利用基因工程技术提高非生物胁迫下水稻产量的研究进展

段俊枝 杨翠萍 王楠 齐学礼 冯丽丽 燕照玲齐红志 陈海燕 张会芳 卓文飞* 李莹

（1 河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，郑州 450002；2河南省作物分子育种研究院，郑州 450002；3《河南农业大学学报》编辑部，郑州 450002；第一作者：junzhi2004@163.com；*通讯作者：kjcankao@126.com；liying1233@163.com）

水稻是重要的粮食作物，供养着世界上近2/3 的人口[1]。干旱、盐、低温、高温等非生物胁迫会抑制水稻的生长发育，降低籽粒产量。而且，随着全球气候变化，非生物胁迫发生的频率和严重程度在增加，严重威胁水稻生产[2]。因此，培育在非生物胁迫条件下的高产水稻品种，是解决上述问题的有效途径。相比传统育种，利用基因工程技术提高非生物胁迫条件下水稻产量具有针对性强、周期相对较短、效果好等优点，是更有效的途径。

干旱、盐、低温、高温等非生物胁迫造成的水稻产量降低主要归因于其对水稻营养生长期和生殖生长期的伤害，尤其是生殖生长期。目前发现有一些基因可以提高水稻营养生长期对非生物胁迫的耐受性，并提高正常条件下的水稻产量[3-12]；还有一些基因可同时提高水稻营养生长期和生殖生长期对非生物胁迫的耐受性，并改善水稻产量相关性状，例如穗长、穗数、穗粒数、结实率和千粒重等，进而提高产量[13-20]。这些基因主要分为调节基因[SAPK(Stress-activated protein kinase)、NAC (NAM、ATAF1/ATAF2 和 CUC2）、AP2/ERF(APETALA2/ethylene responsive factor)、MYB(Myeloblastosis)、bZIP (Basic leucine zipper)、bHLH (Basic helixloop-helix)等]和功能基因[GolS（Galactinol synthase）、NAR （Nitrate transporter partner protein）、RAB、CSP（Cold shock protein）、TPSP（Trehalose-6-phosphate synthase/phosphatase )等]，以调节基因居多，这些基因是对水稻抗逆、高产育种具有价值的资源[21-58]。本文系统阐述了上述基因提高干旱、盐、低温、高温等胁迫下水稻产量的研究进展，分析了存在的问题，并提出解决办法，为水稻抗逆、高产育种提供参考。

1 利用基因工程技术提高单一非生物胁迫下水稻产量的研究进展

目前，已经发现一些基因可以在干旱、盐、低温、高温、低氮等单一胁迫条件下提高水稻产量[21-51]，以干旱胁迫条件下居多。

1.1 干旱胁迫

目前，研究发现的在干旱胁迫条件下调控水稻产量的基因主要包括功能基因GolS、TOR（Target of rapamycin)、NAR、OsRINGzf1[Really Interesting New Gene(RING) zinc finger protein 1]、PYL（Pyrabactin resistancelike）][21-25]和调节基因SnRK2、SAPK9[26-27]、NAC[28-34]、AP2/ERF[35-36]、MYB[37-38]、bZIP[39-40]、bHLH[41]、ASR[42]、TZF（CCCH-tandem zinc finger protein 5）[43]。其中，调节基因包括了激酶基因[26-27]和转录因子基因[28-43]。

1.1.1 功能基因

GolS 是合成低聚糖的关键酶，低聚糖在拟南芥抗旱、耐热中具有重要作用[59]。在水稻中超表达AtGolS2基因提高了转基因植株在田间干旱胁迫处理后的穗数和结实率，进而提高产量，这主要得益于转基因植株叶片相对含水量、光合活性和甜菜苷含量的增加[21]。类似的，在水稻中超表达AtTOR 基因提高了干旱胁迫处理后转基因植株的株高、分蘖数、有效穗数和穗长，进而提高产量，这主要归因于超表达AtTOR 基因提高了转基因水稻植株光合效率、叶绿素含量、水分利用效率和一些胁迫特异基因如OsDHODH1（Dihydroorotate dehydrogenase 1）、OsNADPH1（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate 1）、OsSKIP1a（SKI-interactin protein 1a）、OsALDH2a（Aldehyde dehydrogenase 2a）、OsAOX1a（Ascorbic acid oxidase 1a）、OsTPP1（Trehalose-6-phosphate phosphatase 1）、OsLEA3-1（Late-embryogenesisabundant protein 3-1）、OsPP2C（Serine/threonine protein phosphatases 2C）、OsSIK1 （Salt-inducible kinase）、OsNAC1、OsNAC2、OsWRKY72、OsDREB2B （Dehydration-responsive element binding protein 2B）和OsbZIP23的表达量[22]。综上，AtTOR 基因通过调控水分利用效率、光合效率及一些胁迫响应基因的表达来提高水稻的抗旱性，并最终提高产量。

