復雜信號通路參與調控水稻粒重相關基因研究進展

陳 可，周新橋，陳達剛，郭 潔，陳平麗，李逸翔，2，劉傳光，陳友訂

（1.廣東省農業科學院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術重點實驗室/廣東省水稻工程實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣東海洋大學濱海農業學院，廣東 湛江 524088）

作為全球范圍內最重要的糧食作物之一，水稻提供了約50%世界人口的每日主糧［1］。因此，研究高產、優質的水稻及其分子機理有著重要的生物學和生產實踐意義。20 世紀50 年代開始的第一次“綠色革命”，包括水稻育種的半矮稈基因（semi-dwarf 1）sd1的應用、70 年代三系雜交水稻的應用，極大地促進了谷物產量增長［2］。這一階段主要關注水稻和小麥半顯性基因的應用及以胞質雄性不育（CMS）在雜交水稻的應用［3］。進入21 世紀，“超級稻”概念、“理想株型”模型及基因編輯技術的發展為我國水稻產量持續增長奠定了理論基礎［4］。特別是在新冠病毒肆虐的2020 年以后，我國水稻生產又面臨新的嚴峻挑戰，“三胎”政策的開放促進人口增長、經濟發展導致耕地過快減少的態勢與“18 億畝耕地紅線”嚴防死守的矛盾等。2021 年中央一號文件把提升糧食和重要農產品供給保障能力作為加快推進農業現代化的首要任務。因此，如何突破傳統育種瓶頸，將水稻分子育種和功能基因組學系統結合應用于水稻育種改良，已經成為新時代我國糧食安全和農業現代化面臨的亟待解決的重大科學問題［5］。

水稻單株產量主要由有效穗數、每穗粒數、粒重3 個因素決定。多年來的水稻基礎研究不斷豐富水稻基因組序列信息和注釋，并且超過120個主效及微效（數量性狀遺傳位點）QTLs 位點已經成功克隆、鑒定及功能分析［6］。在超過1 萬年的水稻馴化過程中，人類通過人工選擇產生了許多水稻亞種和品種，并且使得水稻的分布從熱帶地區擴展到溫帶地區的五大洲。近年來，基于圖位克隆的遺傳分析、規律成簇的間隔短回文重復（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）及其衍生的基因編輯技術快速發展，在多種水稻農藝性狀的研究中發揮了重要作用［7］。本文綜述總結了近年來水稻粒重相關基因的研究進展，包括QTL 和質量性狀相關基因，并且深入討論其在現代農業育種上的應用，結合5G 時代數字化智能化生物現代育種，對我國目前生物育種4.0 時代進行展望。

1 水稻粒重影響因素及相關基因

水稻粒重（千粒重、鮮重）受到水稻粒長、粒寬、粒厚和灌漿等因素影響［8］，這些基因協同作用，共同調控水稻粒重這一數量性狀，維持水稻產量的動態平衡。水稻的拔節孕穗期是營養生長與生殖生長的并進時期，這期間水稻生物量迅速增大，以幼穗發育為中心的生殖發育迅速起始，特別是水稻幼穗發育8 個時期中的第3 期-第2次枝梗原基及穎花原基分化期決定水稻穗型、第5 期到第8 期穎殼發育期決定水稻粒型。從細胞生物學角度來評估水稻粒重的變化，可以追溯到原基發育時分生組織的細胞數量、細胞分裂能力和細胞伸長范圍等。而水稻幼穗分化完成期及水稻灌漿期是對已定型的完成授粉的水稻籽粒進行營養運輸的二次分配（源-庫-流理論）的時期，灌漿效率及淀粉等營養物質的組成均對水稻粒重產生明顯影響。迄今為止，幾乎大部分的主效粒重相關QTLs 已經被報道，多個綜述也從不同角度總結這些基因及其作用［8-9］。除了上述因素外，穎殼的發育對水稻粒型的長度和寬度也有重要影響。水稻灌漿過程和胚乳發育過程影響光合產物及其積累。表1 為近年來克隆鑒定的影響水稻粒寬、粒長、粒厚及灌漿速率的QTL 和功能基因。

