水稻矮生性突变体的应用及研究进展

程朝平，叶新福



·综述、科技论坛·

水稻矮生性突变体的应用及研究进展

程朝平，叶新福＊

（福建省农业科学院水稻研究所，福建福州 350018）

水稻矮化育种是20世纪以来中国水稻育种所取得的重大成就之一，对中国粮食增产以及保障粮食安全至关重要。综述水稻矮生性状的遗传、矮化植株的特征特性、矮化机理及矮秆基因定位克隆等方面的研究进展，并进一步分析了当前在利用水稻矮秆突变体育种中存在的问题及发展前景。

水稻；矮秆突变体；矮生性；研究进展

株高是水稻的重要农艺性状。适宜的株高有利于水稻耐肥、抗倒伏、耐密植，其经济系数较高，是水稻理想株型建成的指标之一。

水稻矮化育种研究最早始于20世纪30年代末，当时日本学者率先提出粳稻矮化育种，并先后育成了一批中、矮秆粳稻品种。中国水稻矮化育种始于上世纪50年代末60年代初，1949年，台湾农业育种专家利用矮源低脚乌尖与地方高秆品种杂交选育出第1个可以实际生产应用的矮秆水稻品种“台中来1号”。此后，国际水稻研究所（IRRI）等也相继育成了一批携带半矮秆基因“sd1”的籼型半矮秆高产水稻品种，如 “奇迹稻”IR8等。这些以矮化为标记的水稻品种的产量比高秆品种产量提高将近30%以上［1-5］。水稻矮化育种在生产上的成功应用，使水稻的单产水平得到大幅度提高，引发了水稻生产的“绿色革命”。

迄今，已报道的矮秆（d）、半矮秆（sd）基因已达到70多个［6］，其中有部分矮秆或半矮秆基因是相同或等位。但是，目前国内外可利用的矮秆资源稀缺，仅有少数几个隐性矮秆基因在生产试验上得到了广泛的利用。由于同一矮秆基因的广泛利用潜伏着由遗传背景的单一而带来的风险，同时，携带半矮秆基因sd-1的材料也有一些缺点，如抗旱性差、光合效率较低等［7，8］。因此，进一步开发、挖掘和利用新的矮秆突变体对扩大水稻品种遗传的多样性和粮食的安全生产，仍显得格外重要和必要。

1 水稻矮生性的遗传研究

从广义上讲，水稻的矮生性是指水稻在成熟期植株高度比正常植株矮小的遗传特性，并根据其植株的高度，成熟时植株高度等于或者低于正常植株高度一半的突变系为矮秆，而株高介于矮秆和正常植株之间的类型为半矮秆［9-11］。矮秆性状的遗传研究表明，水稻的株高除了受到主效基因的控制之外，还受微效多基因的调控。矮生性遗传主要表现为2种：一种是由单基因控制的质量性状遗传；另一种是由多基因控制的数量性状遗传。大多数籼稻矮秆突变体的矮生性一般由单个主效基因控制，并且矮秆基因均与sd-1复等位，表现为隐性矮秆或者为半隐性矮秆。粳稻品种的矮生性遗传比较复杂，根据控制矮秆基因对数的差异可以将粳稻矮秆品种分为两类：一类由单个主效基因控制，这些矮秆主效基因一般为非等位关系，表现为质量性状的遗传；一类由多个微效基因控制表现为数量性状的遗传［4］。进入21世纪以来，各交叉学科间的迅速发展大大地推动了生物技术的进步，利用分子标记方法对控制水稻株高性状的QTL进行检测，从而使对水稻矮秆性状的研究由经典遗传学的水平深入到分子水平，为最终阐明水稻矮秆性状的遗传机制以及矮秆基因的克隆和利用奠定了基础［12，13］。

