水稻穗發芽遺傳與分子機制的研究進展

林鑫焱 張傳忠 戴兵 王馨珩 劉劍鋒 溫麗 徐興健 方軍

（1. 吉林師范大學生命科學學院 吉林省植物資源科學與綠色生產重點實驗室，四平 136000；2. 中國科學院東北地理與農業生態研究所農業技術中心，哈爾濱 150081；3. 內蒙古自治區北方寒地水稻育種創新重點實驗室 興安盟農牧科學研究所，興安盟 137400）

水稻（Oryza sativa L.）是重要的糧食作物，其總產量占世界糧食作物產量第3位。穗發芽即種子在收獲前發芽（pre-harvest sprouting，PHS），是指禾谷類作物在成熟后期遇到連續高溫、陰雨氣候時在穗上萌發的現象。穗發芽作為農業生產中的一個不良性狀，會嚴重影響水稻等農作物的種子活力、谷物質量和產量。近年來由于全球氣候變暖，極端天氣頻繁出現，作物穗發芽現象已呈現普遍遞增的態勢，即使在黑龍江寒帶水稻生產區，穗發芽也呈現上升勢頭［1］。

穗發芽和種子休眠緊密相關，兩者為同一性狀的兩種極端表現。種子休眠是指在預定的時間范圍內，本該有生命活力體征的種子，在預計正常、利于種子萌發的一些環境條件下，不能按期正常萌發的一種生物現象。種子休眠期過長，則田間出苗參差不齊，出苗率低導致產量降低。減少作物的種子休眠，可縮短商業種子生產的生長周期，但這可能會增加作物對穗發芽的敏感性。因此，平衡的種子休眠水平對于防止穗發芽損害至關重要。研究表明穗發芽和種子休眠表現為由微效多基因控制的復雜數量性狀。二者受內部生理因素與外部環境條件的共同調控，且受環境影響較大，這為遺傳研究帶來了許多困難。目前，通過遺傳改良來培育穗發芽抗性品種是公認的解決穗發芽問題的根本性可行方法。本文從水稻穗發芽的生理因素及環境條件、水稻穗發芽的遺傳機制、穗發芽的分子機制和穗發芽的性狀改良四方面進行探討，以期為解決水稻穗發芽問題提供參考。

1 影響水稻穗發芽的生理因素和環境條件

1.1 可溶性糖、α-淀粉酶活性影響穗發芽

水稻的穗發芽現象與其籽粒內維持較長時間的高水平的可溶性糖含量和α-淀粉酶活性密切相關，容易出現穗發芽現象的水稻品種在其發育前期可溶性糖含量高且持續時間長［2］。在成熟期，易穗發芽與不易穗發芽品種的水稻種子中的α-淀粉酶活性均呈現下降趨勢，可溶性糖含量呈現先上升后下降的趨勢。易穗發芽種子材料的α-淀粉酶活性、可溶性糖含量顯著高于不易穗發芽材料［3］。穗發芽的有效抑制劑丁香酚，就是通過推遲α-淀粉酶的合成，引起α-淀粉酶活性的降低，延遲萌發速度，抑制穗發芽［4］。

1.2 內源激素影響穗發芽

種子休眠是在種子成熟期間建立的，其在成熟種子中的維持受到環境因素和內源植物激素水平的精確調控，其中脫落酸（ABA）和赤霉素（GA）被認為是調節種子休眠和發芽過程中至關重要的激素。ABA通過促進種子貯藏蛋白和脂肪的合成，阻止種胚吸水，抑制胚的萌發，來維持種子休眠。GA能夠解除休眠并促進種子萌發［5］。易穗發芽材料籽粒中GA與ABA的含量比值較大，ABA含量較低。

ABA調控有兩個途徑：ABA合成分解途徑與ABA信號轉導途徑。ABA生物合成的增加會促進種子休眠，而降低ABA水平或阻斷ABA信號通路會打破種子休眠。本研究團隊發現ABA類胡蘿卜素前體合成中的基因突變造成ABA缺乏導致了穗發芽現象［6］。在Chen等［7］的研究中，ABA合成基因9順式環氧類胡蘿卜素雙加氧酶家族的一個成員OsNCED3通過編碼一種葉綠體定位脫落酸生物合成酶來調節水稻穗發芽和籽粒發育。

