水稻重要农艺性状调控基因及其育种利用研究进展

张海淼 李洋 刘海峰 孔令广 丁新华

（山东农业大学植物保护学院，泰安 271018）

水稻（Oryza sativa）是全球重要的粮食作物之一，也是我国三大主要粮食作物之一。2019年我国水稻总产量达到了世界水稻总产量的29.8%，继续保持了水稻生产第一大国的地位。目前我国种植的水稻以亚洲栽培稻（Oryza sativaL.）为主，亚洲栽培稻主要包括粳稻（Oryza sativasubsp. geng）和籼稻（Oryza sativasubsp. xian）两个亚种［1-2］。1956年，黄耀祥院士培育出的矮杆籼稻品种“广场矮”大幅提高了水稻单产，率先完成了中国的第一次“绿色革命”。1973年，袁隆平院士利用三系杂种优势培育出世界上第一株籼型杂交水稻，进一步推动了水稻研究的进程，三系杂交水稻的面世和在世界范围内的不断推广解决了包括中国在内的二十多个国家的温饱问题。当面临作物品质需求日益多样化和人均耕地面积不断减少的矛盾时，传统育种技术周期长、效率低、预见性差等局限性开始暴露。世纪交替之际，我国相继启动了“水稻分子育种计划”、“水稻功能基因组计划”等项目，推动了水稻优质农艺性状功能基因的鉴定进程，为分子育种提供了理论前提和基础。理想株型基因IPA1的鉴定为平衡水稻免疫和生长提供了新的育种思路，同时携带IPA1优异等位基因ipa11D或ipa12D的嘉优中科绿色超级稻的培育和推广标志着水稻研究迈入分子育种时代［3］。

1 水稻的起源

从分子学角度来说，水稻起源的探究本质上是野生稻到栽培稻驯化相关基因的鉴定，水稻株型、粒型、颖芒、产量和品质等农艺性状驯化的过程是为了适应环境变化、满足人们需求不断进行基因变异的过程。目前，关于水稻起源的假说主要有两种。单一起源假说认为籼稻和粳稻是从同种野生稻驯化而来，多地起源假说认为籼稻和粳稻是从多地独立驯化而来［4］。Tan等［5］对87份籼稻和95份粳稻的基因序列进行比对，发现这182份水稻均存在PROG1基因的变异，这种共同的变异使野生稻由匍匐状进化成直立状，株型更加紧凑，同时也支持了单一起源假说。Molina等［6］对多份野生稻和栽培稻的第8、10、12号染色体上630个基因测序，并得出中国长江流域是粳稻和籼稻唯一起源地的结论。sh4是影响水稻落粒性的主效数量性状基因，Zhang等［7］对sh4单 核 苷 酸 多 态 性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）位点进行分析，发现所选取的41份野生稻第237位SNP位点均为G，而30份亚洲栽培稻SNP位点均为T，进一步证明了sh4是多态性较低的单一起源基因，这一研究成果被认为是水稻单一起源假说强有力的证据。直到2017年，Civáň和 Brown［8］发现sh4和PROG1等位基因在栽培稻驯化之前就已经出现在野生稻上，否定了之前的单一起源假说。Singh等［9］对野生稻和栽培稻中的果皮色泽基因（Rc）、粒长粒重主效控制基因（GS3）和 淀 粉 合 酶 基 因（GBSSI，SSSI，SSIIa，SSIIb，SSIIIa，SSIIIb，SSIVa，SSIVb）进行了遗传进化分析，研究发现Rc、SSSI、SSIIa、SSIIb、SSIIIa和SSIVa为双系起源，其余基因为三系起源。随着分子检测技术的不断发展，越来越多的证据开始向水稻的多地起源假说倾斜。中国启动了对3 010份水稻基因组深度重测序的项目（3K Rice Genome Project，3KRG），该项目对所选取的水稻材料进行了SNP分析，并于2018年在Nature上分享了研究成果，研究表明籼稻和粳稻均携带自身特有的基因家族，并提出籼稻和粳稻是独立多地起源，同时更正了多年来日本对籼稻和粳稻拉丁文的错误命名［1］。水稻驯化过程的解析为科研工作者定向选择驯化相关基因进行分子育种提供了重要依据。

2 农艺性状功能基因及其分子育种研究进展

相对于传统杂交育种，分子育种目的性更强，可以通过改变一个或几个基因来获得目的性状，并且打破了传统育种的生殖隔离，在提高产量的同时兼顾品质、抗性、营养高效等多种性状的改良。基因组重测序技术的广泛应用加速了我国对水稻多种农艺性状调控基因的克隆，为分子育种提供了技术支撑。最新数据显示，Yong等［10］对3K-RG中IR 64等12份没有参考基因组的亚洲栽培稻进行了三代测序，并对基因组进行组装、校正，所得的高质量基因组进一步推动了科研工作者对种质资源的深度挖掘和高效利用。中国科学院对1 275份水稻进行群体分析并获得了146份调控株型、粒型、抗性等29个农艺性状的表型数据，鉴定出143个SNP位点，为进一步利用优异等位基因进行水稻品系改良奠定了数据基础［11］。

