我国水稻分子生物学发展及展望

崔元江 郭龙彪

（中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州 310006；*通讯作者：guolongbiao@caas.cn）

我国是一个农业大国，水稻是保障我国粮食安全和实现农业可持续发展的主粮作物。新中国成立以来，两次重要的水稻遗传育种突破，即20 世纪50年代开始的矮化育种和70年代杂交水稻育种，使我国水稻产量发生了质的飞跃，同时也掀起了全世界范围的水稻育种潮流；80年代，得益于现代分子生物技术的发展，分子标记辅助育种渐渐走进育种家的视野，这让以“形态标记”为特征的传统遗传育种有了一定的分子追踪性；90年代，我国启动了（绿色）超级稻育种。1998年，中国成为参与“国际水稻基因组测序计划”的国家之一；2002年，完成水稻全基因组工作框架图。21 世纪初，我国启动了水稻功能基因组学研究，深度挖掘控制优良性状的基因，为我国水稻产业的可持续发展增添了宝贵的基因资源。

21 世纪以来，水稻分子生物学在我国开始崛起，尤其是在逆境生物学、水稻组学、优良性状基因克隆以及分子调控网络方面取得了瞩目的成就。统计数据分析表明，2003年以来，中国学者在国际顶尖期刊《Nature》《Science》《Cell》上发表水稻科学领域论文22 篇，在《Nature Genetics》期刊上发表30余篇，在《Plant Cell》期刊上发表130余篇。本文归纳了2003年以来中国学者在水稻分子生物学领域取得的重要研究成果，并就未来我国水稻生物学发展的趋势进行展望。

1 我国在水稻生物学领域的研究成果

1.1 农艺性状的遗传调控

株型是一个决定产量的重要农艺性状。2003年，LI与QIAN等[1]合作克隆了首个水稻分蘖基因MOC1，编码GRAS蛋白调控单秆表型。这是我国水稻功能基因组学发展的一个里程碑。相继克隆的理想株型基因IPA1，转录因子OsSPL14，通过miR156 调控少蘖、壮秆和增产[2]。qWS8/ipa1-2D等位基因通过结构变异降低甲基化水平和剂量效应调控理想株型[3]。D53 是植物激素独脚金内酯信号通路的负调控因子[4-5]；还与IPA1互作抑制表达。2008年，JIANG和ZHOU等[6-7]分别克隆了控制野生稻匍匐生长基因PROG1，首次阐明了直立株型驯化的分子机理。另外，miR156/miR529/SPL和miR172/AP2 通路控制分蘖和稻穗分枝[8]。miR396d 抑制赤霉素（GA）和促进油菜素内脂（BR）调控株高和叶夹角。FUWA 编码NHL 结构域蛋白，负调控茎秆和稻穗发育[9]。OsALMT7 影响苹果酸的转运和幼穗发育[10]。TUT1 能体外激活肌动蛋白调控穗发育[11]。OsARFs、OsBZR1 这两个转录抑制子抑制FZP 表达，延长穗分枝期，提高水稻颖花数和产量[12-13]。OSA1 能促进根部的铵吸收和同化，过表达OSA1可以使氮利用效率和谷物产量增加[14]。GSN1-MAPK 模块通过激素调控细胞增殖来整合籽粒大小和籽粒数之间的平衡[15]。LF1 突变导致OSH1 异位表达，形成侧生小花[16]。

在籽粒研究方面，2006年，FAN等[17]克隆了第1个粒长QTL GS3，通过竞争性结合RGB1 来抑制DEP1/GGC2 信号，调控粒长。GW2 编码E3 泛素连接酶，调控粒宽和粒质量[18]。GIF1 编码蔗糖转化酶，调控籽粒淀粉形成[19]。GS5 编码丝氨酸羧肽酶，调控粒宽和粒质量[20]。GW8 编码OsSPL16，调控粒宽、粒质量和产量[21]。BG1过表达增强生长素极性运输能力，增大籽粒[22]。OsBUL1是另类的bHLH蛋白，与LO9-177/ OsBC1互作形成三聚体，调节籽粒与叶倾角大小[23]。GLW7 调控粒形，与热带粳稻谷粒变大相关[24]。GW5与GSK2互作，正调节BR 信号通路，进而负调控籽粒大小与粒质量[25]。qTGW3/TGW3/GL3.3 模块影响细胞大小和数目，负调控粒形和粒质量[26]。OsSK41编码类GSK3 激酶，与生长素因子OsARF4互作，负调控籽粒大小和生长素信号[27-28]。LARGE8与OsMAPK6互作并失去活性，进而影响颖壳细胞增殖，负调控粒形。Ghd7 是一个能同时调控株高、穗粒数和抽穗期的位点，长日照条件下，过表达Ghd7能推迟抽穗、增加穗粒数和株高[29]。直立穗基因DEP1，促使细胞分裂，降低穗颈节长度和增多穗粒数，促进水稻增产[30]。

