近年我国水稻分子生物学研究进展

崔元江 吕阳 胡海涛 吴世强 郭龙彪

（1 中国水稻研究所/水稻生物育种全国重点实验室，杭州 310006；2 中农常乐（深圳）生物育种技术有限公司，广东 深圳 518120；*通信作者：wushiqiang_cctv@126.com/guolongbiao@caas.cn）

2020—2022 年，我国水稻分子生物学持续稳步发展，特别在水稻泛基因组学、氮高效利用、异源多倍体水稻、高产优质以及耐热抗病逆境生物学方面取得了突破性进展。中国水稻科学领域的研究工作者成果显著，在Cell、Nature、Science三大国际顶尖期刊上发表论文9 篇，在其子刊（Nature Genetics、Nature Plants、Nature Communications)和Plant Cell等期刊上发表的论文总数近百篇，获得了一系列原始创新成果和新突破。“提高作物品种氮肥利用效率的新机制”和“异源四倍体野生稻快速从头驯化”分别入选2020 年和2021 年度“中国生命科学十大进展”。本文对2020 年以来我国科学家在水稻生物学领域取得的重要研究成果进行了系统梳理，对国内外水稻分子生物学发展进行了比较，并提出我国水稻分子生物学研究发展趋势与展望。

1 近年国内水稻分子生物学研究进展

1.1 逆境生物学

水稻生长在自然环境中通常都会受到生物或非生物胁迫，对我国农业生产和粮食安全构成严重威胁。我国科学家在水稻抗逆性的分子机制研究中亮点纷呈，特别在新型广谱抗病、耐热和耐盐的分子机制研究中取得了显著成绩。

1.1.1 生物逆境

在广谱抗病方面，中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队揭示了水稻钙离子新感受子ROD1精细调控水稻免疫、平衡水稻抗病性与生殖生长和产量性状的分子机制；ROD1作为一个新的植物免疫抑制中枢，通过降解具有免疫活性的超氧分子（ROS），从而抑制植物的防卫反应[1]。相继揭示了一条全新的广谱免疫代谢调控网络（PICI1-蛋氨酸-乙烯），既参与水稻的基础抗病性（PTI），又调控NLR 介导的专化型抗病性（ETI）机制[2]。近期又揭示了一种维管束抗白叶枯病的特异免疫机制[3]。王蒙岑研究组揭示了水稻与种子内生菌响应病原菌胁迫的共进化规律，并提出“种子是亲本抗病性‘进化遗产’”的新观点，对研发新型微生物组“绿色农药”具有重要意义[4]。陈剑平和孙宗涛团队发现多种不同类型的RNA 病毒侵染水稻后共同靶标赤霉素（GA）信号通路的负调控因子SLR1，直接削弱茉莉酸（JA）介导的广谱抗病毒通路[5]。王文明团队从杂交水稻优质恢复系中发现1 个多病害抗性、稳产新基因UMP1R2115，并利用蛋白质组学技术揭示了一条解除植物免疫抑制的广谱抗病通路[6]。占传松等利用水稻自然群体进行代谢物全基因组关联分析，在水稻7 号染色体鉴定了1 个控制单环二萜自然变异的基因簇DGC7，该基因簇受到茉莉酸甲酯介导的表观调控因子JMJ705直接调控，并能提高水稻对白叶枯病的抗性[7]。徐国娟等鉴定了稻瘟菌效应蛋白MoCDIP4 在水稻中靶标线粒体分裂相关的OsDjA9-OsDRP1E 蛋白复合体，探究了线粒体分裂和抗病反应间的相互作用关系[8]。杨超等发现，来源于禾本科植物特有的半纤维素的寡糖作为DAMPs 参与植物免疫反应的作用机制，同时发现了OsCERK1 是这些寡糖在水稻中的潜在受体[9]。刘洋等通过改造RGA5-HMA 结构域，成功设计出能识别非对应无毒效应蛋白AvrPib 的新型RGA5，并获得了对含有AvrPib 稻瘟菌具有抗性的转基因水稻[10]。李国邦等发现，稻曲病菌分泌1 个细胞质效应子UvCBP1 来促进对水稻花器的侵染，UvCBP1 与水稻支架蛋白OsRACK1A 相互作用，竞争其与NAPDH 氧化酶OsRBOHB 的互作，导致OsRBOHB 磷酸化水平降低，从而减少活性氧产生，使水稻感病[11]。孟凡伟等发现，水稻中的1 个新型家族蛋白HVA22 调控内质网稳态，并证明了内质网稳态在调控水稻对稻瘟菌抗性过程中具有重要作用[12]。

