水稻直播相关性状遗传分析及分子机制研究进展

马雅美，张少红，赵均良

（广东省农业科学院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室/广东省水稻工程实验室，广东 广州 510640）

水稻是我国最重要的粮食作物之一。水稻产业的高效、可持续发展是关乎国家粮食安全和国家稳定的重要基础。传统水稻种植一般采用育苗移栽的栽培方式。移栽可为水稻生长提供适宜扎根成活的土壤条件，且能较好地控制杂草。全球77%的水稻生产采用育苗移栽的栽培方式，而我国甚至高达95%［1-2］。育苗移栽的栽培方式为水稻产量的提高做出了重要贡献。但随着时代变迁和环境影响，水稻育苗移栽在生产中面临越来越严重的问题。首先是劳动力问题，随着我国社会转型和农村劳动力转移，农业劳动力短缺问题日益严重，需要投入大量劳动力的育苗和移栽方式明显不适应目前社会发展的要求。其次是水资源问题，采用育苗移栽的栽培方式，水稻整个生育期都需要灌溉大量的水，造成水资源浪费。再次是水稻生产过程中的温室气体排放问题。移栽的耕作方式使水稻在大部分生长阶段都浸在水中，缺氧环境导致大量温室气体排放。据统计，水稻水田排放了超过全球11%的甲烷气体［3］。

鉴于上述问题，直播耕作模式逐渐受到重视。直播是指水稻不经过育苗阶段，直接通过人工或机械方式在田间播种的栽培方式。水稻直播早期在美国、欧洲等农业机械化水平较高的国家和地区应用广泛，近年来开始在亚洲国家大面积推广，部分国家直播稻面积已超过50%。我国水稻直播发展也比较快，据不完全统计，水稻直播面积安徽已达57 万hm2，湖北、江西、江苏均超过40万hm2，广东也突破10 万hm2。目前水稻直播主要有旱直播、湿直播和水直播3 种模式。旱直播是把干种子直接撒播到干土壤中的直播方式；湿直播是把刚萌动的水稻种子播种到湿润土壤中的直播方式；水直播是把经过催芽的水稻种子播种在淹水田块的直播方式。直播的栽培方式在节约水资源、节省劳动力成本、增加农民收入、提高水稻种植机械化水平等方面均具有显著作用［4］。相对于育苗移栽，直播栽培方式最多可以减少水稻生产过程中30%的劳动力成本，可见，直播是未来极具价值的水稻栽培模式。但目前水稻直播应用和推广仍然面临很大的问题和挑战。其中最主要的挑战是具备适宜直播栽培性状的水稻品种不多，适应直播的性状主要集中在种子发芽、出苗、营养吸收等早期生长过程。然而，由于近现代水稻品种选育一直围绕移栽栽培方式开展，造成早期苗活力、厌氧发芽等大量适应直播的性状相关优异功能基因丢失，导致目前大部分现代品种并不适应直播的栽培方式［5］。据统计，目前大部分高产水稻品种应用于直播时会出现产量下降20%～50%［6］。

水稻产量与栽培措施、土壤类型、气候环境等因素密切相关，其中杂草、环境胁迫、水分管理等因素对直播稻产量影响最大，杂草管理对直播稻产量影响超过30%，是限制直播稻产量最重要的因素［7］。出苗不均匀、成苗率低是直播稻另一个亟需解决的问题。成苗率问题在旱直播中尤为严重，主要由于种子发芽率低，以及早期生长受限制等因素导致。提高水稻对直播栽培措施的适应，同时优化相关配套栽培措施，是推广直播稻、保障直播稻产量最有效的方法。从品种选育角度来看，针对直播栽培所需的性状，培育适应直播的水稻品种，是突破目前直播稻推广和应用瓶颈的关键。目前一般认为，适宜直播的水稻品种应具有发芽率高、苗活力和根活力强、较好的耐低温和厌氧发芽率、抗倒伏等特点［8］。针对直播稻所需性状进行品种改良和选育最成功的例子在美国、斯里兰卡和马来西亚，这些国家超过90%的水稻栽培均采用直播的栽培方法［9］。然而上述适应直播的优异性状基本上都是多基因控制的复杂性状，目前对控制这些性状的功能基因和分子机制研究较少，因此分子育种和遗传改良难度极大。只有鉴定控制这些性状的功能基因，剖析这些性状形成和调控的分子机制，才能对这些性状进行精准、高效的改良，选育适应直播的水稻品种。

