水稻胚乳发育遗传调控的研究进展

张娟 牛百晓 鄂志国 陈忱, *

水稻胚乳发育遗传调控的研究进展

张娟1牛百晓1鄂志国2陈忱1, *

(1扬州大学 江苏省作物基因组学和分子育种重点实验室/植物功能基因组学教育部重点实验室, 扬州 225009;2中国水稻研究所 水稻生物学国家重点实验室, 杭州 310006;*通信联系人, E-mail: chenchen@yzu.edu.cn)

胚乳是被子植物双受精产物之一，为种子发育提供营养；同时，水稻胚乳也是人类口粮的重要来源。胚乳组织约占水稻种子干质量的70%以上，其发育直接影响稻米产量和品质。目前我们对水稻胚乳发育调控的分子机制有了较为深入的认识，克隆了一些重要基因，同时发现表观遗传调控在胚乳发育中也发挥重要作用。本文主要以水稻为例，同时穿插拟南芥和玉米等植物的相关研究进展，系统总结了胚乳细胞化、糊粉层细胞分化、储藏物质积累等胚乳发育重要生物学事件的遗传调控机制。最后我们也指出了关于胚乳发育过程中有待进一步深入研究的科学问题，以期能为今后相关研究提供一些思路。

水稻；胚乳发育；遗传调控；细胞分化；基因组印记

被子植物的种子是双受精的产物。其中，胚是由胚囊中的卵细胞（n）与花粉粒中一个精细胞（n）融合形成的合子（2n）发育而来，胚乳则是由胚囊中的中央细胞（2n）与花粉粒中另一个精细胞融合形成的原初胚乳细胞（3n）发育形成。所以就遗传组成而言，胚乳与胚是不同的：胚乳由两个母本基因组（m）拷贝和一个父本基因组（p）拷贝组成（2m:1p），胚由一个母本基因组拷贝和一个父本基因组拷贝组成（1m:1p）。水稻颖果主要由母体组织（果皮和种皮）、胚以及胚乳组成[1]。其中，果皮由子房壁发育而来，种皮由子房珠被和珠心组织发育而来；胚和胚乳是双受精的产物，与母体组织分属不同遗传世代。近年来的研究表明，除了遗传构成的差异外，被子植物胚乳基因组的表观修饰特征与胚也有着明显不同[2-4]。本文主要以禾本科模式植物水稻为例，围绕胚乳发育的关键生物学事件和生物学过程，对胚乳发育相关的遗传和表观遗传调控机制进行系统梳理和总结。

1 水稻胚乳的发育过程

水稻胚乳属于核型胚乳，根据细胞的形态和生理特征可以将水稻胚乳发育划分成四个主要阶段：1）游离核期（受精后0～3 d）；2）细胞化期（受精后3～5 d）；3）储藏物质积累期（受精后5～20 d）；4）成熟期（受精20 d后）[5]。原初胚乳核在受精后约3.5 h即开始分裂，但是该过程只有细胞核分裂而无细胞分裂，因此形成的是一个具有多游离细胞核的单个胚乳细胞（又称为合胞体）[5]；在受精2～3 d后，这些游离核开始同时进行细胞分裂并产生细胞壁，这一过程称为细胞化（图1）。细胞化在种子受精后5 d左右基本完成，此时胚乳细胞完全填满胚囊腔，并开始合成淀粉、蛋白和脂类等储藏物质（图1）。储藏物质积累可以持续到受精后20 d，随后胚乳的干质量增长基本停滞，同时含水量进一步减少[5]。

不同水稻品种胚乳发育各阶段的时间长短有所不同，尤其是储藏物质积累期和成熟期差异较大，这主要是由于遗传差异造成的。此外，水稻胚乳的发育对于环境特别是温度十分敏感。有研究表明，中等程度的高温胁迫（35℃）能够促进胚乳细胞化发生，而严重的高温胁迫（39℃）直接导致细胞化不发生[6-7]。胚乳发育早期短时间（24～48 h）高温处理即能对胚乳发育产生不可逆转的影响，即使随后解除高温胁迫，水稻种子仍然不能正常发育，成熟种子的活力也受到抑制[6]。储藏物质积累阶段，水稻种子对温度也非常敏感，高温胁迫可以导致稻米外观品质和食味品质同时下降。

2 胚乳早期发育的遗传调控

游离核期和细胞化期在整个胚乳发育进程中的时间占比较小（图1），但却是水稻胚乳发育的关键生物学事件，游离核期向细胞化期转变发生时间的提前或者延后均能导致种子败育[8-11]。例如亚洲栽培稻（）作为母本，与长雄野生稻（）杂交产生的杂种胚乳细胞化提前，而与斑点野生稻（）杂交产生的杂种胚乳细胞化延后，这两种类型的杂交种均不能正常积累储藏物质，最终导致种子败育[11]。利用胚拯救技术进行体外培养这些杂种胚，往往可以获得能够进行正常营养生长的F1植株，表明胚乳败育是引起杂种败育的主要原因。不同倍性的水稻杂交（剂量失衡）也能导致细胞化异常，例如母本基因组过量（4n水稻作为母本和2n水稻杂交）可以使细胞化提前，而父本基因组过量（2n水稻作为母本和4n水稻杂交）则导致细胞化迟滞[8-9]。这些种子表现出和上述水稻种间杂交种类似的表型。

在2 DAF（受精后2 d），水稻原初胚乳细胞处于合胞体状态，胚乳细胞只进行核分裂，因而一个胚乳细胞里有多个游离的细胞核；在3 DAF左右胚乳细胞开始发生细胞化，合胞体游离细胞核同时进行分裂，围绕胚囊腔形成一层胚乳细胞，随后这层胚乳细胞进行进一步平周分裂；在5 DAF左右，胚乳细胞填满胚囊腔并开始积累淀粉等储藏物质；在7 DAF左右可以看到最外层胚乳细胞分化成糊分层细胞，此时内层胚乳细胞进行旺盛的储藏物质合成和积累。

Fig.1.Schematic illustration of the early endosperm development in rice.

多梳复合体2(PRC2，Polycomb Repressive Complex2)参与染色质的表观修饰，能够催化组蛋白H3第27位赖氨酸进行二甲基化或三甲基化(H3K27me2/3)[12]。PRC2在植物的发育阶段转变(developmental transition)中发挥重要作用[13]，其中FIS(Fertilization Independent Seed)-PRC2参与拟南芥胚乳由游离核向细胞化过程的转变调控[14–17]。拟南芥FIS-PRC2复合体由四个核心成员组成，包括FIS2、FIE(Fertilization Independent Endosperm)、MEA(MEDEA)和MSI1(Multicopy Suppressor of IRA1)[12]。这些多梳家族蛋白(polycomb group proteins)的编码基因发生突变导致细胞化延迟或失败[14-17]。水稻基因组编码有两个同源基因[18]，其中在胚乳中特异表达，在不同组织中组成性表达[19-20]。和拟南芥类似，突变体种子不能正常细胞化，胚乳细胞无法积累储藏物质，进而引起种子败育[21]。有意思的是，突变并不影响水稻细胞化，但可以抑制种子休眠[21]，表明和在种子发育中的功能发生了分化，其中在胚乳发育后期发挥作用，而参与调控胚乳细胞化过程。此外，值得注意的是，水稻中缺少和的同源基因[18, 22]，因而参与调控水稻胚乳发育的PRC2复合体的成员组成仍不明了[23]。最近的研究显示水稻多梳家族基因在细胞化过程中发挥着与拟南芥类似的功能[24-25]。OsEMF2a同源蛋白OsEMF2b通过调控MADS-box基因的表达影响水稻花器官发育及其育性[26-28]，另外，研究表明该基因也可以影响水稻株高和种子休眠[29-30]。

MADS-box家族转录因子在动物和植物中广泛存在，根据序列特征可以将其分成Ⅰ型和Ⅱ型（又称MIKC型）两大类[31]。其中，Ⅱ型MADS转录因子主要参与植物的花器官发育和开花调控，而Ⅰ型MADS-box基因推测在植物生殖发育中发挥重要作用[32]。一些Ⅰ型MADS转录因子能够抑制胚乳细胞化，如拟南芥MADS-box基因（）和发生突变后细胞化提前[33-34]，又如（）、和功能缺失能够部分恢复突变体或拟南芥种间杂交种细胞化延迟导致的种子败育[35,36]。相较于Ⅱ型MADS-box基因，Ⅰ型成员进化速率更快，也存在更多的变异[37]。虽然水稻Ⅰ型MADS成员的相对数量远少于拟南芥[38]，然而关于这类基因调控胚乳发育的作用机制尚缺少深入研究。表达分析显示许多Ⅰ型MADS基因在水稻种子受精后2～3 d被短暂激活后迅速关闭，这一激活时间点对应于胚乳细胞由合胞体向细胞化的转变[6]。在种间杂交种、父本基因组过量杂交种以及诸如和突变体等细胞化发生迟滞的水稻胚乳中，都伴随有Ⅰ型MADS-box基因的持续激活[10-11, 24-25]。另外，有证据表明、、等Ⅰ型MADS-box基因被敲除或被干扰（RNAi）后能引起水稻胚乳细胞化过程提前[6, 39]，暗示这些基因在调控合胞体向细胞化过渡的过程中扮演着与PRC2相反的作用（表1、图2）。最新的研究表明，水稻中有少部分Ⅰ型MADS-box基因直接受到PRC2介导的H3K27me3修饰，但另一些伴随细胞化发生而被激活的基因（如等）并无H3K27me3修饰的显著富集[24-25]。因此，关于Ⅰ型MADS-box基因与PRC2复合体在调控胚乳细胞化过程中的相互作用关系仍不明确。