OsNAR2.1 蛋白在硝酸盐吸收、转运方面具有重要作用[60]。超表达OsNAR2.1 基因增强了转基因水稻苗期和田间生殖生长期的抗旱性，提高了有效穗数、穗粒数、结实率和产量，增幅分别为24.4%、13.0%、16.3%和26.6%[23]。这主要归因于超表达OsNAR2.1 基因提高了水稻植株的氮吸收量、叶绿素含量、相对含水量、光合速率和水分利用率及一些干旱胁迫响应基因如OsNAC10、OsSNAC1 （Stress -responsive NAC 1）、Os－DREB2a、OsAP37 的表达量[23]。研究发现，OsRINGzf1 为E3 连接酶，定位于细胞质膜和内质网，OsRINGzf1 基因受干旱诱导表达，超表达该基因提高了转基因水稻苗期和田间生殖生长期对干旱胁迫的耐受性，并提高了产量，RNAi 植株反之[24]。这主要得益于干旱胁迫条件下超表达OsRINGzf1 基因水稻植株的叶片相对含水量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和可溶性糖含量提高，叶片失水速率降低。进一步分析发现，OsRINGzf1 可与水通道蛋白OsPIP1;1（Plasma membrane intrinsic protein 1;1）、OsPIP1;3、OsPIP2;1、OsPIP2;2、OsSIP1;1（Small basic membrane intrinsic protein）及TIP（Tonoplast intrinsic protein）互作，且OsRINGzf1 可泛素化OsPIP2;1，并促使OsPIP2;1 经26S 蛋白酶体降解；超表达Os－RINGzf1 基因水稻植株中OsPIP2;1 含量降低，而Os-PIP2;1 具有较强的水分运输活性，敲除OsPIP2;1 基因水稻植株的叶片失水速率降低[24]。综上，OsRINGzf1 通过介导水通道蛋白的泛素化修饰和降解来提高水稻植株的保水能力，进而提高抗旱性。另外，通过基因编辑系统CRISPR/Cas9 对ABA（abscisic acid）受体基因Os－PYL9 进行突变，发现ospyl9 突变体苗期和生殖生长期的抗旱性均增强，且粒长、粒宽、千粒重和单株产量较野生型对照显著提高23.0%～51.4%[25]。这主要得益于ospyl9 突变体ABA 积累量、抗氧化活性、叶绿素含量、叶表皮蜡质增加，MDA（Malondialdehyde）含量、气孔导度、蒸腾速率和维管束数量减少；另外，蛋白组学、KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genome）、GO（Gene Ontology）分析发现，ospyl9 突变体中大部分与生物钟节律、干旱响应和活性氧有关的差异表达蛋白（DEP）表达量上调，且GIGANTEA 蛋白、Adagio-like 蛋白、PRR（pseudo-response regulators）蛋白在蛋白-蛋白互作网络中表现出较高的互作[25]。

1.1.2 调节基因

目前，已报道的调控干旱胁迫条件下水稻产量的调节基因主要有激酶基因（SnRK2、SAPK9）[26-27]和NAC[28-34]、AP2/ERF[35-36]、MYB[37-38]、bZIP[39-40]、bHLH[41]、ASR[42]、TZF（CCCH-tandem zinc finger protein 5）][43]等转录因子基因（表1）。