1.1.2 非生物逆境

在温度抗性方面，林鸿宣研究团队继在2015 年成功定位克隆了水稻首例抗热QTL 位点TT1后，又克隆了抗热位点TT2、TT3。TT2编码1 个G 蛋白γ 亚基，负调控水稻耐热性，揭示了一条联合G 蛋白、钙信号、蜡质代谢等分子层面的耐热调控新途径[13]。TT3由2 个拮抗基因TT3.1和TT3.2组成的遗传模块，将热信号从质膜传递到叶绿体，为培育高耐热作物提供了策略[14]。万建民团队发现OsCNGC9 作为1 个钙离子通道蛋白，调控低温胁迫诱导的胞外钙离子内流、胞内钙离子浓度上升和低温胁迫相关的基因表达[15]。唐佳琦等发现，水稻转录因子OsWRKY53负调控花药GA 含量，解除OsSLR1 对OsUDT1/OsTDR 的抑制，调控水稻育性和孕穗期耐冷性[16]。徐玉芳等发现，tRNA 硫醇化途径中的水稻关键基因SLG1具有抗高温功能[17]。唐永严等完成了水稻的mRNA m5C 甲基化图谱，发现甲基转移酶OsNSUN2 调节水稻mRNA 的m5C 修饰，维持水稻在较高温度下的正常生长[18]。贾美茹等发现，OsSAPK6-IPA1-OsCBF 调控水稻冷胁迫响应的分子机制[19]。种康团队发现，定位于内质网的OsCRT3 在冷应激下表现出构象变化，与OsCIPK7 互作以感知冷信号[20]；随后又通过基因组数据数学降维与整合的DM-GWAS 策略，筛选鉴定到耐寒性主效基因COLD11，揭示了该基因GCG密码子重复在寒害DNA 损伤修复中的分子机制[21]。

在耐盐耐旱方面，谢旗研究团队从高粱克隆了耐碱基因AT1，是水稻GS3的同源基因，调控水通道蛋白的磷酸化，将ROS（活性氧物质）泵到细胞外，降低过氧化氢应激，使作物起耐盐碱作用，在pH 值为9.17 的盐碱地，敲除AT1同源基因GS3的水稻能增产约22.4%[22]。李自超团队利用271 份水/旱稻种质资源关联分析定位到主要抗旱QTL 位点DROT1[23]。吕俊等发现，OsTb2与OsTb1 互作，部分消除了OsTb1 对OsMADS57-D14通路的抑制，调控分蘖数，扩展了自然选择和人工选择下适应旱地种植的水稻分枝进化的理论[24]。殷文超等发现，过表达AGO2或BG3均可改变细胞分裂素空间分布，可显著增加水稻粒长和耐盐性，为解决高产和高抗负相关难题提供新的思路[25]。魏华等发现，OsPRR73通过结合OsHKT2;1的启动子抑制其表达，特异性地正向调控水稻盐胁迫的响应[26]。王龙飞等首次解析了多倍体水稻增强耐盐性的表观遗传机制，为多倍体物种在进化中增强环境适应性提供了新的分子机理[27]。李倩倩等发现，低浓度ABA 和BR 信号通过协同作用调控水稻耐盐性，ABI3-OsGSR1 模块在协同ABA 和BR信号中发挥重要作用[28]。林鸿宣研究团队克隆到1 个关键耐盐调控因子STH1，其编码1 个α/β 折叠结构域的水解酶，能够平衡正常和高盐环境下Hd3a的表达量以此协同调控水稻产量和耐盐性的关系[29]。邓平等鉴定到水稻耐盐基因RST1，揭示了RST1-OsAS1 分子模块通过调控氮素利用效率来提高耐盐性和产量的分子机制[30]。

1.2 水稻泛基因组学

传统基因组学研究多基于1 个参考基因组来获取1 个物种的基因信息, 但是不能同时体现1 个物种中不同品种或种群之间的遗传变异情况。三代测序技术出现后, 掀起了泛基因组（又称图形基因组）研究。李仕贵等利用PacBio 长片段测序、Illumina 测序、RNA-seq和NCBI 数据库，获得了31 份水稻品种的长片段序列数据，开发了栽培稻泛基因组[31]。黄学辉团队提出了1个水稻数量性状核苷酸（QTN）的综合图谱，其等位基因频率变化与群体遗传的驯化、局部适应和杂种优势有关；开发了1 个用于QTN 聚合和育种路线优化的基因组导航系统RiceNavi，提供了一个有效的平台，在不断增长的基因组知识和不同的水稻改良需求之间架起了一座桥梁[32]。张帆等通过引入一系列新方法处理长读长测序，构建了针对三代测序（TGS）数据的水稻泛基因组构建方法[33]。张帆等利用701 个水稻品种和23个不同的Xoo菌株的全基因组测序和大规模表型数据，研究了水稻与其细菌性病原体Xoo相互适应的遗传系统[34]。商连光等通过地理分布来源、基因型和表型变异精心选择了具有高度代表性的251 份栽培稻和野生稻，组装了高质量的水稻基因组，构建了目前植物中群体规模最大的、基因组充分注释的、稻属超级泛基因组，将极大促进水稻功能基因挖掘和水稻种质资源利用[35]。