表1 水稻部分粒重相關基因和QTLsTable 1 Partially grain weight related genes and QTLs

2 不同信號調控途徑的水稻粒重相關基因

過去20 年的研究揭示了水稻粒重受到多種信號途徑調控，包括泛素化修飾途徑、植物激素信號途徑、G 蛋白信號途徑、光合產物積累運輸相關途徑、胚乳發育途徑、表觀修飾途徑及小微RNA 途徑等［27］。本文對上述途徑的水稻粒重相關基因進行總結與梳理。

2.1 泛素化調控途徑

泛素介導的蛋白酶體降解途徑是細胞體內代謝和蛋白動態變化的主要途徑。泛素化調控途徑包括3 種泛素酶的協同作用：由泛素激活酶E1、泛素結合酶E2 和泛素連接酶E3 特異性識別靶蛋白并且標記泛素，進而受到蛋白酶體識別降解［28］。Grain Width 2（GW2）是粳稻主效調控粒寬的QTL,編碼一個細胞核定位RING-type 的E3泛素連接酶。失活的GW2等位基因能增大細胞面積，過表達GW2造成粒型減少，表明GW2是一個水稻粒寬的負調控因子。GW2 能與幾丁質酶（CHT14）和磷酸甘油酸酯激酶（PGK）相互作用，并通過改變這兩個蛋白的活性和穩定性影響水稻種子碳代謝途徑［18］。另外，水稻去泛素化酶15（OsUBP15）能夠與水稻的泛素受體（OsDA1）相互作用，遺傳證據顯示OsUBP15 可能在功能上部分依賴GW2 通過泛素化和去泛素化的動態變化調控下游底物蛋白量的變化［19］。另一個去泛素化酶WIDE AND THICK GRAIN 1（WTG1，同OsOTUB1和GWC1）能夠正向調控穎殼細胞延伸和稻米品質。Heading and Grain Weight（HGW）編碼一個能夠與多種水稻種子發育和開花期相關蛋白共表達的新的核質共定位多聚泛素結合酶（UBA）［20］。擬南芥中發現將泛素連接酶E3 和UBA 突變后明顯影響種子護穎及表皮的發育，表明這條泛素介導的蛋白酶體降解途徑在植物種子發育過程非常保守。

2.2 植物激素調控途徑

植物激素參與了多種植物生長發育過程。到目前為止，幾乎所有的植物激素（生長素、乙烯、赤霉素、細胞分裂素、油菜素內酯和茉莉酸等）均能調控水稻粒重，這些激素可能通過協同作用或拮抗作用調控水稻粒重。多種激素途徑相關基因能夠改變并產生多種水稻表型。

