水稻中胚轴伸长研究进展

姜洁锋，金林灿，王利润

(1.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040；2.中国种子集团有限公司 生命科学技术中心，湖北 武汉 430206)

水稻中胚轴伸长研究进展

姜洁锋1，金林灿1，王利润2

(1.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040；2.中国种子集团有限公司 生命科学技术中心，湖北 武汉 430206)

综述了水稻中胚轴伸长的研究进展，着重在中胚轴伸长相关基因的定位、环境因素对中胚轴伸长的影响等方面进行了总结，并提出了下一阶段培育深土直播水稻品种的发展方向。

水稻；中胚轴；育种；深土直播；QTL

水稻是我国和全世界的主要粮食作物，全世界约有22亿人以水稻为食。近年来，随着农村经济的发展，农村劳动力明显不足，使得水稻直播作为一种简便、高效、经济的轻型化栽培方式，越来越受到重视[1]。但是，出苗难、草害、后期倒伏等一起成为目前制约直播稻发展的三大难题[2]，尤其是出苗难直接影响了直播稻的用种量和种子成本。中胚轴的伸长是直播过程中为水稻的出土提供主要源动力，中胚轴长、顶土能力强的水稻种质，一方面能够在较深覆土的情况下保持较高的发芽率，另一方面使根系分布深、面积广、活力强，能够高效利用水分，并且抗旱、抗倒伏。

胚轴是连接着胚芽到胚根中的一部分特殊的组织结构，它分为上胚轴、中胚轴和下胚轴。水稻的上胚轴是指胚芽鞘到第一片真叶之间的部位，中胚轴是指盾片到胚芽鞘节之间的部分，下胚轴是指盾片以下与胚根连接的部位。水稻作为典型的单子叶植物，其下胚轴基本不伸长，当覆土较浅时，种子的出土主要依靠胚芽鞘的伸长而钻出地面，其上胚轴和中胚轴都不伸长，而当覆土较深时，水稻利用中胚轴的伸长为种子的出土提供主要源动力，同时将分蘖节上升到适宜的位置。在深覆土的情况下，选用种子饱满、活力高的长胚轴种质种子，出苗时间短、速度快，有利于提高出苗率和整齐度[3-4]。已有研究表明，不同品种的中胚轴伸长能力不一样，一般杂草稻强于栽培稻，籼稻强于粳稻，陆地稻强于水稻[5]。而且，另一方面，中胚轴的伸长是基因型与环境互作的结果，缺氧、外源激素和高浓度CO2均能促进水稻中胚轴的伸长。本研究对水稻中胚轴伸长有关QTL定位、环境等因素对中胚轴伸长的影响等研究进展进行了综述，并对培育深土直播水稻品种进行了育种展望。

1 中胚轴长度的QTL定位

目前，很多学者利用不同的群体定位到很多个影响中胚轴伸长的QTL，Cai等[6]利用籼稻Pei-kuh和普通野生稻W1944构建的一个RIL群体在第1、3、4、5、6、9、11号染色体上一共检测到11个影响中胚轴伸长的QTL。曹立勇等[7]利用籼稻IR64和热带粳稻Azuccena产生的DH系通过适温和低温逆境下发芽，在第1、3、6、7、8、12号染色体上共发现8个影响中胚轴伸长的QTL，而且认为中胚轴的伸长主要受上位性和加性效应的影响，而受环境影响较小，遗传率较高。Redona等[8]利用粳稻Labelle和籼稻Black Gora的F2群体在第1、3、5、7号染色体上共检测到5个影响中胚轴伸长的QTL，且认为中胚轴伸长存在基因型与环境的互作。Katsuta-Seki等[9]利用Daorenqiao和Surjumkhi的F2∶3家系在第3、6、11号染色体上定位到3个影响中胚轴伸长的QTL。欧阳由男等[10]利用ZS97B/密阳46的RIL群体在除10号染色体外的其他11条染色体上定位到了27个影响中胚轴伸长的QTL，并且发现在第1、5、9号这3条染色体上有6个QTL具有加性效应。黄成等[11]利用沈农265和丽江新团黑谷构建的RIL群体，分别用不同浓度的GA和水处理，在第1、2、3、6、11号染色体上定位到3个和5个影响中胚轴伸长的QTL，其中发现主效基因qML3可以在不同的群体和环境中稳定表达。Lee等[12]利用Kasalath和Nipponbare的BIL群体在第1、3、7、9、12号染色体上定位到5个QTL，并且把在2个独立试验中都检测到的在第1和第3染色体上的2个QTL分别精细定位到一个3799～6964 kb的区间内。Wu等[13]通过对170份核心种质和100份抗旱材料进行砂培和暗培等发芽试验，暗培条件下在第1、3、4、5、6、9号染色体上扫描到6个中胚轴伸长的QTL，砂培条件下在第3、6、10号染色体上扫描到3个中胚轴伸长的QTL，这些QTL与前人已定位的QTL位置是吻合的。Lu等[14]利用一个469个籼稻材料组成的群体，用4136个SNP标记进行关联分析，共检测到17个位点与中胚轴伸长有关。

