水稻抽穗期的光周期调控分子机制研究进展

王红波，董华林，郑兴飞，殷得所，查中萍，胡建林，游艾青，周 黎*，徐得泽*

（湖北省农业科学院 粮食作物研究所/粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室，武汉 433064）

水稻抽穗期是指水稻从播种到穗自剑叶中伸出所需的天数，通常以群体50%穗伸出剑叶的时间为节点。 抽穗期的迟与早会影响水稻光合产物积累时间，间接影响水稻灌浆时期的环境和籽粒充实进程，最终对水稻产量和品质产生影响。

目前研究认为，水稻的抽穗期主要受遗传和环境因素的共同影响。 以拟南芥为研究模型，研究者们已发现的植物开花调控途径包括：光周期和生物钟途径、春化作用途径、温度传感器、自主开花途径、赤霉素途径和年龄途径[1]。光周期途径是调控水稻抽穗期最重要的途径之一，解析光周期途径相关基因的功能，不仅能够揭示水稻抽穗期变异的分子机制，同时还能指导水稻抽穗期的遗传改良。 本文综述了水稻抽穗期相关基因的定位、克隆及其分子调控机制，并讨论和展望了利用相关基因开展水稻抽穗期遗传改良相关工作。

1 抽穗期相关基因的定位

20 世 纪90 年 代， 日 本 学 者Yano 等[2]就 利 用Nipponbare/Kasalath 的F2及回交群体对水稻抽穗期QTL进行分析， 并定位到Hd1～Hd5等5 个影响抽穗期的主效及微效QTL。 随后，Lin 等[3]利用BC1F5群体定位到Hd7、Hd8、Hd11， 利 用BC3F2和BC4F2群 体 定 位 到Hd6、Hd9、Hd10、Hd12、Hd13和Hd14。 此后，Monna 等[4]又通过精细定位发现Hd3是由两个紧密连锁的基因Hd3a和Hd3b组成，两者间的遗传距离约为1.6 cM。

此后，研究者们又利用水稻T-DNA 插入突变体、自然变异材料、染色体片段代换系以及近等基因系等，挖掘到大量调控水稻抽穗期的主效及微效QTLs。 根据Gramene网站（archive.gramene.org/db/qtl/）上最新统计数据，截止目前，在水稻中已发现了618 个抽穗期相关的QTLs，其中第3 和第7 号染色体上最多，第10 号染色体上最少。

2 水稻抽穗期基因的克隆及功能研究

光周期途径是调控水稻抽穗的重要途径。经过多年研究， 目前克隆得到至少13 个与光周期调控途径相关的基因，包括Hd1/Se-1[5]、Hd2/Ghd7.1/DTH7/OsPRR37[6,7]、Hd3a[8]、RFT1[9]、Hd4/Ghd7[10]、Hd5/Ghd8/DTH8/LHD1[11,12]、Hd6/CK2a[13]、Ehd1[14]、Hd16/EL1[15]、Hd17/Ef7[16]、Ehd2/RID1[17]、Ehd3[18]、Ehd4[19]以及DTH2[20]等。

Hd1位于第6 号染色体上，是水稻中克隆的第一个抽穗期调控基因，其cDNA 全长1,557 bp，具有2 个外显子，编码一个由395 个氨基酸组成的锌指蛋白。 此前研究认为，Hd1具有双重作用，在短日照条件下促进水稻抽穗，而在长日照条件下延迟抽穗[5,21]。Hd2与OsPRR37/Ghd7.1/DTH7为同一基因，位于第7 号染色体上，基因全长12,518 bp，包含8 个外显子和7 个内含子，编码一个由742 个氨基酸组成的含有CCT 结构域的蛋白， 是一个长日照条件下的开花抑制因子[6,7]。Hd4基因即Ghd7基因，同样位于第7 号染色体上， 是一个长日照条件下水稻开花的抑制因子， 编码一个由257 个氨基酸组成的CCT 结构蛋白[10]。Hd5基因与DTH8/Ghd8/OSHAP3H/LHD1为同一基因，其cDNA 全长1,156 bp，含1 个外显子，编码一个由297 个氨基酸组成的多肽。 在短日照条件下，Hd5能够促进水稻开花，而在长日照条件下，Hd5则会延迟水稻开花[11,12]。Hd6/CK2a基因位于第3 号染色体的长臂端， 其cDNA 全长1,474 bp，共包含11 个外显子，编码一个由333 个氨基酸组成的蛋白。Hd6在长日照和正常日照条件下延迟水稻开花，在短日照条件下不能延迟水稻开花[13]。Hd16基因位于第3 号染色体，其cDNA 全长2,723 bp，共包含16 个外显子， 编码一个由707 个氨基酸组成的酪蛋白激酶-I 类蛋白。Hd16基因是一个水稻开花抑制因子，在长日照条件下会延迟水稻开花，而在短日照条件下延迟水稻开花的效应不明显[15]。

