水稻叶厚性状的研究进展

陈达刚　周新桥　李丽君　刘传光　陈友订

摘要：叶厚是重要的叶形因子和株型改良的选择指标，在水稻理想株型和高产育种研究中备受关注。目前，以比叶重（SLW）或比叶面积（SLA）为评价指标已对水稻叶厚进行了大量研究。为此，综述了叶厚在株型构成、光能利用和产量形成中的作用以及叶厚性状的遗传分析和QTL定位研究进展，以期为进一步的基因定位和克隆提供参考。同时，分析了目前叶厚测量方法和评价指标所存在的问题，并对样本非破坏性测定技术在叶厚研究中的应用进行了探讨。

关键词：叶厚；叶形；株型；QTL定位

中图分类号：S511 文献标志码：A 论文编号：cjas14120028

1引言

中国是以稻米为主要粮食的国家，同时也是稻米生产和消费的第一大国，因此，水稻在保障中国粮食安全中有着举足轻重的作用。但由于人口的增加和耕地面积的减少，粮食安全问题日益严峻，如何提高单产仍然是水稻育种的主要目标。人们早就注意到，良好的株型是水稻获得高产的基础，早在20世纪60年代，就有学者提出“理想株型”的概念。20世纪半矮秆和杂种优势的利用使水稻单产实现了2次飞跃，也是建立在株型改良的基础上。叶片是水稻最重要的同化器官，其形态与植株的受光形态和光合效率密切相关，在水稻的生长、发育和产量形成过程中起重要作用。因此，良好的叶形是水稻获得高产的重要保证。

叶形可以解析为叶长、叶宽、叶厚、叶面积、叶片卷曲度和直立性。前4个因子可概述为叶片大小因子，它们与叶片的卷曲度和直立性往往有一定的联系，如叶片较窄而短的一般表现为叶片直立，而宽且长的则多为披叶，叶片卷曲或较厚也有利于叶片直立。叶片直立性与植株受光形态关系密切，对光能利用率有重要的影响。研究表明，叶长、叶宽、叶角、叶卷度和叶厚是水稻叶态的5项基本因子，其中叶卷度和叶片厚度是其它因子难以代替的重要叶态因子。日本稻作学家最早提出将叶厚作为水稻耐肥性的指标，认为高产水稻应具有较厚的叶片，这一观点一直沿用至今。后来国内、外学者们相继提出不同的株型模式理论，如国际水稻所的“新株型”模式，杨守仁的“理想株型”和“巨型稻”，黄耀祥的“半矮秆丛生早长型”模式嘲，周开达的“重穗型”株型模式以及袁隆平的“超高产水稻株型”模式等，都殊途同归将叶厚作为重要的株型选择指标。可见，叶厚的改良对水稻的生长发育、株型改良和产量提升有重要意义，研究水稻叶厚的遗传规律和分子调控机制，可为叶片形态的分子设计育种乃至理想株型的塑造提供理论依据。为此，笔者对叶厚性状在水稻株型构成、光能利用、产量形成中的作用，叶厚的遗传分析和QTL定位研究进展以及叶厚的测量方法和评价指标等方面进行了综述，以期为叶厚基因的精细定位和克隆提供参考。

1叶厚在水稻株型构成中的作用

早在二十世纪六、七十年代，稻作学家就总结出：具有高产潜力的水稻品种都有叶片直立、短、厚、叶色浓绿，以及茎秆粗壮的特点。叶片直立性是叶形的一个重要特性。直立叶片能减少相互荫蔽，尤其当水稻进入生育中后期，群体LAI升高，直立型叶层的消光系数降低，有利于叶片两面受光，进而能提高叶片的光合速率。研究表明，叶片的直立性由披垂度和叶基角两个特性决定，其中披垂度与叶的长、宽、面积、厚呈极显著或显著相关，叶基角又与披垂度、叶长、宽呈极显著或显著相关。也有研究认为叶片直立性与叶长和叶宽无显著相关，但叶厚的品种叶片直立性好。国内外学者基于不同生态区域提出的各种水稻株型模式理论，都十分强调对叶厚的要求，例如松岛省三提出的理想株型模式要求上三叶“短、厚、直”；国际水稻研究所的新株型育种模式要求“浓绿、厚、直立的叶片；周开达院士提出“重穗型”超级稻的叶片形态要求“叶片内卷直立”；杨守仁先生提出的北方粳稻理想株型模式要求“短枝立叶，大穗直穗”；袁隆平院士提出的超级杂交稻理想株型模式要求上三叶“直立、剑叶长50cm以上，倒二叶和倒三叶长55cm以上、LAI达到6.0、窄而呈v_型凹曲、叶片较厚”。由此可见，叶厚是水稻株型的重要选择指标，叶厚性状的改良对叶形改良乃至理想株型的塑造有重要意义。