2.2.1生長素 作為第一個被發現的植物激素，生長素（Auxin）的作用是促進細胞分化與分裂。生長素在包括種子生長、胚胎發育及配子體形成等植物多個發育階段發揮重要作用。生長素極性運輸（PAT）和生長素信號傳導同樣影響籽粒發育成熟過程［29］。Tillering and Small Grain 1（TSG1）是FISH BONE（FIB）基因的等位基因，編碼一個色氨酸氨基轉移酶［30］。tsg1突變體對外源吲哚乙酸敏感，在水稻的4 個色氨酸氨基轉移酶同源基因中，TSG1對生長素合成起主要作用。2018 年3 個課題組同時在Molecular Plant發表qTGW3/GL3.3/TGW3作為水稻新的粒重QTL 負調控粒型的研究成果［11,14-15］。這個QTL 位點編碼一個糖原合成酶激酶3，能夠分別與生長素響應因子OsARF4 和水稻主效粒型QTLGS3發生相互作用。OsARF多個基因參與水稻粒型調控作用。另一個水稻粒重的微效QTLGSA1編碼一個UDP-葡萄糖轉移酶，通過影響類黃酮介導的生長素含量變化及相關基因表達量形成抗逆和產量的動態平衡關系［31］。除了上文提到的OsARF4影響水稻粒型外，Qiao 等揭示一條全新的miR167a-OsARF6-OsAUX3調控水稻粒長和粒重的分子調控模塊［32］；OsARF25的T-DNA 插入突變體表現出粒型變短的表型；稀穗基因Gnp4/LAX2能與OsIAA3互作干擾OsIAA3-OsARF25 調控模塊，進而影響下游OsERF142/SMOS1（Small Organ Size 1）基因表達［13］。OsARF11正調控水稻粒型及植物發育過程［33］。SMOS1和SMOS2分別編碼一個生長素調控的APETALA2 轉錄因子和與赤霉素相關的GRAS 轉錄因子〔與DWARF AND LOW-TILLERING（DLT）基因相同〕。這其中是否存在更廣義的互作及調控機制，有待進一步研究。

2.2.2乙烯 作為唯一的氣體植物激素，乙烯（Ethylene）在促進葉片衰老、水果成熟、種子休眠及種子的三重反應中發揮重要作用［34］。以“貓胡子”（MHZs）表型的乙烯相關的突變體揭示乙烯調控水稻發育過程的重要調控網絡。MHZ3編碼一個內質網（ER）定位蛋白。其蛋白N 端C端能夠與OsEIN2發生相互作用。過表達MHZ3可顯著增加OsEIN2 的數量和水稻種子大小［35］。EIN3 水稻同源基因OsEIL/MHZ6也通過實驗證明與水稻種子大小呈正相關［36］。過量表達乙烯受體ETR2導致水稻粒重減少，類似結果在百脈根（Medicago sativaL.）也得到驗證［37］。這些結果表明水稻粒型與乙烯信號傳導呈正相關關系。與其相關的一個水稻基因OsSPMS1編碼一個熱精胺合成酶，通過負調控乙烯前體1-氨基環丙烷羧酸（ACC）含量調控水稻粒型［38］。Ahmadizadeh等總結和預測了擬南芥和水稻乙烯合成途徑具有功能的編碼基因，并且這些基因的啟動子區順式元件與光反應、缺水、細胞周期及水楊酸誘導相關。可以預期未來會有更多的乙烯相關基因與水稻粒重的調控關系被揭示［39］。

2.2.3赤霉素 赤霉素（Gibberellins，GAs）由一系列具有共同結構的植物激素家族組成，對種子萌發、株高增加、葉形態建成、開花誘導等有重要促進作用［40］。Grain Number per Panicle 1（GNP1）編碼GA 20 氧化酶1（OsGAox1），參與水稻品種特青的穗粒數和產量的調控［41］。值得注意的是，其同源基因OsGAox2正是“第一次綠色革命”廣泛應用的sd1基因［2］。Small and dwarf 2（sgd2）突變體表現出植株株高變矮及粒型減少等表型，通過正向定位發現該基因編碼一個亮氨酸拉鏈Ⅱ（HD-Zip）家族轉錄因子，其通過轉錄水平調控多個GA合成相關基因的表達量，從而影響水稻粒型［42］。GAST 家族基因編碼具有一個保守的富半胱氨酸多肽，其表達量受到GA的誘導［43］，迄今為止，3 個GAST 家族基因都被報道與水稻粒型相關，包括OsGASR9、GW6和OsGASR1［21,44-45］。這些結果表明，GAST 家族基因在調控GA 通路和水稻穗部發育功能方面高度保守和一致。細葉基因Narrow Leaf 2和Narrow Leaf 3編碼WUSCHEL 同源盒3A（WOX3A）轉錄因子，能夠特異性負調控GA 合成和GA 前體代謝物的動態平衡。過表達OsWOX3A基因能夠模擬GA 缺陷表型，包括株高變矮、葉片變細、穗粒數減少及粒型變小［46］。綜上，GA 信號調控途徑能夠顯著影響水稻粒重相關表型。

