陸稻的起源與適應(yīng)性進(jìn)化研究進(jìn)展

羅 志,周衡陵,李 靜,李朝陽(yáng),王 磊,羅利軍,夏 輝?

(1上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心,上海 201106;2華中農(nóng)業(yè)大學(xué),武漢 430070)

亞洲栽培稻(Oryza sativaL.)是最重要的糧食作物之一,為全世界一半以上的人口提供主食。亞洲栽培稻具有豐富的遺傳多樣性,在適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)生境的過(guò)程中逐漸演化出不同的生態(tài)型。根據(jù)土壤-水分條件及耕作方式的不同,可以大致將栽培稻分為灌溉稻(Irrigated rice)、低地稻(Rainfed lowland rice)、陸稻(Rainfed upland rice)、深水稻(Deep-water rice)4種生態(tài)型[1]。其中,灌溉稻種植于具備灌溉條件,土壤相對(duì)肥沃,并且具有成型田埂和犁底層的水田中;雨養(yǎng)低地稻雖然依賴降雨,但同樣利用成型田埂與犁底層來(lái)保持田間水分,在生育期的大部分時(shí)期都與灌溉稻有相似的土壤-水分條件。因此,通常將灌溉稻與低地稻歸類為水稻。目前,水稻在全球的種植面積占栽培稻種植面積的80%以上,貢獻(xiàn)了超過(guò)90%的稻米產(chǎn)量[2]。陸稻適應(yīng)旱作農(nóng)業(yè)生境,水分來(lái)源主要依賴于降雨,通常采取直播旱作的耕種模式,與小麥、玉米等旱作作物相似。陸稻廣泛分布于亞洲、非洲和拉丁美洲,在主要耕作地區(qū)亞洲,栽培稻仍以水稻為主,雖然在拉美和非洲地區(qū)以陸稻種植為主,但相對(duì)于全球的稻作規(guī)模,陸稻占比相當(dāng)小。根據(jù)國(guó)際水稻研究所的最新調(diào)查,全球范圍內(nèi),陸稻的種植面積僅占種植面積的約8%,貢獻(xiàn)約4%的稻米總產(chǎn)量[2]。水稻與陸稻的農(nóng)業(yè)生境具有較大的差異,在長(zhǎng)期適應(yīng)各自農(nóng)業(yè)生境的過(guò)程中逐步分化(表1)。水稻在較為適宜的水、肥條件與人類精耕細(xì)作下,獲得了較高的產(chǎn)量與較好的品質(zhì);而陸稻所處的農(nóng)業(yè)生境通常干旱、貧瘠、勞動(dòng)力缺乏,在長(zhǎng)期適應(yīng)的過(guò)程中積累了大量節(jié)水抗旱、耐貧瘠、適應(yīng)輕簡(jiǎn)栽培的綠色性狀。不過(guò),陸稻的產(chǎn)量較低,僅為1 000 kg∕hm2左右[2],在產(chǎn)量為導(dǎo)向的栽培稻生產(chǎn)中長(zhǎng)期得不到重視。雖然我國(guó)是陸稻的發(fā)源地與多樣性中心,但傳統(tǒng)陸稻種植區(qū)域的陸稻面積呈快速縮減的趨勢(shì)[3]。

表1 水稻和陸稻的農(nóng)業(yè)生境差異及陸稻適應(yīng)性表型Table 1 Differences in agricultural habitats between lowland rice and upland rice and adaptive phenotype of upland rice

過(guò)去幾十年,隨著水稻理論研究進(jìn)展、育種技術(shù)進(jìn)步及大量水、肥、農(nóng)藥的投入,水稻在實(shí)驗(yàn)田中的產(chǎn)量潛力已高達(dá)18 000 kg∕hm2以上。但水稻這種高投入、高產(chǎn)出的生產(chǎn)模式,也導(dǎo)致了諸多的問(wèn)題,使其在未來(lái)的發(fā)展遇到極大的挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題包括:(1)水稻的高產(chǎn)潛力依賴于大量水、肥與勞動(dòng)力的投入,在條件欠缺的中低產(chǎn)田水稻的平均產(chǎn)量與高產(chǎn)田可相差30%以上;我國(guó)有大約70%的稻田為中低產(chǎn)田[4],提高中低產(chǎn)田的產(chǎn)量,是提高我國(guó)糧食總產(chǎn)量,解決糧食安全問(wèn)題的關(guān)鍵。(2)水稻生產(chǎn)消耗大量的水資源,占農(nóng)業(yè)用水總量的一半以上[5],而我國(guó)是世界上水資源最匱乏的國(guó)家之一,淡水資源僅占世界的6%,但我國(guó)灌溉用水卻需要用于生產(chǎn)世界25%的糧食,預(yù)估2015—2030年淡水的增量難以滿足目前糧食增產(chǎn)的需求[6]。在2012年印發(fā)的《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》(國(guó)發(fā)〔2012〕3號(hào))中指出,截至2030年,力爭(zhēng)將國(guó)內(nèi)年用水量控制在7 000億m3以內(nèi),因此,節(jié)水農(nóng)業(yè)是保障未來(lái)糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的發(fā)展方向;同時(shí),水稻對(duì)干旱十分敏感,我國(guó)每年有超過(guò)60%的水田會(huì)受到不同程度的干旱危害,造成減產(chǎn)甚至絕收[7]。提升水稻節(jié)水抗旱能力,使其能夠應(yīng)對(duì)全球氣候變化帶來(lái)的干旱缺水問(wèn)題,是現(xiàn)在水稻育種的重要目標(biāo)之一。(3)水稻淹水種植的方式會(huì)產(chǎn)生許多生態(tài)問(wèn)題,包括稻田溫室氣體排放,傳統(tǒng)稻田的甲烷排放占農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總排放量的11%[8],灌溉在大量水分流失的同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的面源污染[5]。只有改變水稻傳統(tǒng)淹水種植的模式,才能在較大程度上解決上述農(nóng)業(yè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。