2.1 营养高效利用调控基因

半个多世纪以来，全球水稻产量持续增长的部分原因是化肥施用量的增加［12］。化肥投入过高会导致水体富营养化，并且目前农业生产过程中化肥利用率普遍较低［13］，造成严重的环境污染和资源浪费，违背了农业可持续发展理念。因此，鉴定水稻营养高效利用调控基因、提高肥料利用率，对发展绿色农业具有重要意义。

氮、磷、钾是水稻生长和繁殖所必需的三大营养元素，提高营养元素利用率、减少化肥施用量成为科研工作者新的育种目标。20世纪60年代携带sd1半矮杆水稻的推广大幅提高了水稻单产，但半矮秆水稻赤霉素合成受阻，导致生长抑制转录因子DELLA在植物体内不断积累，降低了水稻对氮肥的响应和吸收［14-15］。2018年，傅向东研究组鉴定到正向调控水稻铵态氮吸收速率的生长调控因子GRF4，DELLA蛋白通过抑制GRF4-GIF1复合体对下游靶基因的调控来抑制水稻对氮的吸收。携带半矮基因sd1和GRF4优异等位基因GRF4ngr2的高产水稻品种9311在保留了半矮化性状的同时具有较高的氮元素吸收率。此外，GRF4还能诱导OsCAB1、OsTPP和OsSWEETs等碳代谢相关基因的表达。GRF4-DELLA拮抗机制的发现对调节水稻生长和碳氮代谢具有重要指导意义［14］。近日，傅向东研究组从9311背景的ngr5突变体中克隆出氮元素响应基因NGR5。研究表明，NGR5和PRC2复合体亚基LC2在细胞核中产生相互作用，并通过提高下游分蘖抑制因子（D14、OsSPL14）的H3K27me3修饰水平抑制其表达，进而实现正向调控水稻对氮肥的响应同时促进分蘖数的增加。同时，NGR5还是赤霉素信号路径关键调控因子，DELLA蛋白可以和NGR5直接互作并竞争性结合NGR5的负调控因子GID1，当赤霉素受体GID1感知到赤霉素信号时NGR5可免遭降解，从而提高水稻对氮肥的利用率，实现低氮高产的可持续发展理念［16］。

磷酸盐（Pi）是植物唯一能吸收的磷形态［17］。位于细胞质膜（PM）的转运蛋白（PTs）是Pi吸收和转运的关键，OsCK2通过磷酸化OsPT8来抑制其从内质网（ER）向PM的转运，从而避免Pi摄取过量［18］，但转运蛋白的去磷酸化机制一直不明确。毛传澡研究组［19］钓取到和OsPT8互作并且能够调节PTs可逆磷酸化的关键蛋白OsPP95。当Pi缺乏时，OsPP95快速积累与OsCK2相互抑制并使OsPT8去磷酸化，促使PTs从ER转运到PM；当Pi富足时，OsPP95被E2泛素结合酶OsPHO2快速降解，同时大量被磷酸化修饰的OsPT8滞留在ER无法完成对Pi的转运，进而减少对Pi的吸收，最终得以平衡水稻体内Pi的吸收和转运。该研究组同步揭示了OsCK2对OsPHO2的负调控机制，OsCK2的亚基OsCK2α3在内质网对OsPHO2的磷酸化修饰加速其降解，并维持OsPHO2及其靶蛋白OsPHO1或磷酸盐转运蛋白OsPHF1在Pi富足时仍处于适当水平，从而确保Pi从根到芽的转运和芽的正常生长［20］。

钾离子（K+）是限制作物产量和品质的因素之一，在稳定植物代谢、提高植物抗逆性方面具有重要作用［21］。研究表明，在低钾浓度（＜ 0.2-0.5 mmol/L）和高钾浓度（1 mol/L-10 mmol/L）下OsCBL1-OsCIPK23复合体的形成能促进OsAKT1介导的水稻根部对K+的吸收［22］。近日，章文华研究组发现OsAKT2具有弱内流型钾通道活性，可以阻止H+/蔗糖协同诱导的细胞膜去极化，OsAKT2的功能突变会导致水稻幼苗在短日条件下生长缓慢，磷脂酸可通过直接抑制OsAKT2来影响水稻生长发育，该研究揭示了水稻磷脂信号和K+通道调控的直接联系，对改良水稻K+利用率具有重要指导意义［23］。

2.2 激素调控基因

激素在植物先天免疫、营养生长以及生殖生长过程中起着重要作用，包括独脚金内酯（Strigolactones，SLs）、油菜素内酯（Brassinolides，BRs）、茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、水杨酸（Salicylic acid，SA）、脱落酸（Abscisic acid，ABA）和赤霉素（Gibberellic acid，GA）等［24］，不同植物激素信号各自独立或交叉调节植物生长与防御的平衡。

SLs是20世纪60年代在棉花中发现的抑制植物分蘖的新型激素［25］。目前已鉴定出水稻中多个SLs信号路径的关键组分。当感知到SLs时，SLs信号传导抑制子Clp蛋白酶的核蛋白D53被D53-D14-SCFD3复合体泛素化修饰并特异性降解，进而激活下游相关基因对SLs信号的响应［26-27］。李家洋研究组对粳稻Nekken 2和籼稻恢复系华占的重组自交系进行差异分析，在华占中发现了SLs合成基因HTD1的优异等位基因HTD1HZ，HTD1HZ在SLs生物合成中部分功能丧失，能够缓解SLs对分蘖和侧芽生长的抑制作用。并且，在培育“绿色革命”产物半矮化品种IR8的过程中SD1DGWG和HTD1HZ被共同选择并稳定遗传，我国双桂、MH63等籼稻品种也携带HTD1HZ［28］。分蘖调控基因HTD1HZ的发现充分证明了华占在杂交育种中的优势，为杂交育种亲本的选择提供了新的依据，并对利用SLs信号路径上的基因来改良水稻株型具有重要的指导意义。