本文围绕水稻早期生长活力、厌氧发芽生长、低温发芽、抗倒伏4 个直播稻关键性状，系统梳理和总结了目前在遗传分析、功能基因克隆和分子机制研究等方面的相关进展，并对这些遗传改良在直播中的应用进行展望，为水稻直播相关性状的基础理论研究和育种应用研究提供参考。

1 水稻早期生长活力研究

早期生长活力是决定水稻直播成苗率和后期产量的关键因素之一。较强的早期苗活力主要体现在种子发芽快、发芽整齐、幼苗和根系统生长速度快等，具体指标包括种子萌发率、苗生长速度、根生长活力、苗高、苗干重、叶面积等［10］。较好的早期生长活力可以保证直播的出苗率，避免缺苗，同时保证水稻幼苗更好地与杂草竞争，抑制杂草生长，促进幼苗尽快扎根，为早期生长提供足够营养。

1.1 水稻早期苗活力相关功能基因及分子机制

随着直播稻的推广和需求逐渐增大，越来越多研究关注水稻早期活力的相关性状。水稻基因库中存在大量早期苗活力的优异自然变异［11］，近年来相关的遗传分析和功能基因克隆研究进展较快。Chen 等［12］利用744 份国际稻种资源进行水稻早期苗活力全基因组关联分析，鉴定到42个与水稻早期苗活力相关的QTL。OsGA20ox1是第一个鉴定到的与水稻早期苗活力相关的功能基因，该基因编码GA20 氧化酶，该酶是催化赤霉素生物合成倒数第二步反应的关键酶。分析该基因序列发现，其启动子区的变异控制了OsGA20ox1的表达量，导致水稻体内GA 含量升高，从而提高苗活力［13］。OsIPMS1也是控制水稻早期苗活力的功能基因，能催化亮氨酸的生物合成，敲除OsIPMS1导致水稻幼苗氨基酸含量下降，早期苗活力明显降低。进一步研究表明，OsIPMS1通过提高种子萌发过程中游离氨基酸的生物合成，促进赤霉素合成，增强种子萌发过程中三羧酸循环和糖酵解反应，从而为种子萌发和幼苗生长提供营养［14］。

中胚轴伸长是早期苗活力的另一个重要指标。发芽阶段中胚轴快速伸长有利于提高出苗速度和出苗整齐度。Zhao 等［15］利用621 个材料组成的水稻自然群体和全基因组关联分析，鉴定到两个控制水稻中胚轴伸长的功能基因（OsML1和OsML2）。OsPAO5是一个多胺氧化酶基因，也是一个控制水稻中胚轴伸长的功能基因。研究发现，敲除OsPAO5基因后，水稻在早期苗期生长阶段中胚轴长度明显增加，出苗更整齐，还可以增加粒重、粒数等产量性状。可见，OsPAO5是非常有潜力用于改良水稻直播性能的目标基因［16］。

1.2 水稻早期根活力相关功能基因及分子机制

除了地上部分苗活力，早期根活力也是水稻适应直播的另一个重要表型［17］。种子中的营养元素只能短时间支持幼苗生长，如种子中的氮和铁可以支持幼苗生长7～10 d，磷可以支持幼苗生长10～14 d。因此较强的早期根生长活力可以促进幼苗更快扎根，为早期苗生长尽快提供营养，早期根活力常常与早期苗生长性状（如苗干重等）密切相关［18］。此外，较强的早期根活力也可以促进植株在土壤中扎根，从而提高直播稻的抗倒伏能力［19］。