显而易见，游离核期和细胞化期细胞增殖所进行的细胞周期是不同的：游离核期细胞核分裂完成后细胞周期即已完成，而细胞化期核分裂与细胞质分裂相耦合，需经历一个典型的细胞周期[40]。在胚乳发育过程中，诸如合胞体形成、胚乳细胞化及随后发生的胚乳细胞内复制等生物学事件，都伴随严格的细胞周期调控[41]。例如，当水稻细胞周期蛋白Orysa;CycB1;1的编码基因被RNA干涉后，胚乳细胞化延迟，种子败育[42]。有证据表明细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制因子是水稻合胞体中重要的细胞周期调控因子，过量表达能导致水稻胚乳细胞不能正常分裂[43-44]。水稻无胚乳基因（）编码一个SNF2家族解旋酶，参与有丝分裂后期染色体分离过程中DNA连环（DAN catenation）的解除[45]。虽然胚乳合胞体细胞能够细胞化，但由于细胞周期异常这些胚乳细胞不能进一步分裂，产生种子“无胚乳”表型[45]。最近Cheng等[24]发现突变体胚乳细胞化障碍伴随细胞周期相关基因的持续激活，进一步证明严格的细胞周期调控对于胚乳早期发育具有重要作用。此外，拟南芥同源基因对于水稻胚乳早期发育是必需的[46]。在突变体中，胚乳细胞游离核的增殖及定位异常，游离核只分布在珠孔端，并且细胞化推迟[46]。

表1 水稻胚乳发育相关基因

MEG−母本印记基因。MEG, Maternally expressed gene.

3 胚乳细胞分化的调控机制

与拟南芥以及某些禾谷类作物（如玉米）相比，水稻胚乳细胞的分化类型较少，一般认为胚乳组织主要由中央胚乳（又称淀粉胚乳）细胞和糊粉层细胞组成[5]。这两类细胞在形态、内含物组成以及生物学功能上都存在显著差异。糊粉层细胞位于中央胚乳外侧，其细胞内富含蛋白质、脂类和矿物元素，主要行使物质转运、营养贮藏的功能；中央胚乳细胞主要进行淀粉的合成与积累[47]。伴随水稻种子发育，中央胚乳细胞自主发生程序化死亡，在成熟种子的胚乳组织中，只有糊粉层细胞是有活性的[5]。因而在种子萌发过程中，糊粉层细胞能够感受胚胎组织传递的信号，通过合成并向中央胚乳细胞分泌α-淀粉酶，促进淀粉分解，为种子萌动提供能量[48]。

水稻种子受精5 d后细胞化过程基本结束，合胞体细胞通过平周分裂及随后若干次平周、垂周分裂产生的胚乳细胞填满整个胚囊腔，胚乳细胞开始积累储藏物质[5]。在受精后6 d左右，最外层的胚乳细胞在形态上逐渐区别于内侧胚乳细胞，其内胞质浓郁，这种差异在受精后7～9 d更为明显。此时外层胚乳细胞特化成糊粉层细胞（图1），富含蛋白体和脂质体而少淀粉体[5]。由此可见，糊粉层细胞分化和储藏物质开始积累基本是同步发生的。水稻成熟颖果不同部位糊粉层细胞的层数存在显著差异，靠近颖果背部维管束附近细胞层数最多（3～4层），颖果腹部的糊粉层由1～2层细胞组成，而颖果两侧通常只有1层糊粉细胞[5]。

目前对植物糊粉细胞分化和增殖的分子调控机制了解相对较少[47]。研究人员分离了一系列玉米糊粉层异常的突变体，并克隆了其中一些重要基因，包括（）、（）、（）、、和等[49-52]。这些基因的同源基因可能对于水稻糊粉层细胞的命运决定也有重要作用，例如在水稻中抑制玉米类受体激酶同源基因的表达，可导致种子糊粉细胞缺失[53]。与此类似，水稻() 基因突变后也不能形成糊粉层，图位克隆发现编码一个植物特异的半胱氨酸蛋白酶，与玉米DEK1同源[54]。这些结果表明禾谷类植物糊粉层细胞分化的调控机制可能是非常保守的。（）编码一个Dof家族转录因子，参与调控种子储藏蛋白的合成。当该基因表达降低后，水稻糊粉细胞层数变多[55]；玉米基因RNA干涉后也表现出类似表型[56]。有意思的是，当调控水稻储藏物质积累的另一个关键基因（）/与基因被同时干涉后，水稻种子糊粉细胞层数进一步增加，然而单独敲低/对糊粉层的数目没有明显影响[55]。

最近有证据表明表观遗传调控也参与水稻糊粉细胞的命运决定。Liu等[57]分离到一个糊粉细胞层数显著增多的突变体（），该突变表型是由于水稻DNA去甲基化酶基因发生弱突变引起的。进一步研究显示，可以通过调节和启动子区DNA甲基化水平影响基因表达，从而调控糊粉细胞的命运决定[57]。有趣的是的遗传模式表现为配子体母体效应，只有母本等位基因对胚乳发育和糊粉细胞分化具有决定性作用[57]。

4 胚乳细胞内储藏物质积累的调控

水稻籽粒中淀粉、储藏蛋白以及脂类等物质的积累，对稻米产量及品质形成具有决定性作用。狭义上讲，储藏物质积累的过程即水稻的灌浆过程，其遗传调控基础十分复杂，既受二倍体母体植株核基因组的影响，又受三倍体胚乳基因组的影响。同时，母体组织、胚乳和胚之间存在复杂的信号交流，协调三者的同步发育。对籽粒灌浆分子调控机制的认识目前主要是通过突变体的筛选及其基因克隆、以及利用反向遗传学手段获得的。

Liu等[58]从穞稻中克隆了一个影响灌浆速度的QTL（），在果皮中高表达，其编码蛋白可以与Rubisco互作，通过调节母体组织中蔗糖合成影响灌浆。源器官中合成的蔗糖需要转运到籽粒中并进一步分解成单糖，为胚乳中淀粉的合成提供底物。蔗糖在籽粒中的转运需要蔗糖转运蛋白（SUT，sucrose transporter）的参与，例如主要在水稻糊粉层中表达，当该基因的表达被RNA干涉时籽粒不能正常灌浆[59]。近来研究发现SWEET家族蛋白也参与蔗糖和己糖在植物体内的转运，例如玉米蛋白可以通过调控葡萄糖从转移细胞向胚乳细胞转运参与灌浆发生；是玉米的同源基因，敲除该基因也会影响水稻正常灌浆[60]。水稻中和参与蔗糖从颖果背部维管束向珠被细胞的卸载来调控籽粒灌浆，和突变体均表现出籽粒不充实的表型[61-62]。水稻（）编码细胞壁转移酶OsCIN2，主要在种子的背部维管束表达，能够将蔗糖分解成果糖和葡萄糖，同时可能还参与了糖分由韧皮部向籽粒的卸载过程，因而突变体籽粒灌浆不完全，粒重降低并表现出粉质胚乳表型[63]。有趣的是和在水稻和玉米驯化过程中均受到了强烈的人工选择[60, 63]，暗示籽粒灌浆特性是单子叶作物驯化的重要目标性状。SPK是一个在胚乳中高表达的钙依赖的蛋白激酶，能够通过磷酸化果糖合酶调控灌浆，反义表达能够抑制淀粉在籽粒中的合成[64]。

籽粒灌浆主要是蔗糖转化为淀粉，将光合产物向籽粒转移的过程，因此淀粉合成的障碍能够直接导致灌浆受阻。淀粉合酶可以分为GBSSⅠ、SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ和SSⅣ等五类，相关基因突变可以引发淀粉合成异常或（和）淀粉结构改变，进而影响产量及品质形成[65]。例如，水稻（）编码葡萄糖焦磷酸化酶大亚基，当突变后籽粒中不能生成足够底物来合成淀粉，进而导致种子淀粉合成障碍[66]。目前克隆到的一些参与淀粉合成的关键调控基因（图2），包括bZIP转录因子家族基因/、DOF转录因子家族基因、MADS-box转录因子家族基因以及AP2转录因子家族成员等，均能通过调控胚乳淀粉或储藏蛋白合成相关基因的表达来影响灌浆[55, 67-69]。

