水稻根系遗传研究进展

丁仕林 刘朝雷 钱前,*

（1福建农林大学资源与环境学院，根系生物学研究中心/海峡联合研究院，福州350002；2中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州 310006；第一作者：histdsl＠163.com；*通讯作者：qianqian188＠hotmail.com）

根系作为水稻主要的器官之一，具有固定水分，吸收养分，合成与分泌激素、酶、有机酸等功能[1]。但由于根系生长在看不见的土壤环境中，难以对水稻根系无损伤的取样，对水稻根系形态性状的观察、统计和分析难度都较大，因此相对于地上部性状而言，对水稻根系的研究较为落后。近年来，由于基因图位克隆技术的完善与发展，相关生物信息学软件的开发，根系研究方法不断创新与发展，促进了水稻的根系研究。本文介绍了国内外水稻根系研究的方法，水稻根系的结构以及相关基因的定位、克隆和功能研究等方面的进展，对根系的理论研究以及根系育种进行了展望。

1 水稻根系的结构及其主要功能

水稻的根属于须根系，由1条种子根和大量不定根及侧根组成，种子根由胚根发育形成，不定根出自茎节根带的根点（根原基），种子根（1条）和不定根的数目是有限的。侧根发生起始于特定的中柱鞘细胞，是水稻根系不可缺少的部分[2]。水稻根从根尖到根基一般分为根冠、分生区、伸长区和成熟区，除了根冠与其他组织具有明显的分界之外，其他三个区域都是相互重叠的。根尖的最前端部分是根冠，每天都有许多细胞从根冠表面脱落下来，称为根边缘细胞，它们包裹在根冠的周围，是水稻根冠表面和土壤间的“界限”。大部分水稻边缘细胞呈椭圆形或者长杆状，主要分布于根尖0～2 mm处[3-4]，当根表皮的细胞由伸长区发育至根毛区，部分表皮细胞开始发生突起形成根毛。根的横剖面由中柱、皮层、表皮等部分组成，中柱内含有木质部的大导管呈辐射状排列，韧皮部与后生木质部相间排列。水稻根尖皮层组织中细胞分离或部分皮层细胞崩溃，形成通气组织，通气组织可以促进氧气扩散进入根部，同时使根部的甲烷、H2S、CO2等气体排到体外，调节根际氧化势，排泄废气[2]。

水稻根系具有多种功能，其物理功能主要是固定植株，其次是养分和水分吸收的主要器官，又具有合成和分泌多种氨基酸、有机酸和激素等生理活性物质的功能。李娟等[5]对多个水稻养分吸收动态的模拟模型分析得出，水稻根系常数平均值是 K＞N＞P，水稻氮钾吸收过程基本同步，磷则稍晚，平衡施肥能够显著提高根系对氮、磷、钾的吸收能力。水稻根系除了可以吸收氮、磷、钾等无机养分和水分之外，还可以吸收二氧化碳或者碳酸。孙桂莲等[6]采用同位素示踪技术研究了水稻对的吸收和积累动态，结果在水稻各部位均检测到了14C的存在，通过下部组织吸收的会向上部组织输送，并在叶片和稻穗中积累。随着研究的推进，科研工作者发现了越来越多的根系分泌物。陆定志等[7]从水稻根系伤流液中分离出了30多种氨基酸。FUKUMORITA等[8]研究发现，根系可以合成蔗糖和游离氨基酸。HAYASHI等[9-12]发现，水稻伤流液中还含有赤霉素、脱落酸、细胞分裂素和乙烯前体等植物激素类物质和柠檬酸、琥珀酸、苹果酸等有机酸类物质。

2 水稻根系研究方法

由于根系处于土壤环境中，尤其是水稻根系纤细并且长期生长在淹水环境中，因而对水稻根系的取样、测定都存在一定的困难。1727年德国学者HALES用挖掘法研究植物根系在土壤中的分布情况。1892年KING采用铁丝箱隔离土法得到了近似自然状态下的水稻根系。之后，美国生态学家WEAVER对挖掘法进行了改进，于1923年首次使用新挖掘法开展水稻根系研究，对水稻根系研究起到了很大的促进作用[13-15]。

