水稻落粒性及相關(guān)基因克隆研究進(jìn)展

摘? ? 要：種子落粒性的喪失是水稻馴化的關(guān)鍵特征之一，不僅減少了產(chǎn)量損失，還提高了收獲效率。文章綜述了近年來(lái)水稻落粒性的研究進(jìn)展，包括水稻落粒性及形成的生理基礎(chǔ)、調(diào)控落粒性的基因定位與克隆以及在馴化過(guò)程中落粒性的變化，以期深化對(duì)水稻馴化和落粒調(diào)控機(jī)制的研究，為水稻育種方向提供新的思考，推動(dòng)水稻種植業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：水稻；落粒性；基因克隆

文章編號(hào)：1005-2690（2023）08-0035-03? ? ? ?中國(guó)圖書分類號(hào)：S511? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

作者簡(jiǎn)介：陳盈盈（1999—），女，漢族，河南南陽(yáng)人，在讀碩士，研究方向?yàn)樗具z傳育種。

水稻是我國(guó)重要的農(nóng)作物之一，也是世界上最重要的食物來(lái)源。作物馴化是一項(xiàng)長(zhǎng)期的選擇試驗(yàn)，極大地促進(jìn)了人類文明的發(fā)展。水稻是研究谷類作物馴化的良好模式作物，大約在10 000年前開始被馴化。落粒性是影響水稻馴化的主要因素之一[1]。在野外環(huán)境中，易落粒對(duì)水稻來(lái)說(shuō)有利于種子傳播和繁殖，是一種有利現(xiàn)象。然而，在人為的栽培環(huán)境中，表現(xiàn)出易落粒特征的水稻品種可能會(huì)有嚴(yán)重的產(chǎn)量損失[2-3]。

為了穩(wěn)定水稻產(chǎn)量，相關(guān)人員努力培育具有不落粒或難落粒性狀的水稻品種，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多與落粒相關(guān)的基因。定位和克隆基因、篩選鑒定相關(guān)候選基因、發(fā)現(xiàn)新基因等能為培育落粒性適中的水稻品種提供理論指導(dǎo)，對(duì)探究水稻馴化過(guò)程具有重要價(jià)值。

1 水稻落粒性

落粒性是野生植物繁殖最重要的特性之一。水稻、大麥、大豆和蕎麥等多種作物都有落粒性及其生理基礎(chǔ)。在水稻的眾多性狀中，落粒性是區(qū)分栽培稻與其野生祖先最具代表性的性狀之一。減少落粒是水稻馴化早期階段的關(guān)鍵步驟之一，可以顯著提高種子收獲效率。作物馴化過(guò)程中關(guān)鍵性狀的遺傳結(jié)構(gòu)可以反映自然選擇或人工選擇的方式，因此研究分析水稻落粒性可能是了解馴化過(guò)程最有用的方法之一。

水稻落粒是指種子達(dá)到生理成熟后自然脫離母體。野生稻成熟后脫落種子以保證繁殖，栽培稻將種子留在枝梗上，便于收獲，減少生產(chǎn)損失。落粒性與護(hù)穎和枝梗之間所形成的離層密切相關(guān)。水稻籽粒的脫落部位在枝梗和種子之間，即離層。離層由1～2層小的圓形薄壁細(xì)胞組成，離層周圍的枝梗和穎片由大的厚壁細(xì)胞組成，離層形成于抽穗前16～20 d的幼穗發(fā)育階段，開花后逐漸退化[4]。種子成熟后，枝梗中的離層細(xì)胞降解，種子從母體上自然脫落。

2 調(diào)控落粒性的基因定位與克隆

野生稻一般具有完整的離層，使籽粒極易脫落，但在栽培稻中，大多數(shù)粳稻品種的成熟種子因?yàn)闆]有形成離層而牢固地附著在穗上。秈稻品種在維管束周圍的離層有部分缺陷，因而表現(xiàn)出中等程度的落粒性。不同水稻品種種子落粒性存在巨大差異，在稻屬中，落粒性由強(qiáng)到弱依次為野生稻、秈稻、粳稻[5]，表明離層的形成由幾個(gè)控制種子落粒行為的等位基因調(diào)控。水稻落粒性由復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和數(shù)量性狀位點(diǎn)控制，并且?guī)缀踉谒舅腥旧w上都發(fā)現(xiàn)了調(diào)控落粒性的QTLs[6]。