BRs可以调节植物株高、叶片倾角、籽粒大小、分蘖、开花等多种性状，在提高植物产量方面具有巨大的潜力［29］。当BRs信号被OsBRI1和共受体OsBAK1感知后，通过一系列磷酸化事件将信号依次传递到OsBSK3和OsBSU1，并拮抗OsGSK2对转录因子OsBZR1的抑制作用，最终通过OsBZR1对BRs信号下游相关基因的调节实现对BRs信号的响应［30-32］。目前在水稻中还发现了其他调节BRs信号的关键基因，如DLT和OFP8均正调控BRs信号［33-34］，LIC通过与OsBZR1互作负调控BRs信号［35］，OFP19通过与DLT和OSH1形成复合物负调控BRs信号［36］。同时，激酶OsGSK2是协调BRs信号和SLs信号的关键组分，可通过磷酸化CYC U2抑制中胚轴的伸长。研究表明，BRs和SLs分别通过抑制OsGSK2的磷酸化修饰和降解OsGSK2的底物来调节水稻中胚轴的伸长生长［37］。最近，储成才研究组［38］发现OFP3通过和多个OsGSK2的靶蛋白发生相互作用抑制BRs的合成和传导，同时OsGSK2 对OFP3的磷酸化修饰不仅增强了OFP3蛋白的稳定性还增强了OFP3和靶蛋白之间的相互作用。钱前研究组［39］发现OsGSK2可在细胞核内磷酸化OML4并负调控水稻籽粒大小和粒重。卜庆云研究组［40］发现OsMED25通过和靶蛋白OsBZR1共同调控BRs信号下游基因的表达正向调控水稻对BRs信号的感知。张启发研究组［41］鉴定到可以同时调控水稻生长和免疫的基因OsALDH2B1。OsALDH2B1不仅具有转录调控功能可参与调节水稻的抗性、产量等多种性状，还具有乙醛酸脱氢酶活性可以调节水稻育性。OsALDH2B1通过抑制JA合成途径OsAOS2的表达来负调控JA介导的水稻对条斑病菌（Xanthomonas oryzaepv.oryzicola，Xoc）、白叶枯病菌（Xanthomonas oryzaepv.oryzae，Xoo）和稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）的抗性，并通过拮抗BRs信号路径中位于其上游的OsBZR1对其下游OsLIC的抑制作用来降低水稻对BRs的敏感性，同时还可负调控粒长、粒重主效调控基因GS3的表达来影响水稻的产量。以上研究成果对寻找能够协调植物防御和生长平衡的新节点具有重要指导意义。

JA主要参与调节植物对死体营养型病原菌的抗性，而SA介导对活体、半活体营养型病原菌的抗性［42-43］。JA和SA在拟南芥和水稻中均具有拮抗作用［44］。在拟南芥中，JA可以通过调控多个NAC转录因子来抑制SA的积累。JA信号关键调控蛋白MYC2与NACs的启动子结合后激活NACs的转录，并进一步抑制SA合成基因ICS1的表达［45］。在水稻中，超量表达SA信号路径关键调控因子OsNPR1会强烈激发SA信号并提高对Xoo和M. oryzae的抗性，同时抑制JA信号［46］。近日，刘俊研究组鉴定了可通过动态调节SA信号和JA信号来提高水稻对M. oryzae抗性的关键基因OsbHLH6，OsbHLH6主要分布在植物细胞核中，部分位于细胞质中。在M.oryzae入侵早期，OsbHLH6被诱导表达并竞争结合到JA信号抑制子OsJAZ的靶蛋白OsMYC2上，随后激活JA信号，并阻止TGAs激活SA信号。当M.oryzae入侵超过24 h后，OsbHLH6和被病原菌诱导表达的OsNPR1在细胞质中互作，并无法进入细胞核中激活JA信号，最终解除了JA对SA的抑制［47］。该研究对揭示SA和JA动态调控水稻抗性具有重要指导意义。