1986年日本水稻基因符号、命名和连锁群委员 会（The Japanese Committee on Nomenclature and Linkage Groups of Rice Gene）将水稻矮秆突变体中控制水稻矮生性状的基因统一定名为矮秆基因，并根据植株矮化效应程度不同分类为矮秆（d）系统和半矮秆（sd）系统，根据其被鉴定的顺序，依次往后编号，至2015年，矮秆d系列已经扩编至d-62，半矮秆sd系列编至sd-8，其中有部分矮秆基因、半矮秆基因相同或等位，例如，d-6和d-34，d-10、d-15和d-16，d-11和d-8，sd-1和d-47等基因等位或复等位［14]，有部分基因因原始材料的缺乏而被删除，如d-41、d-43、d-46及d-48［15］，并且有28个矮秆基因的连锁位置已经被确定，它们涉及到9个连锁群。最近，又有一个新的水稻小粒矮秆基因d162（t）被定位［16］，该基因位于水稻第3染色体短臂上RM218（3.5cM）和RM157（10.0cM）之间。

水稻矮秆基因（d）系列一方面抑制水稻株高的增高，矮化植株，另一方面严重改变植株的农艺性状，而且往往使水稻的农艺性状变差，很难在生产上直接利用。半矮秆矮秆基因（sd）系列，对植株矮化效应较弱，除株高外一般不影响或较少影响植株的农艺性状，因此，在水稻矮化育种中得到广泛的应用［17］。目前，已经报道过的半矮秆基因（sd）有15个，其中sd-1是最常见和最重要的水稻隐性半矮秆基因。Chao［18］等通过分子标记手段将sd-1定位于第1号染色体上，与RFLP标记RG109遗传距离为0.8 cM（图1）。国内的顾铭洪［10］等率先在“桂阳矮”中发现带有与sd-1不等位的矮杆基因，并初步定名为sd-g（t）。此后，也相续报道了一系列与sd-1不等位的隐性半矮秆基因，以及一些显性矮秆、半矮秆基因。比如，童继平［19］等通过离子束诱变法在粳稻品系Y98149的后代中获得一个显性半矮秆突变体。但是，这些与sd1非等位的主效矮秆基因控制的矮秆材料在育种上几乎没有1个能得到利用，因为这些基因対控制水稻产量的3个主要因素（每穗粒数、有效穗数、粒重）中某1个或者2个性状，都产生不利的多效作用。

2 水稻矮生性突变体的生态特征及相关机理

随着人类与水稻等模式生物基因组测序工作的顺利完成，功能基因的研究即被提上了科学家的议事日程［20］。事实上，人们也正是通过基因的功能来认识基因的［21］。基因的突变影响到个体的发育过程，引起生物功能的变化，造成生物性状的变异，而这些性状的变异也反过来为突变基因研究提供了可能［22］。植株的矮化生长是水稻发生突变后表现出来的一个明显的生态学特征，根据这些生态学特性来发掘新的矮源，为育种工作者带来了极大地便利。对几个已经报道的矮秆突变体一些形态学特征进行了比较（表1），发现这些水稻矮生突变体除了植株株高明显低于双亲以外，还具有叶片粗短直立，叶色浓绿等表型特征，而且分蘖力、出穗能力及生长势等均有不同程度的改变。这些表型特征的差异，为育种专家在解决植株高度，提高光能利用效率和减少肥料的使用等问题上提供了很好的材料，同时也使得通过分子手段来设计水稻植株高度进而提高产量成为可能。

Takanem等［14］、Seetharaman等［23］研究均表明水稻植株的矮化特性是矮秆主效基因独立表达作用的结果，同时也受到多个微效基因互作的影响。矮秆基因的表达不仅能够直接导致水稻植株形态学和细胞学的变化，如节间长度变短或节间数减少，细胞长度、数目减少，从而使水稻植株变矮；同时，矮秆基因的表达还受到内源条件和外部环境的影响使其差异性表达。从而导致水稻植株变矮［9］。高等植物的生长发育与植物体内的激素合成代谢和信号转导密切相关，植物激素通过独立地或相互地作用来调节植物的生长发育［24］。已有的研究结果表明，水稻的生长发育主要受到6类植物激素的调节，生长素（1AA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CK）、脱落酸（ABA）、乙烯（ETH）以及油菜素甾醇（BR），其中赤霉素GA和BR对水稻株高影响最大。赤霉素GA能够通过加速节间细胞生长，促进细胞分裂增加节间细胞数目的机制来影响节间长度，从而控制植株高度［26］。近年来许多研究发现，油菜素甾醇BR在水稻生长发育的过程中对其形态和生理具有很大的影响，BR生物合成和信号传导受阻的植株表现为严重矮化及雄性不育［27，28］。

