水稻硅含量的遗传研究进展

刘晓刚，杨治伟，马 钰，赵 娜，马嘉欣，罗成科，杨淑琴，田 蕾，李培富

(宁夏大学 农学院/宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室，宁夏 银川 750021)

水稻是一种喜硅、富硅作物，素有硅酸植物之称，对硅的需求仅次于氮、磷、钾三大元素。1926年，美国加州大学农业研究人员SOMMER首次提出硅是水稻生长发育的必要元素之一[1]。此后，水稻中硅的研究逐渐引起人们的重视。1935年日本开始对硅在水稻中的生理作用、硅肥生产以及硅肥在水稻生产上的应用展开研究，并于1957年成立硅肥协会[2]。我国对硅肥的研究始于20世纪70年代中期，到80年代才逐步展开工业化生产，2001年台湾在水稻生产中推广使用硅肥，面积达1 333 hm2，水稻增产12%。至今，我国对水稻中硅的研究已经取得了显著成就[3]。水稻的生长发育离不开硅，硅能够改善植株受光态势，减轻叶片下垂，并能通过增强叶肉传导和改变水稻的初级代谢对光合速率进行前馈刺激来提高光合性能[4]。硅在水稻植株内可形成硅化细胞，使茎叶表皮细胞壁加厚，茎秆机械强度增强，从而提高水稻植株的抗病和抗倒伏能力，特别是增强对水稻稻瘟病、胡麻叶斑病、白叶枯病和二化螟的抗性[5]。硅还可以提高水稻的根系活力，通过增加根线粒体数量促进氧化磷酸化的进行，释放出大量ATP，提高水稻根系的氧化能力和供养能力，从而延长根系功能期，防止根系早衰[6]。因此，开展水稻硅含量研究对于水稻抗病、抗倒伏新品种选育等具有重要意义。有关硅对水稻生理上的作用及施用硅肥能使水稻增产抗逆增效方面的研究已有很多报道，但对水稻中硅含量的遗传差异及水稻硅含量的遗传学研究尚无系统的报道。为此，对我国耕地土壤中硅元素状况，硅与其他元素的相互作用，水稻中硅含量的遗传差异，硅元素对水稻农艺性状、产量、品质的影响及水稻硅含量的遗传学研究进展进行了综述，并对今后的研究方向进行了展望。

1 我国耕地土壤中硅元素状况

硅是地壳中第二大主要元素，主要以SiO2和硅酸盐的形式存在，其中SiO2占土壤的50%～70%[7]。SiO2和硅酸盐矿物在有机物分解和植物呼吸产生的碳酸作用下，可以缓慢分解成可吸收态的硅酸，水稻对SiO2和硅酸盐矿物的吸收量为1 125～1 950 mg/hm2，是对氮、磷、钾吸收量总和的4.4倍。土壤有效硅含量通常被作为衡量土壤供硅能力的指标，但由于成土母质、气候条件、土壤水分等众多因素的影响，能被植物吸收利用的硅只有50～250 mg/kg[8]。

不同地区的耕地土壤中硅含量也不同。以长江冲积物和湖积物为主的南方水稻土有效硅含量为200～300 mg/kg，以酸性红色土为主的南方水稻土有效硅含量为80～120 mg/kg，红砂岩、花岗岩、花岗片麻岩、轻质第四纪红色黏土和浅海沉积物母质发育的水稻土有效硅含量一般低于80 mg/kg[9]。四川省内形成的冲击型黄色土、酸性紫色土及砂岩黄色土母质发育的水稻土有效硅含量平均为69.64 mg/kg[10]。泉维洁等[11]通过对山东省不同土壤类型1 818个耕层土壤样本的调查分析，得出不同土壤有效硅含量高低顺序为褐土>砂姜黑土>盐土>潮土>棕壤>粗骨土，且全省土壤有效硅含量平均为234 mg/kg。

2 硅与其他元素的相互作用

施用硅肥能调节水稻对氮、磷、钾的吸收，并置换出土壤中的磷酸根，从而促进有效磷的释放，同时促进水稻中同化产物向多糖物质转化，以保证水稻的高产优质[12]。2017年，翁颖等[13]进一步证实了硅对水稻磷吸收的促进作用。另外，提高水稻的硅氮比可控制水稻的株高和叶片直立度，从而提高水稻的抗倒伏能力，实现高产[14]。此外，施用硅肥可以提高盐碱稻田水稻的耐盐性，这是因为在盐碱胁迫下，硅可强烈抑制水稻对钠的吸收，进而提高水稻的耐盐性[15]。

