之上。稻穗的长度(包括顶端枝梗)与一次枝梗数，因品种及栽培条件而异。

多种因素可影响水稻花序的结构，如穗轴的长短、侧枝数目的多少和排列方式、小穗的数量和着粒密度等。水稻的SAM在营养生长期是一个很小半球型小突起，只有在体视镜下才能观察到。在形成最后一片营养叶即剑叶后，水稻开始由营养生长向生殖生长过渡，茎顶端的SAM转变成花序分生组织，分化成穗轴原基，开始了生殖生长发育阶段。整个花序的发育阶段可分为以下5个阶段。(1)第一苞分化：苞是退化的变形叶，第一苞的出现是生殖生长的起点。(2)枝梗原基分化：完成一次枝梗原基和二次枝梗原基的分化，结束时全穗小穗数目确定。(3)小穗原基分化：第一次枝梗和二次枝梗分化出小穗原基。侧生分生组织形成侧生小穗，相继出现一对颖壳、外稃和内稃原基，随后桨片原基也出现。卷曲穗基因

FZP

(FRIZZY PANICLE)在退化的颖壳原基处表达，可以作为这一时期的标志。(4)花器官的分化：当穗长1.5 mm左右，在小穗分生组织上形成花分生组织，发育成花的各种器官。退化花外稃与结实小花内外稃开始伸长，并逐渐上延而相互合拢。与此同时，分化出花药、花丝和柱头，以及花柱、子房，桨片等。由于同源框基因

OSH1

(Oryza sativa homeobox1)表达下调，子房原基出现，花分生组织逐渐失去无限性。自第一苞原基分化起到雌雄蕊分化完成止，穗部各器官全部分化完毕，幼穗外部形态已初步形成。(5)生殖细胞的形成：这个时候花粉母细胞和胚囊母细胞进行减数分裂，分别形成雄配子体(花粉粒)和雌配子体(八核胚囊)。

2 控制水稻穗发育的遗传机制

自然界中植物的结构各具特色，主要由分生组织，包括初级顶端的分生组织、根尖分生组织、侧生分生组织等活性和命运决定株型结构的多样性，也决定植物具有多样的花序结构。植物在花序发育过程中，SAM的命运发生巨大的变化，由营养生长转变成生殖生长，叶片减少，由腋生分生组织发育成各级枝梗和花器官。

水稻穗型形态建成受到外源环境变化和内源多种因子的共同影响。水稻穗分枝的产生更为错综复杂，众多基因参与调控，进而形成如直立穗、弯曲穗、密穗、稀穗、长穗和短穗等多种穗型。近年来的研究表明，水稻调控穗型发育的基因很多，并且大多是数量性状基因座的基因。水稻松弛和松懈穗基因

LAX1

(LAX PANICLE 1)发生突变后一次枝梗数目显著减少，也影响了一次和二次枝梗上小穗的发育，小花的数量亦明显减少，只是在穗轴的顶端形成小穗，并且几乎没有侧生小穗。

LAX1

编码一个基本的螺旋-环-螺旋(Basic helix-loop-helix，bHLH)类的转录因子，调控水稻花序腋生分生组织的形成和维持过程中起着重要的作用。

LAX1

和小穗(small panicle，

SPA

)基因功能上均是控制腋芽分生组织的起始，二者的功能具有一定的重叠作用。后来的研究证明

SPA

是控制水稻分蘖芽起始和发育的控制基因

MOC1

(MONOCULM 1)，在moc1突变体中也表现出花序发育的缺陷。水稻的畸形穗

apo1

(aberrant panicle organization 1)突变体中穗小、枝梗数减少、籽粒数减少；花器官中桨片增加、雄蕊减少、心皮增生，叶片生长发育迅速，严重的影响了花序的结构，花器官的身份等。

APO1

编码一个F

-

box蛋白，在波状轴

Ur1

(Undulated rachis)突变体中，

APO1

基因表达上调，花序分生组织活性增强，促进细胞分裂，一次枝梗和二次枝梗数目增加，从而产生密穗的表型，说明

Ur1

基因就是

APO1-D

基因。

RCN1

和

RCN2

是拟南芥末端花

TFL1

(TERMINAL FLOWER 1)和金鱼草的

CEN

(CENTRORADIALIS)在水稻中的同源基因。在水稻中过量表达

RCN1

和

RCN2

，营养生长向生殖生长的转变、从分枝阶段到花形成阶段的转变均被推迟，表现出更多的分枝，更密的穗形态，更高级别的枝梗。后来，从水稻中克隆短穗基因

SP1

(Short panicle 1)，该基因编码一个蛋白属于肽转运(Peptide transporter, PTR)家族成员，在水稻幼穗穗轴的韧皮部高表达，可能起到硝酸盐转运载体(Nitrate transporter)的功能。