目前，人们已经从玉米、豌豆、小麦、拟南芥及水稻等植物中克隆到一系列与GA和BR相关的基因，比较分析这些相关基因的编码序列，发现这些控制代谢途径的基因在编码转录过程中发生缺失、失活、冗余或碱基替代，从而改变了一些关键酶的合成或表达，导致植株矮化。此外，水稻植株的矮化还受到环境温度的影响［29］。其具体矮化机理尚不明了，可能是由于在低温的条件下，一些内源激素的合成受到的阻碍作用增强，结果使节间伸长无法达到普通高秆的水平而表现为植株矮化。有研究表明，在拟南芥中，低温处理可提高AtGA20ox1、AtGA20ox2、AtGA3ox1及AtGA3ox2的表达，进而提高活性GA的浓度。同时低温还能降低AtGA2ox2 基因的转录水平［30］。

表1 已经报道的水稻矮秆突变体

3 矮秆基因的定位、克隆及功能的研究

分子生物学的建立为基因的研究提供了理论基础，特别是近代生物技术的不断发展，使得基因的克隆成为可能。1999年，Ashikari等［42］利用图位克隆法分离和鉴定得到第1个水稻矮化突变体的相关基因（d1），研究表明突变体d1水稻在编码GTP结合蛋白（G蛋白）α亚基的位点发生833bp的缺失，使G蛋白失活，从而导致植株节间细胞分裂受到抑制，因此导致水稻植株矮化。Fujisawa等［43］研究认为d1矮秆水稻是由节间细胞分裂减少，而不是细胞长度缩短造成。同时Ashikari的研究发现通过转基因技术将G蛋白基因导入到矮化突变体后，转化植株株高能够恢复至正常，排除外源GA的影响，进一步推论G蛋白可能与GA信号传导相关。

2002年，Sasaki等［43］通过图位克隆水稻的方法将sd-1定位在水稻第1染色体38381423～38384165bp区间，该基因包含一个开放阅读框（open reading frame，ORF），由3个外显子和2个内含子组成，编码与赤霉素合成有关的GA20氧化酶，该酶是赤霉素合成过程中的一个关键酶，催化GA53转变为GA20三步反应，当外显子或内含子的碱基缺失或者变异时，编码GA20氧化酶受阻，导致水稻不同程度的矮化。截至目前至少已经发现sd-1位点上5个不同等位基因，分别为SD-1、sd1-d、sd1-r、sd1-c、sd1-j［44］。

Sato等［45］发现水稻矮化突变体在第2，3，4节间变短，而稻穗和第1节间没有变短，并利用矮化突变体克隆了OSH15基因，研究发现OSH15基因cDNA全长1 566 bp，包含有5 个外显子，编码BR受体激酶。由于外显子以及部分内含子的碱基缺失使编码BR受体激酶受阻造成植株矮化。OSH15 可能负责决定伸长中的节间外面基层细胞的位置，控制小维管束鞘、厚壁组织和表皮细胞的发育；OSH15 可能通过两种方式来控制节间细胞的形态和分化：其一是通过诱导居间分生组织和节间细胞的纵向伸长而促进节间伸长；其二是可能作为真皮细胞发育成厚壁细胞的发育开关。

夏令［34］等通过图位克隆的方法将sd-sl定位于第6号染色体，PAC克隆AP003490和AP005619上，Indel引物XL6-6和XL6-1之间，物理距离为118 Kb。在定位区域的预测基因中未发现与GA及BRs合成或信号转导相关。