2.2.4細胞分裂素 植物激素細胞分裂素（Cytokinin，CK）能夠促進細胞分裂和細胞分化，主要在植物根部、莖部、頂端優勢、細胞衰老、果實成熟、生物和非生物脅迫等生長發育過程發揮重要作用。在CK 合成過程中，異戊二酰轉移酶（IPT）是重要的合成限速步驟，而細胞分裂素氧化酶（CKXs）調控CK 降解。外源施加CK能夠抑制CKXs 表達，增加種子大小［47］。林鴻宣課題組報道一個水稻的鹽旱耐受突變體dst能夠增加水稻非生物脅迫抗性同時影響葉片寬度和水稻粒型。作為一個鋅指轉錄因子，DST 能夠結合H2O2代謝相關基因啟動子區調控水稻對于非生物脅迫響應。進一步研究發現，DST 能夠結合OsCKX2啟動子調控OsCKX2在穗部表達。Glo 等發現MAPK6 能夠直接結合DST 并且對其磷酸化以激活OsCKX2的表達［48］。水稻中過表達IPT基因能夠增加水稻產量［49］。OsSGL編碼一個未知功能結構域（DUF1645）蛋白正向調控CK 信號途徑和水稻非生物脅迫。除此之外，對嘌呤滲透酶家族（OsPUPs）的研究表明其可以調控CK運輸和改變種子大小和重量。OsPUP4（BG3）直接對遠距離CK 運輸和本地分布產生影響［50］。以上結果表明，CK 參與水稻的非生物脅迫響應和幼穗發育過程。

2.2.5油菜素內酯 早在1979 年，科學家就從油菜分離出一類與人類類固醇結構相近的化合物并且命名為油菜素內酯（Brassinosteroids，BRs）［51］。BR 能夠影響種子萌發、氣孔形成、維管束分化、花粉育性及衰老等重要生理生化過程，特別是對株高、葉傾角、粒型及分蘗數等重要農藝性狀產生顯著影響。BR 合成途徑或者信號傳導缺陷突變體，包括D11，OsBR6ox/BRD1，D2，BRD2等，均表現出株高變矮、穗長變短、葉片顏色變深、水稻粒型變小等表型［52］。突變體Slender grain Dominant（slg-D）表現出BR 過量表型，包括植株松散、較大的葉傾角和更長水稻粒長［53］。GW5與一個糖原合成酶激酶2（GSK2）相互作用，通過對BR 信號傳導通路BZR1 和DLT 磷酸化調控BR 介導的水稻粒型建成［22］。值得注意的是，GW5及其同源基因能夠與BR 信號通路關鍵成分GSK2 和BIN2 互作導致DLT 和OsBZR1 的磷酸化程度降低［54］。一個含有OVATE 結構的家族蛋白成員（OFPs）被證明受到GSK2 的磷酸化過程參與BR 信號途徑介導的水稻粒型調控。包括OFP1、OFP3、OFP8 及OFP14 等［55］。Yu 等在對水稻OFP 家族蛋白表達模式和亞細胞定位分析發現OFP15 也是具有BR信號誘導表達的特征，可能也參與BR 信號調控水稻株型和粒型性狀［56］。