图1 水稻根系结构

2.1 挖掘法

对水稻根系进行挖掘研究的方法大概有 5种：原状土柱法[16]、原状土片法[17]、简易根箱法[18]、网袋法[19]和塑料管土柱法[20]。

2.2 非挖掘法

由于在挖掘根系的过程中多少会损伤到根系，并且有时不能获得完整的根系，而非挖掘法克服了挖掘法会损伤根系的不足，可以准确测量根系性状，但是不能展现水稻根系在土壤中的自然分布情况，不能让人直观的观察到水稻根系在不同土壤条件下的生长形态及特点。非挖掘法主要有同位素示踪法[21]、雾培法[22]、桶盆钵栽培法[23]、沙培法[22]和水培法[24]。

2.3 虚拟模型法

植物形态结构模拟与可视化研究起源于 20世纪60年代，目前在根系空间分布特性的三维建模与可视化表达这方面的研究并不多见。刘桃菊等[25]根据L-系统的生成规则和水稻根系的分布形态，通过计算机模拟实现了水稻根系的三维重建。PAGES等[26]提出了一种可以系统地描述根系生长发育全部过程的根系通用模型-Root Typ。徐其军等[27]在水稻生长过程中根尖的生长变化模式，根据水稻根系形态特征参数，构建了三维显示模型，实现了可视化表达。张玉等[28]通过测定水稻根系坐标和分析根系分布特性，建立了根系的横向和纵向分布模型。根系虚拟模型法通过计算机可视化技术实现了根系形态的三维模拟，为水稻根系可视化提供了技术支持。

3 水稻根系性状的QTL

目前，关于水稻根系相关性状的QTL已经发表数百个，主要涉及植株总根长、最大根长、根面积、体积、根直径、根干质量、根系的穿透力、根系活力、根系伤流量、不定根数量等。徐晓明等[29]利用轮回亲本中恢9308（R9308）回交多代的高代回交群体与超级稻协优9308衍生重组自交系为材料，采用琼脂无土栽培技术，将水稻根长QTL—qRL4定位在第4号染色体分子标记RM5687与InDel49间624.6 kb范围内。沈波等[30]应用珍汕97B/密阳46构建的重组自交系（RIL）群体对根系伤流量进行统计，检测到4对控制根系活力的上位性互作。翟荣荣等[31]以协青早B/中恢9308构建的234个重组自交系（RIL），在正常水分和20%聚乙二醇处理条件下对水稻最长根长、根表面积、体积、根平均直径、根尖数、根鲜质量、根冠比和总根长进行QTL定位，正常水分条件下检测到 7个QTL，分布在第 2、3、9、10、11染色体上；水分胁迫条件下检测到14个QTL，分布在第 2、3、5、6、9 染色体上，在第 3 染色体上 RM6283～RM7370区间发现了苗期根系性状与抗旱性以及产量相关的性状存在连锁关系。姜树坤等[32]构建以北陆129、笹锦及其杂交衍生的回交重组自交系群体（RIL），对水稻根系相关性状进行检测，得出这些QTL主要分布在 第1、2、5、9和 11染色体上，在第9和第11染色体上QTL成簇分布，其中，发现 第11染色体上5461121～6686166 bp之间1个控制根表面积、根数和根长的 QTL—qRL11。赵春芳等[33]在低磷条件下以9311为背景的日本晴置换系为材料，对水稻苗期不定根及相对性状进行了QTL定位，结果定位到 9个QTLs，根长和相对性状中共同检测到1个 QTL，位于第5染色体上。王小虎等[34]以窄叶青8号/京系17的F1花培加倍单倍体分离群体为材料，在水培条件下，对水稻最大根长、根干质量、根数、根基数和根冠比等性状进行分析，发现和最大根长、总根数、根干质量相关的QTL各有 2个，分别位于第1和第6、第 1和第2、第1和第12染色体上，结果表明各根系性状与植株分蘖数、株周长、单蘖直径和地上部干质量存在显著或极显著正相关关系，根系各性状之间也存在极显著正相关关系。班超等[35]对已经发表的在水旱条件下水稻根系性状QTL进行了整理，通过QTL的贡献率，分析得到 11个主效的 QTL，确定第 1、2、3、5、11 号染色体上一共11个分子标记区域为“一因多效”可能性比较大的区域，并且通过分析还得到35个可信度很大的QTL和3个“热点”QTL。XIAO等[36]在冷胁迫处理条件下，以根系的电导率为指标，在第10染色体上定位到2个耐冷QTL，分别为qRC10-1和qRC10-2，通过对qRC10-2的精细定位，在48.5 kb的候选区域，Os10g0489500和Os10g0490100被确定为qRC10-2的候选基因。QU等[37]通过构建IRAT109/Yuefu的120个的重组自交系（RILs），在水稻苗期、分蘖期、抽穗期、结实期、成熟期，测量水稻根系的根基粗、根数、最大根长、根鲜质量、根干质量、根体积等相关性状，这表明大多数QTLs都是在特定的发育阶段的。其中，不同性状的QTLs在水稻不同的遗传群体的相同标记区间可以重复检测到，反映出该QTLs的稳定遗传并且具有一因多效。因此，在进行分子标记辅助育种时可以同步选择多类性状和基因，从而同步改良多个农艺性状，这些主效 QTL、一因多效的 QTL、成簇分布的 QTL以及“热点”可以作为水稻根系分子育种的重要依据，加速重要根系性状的基因定位、克隆以及分子育种研究进程。