激素調控種子萌發的分子機制一直以來都是生物學的研究熱點。先前的研究主要集中在赤霉素與脫落酸的拮抗作用上，中國水稻研究所種子發育團隊首次揭示了SAPK10-bZIP72-AOC通路介導植物激素脫落酸和茉莉酸協同抑制水稻種子萌發的分子機制，外施茉莉酸合成抑制劑可緩解脫落酸對種子萌發的抑制，暗示著脫落酸對種子萌發的抑制效應部分依賴于茉莉酸的合成，該研究為改良水稻穗發芽抗性提供了新的思路［8］。

1.3 溫度和濕度影響穗發芽

穗發芽一般受到多種外部環境因素控制，其中以溫度影響較大。溫度升高會造成穗發芽率迅速上升，這可能與高溫下水稻籽粒的休眠性低甚至無休眠存在一定關系。Wang等［9］發現在低溫條件處理下，種子中GA失活并抑制GA信號轉導，同時促進種子ABA合成從而維持種子休眠。近期，日本福島大學科研團隊為探索基因型-環境相互作用對不同溫度條件下水稻品種萌發率的影響，進行了一項全基因組關聯研究發現，了溫度調控水稻種子發芽的基因GF14h，通過ABA信號調節種子發芽以響應溫度，揭示了溫度依賴性的水稻種子萌發的分子基礎［10］。

濕度在水稻穗發芽過程中同樣發揮重要作用。以往的研究多是關注高溫的環境如何導致穗發芽［11］，關于高濕度影響穗發芽的分子機制卻很少有研究。董袁袁等［12］通過模擬高濕處理，研究籽粒在高濕條件下的分子機制，認為成熟期水稻種子在持續多雨環境下極易誘發穗發芽。高濕處理后，ABA降解途徑基因和GA合成基因表達量迅速升高，同時ABA合成途徑中關鍵基因的表達受到抑制，導致種子中ABA含量大幅度降低，GA含量增加，ABA與GA的比值下降，進而促進α-淀粉水解酶基因的表達，從而促進種子萌發。

水稻穗發芽受到內源生理因素與外部環境共同影響，而環境同時也影響著生理因素的變化，如低溫條件下水稻種子中生物活性赤霉素的缺乏會導致淀粉水解和糖分消耗的減少，抑制種子的萌發。在田間制種過程中，田間環境對穗發芽有很大影響，應充分考慮目標地區近幾年的氣候環境。

2 水稻穗發芽的遺傳機制

雜交水稻不育系品種具有休眠性淺，并且種子裂穎的特性；加上制種時廣泛使用農藥“920”，導致不育系花期延長，群體種子成熟度不一致，增加了淺休眠水稻種子更容易穗發芽的概率。不同品種水稻的休眠性存在顯著差異，現有研究結果表明，栽培稻的休眠性弱于野生稻；亞洲栽培稻的休眠性弱于非洲栽培稻；水稻亞種間，粳稻的休眠性弱于秈稻［13］。在大田生產實踐中，將抗穗發芽品種與不抗穗發芽品種進行正反交，雜種一代的穗發芽抗性遺傳在大多數情況下具有明顯的母體效應，這反映出穗發芽特性具有母性遺傳的特點，將抗穗發芽的不育系作為母本繁種可以有效降低穗發芽現象［14］。這些研究為之后學者們利用正向遺傳學克隆穗發芽相關控制位點與基因，解析遺傳機制提供了助力。

農業農村部各有關司局和單位要圍繞任務分工，立足自身職能和行業優勢，拿出超常舉措，凝聚各方資源，從資金扶持、項目安排、主體培育、科技支撐、人才培養等方面，進一步加大對長江經濟帶水生生物多樣性保護、化肥農藥減量增效、農業廢棄物資源化利用、農業面源污染防治、農村人居環境整治、鄉村產業振興等方面傾斜支持力度。長江經濟帶11個省(市)農業農村部門要發揮主體責任，主動作為、積極行動，整合各方資源，加大對農業農村綠色發展的支持力度。

