水稻成花素基因RFT1对抽穗期的促进作用

王世林 张振华 朱玉君 樊叶杨 庄杰云

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室/国家水稻改良中心，杭州310006；第一作者：15621566500@163.com；*通讯作者：zhuangjieyun@caas.cn）

南方双季稻区是我国水稻的主要产区之一。双季稻种植模式有利于充分利用光温资源，增加水稻复种指数，从而提高水稻产出能力，保障农民的经济收入[1]；同时，双季稻种植模式能够降低由自然灾害所引起的减产风险[2]。自2014 年以来，我国水稻种植面积已连续5 年减少[3-4]；同时，我国水稻生产进入效益优先阶段，单位面积的高效率产出将是今后的重要生产目标[5]。进一步缩短早稻品种的生育期，能够为后茬晚稻提供更充足的生育时间，优化晚稻产出，从而提高双季稻的生产潜能。因此，挖掘能够促进早稻品种抽穗，同时不会导致稻谷产量大幅度下降的基因，对我国南方双季稻区的粮食安全生产具有重要意义。

近20 年来，水稻抽穗期的遗传和分子机理研究取得巨大进步，其主要调控网络已基本明确[6]。在获得克隆的水稻抽穗期基因中，有7 个在调控网络中居关键地位，分别是 Hd3a、RFT1、Hd1、Hd2、Ghd7、DTH8 和Ehd1。Hd3a 和RFT1 是水稻的2 个成花素基因，前者主要在短日照条件下发挥作用，后者主要在长日照条件下发挥作用，其他抽穗期基因通过调控Hd3a 和RFT1 影响抽穗[7-8]；Hd1 和 Ehd1 分别是水稻抽穗期 2条主要调控通路的核心基因，前者在长、短日照条件下作用差异很大，后者的功能型等位基因在长、短日照条件下均促进抽穗[9-10]；Hd2、Ghd7 和 DTH8 通过与 Hd1和Ehd1 的相互作用影响抽穗[11-14]。在我国长江中下游稻区和华南稻区中，早籼品种生长于长日照条件下均携带Ehd1 的早熟功能型等位基因；在Hd1 和Ghd7 座位上，该类品种均拥有早熟型组合，不携带功能型等位基因或仅在1 个座位携带功能型等位基因；在Hd2 和DTH8 座位上，绝大部分早籼品种携带不延迟抽穗的功能缺失型等位基因[14-15]。

前期研究表明，在其他抽穗期基因不分离的背景下，RFT1 本身的等位变异对水稻抽穗期和产量性状具有重要影响。与来源于早籼品种珍汕97 的等位基因相比，来源于中籼品种密阳46 的等位基因具有促进抽穗、降低产量的作用。当遗传背景中抽穗期基因呈珍汕97 纯合型和密阳46 纯合型自然混合时，密阳46 型RFT1 等位基因在长日照条件下促进抽穗18.4～31.2 d，同时对产量具多效性[16]；当遗传背景中Hd1 座位固定为珍汕97 纯合型时，RFT1 的作用大幅度减弱[17]。本研究以珍汕97 和密阳46 为双亲构建新群体，进一步固定RFT1 之外6 个关键抽穗期基因的作用，在早籼遗传背景和自然长日照种植条件下，分析RFT1 对抽穗期和产量性状的遗传作用，探讨利用RFT1 进一步缩短早稻抽穗期的途径。

1 材料与方法

1.1 水稻材料

本研究所用水稻材料为衍生于珍汕97//珍汕97/密阳46 组合的2 个分离群体。在这2 个群体中，RFT1均呈分离，而其他6 个关键抽穗期基因（Hd3a、Hd1、Hd2、Ghd7、DTH8 和 Ehd1）均无功能性变化。其构建过程如图1：从珍汕97/密阳46 的F9群体挑选出1 个单株，与珍汕97 回交，连续自交加代至BC1F4，回交、自交过程中所挑选单株均为倾向于早熟的材料；经标记鉴定，筛选到在RFT1 位点座位上呈杂合的BC1F4单株2个，自交获得世代为BC1F5的近等基因系-F2（NIL-F2）群体，共含543 个单株，称之为Z3；经标记鉴定，从该群体挑选RFT1 纯合型单株，自交构建了1 个含有46个珍汕97 纯合型株系和55 个密阳46 纯合型株系的NIL 群体，称之为 R3。