1.1.2.1 激酶基因 SnRK2 是植物特异性丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是植物依赖ABA 和不依赖ABA 信号通路的核心，是植物响应非生物胁迫的关键调控因子[61]。SnRK2 家族成员SAPK9 基因受干旱和ABA 诱导表达，且在抗旱水稻品种中的表达量高于敏旱品种，在生殖生长期的表达量高于营养生长期[26]。在敏旱水稻品种（IR20）中超表达SAPK9 基因显著提高了转基因植株在开花期干旱胁迫处理后的花粉活力、颖花育性、穗重，最终提高产量[25]。这主要是因为超表达SAPK9 基因提高水稻植株的保水性（渗透调节、气孔关闭）、可溶性糖含量、脯氨酸含量、细胞膜稳定性和细胞解毒能力及一些干旱诱导基因（OsbZIP23、OsbZIP46、OsLEA3-1、OsRAB16B、OsRAB21）的表达量[26]。综上，SAPK9 调控水稻的保水性及胁迫相关基因的表达量，进而调控抗旱性，最终提高产量。类似的，SAPK2 也调控水稻干旱胁迫条件下的产量[27]。研究发现，SAPK2 主要通过调控硝酸盐转运蛋白NPF (Nitrate transpoter1/peptide transporter family, OsNPF7.2、OsNPF7.3、OsNPF5.6、OsNPF2.2、Os－NPF2.4）基因和NRT(Nitrate transporter，OsNRT2.3a)基因来促进硝酸盐的吸收和同化，进而促进水稻植株及籽粒的生长发育[27]。

1.1.2.2 NAC 基因 NAC 家族是最大的植物特异转录因子家族之一，NAC 转录因子参与多种非生物胁迫和生物胁迫响应，超表达NAC 基因（例如SNAC1[28]即OsNAC9[29]、OsNAC10[30]、OsNAC5[31]、OsNAC6[32]、OsNAP[33]）或者沉默表达如OsNAC2[34]可以提高转基因水稻对干旱的耐受性，并最终提高产量。值得注意的是，这些基因大多是通过改变水稻根系结构来调控对干旱的耐受性，例如SNAC1[28]即OsNAC9[29]、OsNAC10[30]、OsNAC5[31]、OsNAC6[32]基因。

研究发现，组成型和根特异（使用根特异启动子RCc3）超表达SNAC1[28]即OsNAC9[29]、OsNAC10[30]、OsNAC5[31]、OsNAC6[32]基因均提高了转基因水稻苗期和田间生殖生长期的抗旱性，但对干旱胁迫处理后产量的影响不同。田间干旱胁迫处理后，组成型超表达这些基因水稻植株的产量较非转基因对照无显著变化；根特异超表达这些基因水稻植株的产量分别较非转基因对照显著提高28.0%～72.0%、25.0%～42.0%、33.0%～57.0%和26.0%～74.0%。其中，根特异超表达SNAC1（OsNAC9）基因水稻产量的提高主要归因于结实率的提高，抗旱性的增强主要得益于根粗、根长、根体积、根干物质量增加及参与木质素合成的O-甲基转移酶基因等的表达量提高；根特异超表达OsNAC10 基因水稻产量的提高主要归因于实粒数增加，抗旱性提高主要得益于中柱、皮层和表皮层变大，进而根粗增加；根特异超表达OsNAC5 基因水稻产量的提高主要归因于结实率的提高，抗旱性增强主要得益于中柱和通气组织变大，进而根粗增加；根特异超表达OsNAC6 基因水稻产量的提高主要归因结实率提高和分蘖数增加，抗旱性的增强主要得益于根粗（通气组织细胞变大）、根数增加及主要参与膜修饰、烟胺生物合成、谷胱甘肽迁移、3'-磷酸腺苷5'-磷酸积累和糖基化等基因表达量的提高。综上，改良水稻根系结构可以提高水稻的抗旱性，进而提高产量，这对水稻及其他植物抗旱育种具有重要的借鉴价值。另外，超表达OsNAP 基因也能增强水稻苗期和生殖生长期的抗旱性，提高颖花育性、结实率和产量（20.9%～27.2%）[33]。这主要得益于超表达OsNAP 基因提高了水稻植株中一些抗旱相关基因[OsPP2C06/OsABI2（Phosphatase 2C/abscisic acid-insensitive 2）、OsPP2C09、OsPP2C68、OsAP37、OsAP59] 的表达量[33]。