GA和ABA是一对在植物生长发育过程中起拮抗作用的激素。GA能促进植物开花、茎的伸长和种子萌发，而高浓度ABA抑制植物茎的伸长、种子萌发，并通过诱导腋芽休眠对干旱、低温等非生物胁迫做出应激反应［48-50］。在GA信号路径中，GID1和SCFSLY1/GID2复合体共同促进DELLA的降解，缓解DELLA对GA的抑制［51-53］。在ABA信号路径中，受体二聚体PYL/PYRs/RCARs识别ABA后以单体的形式和蛋白磷酸酶PP2Cs结合并伴随SnRK2s的解离，SnRK2s通过磷酸化下游ABF和AREB等转录因子诱导ABA应答［49］。2015年万建民研究组确定赤霉素和脱落酸之间的拮抗机制受SnRK2-APC/CTE的调控。SnRK2s被ABA激活后通过磷酸化修饰分蘖抑制基因（Tiller Enhancer，TE）抑制其编码的APC/CTE的活性，同时干扰TE和ABA受体OsPYL/RCARs的相互作用，解除APC/CTE对OsPYL/RCARs的降解，并通过正反馈机制进一步增强ABA信号；此外，当植物感知到GA信号时，SnRK2s被抑制表达并促进OsPYL/RCARs的降解，从而干扰ABA信号的传导［54］。近日，万建民研究组发现高水平GA可通过促进APC/CTE介导的MOC1或OsSHR1的降解，抑制水稻分蘖或根的生长，低水平GA可以在根分生组织中激活APC / CTE以促进根的生长。而ABA可拮抗GA介导的APC / CTE降解路径，并通过SnRK2-APC/CTE枢纽稳定MOC1或OsSHR1，从而维持分蘖或根的生长［55］。APC/CTE介导的ABA和GA拮抗机制的不断完善对改善水稻株型提出了新的育种思路，在GA和ABA交叉调节路径中或许可以通过适当增强植物ABA信号来促进根系生长和分蘖数的增加。

2.3 生物胁迫调控基因

分别由稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）、稻黄单胞菌稻生致病变种（Xanthomonasoryzaepv.oryzicola，Xoc）和稻黄单胞菌水稻致病变种（Xanthomonas oryzaepv.oryzae，Xoo）引起的稻瘟病、细菌性条斑病和白叶枯病是造成水稻产量和品质损失的三大病害［56-57］。目前，水稻病害的防治多以喷施化学药剂为主，农药的残留和蓄积不仅会影响作物的生长发育、造成土壤污染，同时还会给人们的健康带来隐患。因此，培育并应用广谱抗性品种是替代化学防治的有效措施。

全面了解水稻和病原菌的相互作用，寻找主效抗病基因是研究水稻抗病机制的关键。目前，科研工作者已经克隆了大量的水稻抗性基因并进行了功能鉴定。其中包括Pi2、Pita、Pib、Pigm和bsr d1等28个抗稻瘟病的主效基因以及Xa1、Xa10、xa13、xa25和xa41等11个抗白叶枯病的主效基因［58-60］，并鉴定出13个抗条斑病的主效数量性状位点（Quantitative trait loci，QTL），其中位于5号染色体上的qBlsr5a可以解释表型变异的14%［61-62］。异源表达玉米抗性基因Rxo1的水稻对条斑病的抗性显著提高［63-64］。

由于Magnaporthe oryzae、Xoo和Xoc生理小种的多样性，寻找特异性和非特异性广谱抗病基因是育种工作的重要目标。编码硫胺素合成酶基因OsDR8通过促进维生素B1的积累正调控水稻对Xoo和M. oryzae的抗性［65］。转录因子OsWRKY45-1表达时产生的小RNA会抑制ST1的表达，从而负调控水稻对Xoo和Xoc的抗性；OsWRKY45-2表达时没有小RNA的产生，从而正调控水稻对Xoo和Xoc的抗性［66-67］。沉默OsHDT1显著提高水稻对Xoo和M. oryzae的抗性［68］。E3泛素连接酶OsPUB15与Pid2互作激发植物细胞超敏反应（Hypersensitive response，HR）和基础免疫应答，从而正调控水稻对M. oryzae的抗性［69］。OsMPK15通过抑制PR基因的表达和活性氧的爆发负调控水稻对Xoo和多个M. oryzae生理小种的抗性［70］。籼稻地谷对1 000多个M. oryzae生理小种具有较强的抗性，这种广谱抗性是由其3号染色体上的bsrd1介导的。bsrd1的启动子可以和MYBS1紧密结合且被抑制表达，并进一步抑制过氧化氢酶的活性阻止H2O2的降解，从而提高地谷对M. oryzae的抗性。近日，陈学伟研究组［71］发现地谷bsrd1表达量的降低会上调OsMYB30的表达，OsMYB30作为水稻对M. oryzae抗性的正调控因子，直接结合Os4CL3和Os4CL5的启动子并诱导其表达，促进木质素在细胞壁的积累，提高了水稻对M. oryzae的抗性。此外，研究表明携带多个抗性基因的品种往往具有更强的广谱性，比如携带Pi2/Pi1或Pi2/Pi54的品种对M. oryzae的抗性远远高于单基因系水稻品种，含有Pi9/Xa23或Pi54 / Xa21的品种可以同时提高水稻对Xoo和M. oryzae两种病原菌的抗性［72］。