最近的研究表明，一些NF-Y家族转录因子参与调控胚乳中储藏物质的积累。NF-Y转录因子由NF-YA、NF-YB和NF-YC三种亚基组成，NF-Y转录因子的经典作用模型认为NF-YB和NF-YC在细胞质中形成二聚体后被转运到细胞核中，再与NF-YA形成异源三聚体发挥作用；其中NF-YA能够识别并结合CCAAT基序，而NF-YB和NF-YC具有表达激活活性[70]。E等[71]发现包括水稻、,、,,,,在内的一类NF-Y家族基因在禾本作物的籽粒中特异表达，它们的编码蛋白可以相互作用形成NF-Y转录因子复合体。现有研究显示除NF-YA外，NF-YB和NF-YC还能够与其他转录因子相互作用。例如OsNF-YB1、OsNF-YC12（或OsNF-YC10）可以在细胞核内与bHLH家族转录因子OsbHLH144以及ERF家族转录因子OsERF115形成复合物，调控下游基因（如蔗糖转运蛋白基因、淀粉合成基因/等）的表达，从而调控水稻中储藏物质积累[72-73]。OsNF-YB1和OsNF-YB9还可以与OsbZIP76相互作用，参与调控水稻细胞化的发生[74]。Bai等[75]发现OsNF-YB1通过识别并直接结合CCAAT基序调控表达，而Xu等[72]通过ChIP-seq方法在全基因组水平对OsNF-YB1的DNA结合位点进行分析，发现GCC盒被显著富集，但未见CCAAT基序富集。对拟南芥NF-YB家族成员LEC1的研究发现，LEC1在种子发育不同时期所结合的DNA元件是不一样的，CCAAT元件只在发育早期被富集[76-77]。因此我们推测水稻中也存在类似的情况，不同发育时期OsNF-YB1识别位点的差异可能是由OsNF-YB1转录因子复合物的组成差异决定的。

箭头表示正调控，“T”表示负调控，实线表示已有充分证据支持该调控作用，虚线和问号表示该调控路径尚不明确或缺少实验证据。

Fig.2.Schematic illustration of the molecular controls of rice endosperm development.

近来陆续有研究报道NAC（NAM, ATAF1/2, and CUC2）家族转录因子参与玉米、水稻、小麦等禾谷类作物胚乳储藏物质的积累调控[78-79]。和特异地在水稻种子中表达，两个基因同时突变后籽粒变粉质，同时淀粉和储藏蛋白含量降低。这两个功能冗余的NAC转录因子能够直接结合淀粉和储藏蛋白合成途径中多个关键基因的启动子，参与这些基因的表达调控[79]。玉米和通过类似的作用机制影响玉米籽粒发育。Ren等[80]发现另外两个水稻种子特异表达的NAC转录因子ONAC127和ONAC129可以通过调控等糖分转运相关基因的表达影响籽粒灌浆，敲除或过量表达或，均能抑制种子中储藏物质的合成。有意思的是，这两个基因在水稻灌浆的高温响应中也发挥作用[80]。在水稻中异位表达另一个胚乳特异表达的NAC基因，能够导致淀粉粒在转基因植株营养组织中异常积累，这一发现也表明可能参与水稻淀粉合成调控[81]。有研究发现，水稻突变体颖果中，，和等NAC基因的表达水平降低[74]，暗示OsbZIP76可能参与这些NAC家族基因的表达调控。

脂类也是大米重要的营养组成成分之一，同时影响稻米的食味品质和储藏品质。稻米中脂质主要以甘油三酯、磷脂和游离脂肪酸组成，存在于麸皮、胚和胚乳中[82-83]。稻米脂质含量受多个QTL调控，但是水稻中脂质生物合成的遗传调控研究还相对欠缺[84-86]。脂肪酸去饱和酶（FAD）在水稻籽粒脂质组成中发挥重要作用。OsFAD3可以将水稻籽粒中亚油酸（C18:2）转化为亚麻酸（C18:3），胚乳中过表达可以导致亚麻酸（C18:3）含量显著提高[87]；OsFAD2在水稻籽粒发育中可以将油酸（C18:1）转化为亚油酸（C18:3），抑制的表达可以显著提高籽粒中油脂的含量[88]。近日, Zhou等[89]利用GC-MS鉴定了533份栽培稻种子中脂肪酸的组分和含量，发现各种脂肪酸组分存在广泛的变异并且在栽培稻亚群之间存在明显的差异，并通过全基因组关联分析，鉴定了与11个油脂相关性状的99个QTL，进一步克隆了其中4个（、、和）对油脂组成自然变异有重要贡献的基因。该发现解析了稻米品种中油脂的含量和组成的遗传基础，为优质稻米的培育提供重要的基因资源。

5 激素介导的水稻胚乳发育调控

植物激素在植物发育调控过程中发挥着极其重要的作用。对不同发育时期水稻胚乳中各种激素进行定量分析发现，1）细胞分裂素（CK）含量在胚乳游离核期迅速增加，而当种子开始细胞化（受精后0～4 d）其合成受到强烈抑制；2）生长素的合成（以吲哚乙酸IAA为例）在种子受精后3 d开始被激活，伴随储藏物质的积累，胚乳中生长素的含量也迅速增加；3）种子受精后脱落酸（ABA）的合成稳步增加，当细胞化期完成时（受精后5～6 d）其含量到达峰值，随后开始降低；4）茉莉酸含量在游离核期维持较高水平，随后迅速下降，在受精6 d后其含量非常低（图3）[90]。关于其他激素（如赤霉素、油菜素内酯等）在水稻颖果内的积累动态，目前尚缺少可靠、系统的研究报道。此外，对于不同激素在调控胚乳发育中的功能也亟待深入研究。

5.1 IAA对胚乳细胞化和储藏物质积累的影响

植物体内生长素的合成首先通过色氨酸氨基转移酶（TAA1/TAR）将色氨酸转变成吲哚-3-丙酮酸，进一步以此为底物，在YUCCA家族类黄素单加氧酶（YUC）的催化下合成IAA[91]。拟南芥、、三重突变体不能正常合成生长素，其胚乳细胞增殖发生异常[92]。此外，拟南芥父本过量杂交种（2n × 4n）由于生长素的过量积累细胞化迟滞；与此一致，在正常二倍体种子中过量表达生长素也能导致类似表型[93]。这些发现表明生长素参与拟南芥胚乳细胞化调控。

图3 水稻胚乳发育过程中不同激素积累的模式图

Fig.3.Schematic illustration of the phytohormones accumulation in developing rice endosperm.

对水稻颖果中生长素积累的动态分析以及对相关基因表达的时空特性分析，推测生长素对水稻胚乳发育也是必需的[90, 94]。水稻YUC家族成员中,,在颖果中高表达或特异表达，其中的激活要早于和，在受精后4 d出现表达峰值，随后迅速沉默；和在胚乳细胞开始细胞化时逐渐激活，并在受精后15 d左右到达峰值[95]。有趣的是，水稻突变体胚乳细胞化延迟伴随表达异常上调，但是颖果中生长素含量却显著低于野生型[24]；同时水稻功能缺失突变体也并未表现出胚乳细胞化异常[95]，这些结果提示我们，生长素在水稻胚乳细胞化过程中的作用可能与拟南芥存在差异。又如，水稻千粒重基因（）编码IAA-葡萄糖水解酶。对于功能正常型水稻品种，能够在TGW6作用下催化籽粒中IAA-葡萄糖向游离IAA转变，因而与缺陷型品种相比其籽粒中IAA水平更高，导致细胞化发生提前[96]，这一发现与拟南芥种子中高IAA水平抑制细胞化的表型是不一致的。此外，外施活性生长素类似物2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）能够促进玉米胚乳细胞化[97]。这些结果暗示生长素在调控双子叶和单子叶植物胚乳细胞化中的功能可能是不同的。

与拟南芥种子在受精后立即积累IAA[92]不同，水稻种子在细胞化阶段才开始逐步积累生长素并在储藏物质积累期维持较高IAA水平（图3）[90]，这与和的表达模式一致[95]。功能缺失突变体种子灌浆缓慢，其颖果内的IAA含量只有野生型对照的2%左右，表明是调控水稻胚乳中生长素合成的最关键因子[95]。玉米同源基因发生突变后，玉米籽粒中生长素含量只有对照的1%～7%[98]。由于和在胚乳中特异表达，我们推测胚乳中相当比例的生长素可能是原位合成的。与突变也能导致粒重降低、垩白增加，但表型严重程度远小于[95]。水稻中和的表达可能直接受OsNF-YB1的调控[95]。

生长素可能还参与糊粉层细胞的分化调控[47]，外施生长素运输抑制剂NPA能够增加玉米糊粉层数[99]。此外，水稻籽粒母体组织的程序化死亡也受生长素调控。水稻颖果背部维管束中的养分主要通过珠心突起由母体组织向籽粒转运，在种子发育早期珠心突起逐渐程序化死亡（PCD），并且这种PCD对种子正常灌浆是必需的[1]。目前已知是水稻珠心突起PCD发生的重要调控因子，基因突变后由于珠心突起PCD障碍导致胚乳细胞不能正常积累储藏物质[68]。有证据表明的表达受生长素调控[68]。由此可见，生长素参与了水稻胚乳细胞化、糊粉层分化、母体组织PCD以及储藏物质积累等一系列重要发育事件，是种子发育调控的重要激素之一。