2叶厚对光合作用的影响

过去由于测量设备的缺乏，水稻叶片厚度测量比较困难，人们一般采用比叶重（SLW）或比叶面积（SLA）作为叶厚的评价指标。Murata研究了SLW与单叶净光合速率的关系，认为SLW与单叶净光合速率显著正相关。林贤青等的研究表明相同品种叶片的SLW与单叶净光合速率呈线性正相关，并认为穗分化期叶片SLW可以作为叶片的光合作用指标。厚叶的单位叶面积叶绿素含量较高，有利于光能的俘获以及保护接触维管束的叶绿体表面，使得CO₂的吸收和转运更通畅。厚叶除叶绿素含量相对高些外，其组织细胞中含N量也相对较高，因此较厚的叶片有利于光合作用对光能的转化。Tanaka等和Yoshida认为，任何水稻品种都有最适叶面积指数（leafareaindex，LAI），直立叶型品种的最适LAI比平展或披垂型的显著地高一些，因为叶片直立、短、厚的品种群体消光系数较小。然而只有在LAI大于5时，直立叶型品种的群体光合速率才会高于披垂型品种，而当LAI小于3时，披垂叶型的品种群体光合速率较高。厚而直立的叶片最大优势在于能维持较高的LAI以保证足够多的N素供植株所需。

3叶厚与产量及产量构成因素的关系

杨建昌等研究了不同水稻品种（组合）SLW与结实率、千粒重与产量及产量构成因素的关系，结果表明籼型杂交稻在抽穗至成熟期的SLW与结实率、千粒重和产量的相关性均达显著或极显著水平；籼稻品种的SLW与千粒重相关性不显著，但与结实率和产量显著相关；粳稻品种的SLW与结实率、千粒重和产量虽呈正相关，但未达显著水平。对籼稻剑叶厚度与产量性状的相关性研究表明剑叶厚度与穗长、每穗粒数、每穗实粒数和单穗粒重呈显著或极显著相关。水稻上三叶的叶厚与单株产量和干物重正相关，与产量构成因素中的单株有效穗数显著负相关，与每穗粒数显著正相关；上三叶叶厚与穗长、一次枝梗数、二次枝梗数、每穗实粒数、粒密度及每穗粒重显著正相关，表明叶厚与穗型性状也是密切相关的，通过叶厚的遗传改良对产量的提升有重要意义。

4叶厚的遗传和基因定位研究进展

4.1叶厚性状的遗传

据Hayashi等的报道，日本粳稻SLW在F₁表现为倾向中亲值，F₂群体平均值亦与中亲值接近，个体性状分离比例表现为数量性状遗传特征。Liu等㈣最近的研究也认为水稻叶厚为多基因控制的数量性状。沈福成分析了水稻杂交组合F₁代剑叶SLW的表现，发现绝大多数组合的F₁代剑叶SLW低于双亲平均值，F₂代剑叶SLW呈多峰连续分布且出现超亲现象，推测剑叶SLW受2个主效基因和较多修饰基因控制。但亦有研究认为，F₁代剑叶SLW高于中亲值，偏向于大值亲本。利用不同类型水稻群体进行叶厚的遗传分析已有较多报道。如粳稻材料F₂代剑叶SLW呈多峰或单峰分布特征，推测剑叶SLW可能存在由两对互补主基因与微效多基因共同控制和微效多基因控制两种方式。籼稻材料F₁代SLW在生长前期和中期表现为偏低亲值，后期呈现超低亲值倾向，遗传相关和回归分析表明SLW为完全独立的一个叶片形态因子，其广义遗传力和狭义遗传力均较高，主要以加性效应为主。梁康迳等的研究则认为SLW同时受加性、显性、加性×加性上位性的共同影响，虽以显性效应为主，但加性方差和加性×加性上位性方差的作用也较大，说明对比叶重的选择，采用等位基因的累加和非等位基因上位性互作方式均有效。