相对于其他地上部分的早期活力指标，早期根活力的研究较少。目前主要以根的长度或重量作为根活力的表型。Yang 等［20］则利用根扫描系统对早期根系统生长的多个性状进行更全面的表型鉴定，通过综合评估遗传群体的早期根活力进行QTL 定位。Wang 等［17］利用全基因组关联分析鉴定到一个大效应的控制侧根数的QTL，并通过基因敲除证明一个糖基水解酶基因（LOC_Os11g44950）是这个位点的功能基因，该基因可以响应生长素信号，其促进水稻根生长活力的机制可能是通过水解反应使根细胞的细胞壁松弛，从而促进侧根生长。Zhao 等［21］通过全基因组关联分析鉴定到一个糖基转移酶OsIAGLU，通过调节多种植物激素控制主根生长和侧根数量。

2 水稻厌氧发芽生长研究

水稻已进化出耐淹机制和避淹机制以应对低氧或缺氧胁迫［22］，成为唯一可以耐低氧环境发芽的作物。但一般的水稻现代品种耐低氧能力不强［23］，淹水成苗率低是直播稻需要解决的重要问题之一。在旱直播和湿直播过程中，由于田块不平整、暴雨、低洼积水或田块排水困难等系列原因，会造成低氧或者缺氧环境，从而影响直播种子成苗。水直播方式则为了控制杂草和防止鸟食，直接把发芽种子浸没在有水层的田块中［24］。因此，提高水稻低氧胁迫耐受性，使其在低氧环境中快速萌发和生长，对提高直播稻成苗率具有重要意义，同时也对后期苗活力、营养利用乃至产量具有重要影响［25］。大量研究表明，水稻种质资源中含有大量可以提高低氧胁迫下发芽和生长的功能基因和优异遗传变异，克隆相关功能基因并剖析其调控分子机制，选育在低氧胁迫下具有高发芽率和快速生长特性的水稻品种，对于水稻直播推广和应用具有重要意义。

2.1 水稻厌氧胁迫下的胚芽鞘快速伸长

通过胚芽鞘快速生长并伸出水面，是水稻发芽过程中独特的应对缺氧胁迫的一种策略。低氧胁迫可以促进水稻胚芽鞘快速伸长。由于胚芽鞘具有中空结构，胚芽鞘快速生长并伸出水面使氧气可以通过胚芽鞘扩散到胚乳，从而促进种子萌发和幼苗生长。通过水稻胚芽鞘伸长机理的多年研究发现，胚芽鞘生长与生长素信号通路相关［26］。其中较为明确的机制是，在低氧环境下小分子RNA miR393 表达受到抑制，从而提高miR393 靶标基因生长素响应因子（Auxin Response Factor）的表达，进而激活生长素信号，最终促进胚芽鞘伸长［27-28］。除了生长素以外，乙烯和赤霉素也是对胚芽鞘生长有重要影响的植物激素。Hattori等［29］以深水稻为研究对象，利用来源于粳稻T65 和深水稻C9285 的F2群体，鉴定得到3 个主效耐淹QTL，分别位于第1、3、12 号染色体上，并从第12 号染色体上克隆了2 个耐淹主效基因SK1（SNORKEL1）和SK2（SNORKEL2）。研究表明，SK1和SK2编码乙烯响应因子，淹水胁迫诱导SK1和SK2在深水稻茎基部（包括节和节间）、叶片、叶鞘等部位的表达。SK1和SK2可以正向调控赤霉素途径，通过促进细胞伸长生长，进而使植株尽早突破水面而获得氧气，最终使得水稻在淹水条件下存活。