為了解決上述水稻生產(chǎn)中存在的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、資源節(jié)約的水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展模式,上海市農(nóng)業(yè)生物基因中心率先提出發(fā)展節(jié)水抗旱稻(Water-saving and drought-resistance rice,WDR)這一理念[7],并培育出了適應(yīng)輕簡(jiǎn)栽培、具備較高節(jié)水抗旱能力的節(jié)水抗旱稻品種[9]。“節(jié)水抗旱稻”的核心思想就是利用常規(guī)育種將陸稻生態(tài)型中普遍存在的節(jié)水抗旱、耐直播、耐貧瘠等綠色遺傳資源通過(guò)高強(qiáng)度的“抗旱-高產(chǎn)”交替選擇的育種模式導(dǎo)入到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水稻中,培育出適應(yīng)輕簡(jiǎn)栽培、在常規(guī)條件下高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)且能在輕中度干旱脅迫下保持較高產(chǎn)量與品質(zhì)的新型栽培稻品種,在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的認(rèn)可與關(guān)注[9]。發(fā)展節(jié)水抗旱稻的重要基礎(chǔ)工作就是科學(xué)研究和利用陸稻節(jié)水抗旱遺傳資源,而陸稻節(jié)水抗旱遺傳資源的起源與進(jìn)化是其中最根本的科學(xué)問(wèn)題,揭示陸稻抗旱性起源與進(jìn)化的遺傳機(jī)制,對(duì)于挖掘、研究和利用陸稻抗旱基因資源,發(fā)展節(jié)水抗旱稻育種技術(shù)有著重要的理論指導(dǎo)意義。本文就水稻抗旱性起源與進(jìn)化的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 陸稻起源的研究

陸稻作為一種重要的栽培稻生態(tài)型存在已有幾千年的歷史,卻很少有人探討其起源問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái),水稻從野生稻進(jìn)化,然后遷移到旱地環(huán)境形成陸稻生態(tài)型的觀念深入人心。這種觀點(diǎn)最有力的依據(jù)在于水稻的考古證據(jù)(如水田遺址和相關(guān)農(nóng)具)可以追溯到至少8 000年前的長(zhǎng)江中下游地區(qū)[10-12],而陸稻最早的稻作遺存距今僅4 000年左右[10,13]。

然而,這種水稻先馴化的觀點(diǎn)仍然值得商榷,理由如下:(1)在栽培稻馴化的早期,農(nóng)耕條件極為落后,稻田不具備灌溉和蓄水條件,早期的栽培稻需要面對(duì)季節(jié)性干旱;(2)雖然一般認(rèn)為野生稻的生境是沼澤環(huán)境,仍不可避免會(huì)遭受季節(jié)性干旱,野生稻也有適應(yīng)季節(jié)性干旱的遺傳多樣性,陸稻有直接從野生稻馴化而來(lái)的遺傳基礎(chǔ)[14];(3)最原始的栽培方式更可能是直播,而陸稻具有直播特性;(4)近年來(lái),特別是基于高通量測(cè)序的群體遺傳學(xué)研究更多地關(guān)注亞洲栽培稻的起源和馴化歷史,提出我國(guó)珠江流域才是粳稻的起源地[15]。而華南地區(qū)正是我國(guó)陸稻分布的多樣性中心,且史籍記載表明華南地區(qū)的原始稻作始于陸稻。云南地區(qū)栽培稻遺傳多樣性極其豐富,且該地區(qū)的野生稻在遺傳與生理上均與現(xiàn)代栽培稻最為接近,長(zhǎng)久以來(lái)被一批學(xué)者認(rèn)為是栽培稻可能的起源中心[16-17]。

本課題組在近期的工作中,通過(guò)對(duì)大規(guī)模具有代表性的水稻、陸稻地方品種進(jìn)行群體遺傳學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)在栽培稻馴化歷史中,野生稻-陸稻-水稻的假說(shuō)在遺傳上是可能的。(1)陸稻的遺傳多樣性高于水稻,這與水稻是基本型的假設(shè)相悖:因?yàn)槿绻懙臼菑乃局蟹只鰜?lái),必然會(huì)經(jīng)歷一個(gè)遺傳瓶頸,導(dǎo)致遺傳多樣性較大程度下降。(2)陸稻與野生稻的遺傳關(guān)系更近,陸稻與野生稻共享更多的私有等位基因。在陸稻與野生稻之間并不存在顯著基因流的情況下,只有陸稻直接從野生稻中馴化,才能解釋這一現(xiàn)象。(3)促使陸稻與水稻發(fā)生適應(yīng)性分化的驅(qū)動(dòng)力以陸稻中對(duì)抗旱性和產(chǎn)量的平衡選擇為主,而非定向選擇,這與陸稻由水稻分化去適應(yīng)旱作農(nóng)業(yè)生境的假設(shè)相悖[18]。在后續(xù)的研究中,本課題組通過(guò)基于溯祖理論的SMC++及基于頻譜統(tǒng)計(jì)的fastsimcoal2方案進(jìn)行了種群發(fā)生歷史的動(dòng)態(tài)推演,得到陸稻更早地從野生稻馴化,然后水稻從陸稻分化出來(lái)的結(jié)果。另外,通過(guò)對(duì)控制根系、氮素吸收利用等關(guān)鍵適應(yīng)性性狀基因的單倍型分析,也發(fā)現(xiàn)其中有很大比例的基因,其陸稻優(yōu)勢(shì)單倍型直接或間接來(lái)源于野生稻,而非來(lái)源于水稻;相反,大多數(shù)基因的水稻優(yōu)勢(shì)單倍型都能在陸稻中找到。這也支持了陸稻直接從野生稻分化出來(lái)的假設(shè),并且說(shuō)明了陸稻遺傳資源直接來(lái)源于野生稻。