自20世紀50年代以來，國內外學者利用不同的群體定位到200多個與水稻籽粒休眠性及穗發芽抗性相關的數量性狀位點（QTL），這些位點廣泛分布于12條染色體上，且在第3、5、6、7、和11染色體較為集中，反映出水稻穗發芽性狀是由多基因控制的復雜性狀［3］。

2003年，Dong等［15］以Asominor和IR24為親本構建的重組自交系群體中檢測到6個與水稻穗發芽性狀相關的QTL，貢獻率為10.7%-25.3%。2006年，陳海生等［16］利用源自秈稻品種中156和谷梅2號的重組自交系群體進行了水稻穗芽性狀的QTL檢測，檢測到控制穗芽指數、穗芽速率、穗穗芽率的QTL各3個，還有2個控制粒穗芽的QTL。其中檢測到的穗芽速率QTL的RM9-RM5區間與Dong［15］檢測到的第1染色體上的R1485-R1928區間位于近似的基因組位置，說明該區間表達較為穩定，受環境影響較小，這種類型的QTL更適合進一步開展基因精細定位。2008年，Gao等［17］開發了以秈稻保持系岡46B和K81雜交構建的對穗發芽具有高度抗性的F2群體，從該群體中鑒定了3個穗發芽抗性相關的QTL，分別位于第2、5和8染色體上，即qPSR2、qPSR5和qPSR8。其中，qPSR8是在第8染色體長臂末端檢測到的一個主效QTL，對穗發芽表型變異的貢獻率達到43.04%。2010年，Hori等［18］利用從粳稻品種Nipponbare和Koshihikari的雜交中獲得的回交自交系（BIL）和一組染色體片段替代系（CSSL）檢測穗發芽抗性的QTL，在BIL中，第3號和第12號染色體上各檢測到了一個QTL。此外，鑒定與穗發芽相關的QTL，常使用穗發芽抗性差異大的品種之間雜交獲得的F2種群來完成。2019年，楊錕等［19］以易穗發芽的粳稻品系B1923和相對耐穗發芽的秈稻93-11為親本雜交構建的F2群體，共檢測定位到9個控制水稻穗發芽QTL，大多數與先前報道的穗發芽QTL吻合或相近，這些QTL能在不同群體中重演，也正說明它們確實存在并影響著水稻穗發芽表型，但許多位點未能有效重演，他就此提出穗發芽微效QTL可能受遺傳背景或不同年份環境條件的影響的猜想。2020年，Cheon等［20］在兩種不同的環境條件——田間（夏季）和溫室（冬季）環境下，測定了來自溫帶粳稻品種Odae（抗穗發芽）和Unbong40（易穗發芽）的160個重組自交系，在田間環境中，在第3和11號染色體上分別鑒定出2個主效QTL（qPHS-3FD和qPHS-11FD），而在溫室環境中，在第3、4和11號染色體上鑒定到3個主效QTL（qPHS-3GH、qPHS-4GH和qPHS-11GH）。qPHS-11GH和qPHS-11FD在11號染色體上具有相似的位置，這說明在不同環境條件下存在一種具有穩定穗發芽抗性效應的基因。Wang等［21］發現一個QTL qSd-1-1對強休眠秈稻品種N22和非休眠粳稻品種南粳35的種子休眠差異有顯著貢獻。qSd-1-1編碼一個類似DOG1的蛋白，命名為OsDOG1L-3，與擬南芥DOG1同源。通過這些已鑒定出的QTL了解穗發芽的遺傳基礎，有助于培育穗發芽抗性的雜交親本。未來繼續挖掘新的控制水稻穗發芽相關位點和候選基因，對穗發芽的遺傳機制研究和品種改良具有重要的意義。