除了上述一直報道的BR 信號成員調控水稻粒型外，仍有許多新的未知的分子機制參與BR信號介導的水稻粒型調控。G-蛋白α 亞基D1/RGA1對BR 處理呈正相關，其功能失活突變體d1表現出株高變矮及小粒［57］。進一步研究發現D1/RGA1能夠與一個U-BOX 結構域的E3 泛素連接酶（TUD1）發生相互作用，d1tud1-5雙突變體表現出節間縮短、葉傾角減少、粒型變小等表型［58］。另一個大的轉錄因子家族GATA 包括鋅指結構域和DNA 結合區域，對OsGATA7進行RNAi和基因敲除發現，轉基因水稻對BR 處理不敏感，而過量表達則表現出相反表型［59］。除了上述這些基因外，絲裂原活化蛋白激酶（MAPKs）與BR 信號通路有很強的交互作用。SMALL GRAIN 1（SMG1）編碼水稻OsMKK4基因，其突變體smg1表現出與D61/OsBRI1，OsBZR1，OsGSK2和DLT缺陷突變體類似的BR缺乏表型［60］。Dwarf and Small Grain 1（DSG1）編碼OsMAPK6，其作為OsMKK4 下游靶基因共同調控水稻粒型。MAPK 上游OsMKKK10 結合并且磷酸化OsMKK4 調控水稻粒型大小。其功能失活突變體osmkkk10突變體表現出更小的水稻粒型和粒重。組成性過表達（CA-OsMKKK10）表現出穗型和粒型增大。GRAIN SIZE AND NUMBER 1（GSN1）能夠對MAPK6 進行去磷酸化修飾，參與GSN1-MAPK 分子調控模塊［61］。在MAPK調控途徑最上游，類受體激酶（RLK）OsER1 能夠對OsMPKKK10 進行磷酸化，通過MAPK 信號調控途徑影響DST［48］。除此之外，小G 蛋白OsRac1 也可以與OsMAPK6 相互作用正向調控水稻粒型［62］。作為主要的調控水稻粒長QTL，qGL3/GL3.1編碼一個Kelch 重復絲/蘇氨酸蛋白磷酸激酶OsPPKL1，其底物包括細胞周期蛋白Cyclin-T1;3 和GSK3［12］。綜上所述，BR 信號途徑、MAPK 信號途徑通過磷酸化修飾精確調控水稻粒型和穗型動態平衡。

2.3 G 蛋白調控途徑

異源三聚體G 蛋白（G-proteins）在植物和動物信號傳導通路差異較大，由Gα、Gβ 和Gγ組成，水稻中調控多種激素、干旱、抗病、側根形成等發育過程［63］。水稻中G 蛋白均已報道與穗部發育、粒型、灌漿速率及每穗粒數等直接相關。上文提到Gα（RGA1）蛋白通過調控BR 信號途徑影響水稻粒型。Gβ（RGB1）正調控水稻粒型和株型［64］。Gγ 則包括RGG1、RGG2、GS3、GGC2 及DEP1［65］。然而，雖然DEP1 蛋白結構上類似GS3，但是DEP1 的表型卻與GS3 相反，DEP1是正調控水稻粒型基因［66］。G-蛋白下游靶基因包括編碼OsMADS1基因等的轉錄活性影響水稻粒型和胚乳淀粉含量［67］。綜上所述，G蛋白信號途徑對水稻粒型影響起重要調控作用。

2.4 光合作用及胚乳發育調控途徑

穎殼大小及灌漿程度是影響水稻粒重和品質的重要因素。對于水稻粒型的有關綜述已多次指出調控穎殼細胞伸長和分裂和胚乳發育相關基因對水稻粒重的影響［68］。QUASIMODO2（OsQUA2）編碼一個果膠甲基轉移酶，對胚乳細胞壁乳糖醛酸的甲基酯化有重要作用，支持了光合產物遠距離運輸的“源-庫”理論［69］。液泡轉換酶OsINV2 和OsINV3 正向調控水稻淀粉組成和糖代謝過程，特別是OsINV3 對水稻粒型正向調控［70］。OsSWEET4編碼一個糖轉運蛋白促進六碳糖從韌皮部向胚乳細胞的轉運影響水稻粒重［26］。另外一個膜蛋白GRAIN-FILLING RATE 1（GFR1），通過與Rubisco 小亞基相互作用調控水稻種子灌漿速率［25］。

