水稻葉厚性狀的研究進展

陳達剛　周新橋　李麗君　劉傳光　陳友訂

摘要：葉厚是重要的葉形因子和株型改良的選擇指標，在水稻理想株型和高產育種研究中備受關注。目前，以比葉重（SLW）或比葉面積（SLA）為評價指標已對水稻葉厚進行了大量研究。為此，綜述了葉厚在株型構成、光能利用和產量形成中的作用以及葉厚性狀的遺傳分析和QTL定位研究進展，以期為進一步的基因定位和克隆提供參考。同時，分析了目前葉厚測量方法和評價指標所存在的問題，并對樣本非破壞性測定技術在葉厚研究中的應用進行了探討。

關鍵詞：葉厚；葉形；株型；QTL定位

中圖分類號：S511 文獻標志碼：A 論文編號：cjas14120028

1引言

中國是以稻米為主要糧食的國家，同時也是稻米生產和消費的第一大國，因此，水稻在保障中國糧食安全中有著舉足輕重的作用。但由于人口的增加和耕地面積的減少，糧食安全問題日益嚴峻，如何提高單產仍然是水稻育種的主要目標。人們早就注意到，良好的株型是水稻獲得高產的基礎，早在20世紀60年代，就有學者提出“理想株型”的概念。20世紀半矮稈和雜種優勢的利用使水稻單產實現了2次飛躍，也是建立在株型改良的基礎上。葉片是水稻最重要的同化器官，其形態與植株的受光形態和光合效率密切相關，在水稻的生長、發育和產量形成過程中起重要作用。因此，良好的葉形是水稻獲得高產的重要保證。

葉形可以解析為葉長、葉寬、葉厚、葉面積、葉片卷曲度和直立性。前4個因子可概述為葉片大小因子，它們與葉片的卷曲度和直立性往往有一定的聯系，如葉片較窄而短的一般表現為葉片直立，而寬且長的則多為披葉，葉片卷曲或較厚也有利于葉片直立。葉片直立性與植株受光形態關系密切，對光能利用率有重要的影響。研究表明，葉長、葉寬、葉角、葉卷度和葉厚是水稻葉態的5項基本因子，其中葉卷度和葉片厚度是其它因子難以代替的重要葉態因子。日本稻作學家最早提出將葉厚作為水稻耐肥性的指標，認為高產水稻應具有較厚的葉片，這一觀點一直沿用至今。后來國內、外學者們相繼提出不同的株型模式理論，如國際水稻所的“新株型”模式，楊守仁的“理想株型”和“巨型稻”，黃耀祥的“半矮稈叢生早長型”模式嘲，周開達的“重穗型”株型模式以及袁隆平的“超高產水稻株型”模式等，都殊途同歸將葉厚作為重要的株型選擇指標。可見，葉厚的改良對水稻的生長發育、株型改良和產量提升有重要意義，研究水稻葉厚的遺傳規律和分子調控機制，可為葉片形態的分子設計育種乃至理想株型的塑造提供理論依據。為此，筆者對葉厚性狀在水稻株型構成、光能利用、產量形成中的作用，葉厚的遺傳分析和QTL定位研究進展以及葉厚的測量方法和評價指標等方面進行了綜述，以期為葉厚基因的精細定位和克隆提供參考。

1葉厚在水稻株型構成中的作用

早在二十世紀六、七十年代，稻作學家就總結出：具有高產潛力的水稻品種都有葉片直立、短、厚、葉色濃綠，以及莖稈粗壯的特點。葉片直立性是葉形的一個重要特性。直立葉片能減少相互蔭蔽，尤其當水稻進入生育中后期，群體LAI升高，直立型葉層的消光系數降低，有利于葉片兩面受光，進而能提高葉片的光合速率。研究表明，葉片的直立性由披垂度和葉基角兩個特性決定，其中披垂度與葉的長、寬、面積、厚呈極顯著或顯著相關，葉基角又與披垂度、葉長、寬呈極顯著或顯著相關。也有研究認為葉片直立性與葉長和葉寬無顯著相關，但葉厚的品種葉片直立性好。國內外學者基于不同生態區域提出的各種水稻株型模式理論，都十分強調對葉厚的要求，例如松島省三提出的理想株型模式要求上三葉“短、厚、直”；國際水稻研究所的新株型育種模式要求“濃綠、厚、直立的葉片；周開達院士提出“重穗型”超級稻的葉片形態要求“葉片內卷直立”；楊守仁先生提出的北方粳稻理想株型模式要求“短枝立葉，大穗直穗”；袁隆平院士提出的超級雜交稻理想株型模式要求上三葉“直立、劍葉長50cm以上，倒二葉和倒三葉長55cm以上、LAI達到6.0、窄而呈v_型凹曲、葉片較厚”。由此可見，葉厚是水稻株型的重要選擇指標，葉厚性狀的改良對葉形改良乃至理想株型的塑造有重要意義。