1.1.2.3 AP2/ERF 基因 AP2/ERF 家族是最大的植物特异转录因子家族之一，其参与植物根系发育和对非生物胁迫的响应，甚至提高作物产量[34-35]。水稻AP37基因均受干旱、盐诱导表达，超表达该基因不仅提高了水稻营养生长期的抗旱性和耐盐性，还使抽穗期田间干旱胁迫处理后的水稻产量提高16.0%～57.0%，这主要归因于结实率的提高[35]。另外，组成型、根特异（使用RCc3 启动子）超表达OsERF48 基因均提高了水稻植株根数、根长，最终提高了抗旱性[35]。但根特异超表达OsERF48 基因植株的抗旱性较组成型超表达OsERF48基因植株强，进而其水稻总颖花数、总粒质量提高，最终产量提高，而组成型超表达OsERF48 基因植株产量与非转基因对照无显著差异[36]。另外，根特异超表达OsERF48 基因水稻植株中一些干旱相关基因的表达量提高，这些基因主要参与胁迫信号、碳水化合物代谢、细胞壁蛋白和干旱响应，且OsCML16（Calmodulin-like?protein 16）是OsERF48 的靶基因[35]。综上，OsERF48 调控OsCML16 基因，进而促进水稻根系生长，提高抗旱性，并提高产量。

1.1.2.4 MYB 基因 MYB 转录因子参与植物生长发育和对非生物胁迫和生物胁迫的响应，甚至提高产量[36-37]。谷子（Setaria italica）SiMYB56 基因受干旱诱导表达，超表达该基因的水稻植株生长发育正常，且营养生长期和生殖生长期的抗旱性提高，最终产量提高[36]。该转基因水稻产量的提高主要归因于穗数、穗长的增加；抗旱性的提高主要得益于MDA 含量的降低，木质素、ABA含量及木质素合成基因[CCR10（Cinnamoyl-CoA reductase 10）、PAL（Phenylalanine ammonia lyase）、CAD（Cinnamyl alcohol dehydrogenase）、4CL5（4-coumarate-coa ligase 5）等]、ABA 合成基因[NCED5（Nine-cisepoxycarotenoiddioxygenase 5）]、ABA 信 号 传 导 相 关 基 因[ABF1（ABA responsive element binding factors 1）、ABIL2（Abscisic acid-insensitive-like 2）、bZIP23、ABF2]、ABA 响应基因[P5CS1（Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase 1）、LEA7]表达量的提高[36]。综上。SiMYB56 通过调控木质素合成和ABA 信号通路来提高水稻的抗旱性，最终提高产量。相反的，MYBS2 基因受干旱、高温抑制，超表达MYBS2 基因提高了转基因水稻植株对干旱、盐的敏感性，沉默MYBS2 基因提高了水稻植株的抗旱性及干旱胁迫处理后水稻的产量（26.0%～54.0%），这主要是因为MYBS2 可以调控αAmy3（α-amylase）基因，进而调控水稻植株的糖平衡，最终调控抗旱性[37]。综上，MYBS2 通过调控糖平衡来负调控水稻的抗旱性，进而调控产量，可以通过沉默该基因表达的方式来提高水稻的抗旱性，进而提高产量。

1.1.2.5 其他调节基因 除了SAPK、NAC、AP2/ERF、MYB 等 调 节 基 因 外，bZIP[38-39]、bHLH[40]、ASR[41]、TZF（CCCH-tandem zinc finger protein 5 )[42]基因等也能提高水稻的抗旱性，并最终提高产量。