1.3 水稻氮高效利用

氮肥的应用对作物产量和全球粮食安全做出了巨大贡献，但氮肥过多施用也导致严重的环境问题。因此，提高作物氮素利用效率以兼顾降低施肥量和提高产量水平至关重要。储成才研究团队利用全基因组关联分析技术鉴定到1 个氮高效基因OsTCP19，其启动子区域29 bp 的Indel 是决定不同水稻品种在低氮水平下对分蘖数起关键调控作用的自然变异[36]。中国科学院南京土壤研究所赵旭团队构建了不同稻区水稻产量/活性氮排放与施氮量定量关系模型，提出了以区域适宜施氮量为核心、可持续生产为目标的我国水稻氮肥分区控制新策略[37]。傅向东研究团队发现，含APETALA2 结构域的转录因子NGR5的表达受氮肥的诱导，NGR5能够招募表观调控复合物PRC2 -H3K27me3，抑制靶基因的表达，通过DELLA-NGR5-GID1 模块调控分蘖、氮素利用和产量[38]。周文彬研究团队从碳-氮协同调控作物产量出发，鉴定到1 个重要转录因子OsDREB1C，可同时提高水稻光合作用效率和氮素利用效率，显著提高作物产量[39]。张抒南等鉴定到首个氮素介导的抽穗开花因子Nhd1，缺失Nhd1能增强氮的同化效率，同时提高产量和氮素利用效率[40]。王青等发现，水稻Ghd7基因在遗传上作用于NUE 负调控因子ARE1基因的上游，从而正调控氮素利用[41]。张茂星等发现，细胞膜质子泵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[42]。杨晗等在水稻中鉴定到1 个新的减数分裂起始调控基因ETFβ，发现ETFβ 通过参与支链氨基酸的代谢，促进体内氮素再利用，为花器官的营养需求提供保障[43]。韩美玲等发现，耐旱负调控转录因子DST 可以直接激活硝酸还原酶编码基因OsNR1.2的表达来调控水稻硝酸盐同化，揭示了水稻干旱胁迫响应与氮同化协同调控的分子模块，促进了对于植物干旱胁迫下氮代谢重编程调控机制的理解[44]。

1.4 基因编辑方面

杂交水稻种子的无融合生殖（Apomixis）是目前基因编辑和种业芯片的研究热点。2019 年，KHANDAY等和王克剑研究团队利用基因编辑方法，分别获得了常规稻和杂交水稻的克隆种子[45-46]。2023 年，王克剑研究团队进一步将异位表达BBM4 与有丝分裂代替减数分裂策略MiMe 结合，成功获得了无融合生殖的Fix2(Fixation of hybrids 2) 材料，结实率从原来的3.2%提高至82.0%[47]。2022 年，法国VERNET 等将BBM1 与MiMe 构建在1 个载体上，也实现了杂交稻BRSCIRAD 302 品种的种子克隆[48]。

余泓研究团队利用平铺删除策略打破性状连锁，突破水稻产量瓶颈——IPA1多效性造成的穗部和分蘖的制约关系，多靶点的基因编辑IPA1，创制出大量IPA1顺式调控区平铺删除的基因编辑材料，创制了穗重和穗数同时增加、株高变高、茎秆粗壮的IPA1-Pro10新种质，选择了基因多效性造成表型间的权衡效应，对于突破现有育种瓶颈具有重要科学意义[49]。高彩霞研究团队成功优化了适用于植物的引导编辑系统（PPE），并在重要农作物水稻和小麦基因组中实现精确的碱基替换、增添和删除[50]。之后，又开发了植物pegRNA 设计网站PlantPegDesigner，有效提升了引导编辑系统的工作效率，极大简化了在植物中获得高效pegRNA 的过程，为实现植物基因组功能解析和作物精准育种提供了强有力的技术支撑[51]。