Hd17基因位于第6 号染色体短臂端， 基因全长5,043 bp，在长日照条件下能够促进水稻开花[16]。Ehd1基因位于第10 号染色体上，在长、短日照条件下均能促进水稻开花[14]。Ehd2基因位于第10 号染色体上，基因全长3,496 bp，具有3 个外显子和2 个内含子， 编码一个由475 个氨基酸的组成的转录因子蛋白。Ehd2基因在长、短日照条件下均能促进水稻开花[17]。Ehd3基因位于第8 号染色体上，基因全长4,124 bp，具有6 个外显子和5 个内含子，编码一个由563个氨基酸组成的转录因子蛋白[18]。Ehd4基因位于第3 号染色体的短臂端，基因全长3,390 bp，具有3 个外显子和2 个内含子， 编码一个由832 个氨基酸组成的转录因子蛋白，是水稻中特有的开花调控因子[19]。DTH2是一个抽穗期微效调控基因，在长日照条件下能够促进水稻开花，其编码一个具有锌指结构域的COSTANS 类转录激活蛋白[20]。

Hd3a和RFT1又被称为成花素基因，均位于水稻第6号染色体，并紧密连锁[8,9]。拟南芥中的成花素基因只有FT，而水稻中存在Hd3a和RFT1两个成花素基因。Hd3a基因的cDNA 全长847 bp，有4 个外显子，编码一个由178 个氨基酸组成的蛋白产物[8]；RFT1与Hd3a同源，其cDNA 全长866 bp，含有4 个外显子，同样编码一个由178 个氨基酸组成的蛋白产物[9]。 当Hd3a和RFT1同时被RNAi 干涉后，水稻不能正常开花[8,9]。

3 抽穗期相关基因互作效应研究

Lin 等[21,22]研 究 发 现，Hd3基 因 能 增 强Hd1和Hd2基因的表达；Hd1与Hd5基因之间也存在上位性效应；Hd5基因对Hd2基因有加性效应；Hd4则对Hd1及Hd2有加性效应。 Shibaya 等[6]研究发现Hd2与Hd16，Hd2与Hd4之间也存在互作效应。 Gao 等[8]研究发现，DTH7、Ghd7和DTH8基因均存在多种不同的单倍型， 不同基因单倍型组合水稻品种在相同和不同日照条件下均表现丰富的抽穗期变异。 Zhang 等[23]研究发现，Ghd7、Ghd8和Hd1基因在水稻资源中存在不同的单倍型，且这些单倍型存在功能强弱的差异。 强功能基因单倍型累加会造成水稻晚抽穗，而弱功能或无功能基因单倍型组合则使水稻趋向于早抽穗。

4 光周期相关基因的抽穗期调控网络

在水稻中，调控抽穗期的光周期途径主要分为Hd1途径和Ehd1途径。在长、短日照条件下，Hd1途径和Ehd1途径调控模式并不相同。Ehd1是水稻抽穗调控网络中重要的开花信号中间调节器，负责接收上游多个抽穗期调控基因信号，并调控下游Hd3a和RFT1基因的表达，从而影响水稻抽穗，以Ehd1为核心的调控路径是水稻中特有的[20]。

在短日照条件下， 生物钟相关基因OsGI能够通过激活Hd1的表达，促进Ehd1和下游Hd3a的表达，促进水稻开花[24]；同时，Hd1还受到Ehd2的激活表达，以及Hd17的抑制表达。最新研究表明，在长日照条件下，Hd1的功能会发生转换， 且这种功能转换依赖于Ghd7或者Ghd8功能的有无[25-27]。 当有功能的Ghd7或者Ghd8存在时， 会与Hd1发生互作， 共同抑制Ehd1及Hd3a、RFT1的表达，延迟水稻开花；当无功能Ghd7或Ghd8存在时，这种互作则不能发生，Hd1只发挥促进水稻开花的作用。