DEY 等[38]研究发现，OsbZIP23 基因在抗旱水稻品种的表达量高于敏感品种，尤其是生殖生长期。在敏旱水稻品种IR20 中超表达OsbZIP23 基因显著提高了转基因植株苗期和生殖生长期的抗旱性，并最终提高产量。超表达OsbZIP23 基因水稻产量的提高主要归因于颖花育性和穗质量的提高，抗旱性的提高主要得益于膜脂过氧化程度的降低和相对含水量、可溶性糖含量、脯氨酸含量及一些胁迫响应基因（OsRAB16B、Os－RAB21、OsLEA3-1）表达量的提高。类似的，超表达OsbZIP46CA1 基因也提高了水稻植株的抗旱性，且该基因与SAPK6 基因共转化的水稻植株的抗旱性强于单独转化OsbZIP46CA1、SAPK6 基因植株[39]。田间干旱胁迫处理后，共转化水稻植株的颖花数、穗数和粒数均较单独转化OsbZIP46CA1、SAPK6 基因水稻植株和野生型对照高，最终产量高[39]。

OsICE1（Inducer of CBF expression 1）基因编码MYC 类bHLH 转录因子，受干旱诱导表达，超表达该基因提高了水稻营养生长期和生殖生长期的抗旱性，最终提高产量，RNAi 植株反之[40]。超表达OsICE1 基因水稻抗旱性和产量的提高主要得益于其净光合速率、光合系统II 光化学效率、对光抑制的耐受性及膜稳定基因OsWSI18（Water stress-induced 18）表达量的提高。即OsICE1 基因通过提高植株的光合特性来提高植株的抗旱性，并最终提高产量。另外，超表达OsASR1基因也提高了转基因水稻植株的抗旱性，这主要得益于渗透物质积累量、ABA 含量和关闭气孔占比增加，蒸腾速率降低[41]。更值得注意的是，连续4 年在生殖生长期进行干旱处理，超表达OsASR1 基因水稻分蘖数、穗数、穗粒数、穗颖花数和千粒重均较野生型对照提高，且一些调节分蘖的基因[OsMOC1（MONOCULM 1）、Os－DLT（dwarf and low tillering）、OsMPH1（MYB-like gene of Plant Height 1）、OsPROG1（Prostrate growth 1）]的 表达量提高，最终产量提高[41]。综上，OsASR1 通过调控气孔关闭来调节水分，从而提高植物的抗旱性，并提高分蘖数、穗数和粒质量，最终提高产量。此外，采用胁迫响应启动子驱动OsTZF5 基因也提高了水稻营养生长期和生殖生长期的抗旱性，并最终提高产量[42]。

1.2 盐胁迫

目前研究发现，在盐胁迫条件下调控水稻产量的基因较少，主要包括OsGATA8[43]、SiMYB19[44]、OsAKT2（Active potassium channel transporter）[45]和OsPQT3（Paraquat tolerance 3）[46]等。其中，OsGATA8[43]、SiMYB19[44]和OsAKT2[45]正调控水稻的耐盐性和产量，OsPQT3[46]负调控水稻的耐盐性和产量，这些基因在水稻耐盐、高产育种中具有重要价值。

NUTAN 等[44]研究发现，OsGATA8 基因受干旱、盐、ABA 诱导表达，超表达该基因提高了水稻的耐盐性，并最终使产量提高46.0%。超表达OsGATA8 基因水稻产量的提高主要归因于光合效率的提高和粒长、穗数和穗实粒数的增加；抗旱性的提高主要得益于离子渗漏率和Na+含量降低，叶片相对含水量、脯氨酸含量、K+含量和K+/Na+提高及一些胁迫响应基因[OsDREB1A、OsNAC6、PORA（Protochlorophyllideoxidoreductase A）、PORB、PORC]、活性氧清除基因[SOD（Superoxide dismutase）、CAT （Catalase）、APX （Ascorbic acid peroxidase）]表达量的提高。综上，OsGATA8 基因通过提高水稻光合效率、活性氧清除能力来提高耐盐性，进而提高产量。XU 等[44]研究发现，SiMYB19 基因受盐、干旱、低氮、ABA 诱导表达，超表达该基因提高了水稻芽期、苗期及生殖生长期耐盐性，并使产量提高1 倍。这主要是因为超表达SiMYB19 基因促进了ABA 积累，提高了ABA 合成基因（OsNCED3）、ABA 信号转导途径相关基因（OsABF2）的表达量。综上，SiMYB19 基因通过调控ABA 合成和信号转导来提高水稻的耐盐性，进而提高产量。ALFATIH 等[45]研究发现，OsAKT2 基因的TDNA 敲除突变体osakt2 和CRISPR 植株对盐胁迫敏感。在盐胁迫条件下，与野生型对照相比，osakt2 和CRISPR 植株Na+浓度及Na+/K+提高；茎叶中K+浓度提高，根中K+浓度降低；老叶中K+浓度、蔗糖含量提高，嫩叶中K+浓度、蔗糖含量降低。说明OsAKT2 调控Na+、K+平衡及K+在茎叶和根中的分配，调控K+、蔗糖从老叶到嫩叶中的转运。更重要的是osakt2 和CRISPR 植株籽粒更细更长，穗长、穗粒数、粒质量和产量均降低。综上，OsAKT2正调控水稻的耐盐性和产量，可以通过超表达该基因的方式来提高水稻在盐胁迫条件下的产量。