目前，已克隆的水稻落粒相關(guān)基因有12個(gè)[7]。主效基因有qSH1、OsSh1、ObSH3、sh4/SHA1、SHAT1、SH5、sh-h/OsCPL1，OsGRF4/PT2、OsNPC1、GL4、OsLG1和SSH1是多效基因。這些基因編碼激酶或轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控離層生長(zhǎng)，從而影響落粒性。主效基因?qū)π誀畹恼{(diào)控作用占主導(dǎo)地位，對(duì)研究主效基因的調(diào)控機(jī)理具有重要意義。

控制落粒的主效基因qSH1位于1號(hào)染色體上，編碼BEL1型同源異型蛋白，其是由Konishi等（2006）[8]通過(guò)易落粒的水稻品種Kasalath和不落粒的Nipponbare雜交產(chǎn)生后代中分離并鑒定出來(lái)的。Nipponbare中的qSH1基因存在1個(gè)單堿基突變（G/T），使其小穗基部形成離層的區(qū)域中基因的表達(dá)量有所降低，離層不能正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致不落粒表型。

OsSh1基因在3號(hào)染色體上，Lin Z等（2012）[9]對(duì)不落粒的突變體 SR-5 和易落粒的Nanjing11進(jìn)行比較和轉(zhuǎn)錄表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)SR-5中該基因第 3個(gè)內(nèi)含子中有1個(gè)大于4 kb的插入突變，結(jié)果降低了 OsSh1 的轉(zhuǎn)錄水平，影響離層發(fā)育，進(jìn)而引起落粒性喪失。

ObSH3基因位于3號(hào)染色體上，編碼 YABBY 轉(zhuǎn)錄因子，研究表明，非洲栽培稻中該基因組存在片段缺失，導(dǎo)致離層發(fā)育不對(duì)稱且不完整，致使落粒性喪失[10]。

sh4基因位于4號(hào)染色體長(zhǎng)臂靠近末端的位置，是從野生稻O. nivara中分離出來(lái)的，能解釋秈野雜交F2 群體69％的表型變異。該基因第1個(gè)外顯子中發(fā)生1個(gè)核苷酸替換（T/G）導(dǎo)致其編碼的Myb3 DNA結(jié)合域上氨基酸發(fā)生替換（天冬酰氨/賴氨酸），影響了離層生長(zhǎng)，導(dǎo)致落粒性降低[11]。

SHAT1基因在4號(hào)染色體上，編碼1個(gè)APETALA2轉(zhuǎn)錄因子，遺傳分析表明，該基因在水稻小穗早期發(fā)育階段與sh4 在離層中持續(xù)表達(dá)，同時(shí)qSH1作用于SHAT1和sh4的下游，通過(guò)調(diào)控這2個(gè)基因在離層的表達(dá)進(jìn)一步促進(jìn)離層生長(zhǎng)。

SH5基因在5號(hào)染色體上，該基因編碼BEL1型同源異型蛋白，在離層中的表達(dá)量較高。研究表明，在Kasalath中抑制該基因的表達(dá)會(huì)破壞離層的形成，降低落粒性[12]。

sh-h基因位于7號(hào)染色體上，其是由Zhou Y等（2012）[13]將1個(gè)攜帶O. rufipogon 中sh4位點(diǎn)染色體片段的易落粒材料進(jìn)行誘變，并利用圖譜克隆的方法從突變體中分離出來(lái)的，該基因編碼CTD磷酸酶OsCPL會(huì)抑制離層的形成[14]。

