水稻粒形基因的遗传研究进展

田 颖， 于雪然， 杜怀东， 田 蕾， 李培富

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

水稻(OryzasativaL.)是我国重要的粮食作物之一，大约50%以上的人口以稻米为主食。育种家对矮杆基因和杂种优势进行了广泛的应用，在这之后我国的水稻产量开始显著提高。但在人口增长和耕地减少的严峻形势下，提高并稳定水稻产量仍然是我国水稻育种的主要研究方向[1]。随着人民生活水平的逐渐改善，消费者对稻米的需求日益多样化，稻米品质也更加受到重视。因此，如何增加我国水稻产量和有效改良稻米品质等关键问题，已经成为现代水稻育种研究的主要目标。研究证明，水稻产量是由多个基因控制的农艺性状，主要由以下3个因素决定：有效穗数、每穗粒数及千粒质量[2]，水稻粒形、籽粒大小和灌浆充实度都显著影响着千粒质量[3]。水稻粒形主要由粒长、粒宽和长宽比等组成。有研究表明粒形不仅与千粒质量关系密切，而且在一定程度上影响稻米品质[4-5]。育种家认为，改善水稻粒形对促进我国水稻优质育种的发展和稻米品质的提高具有重要的研究意义[6]。近年来，许多已定位和克隆的水稻粒形基因对于阐明粒形的调控机制有着重要的研究意义，为我国水稻的高产优质育种奠定了关键的理论基础和遗传资源。

1 水稻粒形的遗传特性

水稻粒形是由多基因控制的性状，主要为加性效应，是数量性状遗传。在早期研究中，芮重庆等选用不同粒形的6个籼稻品种进行研究发现，加性效应在水稻粒长的遗传中起着决定性的作用，并且细胞核与细胞质之间可能还存在着一定的互作效应[7]。石春海等利用不同的杂交组合研究粒形的遗传，发现粒长是一个由多基因调控的数量性状，其中加性效应在遗传中占比较高[8]。刘金波等使用了主基因+多基因混合遗传模型，对水稻籽粒长度进行了遗传分析，认为粒长的遗传主要是加性效应[9]。

大多数研究表明，多基因的加性效应及显性效应均控制水稻粒宽，主要受加性效应的控制，遗传力高，显性方向随组合的变化而发生变化[10-11]。吕勇统计了突变体植株F2代群体的粒宽数据，对粒宽作了频率分布直方图，发现粒宽在图中呈现连续正态分布，据此可证实水稻粒宽受到了多基因的控制[12]。石春海等采用多个杂交组合进行研究后发现，水稻粒宽的遗传主要表现为加性效应[13]。

符福鸿等对三系杂交稻的粒形进行遗传分析，结果表明加性效应在水稻籽粒长宽比的遗传中起主导作用[14]。石春海研究发现一些水稻组合具有良好的配合力，加性效应在籽粒长宽比中表现显著[4]。方平平等采用双列杂交设计，发现水稻籽粒长宽比主要受到了种子的直接遗传效应影响[15]，在早期的研究中却发现粒形受母体基因型控制[8，16-21]。

粒形性状的遗传存在着一因多效的现象，并且不同粒形性状之间的相关性存在着差异。石春海等的研究表明，粒长与粒宽之间存在着极显著的负相关，而与长宽比则表现为显著的正相关，粒宽与长宽比之间呈现出极显著的正相关[8]。林荔辉等利用重组自交系群体研究发现粒长与粒宽的相关系数值较小，不存在明显的相关性[22]。

2 水稻粒形基因的克隆

目前，有很多影响水稻粒形调控的基因已经被克隆(图1、表1)，各个基因调控水稻粒形的方式不同，主要包含转录因子调控、G蛋白信号、泛素途径和植物激素途径[23]。

GS3是第1个被定位并克隆的调控水稻粒长的主效基因，Fan等用明恢63和川7进行连续杂交和回交，发现该基因编码的跨膜蛋白可负调控粒长和粒质量[24]。Zhang等选用小粒N643和大粒N411进行杂交，克隆得到一个负调控粒长的主效基因qGL3[25]。 Gao等在研究中发现qGL3可去磷酸化OsGSK3蛋白并使其稳定，进而抑制油菜素内酯信号传导[26]。GL4是在非洲野生稻W1411中发现并克隆的可调控粒长和粒质量的数量性状基在座(QTL)，非洲栽培稻的籽粒长度由于该基因调控内外颖纵向细胞的伸长而受到影响，同时该基因也可以调节种子的落粒性，继而影响水稻的千粒质量和单株产量[27]。Ishimaru等利用Nipponbare和Kasalath的回交自交系定位到一个调控粒长和千粒质量的基因TGW6，编码吲哚乙酸(IAA)-葡萄糖水解酶，该基因功能缺失会影响IAA的供应，进而调控籽粒长度及籽粒质量从而使水稻增产[28]。Yu等从504份栽培稻品种中克隆了一个粒长基因OsLG3，该基因可在不降低稻米品质的同时正向调控水稻籽粒长度，有效提高产量[29]。Xiong等认为过表达OsLG3还可显著提高水稻的耐旱性[30]。Si等采用全基因组关联分析(GWAS)的方法，在381个不同水稻品种中克隆了一个调控粒长的主效基因GLW7，编码OsSPL13，可以通过促进颖壳细胞扩张正向调控水稻的籽粒大小[31]。Heang等发现PGL1是一个正调控籽粒长度的基因，过量表达PGL1时内颖细胞长度会增加，进而引起了水稻籽粒长度和千粒质量增加[32]。