胚乳顆粒的形成是一個復雜過程，胚乳主要由兩種多聚物組成，直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例影響稻米品質。多年來，大量稻米品質相關突變體如f loury endosperm（FLOs）已經被揭示與胚乳正常形成、水稻粒重密切相關。包括FLO2、FLO7、FLO10、FLO11-2、FLO13及FLO19等，他們編碼不同的基因在不同調控途徑發揮作用，影響胚乳及正常灌漿［27］。此外，水稻細胞核Y家族對于水稻灌漿期調控非常重要。如OsNFYB1的RNAi轉基因植株表現出堊白率增加，通過結合GCC 盒ERF 轉錄因子和OsYUC11等調控水稻灌漿期表型［10,71-72］；OsNF-YB1、OsNFYC12 和OsbHLH144 三者形成復合體通過減少OsYNF-YB1 被26S 蛋白酶體降解的數量維持OsNF-YB1 的穩定性，OsNF-YC12 也可以通過結合FLO6和OsGS1;3啟動子區調控稻米品質［27］。除了上述這些基因外，OsNF-YC10、OsNF-YB9、OsNF-YC2、及OsNF-YC4參與水稻穗形態建成和粒型發育調控［73-75］。上述這些結果表明，細胞核Y 家族蛋白調控水稻粒型和品質。

2.5 表觀修飾調控途徑

表觀修飾主要指不改變DNA 序列的可遺傳表型變化［76］。對組蛋白的包括H3 和H4 的甲基化、乙酰化修飾在水稻的功能研究最為透徹。作為第一個參與表觀修飾調控的水稻粒型QTL，GW6a編碼一個含有GNAT 結構域組蛋白乙酰轉移酶Osg1HAT1，過表達GW6a 能增加穎殼細胞數量、籽粒灌漿速率、籽粒大小及千粒重；此外，Osg1HAT1 也促進參與組蛋白H4 乙酰化修飾［23］。通過酵母雙雜交實驗篩選，水稻DA1 的同源蛋白HDR3 能夠與GW6a 發生相互作用。HDR3 是一個能夠正向調控水稻籽粒大小的具有泛素結合活性的泛素受體蛋白，有趣的是，HDR3 是通過增強GW6a 泛素化水平來延緩而不是促進GW6a 依賴26S 蛋白酶體的降解，從而提高GW6a 蛋白數量和酶活增強后者對下游靶基因的表達調控［77］。SDG725編碼一個H3K36 甲基轉移酶，其功能缺失突變體展現出類似BR 缺陷表型，包括植株矮化、葉傾角減少基小圓粒表型［78］。另一類PcG多梳蛋白也被驗證通過H3 甲基化調控影響胚乳發育狀態。兩個同源基因OsFIE1 和OsFIE2 對水稻粒寬、稻米品質等產生多種影響，特別是OsFIE2 能夠通過影響OsMADS6的H3K27me3 甲基化程度影響水稻花器官發育過程［24,79］。這些基因表明各類表觀修過調控與水稻粒重有密切的調控關系。