1.2 逆境生物学

水稻生长容易受到生物和非生物胁迫的影响，面对各类胁迫，水稻会自然进化形成多种抵抗机制。

1.2.1 生物逆境

经过长期坚持不懈的探索，我国科学家在水稻新型广谱抗病及遗传基础研究方面取得了新的突破。LI等[31]克隆了一类含有锌指结构的转录因子Bsr-d1，通过结合OsDREB1B 启动子来协调H2O2含量进而提高水稻广谱抗病性；随后又克隆了双抗（抗稻瘟病和白叶枯病）隐性基因bsr-k1，能与多个免疫相关的OsPAL家族成员的mRNA 结合，减少木质素的生物合成，增强抗性[32]；进一步研究发现，IPA1 基因的Ser163 位点被磷酸化，可以增强植株抗稻瘟病的能力，首次诠释了单个基因的改变能兼顾增产和抗病的平衡机制[33]。DENG等[34]发现了具有广谱抗病性的基因Pigm。Pigm 基因座中含有NLR 受体的基因，其中PigmR与PigmS 通过组成1 对功能拮抗的受体蛋白来达到抗病的目的；近日又揭示了一条全新的基础免疫代谢调控网络，发现水稻广谱抗病NLR 免疫受体如PigmR等通过竞争性抑制毒性蛋白与PICI1互作，进而保护和加强此代谢通路，从而激发更为强烈的ETI 抗性（专化性抗性），协同整合植物PTI（基础抗病性）和ETI 两层免疫系统，赋予水稻广谱抗稻瘟病的新机制[35]。

虫害也严重影响农作物产量和质量。ZHAO等[36]在褐飞虱抗性基因的研究中取得重大突破，克隆了多个褐飞虱抗性基因。BPH9 编码一种含NLR 结构域的蛋白，参与排趋性和抗生性作用，赋予水稻对褐飞虱的抗性。BPH14 是第1个在水稻中克隆到的抗虫基因，可激活茉莉酸信号和水杨酸途径，通过抗生作用来抵抗褐飞虱的取食[37]。Bph6编码外囊定位蛋白，调控水稻细胞的外泌，赋予水稻对飞虱的广泛抗性[38]。

1.2.2 非生物逆境

盐胁迫影响水稻生长发育和产量。2005年，REN等[39]克隆了第1个水稻耐盐QTL SKC1，编码1个HKT家族的转运蛋白，参与调节水稻地上部K+/Na+的平衡，增加耐盐性，这已成为水稻复杂数量性状遗传机制研究的范例；另外又克隆了2个耐盐相关基因OsHAL3和DST。DST 是一个新型锌指转录因子，通过与DCA1互作，调节保卫细胞中活性氧的稳态和气孔开度，进而负调控水稻的耐逆性。OsHKT1;1 编码1个高亲和性K+转运蛋白，能调节茎中Na+浓度，抑制叶片中Na+毒性，增强抗盐能力。SNAC1 编码1个NAC 转录因子，过量表达提高水稻的耐盐抗旱性[40]。水稻类受体激酶SIT1，通过MAPK3-MAPK6-乙烯合成途径调控盐胁迫下平衡生长[41]。

温度的差异对水稻的生长发育和产量具有重要影响。植物主要通过保护和调节两大类基因来应对各种胁迫压力。2015年，MA等[42]发现了调控耐冷的关键基因COLD1，该基因通过与RGA1互作来感知温度变化，进一步激活Ca2+通道，提高G蛋白的GTP酶活性，最终增强水稻耐冷作用。转录因子bZIP73 在水稻苗期耐冷过程中起到重要作用，通过与bZIP71 直接互作来调节植物中脱落酸的含量和活性氧的稳态，从而提高对低温耐受能力[43]。耐寒基因qCTB4-1 能有效提高水稻在孕穗期的耐寒性[44]。耐热基因OgTT1 是首个从非洲栽培稻克隆的数量性状基因，该基因通过快速清除细胞内的变性蛋白来维持高温下胞内蛋白平衡，起到抗热作用[45]。耐热基因TOGR1 编码1个受温度控制的解旋酶，酶的活性随温度升高变强，参与pre-rRNA 前体加工，对高温下细胞增殖十分重要，进而调控水稻的耐热能力[46]。穗发育基因EG1 编码1个有功能的脂肪酶，通过高温介导的方式发挥功能，促进花器官的稳态发育和低于温度波动。

