水稻穗发育与高产育种

李云峰，任德勇

·导读·

水稻穗发育与高产育种

李云峰1，任德勇2

1西南大学水稻研究所/西南大学农业科学研究院/转基因植物与安全控制重庆市重点实验室，重庆 400716；2中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州 311400

水稻是全球最重要的粮食作物之一，其穗发育对于产量有重大影响。穗部器官主要包括枝梗、小穗和小花；其中，枝梗属于花序结构，其数量、长度和分布等对穗型起决定性作用，并最终决定“每穗粒数”；而小花最外轮花器官颖壳的发育也在很大程度上决定了粒型，进而影响“千粒重”；除此之外，浆片、雌雄蕊等花器官的发育也会决定开花习性、育性等影响“杂种优势”利用的性状[1-3]。因此，剖析水稻穗部各器官起始和形成的调控机制、明确其决定相关农艺性状的机制，不仅具有重要理论价值，还可以指导高产育种，对保障中国粮食安全具有重要意义。水稻穗发育基因调控是一个多基因、多途径，且有序、精密、协同的工作过程，当前已经克隆了许多水稻穗发育调控基因，但是，在分子机制及调控网络解析方面还需要进一步完善和深入，同时基于相关基因的分子设计育种也亟待大力开展。本专题展示了部分水稻穗发育调控基因的功能和分子设计研究进展，以期为水稻高产育种提供理论依据和应用指导。

水稻稻穗即其花序，由穗轴、各级枝梗以及着生在枝梗上的小穗组成。穗中轴为主轴，即穗轴；穗轴上有穗节，每个穗节上直接着生一次枝梗；部分一次枝梗上再分生出二次枝梗，极少数二次枝梗上会再形成三次枝梗；在一次和次级枝梗上分生出小穗轴，每个小穗轴末端着生一个小穗，最终小穗中唯一一个可育的顶生小花产生一个籽粒。因此，水稻产量三要素之一的每穗粒数主要受一次枝梗数、二次枝梗数以及枝梗上小穗着生密度等穗部性状的影响[4-5]。近年来，科学家在这些穗部性状的遗传基础、调控基因研究等方面取得了卓越成绩[3, 6-7]，但多数研究主要集中于单个功能基因的解析或应用，对多个调控基因的组合研究比较少见，每穗粒数与千粒重调控基因的协同作用研究也鲜见报道。本专题论文《、和组合应用调控水稻穗部性状》[8]以穗型和粒型差异显著的双亲所构建的重组自交系为材料，对每穗粒数、一次枝梗着粒数、二次枝梗着粒数和粒型进行QTL分析和候选基因功能鉴定，评价不同基因组合的产量构成因素，并对超级稻品种SN265进行分子设计基因编辑育种，为水稻优势等位基因聚合育种提供重要种质和基因资源；揭示了、和对每穗粒数和粒型的影响，明确了//为重组自交系中最佳基因组合，并且通过改良SN265的位点进一步提高了其单株产量。该研究不仅为水稻穗部性状优势等位基因协同聚合育种提供了重要种质、基因资源，同时也为类似的研究起到了良好的示范作用。

在水稻穗部性状的研究中，由于材料背景限制，通常单一杂交组合仅能鉴定到少数QTL，单个QTL贡献率因试验材料和研究方法的不同往往表现出巨大差异，并且以基因克隆为目的构建的定位群体难以直接应用于育种。单片段代换系（single segment substitution lines，SSSL）是一种携带供体亲本单个代换片段的染色体片段代换系，可以极大限度减少遗传背景的干扰，是QTL鉴定及研究基因间遗传关系的理想材料，同时鉴定到的QTL可直接应用于育种实践[9]。本专题论文《水稻CSSL-Z481代换片段携带的穗部性状QTL分析及次级代换系培育》[10]以4个代换片段的优良代换系Z481为材料，共鉴定出45个包括枝梗数、穗长等水稻穗部性状QTL，并进一步分解出11个次级SSSL和3个双片段代换系（dual-segment substitution lines，DSSL）。其中，15个QTL是其研究中新鉴定的QTL；用SSSL和DSSL解析水稻穗部性状QTL的加性效应和上位性效应的结果显示，不同QTL聚合会产生不同的上位性效应，这些遗传信息对育种家进行SSSL平台的水稻分子设计育种非常必要。因而，与传统用复杂统计软件和初级作图群体的QTL定位和上位性分析相比，该研究的创新性在于将这些穗部性状QTL分解到相应的单片段代换系上，这些QTL的单片段代换系遗传背景相同，为后续无论是新穗部性状相关基因的图位克隆，还是系统的穗部性状分子设计育种工作都提供了可靠的遗传信息和育种材料。