與此同時(shí),來(lái)自紐約大學(xué)的Gutaker等[19]研究人員基于群體遺傳學(xué)、考古學(xué)及氣象學(xué)模型提出了粳亞種生態(tài)型分化模式:粳稻最早在大約9 000年前以熱帶粳稻的形式起源于中國(guó)東部長(zhǎng)江和黃河流域之間;大約在4 200年前的一次全球性降溫事件導(dǎo)致熱帶粳稻向更溫暖的西南方遷移;而在粳稻起源地(長(zhǎng)江-黃河流域之間)則演化出了更適應(yīng)低溫的溫帶粳稻。在Gutaker等[19]的研究體系中,粳稻亞種內(nèi)的生態(tài)型分化主要是熱帶粳稻與溫帶粳稻的分化。但從現(xiàn)有的資源來(lái)看,(亞)熱帶粳稻主要是典型陸稻,而溫帶粳稻多為水稻,且兩者在節(jié)水抗旱[18,20]、耐直播[21]、耐貧瘠與養(yǎng)分高效[22]等方面與水稻、陸稻農(nóng)業(yè)生境適應(yīng)相關(guān)的性狀上有顯著差異。因此,Gutaker等[19]所說(shuō)的(亞)熱帶粳稻就是陸稻,之后分化的溫帶粳稻就是水稻。Gutaker等[19]對(duì)于粳稻馴化歷史的解釋與本課題組關(guān)于陸稻先起源的假說(shuō)是吻合的。當(dāng)然,要證實(shí)這個(gè)猜想,還得依賴于進(jìn)一步的考古遺存及古DNA等證據(jù)。

2 陸稻與水稻的適應(yīng)性分化

2.1 陸稻與水稻的表型差異

旱作適應(yīng)性是陸稻與水稻首要的區(qū)別。水稻的種植環(huán)境具有良好的蓄水能力或者灌溉條件,整個(gè)生育期遭遇干旱脅迫的概率較低。而陸稻一般種植于排水通氣良好的土壤中,采取旱作模式,在沒(méi)有田埂和犁底層保水的條件下,自然降水的不穩(wěn)定導(dǎo)致陸稻在全生育期均有遭受干旱的風(fēng)險(xiǎn)。為了抵御干旱脅迫,陸稻通常具有較好的節(jié)水抗旱性。陸稻的節(jié)水抗旱能力表現(xiàn)在:

(1)陸稻具有更深、更發(fā)達(dá)的根系。根系是植株吸收水分的主要器官,旱地作物需要更深的根系來(lái)吸收深層土壤的水分。典型陸稻相較于水稻而言,具有更粗壯且向下發(fā)展的根系以及更高的根冠比,這使陸稻在遭遇干旱時(shí)能從土壤中吸收更多的水分[18,20,23]。例如,Lou等[20]研究發(fā)現(xiàn),陸稻具有較高的深根性,即陸稻的根系主要是向下發(fā)展;Zhao等[23]研究發(fā)現(xiàn),陸稻具有較粗、較為發(fā)達(dá)的根系,并鑒定出多個(gè)與根系發(fā)育相關(guān)的基因。

(2)陸稻葉片保持水分的能力更好。在增加水分吸收的同時(shí),陸稻也發(fā)展出一系列適應(yīng)性機(jī)制以保持較低的水分散失和消耗。葉片是植物散失水分的主要部位。陸稻葉片具有較低的氣孔密度和較厚的蠟質(zhì)層,從而減少了水分散失[24-25]。此外,葉片形態(tài)在植物適應(yīng)環(huán)境的過(guò)程中會(huì)發(fā)生有規(guī)律的演化,陸稻相較于水稻有較長(zhǎng)、較寬的葉片[18]。有研究顯示,水稻葉片的長(zhǎng)寬與干旱下的葉片卷曲有一定的相關(guān)性[26]。

(3)陸稻的分蘗較少。更少的分蘗和葉片同樣能夠降低陸稻由蒸騰作用導(dǎo)致的水分散失,被認(rèn)為是陸稻適應(yīng)旱作的一種機(jī)制。有意思的是,作為補(bǔ)償機(jī)制,陸稻往往擁有較大的穗和較大的籽粒從而彌補(bǔ)部分由分蘗減少導(dǎo)致的產(chǎn)量損失[27]。