2葉厚對光合作用的影響

過去由于測量設備的缺乏，水稻葉片厚度測量比較困難，人們一般采用比葉重（SLW）或比葉面積（SLA）作為葉厚的評價指標。Murata研究了SLW與單葉凈光合速率的關系，認為SLW與單葉凈光合速率顯著正相關。林賢青等的研究表明相同品種葉片的SLW與單葉凈光合速率呈線性正相關，并認為穗分化期葉片SLW可以作為葉片的光合作用指標。厚葉的單位葉面積葉綠素含量較高，有利于光能的俘獲以及保護接觸維管束的葉綠體表面，使得CO₂的吸收和轉運更通暢。厚葉除葉綠素含量相對高些外，其組織細胞中含N量也相對較高，因此較厚的葉片有利于光合作用對光能的轉化。Tanaka等和Yoshida認為，任何水稻品種都有最適葉面積指數（leafareaindex，LAI），直立葉型品種的最適LAI比平展或披垂型的顯著地高一些，因為葉片直立、短、厚的品種群體消光系數較小。然而只有在LAI大于5時，直立葉型品種的群體光合速率才會高于披垂型品種，而當LAI小于3時，披垂葉型的品種群體光合速率較高。厚而直立的葉片最大優勢在于能維持較高的LAI以保證足夠多的N素供植株所需。

3葉厚與產量及產量構成因素的關系

楊建昌等研究了不同水稻品種（組合）SLW與結實率、千粒重與產量及產量構成因素的關系，結果表明秈型雜交稻在抽穗至成熟期的SLW與結實率、千粒重和產量的相關性均達顯著或極顯著水平；秈稻品種的SLW與千粒重相關性不顯著，但與結實率和產量顯著相關；粳稻品種的SLW與結實率、千粒重和產量雖呈正相關，但未達顯著水平。對秈稻劍葉厚度與產量性狀的相關性研究表明劍葉厚度與穗長、每穗粒數、每穗實粒數和單穗粒重呈顯著或極顯著相關。水稻上三葉的葉厚與單株產量和干物重正相關，與產量構成因素中的單株有效穗數顯著負相關，與每穗粒數顯著正相關；上三葉葉厚與穗長、一次枝梗數、二次枝梗數、每穗實粒數、粒密度及每穗粒重顯著正相關，表明葉厚與穗型性狀也是密切相關的，通過葉厚的遺傳改良對產量的提升有重要意義。

4葉厚的遺傳和基因定位研究進展

4.1葉厚性狀的遺傳

據Hayashi等的報道，日本粳稻SLW在F₁表現為傾向中親值，F₂群體平均值亦與中親值接近，個體性狀分離比例表現為數量性狀遺傳特征。Liu等㈣最近的研究也認為水稻葉厚為多基因控制的數量性狀。沈福成分析了水稻雜交組合F₁代劍葉SLW的表現，發現絕大多數組合的F₁代劍葉SLW低于雙親平均值，F₂代劍葉SLW呈多峰連續分布且出現超親現象，推測劍葉SLW受2個主效基因和較多修飾基因控制。但亦有研究認為，F₁代劍葉SLW高于中親值，偏向于大值親本。利用不同類型水稻群體進行葉厚的遺傳分析已有較多報道。如粳稻材料F₂代劍葉SLW呈多峰或單峰分布特征，推測劍葉SLW可能存在由兩對互補主基因與微效多基因共同控制和微效多基因控制兩種方式。秈稻材料F₁代SLW在生長前期和中期表現為偏低親值，后期呈現超低親值傾向，遺傳相關和回歸分析表明SLW為完全獨立的一個葉片形態因子，其廣義遺傳力和狹義遺傳力均較高，主要以加性效應為主。梁康逕等的研究則認為SLW同時受加性、顯性、加性×加性上位性的共同影響，雖以顯性效應為主，但加性方差和加性×加性上位性方差的作用也較大，說明對比葉重的選擇，采用等位基因的累加和非等位基因上位性互作方式均有效。