2.2 水稻厌氧胁迫下的能量调节

能量缺乏是低氧胁迫对种子发芽和幼苗生长最致命的影响。水稻在低氧胁迫下可以通过对基因表达进行重编程，调整自身能量代谢以适应低氧环境，这是水稻实现厌氧发芽和生长的另一有效策略。研究发现，在芽期和苗期具有较好耐受低氧胁迫的水稻品种，其生理反应和基因表达与不耐受品种相比有明显差异。这些差异表达基因包括α-淀粉酶、乙醇脱氢酶、丙酮酸羧化酶等，这些代谢相关的酶快速表达与水稻耐厌氧发芽和苗期生长密切相关［30］。其中α-淀粉酶表达调节对低氧胁迫响应的分子机制目前研究相对清楚。缺氧信号通过钙离子信号通路，激活CBL4和CIPK15，继而激活SnRK1A 和MYBS1，最终促进α-淀粉酶表达。α-淀粉酶表达量提高可以加快种子淀粉水解，维持低氧胁迫下种子发芽所需的能量［22］。在CBL4-CIPK15-SnRK1AMYBS1 信号通路中，OsCIPK15编码一个类钙调神经磷酸酶B 亚基互作蛋白激酶，在缺糖条件下受诱导表达。正常条件下，cipk15突变体的萌发和野生型没有明显差异，但是浸没在10 cm 的深水条件下，cipk15突变体无法长出胚芽鞘，生长受到明显抑制。研究表明，CIPK15 通过调节能量和胁迫感受因子SnRK1A（Snf1 Protein Kinase 1），进而引起下游一系列级联反应，比如诱导转录因子MYBS1 的表达，增强淀粉水解酶基因的表达和诱导乙醇脱氢酶的合成，从而促进无氧呼吸以保证细胞生长所需的能量，最终促使胚芽鞘伸长［31］。最新研究证明，水稻FLZ基因家族多个成员与SnRK1A 存在蛋白互作，进一步的转基因试验证明OsFLZ18 可以通过与SnRK1A 互作，影响水稻幼苗生长以及淹水条件下胚芽鞘的伸长［32］。

2.3 水稻适应厌氧胁迫的功能基因

海藻糖-6-磷酸磷酸酶7（TPP7）基因是从水稻一个厌氧发芽QTL（qAG-9-2）中克隆得到的功能基因，其编码的海藻糖-6-磷酸磷酸酶在6-磷酸海藻糖代谢过程中发挥重要作用。研究表明，TPP7基因通过调节源库平衡，增加向胚和胚芽鞘输送的糖含量，保证能量来源，从而使水稻在淹水胁迫下萌发存活［33］。

SUB1A是目前鉴定到的水稻另一个耐受低氧胁迫的功能基因，它编码一个乙烯响应因子。SUB1A通过调节乙烯和赤霉素途径完成对耐淹性状的调控。首先，SUB1A可以诱导GA2ox表达，降解赤霉素；同时诱导赤霉素途径的重要负调控子SLR1和SLRL1的表达，从而抑制赤霉素信号，抑制节间伸长。此外，SUB1A通过反馈抑制乙烯的产生进一步抑制赤霉素的产生，从而抑制赤霉素介导的伸长，减少能量消耗以使水稻存活［34-35］。

目前，针对水稻厌氧发芽和厌氧生长的遗传分析鉴定到大量相关的QTL 和候选功能基因，如Zhang 等［36］通过全基因组关联分析鉴定到15 个与厌氧发芽相关的QTL。但这些QTL 的功能基因克隆进展非常缓慢，真正通过图位克隆鉴定到的功能基因目前只有OsTPP7［37-39］。

3 水稻低温发芽研究

低温冷害是水稻生产过程中重要的限制因素。与其他作物相比，起源于热带、亚热带的水稻对低温胁迫更敏感，且在整个生育期都对低温胁迫敏感。其中，发芽期的低温冷害与水稻直播关系最密切。低温常导致发芽率低，发芽延迟，苗活力低，最终影响产量。低温发芽率存在明显的籼粳分化，一般来说，粳稻的低温发芽率高于籼稻，这与粳稻适应低温环境密切相关［40］。直播稻对水稻发芽期的耐冷性有更高要求。在华南双季稻区，早稻直播常常会遇到倒春寒天气，导致种子萌发率低，影响直播稻的发芽率和成苗率。而对于温带或亚温带地区的直播稻，耐低温发芽则是其实施直播栽培的基本前提条件［41］。