硅与重金属元素的相互作用主要体现在对重金属的拮抗作用方面[16]。研究表明，硅能够提高植物根系的通气和供氧能力，促使根系周围的Fe2+、Mn2+和Cd2+被氧化沉积在根系表面，从而减轻重金属盐对水稻的毒害作用[17-18]。此外，硅酸盐可在水中形成凝胶状的单酸硅(H4SiO4)，并吸附Fe2+、Mn2+和Cd2+，这也是硅缓解毒害作用的原因之一[19-21]。

3 水稻硅含量的遗传差异

3.1 硅在水稻植株中的分布规律

研究表明，水稻中硅含量(占水稻干质量的比例)一般在10%以上，并广泛分布于水稻根、茎、叶等各个部位[22]。水稻中硅的积累遵循末端分布规律，且各部位的硅积累量一般表现为谷壳>叶片>叶鞘>茎>根，通常谷壳的硅含量约占植株硅含量的20%，而根的硅含量一般约占植株硅含量的2%[23-24]。另有研究表明，硅一般沉积在水稻表皮细胞壁、中皮层上及细胞间隙中。不同叶位的硅元素积累则以剑叶最高[25]。

3.2 硅含量在水稻基因型间的差异

我国稻种资源丰富，不同基因型之间硅含量也存在明显差异。甘秀芹等[26]研究了30个水稻品种(系)的硅素积累与分配特性及其基因型差异，表明不同品种水稻植株的硅含量在水稻幼穗分化期有较大差异。早季水稻粤杂122比枝优253的硅含量高63%，晚季水稻特优桂99比粤杂122的硅含量高80%，品种间存在极显著差异。研究表明，在低硅土壤条件下，粳稻剑叶的硅含量比籼稻的高50%～100%，粳稻谷壳硅含量比籼稻高93%[27-28]。魏海燕等[29]研究表明，在不同氮素水平下，粳稻对硅素的积累存在极显著的基因型差异，同时各基因型硅素积累与分配对氮素的反应也存在差异。在水稻不同生育时期，前期的硅素积累量少，且大量分布在茎和叶鞘上；幼穗分化期以后，硅素积累量主要分布在穗上，占总积累量的70%～75%[26,30]。上述研究为我国富硅稻种资源的鉴定和筛选奠定了基础，并为进一步通过分子育种手段培育富硅水稻新品种提供了宝贵的资源。

4 硅对水稻农艺性状、产量和品质的影响

4.1 硅对水稻农艺性状及产量的影响

吕惠贞等[31]研究表明，施用硅肥可增加水稻有效穗数和穗实粒数，进而增加产量。钱双[32]和范泽群等[33]研究认为，硅对水稻的增产作用是通过增加千粒质量、穗粒数和穗数实现的。周青等[34-35]也指出，硅肥在水稻生产中的作用主要是通过增加颖花数和穗实粒数扩大“总扩容”，进一步协调源库关系，改善群体质量，增强干物质的生产积累能力，从而起到明显的增产作用。吴建富等[36]在氮硅配施对双季稻产量影响的研究中发现，氮硅肥的合理配施有利于提高水稻群体的有效穗数、千粒质量和结实率，避免植株徒长，从而提高产量。另外，施用硅肥还可以提高水稻超氧化物歧化酶活性，保护细胞膜的完整性，从而起到延缓植株衰老、提高产量的作用[37-39]。近年来，我国及韩国、日本等水稻主要生产国不断开发推广硅肥，使水稻增产3%～15%，明显提升了种植效益和经济效益[2]。

4.2 硅对水稻品质的影响

随着人民生活水平的提高，对稻米品质的要求也逐渐提高。谢必武等[40]以优质特种稻瑞市9号为材料研究硅肥对稻米品质的影响，发现施硅可以在一定程度上降低直链淀粉含量，提高蛋白质含量，改善稻米的食用品质。周青等[34]研究表明，施硅可以提高稻米香味和精米率，改善蒸煮品质，并降低垩白率。王力等[41]研究表明，施用硅肥可显著提高稻米精米率和整精米率，同时降低稻米垩白率和垩白度。胡时友等[42]研究证明，施用硅肥可提高稻米透明度、胶稠度和蛋白质含量。此外，在全国进行的743个水稻硅肥田间试验结果表明，施用硅肥使稻米平均增产10.3%，精米率提高4.9%，垩白率降低8.0%[43]。

4.3 硅对水稻抗倒伏性的影响

HOSHIKAWA等[44]指出，倒伏会降低水稻籽粒的饱满度和品质，同时影响收割。目前，关于硅与水稻抗倒伏性的关系存在3种观点：(1)硅氮比直接影响水稻的倒伏情况，硅氮比>1则抗倒伏，反之则易倒伏[45]；(2)硅的施用增强了细胞壁的厚度，使茎基部第一、二节间缩短，增强了茎的机械强度，从而抗倒伏[46-47]；(3)水稻硅含量与抗倒伏性没有关系[48]。目前，众多研究人员在硅与水稻抗倒伏性关系方面的研究结论大多与第2种观点相同，与第3种观点相同的比较少。