5.2 ABA对胚乳灌浆的调控

目前对ABA调控种子发育的相关研究多集中于休眠和萌发。值得注意的是，虽然不同研究报道水稻颖果中ABA含量峰值出现的时间有所差异（从受精后6～14 d），但均出现在储藏物质积累期（图3），而非在种子成熟期（对应于种子休眠），并且不同研究均显示水稻种子在发育过程中始终维持一定水平的ABA[90, 100-101]，这一点和其他激素是有差异的。

ABA在胚乳发育过程中究竟扮演什么样的角色，特别是如何调控储藏物质积累，目前仍有待深入研究。对水稻等不同禾本作物的生理研究发现，ABA积累能够提高种子中淀粉合成关键酶的活性，有助于储藏物质合成。部分ABA合成关键基因在种子中表达丰度与ABA含量呈正相关，表明这些基因可能直接参与ABA在籽粒的原位合成。也有研究认为，籽粒中ABA是由叶片等营养器官转运而来的。近日Qin等[102]通过对水稻灌浆缺陷突变体（）分析，发现编码的MATE（multidrug and toxic compound extrusion）转运蛋白通过参与ABA由叶片向籽粒长距离运输，影响水稻种子灌浆。突变体籽粒中，参与调控储藏物质积累的重要转录因子（如RISBZ1/OsbZIP58、RPBF、OsNF-YB1、OsNF-YC12、OsbHLH144等）及淀粉合成关键酶编码基因的表达受到抑制。在玉米中敲除同源基因也能引起类似灌浆缺陷表型[102]，这些结果表明通过长距离运输向籽粒中转运ABA对灌浆是必需的。大麦胚乳皱缩突变体籽粒中ABA含量降低也可能是由母体组织向籽粒转运ABA缺陷导致的，除不能正常积累储藏物质外，还伴随细胞化异常[103]。ABA参与调控细胞化发生在水稻和玉米等其他禾本植物中尚无直接证据，但Xing等[104]通过比较游离核期和细胞化期胚乳转录组，发现生长素和ABA信号途径在这两个时期的差异表达基因中被富集，暗示ABA与生长素一起，在细胞化过程中可能发挥作用。

5.3 其他激素和胚乳发育

水稻、玉米、小麦和大麦等禾谷作物籽粒中细胞分裂素(CK)含量在种子受精后迅速增加，并且这些CK主要是在籽粒中合成的。有证据表明在水稻开花后外施激动素（一种内源CK分子）能够促进籽粒细胞分裂，增加粒重；通过在种子中特异表达CK合成关键基因增加种子中CK含量，也能直接影响植物粒重。水稻种子中CK含量在胚乳细胞进入细胞化期后稳步下降。突变体合胞体变大、游离核数目增多，同时细胞化延迟[24]。这些表型伴随颖果CK含量的异常增高和细胞周期相关基因的表达激活，因而我们推测CK可以通过调节细胞周期影响水稻细胞化进程。

通过比较优势粒和弱势粒，发现乙烯可以负调控水稻的灌浆。但是遗传证据表明，乙烯信号关键基因/突变后水稻种子千粒重变小，过量表达/可以增加粒重[105]。目前关于乙烯调控胚乳发育的机制亟待进一步深入[106]。

6 水稻胚乳发育的表观遗传调控和基因组印记

研究发现胚乳基因组表观修饰特征明显有别于胚和营养器官，胚乳全基因组DNA甲基化水平较低，参与表观修饰的基因发生突变往往伴随种子发育异常或败育。例如参与介导组蛋白H3K27me3修饰的PRC2核心成员和突变后水稻胚乳不能正常细胞化，/和突变能够抑制淀粉和储藏蛋白积累[21, 24, 107-108]。H3K9甲基化也是一个表达抑制标签，突变后水稻H3K9me2和H3K9me3水平均降低的同时伴随籽粒变小和粒重降低[109]。染色质重塑因子复合体成员基因功能缺失影响水稻胚乳早期发育，游离核数目减少、不能细胞化[110]；干扰去乙酰化酶基因在水稻中的表达能够引起籽粒淀粉合成障碍[111]。除组蛋白修饰外，DNA甲基化是另一种重要的表观修饰形式。水稻甲基转移酶基因突变体籽粒皱缩败育；去甲基化酶基因强突变导致种子不能合成淀粉，弱突变致使糊粉层增厚[57]；另一个去甲基化酶基因/突变后约15%的种子皱缩，不能正常灌浆[112]。

目前我们对表观修饰调控种子发育和储藏物质积累的分子机理的认识还非常有限。通过对籽粒不同发育时期基因组DNA甲基化分析，发现在胚乳细胞由游离核期向细胞化期过渡的过程中，全基因组DNA甲基化水平显著降低，而在细胞化完成后基因组甲基化水平增高[104]。这种表观修饰的动态变化是如何影响胚乳发育进程的，其作用机制尚需深入研究。有研究发现调控胚乳发育的一些关键基因（如/和）的表达激活伴随DNA甲基化水平的下降[104]。

基因组印记是一种在高等动、植物中均普遍存在的非孟德尔遗传现象。对于基因组编码的绝大多数基因，胚乳中父母本转录本的比值符合1p:2m，但是有少部分基因（即印记基因）的父母本等位基因表达量显著偏离1p:2m，并且在正、反杂交种中均表现出这种依赖亲本来源的表达偏好性。通常我们将只表达（或主要表达）母本等位基因的印记基因称为母本印记基因（MEGs，maternally expressed genes），将只表达（或主要表达）父本等位基因的印记基因称为父本印记基因（PEGs，paternally expressed genes）[113]。基因组印记现象是在植物中首先发现的。早在1970年，Kermical等[114]就发现控制玉米籽粒糊粉层颜色的基因座位上只表达母源等位基因，父源等位基因并不参与表型决定。近年来随着二代测序技术的飞速发展，利用物种内丰富的单核苷酸多态性，研究人员已经对多种植物物种进行了系统的印记基因发掘[115-123]。对植物而言，基因组印记现象主要存在于胚乳中[115, 121, 124]。有趣的是，虽然基因印记的现象在高等生物中广泛存在，并且受类似的表观遗传机制调控，但是不同植物物种间印记基因的保守性非常低，目前只发现少数几个基因在拟南芥、玉米和水稻三种物种中都表现出印记表达模式[118, 113]。通过对拟南芥等十字花科的植物分析发现，印记基因确实往往存在于转座元件附近[125-126]。但是值得注意的是，水稻中并没有发现印记基因和转座元件之间存在物理位置上的直接关联[117-118]。

胚乳中基因组印记的产生主要是由于雌雄配子在受精前表观修饰的状态存在差异[127]。对拟南芥研究表明，中央细胞中DNA甲基化酶基因表达水平较低，而去甲基化酶基因（）表达水平较高，因此中央细胞整体上维持较低DNA甲基化水平，但是精细胞中由于不表达，整体上维持较高DNA甲基化水平[128]。同时，由于PRC2复合体在精细胞和中央细胞中的表达差异，导致两者染色质的组蛋白甲基化修饰不同[127]。当中央细胞和精细胞融合形成原初胚乳核后，胚乳细胞中父本和母本基因组的表观修饰差异，导致只有一个等位基因表达，另一个沉默。通常MEGs受DNA甲基化影响较大，而PEGs还受组蛋白修饰（如H3K27me3）状态的调控[127]。

越来越多的证据表明胚乳败育伴随着基因组印记的紊乱，并且很多印记基因的表达水平也发生改变[10, 119, 130-131]。对拟南芥印记基因功能的研究表明，许多MEGs通过调控胚乳细胞化的发生影响种子发育[24-25, 74, 132-133]，而PEGs突变通常不影响植物的正常生长发育[134]。近来研究表明PEGs可能直接参与调控物种间的生殖隔离，在拟南芥远源杂交种的胚乳中PEGs表现出比MEGs更为显著的表达紊乱，而一些PEG突变体能够抑制拟南芥远源杂交或父本基因组过量引起的胚乳败育[130, 134-135]。

目前在水稻中已经发现了数百个可能的印记基因，然而对水稻印记基因生物学功能尚缺乏深入研究。有研究发现，许多水稻印记基因和产量相关性状共定位[136]。例如Chen等[118]发现水稻粒重QTL在胚乳中主要表达母本等位基因。与拟南芥中的报道类似，一些水稻MEGs参与胚乳早期发育，如和能够影响细胞化的发生[6,74]。尽管拟南芥PEGs突变通常不影响胚乳和种子发育[134]，但Yuan等[136]报道水稻（编码一个依赖酮戊二酸和铁的加氧酶）在胚乳中特异表达来自父本的等位基因，当这个基因被敲除后，胚乳细胞中不能正常积累淀粉等储藏物质，因此成熟的籽粒是完全空瘪的。另外，Xu等[95]发现水稻灌浆调控基因也是一个PEG基因。这些研究表明MEGs和PEGs均能参与不同时期的水稻胚乳发育。

