水稻產量相關性狀QTL的遺傳研究進展

崔瑩瑩 王曉玲

摘要：水稻產量性狀是各個產量相關數量性狀的復雜綜合體，包括單株穗數、單穗粒數、粒質量，甚至抽穗期、株高等，這些數量性狀之間對產量的貢獻存在著互作的關系。21世紀初，水稻全基因組序列測序完成之前或初期，水稻產量性狀的研究主要集中在數量性狀位點（quantitative trait loci，QTL）效應及互作關系的研究上。之后，隨著秈粳水稻全基因組序列的相繼公布、高通量重測序技術的發展及對功能基因單倍型的等位基因型分析日趨成熟，水稻產量相關性狀的QTL及其等位基因的研究也日趨白熱化。簡單介紹了近年來已克隆的一些產量相關QTL及其在育種中的應用情況，為開展分子設計育種、改良水稻單產起到一個借鑒作用。

關鍵詞：水稻；產量；等位基因；數量性狀位點；研究進展

中圖分類號： S511.032文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0001-07[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-01-18

基金項目：山東省科技發展計劃（編號：2012G0021032）；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金（編號：BS2011SW011）。

作者簡介：崔瑩瑩（1982—），女，山東東營人，碩士，講師，主要研究方向為分子育種。E-mail：yingying_300@163.com。

通信作者：王曉玲，主要研究方向為水稻分子育種。E-mail：wgxoling@163.com。[HJ]

[ZK）]

水稻是全世界人口依賴的最主要的糧食作物之一[1]，是全世界半數人口的主糧，也是單子葉生物研究的模式植物[2]。水稻的產量是由有效穗數、每穗粒數和千粒質量構成的復雜農藝性狀，這3個性狀是決定水稻產量的三大要素，也是水稻育種改良的重點方向[3-5]。中國在水稻育種事業上取得了一系列重要的成就，最為突出的有3項：（1）在秈稻上，利用半矮稈基因[WTBX][STBX]sd1[WTBZ][STBZ]，通過株型改良，于20世紀50年代末到60年代初在南方秈稻矮化育種上取得了突破，使產量提高了60%；（2）在粳稻上，利用引進品種Balilla通過秈粳雜交和復合雜交，育成了株型挺拔的直立穗株型粳稻品種，并在全國粳稻產區大面積推廣；（3）在雜種優勢上成功利用細胞質雄性不育基因，實現雜交水稻三系配套，成功利用了水稻的雜種優勢[6]，也是水稻所謂的第二次綠色革命。然而現階段，隨著經濟社會的快速發展、耕種面積的不斷減少以及人口數量的不斷增加，再次提高水稻產量已經成為現在及今后急迫解決的問題[7]。

近10年來，水稻復雜數量性狀的研究在遺傳學領域取得了突破性的進展。在遺傳機理研究上已經成功精細定位和克隆了一大批控制水稻產量性狀的數量性狀位點（QTL）[1，3，5]，對水稻復雜農藝性狀的分子剖析也取得了喜人的成績[2]。特別是近年來，水稻基因組測序完成后高通量測序的快速發展，使得克隆、分析產量相關QTL成為更容易的事情，而且這些遺傳信息技術的發展提高了QTL分析的精確度，加上對這些基因的基因組分析、蛋白組的深度功能分析和對這些基因轉錄組的特征闡述等技術將有力地推動水稻分子設計育種的進程。

1水稻產量數量性狀位點研究進展

1.1水稻產量數量性狀位點互作

水稻產量性狀是各個復雜的數量性狀QTLs的綜合體，包括穗數、穗粒數、粒質量、抽穗期、株高等，這些QTLs之間對產量的貢獻存在著互作關系。Zhuang等利用2個秈稻品種（Zhenshan97B、Milyang46）雜交后構建的重組自交系群體RIL構建了一個包含158個DNA標記的連鎖圖譜，進行產量性狀QTL的效應分析，檢測到了調控水稻谷粒產量和5個產量組份性狀的QTL，[JP2]并且分析了基因與環境的互作；鑒定了31個對產量性狀有顯著加性效應的QTL，其中12個有上位性效應；確定了16個顯著的加加互作效應，其中有9個發生在自身加性效應QTL之間，4個僅發生在上位性QTL之間，3個發生在自身與上位性QTL之間。對6個加性效應QTL和1個加-加互作研究發現了顯著的基因-環境互作[8]。Xing等利用240份重組自交系的2年重復數據對4個產量性狀進行了主效應、上位性效應和環境互作效應分析，構建了220個DNA標記的遺傳連鎖圖，利用混合線性模型方法檢測主效QTL、雙基因互作QTL及QTL與環境的互作，在4個性狀中總共檢測了58個位點，其中29個為主效QTL、35對為雙基因互作QTL；帶主效的13個與環境互作，沒有與環境互作的QTL則有上位性互作；從這4個性狀的解釋效果來看，主效QTL大于上位性互作，再大于環境互作[9]。說明主效應、上位性效應及其QTL環境互作是所有數量性狀的遺傳組分，分析像產量等復雜的數量性狀遺傳關系，位點間互作是不容忽視的。[JP]

