栽培稻深根性的遺傳研究進展

陳 亮,樓巧君,李鐵梅,梅捍衛,馮芳君,嚴 明,徐小艷,范佩清,羅利軍

(上海市農業生物基因中心,上海 201106)

作為世界第一人口大國,中國人均水資源量(2 300 m3)僅為世界平均水平的28%,且水資源的時空分布嚴重不均衡,全國各地旱災頻發[1]?！吨袊禐暮Ψ烙珗?020》顯示,2010—2019年年均因旱受災面積1 084.4萬hm2,年均因旱災糧食損失178.62億kg,干旱是我國65%中低產稻田的主要限制因素。同時,長期淹水的稻田會釋放大量溫室氣體甲烷[2],產生嚴重面源污染[3]。水稻抗旱性的提高可以使水稻充分利用降雨,實行旱種旱管,從而大幅減少灌溉用水,大幅減少溫室氣體排放和農田面源污染[4]。因此,面對水資源匱缺和糧食增長需求,培育節水抗旱品種已成為當前水稻育種的主要目標之一。

根系是植物吸收水分和養分的主要器官,深根性介導的避旱性在提高植物抗旱性方面起著重要作用。避旱性主要是通過發達的深根系統來吸取深層土壤水分,使植株免受或減輕干旱脅迫的影響,保持更長時間的正常生長發育。水稻的深根特性主要取決于根系生長角度、根系在深層土壤中的分布、根系穿透緊實土壤層或犁底層的能力。由于深根與抗旱性的密切關系,水稻深根性的遺傳研究獲得了廣泛關注并取得了較大進展,本文對水稻深根性相關性狀的遺傳進展進行系統梳理,以期為水稻深根性遺傳研究的進一步開展和加快水稻根系抗旱育種發展提供理論指導。

1 栽培稻根系生長角度的遺傳研究

水稻根系屬于須根系,難以直接從土壤中獲得完整的水稻根系的立體結構信息。Kato等[5]首次將水稻秧苗種植在籃子里,對水稻根系生長角度進行了觀察,發現12個水陸稻品種在不同角度區間內的根系數量和比例是不同的。Uga等[6]利用籃子將水稻根系分成兩部分,生長角度(與垂直線比較)為0°—53°的根系(穿過籃子底部)定義為深根,根系角度為53°—90°的根系(穿過籃子側面)定義為淺根,將深根數與總根數的比值稱為深根比,以深根比來衡量水稻根系生長角度,發現59個水稻品種的深根比在9.7%—64.2%,變異豐富。隨著研究方法的不斷完善,植物根系生長角度的遺傳研究逐漸獲得了重視,在水稻[7]、小麥[8]、大麥[9]、玉米[10]、高粱[11]、油菜[12]等農作物中開展了一系根系生長角度QTL定位研究,利用根型突變體也克隆出若干調控水稻根系生長角度的基因,如sor1[13]、docs1[14]、SOR1[15]、lra1[16]、rmd[17]等。下面對水稻中已定位克隆的根系生長角度QT進行系統介紹。