在长日照条件下，OsGI一方面能够促进Hd1的表达，促进Hd3a和RFT1的表达，同时还能促进Ghd7的表达，抑制Ehd1的表达[24]。Hd2/Ghd7.1能抑制Ehd1基因的表达，降低成花素基因Hd3a和RFT1的表达， 延迟水稻开花[6,7]。Ghd7和Hd5/Ghd8不仅能够直接抑制Ehd1的表达， 降低Hd3a和RFT1的表达， 而且还能与Hd1互作， 共同抑制Ehd1的表达，导致水稻延迟抽穗[26-28]。 研究表明，Hd6和Hd1、Hd2之间存在互作关系，Hd6 能够磷酸化Hd2/Ghd7.1但不能磷酸化Hd1， 表明Hd6可能位于Hd2的上游， 但其如何通过Hd1和Hd2实现对抽穗期的调控目前仍不清楚[13]。此外，Hd16 蛋白还能够特异性的磷酸化Hd4/Ghd7，降低Hd3a和RFT1的表达，造成水稻延迟开花[15]。

在长日照条件下，Hd17能够抑制Ghd7基因的表达，增加下游Ehd1的表达，最终增加Hd3a的表达，促进水稻开花[16]。Ehd1的表达受Ehd2、Ehd3、Ehd4及Hd5等的正向调控，受Ghd7和Ghd8等的负调控。Ehd2通过上调Ehd1基因，促进Hd3a和RFT1的表达[17]；Ehd3基因通过负向调控Ghd7的表达， 促进Ehd1及其下游Hd3a和RFT1的表达，促进水稻开花；此外，Ehd3还能通过一个不依赖Ghd7的未知途径，促进Ehd1的表达，促进水稻开花[18]。Ehd4通过正向调控Ehd1的表达， 促进下游Hd3a和RFT1的表达， 促进水稻开花。 但现有研究表明，Ehd4 蛋白并不与Ehd1的启动子或mRNA 发生直接互作， 此外Ehd4调控Ehd1表达也不依赖于其他光周期途径基因[19]。

除了Hd1途径和Ehd1途径外，近来还发现了光周期调控途径中独立的DTH2途径。在长日照条件下，DTH2能够直接上调成花素基因Hd3a和RFT1表达， 促进水稻开花， 且不影响Ehd1、Ehd2、Ehd3、Ghd7、DTH8等其他抽穗期相关基因的表达[20]。 已克隆的水稻光周期途径相关基因及其调控网络见图1。

5 抽穗期相关基因在水稻育种中的应用与展望

Zhou 等[29]利用基因编辑技术敲除了粳稻空育131 抗稻瘟病育种株系的Ghd8基因，得到了抽穗期显著提前、单株产量显著增加的新株系。 Wang 等[30]通过将籼稻品种GKMP 和GKLPL 中包含Ghd7基因的染色体片段导入到粳稻空育131 中，育成株系的抽穗期显著延长，极大地扩大了材料的适宜种植范围， 且产量提高了近30%。Takeuchi[31]利用分子标记辅助选择技术， 将粳稻品种Koshihikari 的Hd1、Hd4、Hd5和Hd6等位基因分别替换为籼稻品种Kasalath 中的对应等位基因，获得了主要农艺性状与Koshihikari 相同，仅抽穗期分别提早12 d，延迟3 d、10 d 和11 d 的新品种。 Leng 等[32]将籼稻TN1 中的Hd1等位基因导入到粳稻Chunjiang06 中， 获得了抽穗期较Chunjiang06 晚7 d，单株产量显著增加的新株系。

上述研究是利用抽穗期相关基因进行水稻遗传改良的成功案例，证明了相关设想的可行性。 由于抽穗期是复杂的数量性状，受众多主效和微效基因的共同调控，不同水稻品种中影响其抽穗期的主效基因并不相同。 因此，针对不同水稻品种，在开展相关抽穗期改良工作之前，可以通过对抽穗期相关基因开展“基因诊断”[29]，明确调控其抽穗期的主效基因，然后再针对性地开展相关工作，这样能够更加精准、快速、有效地实现改良的目的。

随着越来越多抽穗期相关基因被克隆，相关功能及在调控网络中的作用被解析，也必将帮助我们更加清晰地了解抽穗期调控的分子机制，并为水稻抽穗期遗传改良提供丰富的基因资源和理论基础。