7 总结与展望

从前文介绍可知，目前已经克隆了多个参与水稻胚乳发育的重要调控基因（表1），对相关分子调控机制也有了较为深入的了解。由于储藏物质积累与稻米产量和品质息息相关，目前多数研究主要围绕淀粉、蛋白合成以及灌浆调控展开。研究显示胚乳早期发育对储藏物质积累也有重要影响，但是对胚乳游离核期和细胞化期的研究相对滞后。胚乳在细胞化完成后即开始合成储藏物质，这一过程究竟是如何激活的？其作用机制是什么？表观遗传调控在这一过程中发挥什么样的影响？相关调控机制尚亟待深入研究。种子由母体组织、胚和胚乳组成。越来越多的证据显示不同组织之间可能存在广泛的信号和物质交流，协同影响种子发育。水稻胚乳是如何影响其他种子组织发育的，其自身发育又是如何受到其他组织的影响的，都是值得今后进一步深入探讨的方向。

种子（包括胚乳）发育易受环境影响。近来有研究发现一些参与储藏物质积累的重要调控因子能够直接响应高温胁迫，表明遗传调控在胚乳发育环境响应过程中也具有重要作用[6, 80, 137]。深刻理解水稻胚乳发育受环境（如高温、高二氧化碳等）影响的作用机制，在全球气候变化的大趋势下显得尤为重要。目前对水稻胚乳发育调控机制的研究多基于突变体材料的分离及其基因克隆，而这些基因突变往往导致水稻胚乳发育的缺陷，因此在生产上难以直接应用，利用自然群体分离并克隆具有应用潜力的相关基因是今后研究的一个重要方向。此外，随着水稻耕作方式向集约化、机械化的转变，亟需培育一批灌浆特性与耕作方式调整相匹配的新品种。发掘诸如调控储藏物质积累速率和效率的关键基因，将具有非常重要的现实意义。

[1] Wu X, Liu J, Li D, Liu C M.Rice caryopsis development: I.Dynamic changes in different cell layers[J]., 2016, 58(9): 772-785.

[2] Zhang M, Xie S, Dong X, Zhao X, Zeng B, Chen J, Li H, Yang W, Zhao H, Wang G, Chen Z, Sun S, Hauck A, Jin W, Lai J.Genome-wide high resolution parental-specific DNA and histone methylation maps uncover patterns of imprinting regulation in maize[J]., 2014, 24(1): 167-176.

[3] Zemach A, Kim M Y, Silva P, Rodrigues J A, Dotson B, Brooks M D, Zilberman D.Local DNA hypomethylation activates genes in rice endosperm[J]., 2010, 107(43): 18729- 18734.

[4] Hsieh T F, Ibarra C I, Silva P, Zemach A, Eshed-Williams L, Fischer R L, Zilberman D.Genome- wide demethylation ofendosperm[J]., 2009, 324: 1451-1454.

[5] Wu X, Liu J, Li D, Liu C M.Rice caryopsis development II: Dynamic changes in the endosperm[J]., 2016, 58(9): 786-798.

[6] Chen C, Begcy K, Liu K, Folsom J J, Wang Z, Zhang C, Walia H.Heat stress yields a unique MADS box transcription factor in determining seed size and thermal sensitivity[J]., 2016, 171(1): 606-622.

[7] Paul P, Dhatt B K, Sandhu J, Hussain W, Irvin L, Morota G, Staswick P, Walia H.Divergent phenotypic response of rice accessions to transient heat stress during early seed development[J]., 2020, 4(1): 1-13.

[8] Zhang H, Luo M, Johnson S D, Zhu X, Liu L, Huang F, Liu Y, Xu P, Wu X.Parental genome imbalance causes post-zygotic seed lethality and deregulates imprinting in rice[J]., 2016, 9(1): 43.

[9] Sekine D, Ohnishi T, Furuumi H, Ono A, Yamada T, Kurata N, Kinoshita T.Dissection of two major components of the post-zygotic hybridization barrier in rice endosperm[J]., 2013, 76(5): 792-799.

[10] Tonosaki K, Sekine D, Ohnishi T, Ono A, Furuumi H, Kurata N, Kinoshita T.Overcoming the species hybridization barrier by ploidy manipulation in the genus[J]., 2018, 93(3): 534-544.

[11] Ishikawa R, Ohnishi T, Kinoshita Y, Eiguchi M, Kurata N, Kinoshita T.Rice interspecies hybrids show precocious or delayed developmental transitions in the endosperm without change to the rate of syncytial nuclear division[J]., 2011, 65(5): 798-806.

[12] Mozgova I, Hennig L.The polycomb group protein regulatory network[J]., 2015, 66(1): 269-296.

[13] Holec S, Berger F.Polycomb group complexes mediate developmental transitions in plants[J]., 2012, 158(1): 35-43.

[14] Ohad N, Margossian L, Hsu Y C, Williams C, Repetti P, Fischer R L.A mutation that allows endosperm development without fertilization[J]., 1996, 93(11): 5319-5324.

[15] Eacock W J A P, Chaudhury A M, Ming L, Miller C, Craig S, Dennis E S, Peacock W J.Fertilization- independent seed development in[J]., 1997, 94: 4223-4228.

[16] Kiyosue T, Ohad N, Yadegari R, Hannon M, Dinneny J, Wells D, Katz A, Margossian L, Harada J J, Goldberg R B, Fischer R L.Control of fertilization-independent endosperm development by the MEDEA polycomb gene in[J]., 1999, 96(7): 4186-4191.

[17] Köhler C, Hennig L, Bouveret R, Gheyselinck J, Grossniklaus U, Gruissem W.MSI1 is a component of the MEA/FIE Polycomb group complex and required for seed development[J]., 2003, 22(18): 4804-4814.

[18] Luo M, Platten D, Chaudhury A, Peacock W J, Dennis E S.Expression, imprinting, and evolution of rice homologs of the polycomb group genes[J]., 2009, 2(4): 711-723.

[19] Li S, Zhou B, Peng X, Kuang Q, Huang X, Yao J, Du B, Sun M X.OsFIE2 plays an essential role in the regulation of rice vegetative and reproductive development[J]., 2014, 201(1): 66-79.

[20] Zhang L, Cheng Z, Qin R, Qiu Y, Wang J L, Cui X, Gu L, Zhang X, Guo X, Wang D, Jiang L, Wu C Y, Wang H, Cao X, Wan J.Identification and characterization of an Epi-allele of FIE1 reveals a regulatory linkage between two epigenetic marks in rice[J]., 2012, 24(11): 4407-4421.

[21] Cheng X, Pan M, E Z, Zhou Y, Niu B, Chen C, Cheng X, Niu B, Chen C, Pan M, Zhiguo E, Zhou Y, Niu B, Chen C.Functional divergence of two duplicated fertilization independent endosperm genes in rice with respect to seed development[J]., 2020, 104(1): 124-137.

[22] Furihata H Y, Suenaga K, Kawanabe T, Yoshida T, Kawabe A.Gene duplication, silencing and expression alteration govern the molecular evolution ofgenes in plants[J]., 2016, 91(2): 85-95.

[23] Tonosaki K, Kinoshita T.Possible roles for polycomb repressive complex 2 in cereal endosperm[J]., 2015, 6: 1-5.

[24] Cheng X, Pan M, E Z G, Zhou Y, Niu B, Chen C.The maternally expressed polycomb group geneis essential for endosperm cellularization and imprinting in rice[J]., 2020, 2: 100092.

[25] Tonosaki K, Ono A, Kunisada M, Nishino M, Nagata H, Sakamoto S, Kijima S T, Furuumi H, Nonomura K I, Sato Y, Ohme-Takagi M, Endo M, Comai L, Hatakeyama K, Kawakatsu T, Kinoshita T.Mutation of the imprinted geneinduces autonomous endosperm development and delayed cellularization in rice [J]., 2021, 33(1): 85-103.

[26] Deng L, Zhang S, Wang G, Fan S, Li M, Chen W, Tu B, Tan J, Wang Y, Ma B, Li S, Qin P.Down-regulation of OsEMF2b caused semi-sterility due to anther and pollen development defects in rice[J]., 2017, 8: 1998.

[27] Xie S, Chen M, Pei R, Ouyang Y, Yao J.OsEMF2b acts as a regulator of flowering transition and floral organ identity by mediating H3K27me3 deposition at OsLFL1 and OsMADS4 in rice[J]., 2015, 33(1): 121-132.

[28] Conrad L J, Khanday I, Johnson C, Guiderdoni E, An G, Vijayraghavan U, Sundaresan V.The polycomb group gene EMF2B is essential for maintenance of floral meristem determinacy in rice[J]., 2014, 80(5): 883-894.

[29] Chen M, Xie S, Ouyang Y, Yao J.Rice PcG genecontrols seed dormancy and seedling growth by regulating the expression of OsVP1[J]., 2017, 260: 80-89.

[30] Zhong J, Peng Z, Peng Q, Cai Q, Peng W, Chen M, Yao J.Regulation of plant height in rice by the Polycomb group genes,and[J]., 2018, 267: 157-167.