1.1 深根比QTL-DRO1的定位克隆

DRO1是第一個定位克隆的水稻深根比主效QTL。Uga等[7]以深根比為12.2%的秈型水稻品種‘IR64’與深根比為92.5%的粳型陸稻品種‘Kinandang Patong’構建的117份重組自交系群體(Recombinant inbred line,RIL)為材料,采用籃子水培法檢測深根比,在第9號染色體定位到了一個LOD值高達26.9、加性效應為16.1%、解釋了深根比表型變異66.7%的深根比主效QTL-Dro1,通過精細定位將Dro1的定位區間縮小至608.4 kb,位于16 679.5—17 287.9 kb。旱地栽培試驗表明:Dro1近等基因系(Near isogenic line,Dro1-NIL)與‘IR64’在0—25 cm土層的根干重沒有顯著差異,而在25—50 cm土層,Dro1-NIL的根干重顯著高于‘IR64’,穗重顯著高于‘IR64’,Dro1-KP的導入使‘IR64’抗旱性顯著增強,更加適應旱地栽培。通過進一步精細定位,DRO1的定位區間縮小至6 kb內[18]。該區域內只有一個預測基因,序列分析發現‘IR64’在該基因的編碼區第四外顯子中有1個堿基缺失,導致提前引入終止密碼子,產生截斷的蛋白。遺傳互補試驗表明:DRO1對根長、根干重、地上部性狀上沒有顯著影響,但轉DRO1株系的根系生長角度是‘IR64’的兩倍左右。Dro1-NIL表現出比‘IR64’更強烈的向重力性反應。DRO1主要在根尖分生區和節根原基中表達,DRO1的表達水平和深根比呈正相關。DRO1的表達水平受到外源生長素2,4-D的抑制,DRO1的啟動子區域存在TGTCTC基序并能夠和生長素響應因子結合。在旱地進行的抗旱性試驗表明:在中度干旱脅迫條件下‘IR64’的單株產量明顯下降,而Dro1-NIL產量則無顯著變化;在重度干旱脅迫條件下‘IR64’幾乎無法灌漿,而Dro1-NIL仍有30%籽粒完成灌漿;在無干旱脅迫條件下,Dro1-NIL與‘IR64’產量沒有差異,說明DRO1提高了水稻的抗旱性。在水田中,Dro1-NIL和‘IR64’在各種施肥條件下的總根長沒有顯著差異,但Dro1-NIL在深層土壤中的根數比‘IR64’多,Dro1-NIL的粒重增加、結實率提高,增產約10%。表明在水分正常情況下,提高水稻根系向下生長的比例也能促進水稻產量增加[19]。在中度土壤緊實度下,DRO1提高了30—60 cm土層的根系密度[20]。Deshmukh等[21]證實了Dro1-NIL在淹水田、干濕交替水田和雨養旱地3種栽培條件下都比‘IR64’顯著增產,增產約14%。

研究發現,DRO1在其他植物中的同源基因也與根系角度相關。AtDRO1和PpeDRO1表達模式與DRO1一樣,具有根特異性,AtDRO1突變后淺層根系增加,超表達AtDRO1株系的深根比增大,超表達PpeDRO1提高了轉基因植株的深根比[22]。在小麥中,TaANDRO1-like、TaBNDRO1-like和TaDNDRO1-like已發生了分化,但仍與根角度相關[23]。González等[24]研究發現,TtDro1B中插入MITE元件后產生較小、較淺的根系。Loarce等[25]研究發現,TtDro1A的表達量是TtDro1B的2.49—8.76倍,2個基因的表達量與根系角度呈正相關,TtDro1B表達量越高,深根比越大。

1.2 地表根QTL-qSOR1的定位克隆

在印度尼西亞的Bulu生態型水稻材料中有部分種質在分蘗后會產生地表根系。Uga等[26]利用地表根品種‘Gemdjah Beton’與無地表根的日本水稻品種‘Sasanishiki’雜交構建RIL,以地表根比例(地表根數占總根數的比例)為檢測指標,在3、4、6、7號染色體上定位了4個地表根QTL,都是‘Gemdjah Beton’等位基因使地表根數量增加,位于7號染色體的QTL在6個定位試驗中均可檢測到,解釋了32.5%—53.6%的表型變異率,命名此QTL為qSOR1,用7個BC2F3重組單株的后裔測驗將qSOR1定位在RM21941和RM21976之間,標記物理間距812 kb。通過進一步精細定位,qSOR1定位區間縮小至12.31 kb,候選基因Os07g0614400在外顯子3中有一個SNP存在,‘Gemdjah Beton’等位基因的這個SNP的變異導致提前形成終止密碼子,遺傳互補試驗也驗證了Os07g0614400為qSOR1候選基因[27]。qSOR1是DRO1的同源基因,主要在根尖柱狀細胞中表達,通過負調控生長素信號途徑來調控根系的向重力性,調控土壤表層根的形成,避開了土壤鹽層的脅迫,提高鹽堿地水稻產量。通過分析qSOR1和DRO1在‘IR64’背景下4種組合方式的根系生長角度,發現2個基因的表達量互不影響,DRO1∕qSOR1、DRO1∕qsor1、dro1∕qSOR1和dro1∕qsor1的深根比逐漸變小,表明DRO1和qSOR1是通過加性作用方式調控根系生長角度。根部定點施肥試驗發現,淺根型近等基因系qsor1-NIL的根生物量、根面積和磷吸收量顯著高于深根型近等基因系Dro1-NIL,說明淺層根型材料能更好地利用施于根部的磷[28]。