GW2是Song等利用小粒FAZ1和大粒WY3构建F2群体后定位并克隆的主效基因，主要调控粒宽和粒质量，其编码的环型E3泛素连接酶对细胞的分裂起负调节的作用，GW2的WY3等位基因对水稻籽粒的宽度和千粒质量具有显著的提高作用[33]。qSW5/GW5/GSE5编码了一个钙调素结合蛋白，该基因功能的缺失会增加颖花的外壳细胞数量，从而导致颖花的外壳细胞变宽，水稻籽粒的千粒质量以及产量都会显著提高[34-36]。Li等用宽粒珍汕97和细长粒H94构建了群体，发现克隆了基因GS5，是控制水稻粒宽、籽粒灌浆和千粒质量的数量性状基因[37]，研究进一步发现该基因还可能受到脱落酸(ABA)的调控[38]。GW8/OsSPL16是由Wang等定位发现的可正调控水稻粒宽和粒质量的基因，研究发现该基因的缺失和低表达导致籽粒变长，相反，该基因高表达会加快细胞分裂和籽粒灌浆，使得水稻籽粒变得充实并且宽度增加，可有效提高水稻产量[39-40]。Shi等发现GW6通过调控细胞生长而非细胞增殖来调控水稻粒宽，GW6通过调节赤霉素(GA)的应答和生物合成，正调控赤霉素信号通路[41]。Sun等研究发现了属于GRAS基因家族成员的基因GS6，将含有突变体gs6的水稻与野生型水稻的粒形性状对比后发现，粒宽和粒质量均明显增加，并且内外稃增厚有更多的凸起和毛状物，邻近表皮的厚壁细胞也开始增多[42]。

GL7/GW7是一个可以同时调控粒宽和粒长的主效基因，GL7编码的LONGIFOLIA蛋白正调控水稻细胞的纵向伸长；GW7表达量上调时水稻籽粒会变得细长，原因是该基因的表达增加了水稻籽粒纵向细胞的分裂，同时横向细胞的分裂减少[43]。Zhao等构建F3群体定位并克隆得到了基因GS9，可负调控水稻籽粒长宽比，研究发现GS9可能受到油菜素内酯信号的调控[44]。GL2/GS2编码了生长调节因子OsGRF4，表达量增加时加快了细胞分裂，细胞也变大，进而增加了籽粒的千粒质量及水稻产量[33，45-46]。Ying等利用黄华占(HHZ)和JZ1560构建重组自交系(RIL)群体检测出调控籽粒长宽比的基因TGW3，编码一个类似糖原合酶激酶GSK3的激酶，能协同改变颖壳中细胞的大小和数量，负调控水稻籽粒长宽比[47]。

表1 已克隆的水稻粒形相关基因

表1(续)

表1(续)

3 水稻粒形基因间的互作

粒形是由多基因调控的数量性状，不同的粒形基因之间存在着不同程度的相互作用。将这些基因之间的互作原理应用于水稻育种，对提高水稻产量和有效改良粒形有着重要的意义。Yan等通过基因表达分析，来探究GS3、GW2、qSW5、GIF1等4个基因之间的关系，结果表明，对GW2的转录进行抑制可以降低qSW5的表达，而GW2和qSW5都会促进GS3的表达，GIF1的表达，受到了GW2和GS3的负向调节，但qSW5可以正调控其表达量；阐明GS3、GW2、qSW5/GW5和GIF1这4个基因的关系，可加速基因聚合育种的进程[141]。Li等发现HGW编码的上游调控蛋白，可以有效增加抽穗和粒质量基因的表达量，该基因很有可能直接通过GIF1基因的作用来调控水稻粒形和产量。进一步研究了HGW通过GIF1、GW2、GW5和GS3调节粒形和籽粒质量后发现，在转录水平下GIF1基因的表达量减少了90%，而其他基因的表达量则大约减少了20%～50%[97]。Gao等使用了双向方差分析的方法，研究了GS3、qGL3和GS3×qGL3相互作用对水稻粒长的影响，发现GS3和qGL3对粒长的调控表现为累加效应[142]。Wang等研究发现，GW8包含的SBP结构域，可以与GW7启动子直接结合，使GW7的表达量降低，从而调控了水稻粒宽[39-40]。Hao等研究发现，WG1/OsGRX8调控水稻籽粒大小，是粒宽方向细胞增殖所必需的，GW2可以与WG1互作并将其泛素化，从而调控WG1蛋白的稳定性[143]。Shi等研究发现OsUBP15可能与GW2存在着某种关系，都通过泛素途径对水稻粒形进行调控[144]。Xia等研究发现，GL3.3与GS3在遗传上有上位互作效应，这种相互作用可以调控水稻籽粒的大小，目前已经应用于大粒粳稻的育种中[23]。Duan等发现GS2基因和OsGIFs互作后，对细胞增殖和细胞伸长都产生了影响，进而影响了水稻籽粒大小和产量，OsGIF1正调控水稻籽粒的发育[138]。