表1 本研究所用群体及其亲本在7 个关键抽穗期基因上的功能型

图1 材料构建过程

1.2 田间试验与性状考查

所有群体均种植于中国水稻研究所试验基地（杭州富阳），种植季节均属长日照条件，其中，NIL-F2群体Z3 种植于 2017 年，5 月 24 日播种，6 月 16 日移栽；NIL 群体 R3 种植 2 年，2018 年于 4 月 18 日播种，5 月15 日移栽，2019 年于 4 月 18 日播种，5 月 16 日移栽。株行距为16.7 cm×26.7 cm，正常大田管理。对于NILF2群体Z3，记载各单株抽穗期，不考种。对于NIL 群体R3，采用完全随机区组设计，2 次重复，每重复每株系种植1 行10 株，记载各单株抽穗期，取平均值进行数据分析；成熟期每株系混收中间5 株，考查单株穗数、每穗总粒数、每穗实粒数、千粒重和单株产量。千粒重考查遵循ZHANG 等[18]方法。

1.3 抽穗期基因分析与标记检测

采用实验室保存的珍汕97 和密阳46 序列资料，分析双亲在7 个抽穗期基因上的功能型及双亲差异；根据双亲差异设计引物，检测群体。水稻材料移栽10 d后，每个单株取约2 cm 幼叶，采用ZHENG 等[19]方法提取DNA。PCR 扩增按照CHEN 等[20]方法进行，扩增产物使用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶或2%琼脂糖凝胶电泳进行分离，分别使用银染和GelRed 检测。

1.4 数据分析

对于NIL-F2群体Z3，应用Windows QTL Cartographer 2.5 软件[21]中单标记作图法进行QTL 分析，以LOD=3.0 为阈值。对于NIL 群体R3，应用SAS 软件一般线性模型（Proc GLM）[22]，采用双因素方差分析法检验2 种基因型之间的表型差异，具体方法同DAI 等[23]所述；若差异达到显著水平（P＜0.05），则计算加性效应和贡献率。

2 结果与分析

2.1 群体遗传背景

图2 NIL-F2 和NIL 群体的抽穗期表型分布

图3 NIL 群体的产量性状表型分布

根据珍汕97 和密阳46 的基因组序列，确定了它们在7 个目标基因座位上的功能型及差异情况（表1）。有3 个基因在2 个亲本之间无功能差异，其中，Hd3a 和Ehd1 为功能型等位基因，DTH8 为功能缺失型等位基因；根据这3 个基因对水稻抽穗期的作用，双亲所携带的等位基因均属早熟型。在其余4 个基因上，双亲之间存在功能差异：在RFT1 上，珍汕97 携带迟熟型等位基因，密阳46 携带早熟型等位基因；在Hd1 上，珍汕97 为强感光型，密阳46 为无感光型；在Hd2 上，珍汕97 为无感光型，密阳46 为强感光型；在Ghd7 上，珍汕97 为无功能型，密阳46 为强功能型。经检测构建分离群体的2 个BC1F4单株，发现这2 份材料除了RFT1 为杂合型外，其余3 个基因均为珍汕97 纯合型，即强感光型Hd1、无感光型Hd2 和无功能型Ghd7。无感光型Hd2 和无功能型Ghd7 丧失了在长日照条件下延长抽穗的作用，而强感光型Hd1 在无功能型Ghd7背景下具有促进抽穗的作用[12-13，24-25]。因此，Z3 和 R3 群体中Hd1、Hd2 和Ghd7 的基因型组合亦为早熟型。综上所述，本研究所用群体RFT1 呈分离，其余6 个关键抽穗期基因均与珍汕97 功能型一致，为早熟型遗传背景。

2.2 表型变异

在Z3 群体1 年试验和R3 群体2 年试验中，抽穗期均呈连续分布。以RFT1 基因型对群体内材料分类，可以发现，与珍汕97 纯合型材料相比，密阳46 纯合型材料趋向于早熟（图2）。该结果表明，在Z3 和R3 群体中，成花素基因RFT1 可能对抽穗期的变异具有显著作用。在考查了产量性状的R3 群体2 年试验中，各性状表型亦呈连续分布，且密阳型株系趋向分布于低值区（图3），表明RFT1 在这些试验中表现出对产量性状的多效作用。

2.3 QTL分析

NIL-F2群体中，Windows QTL Cartographer 2.5 结果显示，RFT1 对抽穗期呈显著作用（LOD=13.05），来自密阳46 的等位基因促进提早抽穗1.21 d，显性效应为0.62 d，贡献率为10.46﹪。