1.3 其他根系生長角度QTL分析

除了以上2個已克隆的根系生長角度QTL外,還有大量研究報道了水稻根系生長角度QTL的定位分析(表1)。在利用‘IR64’∕‘Kinandang Patong’的RIL群體進行深根比QTL發掘時只定位到一個主效QTL-DRO1,但這不能充分解釋2個親本深根比的巨大差異,而且攜帶有與‘Kinandang Patong’相同DRO1等位基因的水稻種質中仍有許多表現為低深根比[18]。因此,Uga等[29]繼續研究‘Kinandang Patong’中存在的其他深根比QTL,挑選了3個淺根材料(‘Tupa729’與‘Kinandang Patong’具有相同的DRO1單倍型,‘ARC5955’和‘Pinulupot1’的DRO1單倍型與‘Kinandang Patong’和‘IR64’均不同)與‘Kinandang Patong’配置了3個F2群體,在2、4、6號染色體定位到了3個深根比QTL,4號染色體上檢測到的QTL在3個F2群體中均被檢測到,分別解釋了32.0%、36.2%和56.6%的表型變異,是一個主效QTL,命名為DEEPER ROOTING2(DRO2),位于27.74—30.69 Mb。同時,Uga等[30]又構建了26個‘IR64’背景、‘Kinandang Patong’為供體的導入系,含有DRO1的導入系其深根比顯著高于輪回親本,但其他不含DRO1的導入系的深根比與‘IR64’沒有顯著差異,可能是dro1掩蓋了其他QTL的效應。因此,為了屏蔽DRO1的影響,利用‘IR64’背景的DRO1近等基因系Dro1-NIL與‘Kinandang Patong’配置了F2群體,在7號染色體上定位到一個深根比QTL,解釋21.9%的表型變異,命名為DRO3,位于23.0—23.95 Mb。為了進一步挖掘‘Kinandang Patong’中的深根比QTL,Kitom等[31]再次挑選了3個深根比不同但都攜帶有與‘Kinandang Patong’相同DRO1單倍型的水稻品種與‘Kinandang Patong’配置3個F2群體,在2、4、6號染色體上定位到3個深根比主效QTL,將在2號和6號染色體定位的QTL分別命名為DRO4(28.9—30.3 Mb)和DRO5(29.65—31.21 Mb)。

除了日本學者從‘Kinandang Patong’中挖掘到5個根系生長角度主效QTL外,還有一些學者也對水稻根系生長角度開展了研究(表1)。Courtois等[32]運用全基因組關聯分析從167份熱帶粳稻中檢測到6個分布在1、3、4、5、7號染色體的根角度顯著關聯位點。Catolos等[33]檢測了300份來自雜交組合IR64-21∕‘Dular’的RIL群體的根系生長角度,在9號染色體上定位到根系生長角度QTL-qRT9.1(RM434—RM257),其加性效應為16.7%,解釋了28.9%的表型變異。Bettembourg等[34]檢測了162份秈稻和169份粳稻的根系生長角度,分別定位了15個和38個根系生長角度QTL。Wedger等[35]用雜草稻與‘低腳烏尖’培育的RIL群體定位了4個根系生長角度QTL,位于2號和12號染色體,增效等位基因均來自雜草稻。Vinarao等[36]用來自‘Sherpa’∕‘IRAT109’的RIL群體定位了8個根系生長角度QTL,分布在1、2、3、4、11號染色體上,qRCA1.1(39.42—40.41 Mb)和qRCA4(29.78—30.69 Mb)分別解釋了8.0%—10.2%和17.4%—24.3%的表型變異率。Vinarao等[37]還用‘IRAT109’與‘RL11’‘Langi’和‘Norin PL8810’構建了3個F2群體,在‘RL11’‘Langi’的F2群體中驗證了qRCA4在不同遺傳背景下的效應,并將qRCA4的定位區間縮小為720 kb(30.04—30.76 Mb),與DRO2位置重疊[29],42.2%的熱帶粳稻攜帶有與‘IRAT109’相同的qRCA4等位基因,在其他水稻種質中出現頻率低,可用來改良秈稻根系生長角度。最近,Nie等[38]利用234個BC2F7株系(R974∕DY80(東鄉野生稻株系)∕∕R974)在1、2、5、7號染色體上定位了6個深根比QTL,其中3個QTL的增效等位基因來自東鄉野生稻。