1.2水稻產量數量性狀位點效應

雖然加性效應和QTL相互干擾的加-加互作效應確實存在，甚至有些主效應QTL及加性效應的大小和方向都依賴于它們和其他位點之間的互作來確定，但是，一般而言，主效應比上位性效應更大，對表型變異的貢獻也更大[8]，因此研究產量主效應的比較多。

Li等利用雜交稻骨干親本間雜交的營養體重復F2群體對產量QTL位點進行分析，利用構建的由151個分子標記組成的遺傳連鎖圖，共檢測到20個直接的QTL，比較先前相同雜交F2：3的結果，在F2中檢測到的QTL在F2：3中也能夠檢測到，但是F2的加性和顯性遺傳效應比F2：3要大[10]。Hittalmani等在亞洲9個水稻種植地，對水稻生長和谷粒產量相關性狀QTL進行鑒定，從11個性狀中共鑒定了126個QTL，34個QTL在多個環境中被檢測到，分布于10條染色體上；穗長鑒定的QTL最多，共44個，抽穗期鑒定的QTL數量第二；在10個環境中都檢測到株高位點（RZ730-RG810）；多環境下，通過相同標記區間確定的許多QTL表明，大多數性狀的主效QTL是穩定的，不受環境因子影響[11]。Septiningsih等利用IR64和普通野生稻發展的高級作圖群體，對產量及其構成組份性狀鑒定了42個QTL，野生稻盡管表型差，但在IR64背景下，野生稻33%的QTL等位基因對產量及產量組份有正效應；定位的22個QTL（53.4%）與先前水稻報道的QTL相似，表明在不同遺傳背景和環境下QTL具有穩定性，20個（476%）QTL是在研究中新發現的；研究確定的幾個株高、千粒質量、花時的QTL與先前玉米在這些性狀上確定的QTL同源[12]。Li等利用美國農業部USDA水稻微核心庫品種對谷粒產量QTL進行作圖，測量了203種水稻的14個農藝性狀，鑒定了5個產量性狀的QTL，利用分布于全基因組的155個分子標記，聚類了5大聚類群，30個標記性狀與產量組份性狀緊密關聯，其中4個與產量關聯、3個與株高關聯、6個與粒質量關聯、9個與分蘗關聯、8個與穗部結構關聯；標記OSR13、RM471和RM7003與產量組份的共分離顯示，RM471的126 bp和RM7003的108 bp，這2個位點存在對產量性狀有很大正效應的等位基因，可以作為產量組份區分的功能位點；[JP2]對應多個產量性狀的靶標QTL可能同時減少復雜的產量性狀，因此，通過分子標記輔助選擇，有利于提高產量育種的效率[13]。Bai等利用Nanyangzhan和Chuan7 2個品種構建重組自交系，對穗粒數、千粒質量、抽穗期和株高產量相關性狀進行QTL定位，4個性狀中共鑒定了20個QTL，定位在除4號染色體之外的11條染色體上，千粒質量、穗粒數分別定位了7、5個QTL，抽穗期、株高鑒定了4個QTL，其中有6個QTL是首次報道；在第7號染色體的RM22065-RM5720之間及第8號染色體的RM502-RM264之間鑒定到2個QTL集；Nanyangzhan帶有7個增效千粒質量QTL的等位基因，解釋了群體中為什么沒有千粒質量的超親分離，相反，帶更多單穗粒數的Chuan7親本在5個單穗粒數中，除[WTBX][STBX]qspp5[WTBZ][STBZ]之外都帶正等位基因[14]。Gao等通過重測序Y兩優培九重組自交系和親本間的基因組序列來探索超級稻產量相關位點，發現了43個產量關聯QTL，其中20個是新發現的[15]。Kotla等利用Madhukar和Swarna的近等基因系對水稻產量及相關性狀進行QTL定位及候選基因分析，在產量及產量相關性狀中總共鑒定了26個QTL，分別位于染色體1、2、3、6、7、8、10、11、12上；株高和抽穗期定位在第8號染色體的RM23147-RM337區間內；RM251、RM314和RM1135與株高顯著關聯，并且[WTBX][STBX]OsYSL17[WTBZ][STBZ]與千粒質量顯著關聯；株高和分蘗數檢測到了上位性，并在QTL區域內確定了幾個與產量及其相關性狀有關的候選基因[16]。[JP]endprint