Gn1a

(Grain number on chromosome 1)基因是一个控制水稻穗粒数的QTL，该基因在分生组织与生殖器官中表达，编码一个细胞分裂素氧化酶CKX2(Cytokinin oxidase dehydrogenase)。

Gn1a

基因突变促使体内细胞分裂素含量增加，从而导致二次枝梗数目和每穗穗粒数目增多。利用“绿色革命基因”

sd1

(semi-dawarf)基因进行矮化育种提高了种植密度和抗倒伏能力，但本身对产量形成的三要素(分蘖数、穗粒数和粒重)的影响却非常有限。将

Gn1

和

sd1

基因聚合在一起，大幅度提高水稻产量的同时能够抗倒伏，被国际权威杂志《科学》评论为“为新的绿色革命铺开了新的道路”。

Gn1a

基因的研究表明细胞分裂素控制

SAM

和花序分生组织的活性。上个世纪80年代我国北方发展的理想株型与优势利用相结合的超级稻育种计划，把直立大穗作为一种重要指标纳入株型设计，先后育成了一批批高产优质的直立穗品种，在粳稻育种中发挥了重要作用，非常明显的提高了我国粳稻的产量。在2009年，本项目组克隆了第一个直立密穗基因

DEP1

(DENSE AND ERECT PANCICLE 1)。

dep1

突变体表现出穗直立、密穗。功能分析发现羧基端截短的

dep1

蛋白，它能提高水稻茎尖分生组织细胞的活力，增加穗部枝梗数和每穗粒数，从而显著提高水稻产量。进一步研究发现

DEP1

编码一个植物特有的G蛋白γ亚基。后来，新的直立密穗基因

DEP2

和

DEP3

被克隆。此外，克隆的穗型基因还有短穗

SP1

(SHORT PANICLE

1

)和

PAL3

(PANICLE LENGTH3)、枝梗簇生基因

CPB1

(CLUSTERED PRIMARY BRANCH1)。

3 穗型调控基因的功能多效性

特别值得一提的是，在水稻中发现的穗型调控基因往往具有多效性。如理想株型基因

IPA1

(IDEAL PLANT ARCHITECTURE 1)编码一个转录因子，起着减少水稻无效分蘖、增加每穗粒数的功能，同时也提高水稻对稻瘟病的抗性。同样，本项目组对

DEP1

基因的深入研究也发现

DEP1

基因不仅能显著增加水稻一次枝梗和二次枝梗数目、籽粒数，还可以提高水稻光能和氮肥利用效率。水稻是我国最重要的粮食作物之一，对保障国家粮食安全和社会稳定起到了非常重要的作用。为了提高产量，不得不大量使用氮肥，但是氮肥利用效率低，种植成本增加，造成环境污染。生产上迫切需要高产和氮肥高效利用性状协同改良的新品种。2019年，农业农村部公布我国水稻、小麦、玉米三大粮食作物化肥利用率仅为39.2%(Http://www.moa.gov.cn/xw/zwdt/)，远远低于世界平均水平，更远低于欧洲、美国等发达农业国家水平。如何在减少氮肥使用量的同时提高农作物产量已成为我国农业可持续发展亟待解决的重大问题。为实现水稻产量新突破，育种学家开展了以提高水稻群体光能利用效率的直立穗型新策略，其显著特点是直立穗型新品种光合效率高，增产效应显著。自20世纪80年代以来，直立穗型已成为粳稻育种中的一项高产株型改良的重要指标，在我国北方、长江中下游粳稻生产区大面积推广应用。目前在我国辽宁、江苏、安徽和浙江等地区，直立穗型水稻品种每年的种植面积超过4 000万亩以上(Http://data.stats.gove.cn)。笔者利用QTL定位和图位克隆的方法从我国“超级稻”品种沈农265中分离并鉴定了直立穗基因

