水稻穗长研究进展

陈志爱，岳红亮，丁 颖，代金英，张桂云，胡 蕾，严国红

（江苏沿海地区农业科学研究所，江苏 盐城 224002）

水稻（L.）作为世界上主要的粮食作物之一，也是我国最重要的粮食作物。近年来水稻品种特别是常规粳稻品种单位面积产量一直在一个比较高的基数上徘徊不前，而人口数量却不断增长（据预测，到2030年我国的人口将达到15亿），土地资源也日趋匮乏。因此，运用有效的育种方法来提高粮食产量，以满足日益增长的粮食需求就显得尤为重要。

水稻产量是一个综合性状，受多个遗传因素影响，其中穗型相关性状是影响水稻产量的直接因素。水稻穗型一般定义为稻穗的大小和生长姿态。稻穗分化一般分为8个时期，分别为第一苞分化期、第一次枝梗分化期、第二次枝梗原基及颖花原基分化期、雌雄蕊形成期、花粉母细胞形成期、花粉母细胞减数分裂期、花粉内容物充实期及花粉完成期，最终形成幼穗，各个时期的发育特点见表1。

表1 水稻幼穗分化各个时期特征

分析可知，幼穗分化期决定了稻穗的长度、一二次枝梗数目、穗粒数以及籽粒大小等性状，进而成为影响单株产量的重要因素。穗型性状可以分解为穗长、一二次枝梗数目、穗粒数以及粒型4要素。其中穗长是衡量穗子长短的指标，决定着一次枝梗和二次枝梗的空间排列、穗粒密度等性状，进而影响水稻的产量和品质。因此，穗长常被用来直接衡量水稻产量的高低，对其数量性状基因座（quantitative trait locus，QTL）的研究一直也是国内外研究的热点。

1 水稻的穗长及其影响因素

穗长通常指从穗颈节到穗顶端的长度。一般而言，穗长过短，会导致穗轴上的一次枝梗多而紧密，二次枝梗发育受阻；穗过长会使穗分枝稀疏分布，引起枝梗着粒密度降低，穗粒数减少，影响水稻产量。因此，适宜的穗长可以形成穗枝梗排列适中、着粒密度均匀、穗粒数合适的优良穗型，有利于水稻产量的提高。研究表明，穗长是典型的、复杂的数量性状，受基因和环境的共同影响。廖春燕等利用粳稻Azucena与籼稻IR64杂交构建的双单倍体群体（doubled haploid lines，DH）材料证明了穗长受到环境影响的同时，还易受到穗型等其他性状的影响。姚晓云等利用沈农265和丽江新团黑谷的重组自交系群体（recombinant inbred lines，RILs）鉴定出的株高QTL和对株高和穗长均有影响。Zhang等报道的GRAS蛋白DHD1，该蛋白相关基因过表达会引起抽穗期的推迟，并增加水稻的穗长、分蘖数和穗粒数，从而使产量增加。

以往在探讨产量构成因素的过程中，通常以穗长作为产量相关性状；然而，穗长的遗传因素及其对水稻产量的影响尚未得到很好的认识。另一方面，有报道称穗长性状与水稻产量呈正相关关系，可作为育种的选择标准。因此，分析穗长遗传调控网络对水稻高产优质品种的选育具有重要意义。