表1 水稻根系生長角度QTL定位研究匯總Table 1 Summary of QTL mapping studies on root growth angle in Rice

近年來,筆者課題組對水稻根系生長角度開展了系列研究。王培等[39]檢測了“全球水稻分子育種計劃”中177份優異種質的深根比,平均深根比為21.5%,變異范圍為7.2%—43.1%,大部分種質深根比在15%—25%,‘沈農265’‘Lemont’‘Yen Fang Chu’‘原粳7號’等4個品種的深根比超過了40%。楊波等檢測了我國南方十一個省(市、區)2 234份栽培稻種質的深根比,平均深根比為25.8%,變異范圍為8.6%—60.1%,47.2%材料的深根比集中在20%—30%,25.2%材料的深根比低于20%,深根比超過40%的高深根比種質占比6.1%(待發表);來自上海和湖南的種質具有較高的深根比,廣東、廣西和貴州的種質中深根比超過40%的不到1%;地方品種的深根比普遍高于育成材料,粳稻深根比高于秈稻,粳稻中深根比大于40%的比例是秈稻的3.6倍;在水分梯度抗旱大棚[40-41]中對131份具有不同深根比的水稻品種進行的孕穗期抗旱性鑒定評價結果表明,高深根比材料中表現出抗旱的比例是低深根比材料的3.2倍,是中等深根比材料的2.0倍。Lou等[42]在上海和海南對來自珍汕97B與‘IRAT109’的180份RIL的深根比進行了3次檢測,深根比變異范圍在3.7%—67.2%,在1、2、4、7、10號染色體上定位到6個深根比QTL,qRDR2(29.6—31.5 Mb)具有最大的貢獻率和加性效應(來自‘IRAT109’的等位基因增加深根比),與DRO4(28.9—30.3 Mb)[31]所在區間有部分重疊,qRDR4與DRO2[29]所在區間相鄰,qRDR7與qSOR1[26]所在區間相鄰;對170份中國水稻微核心種質與67份節水抗旱種質開展了重測序,并利用1 019 883個SNP對深根比開展了關聯分析,總群在1、3、4、6、7號染色體的7個區域鑒定到48個顯著關聯SNP,秈稻群在1號和2號染色體上檢測到了顯著關聯位點,2號染色體上的顯著關聯位點位置與連鎖分析所鑒定的qRDR2有所重疊,粳稻群只在1號染色體鑒定了顯著關聯位點,這個顯著關聯位點在3個群體中都能鑒定到;對自然群體進行選擇性清除分析發現,qRDR2區域存在明顯的選擇性清除;從377份中國地方陸稻品種中挑選出10個最大深根比(平均深根比為49.4%)和10個最小深根比(14.4%)材料,分析了隨機挑選的9個關聯分析鑒定SNP在這20個品種中的SNP類型,發現其中7個SNP在極端深根比群之間存在顯著差異。宋從志[43]和牛國卿[44]對連鎖分析中鑒定的qRDR7開展了精細定位,將qRDR7定位區間縮小為58 kb。查曉捍[45]對qRDR2開展了精細定位,將qRDR2定位區間縮小為570 kb。楊波[46]對通過QTL-seq檢測到的qRDR5開展了精細定位(定位群體來自高深根比陸稻品種‘毛谷’與低深根比品種‘BLCO.BRANCO’及高深根比陸稻品種‘紫芒飛蛾’與低深根比品種‘臺農67’構建的F2群體),將qRDR5的定位區間縮小至17.37 kb。