矮化突变体d18是GA3ox（GA 3β-hydroxylase）基因的缺陷型，并导致GA20向GA1的转变受阻［47］；brd1是BR6ox（BR 6-oxidase）基因的缺陷型，导致BR合成受阻［48］。d6是一个kn1类型的同源异型盒基因OSH15（Oryza sativa homeobox）的功能缺失突变使第一节间缩短，从而导致植株矮化［28］。OSH15、sd-sl基因等研究结果表明植物株高的遗传特性，除了受主要决定因子GA和BR控制以外，还受其他因素的影响。

4 存在的问题与展望

水稻矮秆资源的利用和矮化育种是20世纪50年代以来水稻育种取得最瞩目成就之一，是保障中国粮食安全生产的前提。目前，已注册矮秆、半矮秆基因70多个，但只有d47（sd1）在水稻育种中发挥了作用［49］。吴诗都［50］等研究结果表明sd-1基因带有多效性，同时影响到各种农艺性状，特别是有效穗数的增加。另外，大多数突变体常常存在多效性不良的缺点，进而导致植株过度矮化或者不具备实用的农艺性状。Chang［5］等1985年鉴定了145个非sd1矮源衍生的矮秆材料，发现绝大多数品种存在农艺性状差，生长势、分蘖力弱，穗型、粒型小，籽粒充实度差、落粒性差等缺点。因此，发掘和利用具有理想农艺性状的矮秆资源对解决水稻矮秆基因遗传资源单一化问题显得尤为重要。

利用不同品种（品系）之间的杂交，获得杂种优势从而提高水稻生物学产量，是实现水稻超高产的有效途径之一。尤其是籼粳亚种间杂种优势的利用，可以大幅度提高F1的产量。然而F1代植株高超亲现象成为亚种间杂种优势利用的一个瓶颈。刘斌美［51］等通过离子束诱变法在粳稻品系Y98149的后代中获得一个显性半矮秆突变体，并将其初步定位于第7染色体上。这类显性半矮秆突变基因的发现以及利用为解决这一问题提供了思路。同时，在一定程度上，也弥补了隐性矮秆基因单一化带来的品种遗传背景狭窄的缺憾。

分子生物学的快速发展特别是基于对水稻赤霉素受体的认识，使得对水稻株高性状进行分子设计成为可能。钱前等认为赤霉素受体GID1完全突变后，赤霉素信号不能有效传递，导致体内的DELLA阻遏蛋白高度积累植株会表现极为矮化和不实，然而相对弱等位突变的GID1植株却表现半矮化，结实率并不会受到太大的影响，且与sd1半矮秆水稻比较表现为分蘖早、快、旺、有效穗数多呈典型的丛生快长类型，光合利用效率高且高度耐肥抗倒，适宜密植［11］。因此，通过赤霉素筛选GID1基因自然突变体或通过定向突变GID1基因编码的不同蛋白质序列，产生适合有利株高改变而不破坏整体农艺性状的突变体，利用这些多类型的突变种质，同时与优势互补原则结合，在不同水稻生态区进行育种遗传改良，必将能进一步提高我国水稻产量和质量，为中国水稻的安全生产提供保障。

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Research Progress on the Dwarf Mutants in Rice （Oryza sativa L.）

CHENG Zhao-ping，YE Xin-Fu＊
（Rice Research Institute，Fujian Academy of Agricultural Sciences，Fuzhou，Fujian 350018）

Breeding of dwarf rice varieties and their wide use in production is one of the greatest achievements in rice breeding in the 20th century. This paper reviewed the research progress on the inheritance， cloning and ecological characteristics and the mechanism of dwarfness in rice. The existing problems in utilization of dwarf germplasms and breeding of dwarf variety were also proposed in this paper. Its developing prospect was looked a head.

rice； dwarf mutants； dwarfness； research progress

S511；Q754

A

1008 - 9799（2016）02 - 0079 - 06

2016 - 05 - 27

福建省自然基金计划资助项目（项目编号：2013J01109）

程朝平（1983 - ），男，助理研究员，研究方向：水稻遗传育种
*

叶新福（1967 - ），男，研究员，博士，研究方向：水稻遗传育种