除了節(jié)水抗旱性以外,陸稻還在耐直播特性(中胚軸長(zhǎng)度)[18,21]、耐貧瘠與養(yǎng)分高效[28]等方面與水稻產(chǎn)生了適應(yīng)性分化。因此,陸稻種質(zhì)資源擁有豐富的綠色基因資源,在目前逐步展開的倡導(dǎo)資源節(jié)約、環(huán)境友好、效率優(yōu)先的水稻生產(chǎn)變革中,是重要的綠色種質(zhì)資源。

2.2 陸稻與水稻的遺傳分化

Ono[29]在1973年追溯了日本陸稻的起源,認(rèn)為日本陸稻是水稻適應(yīng)旱作以后演化出的新生態(tài)型,但遺傳上與水稻基本沒(méi)有太大差異。之后有學(xué)者利用同工酶標(biāo)記發(fā)現(xiàn)了日本水稻、陸稻群體特異性的位點(diǎn)[30-31]。利用這些分子標(biāo)記可以較為準(zhǔn)確地鑒定和區(qū)別水稻或陸稻種質(zhì)資源[31]。可惜的是,上述研究所用到的水稻、陸稻品種較少,開發(fā)的分子標(biāo)記數(shù)量不足,也沒(méi)有進(jìn)一步從進(jìn)化生物學(xué)的角度解釋兩者的遺傳分化。隨著分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展,Yu等[32]利用42對(duì)RAPD(Randomly amplified polymorphic DNA)標(biāo)記研究水稻、陸稻的遺傳分化,但聚類結(jié)果僅僅是將14份試驗(yàn)材料分成秈稻與粳稻兩個(gè)組。我國(guó)學(xué)者也在2009年利用36對(duì)SSR標(biāo)記研究包含超過(guò)2 100份水稻和800份陸稻地方種的遺傳多樣性與遺傳結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)僅有7.58%的遺傳變異存在于不同生態(tài)型中,卻有36.65%的遺傳變異是由秈、粳分化造成的,因此認(rèn)為水稻、陸稻的整體遺傳分化水平較低[33]。2014年,Lyu等[34]基于基因組SNP標(biāo)記對(duì)水稻與陸稻的遺傳分化進(jìn)行了研究,同樣認(rèn)為水、陸稻的遺傳分化僅出現(xiàn)在粳亞種中;而秈稻遺傳背景則較為復(fù)雜,可能存在多種起源。上述研究表明,水稻、陸稻在基因組水平的遺傳分化程度并不高。

分子生態(tài)學(xué)的觀點(diǎn)認(rèn)為,環(huán)境適應(yīng)導(dǎo)致的同一物種不同生態(tài)型間的遺傳分化往往不會(huì)覆蓋全基因組,而是在與環(huán)境適應(yīng)相關(guān)的位點(diǎn)及與之連鎖的區(qū)域因差異化的選擇產(chǎn)生分化,從而在基因組上形成不連續(xù)分布的“分化島”[35]。因此,后續(xù)對(duì)水稻、陸稻的遺傳分化的研究開始重視在水-陸稻間的高分化位點(diǎn)。Xia等[24]利用干旱響應(yīng)的EST-SSR(可表達(dá)序列標(biāo)簽-微衛(wèi)星)標(biāo)記對(duì)水稻、陸稻的適應(yīng)性分化進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)水稻與陸稻確實(shí)僅在少量EST-SSR標(biāo)記上呈現(xiàn)出顯著分化,并且相關(guān)EST-SSR標(biāo)記所關(guān)聯(lián)的基因也與栽培稻抗旱性有一定的聯(lián)系。利用這些受選擇的分子標(biāo)記,能夠準(zhǔn)確區(qū)分水稻與陸稻生態(tài)型,并且可以輔助栽培稻抗旱性篩選,提高栽培稻抗旱性育種的效率[36]。Xia等[18]考察水稻、陸稻的農(nóng)藝性狀與抗旱表型,發(fā)現(xiàn)栽培稻的產(chǎn)量性狀與抗旱性性狀間普遍存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,其潛在的遺傳機(jī)制是產(chǎn)量基因和抗旱基因間的緊密連鎖或者一因多效,解釋了陸稻抗旱但產(chǎn)量差、水稻產(chǎn)量潛力高卻干旱敏感的表型;他們首次提出陸稻馴化的“雙向選擇”機(jī)制:即陸稻在雨水充沛的年份選擇高產(chǎn)性,在干旱缺水的年份選擇抗旱性。正是在這種選擇模式下,陸稻與水稻在抗旱性與產(chǎn)量上均產(chǎn)生了顯著分化(圖1);同時(shí),陸稻保留了大量與抗旱相關(guān)的遺傳變異與抗旱性-高產(chǎn)重組基因型,使其成為栽培稻抗旱性育種的重要種質(zhì)資源。與此同時(shí),節(jié)水抗旱稻的育種模式,實(shí)際上是借鑒了陸稻“雙向選擇”的馴化模式,采取高強(qiáng)度的抗旱性-優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)交替選擇,將陸稻中有利于節(jié)水抗旱的遺傳資源導(dǎo)入水稻中[9]。所以,節(jié)水抗旱稻在水稻遺傳背景下獲得陸稻的節(jié)水抗旱特性,從本質(zhì)上講與陸稻在適應(yīng)旱作馴化過(guò)程中逐漸進(jìn)化出比水稻更好的節(jié)水抗旱性,在一定程度上是相通的[9]。