植物和病原菌互作通常会触发激素的生物合成和信号传导等防御反应［73］。促植物生长激素（如生长素和赤霉素）的积累往往是水稻容易受病原菌入侵的易感因素，而抑制生长的激素（如水杨酸和茉莉酸）则是提高植物抗性的因素［74］。例如，OsHsp18.0CI通过激活JA和SA信号路径相关基因的表达正调控水稻对Xoo的抗性［75］。OsBGLU19通过激活OsAOS2等JA信号路径相关基因的表达正调控水稻对Xoc的抗性［76］。小肽激素PSK候选受体OsPSKR1通过激活OsPR1a、OsPR5等SA信号路径相关基因的表达正调控水稻对Xoc的抗性［77］。和野生型相比，SLs缺陷型突变体d17和d14的细胞壁合成基因被抑制表达，同时H2O2和可溶性糖含量明显降低，对M. oryzae敏感性增加，表明SLs可能通过调节细胞壁防御、过氧化氢酶活和糖代谢等途径正调控水稻对M. oryzae的抗性［78］。但这种广义概念也有例外，比如GH3-8通过催化生长素-氨基酸复合物的形成抑制生长素的积累，从而保护植物免遭由于细胞壁防御能力下降受到的损伤，介导了依赖于生长素信号路径的抗病机制［73］。BRs信号路径相关基因OsSERK2不仅可以改良水稻株型还可提高水稻对Xoo和M. oryzae的抗性［79］。

植物细胞壁由纤维素、半纤维素、胼胝质、果胶、木质素等组成，是阻挡病原菌入侵的天然屏障［80］。超量表达OsSUS3可以促进细胞壁多糖和胼胝质的沉积，降低纤维素结晶度和半纤维素中阿拉伯糖的比例，并以此提高水稻对Xoc的抗性［81］。PGs是一类Xoc在入侵初期分泌的能够降解植物果胶、软化细胞壁的半乳糖醛酸酶［82］，并能够正调控Xoc在水稻上的致病力［83］。为了防止病原菌对细胞壁的降解，植物会通过诱导多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白PGIPs的积累来抑制PGs的活性，缓解PGs对植物细胞壁中多聚半乳糖醛酸的水解［84］。水稻基因组编码7个PGIP蛋白，其中OsPGIP1、OsPGIP4和qBlsr5a定位于5号染色体上的同一区间，但对于OsPGIPs是如何介导水稻对Xoc的抗性还知之甚少。2016年丁新华研究组首次鉴定了OsPGIP4通过诱导OsAOC和OsAOS等JA信号通路相关基因的表达增强水稻对Xoc的抗性，并利用 RNAi 技术对OsPGIP4进行抑制表达显著降低了携带qBlsr5a的中抗品种Acc8558对RS105的抗性，进一步证实了OsPGIP4可能参与qBlsr5a介导的水稻对Xoc的数量抗性［62］。近日，该研究组又揭示了OsPGIP1介导的水稻对Xoc的抗性依赖于植物细胞壁的先天免疫能力和JA信号通路的激活。研究发现不同于OsPGIP3、OsPGIP5、OsPGIP6和OsPGIP7，OsPGIP1被Xoc生理小种RS105诱导后表达量显著上调，并通过转录组分析进一步证实没有病原菌入侵时OsPGIP1超量表达转基因植株和野生型植株基因表达无明显差异，但RS105会显著诱导OsPGIP1超量表达转基因植株JA的积累和编码细胞壁纤维素合酶基因OsCesAs、木质素合成相关基因OsPALs等的表达，揭示了OsPGIP1介导的防御反应依赖于PGIP-PGs复合体的形成。同时，超量表达OsPGIP1不影响水稻农艺性状，是抗性品种培育过程中可选择的优质基因［83］。

2.4 非生物胁迫调控基因

冷害、高温、干旱和土壤盐碱化等非生物胁迫是限制水稻生长的重要因素。植物通过调节自身的生长发育来适应环境的变化［74］，比如可通过基因差异表达、改变酶活、降低气孔导度和激活激素信号通路等应对非生物胁迫。因此，确定关键的遗传决定因素、提高作物的抗逆性对满足水稻生产需求具有重要意义。

低温会影响水稻过氧化氢酶的活性和代谢平衡，甚至会导致种子休眠，严重影响水稻的生长发育。类受体激酶CTB4a与ATP合酶β亚基AtpB相互作用，并通过提高ATP合酶活性和ATP含量正调控水稻在低温胁迫下的结实率和产量［85］。OsMADS57和OsTB1产生相互作用并共同介导水稻对低温胁迫的抗性。在低温条件下，OsMADS57和OsTB1共同与OsWRKY94的启动子结合并促进其转录，同时解除对D14的抑制，最终提高植物抗寒性并抑制分蘖的形成；在常温条件下，OsWRKY94和D14被抑制表达，植物分蘖正常形成［86］。黄荣裕研究组发现在籽粒发育过程中，LGS1的表达提高了籽粒灌浆率，增加了籽粒长度和胚乳细胞数，正向调控水稻产量；同时，LGS1转录本在低温下的积累又提高了水稻幼苗的抗寒能力［87］。储成才研究组发现水稻在孕穗期遇到低温胁迫时，粳稻9号染色体上的bZIP73Jap和bZIP71形成的复合体可通过抑制OsNCED3和OsNCED5等ABA合成基因的表达降低ABA水平，同时过氧化氢酶活性的增强加速了H2O2降解，最终提高水稻对低温的适应性。在生殖生长阶段，二聚体的形成激活了抗低温主效QTLqLTG31Nip、单糖转运基因OsMST7和OsMST8的表达，并促进葡萄糖、蔗糖等向花粉的输送，从而提高水稻种子在冷胁迫条件下的结实率［88］。种康研究组发现低温显著诱导OsCYP202的表达，OsCYP20-2通过在叶绿体和细胞核中招募不同的靶蛋白来协调植物生长和对低温的耐受性。位于叶绿体中的OsCYP20-2通过靶向OsFSD2加速细胞活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的清除，增强水稻对低温的抗性；同时，位于细胞核中的OsCYP20-2通过降解SLR1解除DELLA蛋白对植物生长的抑制，从而保证植物在低温环境中的正常生长［89］。

