水稻粒形调控基因的研究进展

朱业宝，郭玉春，梁康迳，孙新立

(1.福建农林大学作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室，福建福州350002;2.福建农业科学院水稻研究所，福建福州350018)

水稻(Oryza sativa L.)是我国三大主要粮食作物之一，其产量和品质对我国粮食安全影响巨大.水稻产量直接受3个因素控制，即穗数、穗粒数和粒重(籽粒大小和充实度).水稻的粒形不仅是粒重的重要因素，而且是重要的品质性状.本文从粒形相关性状的遗传分析、QTL定位及基因克隆和基因作用机理等方面综述了前人研究成果，以期为水稻粒形遗传改良提供依据.

1 数量遗传

水稻粒重受粒长、粒宽、粒厚和充实度的影响，均属于数量性状，受多基因控制.多基因在染色体上的位置称为数量性状基因座(Quantitative Trait Loci，QTL)[1].许多重要的农艺性状被多基因共同控制，而且受环境影响较大.其中，1个或多个基因的作用较大，称这些基因为主效基因，也是研究的重点.

粒重属于复合性状，为使研究简化，一般将其分解为受基因直接控制的几个组成因素.本文重点阐述其构成因素(粒长、粒宽和粒厚)的遗传规律(表 1)[2，3].不同品种间粒长变异较大(6 －15 mm)[2]，粒宽和粒厚的变异较小.

2 QTL定位及其相关基因的克隆

随着分子生物学的发展，全基因组测序的完成，作为模式植物之一的水稻，有约1.8万个容易操作、重复性好、共显性的简单序列重复标记(Simple Sequence Repeat，SSR)可以使用.另外，除粳稻Nipponbare序列外(http://rapdb.dna.affrc.go.jp/)，水稻中还有籼稻 93 －11(http://rise.genomics.org.cn/rice/index2.jsp)、野生稻W943的全基因组序列以及2000份栽培稻和普通野生稻超过7×106个单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms，SNP)可以利用(http://ricevarmap.ncpgr.cn/django/home/)[4].同时，搜索NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)、EBI(http://www.ebi.ac.uk/)、RAP-DB(http://rapdb.dna.affrc.go.jp/)和Gramene(http://www.gramene.org/)等相关网站，还会获取更多相关资源.这些为水稻粒形QTL分析、重要基因克隆和功能分析奠定了基础.

表1 水稻粒形基因的遗传效应1)Table 1 Genetic effects of rice grain shape genes

2.1 已定位的调控水稻粒形QTL

对于数量性状位点的研究不同于质量性状，需将控制数量性状的位点分解成单个QTL.目前，已定位了大量控制水稻粒长和粒宽的QTL，但控制粒厚的QTL的较少.有研究已定位了超过400个QTL涉及水稻粒形和粒重，其中控制粒长的QTL有102个，粒宽的QTL有93个[2].Gramene网站(ftp://ftp.gramene.org/pub/gramene/CURRENT_RELEASE/data/qtl/)收录了控制粒长的QTL有24个，粒宽的QTL有31个(表2).结果差异较大，除所引用论文的差异外，不同实验所定位的QTL难以比较是重要的原因.这些研究或搜索引擎仅对论文中所定位的QTL进行简单的相加，不做进一步分析，这样存在大量的重复，即同一个QTL为不同作者在不同试验中的重复检测[2，5].

2.2 已克隆的水稻粒形调控基因

虽然粒形性状是由多基因控制，但调控粒形的每一个基因，尤其是主效基因，表现出典型的孟德尔遗传现象.这样可通过连续回交筛选，只保留一个调控粒形的主效基因杂合，获取BCnF1种子，建立BCnF2的大群体，进而将目标QTL进行精细定位，最终克隆调控粒形性状的QTL.这是图位克隆数量性状的常用方法.目前，采用该策略，至少已经克隆了8个粒形相关的QTL(表3).