4 根系相关基因克隆

目前，国内外科学家利用图位克隆技术以及构建水稻永久性和临时性遗传群体对水稻基因的定位、分离、克隆，已经克隆出一些调控水稻不定根、冠根、侧根、根毛等性状的基因。在水稻中ral1是第一个在原形成发育和维管形态受损的突变体，通过敲除RAL1、RAL2、RAL1会导致维管发育缺陷[38]。OsCEM编码了一种与生长素的极性运输有关的蛋白质并且只表达在芽中[39]。INUKAI等[40]通过对不定根形成有缺陷的突变体研究定位了CRL1，这个基因功能为抑制不定根的形成，CRL1编码一个在侧根、维管束组织、不定根的原基、胚子叶以及幼茎中表达的具有LOB结构域的蛋白质；CRL2与不定根以及侧根原基的形成有关[41]；CRL3只参与不定根原基的形成，而与其他类型根原基和地上部顶端分生组织的形成无关[42]；CRL4编码 OsGNOM1蛋白在不定根原基、维管组织、根尖、叶片、侧根表达，CRL4受到OsPINs家族的调控，通过极性运输调控不定根的形成[43]；CRL5编码了1个 AP2/ERF转录因子家族蛋白质，在生长素的作用下CRL5可以诱导不定根的形成起始[44]。OsSCR1和OsSCR2主要功能为参与根系发育过程，对根内皮层/皮层前体细胞的不对称分裂至关重要，并且在内皮层细胞中表达，当根尖内皮层细胞不均等分裂之后表达水平被下调[45]。OsKSR2的主要功能为调控根系发育，突变体Osksr2的初生根、不定根、侧根的伸长受到抑制[46]。OsCAND1主要负责不定根生长起始，WANG等[47]通过突变体Oscand1发现根的分生组织中G2/M细胞周期性循环中止，从而导致不定根不能正常生长，在不定根原基的发育过程中，OsCAND1的表达局限于根冠。LI等[48]证明了过表达转录因子基因TaMOR可以增加水稻不定根数并且获得更高的产量，TaMOR编码了属于 AS2/LOB蛋白家族的1个在植物中特定的转录因子，组织表达模式显示了TaMOR主要表达在根形成起始阶段。

根系伸长主要是由根系顶端分生组织干细胞所驱动。INUKAI等[40]发现，突变体rrl1、rrl2显示出较短的根系，RRL1和RRL2抑制了根系顶端分生组织细胞的延伸；INUKAI等[49]还发现，突变体rrl3对机械刺激敏感且根系较短，在机械阻碍条件下RRL3调控分生区细胞分裂过程，但不调控对ABA、IAA和乙烯的敏感性。SRT6的表达可以抑制初生根的发育，显著减少初生根的长度和根系直径。OsGNA1编码6-磷酸氨基葡萄糖胺乙酰转移酶，参与到UDPN-乙酰氨基葡萄糖的生物合成[50]。WU等[51]发现突变体gna1在根系延伸方面对温敏缺陷，突变体的异常根形态包括根的缩短、微管的中断、伸长区细胞的收缩。JIA等[52]发现，突变体Osspr1显示根细胞伸长减少，OsSPR1编码1个线粒体蛋白质。OsDGL1编码长醇-二磷酸寡糖蛋白质糖基转移酶48 kDa亚基前体。LIU等[53]发现，突变体osdgl1在根系细胞壁上多糖发生变化，根细胞长度较短，根分生组织较小和细胞死亡。OsCKI1编码了一种酪蛋白激酶，在水稻的不定根的形成和生长中起着重要的作用[53]。ZHOU等[54]证明，WOX11能够促进水稻不定根的起始和伸长，WOX11和ADA2-GCN5调控的是一组参与能量代谢、细胞壁生物合成和激素反应的根特定基因，WOX11通过招募ADA2-GCN5建立了不定根分生组织细胞分裂的基因表达程序。CHEN等[55]分离出1个根系细胞变小的短根突变体，通过图位克隆和全基因组测序定位到1个氯离子转运体（OsCCC1），OsCCC1在根系和地上部中表达尤其在根尖中大量表达，其通过调控Cl-、K+、Na+稳态来维持细胞渗透势，从而参与到根系细胞的伸长。