親本‘IR64’/‘Kinandang Patong’‘Gemdjah Beton’/‘Sasanishiki’‘ARC5955’/‘Kinandang Patong’‘Pinulupot1’/‘Kinandang Patong’‘Tupa729’/‘Kinandang Patong’Dro1images/BZ_34_390_2027_422_2059.pngNIL/‘Kinandang Patong’‘Momiroman’/‘Kinandang Patong’‘Yumeaoba’/‘Kinandang Patong’‘Tachisugata’/‘Kinandang Patong’‘珍汕97’/‘IRAT109’IR64images/BZ_34_392_2340_424_2372.png21/‘Dular’BHA/‘低腳烏尖’SH/‘低腳烏尖’‘Sherpa’/‘IRAT109’R974/DY80//R9474群體類型RIL RIL F2 F2 F2自然群體F2 F2 F2 F2 RIL自然群體RIL自然群體RIL RIL RIL RIL群體大小117 124 138 134 133 167 121 123 128 121 180 237 300 331 224 175 252 234性狀深根比地表根比例深根比深根比深根比根角度根角度根角度根角度根角度深根比深根比深根比根角度根角度根角度根角度深根比QTL數量1 4 2 1 2 6 1 1 3 1 6 8 1 5 5 2 2 8 6染色體9號3、4、6、7號2、4號4號4、6號1、3、4、5、7號7號4號2、4、6號2號1、2、4、7、10號1、2、3、4、6、7號9號12條染色體2、12號2、12號1、2、3、4、11號1、2、5、7號文獻［7］［26］［29］［32］［30］［31］［42］［33］［34］［35］［36］［38］

1.4 基于突變體的水稻根系生長角度基因挖掘

突變體是基因發掘的優異材料,在水稻根型突變體中克隆了一批調控根系生長角度的基因。Hanzawa等[13]從粳稻品種‘日本晴’的種子愈傷組織再生植株中發現了一個根系露出地表的突變體sor1-1,利用sor1-1與秈稻‘Kasalath’的F2群體將地表根基因sor1定位在4號染色體136 kb的區間內,序列分析發現Os04g0101800的ORF缺失33 bp,遺傳互補試驗驗證了此基因為sor1。Chen等[15]發現對乙烯不敏感的水稻‘貓胡子’突變體mhz2∕sor1-2能產生地表根,此表型也是由sor1突變導致。SOR1編碼E3泛素連接酶,通過調節生長素Aux∕IAA蛋白的穩定性來調控根特異的乙烯應答和根系向重力性。SOR1與定位在7號染色體的qSOR1[27]都調控水稻地表根的形成,但二者沒有同源性,qSOR1可能具有與SOR1不同的功能。Bettembourg等[14]發現鋁敏感基因DOCS1的功能缺失突變體docs1-1與根冠發育有關,影響根系的向重力性反應,突變體表現出更大的根冠角度。Wang等[16]從粳稻品種‘黑粳2號’的EMS突變體庫中篩選到了一個根系生長角度變大突變體lra1,突變體降低了重力響應敏感性,lra1編碼OsPIN2蛋白,通過影響根尖生長素的極性運輸來調控根系生長角度。Huang等[17]發現來自粳稻材料952260Co輻射誘變產生的水稻形態決定突變體rmd展現出更陡直的根系,RMD蛋白定位在根冠平衡石表面,RMD蛋白通過將肌動蛋白微絲與重力感應器官-平衡石聯系起來調控根系的生長角度,突變體展現出更快的重力應答,低磷通過誘導rmd的上調表達來改變根系生長角度以適應外界低水平磷供應。

2 栽培稻根系向重力性的遺傳研究

重力作為一個持續存在且較穩定的環境因子,在調節植物的生長發育、代謝以及形態建成等方面發揮著十分重要的作用。在重力刺激下,植物的根沿重力方向向下生長的現象稱之為根的正向地性。大量研究表明,根系生長角度與根系向重力性存在密切關系[14-18],對水稻的根系向重力性開展遺傳研究能促進對根系生長角度分子調控機制的理解,但這方面的研究目前還較少。Norton等[47]利用凝膠裝置檢測了134份來自‘Bala’בAzucena’的RIL對重力改變的響應特征,轉置20 h后,‘Azucena’種子根轉變了75.2°,而‘Bala’轉變了49.6°。以單位時間內根尖彎曲程度作為根系響應重力的鑒定指標,在6號和11號染色體上各定位到了一個根系向重性QTL,并檢測到了一個上位性互作QTL。Lou等[48]調查了226份中國水稻微核心種質和抗旱核心種質的根系向重力性應答特征,發現重力應答速度平均為41.05°∕h,變異范圍為16.77°—62.83°∕h,秈稻的平均應答速度為42.49°∕h,粳稻的平均應答速度為39.71°∕h,秈稻的重力應答速度總體上顯著高于粳稻;重力應答速度與深根數、種子根伸展速度、抗旱系數呈顯著正相關,在4、11、12號染色體上定位了3個根系重力應答速度QTL;表達量分析表明,LOC_Os12g29350負調控向重力性。