3 落粒性與水稻馴化

作物馴化是改良野生物種以適應(yīng)栽培和滿足人類需求的過(guò)程。亞洲栽培水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的谷類作物之一，是10 000多年前從普通野生稻（O. rufipogon）馴化而來(lái)的[15]。然而關(guān)于其起源和馴化過(guò)程一直存在爭(zhēng)議。水稻馴化存在爭(zhēng)議的問(wèn)題包括3點(diǎn)。一是栽培水稻的地理起源。二是哪種類型的O. rufipogon是其直接的野生祖先。三是栽培水稻的2個(gè)亞種——秈稻和粳稻，其是單一起源還是多起源。盡管單一起源和多起源假說(shuō)都有證據(jù)支持，但多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，秈稻和粳稻起源于不同的祖先。

基于對(duì)以上問(wèn)題的思考探究，研究人員進(jìn)行了廣泛的遺傳學(xué)和考古學(xué)研究，并查閱水稻馴化的發(fā)育歷程，探究水稻的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。研究表明，秈稻和粳稻是獨(dú)立起源的。水稻的馴化基因固定在秈稻和粳稻2個(gè)亞種中，具有相同的等位基因，給單一馴化起源提供了新的依據(jù)。同時(shí)，分析栽培水稻和野生水稻全基因組數(shù)據(jù)的群體遺傳學(xué)表明，秈稻和粳稻的基因組大約是獨(dú)立起源的，但許多帶有馴化等位基因的基因組片段可能起源于同一祖先。盡管目前相關(guān)研究取得了較大進(jìn)展，但仍需要更廣泛的群體規(guī)模全基因組測(cè)序采樣，更好地揭示水稻馴化的進(jìn)化史。

水稻馴化過(guò)程中有很多性狀發(fā)生變化，例如株型的改變、落粒性的喪失、種子數(shù)量及大小的改變、種子休眠性的改變等，這些均是人工選擇的關(guān)鍵，被稱為“馴化綜合征”。落粒性喪失被認(rèn)為是鑒定野生稻馴化的直接形態(tài)學(xué)證據(jù)。野生稻極易落粒，在馴化過(guò)程中種子落粒性逐漸減弱，對(duì)水稻的有效收割具有重要意義。因此，研究落粒性基因有助于進(jìn)一步了解水稻人工馴化的分子基礎(chǔ)。

4 討論與展望

水稻落粒性是一種重要的農(nóng)藝性狀，同時(shí)也是水稻馴化和產(chǎn)量構(gòu)成的重要性狀之一。種子在收獲前掉落會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降，過(guò)于難脫落會(huì)給后期的收獲工作帶來(lái)一定的難度。因此，在水稻馴化過(guò)程中，人工選擇更偏向于落粒性適中的植株，這在一定程度上有助于提高收獲產(chǎn)量。

水稻落粒性是一種多基因控制的復(fù)雜性狀，對(duì)其展開研究可以幫助相關(guān)人員深入了解水稻種子在成熟期脫落的過(guò)程以及水稻落粒的生理調(diào)控機(jī)理。對(duì)水稻落粒性相關(guān)基因的定位和克隆研究為育種應(yīng)用提供了基因資源，同時(shí)也為了解水稻人工馴化積累了新素材。目前，已有育種家將CRISPR/Cas9方法與雜種優(yōu)勢(shì)利用結(jié)合起來(lái)，為選育具有適中落粒性和優(yōu)良農(nóng)藝性狀的水稻新品種提供了新策略和新材料[16]。

目前，已定位并克隆了許多與水稻落粒相關(guān)的基因，但其中一些基因的調(diào)控機(jī)理尚不清楚。隨著科學(xué)水平的提升，相信在不久的將來(lái)，會(huì)有更多的水稻落粒性基因被發(fā)現(xiàn)。發(fā)現(xiàn)新的水稻落粒性調(diào)控基因并對(duì)其進(jìn)行鑒定研究與定位克隆，深入探究并闡明這些基因?qū)λ韭淞Ｕ{(diào)控的分子機(jī)理，將是育種家研究水稻落粒性的主要方向。此外，培育出落粒性適中的水稻品種有助于適應(yīng)機(jī)械化栽培，克服性狀轉(zhuǎn)育過(guò)程中易落粒帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

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