1.3 水稻育性遗传调控

籼、粳稻两个亚种之间存在生殖隔离，使得它们的杂种育性很低。广亲和种质和基因的发掘有利于解决籼粳杂种不育问题。2008年，CHEN等[47]克隆了控制籼粳杂种育性的关键位点S5，该位点由3个紧密连锁的基因组成，进一步研究发现，籼稻S5i和粳稻S5j 基因型存在2个碱基的差异，这是造成杂种不育的主要原因。S5 位点的3个连锁基因在籼粳之间存在明显差异，籼稻为ORF3+ORF4-ORF5+，粳稻为ORF3-ORF4+ORF5-。广亲和品种的S5-n蛋白丢失了N 端信号肽导致其功能丧失，因此与籼、粳稻杂交均可育。籼粳杂种F1雌配子形成过程中，粳型配子ORF3-不能有效防护ORF4+ORF5+的杀伤，导致败育。另一个不育Sa 位点，由SaM和SaF 组成。籼稻SaM+SaF+和粳稻SaM-SaF-基因型，籼粳子代携带SaM－的花粉败育，LONG等[48]提出了“两基因-三因子互作模型”是籼粳杂种雄配子不育的遗传基础。

细胞质雄性不育是杂种优势利用的基础。2012年，HUANG等[49]发现红莲型细胞质雄性不育的性状，提出红莲型配子体育性恢复模型，2个非等位育性恢复基因Rf5和Rf6 参与其中。Rf5 作用于线粒体，抑制ORFH79蛋白积累，恢复线粒体功能；RF6与OsHXK6互作，调控己糖激酶与恢复雄性不育[50]。恢复基因RF1A和RF1B 分别以内切或降解方式调控ORF79蛋白的产生，恢复育性。还发现水稻野败型CMS 的线粒体基因WA352c 多次重组进化，与蛋白COX11互作，导致花药绒毡层细胞过早的程序性死亡与雄性不育。Rf4 编码PPR蛋白，降低不育基因WA352的转录水平而恢复育性[51]。HUANG等[52]开发了一种综合基因组方法，并构建了1 495 份优良杂交稻品种及其自交亲本系的基因组图谱，揭示了杂种优势现象的重要促成因素是具有正优势的稀有优势等位基因的积累；随后又利用GWAS 技术分析17个代表性杂交水稻品种F2品系的表型，为杂种优势和水稻杂交育种的基因组结构提供了信息[53]。

光温敏雄性不育水稻已被广泛应用于两系杂交水稻育种。FAN等[55]发现，控制农垦58S不育的pms3基因是1个长链非编码RNA，受长/短日照调控来影响水稻育性。p/tms12-1基因编码小RNA, osa-smR5864w 功能丧失表现光温敏雄性不育。pms1编码的PMS1T是miR2118的靶标，与植物特有的phasiRNAs 积累相关，且积累的差异可能导致雄性不育，表明phasiRNA 的积累对育性变化具有重要影响。自私基因qHMS7 调控水稻杂种不育的ORF2D-ORF3D毒性-解毒分子机制[56]。S1位点是影响亚非栽培稻种间不亲和的关键遗传因素，该位点上的S1TP既能保护非洲栽培稻S1-g 型配子，同时与S1A4和S1A6可构成“杀手”，杀死亚洲栽培稻的S1-s 型配子。此外，还有TMS5和tms10等不育基因调控育性。

1.4 水稻品质性状的遗传调控

生活质量的提高使人们对稻米品质的要求越来越高。水稻育种经常面临“高产不优质，优质不高产”的难题。目前在水稻中已克隆调控粒形的基因GS3、GW8、GL7、GW7和GS2，均可提高稻米品质而不影响产量[57]。OsROS1 能增加糊粉层的厚度。可溶性淀粉合成酶基因（SSIII）突变后产生高抗性淀粉RS 的稻米。OsSULTR3;3 编码硫酸盐转运蛋白，参与磷和硫的互作，在籽粒代谢中发挥重要作用。OsSPMS1 是乙烯生物合成的重要调节因子，能通过乙烯和ACC 途径，影响种子萌发和植物生长。此外，品质基因FSE1、FLO16等参与了植物内淀粉合成。

