水稻產量基因設計育種及其發展前景

況慧云等

摘 要：基因設計育種旨在控制所有重要農藝性狀基因的所有等位性變異。該文闡述了水稻基因組測序及其研究進展、已克隆并應用于水稻產量相關的農藝性狀基因，以及水稻產量基因的分子輔助育種，并對水稻產量基因設計育種的前景進行了展望。

關鍵詞：水稻；產量；基因設計育種；分子輔助育種

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2014）08-42-04

隨著我國經濟的快速發展，在人口數量增加和城市化進程加快的背景下，我國總耕地和人均耕地面積進一步下降，因此如何提高水稻的產量，維持水稻生產的穩定性、安全性，促進糧食生產的持續發展將長期擺在我們面前。水稻基因設計育種就是在水稻全基因組測序的基礎上，對功能已知的主要農藝性狀基因進行有利基因的剪切、聚合，從而培育出在產量、品質、抗性等多方面有所提高的水稻新品種。20世紀60年代的“綠色革命”就是通過水稻品種的矮化育種從而使產量提高了20%～30%，而70年代秈型雜交水稻三系的成功配套又使水稻產量在矮化的基礎上增長了20%左右。從遺傳學的角度說，這兩個水稻產量突破的里程碑，都可歸結為矮稈基因和野敗胞質不育基因的挖掘與利用。

1 水稻基因組測序及其研究

人類對水稻的遺傳研究最早是從形態學的角度來研究的，其實質就是基因和形態之間的連鎖遺傳。孟德爾兩大經典遺傳定律得出的主要就是從形態學的角度來研究的，隨著科學的不斷深入，基因的概念不斷完善，人們慢慢的從最初肉眼可見的形態學性狀發展到肉眼不可見的形態學、生理學、發育生物學等性狀或生物學事件。而現在通常認為基因組包含了生物進化、遺傳和生命的信息，是細胞遺傳物質的總和。一個生物體的基因組也就是該生物的DNA（部分病毒是RNA）的全部遺傳信息。隨著生物技術的快速發展，2002-2006年完成了水稻全基因組精細物理圖譜繪制，為水稻功能基因組研究打開了便利的大門。而新一代的測序技術的高通量、高精度、低成本又必將對水稻遺傳和發育的研究方法和技術產生深遠而巨大的影響。

DNA測序技術是分子生物學研究中最常用的技術，它的出現極大地推動了分子生物學的發展。自1949年Sanger[1]就通過手工測序技術了測定胰島素兩條肽鏈氨基末端序列至今，可將測序技術大致化分為三代。1977年Sanger[2]發明了具有里程碑意義雙脫氧鏈終止法，同年Maxam和Gilbert[3]發明了化學降解法測定DNA序列。由于Sanger測序法簡便快速高效，再結合20世紀90年代初出現的熒光自動檢測技術，很快成為DNA測序的主流。這些以雙脫氧鏈終止法以及在它們的基礎上發展的各種DNA測序技術統稱為第一代DNA測序技術。第二代測序技術的核心思想是邊合成邊測序，即通過捕捉新合成末端的標記來確定DNA的序列，該代技術主要包括Roche 454公司的GS FLX、Illumina公司的Solexa Genome Analyzer和AB I公司的SOLID測序平臺[4]。盡管其對全新的基因組進行測序時還需要結合第一代測序技術，并且產生的測序結果比第一代測序技術的長度要短得多，但第二代測序技術能夠獲得海量的數據，并且價格低廉。最近，以單分子測序為特點的第三代DNA測序技術已經出現，如Helicos公司的Heliscope單分子測序儀[5]、Pacific Biosciences公司的SMRT技術和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的納米孔單分子技術都獲得了極大的發展，特別納米孔單分子技術則更是在原理上做出本質變革，直接使用外切酶切割單鏈DNA的末端，然后對切下的單堿基進行檢測，這樣既提高讀取長度又減少了后序拼接的工作量，可對未知基因組進行重新測序。

1997年，在新加坡舉行的植物分子生物學會議上發起國際水稻基因組測序計劃（IRGSP），并于1998年正式啟動，水稻基因組共有12條染色體，其中第1染色體最長，第10染色體最短。其中中國大陸分擔了第4染色體的測定工作。該計劃以粳稻品種日本晴為測序材料，利用逐步克隆法進行全基因組的測序。到2002年底，國際水稻基因組測序計劃圓滿完成，共測定堿基對3.66億個，精確度達到99.99%，并預測遺傳基因62 435個。而在秈亞種基因組的測序工作上，中國科學院基因組信息中心暨北京華大基因研究中心等多家單位，于1998-2001年利用全基因組霰彈法構建了秈稻品種9311基因組工作的框架圖，該圖基本覆蓋了水稻的整個基因組92%以上的水稻基因，這是人類對水稻秈粳兩個亞種同時在全基因組層次上最直觀的了解。在單子葉植物中，水稻的基因組較小，約389Mb[6]，且與其它單子葉植物的基因組具有基因位置的同線性[7]，隨著水稻高密度遺傳圖譜和物理圖譜的相繼構建[8]，尤其是全基因組測序結果的公布[9，10]，水稻已經被認為是單子葉植物的遺傳、發育和基因組研究的模式植物。

但是完成基因組測序僅僅是基因組計劃的第一步，后面還有很多工作并未完成，首先要分析基因組順序中所包含的全部遺傳信息，其次整個基因組如何對各個基因進行網絡調控，以及各個基因如何行使功能，還有太多的未知區域等待探索。止前，已報道的功能基因只有不到20%，而克隆的基因更少之又少。近年來，隨著生物技術的快速發展，越來越多的水稻基因被克隆，對基因功能研究的新方法的也越來越多，如基因轉導技術、基因敲除技術、轉座子和T-DNA標簽技術及突變體庫篩選和全基因組表達分析等。

2 水稻產量基因的挖掘與應用

隨著科學技術的快速發展，特別是水稻秈粳物理框架圖的測序完成，使水稻的基因定位和克隆工作取得了巨大的進步。目前，已經有多個與產量相關的農藝性狀基因被克隆。

2.1 水稻矮化基因SD1 20世紀60年代的水稻“綠色革命”就利用了SD1的突變基因，使株高大大降低。Sasaki等[11]發現水稻的SD1基因編碼與赤霉素合成有關的GA20氧化酶（GA20ox），該酶是GA合成途徑中的一個關鍵酶，它催化GA53→GA44→GA19→GA20三步反應。水稻基因組至少攜帶2個GA20ox基因（GA20ox-1和GA20ox-2），其中GA20ox-2在葉片、莖和未展開的葉片中活躍表達，而GA20ox-1優先在未開的花中表達。盡管植物花器的形成與育性均與有生物活性的GA相關，但sd1突變體開花結實均正常，這就揭示了為什么sd1產生較短的葉和較矮的株高，而產量卻不受影響的原因。通過含sd1的突變體結合常規育種，使水稻產量提高了20%～30%。endprint