3 栽培稻根系穿透力的遺傳研究

傳統水田在耕作層20—30 cm下面往往存在一個5—20 cm厚的犁底層,犁底層可以防止水分過快滲漏,使耕作層的土壤含水量維持較長時間的穩定,提高降雨和灌溉水的利用率。但犁底層的存在也使水稻根系難以達到深層土壤,阻擋了水稻根系對犁底層下面水分和養分的有效吸取利用。因此,培育有較好根系穿透力的水稻品種有利于提高其抗旱性和養分利用效率,其也是較早得到水稻科研工作者重視的深根性狀。Ray等[49]首次開展了水稻根系穿透力的QTL定位研究。他們用60%的蠟和40%的凡士林制作了3 mm厚的蠟質層,檢測了來自雜交組合‘Co39’∕‘Moroberekan’的202個RIL的根系穿透力,在2、4、5、6、11號染色上定位了6個根系穿透力QTL,除5號染色體定位的QTL外,其他QTL的增效等位基因均來自高根系穿透力親本‘Moroberekan’。Price等[50]采用80%的蠟和20%的白色軟石蠟制作3 mm厚的蠟質層,觀察2個陸稻品種‘Bala’和‘Azucena’構建的205份RIL的根系穿透力,在2、3、5、10、11號染色體定位到7個QTL。Ali等[51]構建了2個秈稻材料IR58821-23-B-1-2-1和IR52561-UBN-1-1-2所培育的RIL群體,采用66.7%的石蠟與33.3%的凡士林配置的蠟質層,觀察166個株系的根系穿透力,在2、3、10號染色體上共定位到6個根系穿透力QTL,絕大部分有利等位基因來自抗旱性較好的親本IR58821-23-B-1-2-1。Zheng等[52]配置了蠟與凡士林比例為2∶1的蠟質層,考察‘IR64’∕‘Azucena’的109份DH系的根系穿透力,在2、3、7、8號染色體上鑒定到4個根系穿透力QTL。

4 栽培稻深層土壤根系分布的遺傳研究

根系在犁底層以下或土層30 cm以下深層土壤中的分布也是水稻深根性的重要組成部分,許多學者對深層土壤中的根系特征進行了研究,定位了一批調控水稻深層土壤根系分布的QTL(表2)。

表2 深層土壤水稻根系性狀QTL定位研究匯總Table 2 Summary of QTL mapping studies on root traits of rice in deep soil

Champoux等[53]利用‘Co39’和‘Moroberekan’構建的203份RIL對土壤30 cm以下根干重進行了定位分析,在2、3、4、7、8、9、12號染色體檢測的8個標記與30 cm以下根干重顯著關聯,其中與2號染色體標記RG437顯著關聯的QTL解釋了17.0%的表型變異。Yadav等[54]利用組合‘IR64’∕‘Azucena’衍生的105份DH系,在1、6、7、9號染色體上定位到了5個土壤30 cm以下根干重QTL,在1、2、6、7、8、9號染色體上定位到了6個每分蘗深根干重QTL。Kamoshita等[55]利用2個秈稻品種‘IR58821’與‘IR52561’構建的184份RIL,在2、3、4、9、11號染色體上定位了5個深根生物量、深根生物量比例和每分蘗深根生物量QTL。Courtois等[56]檢測了125份RIL株系(‘IAC165’בCo39’)在30—60 cm和60—90 cm深層土壤的根干重,分別在4、8號染色體和4、10、11號染色體定位到了2個和3個QTL,同時檢測到調控深根干重、每分蘗深根干重和深根干重與地上部干重比值相關QTL各3個,位于4號染色體RM261—RZ69區間的深根干重與地上部干重比值QTL解釋了20.7%的表型變異。MacMillan等[57]對205份RIL(‘Bala’∕‘Azucena’)的土壤深度50 cm以下根生物量進行了QTL定位分析,正常種植條件下在2、3、7、9號染色體上定位到4個QTL,低氮處理下在4、5、9號染色體上定位到3個QTL,弱光處理下在1、2、9號染色體上定位了4個QTL,干旱處理下在2號和9號染色體上定位了3個QTL。Cairns等[58]將來自‘Bala’∕‘Azucena’組合的114份RIL種植在水田和旱地,但只在旱地的干旱處理中在3號和6號染色體上定位到2個土壤深度35 cm以下根系密度QTL。Courtois等[32]檢測了167份熱帶粳稻在土層30 cm以下的根生物量和根干重,在1、2、3、4、7、8、10、11、12號染色體上分別發現了19個和23個顯著關聯位點,檢測到深根數關聯位點7個(1、2、4、7、10號染色體)、深根生物量比例關聯位點3個(1、4、8號染色體)。Phung等[59]在根管中觀察了180份越南水稻種質的根系相關性狀,在6、10、12號染色體上定位到3個控制40—60 cm根生物量的QTL,在1、2、6號染色體上檢測到了7個調控60 cm以下根生物量的QTL,在1、2、6、10號染色體上鑒定到5個控制40 cm以下根干重的QTL。Terra等[60]在溫室觀察了‘IAC165’與‘BRS Primavera’配置的150份F2:3家系在5—25 cm土層和25—45 cm土層的根長、根面積和根體積,在3號染色體上定位到1個與5—25 cm土層根長、根面積和根體積相關的QTL,在1號染色體上定位到1個與25—45 cm土層的根長、根面積和根體積相關的QTL。Li等[61]觀察了529份重測序水稻種質在水旱兩種條件下成熟時的21個根系性狀,包括6個深根比例性狀、2個深根體積和2個深根干重性狀,10個深根性狀共檢測到299個關聯SNP,位于225個位點。Sabar等[62]檢測了‘IR55419-04’∕‘Super Basmati’的418個F2單株在PVC管中60—100 cm處的深根長、深根體積、深根面積和深根直徑,均在3號染色體相同或部分區間重疊的地方定位到了1個QTL。