除了通过超表达盐胁迫相关基因来提高水稻在盐胁迫条件下的产量外，还可以通过敲除一些盐胁迫相关基因来提高水稻在盐胁迫条件下的产量。TIAN 等[46]利用CRISPR-Cas9 基因编辑技术获得OsPQT3（Paraquat tolerance 3）基因敲除突变体ospqt3，该突变体的耐盐性提高。更重要的是，盐胁迫条件下突变体ospqt3 分蘖数提高了33.3%，结实率提高了50.0%，产量显著提高30.0%，这主要得益于OsGPX1（Glutathione peroxidase 1）、OsAPX1、OsSOD1 基因表达量的提高。综上，敲除OsPQT3 基因可以提高植株的活性氧清除能力，进而提高植株耐盐性，并最终提高产量。

1.3 温度胁迫

目前研究发现的调控温度胁迫条件下水稻产量的基因较少，主要包括低温胁迫相关基因bZIP73[47]、LTT1[48]和高温胁迫相关基因OsMYB55[49]。

LIU 等[47]研究发现，bZIP73 可与bZIP71 形成异二聚体，共表达bZIP73 和bZIP71 基因增强了水稻生殖生长期的耐冷性，这主要得益于可提高生殖生长期水稻耐冷性的qLTG3-1（Low-temperature germinability 3-1）基因表达量的提高；共表达bZIP73 和bZIP71 基因提高了可溶糖从花药向花粉的转运、花粉粒育性和结实率，最终提高产量。综上，bZIP73 通过调控qLTG3-1基因来提高水稻耐冷性和花粉育性，进而提高产量。另外，LTT1（Low-temperature tolerance 1）基因的点突变提高了水稻苗期和孕穗期的耐冷性，这主要得益于ltt1突变体花药中活性氧积累量减少[48]。在冷敏水稻品种中超表达ltt1 基因提高了水稻的花粉育性和结实率，最终提高产量[48]。综上，LTT1 基因的点突变激活了活性氧代谢系统，提高了植株耐冷性和花粉育性，进而提高产量。

El-KEREAMY 等[49]研究发现，OsMYB55 基因受高温胁迫诱导表达，超表达OsMYB55 基因提高了水稻植株的耐热性，并最终提高产量，这主要得益于总氨基酸含量和一些氨基酸代谢相关基因[OsGS1;2（Glutamine synthetase 1;2）、GAT1（Glutamine amidotransferase 1）、GAD3（Glutamate decarboxylase 3）基因等]表达量的提高。综上，OsMYB55 通过激活氨基酸代谢相关基因的表达来提高水稻的氨基酸含量，进而提高耐热性和产量。