水稻小花有4轮花器官，从外到内依次由颖壳（外稃和内稃）、浆片、雄蕊和雌蕊组成。受精后浆片和雄蕊逐渐退化，雌蕊发育成种子，最终形成一个由外层内外稃包裹内部米粒的水稻籽粒。在发育过程中，颖壳作为一种花器官，其原基的起始、分化和最终的器官形态建成都发生在双受精之前，之后颖壳的大小不再发生变化，只是随着籽粒的发育进一步硅化、脱水、成熟。所以双受精之前的颖壳发育在很大程度上决定籽粒形态，进而影响稻米的产量与品质形成，其发育调控机制的研究对于改善粒型、提升产量具有重要的理论和应用价值。通过颖壳发育影响水稻籽粒形态的基因数量庞大，它们位于多个调控途径并且通过不同的调控方式影响颖壳细胞的分化和增殖过程，进而决定最终籽粒形态建成[3, 7]。本专题论文《水稻的突变导致小穗外稃退化》[11]报道了2个水稻外稃退化等位突变体和，其外稃明显变窄，不能与内稃紧密钩合，导致小花开裂，内轮花器官部分裸露在外，最终米粒极显著变小；通过图位克隆、表达模式分析等进一步研究，发现编码Dicer like（DCL）蛋白OsDCL4，通过介导tasiR-ARFs的合成影响了外稃近-远轴极性建立；突变使得外稃近轴面远轴化，最终影响籽粒的形态发育和产量形成。此研究证实了外稃的早期细胞分化过程在籽粒形态发育中的重要作用，为相关研究提供了新的角度。本专题另外一篇论文《水稻短宽粒基因的图位克隆》[12]报道了一个EMS诱变的短宽粒突变体，对其颖壳进行了详细的表型分析，发现突变体颖壳纵向细胞变短是导致粒长变短的主要原因，而粒宽增加是由于颖壳横向细胞数目和细胞大小同时增加，所以对于颖壳发育在纵向和横向上呈现了相反的调控方式；进一步发现可能调控先前已报道的粒长和粒宽基因、和/等，从不同方向影响了颖壳的细胞增殖和细胞扩展，进而决定水稻籽粒长度和宽度；编码一个植物特异的转录因子，是水稻直立密穗基因的等位基因，因此，可以同时调控水稻穗型和粒型的发育，这为相关性状的分子设计提供了宝贵的基因资源。

水稻的第2轮花器官浆片，着生于外稃的内侧，其基部一侧与内稃基部边缘相连，与颖花开放习性密切联系。水稻颖花开放闭合时间很短，一般不超过2 h，在这段时间内，颖花要完成花丝伸长、花药开裂、散粉、受精等一系列过程，开闭颖过程如果受到内、外部因素影响不能正常进行会导致双受精失败率增加，如果是在杂交水稻制种中会导致父、母本花期不遇，严重制约杂交水稻制种效率。颖花开、闭分别由浆片的膨胀和萎缩推动，开颖时，浆片细胞内渗透物质浓度升高，造成细胞水势降低，浆片吸水膨大将外稃向外推开，同时将内稃向内压挤，外稃和内稃相互分开；闭颖时，浆片细胞内液泡膜破裂释放水解酶，使其胞内细胞器膜质解离与自溶，最终引起浆片萎缩，外稃向内稃靠拢，颖花闭合[13-14]。先前研究初步表明，浆片中淀粉酶促进淀粉快速水解产生的可溶性糖是引起水稻浆片渗透势变化的主要物质[14-15]，但是淀粉酶在此过程中的具体作用尚不明确。本专题论文《水稻α-淀粉酶基因的表达模式与颖花开放的关系》[16]通过碘染检测水稻小花11—14期淀粉粒分布情况变化，并通过RT-PCR、RT-qPCR和α-淀粉酶启动子驱动报告基因分析水稻-淀粉酶在此过程时空表达模式，探究了-淀粉酶基因在颖花开放过程中发挥功能的相关机制。结果表明，水稻颖花开放过程中淀粉粒降解主要发生在浆片和内外稃片相互嵌合的钩合槽；-淀粉酶基因和在颖花开放时表达量显著增加，在浆片、钩合槽和花丝中特异表达，可能与颖花开放时淀粉降解以及浆片膨大密切相关。该研究结果有助于探明水稻开颖过程的调控机理，为改善水稻开花习性，同时提高杂交水稻制种效率及产量提高提供理论依据，对水稻高产稳产具有重要意义。

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Panicle Development and High-Yield Breeding in Rice

LI YunFeng1, REN DeYong2

1Rice Research Institute, Southwest University/Academy of Agricultural Sciences, Southwest University/Chongqing Key Laboratory of Application and Safety Control of Genetically Modified Crops, Chongqing 400716;2China National Rice Research Institute/State Key Laboratory of Rice Biology, Hangzhou 311400

2023-03-01；

2023-03-20

国家自然科学基金（31971919，32172044）、重庆市杰出青年基金（cstc2020jcyj-jqX0020）、重庆市英才计划（cstc2021ycjh-bgzxm0066）

李云峰，Tel：023-68251264；E-mail：liyf1980@swu.edu.cn

（责任编辑 李莉）