4.2叶厚性状的QTL定位

近年来，以分子标记连锁图谱为基础的QTL定位和克隆取得了较大的进展，水稻叶形相关因子的基因定位与克隆已有不少报道。有关叶厚的QTL定位，Kanbe等将控制水稻剑叶SLW的1个主效QTLqSLW-7定位在第7染色体RIVI2752-RM234区间，与控制剑叶干重（DWFL）和剑叶面积（FLA）的主效QTL位置非常接近，但SLW性状QTL呈负向加性效应，而DWFL和FLA性状QTL则呈正向加性效应。Takai等将控制水稻剑叶SLA的主效QTL定位于第4染色体长臂RM3534附近，并且与一个叶绿素含量主效QTL位置重合，认为这2个主效QTL可能位于同一位点或位于距离非常近的2个不同位点。姜树坤等在粳稻F₂群体中检测到1个控制SLW的主效QTLqSLW6a，位于第6染色体，在F_2：6群体中则检测到5个主效QTL，分别位于1、4、6、9、10染色体。李睿等利用华南籼稻品种七山占与粳稻品种秋光构建的重组自交系作为作图群体，在第2染色体的RM526-RM525区间和第6染色体的PSM388一PSM136区间分别检测到控制SLW的2个QTLqSLW2和qSLW6，贡献率分别为6.1%和5.6%，它们所处的区间分别还存在控制剑叶长度的qFLL2和控制叶面积的qFLA6。然而，叶厚性状基因的精细定位和克隆研究目前还未见具体报道。

5水稻叶厚的测定方法与评价指标

与叶长、叶宽、叶面积、卷曲度及开张角等叶形因子相比，水稻叶厚性状的相关研究还不够深入。原因是水稻叶片厚度很小，一般不足1mm，并且叶片表面容易受损，用尺子或游标卡尺等直接测量手段不能保证准确度，用显微测量的方法则工作量过大且会对叶片造成不可恢复的破坏，可见叶厚的测量相当困难。目前人们多数采用比叶重（sLW）或比叶面积（sLA）来代替叶厚。但测定SLW或SLA必须经过打孔、烘干、称重等步骤，不仅对样本造成不可恢复的破坏，而且测定过程繁琐、工作量大，不利于大量数据的测定；其次，SLW或SLA是通过面积、干重等性状值计算得出的相对值，容易增加系统误差，影响结果；此外，SLW或SLA只能作为叶片厚度的间接评价指标，并不能代替正真的叶厚。要对叶厚性状进行确切、深入的研究，就必需一种可以直接、快速、准确、无损测定叶厚的方法或设备。为解决叶片厚度测定技术的瓶颈，Chen等经过多年的样本非破坏性活体追踪测定技术研究，成功研制出一种能直接、无损测定水稻叶片厚度的活体稻叶测厚仪。该测厚仪操作简单、精确度高，并且对稻叶样本是非破坏性的，因此可实现在不同时期对同一叶片同一位置进行追踪测定，为水稻的动态株型研究提供了技术支撑。目前，活体稻叶测厚仪已成功应用到水稻株型育种理论体系研究当中。

6小结

叶厚作为一个重要的叶形构成因子，对水稻的株型构成、光能利用与产量形成都具有重要的意义。但由于测量方法和设备的限制，目前在诸多叶形相关因子中对于叶厚的研究相对较少，已有研究结果是否能阐明真正的叶厚还有待证明。在叶厚的遗传研究和基因定位中对表型数据的样本量和精确度有较高要求，这是用传统的SLW或SLA法难以达到的。因此，采用样本非破坏性的方法直接测定叶厚表型数据，不仅能节本高效地快速获得大量表型数据，并能减少误差，提高表型数据的精确度，可为深入研究水稻叶厚性状的遗传规律和分子调控机制提供有效途径和技术手段。