5 水稻硅含量的遗传学研究

早期对硅的研究主要局限在细胞学、植物生理学和土壤肥料学等方面[49-51]。最早关于硅含量的遗传学研究是在硅藻和海藻中进行的[52]。目前，已在海绵中鉴定出3个控制生物硅化的蛋白质[53]，并在大麦和南瓜中成功克隆了控制硅转运的基因[54-55]，但在水稻中并未找到此基因的序列[22]。随着分子遗传学的发展，研究人员逐渐开展了对水稻中硅含量的遗传学研究。

5.1 水稻硅含量QTL(数量性状位点)的初步定位

在水稻硅含量QTL初步定位研究方面，DAI等[56]利用珍汕97B/密阳46构建的重组自交系(RIL)群体对水稻不同部位的硅含量QTL进行定位，在1(2)、6、11号染色体上定位到4个控制水稻谷壳硅含量的QTL，联合贡献率为29.3%；在1、5、11、12号染色体上定位到4个控制水稻剑叶硅含量的QTL，联合贡献率为14.8%；在1、5号染色体上定位到2个控制水稻茎秆硅含量的QTL，联合贡献率为18.6%。MA等[57]利用Nipponbare/Kasalath构建的98个回交自交系(BIL)群体分别在3、5、9号染色体上定位到3个控制水稻谷壳硅含量的QTL。吴秀荣等[58]经过2 a试验定位到3个控制茎秆硅含量的QTL和6个控制剑叶硅含量的QTL，联合贡献率为16.8%～29.2%。吴青松[59]利用Kinmaze/DV85构建的81个RIL群体分别在水稻7、8、10号染色体上定位到3个控制单株吸硅能力的QTL，联合贡献率为35.7%；在1、3、9、11号染色体上定位到4个控制根吸硅能力的QTL，联合贡献率为46.2%。同年利用Asominori/IR14构建的RIL群体分别在7(2)、8号染色体上定位到控制单株硅吸收相关的QTL，联合贡献率为36.0%；在3、7、9号染色体上定位到3个控制根吸硅能力的QTL，联合贡献率为37.0%。NORTON等[60]利用Bala/Azucena构建的79个BIL群体定位到2个控制水稻叶片硅含量的QTL,联合贡献率为25.3%。

5.2 水稻硅含量QTL的精细定位

在水稻硅含量QTL精细定位研究方面，吴季荣[23]利用珍汕97B/密阳46构建的221个RIL群体在RM510和RM204之间检测到1个距离RM510 0.1 cM并控制谷壳硅含量的QTL，贡献率为34.9%，表现为正向不完全显性。随后吴季荣等[61]构建次级群体对控制谷壳硅含量的qHUSS.1区域进行分解验证，在此区域分解出3个QTL，并将区间缩小到147 kb。之后吴季荣[62]又通过构建异质区间迭代的近等基因系(NIL)将qHUSS.1区间缩小到62.4 kb。龚俊义[63]利用珍汕97B/密阳46的剩余杂合体衍生群体,把1个控制产量性状的QTL精细定位在水稻6号染色体短臂远着丝粒RM469—RM6917区间62.4 kb的区域内，把1个控制谷壳硅含量的QTL精细定位在水稻6号染色体短臂近着丝粒RM3438—Si9337区间125 kb的区域内，并在这2个区间内初步验证了产量性状QTL和谷壳硅含量QTL的作用。在此基础上，龚俊义等[64]又在目标区间的13个SSR标记中挑选出杂合区间彼此交迭的3个剩余杂合体,构建了3套NIL，最终将qHUS6.1定位在RM19410和RM19417之间约64.2 kb含9个候选基因的区域内。杜景红等[65]利用珍汕97B/密阳46的4个F1单株，经单粒传构建了859个RIL群体，最终在1.6 cM的RM510—RM204区间内检测到1个控制谷壳硅含量的QTL，进一步证实了6号染色体短臂对珍汕97B/密阳46硅含量的重要作用。王凯[66]利用从珍汕97/密阳46 RIL群体筛选出的1个剩余杂合体，通过连续自交发展3套与目标区间相互交迭的NIL,利用小样本量群体将控制谷壳硅含量的QTLqHUS6.1定位在仅含有1个开放阅读框的区间内，同时构建了1套仅针对目标QTLqHUS6.1的单基因NIL。