圖1 水稻和陸稻適應(yīng)性分化的模式圖Fig.1 Pattern of adaptive differentiation between lowland rice and upland rice

水稻受到的選擇主要是高產(chǎn)性選擇,陸稻受到的是“雙向選擇”。因栽培稻抗旱性(DR)與高產(chǎn)性(GDP)之間存在tradeoff,陸稻“雙向選擇”的結(jié)果使陸稻的抗旱性較好而生產(chǎn)力較差,與水稻形成適應(yīng)性分化。

雖然秈亞種內(nèi)水稻、陸稻間的遺傳分化程度較低,但Wang等[37]依然鑒定出秈型水-陸稻間的高分化位點(diǎn),并將其與粳型水-陸稻高分化位點(diǎn)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者僅共享1.8%的分化位點(diǎn)與1.6%的表達(dá)差異位點(diǎn),由此認(rèn)為秈型水-陸稻分化與粳型水-陸稻分化是相互獨(dú)立的,且具有完全不同的遺傳基礎(chǔ)。

2.3 水稻與陸稻基因表達(dá)的分化

植物的基因表達(dá)也會(huì)受到自然選擇,因此植物的適應(yīng)性進(jìn)化也會(huì)體現(xiàn)在基因表達(dá)層面,尤其是復(fù)雜性狀的進(jìn)化。研究水稻與陸稻在基因表達(dá)層面的分化,對(duì)于正確理解陸稻抗旱性的適應(yīng)性進(jìn)化,挖掘有利基因資源有著重要意義。本課題組利用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)研究了典型水稻(50份)、陸稻(40份)地方種在正常水田與干旱脅迫下基因表達(dá)層面上的適應(yīng)性分化,共鑒定出2 358個(gè)水-陸稻表達(dá)分化基因,但其中只有約15%的基因在DNA序列上形成遺傳分化。這意味著少量關(guān)鍵的水-陸稻遺傳分化基因就能驅(qū)動(dòng)陸稻轉(zhuǎn)錄組水平的旱作適應(yīng)。后續(xù)的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析也表明:在每一個(gè)共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)子模塊(Module)中,都有少量水-陸稻遺傳分化基因是該模塊的節(jié)點(diǎn)基因(Hub gene),這些節(jié)點(diǎn)基因通過(guò)基因間的共表達(dá)關(guān)系,驅(qū)動(dòng)了轉(zhuǎn)錄組水平的旱作適應(yīng)[38]。在另一項(xiàng)以節(jié)水抗旱稻滬旱2B為對(duì)象的研究中,同樣發(fā)現(xiàn)來(lái)源于典型陸稻‘IRAT109’的幾個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子驅(qū)動(dòng)了節(jié)水抗旱稻中的抗旱基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò),是滬旱2B抗旱性的潛在原因。由此看來(lái),發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用陸稻旱作適應(yīng)與抗旱性進(jìn)化中的關(guān)鍵基因,是未來(lái)節(jié)水抗旱稻研發(fā)中的重點(diǎn)之一。

2.4 水稻與陸稻的表觀遺傳分化

表觀遺傳是不依賴于DNA序列變化的可遺傳的表型變化,主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、RNA干擾與染色質(zhì)構(gòu)型變化,是近年來(lái)植物學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。基因組甲基化是表觀遺傳的重要組成部分之一,植物通過(guò)基因組的甲基化調(diào)節(jié)基因表達(dá),在植物(包括水稻)的抗生物或非生物脅迫中起著重要作用[39-40],并且這種甲基化還會(huì)以一定的頻率傳遞到子代中,使后代抗逆性提升[41]。

Xia等[42]利用甲基化敏感擴(kuò)增多態(tài)性(Methylation sensitive amplification polymorphism,MSAP)分子標(biāo)記技術(shù)研究了水稻、陸稻的表觀遺傳分化。結(jié)果表明:總體而言,DNA甲基化在兩種生態(tài)型中的差異并不大,但在少量甲基化位點(diǎn),水稻與陸稻存在顯著差異,并且陸稻的甲基化水平較低。低甲基化意味著在該位點(diǎn)基因的表達(dá)能夠更快地響應(yīng)干旱,從而實(shí)現(xiàn)干旱適應(yīng)(圖2)。這可能是陸稻適應(yīng)旱作的一種重要機(jī)制。

圖2 基于MSAP的水-陸稻表觀遺傳分化模型(修改自黃衛(wèi)霞[43])Fig.2 Lowland rice-upland rice epigenetic differentiation model based on MSAP

目前,水稻、陸稻表觀遺傳分化仍處于起步階段,但一項(xiàng)基于表觀遺傳機(jī)制的水稻抗旱性馴化的研究則給水稻、陸稻表觀遺傳分化提供了一些佐證。Zheng等[44-45]利用MSAP與全基因組甲基化測(cè)序(Whole genome bisulfite Sequencing,WGBS)技術(shù),對(duì)一個(gè)典型水稻和典型陸稻在旱地環(huán)境下連續(xù)栽種10代并復(fù)水栽培1代后的全基因組甲基化狀態(tài)進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,典型陸稻與水稻之間確實(shí)存在大量的差異甲基化位點(diǎn)(DMC)與差異甲基化區(qū)域(DMR)。其次,發(fā)現(xiàn)有7%—9%受干旱誘導(dǎo)的DNA甲基化位點(diǎn),在恢復(fù)水田種植1代后仍能保持受誘導(dǎo)的狀態(tài);經(jīng)過(guò)連續(xù)10代旱地栽種以后,抗旱性有了輕微提高,推測(cè)可能與兩個(gè)材料經(jīng)過(guò)連續(xù)10代旱作后DNA甲基化狀態(tài)的定向(向有利抗旱的方向)改變相關(guān)。該研究從一定程度提示了水-陸稻基因組甲基化分化的成因,以及水-陸稻的甲基化分化位點(diǎn)與陸稻干旱適應(yīng)相關(guān)。