5 水稻深根性基因的挖掘

隨著測序技術的進步,轉錄組技術逐漸成為解析植物生長發育、逆境應答等重要生物學過程分子機制和基因發掘的利器。在水稻抗旱研究過程中有學者對干旱脅迫下的根系轉錄組特征進行了研究,但涉及根系轉錄組的研究較少,有3篇文章報道了PEG處理下的水稻幼苗根系轉錄組分析[63-65]及對采集自根管水旱生長下根系開展的轉錄組分析[66],但這些研究與深根性沒有直接關聯。

同一水稻品種的根系生長角度存在廣泛的變化。為了解不同生長角度根系形成和維持的分子機制,Lou等[67]系統分析了37個具有不同深根比水稻品種的淺根與深根的轉錄譜,14個深根材料的平均深根比為52.7%,15個低深根比材料的平均深根比為13.2%,8個中等深根比材料的平均深根比為22.3%。采用籃子法水培獲得37個水稻品種的大、小生長角度根系的根尖樣品,通過RNA-seq獲得了74個根系樣品的轉錄組信息,檢測到40 117個基因用于后續分析。聚類分析表明:74個樣品分成兩群,所有14個深根型材料聚成一類,所有15個淺根型材料聚成一類,6個中等深根比材料與深根型材料聚集在一起,2個中等深根比材料與淺根型材料聚集在一起。同一個材料的2個根系生長角度不同的根系樣品(深根和淺根)全部聚在一起,品種內深根、淺根之間的基因表達差異大大小于品種間。兩群之間共發現13 242個表達量差異基因,其中11 945個差異表達基因存在于深根型和淺根型品種之間,篩選了FPKM值＞0.5的1 789個差異基因用于富集分析,這些基因絕大部分與根系分布有關,富集在遺傳信息加工和代謝等10個通路中。37個水稻品種的深淺根之間分別檢測到599、488、299個差異表達基因,同一類別材料的絕大部分差異表達基因的表達模式相同,這些基因富集在18個KEGG通路,其中17個屬于代謝途徑,特別是能量代謝途徑。檢測到了10個數量性狀轉錄子,部分轉錄子參與能量代謝途徑。用qRT-PCR和微陣列技術microarray驗證了49個候選差異表達基因?；蚬脖磉_網絡分析發現了18個節點基因,一半的節點基因是線粒體基因組基因,主要與能量代謝相關,特別是ATP生物合成;18個節點基因中的17個在深根中的表達量都高于淺根,深根中的ATP生產比淺根快。這些都是水稻深根研究的重要潛在候選基因,需要持續關注。