[HTK]1.3水稻產量數量性狀的聚合應用[HT]

高產育種是滿足增加的世界人口所需食物供應的關鍵。利用作圖群體，對全基因組與產量相關QTL進行探索，通過操控這些QTL，進行水稻產量相關QTL的遺傳改良應用[17]。目前已有274個產量相關QTL被報道。許多新技術已經應用于數量性狀基因的鑒定，并且許多有關作物產量的數量性狀的基因已經分離，同時也構建了與產量相關的許多基因的突變體庫，對這些突變體基因庫QTL位點的分析與研究整合，有利于開展水稻高產基因設計育種[18]。

Zong等利用標記輔助和表型選擇，通過重測序的150個近等基因系進行連鎖作圖，對確定的穗粒數和千粒質量等8個谷粒產量相關QTL進行聚合育種，發現包含8個正效應QTL的新株系比親本9311增加了穗數和粒數[19]。Xie等利用韓國粳稻品種Hwaseongbyeo與非洲栽培品種IRGC 105491雜交BC3F4的近等基因系，對增產QTL簇進行了精細作圖，在第9染色體長臂定位了一個聚集產量相關QTL（千粒質量、穗小花、穗粒數、穗長、穗密、抽穗期、株高）的37.4 kb區域的物理圖譜，包含7個預選基因，且7個QTL都是增效的；另外，該報道基于分子標記輔助和表型選擇，進一步提出了新的聚合計劃表，顯示要在1個雜交種中聚合24個QTL[20]。

2水稻產量相關數量性狀及其功能分析

2.1粒型

[JP2]粒型是水稻產量相關性狀之一，合理的粒型對培育高產、優質水稻具有非常重要的意義。到目前為止，已報道了31個[JP3]粒型相關基因和QTL。而Li等利用染色體片段代換系來檢測水稻粒型QTL，共鑒定了分布于8條染色體上22個粒型QTL，7個控制粒長，6個控制粒寬，5個控制長寬比，4個控制粒厚[21]。[JP]

2.1.1粒寬QTL

Song等報道了一個新的控制水稻粒寬和粒質量的QTL——[WTBX][STBX]GW2，發現GW2[WTBZ][STBZ]編碼一個帶有RING結構域的E3泛素連接酶，在大粒粳稻品種中，[WTBX][STBX]GW2[WTBZ][STBZ]基因編碼蛋白區發生了1個堿基的缺失，蛋白翻譯過程提前終止，酶活性喪失；[WTBX][STBX]GW2[WTBZ][STBZ]的功能缺失增加了細胞數，導致了更大（更寬）的穎殼，并且積累了谷粒充實率，從而增加了粒寬、粒質量和產量；說明[WTBX][STBX]GW2[WTBZ][STBZ]通過啟動其基質到蛋白酶體調控蛋白水解的方式來負調控細胞的分化[22]。Weng等對一個谷粒寬和千粒質量關聯的主效QTL-[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]進行了分離與特性研究，該位點位于第5號染色體上，構建了該位點的精細圖譜，發現Asomonori的 1 212 bp 的堿基缺失與粒寬表型高度相關。

[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]編碼一個144氨基酸的新的核酸蛋白，定位于核上，且發現[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]與聚泛素雙酵母雜交互作，認為[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]可能在種子發育過程中通過蛋白酶途徑調節細胞分化[23]。Wang等研究表明，[WTBX][STBX]GW8與OsSPL16[WTBZ][STBZ]同源，可編碼正向調節細胞分裂的蛋白，該基因的高表達可促進細胞分裂、谷粒充實，從而增加粒寬和產量，相反，在窄粒品種Basmati中，這個等位基因的缺失使得谷粒變窄，品質更好但產量降低[24]。在Amol3中發現的一個新的[WTBX][STBX]GW8[WTBZ][STBZ]等位基因，可以把優質和高產性狀結合起來，在不影響產量的情況下提高水稻的品質。