高温胁迫会破坏植物细胞膜的流动性和蛋白质稳定性，植物通过诱导热激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）的积累提高自身蛋白质正确折叠的效率，从而提高耐热性［90］。HSPs按蛋白质分子量可分为小热激蛋白（small heat shock proteins，sHSP）、HSP60、HSP70、HSP90和HSP100五个家族，sHSP是一类不依赖ATP有助于提高蛋白质正确折叠率的伴侣蛋白［91］。近日，张恒木研究组发现超量表达OsHSP20促进水稻种子萌发和根系伸长，并明显提高水稻对高温和盐胁迫的适应性［92］。林鸿宣研究组从突变体aet1中成功克隆编码tRNAHis鸟苷转移酶基因AET1，AET1与两个靶蛋白RACK1A和eIF3h共同调控生长素应答因子OsARF23和OsARF19 的翻译效率，从而提高水稻对高温的耐受力［93］。刘建祥研究组发现OsbZIP74参与调节OsNTL3介导的应激反应。OsbZIP74前体蛋白bZIP74P定位于内质网膜。OsNTL3前体蛋白NTL3P定位于质膜，可以感知热胁迫时细胞膜流动性和完整性的变化，并将热应激响应信号传递到细胞核。在高温胁迫时，OsNTL3从质膜迁移到细胞核，OsbZIP74可变剪切产生bZIP74A并进入细胞核，诱导OsNTL3上调表达，OsbZIP74和OsNTL3协同调节水稻的耐热性［94］。

干旱胁迫会造成水稻花粉败育、气孔关闭、光合速率和生长速率下降，是限制水稻产量的因素之一［95］。虽然已在水稻生产中大面积推广节水灌溉，但总体运行成本过高、农业劳作人员接受程度较低，因此探究水稻对干旱胁迫的响应机制是利用分子育种技术提高品种抗旱性的关键。干旱胁迫会诱导ABA快速积累，水稻中超量表达ABA 合成基因OsNCED3会显著提高叶片中ABA的含量，并增强过氧化氢酶和抗氧化酶的活性，最终提高水稻对干旱胁迫的抗性［96］。储昭辉研究组发现OsDT11可通过降低气孔导度减少水分的散失来提高植物的抗旱性。此外，在干旱胁迫条件下OsDT11可通过诱导BURP、GRAM和HVA22等基因的表达触发植物对ABA信号的响应，并受ABA信号路径上游基因OsbZIP23和Os2H16的调控［95］。OsASR2通过特异性结合到顺式作用元件GT-1激活靶基因Os2H16的表达来提高水稻对Xoo和干旱胁迫的抗性［97-98］。近日，刘炜研究组发现干旱胁迫诱导OsESG1的表达，OsESG1抑制表达转基因水稻过氧化氢酶活性降低，H2O2的积累影响了苗期根冠发育并导致H2O吸收速率下降，同时编码生长素转运体基因OsPIN1b、OsPIN2和OsPIN10a上调表达，说明OsESG1可能通过调节生长素的分配和运输影响植物根系对干旱胁迫的适应性［99］。

全球约有6%的土地存在盐碱化的问题。在高盐胁迫下，高浓度Na+和Cl-在植物体内不断积累极易产生二次胁迫，导致盐离子中毒，甚至引发植物死亡［100］。水稻属于非盐生植物，对盐胁迫表现出高度的敏感性［101］。水稻已经进化出多种适应性防御机制，以保护自身免受盐胁迫的伤害，分离和鉴定盐胁迫相关基因对培育耐盐新品种具有重要意义。黄骥研究组发现，盐胁迫会诱导水稻AP2和bHLH等80个转录因子上调表达，1 055个功能基因上调表达，1 030个功能基因下调表达，其中大部分生长发育调控基因下调表达，如SCL33（LOC_Os07g0633200）、NADPME2（LOC_Os01g0723400）和SAUR76（LOC_Os08g0452500）等［102］。研 究 表明在盐胁迫下水稻中超量表达OsSTLK会降低气孔导度减少水分蒸发，并通过增强超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性减少ROS的积累，同时降低Na+和K+的比值以及MAPK磷酸化水平，进而增强水稻对盐胁迫的抗性［103］。在盐胁迫下，OsMPT3突变体增加了脯氨酸合成的前体谷氨酰胺的积累，降低了Ca2+、Pi、ATP、可溶性糖和脯氨酸的积累，同时增加了Na+和K+的比值，并对外源ATP高度敏感，该研究表明OsMPT3可通过调节植物细胞能量供应，并引起盐胁迫下参与渗透调节的离子和代谢物积累的变化，正调控水稻的对盐胁迫的抗性［104］。谢先芝研究组发现OsSRK1编码非典型的S类受体激酶（S-receptor-like kinase），超量表达OsSRK1会提高水稻对ABA的敏感性，并通过促进叶原基细胞分裂增加叶片宽度，同时诱导OsMyb4、OsDREB1A、ZOS3和OsWRKY08等基因的表达提高水稻对盐胁迫的耐性［105］。杨志敏研究组发现Na+/H+反向运输蛋白OsNHAD介导盐胁迫条件下水稻亚细胞Na+的稳态。OsNHAD抑制表达转基因水稻对Na+敏感性增强，Na+在叶绿体中的积累导致叶绿素含量下降、光系统Ⅱ光化学效率降低、生长发育迟缓，而异源表达OsNHAD可以回补拟南芥突变体atnhd11盐胁迫下生长异常的表型，说明OsNHAD 通过介导叶绿体中Na+的外排提高水稻对盐胁迫的耐受力［106］。尽管水稻对盐胁迫的耐受性受多个基因调控，但引入编码关键效应蛋白的单基因可能会改善这一复杂的农艺性状，超量表达OVP1可增加液泡膜焦磷酸酶和ATP酶的活性，从而为逆向转运蛋白MHX提供质子驱动力并将Na+隔离在液泡中，减少了Na+对细胞质的损伤，最终提高了水稻对盐胁迫的适应性和耐受力［107］。OVP1超量表达转基因植株已经过研究者4年的田间试验，其分蘖、产量等综合性状明显优于野生型，OVP1可作为提高品种盐胁迫耐受性的重要候选基因。