水稻穗發芽基因定位與克隆技術為解決穗發芽提供了新的方向。克隆穗發芽相關基因，不斷進行功能解析，從而為水稻抗穗發芽的優化提供理論基礎和技術支持。本實驗室發現了紅色種皮抑制穗發芽的現象與OsVP1、Red pericarp（RC）及另一個調控因子OsC1之間協同相互作用有關［22］。Chen等［23］揭示OsVP1是通過ABA信號通路激活Sdr4的表達，從而控制水稻種子休眠。Zhao等［24］揭示了水稻種子休眠調控關鍵基因Sdr4的遺傳機制：Sdr4是水稻粳、秈兩個亞種間穗發芽差異的主導性遺傳因子。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所儲成才團隊通過前期大規模的篩選，獲得一系列水稻穗發芽突變體，并克隆了其中的PHS1-PHS4和PHS8基因［25-26］，PHS8的突變導致胚乳中小分子糖的積累，從而抑制胚中的ABA信號傳遞，導致了穗發芽表型。本課題組延續此研究，證明了水稻鉬輔因子MoCo合成基因OsCNX1和OsCNX6的突變最終導致了穗發芽及純合致死，并揭示MoCo合成途徑在調節水稻穗發芽及脅迫耐受性過程中發揮關鍵作用［25］。儲成才團隊之后又發現穗發芽基因 PHS9 在水稻種子胚胎發育晚期特異性表達，與一個ABA受體互作蛋白OsGAP相互作用，在水稻PHS的調節中發揮重要作用。最近，該團隊通過利用強休眠的水稻品種Koshihikari和弱休眠水稻品種Nipponbare構建染色體單片段代換系，成功從強休眠水稻品種中克隆到一個控制水稻種子休眠的關鍵基因SD6，并證實了SD6負調控水稻種子休眠。在江浙主栽品種淮稻5號和武運粳27號中敲除PHS9基因顯著抑制新鮮收獲的種子萌發，表明基因編輯PHS9可有效緩解水稻穗發芽［27］，后續在不同水稻品種背景下改良的材料，穗發芽情況也明顯改善［28］。

ABA代謝與信號途徑的關鍵基因常被應用于解決穗發芽問題，如ABA8'羥化酶是植物中分解ABA的主要酶，Fu等［29］使用CRISPR/Cas9基因編輯技術在寧粳6號中靶向編碼ABA8'羥化酶的3個OsABA8ox基因發現，敲除OsABA8ox基因顯著增強了種子休眠，并提高了抗穗發芽能力。T-DNA插入突變體Oswrky29具有強休眠性，對OsWRKY29進一步的檢測發現ABA信號抑制因子OsWRKY29，能通過直接下調OsABF1和OsVP1的表達以抑制種子休眠［30］。Jin等［31］近期鑒定了兩個與水稻芒發育相關基因GAD1/OsEPFL1和OsEPFL2，不僅調控芒的發育，還通過ABA合成與信號途徑調控種子萌發。

3 穗發芽的分子機制

眾多激素參與到了水稻種子休眠與萌發過程中（圖1），從分子層面解析激素如何調控水稻種子萌發，提供眾多激素與穗發芽抗性存在相關性的實驗證據，不僅為禾谷類作物抗穗發芽研究提供了新思路，更為保障稻米品質和糧食安全提供了重要理論基礎與研究方向。前人的研究主要集中在以脫落酸與赤霉素拮抗為中心的調控通路。近年來研究者們將目光移向更多的種子萌發調控激素如茉莉酸、油菜素內酯等，這些激素是否與主要調控激素脫落酸存在互作，以及具體的分子調控機制將成為未來探究的重點。

圖1 參與水稻種子休眠與萌發調控中多種激素介導的轉錄模塊的工作模型Fig. 1 Working model for the hormone-mediated transcriptional module in the regulation of rice seed dormancy and germination.