3.1 水稻低温发芽功能基因克隆

低温发芽是一个典型的微效多基因控制的复杂性状［42］，功能基因克隆非常困难。目前已鉴定到较多控制水稻低温发芽的QTL［43-45］，但真正被克隆的功能基因只有2 个。第一个被克隆的是qLTG3-1，它编码一个富含甘氨酸（GRP）的未知功能蛋白。目前，推测其生理功能是促进种胚外层包裹组织的液泡化降解，从而增强种子的低温萌发力［46］。研究发现，qLTG3-1存在1 个71 bp 的插入突变，在其他中等低温发芽抗性材料中存在1 个错义突变，研究证明这两个突变是该基因的功能性突变［47］。进一步研究发现，qLTG3-1在多种环境下都可以促进水稻发芽，因此该基因可能是一个与发芽相关的功能基因，而非特异的控制低温发芽的功能基因［47］。第2 个被克隆的低温发芽功能基因是OsSAP16。OsSAP16是水稻18 个SAP成员之一，编码拥有保守的A20/AN1-C2H2 锌指结构域的蛋白。OsSAP16在发芽过程中被诱导，同时也可以被低温诱导，提高其表达量可以显著提高水稻低温发芽率［48］。

此外，还有许多水稻低温发芽QTL 定位的研究。如Yang 等［49］利用国际稻种资源进行全基因组关联分析，在第10 号染色体鉴定到1 个全新的低温发芽QTL，并鉴定到候选功能基因。野生稻是水稻抗逆基因的重要来源。Nguyen 等［50］从普通野生稻中鉴定到5 个与低温发芽相关的QTL，后续研究进一步把其中位于第1 号染色体的1 个QTL 精细定位到167 kb 的基因组区间内。Shim等［51］也在普通野生稻中发现qTLG3-1的一个全新等位基因可以控制水稻低温发芽。

3.2 水稻低温发芽分子机制

水稻低温发芽与植物激素GA 密切相关。Wang 等［52］发现，低温可以促进GA 降解，继而抑制水稻种子胚乳中的淀粉水解，从而抑制种子发芽。最新的代谢组学技术为水稻低温发芽的分子机制研究提供了更高效的手段。通过对耐低温发芽品种和不耐低温发芽品种进行代谢组学分析，Yang 等［53］鉴定到730 个差异代谢物，对这些代谢物进行统计分析发现，氨基酸合成和谷胱甘肽代谢过程中的关键代谢物与低温发芽密切相关。

4 水稻抗倒伏研究

倒伏会导致水稻严重减产，品质大幅下降，并影响后期机械化收割等。研究证明直播稻的倒伏风险远高于常规移栽栽培方式种植的水稻，因此抗倒伏是直播稻极其重要的性状［54］。水稻倒伏主要包括根倒伏、茎弯折和茎折断3 种类型。由于直播稻扎根较浅，因此对根倒伏更敏感。此外，为避免缺苗，直播稻会提高播种密度，容易形成局部植株密度过大，单个植株获得光照减少，造成茎秆不够粗壮，增加了直播稻的倒伏风险。

4.1 水稻倒伏影响因素

抗倒伏不但是直播稻的育种目标，也是长期以来水稻育种的一个重要目标。20 世纪50 年代，广东农业科学院水稻研究所黄耀祥院士首先提出通过选育半矮秆水稻来解决华南地区由于台风等原因造成的水稻倒伏问题。黄耀祥院士通过利用含有矮秆基因sd1的育种材料成功选育出半矮秆水稻，提高了水稻的抗倒伏能力，同时大幅提高水稻收获指数，相关成果直接推动了“第一次绿色革命”［55-56］。

但半矮秆性状也会造成水稻生物量降低，客观上阻止了水稻产量的进一步提高［57］。研究陆续发现，SD1基因具有多效性，导致水稻矮化的sd1基因型会降低水稻光合作用和生物量，以及导致茎秆解剖学缺陷等一系列不良农艺性状［58］。最新研究表明，除了株高，茎壁解剖结构、茎壁细胞的成分组成等因素对提高水稻抗倒伏能力有紧密关系［59-60］。因此适当提高水稻株高，通过增大茎秆直径，提高茎秆细胞厚度和茎秆木质素含量等方法，可以在保证水稻生物量的同时提高水稻抗倒伏能力［61］。