在养分高效利用方面，SUN等[58]报道了控制水稻氮利用效率的QTL qNGR9，DEP1等位基因与G蛋白RGA1和RGB1互作，增强氮利用率。GA 信号途径关键元件GRF4与DELLA蛋白作用，维持植物生长与碳-氮代谢的平衡[59]。硝酸盐转运蛋白NRT1.1B 通过与SPX4互作，且互作强度能被硝酸盐强化并招募与NRT1.1B互作的蛋白NBIP1，促进SPX4 的降解来激活氮磷响应基因[60]。此外，NRT1.1B 还能改变根际微生物群属，调控籼粳稻的氮利用率差异[61]。基因组学方面，对3 000 多份水稻品种的测序分析，弄清了亚洲栽培稻的起源及群体基因组结构的变异，进一步诠释了生物遗传的多样性[62]。ZHAO等[63]在水稻基因组重测序、进化分析和复杂性状的GWAS 分析方面取得了一系列创新性的成果。QIU等[64-65]分析了来自4个地区的155个杂草稻与栽培稻的基因组，揭示了水稻去驯化过程中可能具有更多固有的复杂性。GUO等[66]报道了稗草的基因组序列草图，为杂草适应极端环境的分子机制提供了新的理解。WANG等[67]通过对多个编辑减数分裂的基因进行敲除，将减数分裂转换为有丝分裂，以此固定F1代的杂合性，培育出无融合生殖的子一代植株。

2 我国水稻分子生物学发展趋势与对策

我国水稻生物学研究，尤其在逆境生物学、水稻组学、代谢组学及基因功能解析方面成果斐然。在保持良好发展势头的前提下，需要进一步关注世界科学前沿问题，面向生产实践开展原创性、突破性的研究。纵观近百年来的水稻生物学研究进展，水稻无融合生殖体系发展和完善、高光效合成生物学发展、分子大数据和表型组学，以及调控网络分子设计育种将是今后主要的研究方向。

2.1 高光效水稻和合成生物学发展

发展绿色、高效和可持续农业的关键在于提高光能利用效率。当前农业生产中亟待解决的难点问题在于如何优化作物光合作用系统、提高光合效率及适应全球气候变化。水稻理想的光能利用率为3.0%～5.0%，而目前高产品种的光能利用率仅为1.5%～2.0%，由此可见，光能利用率具有巨大的挖掘潜力。我国科学家在光能利用率方面获得重大进展，如解析了光反应色素蛋白复合体的结构与功能，揭示了光合作用光系统调控及建成，发现了Rubisco 结构及功能、C4高光效水稻等[68]。此外，通过人工设计和构建具有特定生理功能的生物系统，初步建立了生物制造新途径。由此可见，水稻光合作用合成生物学研究在我国具有得天独厚的优势和发展潜力。

2.2 水稻无融合生殖和杂种优势固定

无融合生殖具有固定杂种优势的潜力, 也是培育一系杂交水稻研究的热点，但是,其复杂的机制一直未能取得突破。王克剑研究组发现，同步突变多个基因MATL、PAIR1、REC8和OSD1可以将减数分裂转换为有丝分裂, 基因编辑育成与母本遗传背景完全一致的克隆配子Mi Me，实现无融合生殖。此外，AP2家族转录因子BBM1可以不经受精诱导胚胎生成，实现水稻的孤雌生殖。总的来说，在水稻无融合生殖领域中迈出了一大步，但简化和实用的操作系统仍需进一步完善和发展。

2.3 大数据和表型组学

随着水稻参考基因组高通量测序的完成、生物信息学与大数据计算的完美结合以及蛋白质组学，基因组学等组学数据的出现，越来越多的学者认为植物大数据和表型组学的时代已经到来。鉴于高通量无损检测对于分子大数据在水稻遗传育种应用的优越性，建立更完整的水稻大数据库显得很有必要，往后应该建立完整的水稻泛基因组数据、优良种质、核心种质的基因组构成、完整的主要性状基因调控网络，以及分子大数据与表型组学相结合的数据库。

2.4 水稻分子设计育种

分子设计育种作为一种新的育种理念在世界范围内正逐渐兴起。随着育种技术的不断突破和功能基因组研究的高速发展, 传统的水稻育种正迈向与分子设计育种相结合的新时代。目前，从水稻的4万多个功能基因中仅仅克隆到功能基因3 000 多个，得益于CRISPR. Cas9 定点突变技术的突破，相信更多的功能基因会被陆续鉴定。如何利用好这些重要的功能基因，是我们面临的重大难题。QIAN等[69]就如何将水稻功能基因研究有效应用于育种上去，提出了超级杂交水稻分子设计育种的理念，通过精准的分子设计育种与分子标记辅助育种，培育出了兼具杂种优势与理想株型的环境友好型绿色新品种。虽然育种技术在不断的突破，分子设计育种技术仍然存在较大问题，需要进一步发展，建立完善的基因组－表型组数据库，通过人工设计与高效组合，培育出对环境友好、高产优质的绿色超级稻。