尽管目前水稻中已有很多学者定位到影响中胚轴伸长的QTL，但是还没有一个中胚轴伸长相关基因被克隆，其伸长机制也并不清楚。作为研究水稻中胚轴伸长的关键，影响中胚轴伸长相关QTL的定位和克隆既可以揭示水稻中胚轴伸长机制，也可以进一步探究水稻中胚轴伸长与环境互作的机理，同时也可以通过分子标记辅助选择和转基因方法聚合多个中胚轴伸长相关基因，使培育深土直播水稻品种用于生产将成为现实。

2 中胚轴伸长的影响因素

中胚轴的伸长主要是中胚轴细胞分裂和伸长共同作用的结果，其中中胚轴细胞的伸长又起着决定性的作用[15]，而且光照、温度、氧气含量、植物激素都会影响中胚轴的伸长，这些环境因素并不是独立存在的，而是互相协调共同调控中胚轴的伸长。其中植物激素对中胚轴伸长的影响尤为显著，它可以通过影响细胞的伸长和分裂，以及能量代谢和微管的排布等方式来影响中胚轴的伸长。

2.1光对中胚轴伸长的影响

在水稻种子萌发的过程中，黑暗条件可以促进中胚轴的伸长，但是不同光质对胚轴伸长的影响不同，在不同光质下，玉米中胚轴长度分别是，白光lt;自然光lt;红光lt;蓝光lt;绿光lt;黄光lt;黑暗[16]，另外，蓝光、白光、UV-B以及远红光和红光均能抑制拟南芥的下胚轴伸长[17]。不同的光通过影响种子内源激素如IAA、GA、ABA等的含量，从而影响光形态的建成。蓝光可以降低了高粱幼苗的内源GA含量，促进了去黄化反应，抑制了中胚轴的伸长[18]，而远红光可以增加玉米内源GA含量，减少ABA含量，促进玉米中胚轴的伸长[19]。同时，多胺氧化酶(PAO)通过分解产生H2O2诱导中胚轴细胞壁硬化，造成细胞伸长受阻，在光抑制玉米中胚轴伸长中有着重要的作用[20]。

2.2温度对中胚轴的影响

植物的生长需要在适宜的温度下进行，低温或高温都会对其造成伤害，低温会严重影响水稻中胚轴的伸长，而且通过对耐寒型黄C和低温敏感型Mo17两个玉米自交系幼苗的研究发现，中胚轴是对低温较敏感的部位，低温抑制中胚轴的伸长[21-22]。适度高温可以提高生长素的浓度，从而促进胚轴的伸长[23]，但是高温胁迫会抑制幼苗胚轴的生长[24]。

2.3覆土深度影响中胚轴的伸长

覆土深度是影响直播稻出苗的重要因素之一。通过对不同的水稻种质设置2、4、6 cm等3个不同的覆土深度进行发芽试验，试验发现水稻中胚轴的伸长对覆土较深的种子顶土出苗起到关键作用，长胚轴种质顶土出苗动力来自于芽鞘节与中胚轴的共同作用，出苗动力强；而短胚轴顶土出苗动力主要来源于芽鞘节的伸长，出苗动力较弱，而对于同一水稻材料，水稻中胚轴伸长长度与覆土的深度呈正比[3]。在玉米中的研究也表明，深播能够使中胚轴细胞均显著伸长，但是细胞数目变化不大[22]。

2.4植物激素对中胚轴伸长的影响

外源GA、ABA、CTK、GR24、IAA、乙烯等激素都会影响水稻中胚轴的伸长。在拟南芥中，下胚轴伸长的机理研究相对完整，JA、GA、BR、IAA等这些激素相互之间构成一个网络，通过DELLA影响细胞壁的结构来影响下胚轴的伸长。很多激素缺陷型或敏感型突变体都会表现出极端的下胚轴伸长或者抑制的表型[25]。在黑暗条件下，独脚金内酯缺陷型突变体的中胚轴伸长随着独脚金内酯浓度的增加而受到抑制，同时对其中胚轴进行细胞学观察发现这种抑制是由于细胞数目的减少而非细胞数目的变化而导致的，进一步研究发现，缺陷型突变体中胚轴中的细胞分裂素调控基因过量表达，并且发现细胞一个细胞分裂相关基因OsTCP5受到独脚金内酯和细胞分裂素的调控，而且其表达与中胚轴长度呈负相关[26-27]。另外，有学者通过对独脚金内酯的缺陷型突变体d10的分析，找到了有8个蛋白受到D10的调控而影响中胚轴的伸长，而这些蛋白主要是参与细胞的能量代谢和碳水化合物以及氨基酸的代谢，由此判断，中胚轴的伸长是受能量代谢所调控的[28]。通过筛选水稻中乙烯的突变体找到了MHZ7/OsEIN2，这个基因的超表达家系在黑暗条件下表现出中胚轴长度显著大于野生型，同时该基因还会影响到水稻粒长和千粒重以及叶片衰老等表型[29]。通过测定不同时间段的中胚轴内源GA、IAA、CTK等植物激素含量发现：GA的含量随着中胚轴的伸长逐渐减少，IAA的含量随着中胚轴的伸长而增加，而CTK的含量则变化很小，由此笔者认为，内源GA和IAA是影响中胚轴伸长生长的主要调控因子[29]。而进一步的细胞伸长机理研究发现，微管蛋白结合基因的表达量变化编码不同的微管蛋白，微管蛋白的相互作用引起的MTs动态变化，以此来调节细胞中胚轴伸长[30]。对发芽4、5、6、7 d的中胚轴进行石蜡切片观察，发现中胚轴伸长初期细胞分裂增殖对中胚轴伸长起促进作用，但随着中胚轴的生长，促进作用消失。细胞分裂是一个快速的过程，试验表明：中胚轴细胞大量分裂增殖时间不超过12 h，发生在中胚轴生长初始阶段，由此说明，中胚轴的伸长生长是细胞快速分裂而后细胞长度继续伸长的结果，并且细胞长度统计发现中胚轴中部的细胞显著长于基部和顶部的细胞[15]。