DEP1

。在直立穗型水稻品种中，

DEP1

基因发生突变导致编码一个羧基端截短的dep1蛋白，它能提高水稻茎尖分生组织细胞的活力，增加穗枝梗数和每穗粒数，从而显著增加水稻产量；同时发现了

DEP1

基因该功能在小麦中高度保守。水稻种质资源的发掘和利用是育种取得突破性进展的关键。本项目组进一步利用QTL定位发现

DEP1

基因也是控制水稻生长发育(产量)对氮素响应的关键基因，发现

DEP1

基因具有“一因多效”，在控制水稻高产株型和氮肥高效利用方面均起着非常重要的作用。研究发现，将含有优异

dep1-1

突变的主栽品种与携带“绿色革命”基因

sd1

的品种相比，前者对氮素吸收和利用能力显著提高，在减少氮肥投入的条件下显著提高收获指数和小区产量。这一研究为突破水稻产量和氮肥利用效率所面临的瓶颈问题提供了重要的理论依据和有重要育种应用价值的基因资源。

DEP1

编码一个植物特有的Gγ亚基，并且DEP1蛋白与Gα亚基互作，揭示了Gγ亚基通过抑制Gα亚基活性将胞外信号传递到细胞核内、参与调控氮素感知与信号传导的新机制，提出了植物G蛋白信号通路“去阻遏”调控新模型，开辟了植物G蛋白信号转导机制研究的新方向。优异等位基因

dep1-1

能促进氮肥吸收与利用，增产效果明显，但也存在稻米品质不佳的缺点。中国科学院遗传与发育生物学研究傅向东研究员课题组进一步通过抑制

dep1-1

粒型的筛选鉴定、遗传分析和QTL定位，克隆两个控制水稻籽粒宽度的基因

GW7

(GRAIN WIDH7)和

GW8

。

GW8

编码的转录因子OsSPL16蛋白能结合到

GW7

基因的启动子并抑制

GW7

基因表达，通过改变细胞分裂模式来控制稻米的长宽比，进而协同调控水稻产量和品质。该研究解析水稻高产和氮高效协同作用的

GW8-GW7-dep1

调控网络，提出了通过调控

GW8-GW7-dep1

分子模块是一个可实现水稻产量、品质和氮肥利用效率协同改良的育种新策略。傅向东研究团队通过多基因聚合育成的水稻新品种“中禾优1号”被评为安徽省优质稻品种，该品种在减氮肥15%条件下，较正常施肥对照品种增产5%以上。关于

DEP1

、

GW7

和

GW8

基因功能的研究形成的研究成果“水稻高产与氮肥高效利用协同调控的分子基础”荣获2020年度国家自然科学奖二等奖。该项目面向国家重大需求，瞄准“植物生长与代谢协同调控”的国际前沿科学问题，从优异种质挖掘入手，系统解析了水稻直立穗基因

DEP1

协同提高产量和氮肥利用效率的分子机制及其遗传调控网络，为作物高产和氮肥高效利用的协同改良奠定了理论基础，为打好种业翻身仗、实现国家粮食安全做出了重要贡献。

综上所述，我国目前在水稻理想株型、穗型性状研究领域及性状形成的分子基础等方面做出了国际领先的工作。但由于水稻穗发育的复杂性，克隆的控制穗发育的相关基因还十分有限，特别是具有重大利用价值的关键基因更少，对水稻穗型形成分子基础的了解还明显具有片面化、碎片化的特点，穗形态建成的遗传调控网络还十分不清晰。实践证明“只有形态类型的突破才有产量的突破”。因此，需要更多的鉴定水稻穗部形态突变体，克隆更多基因，解析它们的分子机制，阐明水稻穗生长发育的遗传调控规律，全面提升对于穗型影响作物产量和品质性状形成的遗传调控网络的研究水平。

从上个世纪50年代开始的矮化育种,70年代袁隆平为代表的“三系”配套杂交水稻,到90年代的“超级稻”育种，育种技术的发展为水稻粮食产量和安全做出了巨大贡献。理想株型育种是在矮化育种的基础上进一步改良株型，提高光能利用率。目前，育种技术从最初的1.0到了育种4.0时代，即“智能化设计育种”，但设计育种技术的突破依赖于关键功能基因及其功能机制的阐明。需要进一步挖掘可以用于目标性状改良的重要靶点和优异基因，进一步完善育种体系，使具有自主知识产权关键基因的功能研究与性状改良的实践紧密结合、互相促进，开发基因育种利用价值，缩短选育周期，加快新品种培育进程。

未来需要进一步凝练作物株型、穗型研究领域的关键科学问题和核心技术。阐明作物株型、穗型适应环境变化，整合外界环境信号和内源发育信号调控植物形态建成的遗传调控网络。通过多学科交叉，智能化和精准化设计育种，培育响应环境变化的新株型、穗型，品质优，绿色环保等优异性状协同改良的水稻新品种。