[31] Smaczniak C, Immink R G H, Angenent G C, Kaufmann K.Developmental and evolutionary diversity of plant MADS-domain factors: Insights from recent studies[J]., 2012, 139(17): 3081-3098.

[32] Masiero S, Colombo L, Grini P E, Schnittger A, Kater M M.The emerging importance of type I MADS box transcription factors for plant reproduction[J]., 2011, 23(3): 865-872.

[33] Kang I H, Steffen J G, Portereiko M F, Lloyd A, Drews G N.The AGL62 MADS domain protein regulates cellularization during endosperm development in[J]., 2008, 20(3): 635-647.

[34] Portereiko M F, Lloyd A, Steffen J G, Punwani J A, Otsuga D, Drews G N.AGL80 is required for central cell and endosperm development in[J]., 2006, 18(8): 1862-1872.

[35] Kohler C.The Polycomb-group protein MEDEA regulates seed development by controlling expression of the MADS-box gene[J]., 2003, 17(12): 1540-1553.

[36] Walia H, Josefsson C, Dilkes B, Kirkbride R, Harada J, Comai L.Dosage-dependent deregulation of an AGAMOUS-LIKE gene cluster contributes to interspecific incompatibility[J]., 2009, 19(13): 1128-1132.

[37] Nam J, Kim J, Lee S, An G, Ma H, Nei M.Type I MADS-box genes have experienced faster birth-and -death evolution than type II MADS-box genes in angiosperms[J]., 2004, 101(7): 1910-1915.

[38] Gramzow L, Theißen G.Phylogenomics of MADS-box genes in plants: Two opposing life styles in one gene family[J]., 2013, 2(3): 1150–1164.

[39] Paul P, Dhatt B K, Miller M, Folsom J J, Wang Z, Krassovskaya I, Liu K, Sandhu J, Yu H, Zhang C, Obata T, Staswick P, Walia H.andare essential regulators of early seed development in rice[J]., 2020, 182(2): 933-948.

[40] Olsen O A.: Cellularization and cell fate specification[J]., 2001, 52(1): 233-267.

[41] Dante R, Larkins B, Sabelli P.Cell cycle control and seed development[J]., 2014, 5: 493.

[42] Guo J, Wang F, Song J, Sun W, Zhang X S.The expression of Orysa;CycB1;1 is essential for endosperm formation and causes embryo enlargement in rice[J]., 2010, 231(2): 293-303.

[43] Mizutani M, Naganuma T, Tsutsumi K, Saitoh Y.The syncytium-specific expression of the Orysa;KRP3 CDK inhibitor: Implication of its involvement in the cell cycle control in the rice (L.) syncytial endosperm[J]., 2010, 61(3): 791-798.

[44] Barrôco R M, Peres A, Droual A M, De Veylder L, Nguyen L S L, De Wolf J, Mironov V, Peerbolte R, Beemster G T S, Inzé D, Broekaert W F, Frankard V.The cyclin-dependent kinase inhibitor Orysa;KRP1 plays an important role in seed development of rice[J]., 2006, 142(3): 1053-1064.

[45] Hara T, Katoh H, Ogawa D, Kagaya Y, Sato Y, Kitano H, Nagato Y, Ishikawa R, Ono A, Kinoshita T, Takeda S, Hattori T.Rice SNF2 family helicase ENL1 is essential for syncytial endosperm development[J]., 2015, 81(1): 1-12.

[46] Huang X, Peng X, Sun M X.is essential for rice fertility and required for embryo dorsal-ventral pattern formation and endosperm development[J]., 2017, 215(3): 1039-1058.

[47] Becraft P W, Yi G.Regulation of aleurone development in cereal grains[J]., 2011, 62(5): 1669-1675.

[48] Yan D, Duermeyer L, Leoveanu C, Nambara E.The functions of the endosperm during seed germination[J]., 2014, 55(9): 1521-1533.

[49] Wu H, Gontarek B C, Yi G, Beall B D, Neelakandan A K, Adhikari B, Chen R, McCarty D R, Severin A J, Becraft P W.The thick aleurone1 gene encodes a NOT1 subunit of the CCR4-NOT complex and regulates cell patterning in endosperm[J]., 2020, 184: 00703.2020.DOI: 10.1104/pp.20.00703

[50] Lid S E, Gruis D, Jung R, Lorentzen J A, Ananiev E, Chamberlin M, Niu X, Meeley R, Nichols S, Olsen O A.The defective kernel 1 (dek1) gene required for aleurone cell development in the endosperm of maize grains encodes a membrane protein of the calpain gene superfamily[J]., 2002, 99(8): 5460-5465.

[51] Yi G, Neelakandan A K, Gontarek B C, Vollbrecht E, Becraft P W.The naked endosperm genes encode duplicate INDETERMINATE domain transcription factors required for maize endosperm cell patterning and differentiation[J]., 2015, 167(2): 443-456.

[52] Gontarek B C, Neelakandan A K, Wu H, Becraft P W.NKD transcription factors are central regulators of maize endosperm development[J]., 2016, 28(12): 2916-2936.

[53] Pu C X, Ma Y, Wang J, Zhang Y C, Jiao X W, Hu Y H, Wang L L, Zhu Z G, Sun D, Sun Y.Crinkly4 receptor-like kinase is required to maintain the interlocking of the palea and lemma, and fertility in rice, by promoting epidermal cell differentiation[J]., 2012, 70(6): 940-953.

[54] Hibara K ichiro, Obara M, Hayashida E, Abe M, Ishimaru T, Satoh H, Itoh J, Nagato Y.Thegene functions in leaf and embryonic pattern formation in rice[J]., 2009, 334(2): 345-354.

[55] Kawakatsu T, Yamamoto M P, Touno S M, Yasuda H, Takaiwa F.Compensation and interaction between RISBZ1 and RPBF during grain filling in rice[J]., 2009, 59(6): 908-920.

[56] Qi X, Li S, Zhu Y, Zhao Q, Zhu D, Yu J.ZmDof3, a maize endosperm-specific Dof protein gene, regulates starch accumulation and aleurone development in maize endosperm[J]., 2017, 93(1-2): 7-20.

[57] Liu J, Wu X, Yao X, Yu R, Larkin P J, Liu C M.Mutations in the DNA demethylase OsROS1 result in a thickened aleurone and improved nutritional value in rice grains[J]., 2018, 115(44): 11327-11332.

[58] Liu E, Zeng S, Zhu S, Liu Y, Wu G, Zhao K, Liu X, Liu Q, Dong Z, Dang X, Xie H, Li D, Hu X, Hong D.Favorable alleles ofincrease the grain-filling rate and yield of rice[J]., 2019, 181(3): 1207-1222.

[59] Scofield G N, Hirose T, Gaudron J A, Upadhyaya N M, Ohsugi R, Furbank R T.Antisense suppression of the rice sucrose transporter gene,, leads to impaired grain filling and germination but does not affect photosynthesis[J]., 2002, 29(7): 815-826.

[60] Sosso D, Luo D, Li Q B, Sasse J, Yang J, Gendrot G, Suzuki M, Koch K E, McCarty D R, Chourey P S, Rogowsky P M, Ross-Ibarra J, Yang B, Frommer W B.Seed filling in domesticated maize and rice depends on SWEET-mediated hexose transport[J]., 2015, 47(12): 1489-1493.

[61] Ma L, Zhang D, Miao Q, Yang J, Xuan Y, Hu Y.Essentialerduring the early stage of rice grain filling[J]., 2017, 58(5): 863-873.

[62] Yang J, Luo D, Yang B, Frommer W B, Eom J S.SWEET11 and 15 as key players in seed filling in rice[J].The, 2018, 218(2): 604-615.

[63] Wang E, Wang J, Zhu X, Hao W, Wang L, Li Q, Zhang L, He W, Lu B, Lin H, Ma H, Zhang G, He Z.Control of rice grain-filling and yield by a gene with a potential signature of domestication[J]., 2008, 40(11): 1370-1374.

[64] Asano T, Kunieda N, Omura Y, Ibe H, Kawasaki T, Takano M, Sato M, Furuhashi H, Mujin T, Takaiwa F, Wu Cy C, Tada Y, Satozawa T, Sakamoto M, Shimada H.Rice SPK, a calmodulin-like domain protein kinase, is required for storage product accumulation during seed development: phosphorylation of sucrose synthase is a possible factor[J]., 2002, 14(3): 619-628.

[65] Jeon J S, Ryoo N, Hahn T R, Walia H, Nakamura Y.Starch biosynthesis in cereal endosperm[J].and Biochemistry, Elsevier Masson SAS, 2010, 48(6): 383-392.

[66] Wei X, Jiao G, Lin H, Sheng Z, Shao G, Xie L, Tang S, Xu Q, Hu P.regulates grain filling and starch synthesis during rice caryopsis development[J]., 2017, 59(2): 134-153.

[67] Wang J C C, Xu H, Zhu Y, Liu Q Q Q, Cai X L L.OsbZIP58, a basic leucine zipper transcription factor, regulates starch biosynthesis in rice endosperm[J]., 2013, 64(11): 3453-3466.