5.3 水稻硅含量相关基因的克隆

在水稻硅含量相关基因的克隆方面，WATANABE等[67]研究发现4类降低硅浓度的基因(金属硫蛋白基因、叶绿素a/b结合蛋白基因、水稻白叶枯病抗性基因Xa21家族成员、碳酸酐酶基因)和1类提高硅浓度基因(锌指蛋白基因)。2006年，MA等[68]提出水稻中至少存在2个将外界硅运输到木质部的转运蛋白，并通过混合分离分析法将其中1个基因成功定位到2号染色体RM5303和E60168之间。同年利用图位克隆方法成功克隆了硅内流转运蛋白基因Lsi1。进一步分析表明，该基因属于水通道蛋白家族中的类根瘤素-26内在固有蛋白Ⅲ(NIPⅢ)亚家族，主要在主根和侧根中表达。该基因编码1个由298个氨基酸组成的蛋白质，该蛋白质含有6个跨膜结构域和2个Asn-Pro-Ala基序。该蛋白质的主要功能：(1)负责将硅酸从根细胞外转运到细胞内[69]；(2)增强水稻对草食性昆虫的抗性[70]；(3)调节水稻的抗氧化能力，从而使水稻免受紫外线的辐射[71]、提高水稻对低温胁迫的抗性[72]。MA等[73]继续利用图位克隆方法获得了第2个水稻硅转运蛋白基因Lsi2，该基因编码的蛋白质同样为跨膜蛋白，包含11个跨膜结构域。与Lsi1蛋白功能不同，Lsi2蛋白主要负责将硅酸从根细胞内转运至胞外。2008年，YAMAJI等[74]利用同源克隆方法克隆出第3个控制水稻硅转运和积累的基因Lsi6，该基因也属于水通道蛋白家族中的NIPⅢ亚家族基因，是Lsi1的同源基因，主要在叶鞘和叶片中表达，而在根部表达量较少，主要在硅从木质部转出过程中起作用。

6 展望

目前，硅在水稻生产中已经得到广泛应用，但依然存在很多问题。我国水稻土资源丰富、类型复杂，不同水稻土中硅含量分布差异较大。因此，集中人力、物力全面普查我国水稻土资源，分析土壤成分，对研究不同地区水稻土的硅素肥力状况以及硅肥的合理施用具有重大意义。

我国对水稻中硅的研究已经取得了突破性进展，对于硅在水稻中的运输机制和调控水稻有机酸代谢等方面的作用已经很清楚，对于其调控水稻产量形成、改善水稻品质和增强水稻抗逆性的系统研究也较多。今后的研究可以从以下方面进行加强:(1)对硅与其他元素的互作效应、氮磷钾硅配施技术展开深入研究；(2)从水稻分蘖、拔节、孕穗和成熟期的干物质积累入手，探明硅在水稻营养生长期和生殖生长期所起的关键作用；(3)以前对硅元素提高水稻的抗病性研究多停留在细胞学水平，对硅调控水稻防止病菌感染、增强抗病能力的生理机制有待于继续验证和探讨。

前期的研究使人们更清晰地认知了硅对植物的生理作用和遗传效应，但为了更全面地了解水稻硅的吸收、转运和分配机制，有必要对未发现的控制水稻硅含量的QTL进行挖掘。目前，对于这一方面的研究多停留在珍汕97B/密阳46组合上，对不同地区代表性品种组合控制水稻硅含量的QTL的挖掘几乎没有。因此，开发培育具有地方特色富硅的功能性水稻新品种已经成为分子育种的研究新领域之一。由于QTL的主效应和上位效应对数量性状的遗传具有重要作用，且QTL簇内不同QTL对同一性状和相关性状的遗传效应和作用方式都可能存在差异，研究不同QTL在水稻硅含量遗传控制上的互作关系和综合效应具有重要的遗传学和育种学意义。

在初步定位的基础上，对效应较大的QTL进行精细定位，寻找与目标性状相关的候选基因。目前，对已克隆的Lsi1、Lsi2和Lsi6基因的研究所涉及的植物不多，因此利用已发现的硅转运蛋白基因(Lsi1、Lsi2和Lsi6)对植物全基因组进行探索，并推测其硅元素积累状态，预测植物的序列同源性和硅元素积累状态之间的相关性成了新的研究方向。对未克隆的候选基因进行深度分析，并与性状变异相关基因进行同源对比，对目标基因进行功能分析，同时寻找与目标基因紧密连锁的分子标记，为水稻富硅品种的分子标记辅助选择提供条件，有助于丰富水稻中硅元素吸收、转运和分配机制的基因调控网络，并为高硅水稻分子育种研究提供理论依据。