2.1.2粒長QTL

Fan等以明恢63（大粒）作為輪回親本與川7（小粒）連續回交構建了[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]近等基因系，通過研究該群體中BC3F2中的201個隨機亞群體，確定[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]位點是谷粒大小的一個負調控因子，能解釋粒長和千粒質量80%～90%的貢獻，并且該位點是粒寬和粒厚的次效QTL[25]。Mao等隨后也報道一個有關谷粒大小的QTL-[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]，它可以負調控谷粒大小，野生型的這個區域由4部分組成：N末端的OSR結構域、跨膜區域、TNFR/GNFR家族的半胱氨酸富集區、C末端的VWFC結構域，這些區域的功能在調節谷粒大小上存在差異，OSR區域是負調控功能必須和必要的，這個點的功能缺失產生長粒型，C末端的TNFR/GNFR和VWFC區域對OSR有抑制效應，這些區域的功能突變會產生短粒型[26]。[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]除了調控谷粒長之外，Takano-Kai等報道[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]還參與了水稻的柱頭外露和種子伸長，[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]第2個外顯子的無義突變可引起細胞數的增加，從而導致柱頭的延長，認為可通過人工操控[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]來提高雜交種子生產的效率；另外，還發現在[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]的第5個外顯子中包含了幾個獨立的缺失，這些獨立缺失導致了移碼突變，從而引起提前出現終止密碼，這些突變功能相似，每個縮短的基因產物都決定了1個短粒型表型；通過轉化試驗顯示，[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]的缺失減少了穎上表皮細胞數，導致粒長顯著減小[27-28]。Anand等對短粒香稻地方品種Sonasal和極長粒品種PB1121的[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]基因進行了分析，在基因區序列比較顯示，第2外顯子C-A的突變與長粒型相關；將大粒型材料中的[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]導入HJX74中，可有效增加千粒質量，提高產量[29]。endprint

[JP2]另外，Zhang等報道了[WTBX][STBX]qGL3在OsPPKL1重復區域編碼一個重復的蛋白磷酸酶，等位基因OsPPKL1延長了谷粒，發現在OsPPKL1[WTBZ][STBZ]的第2個kelch區域的天冬氨酸轉換為谷氨酸，從而導致了谷粒增長；谷粒基因[WTBX][STBX]OsPPKL2和OsPPKL3與 OsPPKL1 同源，其中OsPPKL1和OsPPKL3負調控粒長，OsPPKL2 [WTBZ][STBZ]正調控粒長[30]。幾乎在同一時間，Qi等也報道了QTL位點[WTBX][STBX]GL3.1[WTBZ][STBZ]控制水稻谷粒大小和產量，WY3中的[WTBX][STBX]GL3.1[WTBZ][STBZ]影響小穗中蛋白磷酸化，從而促進細胞分化，導致谷粒更長，產量更高[31]。[JP]

早期克隆的[WTBX][STBX]GS3、GW2和qSW5[WTBZ][STBZ]粒形基因均與粒形呈負相關，Li等從天然突變體中克隆和特征化了一個正向調控谷粒大小和水稻產量的[WTBX][STBX]GS5基因，研究顯示，GS5[WTBZ][STBZ]通過調控粒寬、谷粒充實度、[JP2]千粒質量來綜合控制谷粒大小[32]。Qiu等利用秈稻珍秈97為背景，粳稻品種Cypress為供體構建的一套CSSL報道了一個在第7染色體長臂上對粒長、粒寬、長寬比有多效作用的[WTBX][STBX]QTL-qSS7[WTBZ][STBZ]，在Cypress上的[WTBX][STBX]qSS7[WTBZ][STBZ]增加了粒長和長寬比，減少了粒寬，但是沒有顯著的減少千粒質量、株高、抽穗期和每穗粒數[33]。Li等通過9311/Y34雜交F2群體的染色體步移法，將水稻一個新的負谷粒大小基因Mi3最終定位于第3號染色體著絲粒的RM6881和LM9之間約41.6 kb區域內，根據基因組注釋，在這個區域有5個基因位點，來源于Y34的Mi3等位基因具有顯性功能，可調控水稻的粒長[34]。[JP]