[68] Yin L L, Xue H W.The MADS29 transcription factor regulates the degradation of the nucellus and the nucellar projection during rice seed development[J]., 2012, 24(3): 1049-1065.

[69] Fu F F, Xue H W.Coexpression analysis identifies, a rice AP2/EREBP family transcription factor, as a novel rice starch biosynthesis regulator[J]., 2010, 154(2): 927-938.

[70] Laloum T, De Mita S, Gamas P, Baudin M, Niebel A.CCAAT-box binding transcription factors in plants: Y so many?[J]., 2013, 18(3): 157-166.

[71] Zhiguo E, Li T, Zhang H, Liu Z, Deng H, Sharma S, Wei X, Wang L, Niu B, Chen C.A group of nuclear factor y transcription factors are sub-functionalized during endosperm development in monocots[J]., 2018, 69(10): 2495-2510.

[72] Xu J J, Zhang X F, Xue H W.Rice aleurone layer specific OsNF-YB1 regulates grain filling and endosperm development by interacting with an ERF transcription factor[J]., 2016, 67(22): 6399-6411.

[73] Bello B K, Hou Y, Zhao J, Jiao G, Wu Y, Li Z, Wang Y, Tong X, Wang W, Yuan W, Wei X, Zhang J.NF-YB1-YC12-bHLH144 complex directly activates Wx to regulate grain quality in rice (L.)[J]., 2019, 17(7): 1222-1235.

[74] Niu B, Deng H, Li T, Sharma S, Yun Q, Li Q, E Z G, Chen C.OsbZIP76 interacts with OsNF-YBs and regulates endosperm cellularization in rice()[J]., 2020, 62(12): 1983-1996.

[75] Bai A N, Lu X D, Li D Q, Liu J X, Liu C M.NF-YB1-regulated expression of sucrose transporters in aleurone facilitates sugar loading to rice endosperm[J]., 2016, 26(3): 384-388.

[76] Pelletier J M, Kwong R W, Park S, Le B H, Baden R, Cagliari A, Hashimoto M, Munoz M D, Fischer R L, Goldberg R B, Harada J J.LEC1 sequentially regulates the transcription of genes involved in diverse developmental processes during seed development[J]., 2017, 114(32): E6710-E6719.

[77] Jo L, Pelletier J M, Hsu S, Baden R, Goldberg R B, Harada J J.Combinatorial interactions of thetranscription factor specify diverse developmental programs during soybean seed development[J]., 2020, 117(2): 1223-1232.

[78] Zhang Z, Dong J, Ji C, Wu Y, Messing J.NAC-type transcription factors regulate accumulation of starch and protein in maize seeds[J]., 2019, 116(23): 11223-11228.

[79] Wang J, Chen Z, Zhang Q, Meng S, Wei C.The NAC transcription factorsandregulate starch and storage protein synthesis[J]., 2020, 184(4): 1775-1791.

[80] Ren Y, Huang Z, Jiang H, Wang Z, Wu F, Xiong Y, Yao J.A heat stress responsive NAC transcription factor heterodimer plays key roles in rice grain filling[J]., 2021, 72(8): 2947-2964.

[81] Mathew I E, Priyadarshini R, Mahto A, Jaiswal P, Parida S K, Agarwal P.participates in rice grain filling[J]., 2020, 4(9): 1-25.

[82] Zhou H, Xia D, He Y Q.Rice grain quality-traditional traits for high quality rice and health-plus substances[J]., 2020, 40(1): 1.DOI:10.1007/ s11032-019-1080-6.

[83] Liu L, Waters D L E, Rose T J, Bao J, King G J.Phospholipids in rice: Significance in grain quality and health benefits: A review[J]., 2013, 139(1-4): 1133-1145

[84] Hu Z L, Li P, Zhou M Q, Zhang Z H, Wang L X, Zhu L H, Zhu Y G.Mapping of quantitative trait loci (QTLs) for rice protein and fat content using doubled haploid lines[J]., 2004, 135(1-2): 47-54.

[85] Liu W, Zeng J, Jiang G, He Y.QTLs identification of crude fat content in brown rice and its genetic basis analysis using DH and two backcross populations[J]., 2009, 169(2): 197-205.

[86] Qin Y, Kim S M, Zhao X, Lee H S, Jia B, Kim K M, Eun M Y, Sohn J K.QTL detection and MAS selection efficiency for lipid content in brown rice (L.)[J]., 2010, 32(6): 506-512.

[87] Liu H L, Yin Z J, Xiao L, Xu Y N, Qu L Q.Identification and evaluation of ω-3 fatty acid desaturase genes for hyperfortifying α-linolenic acid in transgenic rice seed[J]., 2012, 63(8): 3279-3287.

[88] Zaplin E S, Liu Q, Li Z, Butardo V M, Blanchard C L, Rahman S.Production of high oleic rice grains by suppressing the expression of thegene[J]., 2013, 40(10): 996-1004.

[89] Zhou H, Xia D, Li P, Ao Y, Xu X, Wan S, Li Y, Wu B, Shi H, Wang K, Gao G, Zhang Q, Wang G, Xiao J, Li X, Yu S, Lian X, He Y.Genetic architecture and key genes controlling the diversity of oil composition in rice grains[J]., 2021, 14(3): 456-469.

[90] Zhang X F, Tong J H, Bai A N, Liu C M, Xiao L T, Xue H W.Phytohormone dynamics in developing endosperm influence rice grain shape and quality[J]., 2020, 62(10): 1625-1637.

[91] Zhao Y.Auxin biosynthesis[J].TheBook, 2014, 12: e0173.

[92] Figueiredo D D, Batista R A, Roszak P J, Köhler C.Auxin production couples endosperm development to fertilization[J]., 2015, 1: 15184.

[93] Batista R A, Figueiredo D D, Santos-González J, Köhler C.Auxin regulates endosperm cellularization in Arabidopsis[J]., 2019, 33(7-8): 466-476.

[94] Abu-Zaitoon Y M, Bennett K, Normanly J, Nonhebel H M.A large increase in IAA during development of rice grains correlates with the expression of tryptophan aminotransferase OsTAR1 and a grain-specific YUCCA[J]., 2012, 146(4): 487-499.

[95] Xu X, Zhang D, Niu B, Chen C, Yun Q, Zhou Y.OsYUC11-mediated auxin biosynthesis is essential for endosperm development of rice[J]., 2021, 185(3): 934-950.

[96] Ishimaru K, Hirotsu N, Madoka Y, Murakami N, Hara N, Onodera H, Kashiwagi T, Ujiie K, Shimizu B I, Onishi A, Miyagawa H, Katoh E.Loss of function of the IAA-glucose hydrolase geneenhances rice grain weight and increases yield[J]., 2013, 45(6): 707-711.

[97] Lur H S, Setter T L.Role of auxin in maize endosperm development (timing of nuclear DNA endoreduplication, zein expression, and cytokinin)[J]., 1993, 103(1): 273-280.

[98] Bernardi J, Lanubile A, Li Q B, Kumar D, Kladnik A, Cook S D, Ross J J, Marocco A, Chourey P S.Impaired auxin biosynthesis in the defective endosperm18 mutant is due to mutational loss of expression in thegene encoding endosperm-specific YUCCA1 protein in maize[J]., 2012, 160(3): 1318-1328.

[99] Forestan C, Meda S, Varotto S.ZmPIN1-mediated auxin transport is related to cellular differentiation during maize embryogenesis and endosperm development[J]., 2010, 152(3): 1373-1390.

[100]Wang Z, Xu Y, Chen T, Zhang H, Yang J, Zhang J.Abscisic acid and the key enzymes and genes in sucrose-to-starch conversion in rice spikelets in response to soil drying during grain filling[J]., 2015, 241(5): 1091-1107.

[101]Zhang D, Zhang M, Zhou Y, Wang Y, Shen J, Chen H, Zhang L, Lü B, Liang G, Liang J.The rice G protein γ subunit DEP1/qPE9-1 positively regulates grain-filling process by increasing auxin and cytokinin content in rice grains[J]., 2019, 12(1): 91.

[102]Qin P, Zhang G, Hu B, Wu J, Chen W, Ren Z, Liu Y, Xie J, Yuan H, Tu B, Ma B, Wang Y, Ye L, Li L, Xiang C, Li S.Leaf-derived ABA regulates rice seed development via a transporter-mediated and temperature-sensitive mechanism[J]., 2021, 7(3): eabc8873.

[103]Sreenivasulu N, Radchuk V, Alawady A, Borisjuk L, Weier D, Staroske N, Fuchs J, Miersch O, Strickert M, Usadel B, Wobus U, Grimm B, Weber H, Weschke W.De-regulation of abscisic acid contents causes abnormal endosperm development in the barley mutant[J]., 2010, 64(4): 589-603.

[104]Xing M Q, Zhang Y J, Zhou S R, Hu W Y, Wu X X, Ye Y J, Wu X T, Xiao Y P, Li X, Xue H W.Global analysis reveals the crucial roles of DNA methylation during rice seed development[J]., 2015, 168(4): 1417-1432.