除了基因和遗传控制，环境和栽培方式也对倒伏有极其重要影响。Wang 等［62］发现，相对于水直播和湿直播，旱直播的水稻拥有更短的基部节，更厚的茎壁，具有更好的抗倒伏能力。此外，不同氮肥施用方式也会影响水稻的抗倒伏能力。广东省农业科学院水稻研究所与国际水稻研究所合作研发的“水稻三控施肥技术”（控肥、控苗、控病虫），通过前期控肥缩短基部节间的方式，可以在不降低甚至增加株高的情况下提高抗倒性［63-64］。

4.2 水稻抗倒伏功能基因

目前鉴定到一些水稻抗倒伏QTL，如Yadav等［65］利用BC 群体鉴定了12 个与各种倒伏性状相关的QTL，并确定了一个编码GA 合成酶的基因是控制水稻抗倒伏能力的候选功能基因。该研究也证明了这些抗倒伏性状与直播稻的产量具有显著正相关，即提高水稻抗倒伏能力可以提高直播稻的产量。Merugumala 等［66］通过图位克隆在水稻第6 号染色体上鉴定到1 个抗倒伏QTL，通过回交和分子标记辅助选择，成功构建了与亲本背景一致、具有更宽更厚茎秆的抗倒伏水稻新品种。

抗倒伏是极其复杂的性状，而且与栽培耕作方式、环境等许多因素存在复杂的相互作用，因此相关基因克隆研究进展较为缓慢。目前已鉴定的与抗倒伏相关的QTL 超过30 个，但只有3 个功能基因被克隆。APO1是第一个被克隆的可以提高茎秆强度的基因，其编码一个由429 个氨基酸组成的F-box 蛋白。APO1基因可以提高水稻茎秆强度，从而提高水稻的抗倒伏能力。同时，APO1还可以提高每穗粒数，因此可以利用APO1同时提高水稻产量和抗倒伏能力［67］。

野生稻也是抗倒伏功能基因的重要来源，其中非洲野生稻具有较强的茎秆和较高的生物量，是提高水稻抗倒伏性状的重要基因库。Long 等［68］从非洲野生稻入手，通过构建遗传群体，鉴定到12 个全新的提高水稻抗倒伏能力的QTL，并在第1、8 号染色体上分别精细定位了两个可以提高茎秆强度的QTL。

5 展望

随着我国未来社会和农业生产进一步转型升级，直播必然是未来重要的水稻栽培方式。大量研究表明，直播稻在产量上可以达到与移栽稻相当的水平［69］，但由于现代水稻品种普遍缺乏应对直播逆境环境的特性，因此目前适应直播的水稻品种非常缺乏，严重制约直播稻在我国的进一步应用和推广。针对制约直播稻推广和应用的关键因素，首先可以加强水稻轻简化栽培技术的研究。例如，广东省农业科学院水稻研究所经过多年探索，初步制定了直播稻高产高效栽培技术规程，在广东省阳江和廉江等地示范应用，相比传统栽培法节肥 21.8%～23.7%，减少灌溉2～3 次，增产8.4%～18.4%［64］。此外，需要加强抗除草剂种质的创制，但水稻中天然抗除草剂的种质资源缺乏，可探索利用化学、物理诱变等技术，培育抗多种除草剂的水稻新品种。而更为重要的是，加强培育适合水稻直播的新品种。

目前，大量水稻高产优质品种都是围绕移栽的栽培方式选育的，许多优异的直播相关性状功能基因在现代品种中已经丢失，客观上导致这些性状的挖掘和改良困难，因此通过基于现代品种进行常规选育种的策略选育适应直播的品种可能效果不佳，必须从具有更丰富多样性的种质资源，甚至野生稻资源入手，运用现代分子生物学和功能基因组学技术，挖掘适应直播相关性状的优异功能基因，剖析这些优异性状形成和调控的分子机制。同时利用更高效、更精准的现代分子育种技术，把鉴定到的功能基因应用于直播稻的遗传改良，加快选育适合直播的水稻新品种，促进直播稻在水稻生产中更广泛应用和推广，满足当前水稻产业需求。