6 展望

抗旱性是一種非常復雜的非生物脅迫抵抗機制,抗旱機制存在避旱性、耐旱性、逃旱性、復原抗旱性等4種類型,其中避旱性被認為是抗旱性的第一道防御,深根性作為避旱性最重要的性狀得到了學者的廣泛關注,對與深根性密切相關的根系生長角度、根系向重力性、根系穿透力、深層土壤根系分布等性狀開展了大量遺傳研究,定位了大量QTL(表1和表2)。但目前水稻深根抗旱育種進展不大,今后水稻深根性的研究還需要加強以下兩個方面的工作。

6.1 加快主效深根性QTL的精細定位克隆

目前已定位了110多個根系生長角度QTL、309個深層土壤根系性狀QTL、5個根系向重力性QTL及23個根系穿透力QTL,但已克隆的主效QTL只有DRO1[18]和qSOR1[27]。Li等[63]通過全基因組關聯分析鑒定了2個根系相關基因Nal1和OsJAZ1,通過表達量的改變可以調控根長、根數、根體積和根重,但其抗旱性效應還有待證實。通過根型突變體已克隆了sor1[13,15]、docs1[14]、lra1[16]和rmd[17]等影響根角度的基因,它們與水分和養分的關系還需要進一步研究確認。DRO1有利等位基因在水稻種質資源中廣泛存在,在抗旱育種中的利用價值有限;qSOR1主要是調控地表根性狀,難以應用到抗旱育種。這些根角度基因還無法滿足目前水稻根系抗旱育種的需要。

Ding等[68]評估了17個水稻抗旱QTL近等基因系在水旱兩種條件下的農藝性狀,最終只確定4個產量QTL和3個根系QTL的效應,說明復雜數量性狀的QTL定位準確性不高,QTL在應用于抗旱分子育種計劃之前必須驗證其真實性并獲得其精確位置和真實遺傳效應。雖然已定位了110多個根角度QTL,但只有DRO2[29]、DRO4[31]、qRCA4[36]、qRDR5[46]等少量主效QTL在多個群體中被檢測到,今后要加快對這些主效QTL的精細定位克隆,明確其效應及在抗旱分子育種中的利用方式。

根系穿透力是深根性非常重要的組成部分,對于深層土壤緊實度較高或存在犁底層的稻田更是水稻必備的深根特性,因此較早就得到了水稻根系研究者的重視,但2000年后很少有水稻根系穿透力的遺傳研究報道[49-52],也沒有根系穿透力QTL精細定位克隆的報道。上述4個水稻根系穿透力研究均采用蠟質層法,蠟質層配置比較復雜,檢測根系穿透力還需特定裝置,這些都妨礙了對大量材料的精準鑒定,今后需要創新根系穿透力研究方法以打破這種僵局。根系角度與向重力性密切相關,但水稻根系向重力性遺傳研究偏少[47-48],也沒有相關QTL精細定位克隆的報道,加強對根系向重力性的遺傳研究也會促進深根性的研究。Ogura等[69]在擬南芥中利用高通量的圖像采集技術,通過關聯分析克隆了一個響應重力應答的基因EXOCYST70A3,特定地作用于生長素向外運輸蛋白PIN4的分布,精準調控擬南芥根系統構型以適應降雨模式。可見,發展應用高通量自動化無損連續精準的表型鑒定技術是加快發掘復雜數量性狀QTL的重要途徑。

6.2 針對目標環境開展水稻深根QTL發掘

水稻根系的生長發育受多種因素的影響,土壤質地和水分狀況對根系的生長影響最大。旱地沒有犁底層,土壤緊實度逐漸增加,雨養低洼稻田往往存在犁底層,根系生長過程中會遇到土壤機械阻力,水稻根系在這兩種土壤中生長時遇到的土壤機械阻力和其采用的穿透機制都是不同的。Cairns等[58]將同一套重組自交系群體種植在水田和旱地,在兩種田塊干旱處理后,土層35 cm以下根系密度QTL只在旱地中檢測到,卷葉、干葉、葉片相對含水量的絕大部分QTL也只在一種田塊中被檢測到。因此,針對不同土壤生態環境要采用合適的研究方法對目標深根性狀開展QTL發掘,以促進深根QTL在水稻抗旱分子育種中的應用。