双因子方差分析结果显示，在NIL 群体R3 中，RFT1 表现出对抽穗期、每穗总粒数、每穗实粒数、千粒重和单株产量的显著作用，而对单株穗数无显著作用（表2）。2018 年，密阳46 等位基因促进抽穗，加性效应为0.84 d，贡献率为18.62%；同时，密阳46 等位基因降低每穗总粒数、每穗实粒数、千粒重和单株产量，加性效应分别为 3.06 粒、2.98 粒、0.12 g 和 0.63 g，贡献率分别为1.66%、2.13%、2.53%和2.76%。2019 年，密阳46等位基因亦促进抽穗并降低每穗总粒数、每穗实粒数和单株产量，加性效应分别为0.89 d、2.02 粒、1.48 粒和 0.38 g，贡献率分别为 18.48%、1.91%、0.99%和1.48%；在千粒重上处于临界水平，P 值为0.0652，加性效应和贡献率分别为0.08 g 和1.28%。综上结果表明，在早熟遗传背景和自然长日照种植条件下，水稻成花素基因RFT1 不仅对抽穗期具有显著作用，同时对产量性状呈多效作用。

表2 近等基因系群体中RFT1 对抽穗期和产量性状的作用

3 讨论与结论

本研究应用早籼稻珍汕97 与中籼稻密阳46 为双亲材料，针对 Hd3a、RFT1、Hd1、Hd2、Ghd7、DTH8 和 E－hd1 这7 个控制水稻抽穗期的关键基因，构建了RFT1分离、其余6 个基因均为早熟基因型的群体，分析了RFT1 对抽穗期和产量性状的遗传作用。结果表明，在早熟型遗传背景和自然长日照种植条件下，与早籼稻珍汕97 相比，中籼稻密阳46 的RFT1 等位基因能够稳定促进水稻抽穗，同时对产量性状具有微效作用。

抽穗期属于数量性状，由主效和微效数量性状座位（QTL）共同控制。主效QTL 主要影响水稻品种的地区和季节适应性；而微效QTL 在相同或相似的生态适应区域内通过微调抽穗期，在充分利用自然资源或规避逆境胁迫中发挥关键作用[26]。近年来，水稻抽穗期微效QTL 的研究逐渐受到重视，迄今有4 个微效QTL 获得克隆、3 个QTL 得到精细定位[26-32]。此外，一些已克隆的主效QTL 在特定的遗传背景或环境条件下，也呈现出微效作用。例如，TAKEUCHI 等[33]利用分子标记辅助选择，将水稻品种Kasalath 的Hd4/Ghd7 等位基因导入另一品种Koshihikari 中，使其抽穗期延长约3 d，同时增加了穗长和单株产量；ZHAO 等[34]以 T65 和 GLA 为双亲构建的新材料中，在抽穗期基因组合为Hd3a、RFT1、Hd1 和 ghd7 的背景下，Ehd1-GLA 在长日照条件下促进水稻抽穗约5 d；FUJINO 等 [35]以早熟品种Hoshinoyume 为受体亲本，构建了 NIL（hd5/dth8），在长日照条件下较亲本延迟抽穗5.2 d。在本研究中，RFT1在早熟遗传背景和长日照种植条件下呈现出微效作用，3 年加性效应为0.84～1.21 d。我们可以将RFT1 的这一特性利用到早稻品种的抽穗期精准调控中，以最大化利用自然资源和规避自然灾害。综上表明，针对已克隆的主效QTL，构建特定的遗传背景材料来分析它们的微效作用，一方面可以获得新的微效QTL 资源，另一方面可为主效变微效分子机理研究提供基础。

进一步缩短早稻品种的生育期，为后茬晚稻提供更充裕的生长发育时间，是我国南方双季稻区一个重要的育种目标。本研究结果表明，密阳46 的RFT1 等位基因能够进一步缩短早稻的生育期，为晚稻提供更充裕的生长时间，进而提高双季稻的生产潜能。据浙江省品种审定条例，早籼稻参试品种全生育期比对照缩短1.0～3.0 d 的，产量要求每缩短1.0 d 可以比对照减产2.0%；缩短4.0 d 及以上的天数，每缩短1.0 d，可比对照减产3.0%。本研究2018 年和2019 年NIL 结果显示，中籼稻密阳46 型RFT1 分别促进水稻提早抽穗1.68 d 和 1.78 d，降低单株产量 1.26 g 和 0.76 g，符合早籼品种审定需求。由此可见，来源于其他品种类型的RFT1 等位基因，可为南方双季稻区特早熟水稻品种的培育提供新的资源。