3 陸稻綠色遺傳資源研究與利用

3.1 陸稻在栽培稻抗旱性研究中的應(yīng)用

如上所述,陸稻具備較為豐富的抗旱遺傳資源,因此陸稻作為一種抗旱種質(zhì)資源在抗旱性的研究與育種中被廣泛使用。在禾本科比較基因組網(wǎng)站Gramene(https:∕∕archive.gramene.org∕)上收錄的栽培稻抗旱性QTL數(shù)據(jù)庫(kù)中,有一半以上的抗旱相關(guān)QTL是利用陸稻種質(zhì)資源構(gòu)建群體進(jìn)行遺傳定位獲得的(表2)。

表2 Gramene數(shù)據(jù)庫(kù)中部分抗旱性狀QTL及其所用到的陸稻種質(zhì)信息Table 2 QTLs of some drought resistance traits in Gramene database and the upland rice germplasm information used

根系介導(dǎo)避旱性是栽培稻抵御干旱脅迫的首道防線,在栽培稻早、中期抗旱中發(fā)揮著重要作用。同時(shí),根系構(gòu)形相關(guān)的表型通常遺傳力高、由主效基因調(diào)控。隨著近年來(lái)各種針對(duì)根系構(gòu)形相關(guān)表型(包括根長(zhǎng)、根粗、根深等)評(píng)價(jià)方法的發(fā)展與改進(jìn),相應(yīng)的遺傳研究也越來(lái)越多。典型陸稻與典型水稻的根系存在十分顯著的差異,這種差異有利于陸稻干旱適應(yīng),因此,陸稻發(fā)達(dá)的根系是栽培稻抗旱性遺傳資源挖掘與研究的熱點(diǎn),陸稻是進(jìn)行根系相關(guān)表型遺傳定位與基因資源挖掘中最重要的種質(zhì)資源。其中,來(lái)自非洲的典型陸稻‘IRAT109’根系發(fā)達(dá)、粗壯、深長(zhǎng),具有良好的避旱性,在栽培稻抗旱性育種中廣泛應(yīng)用,因此也常被用于根系相關(guān)表型的遺傳定位,并取得了不錯(cuò)的效果(表3)。

表3 近年來(lái)利用‘IRAT109’進(jìn)行抗旱相關(guān)表型遺傳定位的研究Table 3 Studies on genetic mapping of drought resistance related phenotypes using‘IRAT109’in recent years

隨著高通量測(cè)序技術(shù)與全基因組關(guān)聯(lián)分析(Genome-wide association analysis)的發(fā)展,對(duì)自然群體根系表型的GWAS分析,結(jié)合關(guān)聯(lián)位點(diǎn)等位基因單倍型及頻率在水稻、陸稻生態(tài)型中的差異,成為挖掘根系發(fā)育與構(gòu)形相關(guān)候選基因的一種重要方式。例如,Lou等[20]通過(guò)GWAS在一個(gè)由水稻、陸稻雜交構(gòu)建的重組自交系群體中定位到多個(gè)與深根比相關(guān)的QTL,其中部分QTL與圖位克隆的結(jié)果一致。Li等[60]在一個(gè)栽培稻自然群體中(含部分陸稻種質(zhì))針對(duì)21個(gè)根系表型通過(guò)GWAS挖掘到143個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)。

另外,通過(guò)比較轉(zhuǎn)錄組研究基因表達(dá)響應(yīng)干旱脅迫的差異,也是一種常見(jiàn)的研究栽培稻抗旱性分子機(jī)制與挖掘抗旱候選基因的方案。其中,陸稻種質(zhì)也常常作為抗旱性材料得到應(yīng)用(表4)。值得一提的是,在Ma等[61]的研究中,典型陸稻‘IRAT109’是被作為敏感性材料使用的,因其抗旱性主要得益于發(fā)達(dá)的根系(避旱性),當(dāng)在該研究中根系的作用被屏蔽以后,‘IRAT109’就表現(xiàn)出干旱敏感。因此,有一種假設(shè)認(rèn)為,因?yàn)椴淮嬖诶绲讓?陸稻更偏好避旱性機(jī)制;水稻則由于水田犁底層的存在限制了其根系向下發(fā)展的空間,因此不得不在耐旱性機(jī)制上獲得更好的進(jìn)化,如兩個(gè)水稻品種‘Dular’和‘IR5’在IRRI的相關(guān)研究中就表現(xiàn)出不遜于陸稻的抗旱性[62]。但該研究在另一陸稻品種‘IAC1246’中發(fā)現(xiàn)了2個(gè)阿魏酸代謝相關(guān)的耐旱性候選基因,通過(guò)干旱脅迫下的光合保護(hù)機(jī)制起到耐旱作用[61]。由此可見(jiàn),陸稻在旱作適應(yīng)中也能演化出一些耐旱機(jī)制。不過(guò),在栽培稻自然群體中耐旱性與避旱性之間也可能存在一定的tradeoff,使得大多數(shù)種質(zhì)不能同時(shí)獲得耐旱性與避旱性[18]。這就要求在保護(hù)、研究和利用栽培稻抗旱種質(zhì)資源時(shí),需要科學(xué)、全面地對(duì)水稻、陸稻進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià),了解兩者在不同抗旱機(jī)制上的優(yōu)劣,從而利用現(xiàn)代育種技術(shù)去綜合不同的抗旱機(jī)制,培育出更好的抗旱性栽培稻品種。