[105]Yang C, Ma B, He S, Xiong Q, Duan K, Yin C, Chen H, Lu X, Chen S, Zhang J.andregulate ethylene response of roots and coleoptiles and negatively affect salt tolerance in rice[J]., 2015, 169(1): 148-165.

[106]Yin C, Zhao H, Ma B, Chen S, Zhang J.Diverse roles of ethylene in regulating agronomic traits in rice[J]., 2017, 8: 1676.DOI:10.3389/fpls.2017.01676.

[107]Huang X, Lu Z, Wang X, Ouyang Y, Chen W, Xie K, Wang D, Luo M, Luo J, Yao J.Imprinted gene OsFIE1 modulates rice seed development by influencing nutrient metabolism and modifying genome H3K27me3[J]., 2016, 87(3): 305-317.

[108]Liu X, Wang P.SDG711 is involved in rice seed development through regulation of starch metabolism gene expression in coordination with other histone modi cations[J]., 2021, 14(1): 25.

[109]Qin F J, Sun Q W, Huang L M, Chen X S, Zhou D X.Rice SUVH histone methyltransferase genes display specific functions in chromatin modification and retrotransposon repression[J]., 2010, 3(4): 773-782.

[110]Qi D, Wen Q, Meng Z, Yuan S, Guo H, Zhao H, Cui S.OsLFR is essential for early endosperm and embryo development by interacting with SWI/SNF complex members in[J]., 2020, 104(4): 901-916.

[111]Zhang H, Lu Y, Zhao Y, Zhou D X.OsSRT1 is involved in rice seed development through regulation of starch metabolism gene expression[J]., 2016, 248: 28-36.

[112]La H, Ding B, Mishra G P, Zhou B, Yang H, Bellizzi M D R, Chen S, Meyers B C, Peng Z, Zhu J K, Wang G L.A 5-methylcytosine DNA glycosylase/lyase demethylates the retrotransposon Tos17 and promotes its transposition in rice[J]., 2011, 108(37): 15498-15503.

[113]Köhler C, Wolff P, Spillane C.Epigenetic mechanisms underlying genomic imprinting in plants[J]., 2012, 63(1): 331-352.

[114]Kermicle J L.Dependence of the R-mottled aleurone phenotype in maize on mode of sexual transmission[J]., 1970, 66(1): 69-85.

[115]Gehring M, Missirian V, Henikoff S.Genomic analysis of parent-of-origin allelic expression inseeds[J]., 2011, 6(8): e23687.DOI: 10.1371/journal.pone.0023687

[116]Yang G, Liu Z, Gao L, Yu K, Feng M, Yao Y, Peng H, Hu Z, Sun Q, Ni Z, Xin M.Genomic imprinting was evolutionarily conserved during wheat polyploidization [J]., 2018, 30(1): 37-47.

[117]Luo M, Taylor J M, Spriggs A, Zhang H, Wu X, Russell S, Singh M, Koltunow A.A genome-wide survey of imprinted genes in rice seeds reveals imprinting primarily occurs in the endosperm[J]., 2011, 7(6): e1002125.

[118]Chen C, Li T, Zhu S, Liu Z, Shi Z, Zheng X, Chen R, Huang J, Shen Y, Luo S, Wang L, Liu Q Q, E Z G.Characterization of imprinted genes in rice reveals conservation of regulation and imprinting with other plant species[J]., 2018, 177(4): 1754-1771.

[119]Florez-Rueda A M, Paris M, Schmidt A, Widmer A, Grossniklaus U, Städler T.Genomic imprinting in the endosperm is systematically perturbed in abortive hybrid tomato seeds[J]., 2016, 33(11): 2935-2946.

[120]Xu W, Dai M, Li F, Liu A.Genomic imprinting, methylation and parent-of-origin effects in reciprocal hybrid endosperm of castor bean[J]., 2014, 42(11): 6987-6998.

[121]Hsieh T-F F, Shin J, Uzawa R, Silva P, Cohen S, Bauer M J, Hashimoto M, Kirkbride R C, Harada J J, Zilberman D, Fischer R L.Regulation of imprinted gene expression inendosperm[J]., 2011, 108(5): 1755-1762.

[122]Waters A J, Bilinski P, Eichten S R, Vaughn M W, Ross-Ibarra J, Gehring M, Springer N M.Comprehensive analysis of imprinted genes in maize reveals allelic variation for imprinting and limited conservation with other species[J]., 2013, 110(48): 19639-19644.

[123]Zhang M, Li N, He W, Zhang H, Yang W, Liu B.Genome-wide screen of genes imprinted in sorghum endosperm and the roles of allelic differential cytosine methylation[J].,2015: 424-436.

[124]Waters A J, Makarevitch I, Eichten S R, Swanson-Wagner R A, Yeh C T, Xu W, Schnable P S, Vaughn M W, Gehring M, Springer N M.Parent-of -origin effects on gene expression and DNA methylation in the maize endosperm[J]., 2011, 23(12): 4221-4233.

[125]Hatorangan M R, Laenen B, Steige K, Slotte T, Köhler C.Rapid evolution of genomic imprinting in two species of the brassicaceae[J]., 2016, 28(8): 1815-1827.

[126]Pignatta D, Erdmann R M, Scheer E, Picard C L, Bell G W, Gehring M.Natural epigenetic polymorphisms lead to intraspecific variation ingene imprinting[J]., 2014: e03198.

[127]Batista R A, Köhler C.Genomic imprinting in plants-revisiting existing models[J]., 2020, 34(1-2): 24-36.

[128]Huh J H, Bauer M J, Hsieh T F, Fischer R L.Cellular programming of plant gene imprinting[J]., 2008, 132(5): 735-744.

[129]Burkart-Waco D, Ngo K, Lieberman M, Comai L.Perturbation of parentally biased gene expression during interspecific hybridization[J]., 2015, 10(2): e0117293.

[130]Kradolfer D, Wolff P, Jiang H, Siretskiy A, Kohler C.An imprinted gene underlies postzygotic reproductive isolation in[J]., 2013, 26(5): 525-535.

[131]Jullien P E, Berger F.Parental genome dosage imbalance deregulates imprinting in[J]., 2010, 6(3): e1000885.

[132]Kinoshita T, Yadegari R, Harada J J, Goldberg R B, Fischer R L.Imprinting of the MEDEA polycomb gene in theendosperm[J]., 1999, 11(10): 1945-1952.

[133]Liu P, Qi M, Wang Y, Chang M, Liu C, Sun M, Yang W, Ren H.RAN1 mediates seed development through its parental ratio by affecting the onset of endosperm cellularization[J]., 2014, 7(8): 1316-1328.

[134]Wolff P, Jiang H, Wang G, Santos-González J, Köhler C.Paternally expressed imprinted genes establish postzygotic hybridization barriers in[J]., 2015, 4: 1-14.

[135]Wang G, Jiang H, Del Toro de León G, Martinez G, Köhler C.Sequestration of a transposon-derived sirna by a target mimic imprinted gene induces postzygotic reproductive isolation in[J]., 2018, 46(6): 696-705.

[136]Yuan J, Chen S, Jiao W, Wang L, Wang L, Ye W, Lu J, Hong D, You S, Cheng Z, Yang D L, Chen Z J.Both maternally and paternally imprinted genes regulate seed development in rice[J]., 2017, 216(2): 373-387.

[137]Folsom J J, Begcy K, Hao X, Wang D, Walia H.Rice fertilization-independent endosperm1 regulates seed size under heat stress by controlling early endosperm development[J]., 2014, 165(1): 238-248.

Towards Understanding the Genetic Regulations of Endosperm Development in Rice

ZHANG Juan1, NIU Baixiao1, E Zhiguo2, CHEN Chen1, *

(1Jiangsu Key Laboratory of Crop Genomics and Molecular Breeding/Key Laboratory of Plant Functional Genomics of the Ministry of Education, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;2State Key Laboratory of Rice Biology, China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China;*Corresponding author, E-mail: chenchen@yzu.edu.cn)

Endosperm, a product of double fertilization, is a tissue nourishingthe developing embryo.In addition, cereal endosperm is the primary source of calories of humans.Rice endosperm consists more than seventypercentof the seed dry mass, whose development directly determines the yield and quality of rice grains.To date, we have had a profound understanding of the genetic and epigenetic regulations for rice endosperm development.Many of the important genes required for rice endosperm development have been identified.In this review, we summarize the molecular controls of the key events/processes of endosperm development, including the syncytium-cellualrization transition, endosperm cell differentiation and storage compounds accumulation.We mainly focus on the new findings in rice; however, some important findings inand other cereal crops are also introduced.We also discuss some questions that need to be elucidated in the future for rice endosperm development.

rice; endosperm development; genetic regulation; cell differentiation; genomic imprinting

2021-03-09；

2021-04-25。

国家自然科学基金资助项目(31771744)；江苏省杰出青年基金资助项目(BK20180047)；江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(NY-142)。

10.16819/j.1001-7216.2021.210307