水稻产量基因设计育种及其发展前景

况慧云等

摘 要：基因设计育种旨在控制所有重要农艺性状基因的所有等位性变异。该文阐述了水稻基因组测序及其研究进展、已克隆并应用于水稻产量相关的农艺性状基因，以及水稻产量基因的分子辅助育种，并对水稻产量基因设计育种的前景进行了展望。

关键词：水稻；产量；基因设计育种；分子辅助育种

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）08-42-04

随着我国经济的快速发展，在人口数量增加和城市化进程加快的背景下，我国总耕地和人均耕地面积进一步下降，因此如何提高水稻的产量，维持水稻生产的稳定性、安全性，促进粮食生产的持续发展将长期摆在我们面前。水稻基因设计育种就是在水稻全基因组测序的基础上，对功能已知的主要农艺性状基因进行有利基因的剪切、聚合，从而培育出在产量、品质、抗性等多方面有所提高的水稻新品种。20世纪60年代的“绿色革命”就是通过水稻品种的矮化育种从而使产量提高了20%～30%，而70年代籼型杂交水稻三系的成功配套又使水稻产量在矮化的基础上增长了20%左右。从遗传学的角度说，这两个水稻产量突破的里程碑，都可归结为矮秆基因和野败胞质不育基因的挖掘与利用。

1 水稻基因组测序及其研究

人类对水稻的遗传研究最早是从形态学的角度来研究的，其实质就是基因和形态之间的连锁遗传。孟德尔两大经典遗传定律得出的主要就是从形态学的角度来研究的，随着科学的不断深入，基因的概念不断完善，人们慢慢的从最初肉眼可见的形态学性状发展到肉眼不可见的形态学、生理学、发育生物学等性状或生物学事件。而现在通常认为基因组包含了生物进化、遗传和生命的信息，是细胞遗传物质的总和。一个生物体的基因组也就是该生物的DNA（部分病毒是RNA）的全部遗传信息。随着生物技术的快速发展，2002-2006年完成了水稻全基因组精细物理图谱绘制，为水稻功能基因组研究打开了便利的大门。而新一代的测序技术的高通量、高精度、低成本又必将对水稻遗传和发育的研究方法和技术产生深远而巨大的影响。

DNA测序技术是分子生物学研究中最常用的技术，它的出现极大地推动了分子生物学的发展。自1949年Sanger[1]就通过手工测序技术了测定胰岛素两条肽链氨基末端序列至今，可将测序技术大致化分为三代。1977年Sanger[2]发明了具有里程碑意义双脱氧链终止法，同年Maxam和Gilbert[3]发明了化学降解法测定DNA序列。由于Sanger测序法简便快速高效，再结合20世纪90年代初出现的荧光自动检测技术，很快成为DNA测序的主流。这些以双脱氧链终止法以及在它们的基础上发展的各种DNA测序技术统称为第一代DNA测序技术。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序，即通过捕捉新合成末端的标记来确定DNA的序列，该代技术主要包括Roche 454公司的GS FLX、Illumina公司的Solexa Genome Analyzer和AB I公司的SOLID测序平台[4]。尽管其对全新的基因组进行测序时还需要结合第一代测序技术，并且产生的测序结果比第一代测序技术的长度要短得多，但第二代测序技术能够获得海量的数据，并且价格低廉。最近，以单分子测序为特点的第三代DNA测序技术已经出现，如Helicos公司的Heliscope单分子测序仪[5]、Pacific Biosciences公司的SMRT技术和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的纳米孔单分子技术都获得了极大的发展，特别纳米孔单分子技术则更是在原理上做出本质变革，直接使用外切酶切割单链DNA的末端，然后对切下的单碱基进行检测，这样既提高读取长度又减少了后序拼接的工作量，可对未知基因组进行重新测序。

1997年，在新加坡举行的植物分子生物学会议上发起国际水稻基因组测序计划（IRGSP），并于1998年正式启动，水稻基因组共有12条染色体，其中第1染色体最长，第10染色体最短。其中中国大陆分担了第4染色体的测定工作。该计划以粳稻品种日本晴为测序材料，利用逐步克隆法进行全基因组的测序。到2002年底，国际水稻基因组测序计划圆满完成，共测定碱基对3.66亿个，精确度达到99.99%，并预测遗传基因62 435个。而在籼亚种基因组的测序工作上，中国科学院基因组信息中心暨北京华大基因研究中心等多家单位，于1998-2001年利用全基因组霰弹法构建了籼稻品种9311基因组工作的框架图，该图基本覆盖了水稻的整个基因组92%以上的水稻基因，这是人类对水稻籼粳两个亚种同时在全基因组层次上最直观的了解。在单子叶植物中，水稻的基因组较小，约389Mb[6]，且与其它单子叶植物的基因组具有基因位置的同线性[7]，随着水稻高密度遗传图谱和物理图谱的相继构建[8]，尤其是全基因组测序结果的公布[9，10]，水稻已经被认为是单子叶植物的遗传、发育和基因组研究的模式植物。

但是完成基因组测序仅仅是基因组计划的第一步，后面还有很多工作并未完成，首先要分析基因组顺序中所包含的全部遗传信息，其次整个基因组如何对各个基因进行网络调控，以及各个基因如何行使功能，还有太多的未知区域等待探索。止前，已报道的功能基因只有不到20%，而克隆的基因更少之又少。近年来，随着生物技术的快速发展，越来越多的水稻基因被克隆，对基因功能研究的新方法的也越来越多，如基因转导技术、基因敲除技术、转座子和T-DNA标签技术及突变体库筛选和全基因组表达分析等。

2 水稻产量基因的挖掘与应用

随着科学技术的快速发展，特别是水稻籼粳物理框架图的测序完成，使水稻的基因定位和克隆工作取得了巨大的进步。目前，已经有多个与产量相关的农艺性状基因被克隆。

2.1 水稻矮化基因SD1 20世纪60年代的水稻“绿色革命”就利用了SD1的突变基因，使株高大大降低。Sasaki等[11]发现水稻的SD1基因编码与赤霉素合成有关的GA20氧化酶（GA20ox），该酶是GA合成途径中的一个关键酶，它催化GA53→GA44→GA19→GA20三步反应。水稻基因组至少携带2个GA20ox基因（GA20ox-1和GA20ox-2），其中GA20ox-2在叶片、茎和未展开的叶片中活跃表达，而GA20ox-1优先在未开的花中表达。尽管植物花器的形成与育性均与有生物活性的GA相关，但sd1突变体开花结实均正常，这就揭示了为什么sd1产生较短的叶和较矮的株高，而产量却不受影响的原因。通过含sd1的突变体结合常规育种，使水稻产量提高了20%～30%。endprint