表4 近年來(lái)在轉(zhuǎn)錄組研究中得到應(yīng)用的陸稻種質(zhì)Table 4 Upland rice germplasm applied in transcriptome research in recent years

3.2 陸稻基因資源研究進(jìn)展

如前所述,陸稻在長(zhǎng)期適應(yīng)旱作農(nóng)業(yè)生境的過(guò)程中,產(chǎn)生或積累了許多抗旱基因的有利遺傳變異。近年來(lái),隨著許多避旱性、耐旱性主效QTL相繼被定位[20,72-74],許多抗旱基因資源也逐漸從陸稻中被鑒定出來(lái)(表5)。例如,Lyu等[72]通過(guò)研究ETAS(Elite variety tag SNP alleles)在典型水稻品種(‘IR64’‘桂朝二號(hào)’等)與陸稻品種(‘IRAT104’)間的差異,結(jié)合相關(guān)ETAS在陸稻群體中的等位基因頻率與受到的選擇作用,挖掘到一個(gè)控制冠根形成的候選基因Nced,在陸稻中存在一個(gè)C-T的突變,受定向選擇,導(dǎo)致陸稻側(cè)根表型發(fā)生改變。同樣的,Li等[74]從qRT9中鑒定出一個(gè)控制根粗的基因OsbHLH120。該基因在陸稻中存在SNP與InDel,通過(guò)評(píng)價(jià)滲入系的表型,證明陸稻等位變異能使根系更為粗壯。另外,在OsJAZ1與Nal1上同樣鑒定出有利抗旱的陸稻等位變異[60]。

水稻種質(zhì)資源的育種應(yīng)用本質(zhì)上就是對(duì)有利自然變異的應(yīng)用。然而,在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里,水稻重要自然變異的基礎(chǔ)研究往往是滯后于育種實(shí)踐的。有許多重要農(nóng)藝性狀相關(guān)基因在被鑒定之前,就被育種家們廣泛地應(yīng)用于育種實(shí)踐中了。從表5可以看出,利用高通量手段找到的陸稻基因資源往往淹沒(méi)于大量的基因組數(shù)據(jù)當(dāng)中,正如Wei等[75]指出,育種家很難從大量的基因組數(shù)據(jù)和種質(zhì)資源中得到需要的信息。RiceNavi是近年來(lái)第一個(gè)專門針對(duì)育種開發(fā)的基因資源整合平臺(tái),該平臺(tái)對(duì)已有功能基因進(jìn)行了人工篩選。其整合的功能基因均來(lái)自于種質(zhì)資源,并有相應(yīng)的功能驗(yàn)證。該平臺(tái)還提供了一套包含以上絕大多數(shù)功能基因自然變異、尤其是稀有等位基因型的群體。通過(guò)多個(gè)群體的GWAS,作者對(duì)這些功能基因自然變異的表型效應(yīng)進(jìn)行了預(yù)估,從而輔助目標(biāo)基因的選擇[75]。陸稻基因資源的充分挖掘與利用,一方面是源于基因資源挖掘手段的進(jìn)步,另一方面針對(duì)抗旱基因資源,也可以嘗試搭建類似的平臺(tái),讓近年來(lái)飛速發(fā)展的分子生物學(xué)和基因組學(xué)更好地助力育種實(shí)踐。

表5 陸稻中發(fā)掘的抗旱相關(guān)基因Table 5 Drought resistance related genes discovered in upland rice

基因名OsTb2 LAX1 OsRL3.3 OsSIZ2 OsRL7.1 OsRL8.2 OsRL11.1 Nal1 OsJAZ1 OsbHLH120 Nced基因號(hào)Os09g0410500 LOC_Os01g61480 LOC_Os03g50350 LOC_Os03g50980 LOC_Os07g03160 LOC_Os08g43040 LOC_Os11g43320 LOC_Os04g52479 LOC_Os04g55920 LOC_Os09g28210 Os12g0435200基本描述在陸稻中發(fā)生一個(gè)三堿基突變，該突變?cè)陉懙局惺芏ㄏ蜻x擇，導(dǎo)致陸稻分蘗減少，推測(cè)其有利于旱作適應(yīng)利用典型水稻、陸稻構(gòu)建的自然群體通過(guò)GWAS鑒定出一個(gè)已知產(chǎn)量LAX1，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)它同時(shí)影響抗旱性，是抗旱基因“一因多效”的典型案例基于GWAS鑒定出多個(gè)與根系表型相關(guān)的QTL，并從中挖掘到5個(gè)與根長(zhǎng)表型相關(guān)的基因，它們?cè)陉懙局惺艿教囟ㄟx擇在陸稻該基因的CDS區(qū)域有一個(gè)轉(zhuǎn)座子插入導(dǎo)致根系變得粗壯基因啟動(dòng)子區(qū)域突變導(dǎo)致水稻、陸稻基因表達(dá)差異在陸稻中存在SNP與InDel，該變異導(dǎo)致滲入系根系更為粗壯在陸稻中存在一個(gè)Cimages/BZ_21_958_1176_988_1207.pngT的突變，受定向選擇，導(dǎo)致陸稻側(cè)根表型發(fā)生改變等位基因來(lái)源‘IRAT104’等水稻、陸稻自然群體水稻、陸稻自然群體栽培稻自然群體、‘IRAT109’栽培稻自然群體‘IRAT109’‘IRAT104’參考文獻(xiàn)［27］［18］［23］［60］［60］［74］［72］