2.1.3千粒質量QTL

水稻粒質量基因的鑒定與開發和涉及到的分子機制研究，為提高谷粒產量育種目標提供了有效的保障。Tang等利用粳稻D50與秈稻HB277構建的RIL（recombinant inbred lines）用于千粒質量QTL的定位，定位到的7個QTL分別定位于染色體2、3、5、6、8、10上，第3染色體的[WTBX][STBX]qTGW3.2[WTBZ][STBZ]在2年內穩定表達，并且貢獻9%～10%表型變異；從RIL群體中選擇的剩余雜合系RIL進行自交用于[WTBX][STBX]qTGW3.2[WTBZ][STBZ]的精細定位，發現F2群體中QTL解釋了23%的變異，到F2：3升至33%。最終將[WTBX][STBX]qTGW3.2[WTBZ][STBZ]定于RM16162和RM16194之間約556 kb物理位置范圍內[35]。Ishimaru等對粳稻日本晴與秈稻Kasalath構建的回交重組自交系千粒質量QTL及其生理功能進行了分析，共鑒定了4個QTL，Kasalath僅在第6號染色體有一個正等位基因[WTBX][STBX]TGW6，TGW6[WTBZ][STBZ]編碼IAA-葡萄糖水解酶，能把IAA-葡萄糖水解成游離的IAA和葡萄糖；Kasalath中[WTBX][STBX]TGW6[WTBZ][STBZ]的6個核苷酸被替換，1個缺失，造成移碼突變，蛋白質功能喪失，增加了碳水化合物的積累并提高了產量；將Kasalath中的[WTBX][STBX]TGW6[WTBZ][STBZ]導入日本晴中，千粒質量、單株產量分別顯著提高了10%、15%，生理機理顯示，[WTBX][STBX]TGW6[WTBZ][STBZ]提高了碳水化合物的儲存力，因此提高了產量[36-37]。

2.1.4粒數QTL

谷粒產量由源于作物許多自然突變的QTL控制，穗粒數是與水稻產量相關的最重要的性狀之一。收獲期單株最終的谷粒數的組份由單株的育性穗、單穗的育性小花數和單穗的谷粒數決定[38]。Tian等利用野生稻染色體片段滲入秈稻品種桂朝2號得到一個SIL040滲入系，比輪回親本顯著減少了穗粒數；利用SIL040和Guichao2雜交產生的F2、F3群體進行QTL分析，發現第7染色體短臂上一個QTL-[WTBX][STBX]gpa7[WTBZ][STBZ]掌控這一性狀；IL-SIL040結構的穗特性進一步揭示，從野生稻等位基因到栽培稻馴化期間在[WTBX][STBX]gpa7[WTBZ][STBZ]位點上，不僅穗數和穗粒數顯著增加，而且，更重要的是穗二次分支占穗總分支比率及穗二次分支粒數占大穗總谷粒的比率都顯著增加，說明[WTBX][STBX]gpa7[WTBZ][STBZ]在水稻穗馴化期間在調控單穗粒數和單穗二次分支數上起著重要的作用[39]。

2.2穗型

2.2.1穗長QTL

穗長直接決定其著生的枝梗數，進而影響穗粒數。大量研究表明，隨著穗長的增加，枝梗數也呈增加趨勢，穗粒數隨之增加。張玉屏等通過對不同穗型雜交稻的研究，發現穗長與穎花數成極顯著正相關，大穗型品種的穗長明顯長于小穗型品種的穗長，認為穗長是影響每穗粒數的關鍵因素[40]。何宗順等在第11號染色體短臂105 kb的染色體區間精細定位了一個控制穗長的突變基因[WTBX][STBX]PS1[WTBZ][STBZ]，該基因同時作用于一次枝梗數和二次枝梗數[41]。Cai等發現第8號染色體的31.4 kb區域內存在株型和穗型多效QTL，同時控制著抽穗期、株高、穗長和每穗穎花數[42]。

2.2.2穗型QTL

穗型也是水稻穗部結構的一個重要的性狀，與水稻產量密切相關。Zhu等發現野生稻散布穗型是由顯性基因[WTBX][STBX]OsLG1[WTBZ][STBZ]控制，SBP結構域的轉錄因子控制著葉舌的發育，關聯分析表明，[WTBX][STBX]OsLG1[WTBZ][STBZ]調控區域的一個單核苷酸的多態性導致了馴化過程中集中花序形態的改變[43]。Ishii等研究表明，在馴化的水稻中，由SPR3控制的水稻穗型的一個簡單形態改變對種子脫殼和授粉行為都有很大的影響[44]。Dong等利用桂朝2號為背景，普通野生稻為供體構建的一套滲入系，鑒定了一個新的QTL [WTBX][STBX]qGP5-1[WTBZ][STBZ]，該QTL與株高、葉大小和穗型相關，他們克隆和特征化了[WTBX][STBX]qGP5-1[WTBZ][STBZ]，并且確定了新鑒定的基因OsEBS可增加株高、葉大小和單穗小穗數，從而導致單株總產量的增加[45]。endprint