4 粒形基因在水稻育种上的应用

水稻粒形是影响千粒质量的重要数量性状，并且直接决定了水稻的品质，将粒形基因合理地应用在水稻育种中，可有效提高水稻产量、改良水稻品质。张剑霞在珍汕97B中聚合了抗白叶枯病基因Xa23和粒长基因GS3，获得了改良型珍汕97B，是有效抗白叶枯病并且具备良好外观品质的新品种[145]。杨梯丰等使用分子聚合育种，得到了具有GS3和其他优异基因的纯合聚合系，经过测定发现水稻籽粒变长，有效改良了外观品质[146]。Nan等通过更新孔玉131的GS3位点，发现其粒长、百粒质量和单株总粒质量分别提高了12.05%、16.30%、4.47%[147]。Song等研究发现，含有GW2基因的丰矮占1号细胞数量会增加，并加快了水稻的灌浆速度，籽粒宽度和千粒质量也显著增加，有效提高了单株产量[33]。Zhao等通过遗传相互作用分析后发现，GS9的功能独立于其他先前确定的影响水稻籽粒大小的基因，将等位基因gs9引入优质水稻栽培品种中，可以显著改善水稻粒形和外观品质，这表明GS9不论单独或与其他粒形基因相结合，都可以培育出具有优化粒形的良好水稻品种[44]。Wang等研究发现，相对于亲本日本晴，含有GL7基因的近等基因系，水稻籽粒长宽比明显增加，大大减少了稻米中的垩白粒率和垩白度，使外观品质得到了极大改善。这表明GL7的有益等位基因和其他与产量和品质相关的基因聚合有益于优良水稻品种的选育[43]。Hu等构建近等基因系研究发现，携带GS2/OsGRF4等位基因的水稻品种可以显著提高千粒质量和产量，可在培育高产水稻品种中得到应用[46]。Li等利用标记辅助回交将GW6基因导入籼稻9311和粳稻中花11中，改良后的水稻籽粒长度、千粒质量和单株产量均有所提高，为培育大粒和高产水稻品种提供了依据[148]；Shi等将南洋占的GW6NYZ导入籼稻华粳籼74，可使单株产量提高14.49%，大田产量提高10.44%，将GW6NYZ导入武运粳7号，发现其大田产量提高7.97%，这说明GW6对籼稻和粳稻都有潜在增产作用[41]。Wang等发现GIF1基因在水稻籽粒发育时，控制着蔗糖酶(转化酶)的活性。在现代栽培稻中含有GIF1基因的籽粒灌浆速率明显提高，产量也显著增加[79]。

5 存在问题及展望

经过多年来育种学家的不断努力，许多与水稻粒形相关的基因都已经被成功克隆。本文归纳总结已定位克隆的粒形相关基因的作用，简单介绍多基因间的相互作用，并对粒形基因在品质改良和育种中的应用进行详细描述。

通过总结发现，近年来育种家在水稻粒形基因的定位、克隆及功能方面已经有了很大的进步，但仍有不足的地方，需要进一步加强和改善：(1)目前已经克隆了许多调控水稻粒形的相关基因，但多基因之间的遗传互作研究比较少见，部分粒形基因间遗传互作的方式和关系不够清晰，在育种中的应用也较少；(2)利用粒形基因改良水稻粒形时可能会降低水稻品质，如整精米率随着粒长的增加而下降，垩白度随着粒宽的增加而增加，使水稻的加工品质变差[149]；(3)将同一粒形基因应用于不同的水稻品种会导致不同的表型性状，探讨为何会产生这样的结果，可为相关基因位点的育种应用提供精确的理论依据。

为实现高产优质的育种目标，首先要选择粒形差异大或者亲缘关系远的品种材料，选育出粒形适宜的育种材料。对已定位和克隆的水稻粒形基因，在聚合不同优质基因时，必须要打破水稻产量与品质之间的不良连锁关系，有效改良稻米品质。随着我国生物技术的快速发展，育种家可利用高效基因组编辑技术CRISPR/Cas9精准有效地聚合优异等位基因，精确敲除水稻品种中的不利性状，快速获得新材料，提高育种效率。在未来的育种工作中，要定位和克隆更多与水稻粒形相关的基因，不断的更新和完善粒形调控网络，为水稻的高产优质育种奠定关键的理论基础和遗传资源。