1.5 水稻其他重要功能基因和分子机制挖掘

严建兵团队联合李建生和杨小红团队利用玉米和水稻同源基因OsKRN2，编码WD40 蛋白，其与DUF1644 互作负调节籽粒数，基因敲除的水稻增产8.0%，揭示了作物之间的趋同选择的程度可以大大改善育种计划[52]。储成才团队与高彩霞团队合作从强休眠水稻品种Kasalath 中克隆了控制种子休眠的基因SD6，其负调控水稻种子休眠性[53]。何祖华研究团队首次鉴定了1 个PHO1 型Pi 外运蛋白OsPHO1;2，该转运体可以同时提高作物籽粒灌浆及磷利用率（PUE），为培育低磷条件下高产作物提供了1 个重要的目标基因[54]。李健等发现，水稻中叶绿体镁浓度和Rubisco 活性具有一致的昼夜节律性，并且节律性震荡部分受到叶绿体膜上镁离子转运蛋白OsMGT3 的调控[55]。孙健等在粳型杂草稻中克隆了低氧萌发与出苗相关基因Os－GF14h，有利于提高直播稻的萌发率和成苗率[56]。官泽源等揭示了SPX2 受体感受磷信号分子磷酸肌醇（InsP6）、传递磷信号进而调控水稻磷稳态的分子机制[57]。黄海剑等发现，LsSP1 与水稻免疫相关的半胱氨酸蛋白酶PLCP 互作抑制植物防御的作用，揭示了唾液鞘蛋白LsSP1 促进灰飞虱取食的新机制[58]。

2022 年，香港浸会大学/香港中文大学王冠群等研究团队利用1 个自然突变的水稻温敏雌性不育材料，克隆了首个水稻温敏雌性不育基因TFS1(AGO7)，解析了miR390-AGO7 模块介导的温敏雌性不育调控的新机制。tfs1显示出适合杂交水稻制种系统的雌性不育性状，可赋予杂交水稻制种全程机械化[59]。

2 水稻分子生物学国外研究进展和比较

近3 年，中国在Cell、Nature、Science三大国际顶尖期刊上发表水稻生物学论文9 篇，而国外只有2 篇，中国的水稻分子生物学研究已遥遥领先。中国和法国科学家利用基因编辑技术和BBM1-MiMe 基因效应，克隆了杂交水稻种子，中国的结实率更高。在国外，在BBM1-MiMe 基因编辑无融合生殖克隆杂交水稻种子、利用全基因组序列重建了亚洲水稻多环境扩散的历史、籼粳亚种间衰老模式调控机制，以及植物激素拮抗调节水稻节间生长与环境适应性的作用机制等方面取得了突破性进展[48,61-63]。GUTAKER 等使用1 400 多个地方品种的全基因组序列，比较了基因组多样性的外在环境因子，其中温度是主要的非生物因素，重建了亚洲水稻扩散的历史[61]。NAGAI 等发现1 个激活因子ACE1和抑制因子DEC1与GA 共同作用拮抗调节水稻节间生长和环境适应性的作用机制[62]。SHIN 等发现了降解Mg2+螯合酶的OsSGR基因调控籼稻和粳稻亚种间不同生命周期和衰老模式的遗传基础[63]。

3 水稻分子生物学研究发展趋势及展望

随着全球气候变暖趋势加剧和夏季干旱频发，极端高温成为制约世界粮食生产安全的最主要胁迫因子之一，中国每年因旱灾减产粮食约50 亿kg。还有盐碱地土壤也严重影响水稻生产。目前全球约20%的农业耕地遭受盐渍化的侵蚀，预计到2050 年，有超过50%的耕地将被盐渍化。土壤盐渍化和次生盐渍化致使耕地资源遭到破坏、农业生产损失巨大，已成为世界性的生态和粮食问题。为了确保我国粮食耕地1.2 亿hm2（18 亿亩）红线，开辟盐碱荒地潜力巨大，因为我国有1亿hm2（15 亿亩）荒芜的盐碱地，其中约1 300 万hm2（2亿亩）可进行稻作改良。因此，挖掘抗高温和耐盐基因资源、探究植物耐高温耐盐响应机制以及培育抗逆作物品种成为当前亟待解决的重大科学问题。此外，我国水稻病虫害发生严重，病虫害种类多、发生范围广，对我国农业生产和粮食安全构成严重威胁。因此，水稻生物逆境和非生物逆境生物学相关研究依旧是未来一段时期研究的热点和难点。

为了满足日益增长的人口对粮食的需要，在维持总播种面积不变的条件下，提高单产仍将是未来一段时期内我国水稻育种的主攻方向。育种技术仍需提升，需要利用基因组技术和基因编辑技术加快水稻功能基因组研究成果向育种应用的转化，要重视发掘新的重要基因，为设计育种提供原件，加速水稻育种的精准化、数据化、智能化以及探索利用基因编辑和无融合生殖特性固定杂种优势的方法，雌性不育恢复系应用的机械化制种技术，以及多年生水稻的研究和推广，使育种技术获得革命性、颠覆性的突破。李家洋院士团队提出的异源四倍体野生稻快速从头驯化的新策略，旨在最终培育出新型多倍体水稻作物，从而大幅提升粮食产量并增加环境变化适应性，该研究对未来应对粮食危机提出了一种新的可行策略，开辟了全新的作物育种方向，未来四倍体水稻新作物的成功培育将有望对世界粮食生产带来颠覆性的革命[60]。