侧根起源于种子根和不定根，根毛起源于表皮细胞的分化，在水分和养分吸收方面都具有重要作用，目前很多和侧根、根毛发育有关的基因已经被定位到。突变体lrt1和lrt2不能够形成侧根和不能感受重力，对2,4-D、NAA、IBA和IAA具有排斥反应，从而影响根系形态[56]。CHO等[57]发现，OsWOX3具有促进器官发育的作用，包括侧根分支和叶片中维管组织的形成、小穗中外稃和内稃的形态建成、分蘖和侧根的数量。一对重复基因（NAL2和NAL3）编码 OsWOX3A，具有调控根毛形成的作用。CHEN等[58]发现，OsORC3在根系分生区和子房、花药等部位大量表达，当它的外显子1个碱基A突变为G，会导致侧根和根毛的生长受到抑制。Arm1和Arm2作用于生长素响应通路的不同过程中调控侧根形成，突变体arm1显示了各种根系形态缺陷，包括减少侧根的形成、增加种子根的伸长、减少根直径和抑制根系木质部的发育；然而，突变体arm2则减少侧根的形成，抑制根系木质部发育以及提高株高[59]。在水稻中OsAPY是1个调控根毛伸长和植株生长的重要基因，由于OsAPY的突变，突变体rth1显示出无根毛[60]。突变体rh2完全失去了根毛且根长缩短，株高降低[61]。OsCSLD1可以调控根毛伸长而不调控根系起始，只表达在根毛细胞中。OsRHL1是一个转录因子，负责调控根毛的发育[62]。OsSRH1和OsSRH3负责调控根毛的长度且两者都为短根毛基因[63]。OsEXPB5编码在根毛形态建成过程中更有效地作用于修饰细胞壁的蛋白质[64]。OsEXPA17表达在根毛细胞中，包含1个点突变，导致氨基酸序列发生变化，从而导致根毛变短[60]。GIRI等[65]证明了生长素转运蛋白OsAUX1的主要功能为当根系外部磷浓度较低时，OsAUX1可以将根尖部位的生长素运输到分生区，从而促进根毛伸长。

根角对获取像磷酸盐这样积累在表层土壤的营养物质有很大的影响,低磷条件下诱导较浅的根系生长作为一种适应性反应，因此，控制根角的基因和机制对植物育种至关重要。HUANG等[66]发现了1个微丝结合蛋白-RMD，通过微丝和平衡细胞的连接来控制根系生长角度，RMD在低磷条件下上调了RMD蛋白水平，但是缺乏RMD蛋白的根系具有更陡峭的冠根角度并且对外界磷酸盐的浓度反应不敏感，因此根角度对外部磷酸盐获取的适应性变化是依靠RMD蛋白调控的。

5 展望

目前，国内外关于水稻根系性状方面的研究主要为QTLs和基因功能研究，虽然在根系研究中有很多QTLs已经报道，但是真正从相关根系性状QTLs克隆到相关功能基因却很少，难以验证其功能，因此在未来研究过程中要采用多种方法进行根系性状QTL以及有利基因的定位。我们知道水稻根系相关性状和地上部性状存在不同程度的相关性，在基因型水平也存在相关性，因此今后关于根系研究的重点应放在各性状基因间的相关性上，实现调控水稻地上部农艺性状和根系相关性状在基因水平的最优搭配，从而培育出以至于“设计”出水稻地上部和根系最优搭配的优质、高产、稳产、抗逆性强、适应性广等特性的水稻品种。