2 水稻穗长的遗传调控

2.1 穗长性状QTL的定位与克隆

水稻穗长是复杂的数量性状，遗传力低。目前，国内外许多学者利用不同的遗传群体在水稻的12条染色体上定位到250多个与穗长发育相关的QTL（来自http://www.gramene.org/）。Zhang等利用日本晴与WS3为亲本杂交构建的回交自交系群体为研究材料，定位到2个穗长QTL和；研究表明，和对穗长性状具有加性效应，通过构建染色体片段叠系的方法，可将精细定位在第6染色体25 kb的物理区间内（图1）。在位点上，等位基因也增加了一次枝梗、二次枝梗和每穗粒数，且该等位基因具有秆宽而壮的抗倒伏特性。但对分蘖数、株高等农艺性状无显著影响。Liu等以秀水79和C-bao杂交构建的群体为研究材料，鉴定到4个穗长QTL，其中在第9染色体90 kb的物理区间内精细到（）（图1）。编码一个功能未知的Remorin_包含蛋白。秀水79的等位基因导致穗长减小，而C-bao的等位基因减弱对穗长有抑制作用。和它的优良等位基因能够用于改善水稻穗长。Sun等利用籼稻品种HR1128与粳稻品种日本晴杂交构建的BIL群体为研究材料，检测到5个与穗长发育相关的QTL，最终将初步定位在第6染色体上1.3 Mb的物理区段内（图1）。连光倩等利用籼稻Sabe和粳稻茭白稻杂交构建的F群体，鉴定到2个控制穗长的QTL，最终将精细定位于第9染色体90.47 kb的物理区段内（图1）。张云辉等利用籼稻扎西玛和南粳46杂交构建的RIL群体为研究材料，鉴定到3个与穗长相关的QTL，最后将定位在187 kb的物理区间内（图1）。李进利用Sasanishiki和Habataki为亲本构建的染色体片段代换系群体定位到一个穗长QTL，并以SL411与Sasanishiki杂交构建的遗传定位群体，将定位到第3染色体上216.6 kb的物理区间内（图1）。杨旭东等利用日本晴和染色体片段代换系Z1347构建F群体，鉴定到与穗长相关的、、和这4个QTL，并分别与RM5389、RM2126、RM6063和RM457连锁。张治海以日本晴和西恢18号构建的水稻染色体片段代换系Z745为研究材料，鉴定出4个与穗长相关的QTL，分别为、、和。沈文强等利用日本晴和西恢18构建的染色体片段代换系Z746为研究材料，检测到4个与穗长相关的QTL，分别为、、和，其中：与可能等位，而编码一个锌指蛋白，过量表达会引起穗变短，也具有减少穗长的加性效应，其连锁标记与相距1.52 Mb，可作为的候选基因。罗兰等以江西东乡普通野生稻和日本晴构建的染色体片段置换系为研究材料,共检测到5个与穗长相关的QTL，分别为、、、、。

虽然已经鉴定了大量与穗长发育相关的QTL，但只有少数穗长QTL被克隆。中国水稻研究所钱前研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究组合作，以直立穗型品种沈农265与弯曲穗型品种南京11和日本晴杂交构建的群体为研究材料，克隆出直立密穗基因——（dense and erect panicle 1）（图1），该基因位于第9染色体上，并且与等位。Jiao等利用粳稻SNJ和籼稻TN1为材料构建的回交群体克隆一个控制理想株型的半显性QTL-IPA1（ideal plant architectutre1）（图1）。研究表明，该基因在正常条件下促进生长发育，当感染稻瘟病菌时，能被诱导磷酸化以提高免疫应答，这一机制不仅可以提高水稻产量，而且可以提高稻瘟病抗性，打破了单一基因不能同时实现增产和抗病的传统观点，为高产抗病育种提供了重要理论基础和新的实际应用途径。

图1 定位及克隆穗长QTL/基因在染色体上的分布

此外，参与调控水稻株高或抽穗期的基因，如、、和等，亦参与穗长的遗传调控。是水稻穗型结构的正调节因子，编码赤霉素20-氧化酶，调控赤霉素的合成，基因突变后，赤霉素合成受限，株高降低。研究发现，将半矮秆基因导入到水稻中后，不仅能显著提高籼稻产量，还能显著改变粳稻穗长。、和编码的产物中，分别含有锌指结构域、CCT结构域和CCAAT盒结构域。将这3类有功能的等位基因导入到目标基因功能缺失的水稻中后，在长日照条件下不仅能显著延长生育期，还能显著增加株高，改变穗长，提高单株产量。以上分析表明，穗长与株高和抽穗期等农艺性状之间存在一定的遗传相关性。