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实际上，除8个粒形相关QTL外，还有其它的一些基因，影响粒形性状.Huang et al[2]将这些基因分成三类，第一类基因包括D1、D2、D11和D61(表3).这些基因突变使籽粒变短，植株变矮，叶倾角变小.D1基因编码G蛋白的α亚基，该基因的突变同时影响GA和油菜素内酯信号(Brassinosteroid，BR)2条传导途径[6，7].目前，已经发现的多个D1突变体，多是因为插入或缺失造成[8].D2和D11编码细胞色素P450氧化还原酶，涉及 BR 的合成[9，10].D61 编码 BR 受体蛋白[11].最近，Duan et al[12]发现一个新的突变体—smg1，引起籽粒变短、植株变矮和叶片直立.SMG1编码MAPK4，调控细胞的增殖.该基因的突变影响BR信号传导途径.第二类基因主要影响水稻的粒形性状，在穗粒部位表达较强.GS3是影响粒形性状的主效基因之一，这一基因对籽粒的大小(粒长、粒宽、粒厚，以下相同)负调控作用(表3).该基因首先在明恢63和川7杂交群体中被精细定位，编码一个未知功能的跨膜蛋白，包含4个构域，从氨基端到羧基端分别为OSR-TM-TNFR-VWFC(organ size regulation-transmembrane region-tumor necrosis factor receptor-von Willebrand factor type C).OSR结构域缺失，粒形变长;VWFC结构域缺失，粒形变短;二者同时缺失，粒形变长[14，15].另一个对粒长影响较大的基因qGL3/GL3.1，同时被2实验室分别克隆.该基因编码带有Kelch-like repeat结构域的磷酸酯酶.长粒中一个位点C到A的突变，造成Kelch结构域中AVLDT基序的改变(Asp→Glu或者D→E)，从而使粒形变长[16，17].目前，已经克隆的调控粒宽的基因有 5个—GW2、GW5/qSW5、GW8、GS5和 GS6.GW2编码RING型E3泛素连接酶，首先在大粒水稻WY3和小粒丰矮占1号杂交组合中定位.这一基因1 bp的缺失造成了大粒WY3中基因的移码突变.GW2通过蛋白酶体对细胞分裂起着负调控作用，该基因的突变，造成其靶向蛋白的积累，加速了细胞分裂，增加了籽粒的粒宽和重量[18].GW5/qSW5被两个实验室同时克隆的粒宽基因，这一基因编码一个位于细胞核中144个氨基酸的蛋白质，该蛋白带有一个富含精氨酸的结构域.由于此蛋白能与多聚泛素互作，推测可能通过泛素—蛋白酶体途径调控细胞的分裂[19，20].GW8通过Basmati385和HJX74杂交组合定位发现，编码SQUAMOSA启动子结合蛋白，属于SBP转录因子家族，可简写为OsSPL16.不同于前面谈到的基因，该基因的突变发生在基因的启动子区，启动子中10 bp的碱基缺失造成Basmati 385中基因表达降低，籽粒变窄.然而，OsSPL16基因表达的降低，同时提高了米粒的品质[21].GS5基因是主要调控粒宽的QTL，同时影响籽粒的灌浆和粒重.它编码一个丝氨酸羧肽酶，对籽粒的粒形有正调控作用[22].GS6编码含GRAS结构域的蛋白质，348位点的G到A的突变致使蛋白质早熟，籽粒变宽.该基因可能是看家基因，几乎在所有的组织中都表达，没有差异[23].GIF1基因的突变造成籽粒灌浆缺陷，突变体籽粒中由于大量疏松淀粉颗粒存在，垩白区很大.该基因编码一种细胞壁转化酶，因1 bp的缺失造成移码突变，蛋白质的早熟[24，25].

第三类基因的突变有些类似于第一类基因所产生的性状，主要发现于粳稻中，产生小而圆的粒形(表3).这些基因的突变缩短了籽粒的长度，增加了籽粒的宽度.同样，这些基因也会影响植株的株高，突变体植株与野生型相比，每一节间都有一定程度的缩短，而第一类基因突变体尤其会造成某一节间的严重缩短.这类基因目前有SRS1、SRS3和SRS5.SRS1编码含有1365氨基酸的未知功能蛋白质，它的突变会造成种子纵向生长细胞变短变少，横向生长变长[26，27].SRS3编码含有813个氨基酸的蛋白质，含有Kinesin结构域和Coiled-coil结构，该基因的突变造成纵向生长细胞变短.SRS3基因不仅在穗粒中表达，而且在叶片和节间中表达.其中，在节间表达最强[28].SRS5编码α-tubulin蛋白质.点突变引起SRS5中第308位的精氨酸变成亮氨酸，基因突变后同样造成纵向生长细胞变短，它与BR信号传导途径无关[29].

除上面谈到的3类基因外，最近发现PGL1基因过量表达和APG基因沉默都能增加籽粒的长度.PGL1基因都编码非典型的bHLH(碱性螺旋—环—螺旋蛋白)转录因子，该因子缺乏与DNA结合的结构域，通过与其互作的蛋白质APG调控基因表达，二者表现出拮抗作用.APG是细胞伸长负向调控因子，其功能受PGL1抑制[30].Bsg1/Th1基因编码含有DUF640结构域的未知功能蛋白，该基因的突变会形成纺锤形籽粒，内外颖的外层薄壁细胞层中细胞数目减少且变小.该基因主要在穗粒和正在生长的茎中表达，而且，突变体中与细胞分裂相关的基因和GW2表达不同于野生型[31－33].An-1编码bHLH蛋白质，超量表达增加籽粒的长度，抑制或失活该基因能降低籽粒和芒的长度，增加着粒密度.此外该基因是由野生稻到栽培稻重要的驯化位点[34].另外，SERF1编码盐响应的转录因子，该因子能直接与RPBF基因的启动子结合，调控该基因的表达.RPBF调控籽粒的灌浆.SERF1基因的失活，籽粒变大;超表达，籽粒变小[35].Zhang et al[36]研究表明，超表达microRNA-OsmiR397，能提高25%的产量，增加籽粒的大小.