1.4 其他非生物胁迫

除了干旱、盐和温度胁迫外，一些基因在低氮和除草剂等胁迫条件下也能提高水稻产量[50-51]。TANG 等[50]研究发现，超表达C4-PEPC（C4phosphoenolpyruvate carboxylase)基因提高了水稻植株的耐低氮性，并增加了单株分蘖数、穗数和实粒数，最终使产量提高13.4%～25.8%。这主要得益于氮同化相关酶（GOT、GS）活性的降低，可溶性糖含量、PEPC 活性、光合参数（净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率）、光呼吸产物（丙酮酸、乙醛酸、甘氨酸、丝氨酸）含量、光呼吸代谢酶[GLYK（3-glyceric acid phosphate kinase）、GDH（Glutamate dehydrogenase）、GOX （Glycolate oxidase）、GPT（Glutamic-pyruvic transaminase）]活性及光呼吸相关基因[OsGLYK、OsPGLP（Phosphoglycolate phosphatase）、OsGLO5（Glycolate oxidase 5）、OsSHMT（Serine hydroxymethyltransferase）]表达量的提高。综上，超表达C4-PEPC 基因水稻植株碳水平的提高可能有助于调控低氮条件下的光呼吸途径，从而提高耐低氮性，最终提高产量。ACHARY 等[51]将突变的EPSPS 基因转入水稻中，发现转基因水稻植株对草甘膦的耐受性提高，且穗长和单株粒数增加，最终产量提高13.3%～15.0%。这主要得益于苯丙氨酸和色氨酸含量的提高。

2 利用基因工程技术提高复合非生物胁迫下水稻产量的研究进展

除了在单一胁迫条件下可以提高水稻产量的基因外，还有一些基因可以在干旱、盐、低温、高温、低氮等2 种甚至3 种复合胁迫条件下提高水稻产量[52-58]，但目前这类基因相对较少发现。

2.1 干旱胁迫+其他非生物胁迫

GUDDIMALLI 等[52]将大肠杆菌CSPA 和CSPB 基因转入水稻，在花蕾形成期进行盐和干旱处理，转基因水稻植株表现出明显的持绿性及抗旱性和耐盐性，其根长、根干物质量、株高、穗长和穗粒数均较野生型对照提高，进而产量提高。这主要得益于叶绿素、脯氨酸、Na+、K+含量和CAT、SOD、GPX 活性及CSPA、CSPB、SGR（Stay-green）、叶绿素酶、IPT1（isopentenyl adenine transferase 1）、NCED、SOD、SIRT1（Sirtuin 1）基因表达量的提高，MDA 含量的降低。综上，超表达CspA 和CspB 基因能够赋予水稻持绿性、耐盐性、抗旱性，并提高产量。EL-ESAWI 等[53]研究发现，超表达OsRAB7 基因提高了水稻植株抗旱性和耐热性，这主要是因为超表达OsRAB7 基因增加了水稻植株叶片相对含水量，减少了氧化胁迫（MDA、H2O2含量降低），改善了气体交换特性（提高光合速率、降低气孔导度和蒸腾速率），提高了抗氧化酶（CAT、SOD、POD、APX）活性和活性氧清除酶基因（OsCATA、OsCATB、OsAPX2、OsSOD-Cu/Zn）、非生物胁迫抗性基因[OsLEA3、OsRD29A（Responsive to dehydration 29A）、OsSNAC1、OsSNAC2、OsDREB2A、OsDREB2B、OsRAB16A、OsRAB16C]的表达量。值得注意的是，在干旱和高温条件下，转基因植株穗长、实粒数和结实率均较野生型对照显著提高，进而产量显著提高。上述基因都是正调控非生物胁迫条件下水稻产量，还有一些基因负调控非生物胁迫下水稻产量，可以通过沉默基因表达的方式来提高非生物胁迫下水稻产量，例如OsLOGL5（Cytokinin-activation enzyme-like gene）基因[54]。超表达OsLOGL5 基因水稻植株变矮、主根变短、分蘖数减少，产量降低。采用CRISPR 技术对OsLOGL5 基因CDS 3'末端序列进行改变，发现在干旱、低氮条件下改变体的总粒数、结实率、穗实粒数和千粒重均较野生型对照提高，最终产量显著提高。推测OsLOGL5 通过调控种子发育和籽粒灌浆过程来提高水稻产量。