2.2 穗长QTL的分子机理

是一个控制穗长和穗型的主效QTL，其在分生组织中表达，并编码水稻异三聚体G蛋白的γ亚基，进而控制分生组织大小。研究表明，基因中碳末端存在大片段缺失，引起基因表达差异，进而导致穗长和粒质量降低，但穗粒数和枝梗数显著增加，产量提高。除此之外，Huang等研究发现，东北和长江中下游稻区主栽直立穗或半直立穗品种中均携带基因，且该基因等位基因的变异亦能引起穗型直立。进一步研究发现，基因受的正向调控，进而影响水稻穗长和千粒质量等产量性状。另一方面，Jiao等研究认为，序列上的一个碱基突变干扰了其上游基因对的调控，使得基因的表达量增加，植株表现出大穗、壮秆。生长调控因子（growth-regulating factors，GRFs）是一类植物特有的生长调节因子。研究表明，GRF4可以与DELLA蛋白相互作用，并且该基因参与赤霉素信号转导途径，正向调节植物生长和光合作用，促进氮和葡萄糖代谢。尽管DELLA蛋白抑制植物体内的碳-氮代谢，但赤霉素可通过降解DELLA蛋白途径来促进表达，进而增强植株固碳和吸氮能力，平衡植物碳-氮代谢。提高基因的表达，可以产生大粒、长穗的表型。是的一个优异等位变异基因，该基因在保持水稻半矮化的同时，又可提高水稻氮肥利用效率和产量。

目前，以穗长变异突变体为研究材料，对穗长调控的遗传机制也进行了研究。（2）编码一个生物学功能尚不清楚的特异性蛋白，该蛋白位于内质网中，由1 365个氨基酸组成。基因突变后，植株表现为穗长变短，穗轴和枝梗伸长，穗型更直立。（3）编码与糖蛋白相关的磷脂酶A，该基因突变后，植株穗长变短，穗粒数减少。S（）编码一个可能的多肽转运蛋白，该基因突变后，引起穗长变短。尚江源等从粳稻品种圣稻808（SD808）的EMS诱变突变体库中发现4份短穗突变体，并通过基因定位和图位克隆了控制短穗的基因，将该基因命名为（）。是的等位基因。淳雁等通过辐射诱变定位到一个短穗突变体，并通过图位克隆技术对控制该性状的基因（）进行了定位和克隆，发现主要在分裂旺盛的组织表达，其编码蛋白定位于内质网，并且编码细胞分裂素受体OsHK4/OHK4。能形成同源二聚体，其胞外域的长α螺旋中部的D86和Q87缺失会破坏其二聚化，降低对细胞分裂素的结合能力，使得细胞分裂素信号减弱，影响细胞分裂素的稳态。的单倍型具有提高穗长的潜力。（）编码位于内质网的F-Box蛋白并通过调节细胞分裂素氧化酶基因的转录水平来影响穗长，基因突变后，突变株的穗长发生变化，穗粒数增加。（）基因编码细胞色素P450家族的单加氧酶，该基因过量表达可导致赤霉素信号转导过程中关键抑制因子的积累，降低花序和穗下第1节中的赤霉素含量，使株高与穗长变短。

3 展望

长期以来，水稻产量一直是重要的育种目标之一，在发育过程中受多种QTL控制。这些QTL及其相关基因的鉴定将有助于在水稻产量改良中应用优良等位基因。在育种实践中，人们对穗长进行了广泛的研究，但对其相关基因及其与产量构成要素的关系却没有引起足够的重视。目前，虽然大量研究者把穗长直接作为产量性状进行研究，对其遗传调控机制的认识也取得了一定的进展，已明确了植物激素、G蛋白通路等参与到穗长的遗传调控中，不过相较于有效分蘖数、穗粒数、千粒质量等产量相关性状，穗长的研究还不够深入，对穗长调控分子机制的认识比较缺乏。而且，穗长为典型的数量性状，遗传力不仅较低，环境因素对穗长的影响还较大，导致不同研究中穗长QTL定位结果间重复性较差。因此，发掘穗长基因/QTL，并对其作用机制进行探究，有助于完善穗长的遗传调控网络，加深对水稻穗发育及形成的认识。同时，新基因的发现可为育种家更好地利用分子设计育种技术精准改良水稻穗型，并为选育高产优质的水稻新品种提供资源。