4.2葉厚性狀的QTL定位

近年來，以分子標記連鎖圖譜為基礎的QTL定位和克隆取得了較大的進展，水稻葉形相關因子的基因定位與克隆已有不少報道。有關葉厚的QTL定位，Kanbe等將控制水稻劍葉SLW的1個主效QTLqSLW-7定位在第7染色體RIVI2752-RM234區間，與控制劍葉干重（DWFL）和劍葉面積（FLA）的主效QTL位置非常接近，但SLW性狀QTL呈負向加性效應，而DWFL和FLA性狀QTL則呈正向加性效應。Takai等將控制水稻劍葉SLA的主效QTL定位于第4染色體長臂RM3534附近，并且與一個葉綠素含量主效QTL位置重合，認為這2個主效QTL可能位于同一位點或位于距離非常近的2個不同位點。姜樹坤等在粳稻F₂群體中檢測到1個控制SLW的主效QTLqSLW6a，位于第6染色體，在F_2：6群體中則檢測到5個主效QTL，分別位于1、4、6、9、10染色體。李睿等利用華南秈稻品種七山占與粳稻品種秋光構建的重組自交系作為作圖群體，在第2染色體的RM526-RM525區間和第6染色體的PSM388一PSM136區間分別檢測到控制SLW的2個QTLqSLW2和qSLW6，貢獻率分別為6.1%和5.6%，它們所處的區間分別還存在控制劍葉長度的qFLL2和控制葉面積的qFLA6。然而，葉厚性狀基因的精細定位和克隆研究目前還未見具體報道。

5水稻葉厚的測定方法與評價指標

與葉長、葉寬、葉面積、卷曲度及開張角等葉形因子相比，水稻葉厚性狀的相關研究還不夠深入。原因是水稻葉片厚度很小，一般不足1mm，并且葉片表面容易受損，用尺子或游標卡尺等直接測量手段不能保證準確度，用顯微測量的方法則工作量過大且會對葉片造成不可恢復的破壞，可見葉厚的測量相當困難。目前人們多數采用比葉重（sLW）或比葉面積（sLA）來代替葉厚。但測定SLW或SLA必須經過打孔、烘干、稱重等步驟，不僅對樣本造成不可恢復的破壞，而且測定過程繁瑣、工作量大，不利于大量數據的測定；其次，SLW或SLA是通過面積、干重等性狀值計算得出的相對值，容易增加系統誤差，影響結果；此外，SLW或SLA只能作為葉片厚度的間接評價指標，并不能代替正真的葉厚。要對葉厚性狀進行確切、深入的研究，就必需一種可以直接、快速、準確、無損測定葉厚的方法或設備。為解決葉片厚度測定技術的瓶頸，Chen等經過多年的樣本非破壞性活體追蹤測定技術研究，成功研制出一種能直接、無損測定水稻葉片厚度的活體稻葉測厚儀。該測厚儀操作簡單、精確度高，并且對稻葉樣本是非破壞性的，因此可實現在不同時期對同一葉片同一位置進行追蹤測定，為水稻的動態株型研究提供了技術支撐。目前，活體稻葉測厚儀已成功應用到水稻株型育種理論體系研究當中。

6小結

葉厚作為一個重要的葉形構成因子，對水稻的株型構成、光能利用與產量形成都具有重要的意義。但由于測量方法和設備的限制，目前在諸多葉形相關因子中對于葉厚的研究相對較少，已有研究結果是否能闡明真正的葉厚還有待證明。在葉厚的遺傳研究和基因定位中對表型數據的樣本量和精確度有較高要求，這是用傳統的SLW或SLA法難以達到的。因此，采用樣本非破壞性的方法直接測定葉厚表型數據，不僅能節本高效地快速獲得大量表型數據，并能減少誤差，提高表型數據的精確度，可為深入研究水稻葉厚性狀的遺傳規律和分子調控機制提供有效途徑和技術手段。