2.5 产量调控基因

随着人口的不断增加，我国对稻米的需求量也居高不下，不断提高水稻单产满足人们基本需求一直是育种工作者的首要目标。单位面积上的穗数、每穗粒数、千粒重和结实率是影响水稻产量的决定性因素［108］。随着基因组测序和功能基因组学的发展，目前已经鉴定了多个调控水稻粒型、粒重、结实率的主效QLT，如GW2［109］、GS3［110］、GS2［111］。近日，高振宇和钱前研究组鉴定出TGW2也是调控籽粒大小的主效数量性状基因，并通过与细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子KRP1互作抑制水稻颖壳细胞分裂，最终负调控粒宽和粒重［112］。已鉴定的QTL主要通过影响小G 蛋白信号通路、植物激素水平的变化、MAPK级联反应等来调控水稻细胞的伸长［113-114］。TGW6通过影响IAA-葡萄糖水解酶的活性来调节生长素的含量，进而影响水稻的产量［115］。MAPK级联反应主要通过MAPKs激酶将磷酸化信号逐级传递到细胞核并引起防御基因的差异表达，从而介导植物的免疫反应，研究表明OsMKK4不仅影响植物抗性，还是MAPK信号通路和BRs信号通路交叉调节的关键因子，是水稻的株高、粒长、粒宽等产量影响因素的正向调控因子［116］。此外，在水稻中超量表达OsMKKK10也显著增加了株高、粒重［117］。而GSN1通过对OsMAPK6去磷酸化修饰抑制MAPK级联反应对产量的正向调控，是产量影响因素的负调控因子［118］。GS5通过促进细胞分裂和外稃的发育正调控籽粒大小［119-120］，并且影响BRs信号的传导。细胞分裂素主要分布于植物根分生组织、叶片、果实和种子等部位，能够促进植物茎顶端分生组织的细胞分裂和细胞增殖［121］。OsCKX2主要在花器官中表达量较高，并通过抑制细胞分裂素在植物体内的积累，负调控水稻的粒数，从而降低水稻的产量［122］。DST等位基因DSTreg1通过抑制OsCKX2的表达，缓解细胞分裂素的降解，从而促进水稻籽粒的伸长和产量的提高［119，122］。

OsmiR156［123］、OsmiR397［124］、OsmiR396［125］和OsmiR408［126］等均参与调控水稻生殖生长。谢先芝研究组［127］发现OsmiR530是潜在的产量调控因子，OsPIL15通过与OsMIR530启动子的顺式作用元件结合促进OsMIR530在细胞核内的转录，OsmiR530的积累抑制了下游OsPL3的表达，并进一步抑制小穗颖壳的细胞分裂从而负调控水稻产量。分蘖角度在水稻育种中可作为培育理想株型以提高产量的主要目标性状之一，可塑性较强。miR167在不同植物中高度保守［128］，吴昌银研究组［129］发现OsmiR167a可以通过抑制生长素应答基因（OsARF12，OsARF25，OsARF17）的表达来增大水稻分蘖夹角，并且这种调控依赖于HSFA2D和LAZY1介导的生长素不对称分布途径。

主茎和分蘖的均匀生长不仅是影响水稻株型和产量因素之一，还能确保同步成熟便于收获，DWT1是这一性状的关键调控因子，DWT1的突变导致水稻顶端优势增强并引起矮化现象［130］。梁婉琪研究组［131］发现DWTI及其同源蛋白DWL2均可与磷脂酰肌醇单磷酸激酶OsPIP5K1在细胞核内互作，并促进OsPIP5K1和其产物磷酸肌醇第二信使PI（4，5）P2在细胞核内富集，OsPIP5K1突变后使dwt1突变体的顶端优势消失，即DWTI是通过影响OsPIP5K1和磷酸肌醇信号通路共同调控水稻的均匀生长。