2.6 microRNA 調控途徑

microRNAs（miRNAs）是一類存在植物體內非編碼RNA。經過多種miRNA 加工酶加工后，其最終產物能夠靶向結合某些特定基因序列調控他們的翻譯起始或者促進這些基因降解。miRNA參與許多植物生長發育過程調控，包括生物脅迫及非生物脅迫反應、環境適應性及衰老等［80］。OsSPL14（IPA1）編碼一個SPL 家族轉錄因子，是重要的調控水稻莖稈和粒型的QTL。其受到水稻miR156調控［81-82］。OsSPL14基因通過結合水稻株型基因OsTB1和OsDEP1啟動子區分別調控植物的株型和穗型。過表達miR156能顯著減少OsSPL14的表達量而表現出矮化、莖桿變細及分蘗變少等表型。另外一個SHORT INTERNODES 1（OsSHI1）編碼一個含有IGGH 結構域的轉錄因子也可以與IPA1 結合，相互拮抗調控水稻株型［83］。上述這些基因構建了以IPA1為中心的水稻株型和粒型的調控網絡。SPL 家族的另外一個成員OsSPL16編碼一個正向調控水稻粒寬的QTL，同樣受到miR156的調控，同時其作為轉錄因子調控結合GL7/GW7 啟動子區促進穎殼細胞伸長［16,84-85］。OsSPL13是第一個通過全基因組關聯分析（GWAS）找到的調控水稻粒重和產量的QTL［86］。其3’-UTR 同樣包含一個miR156的結合區域。此外，OsSPL13結合在Small and Round Seed 5（SRS5）基因的啟動子區調控穎殼細胞大小。上述結果構建miR156-OsSPL13/GLW7-SRS5水稻粒型調控網絡［17］。OsSPL18可以結合在OsDEP1啟動子區，也受到OsmiR156k的靶向降解，表明一個新的OsmiR156k-OsSPL18-OsDEP1的調控網絡參與水稻粒型建成［87］。OsSPL9 通過直接激活RCN1調控水稻早期穗粒數原基發生［88］。Jiang 等對水稻的SPL 家族蛋白進行總結和分類，也揭示了另外8個SPL家族蛋白存在穗部表型［89］。

除了miR156調控水稻粒型穗型外，其他miRNA 也參與了水稻粒型調控過程。OsmiR535是OsSPL7/12/16的靶向miRNA，下游對OsPIN1B、OsDEP1、OsLOG及OsSLR1的表達量調控［90］。OsmiR397調控OsLAC基因影響穗部的粒長、粒寬和千粒重［91］。OsmiR396通過影響Growth Regulating Factor（GRF）轉錄因子的表達調控水稻穗粒數和粒型關系，建立了OsmiR396-GRF-GIF調控網絡［92］。Zhao 等通過應用Short Tandem Target Mimic（STTM）方法阻斷OsmiR159與靶基因的相互作用，發現多個MYB 結構域基因，如OsGAMYB 和OsGAMYBL1，表達量明顯上調，進而對水稻株高、葉長和粒型進行調控［93］。OsmiR530分別靶向OsPIL15和OsPL3正調控水稻粒型［94］。上述結果說明，miRNA 通過靶向與水稻粒重相關基因來影響水稻粒型。

3 結語與展望

水稻粒型發育及調控是一個復雜過程，除了受到許多基因參與調控，環境因素包括營養、田間管理、種植區域等也有顯著影響。本文綜述總結了水稻粒重相關的表觀調控途徑、轉錄水平、蛋白質互作等分子調控過程，與光合作用、蔗糖運輸等代謝過程及細胞分裂與分化細胞學層面調控過程。這些基因相互作用，有的形成調控網絡發揮作用，有的仍然不清楚其具體功能。目前多個證據表明，水稻不同性狀之間存在微妙的動態平衡［31,48,61］。本文從泛素化途徑、G-蛋白偶聯途徑、激素調控途徑、光合作用調控途徑、表觀調控途徑和micro-RNA 調控途徑列舉和整理與水稻粒重相關的重要QTL 和功能基因。由于合子（胚和胚乳）決定種子大小，在作物馴化過程受到強烈人工選擇以優化種子大小與品種有益等位基因組合。不同物種在進化過程可能存在相似的調控機制［9］。比如擬南芥的DA1基因調控種子大小，在水稻中也有相似機制［19］；擬南芥MAPK 信號途徑調控植物廣譜抗病性分子機制，然而在水稻中主要在調控水稻粒型和穗粒數平衡［61］。此外，對于多基因調控網絡的研究也大大加深我們對于水稻粒重這一復雜性狀的分子機理了解。如OsmiR156k-OsSPL18-OsDEP1、OsmiR396-GRFGIF調控網絡等［87,92］。這些信號調控網絡之間的相互影響和調控關系需要在未來投入更多的研究，包括多組學聯合分析等以便能更加全面構筑水稻粒重調控網絡，為未來實現真正意義上分子模塊設計育種打下堅實理論基礎。