2.2 盐胁迫+其他非生物胁迫

细胞骨架在植物抗逆过程中具有重要作用。OsIF（Intermediate filament）基因受盐、高温诱导表达，超表达OsIF 基因提高了水稻苗期和生殖生长期的耐盐性和耐热性，并提高了穗数和实粒数，进而使水稻产量提高29.9%[55]。这主要得益于超表达OsIF 基因更好地保持了水稻叶绿体超微结构，提高了K+/Na+及光合系统I、II 的性能，增加了脯氨酸和海藻糖含量[55]。另外，超表达菊芋Na+/H+转运蛋白基因HtNHX2 提高了水稻的耐盐性和耐低钾性[56]。且无论是在盐胁迫条件下、低钾胁迫条件下还是盐和低钾同时存在的条件下，超表达HtNHX2 基因水稻产量均提高（30.0%～45.0%），这主要是因为超表达HtNHX2 基因促进了水稻植株对N、P、K养分的吸收[56]。

2.3 干旱胁迫+盐胁迫+其他非生物胁迫

海藻糖在植物抗逆方面具有重要作用。超表达大肠杆菌TPSP 基因增强了水稻植株的抗旱性、耐盐性和耐碱性，提高了穗颖花数、穗实粒数、单株穗数和单株实粒数，最终提高产量[57]。这主要得益于超表达TPSP基因水稻植株叶片相对含水量、叶绿素含量、K+/Na+、气孔导度和光合效率提高；而且，脯氨酸、果糖、蔗糖、葡萄糖、丙酮酸、柠檬酸、山梨醇、6-磷酸葡萄糖、苏氨酸、天门冬氨酸、油酸、棕榈酸和香草酸含量也均提高[57]。另外，超表达OsICE1 基因的同源基因AtICE1 不仅同OsICE1 基因[40]一样提高了水稻在干旱胁迫条件下的产量，还提高了水稻在盐和低温胁迫条件下的产量，增幅分别为44.0%～66.0%、110.0%～220.0%、58.0%～214.0%[58]。这主要得益于转基因水稻植株光合速率、气孔导度和水分利用效率提高，MDA、H2O2含量降低，膜稳定性增强，且一些胁迫响应基因（OsDREB1A、OsMYB3R2、OsTPP1）表达量提高，进而小穗育性增强[58]。综上，AtICE1 通过提高胁迫响应基因表达量、活性氧清除能力、膜稳定性和水分利用效率等来提高水稻的抗逆性，并最终提高水稻产量。

3 问题及展望

水稻是我国乃至世界上最重要的粮食作物之一，保持并提高其产量对保障我国乃至全球粮食安全具有重要的现实意义。干旱、盐、低温、高温等主要的环境胁迫严重影响水稻的生长发育和产量。因此，培育抗逆水稻品种，增强其抗逆性，提高其产量势在必行。植物的抗逆性是复杂的数量性状，相比传统育种的育种效率低、周期长等特点，利用优异抗逆基因采用基因工程技术提高水稻抗逆性针对性强、周期相对较短、效果好，是一种更有效的途径。

目前已发现一些基因可以在干旱、盐、低温、高温等非生物胁迫条件下调控水稻产量，超表达（或敲除）这些基因可以提高转基因水稻的产量[22-59]。其中，大多数基因只能提高单一非生物胁迫条件下的水稻产量，同时提高2 个及以上非生物胁迫条件下水稻产量的基因较少。对这些基因进行分类发现，这些基因以调节基因居多，功能基因较少。因此，今后应加强对抗逆调节基因的挖掘和利用。另外，发现同时转2 个及以上基因的水稻植株的抗逆性高于转单个基因的水稻植株，并且产量提高幅度更大。因此，今后还应加强多基因共转化研究，以提高抗逆强度和产量幅度。此外，诱导型启动子、组织特异启动子驱动目的基因提高水稻的抗逆程度更强，提高产量幅度更大；甚至对于同一基因，组成型启动子驱动目的基因虽然提高了水稻抗逆性但不能提高产量，而诱导型启动子、组织特异启动子驱动目的基因不仅能提高水稻抗逆性，还能提高水稻产量。因此，今后应尽量使用诱导型启动子或组织特异启动子来驱动抗逆基因。最后，大部分转基因水稻植株的抗逆性鉴定和产量分析都是在温室盆栽条件下进行的，盆栽空间较小，转基因植株群体较小，盆栽条件下抗逆、产量提高并不代表大田条件下也一定如此。因此，应进一步进行大田抗逆性鉴定，探究在大田条件下转基因水稻抗逆性和产量提高情况。