3 中胚轴伸长相关育种展望

3.1加强应用基础研究

近十几年来，水稻功能基因组发展十分迅速，克隆了大量抗病虫、抗逆及产量等相关基因，中胚轴的伸长与基因型紧密相关，目前已经定位到了一系列影响中胚轴伸长的QTL，但是由于目前定位到的QTL区段较大，可能连锁大量不利基因，因此，这些QTL能否在水稻育种中得到利用，还需要育种实践的验证，同时还需要不断定位、克隆中胚轴伸长的基因，为深直播栽培品种的选育提供更多基因资源。

3.2与水稻其他农艺性状的相关性研究

林建荣等[4]利用H10/春江香粳和秀水110/H10的2个亲本，F1、B1、B2、F2为试验材料进行发芽试验，发现F2群体中长、短中胚轴植株在节间长度、穗长、株高和剑叶长等性状上均存在较明显的差异，而中胚轴伸长特性与节间粗、剑叶宽、单株穗数、每穗总粒数、结实率、千粒重和单株产量等性状关系不明显。中胚轴的长度与植物的株高之间很可能存在连锁关系[31]，因此，在一定范围内增加中胚轴长度又控制株高对水稻生产实践具有重大意义。

3.3加快种质资源的利用

利用92份粳型杂草稻和24份籼型杂草稻以及12份韩国栽培稻进行发芽试验发现：杂草稻在旱直播时中胚轴和胚芽鞘都显著地长于栽培稻[32]。通过对我国北方稻区的93份杂草稻和12份栽培稻进行发芽试验，发现57%的杂草稻材料属于长中胚轴类型和中间类型；其他栽培稻品种，除籼稻品种IR70外，均属于短中胚轴类型[5]。杂草稻由于经过长期的自然异交、选择，其遗传基础比较复杂，变异类型丰富，对环境较强的适应性存在着多种多样的有益遗传基因[33]，杂草稻也是一个理想的品种改良基因库，对于拓宽水稻遗传基础以及改良水稻中胚轴性状具有良好前景，杂草稻与栽培稻有着较密切的亲缘关系，是很好的育种亲本材料。

3.4培育深土直播水稻品种

在水稻生产中，深土直播稻不但能提高抗倒伏能力,还有利于根系吸收深层水分，提高品种的抗旱性。但随着覆土深度的增加,直播稻顶土出苗能力下降,造成出苗率偏低,秧苗素质较差。而且一直以来我国的水稻育种主要方向是培育优质高产的水稻品种，因此大多数品种的中胚轴长度较短，因此筛选具有长中胚轴的种质资源和材料，挖掘促进中胚轴伸长的有利基因，并利用分子标记辅助选择等生物技术手段结合常规育种培育深土直播水稻品种，为将来的育种提供了新思路。

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(责任编辑：曾小军)

ResearchProgressinElongationofMesocotylinRice

JIANG Jie-feng1, JIN Lin-can1, WANG Li-run2

(1. Ningbo Academy of Agricultural Sciences in Zhejiang Province, Ningbo 315040, China;2. Life Science and Technology Center, China National Seed Group Company Limited, Wuhan 430206, China)

This article reviews the research progresses in the elongation of mesocotyl in rice, focuses on the mapping of genes related to mesocotyl elongation, and the influences of environmental factors on the elongation of mesocotyl in rice, and puts forward the developmental direction of breeding deep-direct-seeding rice varieties in the future.

Rice; Mesocotyl; Breeding; Deep direct-seeding; QTL

S511.5

A

1001-8581(2017)12-0023-04

2017-08-14

宁波市自然科学基金(2016A610117)；浙江省重点研发计划(2016C02050-5)；宁波市科技创新团队(2014B81001)。

姜洁锋(1985─)，男，助理研究员，博士，研究方向：水稻遗传育种。