基因編輯技術經過過去十多年的蓬勃發展，目前已經開發出TALEN 系統、Cas9 系統、Cas12系統以及單堿基編輯器ABE 等［95］。值得注意的是，目前利用啟動子編輯微調基因表達產生多種不同性狀已有課題組出現相關報道。早在2017 年，美國冷泉港Zachary B.Lippman 課題組就提出利用多個不同基因家族成員的自然或者人工改良等位基因進行花序的改良，達到從野生番茄向人工番茄快速馴化的目的［96］。揚州大學劉巧泉課題組和華南農業大學劉耀光課題組分別利用CRISPRCas9技術對稻米品質基因Waxy基因進行啟動子、5’-UTR 及內含子區進行基因編輯，獲得不同的新等位Waxy基因，改良水稻稻米品質［97-98］。最近，李錢鋒課題組等對水稻Glucan,Water-Dikinase 1（GWD1）基因進行啟動子編輯獲得其弱突變的遺傳改良材料，能夠實現在不改變水稻主要農藝性狀的同時對水稻稻米透明度和種子萌發狀態的改良［99］。除了水稻稻米品質改良，對水稻細菌性條紋病抗病基因Xa13啟動子編輯獲得提高水稻細條病抗性但是并沒有降低花粉的育種改良材料在以后水稻高產抗病育種過程的應用也是一個很好的例子［100］。這些都預示著對水稻粒重相關基因的啟動子編輯具有重要的生物學和生產實踐意義。

隨著水稻基因組變異組學的發展，更多的不同水稻品種材料在單堿基SNP 差異、序列變異（SV）差異為水稻育種和分子設計育種聚合不同優良性狀改良提供新的思路［101］。這些在不同品種的水稻序列變異不僅挖掘更多新的有效等位基因，在育種生產上應用；另外也可能解決過去QTL 定位出現的問題，新的變異可能隱藏著的新的功能性基因在水稻“四性”的作用值得重視。除了經典遺傳學在水稻育種方面的應用，發展智慧農業，物聯網和農村5G 建設也是推動我國農業高質量發展，鄉村振興的重要舉措。目前，華南地區以廣東省農業科學院和地市政府聯手打造的產學研結合基地，農村產業園、大田規模化種植基地、設施園藝標準示范基地等也在逐步建設，這將引領農業農村現代化在2025 年、2035 年不同時間取得階段性進展。與之相配套的技術也在不斷開發。比如，中國農業科學院都市農業研究所最近利用6 種矮稈品種結合定制光譜LED 光源為水稻不同生育期提供最佳光環境同時精確調控各種環境因素，實現對大田環境120 d 生育期水稻壓縮至60 d，并且實現相當于單產652 kg/667m2巨大應用潛力。2007 年研發出水稻“三控”施肥技術，該技術是以控肥、控苗、控病蟲為主要內容的高效施肥及配套技術體系，與傳統施肥方法相比，一般減少氮肥20%，水稻增產10%左右，氮肥利用率提高10%以上，有效分蘗增多，無效分蘗減少，病蟲害和倒伏大幅減輕，多年來的成功應用使得該技術已成為廣東省和農業部主推技術［102-103］。除此之外，利用農機自動導航作業與無人旋耕機、播種機、插秧機、噴霧機和收獲機的有機結合，華南農業大學羅錫文院士打造的“無人農場”是國家“智慧農業”示范的典型例子，爭取“無人農場”5 年后進入推廣階段、10 年后加快推廣速度，完成技術轉化。這些技術的配套實施將極大有助于我們國家水稻生物育種、打造智慧農業，打贏種業翻身仗。