2.6 品质调控基因

淀粉含量、蛋白质含量、氨基酸含量、垩白等是评价水稻营养品质和外观品质的重要指标［132］，高产与优质一直是科研工作者力求兼得的两个育种目标。稻米的质量取决于品种、生产和收获条件、采后管理、碾磨和贮藏条件等。利用组织特异性Oleosin-18启动子和RNAi技术沉默表达LOX3延长了稻米贮藏期，减少了营养损伤，同时还不影响水稻的产量［133］。目前，市场上最受欢迎的是长粒、白色透明的稻米。GIF1在自身启动子的驱动下持续表达导致水稻产量增加，而在Waxy启动子的驱动下表达GIF1则会导致水稻小粒的产生［134］。在水稻中超量表达OsmiRNA397抑制了OsLAC的表达，并增强了水稻对BRs的敏感性，产生了比野生型更多的分蘖，籽粒也显著增长［135］。超表达GW7促使籽粒变长变窄，从而改善水稻籽粒的外观品质，GW7启动子可与GW8编码的OsSPL16直接结合并被抑制表达，最终负调控水稻的产量［136］。虽然垩白不会影响稻米的口感，但是消费者在购买稻米的时候会更倾向于垩白度低的品种，温度、土壤肥沃程度、土壤含水量都是影响垩白产生的因素之一［137］。Chalk5编码液泡膜质子转运焦磷酸酶，超表达Chalk5导致蛋白质合成受阻，胚乳垩白率显著增加［138］。备受欢迎的泰国香米因含有2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline，2-AP）而具有独特的香气。OsBADH2则是影响2-AP合成的关键基因。在普通品种中，OsBADH2氧化2-AP的前体，进而抑制2-AP的合成。但在类似泰国香米等具有独特气味的品种中，OsBADH2的突变解除了对2-AP合成的抑制作用［139］。

水稻营养成分包含蛋白质、碳水化合物、纤维素等，蛋白质含量约占籽粒干重的7%，淀粉含量约占籽粒干重的80%［137］。RSR1［140］、OsBP5［137］、OsbZIP58［141］等都是影响籽粒淀粉含量的关键基因。近日，万建民研究组［142］发现在水稻中异源表达玉米GLK基因可使植物叶绿素得到积累并进一步提高在田间的光合效率，经多代稳定繁殖后产量可提升30%-40%，糖、淀粉以及氨基酸等代谢物的含量也明显高于野生型。钱前研究组［143］鉴定到OsMADS6等位基因突变体afg1，AFG1的功能突变导致水稻籽粒变小，总淀粉和直链淀粉含量降低，蛋白质和可溶性糖含量增加，对水稻产量和品质具有重要影响。

3 展望

国以民为本，民以食为天，食以稻为先。水稻养育着我国60%的人口，是我国重要的粮食作物。因此，提高水稻单产仍是未来育种的首要目标。当前，我国不仅面临人口不断增加、耕地面积不断减少的局面，还存在农业生产和环境发展不平衡的矛盾。现代稻作生产过程中生物胁迫或非生物胁迫等因素限制了水稻品种的增产潜力，虽然商业化肥和农药的投入在短时间内可以改变这一窘境，但依靠化肥和农药助力水稻生产不仅违背了绿色农业的可持续发展理念，也不是从根本上解决问题的长久之计，因此利用分子育种技术培育综合性状优良的新品种是未来水稻研究的重点发展方向。此外，对水稻基因进行改造的同时不能只注重单一性状的改良。比如超量表达OsNPR1虽然会提高水稻的抗性，但却以牺牲水稻的正常发育为代价［144］。因此，像IPA1理想株型基因的发掘和在“嘉优中科”的应用就很好的化解了生长和防御不可兼得的矛盾［3］。位于3号染色体上的bsrd1未与任何农艺性状调控基因有连锁关系，对bsrd1的利用可在不影响水稻品质的前提下提高对Magnaporthe oryzae的抗性［72］。上文介 绍 的NGR5［16］、OsPGIP4［83］、OsALDH2B1［41］等都是品种培育过程中可以兼顾多个性状改良的优质“候选者”。

随着我国经济的发展，满足人们对水稻品质的多样化需求、扩大有效和中高端供给成为市场新导向。除了生产者关注的高产、高抗等性状，消费者也越来越注重稻米的外观品质和营养品质。近年来，随着水稻基因组序列的不断完善，越来越多的科研工作者利用转基因等技术对水稻品质进行了改良，比如集高抗、高产、优质于一身的“中科”系列品种就是良好的成果［145］，还有利用TALEN靶向基因敲除技术对OsBADH2进行功能突变，在短时间内即可获得2-AP含量较高的水稻品种［146］。但目前最大的挑战是世界范围内消费者对转基因技术的质疑。因此，稻米安全性的监督和评价应该更有力、更透明，同时在育种过程中还可利用组织特异性或诱导型启动子减少基因持续表达对水稻的影响。

科学研究的最终意义是为国所用、为民所用。基因组技术的不断发展为我们挖掘更多农艺性状调控基因提供了技术支撑，但水稻的研究不能仅仅停留于功能基因的鉴定，如何将科学技术转化成为民所需的第一生产力才是科研工作最关键的一环。将杂交育种技术、分子育种技术和现代化信息技术相融合，加速发展可持续、现代化水稻生产，培育营养高效、高抗、高产等综合性状优良的品种成为新时代的重要挑战。