4 陸稻抗旱性起源進(jìn)化與節(jié)水抗旱稻育種理論

目前,在栽培稻抗旱性的理論研究與育種應(yīng)用之間仍存在較大的差距:一方面,植物(特別是作物)的抗旱性是一個(gè)微效多基因調(diào)控的復(fù)雜性狀,存在較強(qiáng)的基因-基因、基因-環(huán)境間的互作。截至2020年底,已經(jīng)發(fā)掘和研究的栽培稻抗旱基因的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)300個(gè),但其中真正能夠在田間表現(xiàn)出顯著抗旱效果、具有育種應(yīng)用價(jià)值的卻寥寥無(wú)幾。另一方面,以“綠色超級(jí)稻”與“節(jié)水抗旱稻”為代表的栽培稻抗旱性育種,將陸稻的節(jié)水抗旱特性引入到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水稻背景中,實(shí)現(xiàn)了栽培稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)水、抗旱,取得了極大的成功。上述理論研究與育種實(shí)踐間的差距,恰恰表明了栽培稻的抗旱性是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題,需要用系統(tǒng)生物學(xué)的視角和方法進(jìn)行研究。這種系統(tǒng)性,就是陸稻抗旱性進(jìn)化與節(jié)水抗旱稻育種存在的相通性,具體表現(xiàn)為:

(1)陸稻旱作適應(yīng)性的進(jìn)化,是一個(gè)系統(tǒng)的過(guò)程。研究表明,陸稻與水稻形成適應(yīng)性分化,其中涉及的基因數(shù)量(包含遺傳水平與表達(dá)水平的分化)多達(dá)上千個(gè)[18,38]。雖然數(shù)量多,但它們可以通過(guò)基因間的互作,形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò),這無(wú)論是在功能基因的水平,還是在組學(xué)水平[38,76]都得到過(guò)證實(shí)。前期的研究表明,少量遺傳上高度分化的基因可以通過(guò)共表達(dá)關(guān)系(潛在的調(diào)控關(guān)系)形成一個(gè)涵蓋全基因組2 000余個(gè)基因的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò),使陸稻旱作適應(yīng)[38,77]。其中某些基因在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了重大效果,可能是促進(jìn)陸稻抗旱性進(jìn)化與旱作適應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)。因此,陸稻的適應(yīng)性進(jìn)化可以表述為關(guān)鍵基因在馴化中受到選擇,并通過(guò)基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)陸稻旱作的適應(yīng)[38]。

(2)節(jié)水抗旱稻的選育過(guò)程,是借鑒了陸稻馴化兼顧產(chǎn)量與抗旱性的雙向選擇,同樣是一個(gè)系統(tǒng)性的過(guò)程。在高選擇強(qiáng)度的抗旱性-產(chǎn)量交替選擇下,只有能提高栽培稻抗旱性的關(guān)鍵基因才會(huì)在選擇過(guò)程中被保留下來(lái)。有意思的是,在前期的研究中,本課題組已經(jīng)發(fā)現(xiàn),相對(duì)于水-陸稻的適應(yīng)性分化,節(jié)水抗旱稻中來(lái)源于陸稻的遺傳成分并不多,但這些成分往往居于基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)位置,能夠發(fā)揮牽一發(fā)而動(dòng)全身的效果[77]。因此,推測(cè)節(jié)水抗旱稻選育的遺傳機(jī)制是通過(guò)抗旱性-產(chǎn)量的交替選擇使促進(jìn)陸稻旱作適應(yīng)的少數(shù)關(guān)鍵基因進(jìn)入到水稻背景中,然后通過(guò)基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮系統(tǒng)作用,提升節(jié)水抗旱稻的抗旱性與旱作適應(yīng)性。當(dāng)然這一遺傳機(jī)制仍需要節(jié)水抗旱稻育種實(shí)踐進(jìn)行充分證明。

綜上所述,無(wú)論是陸稻的進(jìn)化,還是節(jié)水抗旱稻的育種,都是關(guān)鍵基因(位點(diǎn))在這個(gè)過(guò)程中受到選擇,并且在陸稻和節(jié)水抗旱稻中發(fā)揮系統(tǒng)性的作用,使它們?cè)诠?jié)水抗旱性與旱作適應(yīng)性上得以提升。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)過(guò)程遺傳機(jī)制的研究與相互印證,就能鑒定出在抗旱性進(jìn)化與節(jié)水抗旱稻育種中的關(guān)鍵基因,推動(dòng)陸稻抗旱基因資源的利用與節(jié)水抗旱稻研發(fā)。