3 水稻粒形调控基因的作用机理

水稻粒形调控基因的克隆为籽粒形成分子机制的研究提供了依据，这些基因对粒形的调控一般是通过影响细胞的分裂或大小.第一类基因主要通过BR信号传导途径调控相关组织细胞的数目和长度.虽然已有一些基因克隆，不同作者基于其克隆的基因，对其分子机制也作了一些研究.但总的来说，还是了解较少.GS3被认为是细胞分裂的负调控因子，其不同结构域间存在功能差异，其中OSR是主要的负调控区[15，37].GL3.1能加速细胞的分裂，它直接和 CyclinT1;3 互作，去除该蛋白的磷酸化.GL3.1 的突变，CyclinT1;3磷酸化水平升高，籽粒变长;抑制CyclinT1;3基因的表达，籽粒变短[17].GS5能影响细胞周期调控基因的表达，GS5基因表达的上升或降低，同样伴随着这些细胞周期相关基因CYCT1、CAK1、CAK1A、CDKA1和H1表达的上升或降低[21].同样，GW8基因的变异同样伴随着细胞周期相关基因的改变[23].

目前，对于已经克隆的粒形基因间的关系研究甚少.但已有的研究表明，一些大粒和长粒材料中含有多个已克隆的第二类基因[16，38].在本研究团队所研究的超大粒材料，已经发现了6个已克隆的第二类基因(未发表)，但这些基因间的关系还不清楚.而不同类型的基因间相互关系的研究至今尚未见报道.

4 水稻粒形基因突变体在水稻资源内的分布

粒形调控基因在水稻育种中具有广泛的用途，了解突变体在现有水稻资源中的分布具有重要的意义.本文仅讨论第二类基因的分布.明恢63类型的GS3突变在栽培稻中分布较广泛，Takano-Kai et al[37]对235份栽培稻和284份野生稻的分析表明，34%的栽培稻和4%普通野生稻带有该基因的突变体.其中，这一突变体主要分布在热带粳稻和籼稻中，占栽培稻突变体品种的83%.Mao et al[15]在川7中发现另一种类型的突变体，1 bp缺失造成GS3缺少VWFC结构域，籽粒变得比正常的更短.GW5的突变体主要分布在粳稻和宽粒籼稻中[19，20]，而GW8的突变体大多分布在Basmati类型的栽培稻中[23].另一个影响粒宽的基因GS5，通过对35份栽培稻的该基因启动子的分析，仅有8份属于窄粒类型(H94型)，均为籼稻;13份中等宽粒(珍汕97型)，主要是籼稻(85%);14份宽粒类型(中花11型)，主要为粳稻(86%)[21].对于GS6的分析表明，突变体基因主要出现在粳稻中[22].不同于上述的基因，GW2和qGL3属于稀有基因，qGL3在94份测试品种中，仅发现1份[16];而Yan et al[39]对156份籼粳栽培稻筛选发现，未发现含有GW2突变体基因的材料.

5 展望

目前，仅有第二类粒形基因可以直接应用于育种，gs3、gw5和gw8已经为人们有意或无意的应用到育种实践中;而qgl3和gw2属于稀有基因，这2个基因的克隆，必将加快它们在育种中的扩散速度.但是，第一类和第三类基因的应用还需要一些时间.与已经定位的QTL相比，已克隆的第二类粒形调控基因的数量太少，只有8个，而基因克隆是粒形形成分子机制研究的前提，因此，克隆更多的粒形调控QTL是必不可少的过程.另外，已克隆的基因之间的相互关系还多不清楚，已有研究表明，超大粒的形成需要多个调控粒形基因的累积[16，38].这些粒形基因是独立起作用还是有相互的影响，是产生性状累加，或者相反;粒形基因是否影响稻米品质，如何影响等等，这些都是今后有待进一步深入研究的重要内容.此外，随着人们对更多粒形基因的克隆和调控机制的了解，未来育种工作者可以根据需要，设计培育不同粒形、不同大小的品种，真正实现分子设计育种.

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