3.1 赤霉素與脫落酸的平衡調控水稻穗發芽

赤霉素（GA）和脫落酸（ABA）在植物種子萌發過程中存在拮抗作用，兩者間平衡關系的變化是調控種子休眠與發芽的主要調控機制［32-33］。ABA 通過調節 WRKY 轉錄因子的表達來抑制 GAMYB介導的GA反應。DELLA蛋白通過與 Ring-H2鋅指 E3泛素連接酶 XERICO 相互作用，調節 GA 和 ABA 反應之間的平衡。SnRK2與GAMYB結合并抑制其轉錄。FT 和 MFT 通過負反饋機制抑制表達，從而抑制ABA信號傳導。延遲發芽基因DOG1通過其與PP2C的相互作用來調節ABA信號傳導，并可能通過調節ABI5與ABI3的相互作用，從而調節種子休眠。DOG1還通過以溫度依賴性方式表達GA生物合成和失活基因來調節GA代謝。

目前已有許多利用調控ABA與GA信號從而調控種子休眠與發芽的基因被報道：在PHS突變體phs1-phs8中，phs1-phs7在編碼ABA生物合成途徑中主要酶的基因中突變［26］，而phs8在淀粉脫支酶ISA1中突變，導致胚乳中的植物糖原分解和糖積累，從而抑制胚胎中的ABA信號傳導，導致水稻穗發芽現象。穗發芽基因PHS9在水稻種子胚胎發育晚期特異性表達，編碼一種高等植物特有的CC型谷氧還蛋白，可與ABA受體RCAR結合，通過ROS信號和ABA信號的整合調節水稻PHS。在水稻中過表達OsAP2-39基因，會使種子中內源ABA水平提高，從而導致種子萌芽率降低［34］。OsVP1、Rc及OsC1之間協同相互作用，這3個基因通過促進原花色素的生物合成和ABA信號的感知，從而增強了種子對ABA的敏感性，最終抑制穗發芽。OsNCED3編碼一種葉綠體定位脫落酸生物合成酶，通過調節胚胎中適當的ABA/GA比率來增強PHS抗性［7］。

3.2 脫落酸與茉莉酸協調調控水稻穗發芽

脫落酸和茉莉酸（JA）都能抑制種子發芽，ABA又能通過“SAPK10-bZIP72-AOC”途徑促進JA生物合成，協同抑制水稻種子發芽［8］。SAPK10是水稻中由ABA誘導的SnRK2型激酶，是ABA信號傳導的核心成分［35-36］。在水稻中，ABA響應基因OsbZIP82主要通過直接調節JA代謝基因來正向調節JA含量。SAPK10依賴性磷酸化增強了bZIP72蛋白的穩定性，以及DNA與AOC啟動子的G-box順式元件的結合能力，提高了AOC轉錄，從而提高體內的茉莉酸水平并抑制水稻發芽。

3.3 油菜素內酯調控水稻穗發芽

揚州大學劉巧泉團隊揭示了油菜素內酯（BR）通過核心轉錄因子BZR1調節水稻種子萌發的分子機制：通過阻斷BR信號傳導，包括將缺陷引入BRI1受體或過表達GSK2激酶活性，可延遲種子發芽并抑制胚胎生長。BZR1是關鍵的下游轉錄因子，通過與α-淀粉酶基因RAmy3D啟動子結合來介導BR對種子發芽的調節，該啟動子影響α-淀粉酶的表達和活性以及胚乳中淀粉的降解。BZR1-RAmy3D模塊的功能獨立于GA通路中已建立的GAMYBRAmy1A模塊。GA通過激活GAMYB轉錄因子，并增強其與RAmy1A啟動子中GARE基序的結合，從而促進其表達調控種子休眠。BR信號由BR受體BR insensitive 1（OsBRI1）和BRI1相關受體激酶OsBAK1輔助受體感知，觸發一系列下游磷酸化事件，包括BR信號激酶OsBSK3的激活和糖原合成酶GSK2活性的抑制。GSK2是水稻中一個與擬南芥BIN2同源的類GSK3/SHAGGY激酶，負向調節參與調控下游BR應答基因的表達。在種子萌發期間BR和GA存在既獨立又互作的關系，BR和GA通過動員貯藏淀粉和谷蛋白來調節種子萌發，阻斷BR信號可以抑制α-淀粉酶的表達和活性，從而延緩淀粉降解和降低可溶性糖含量，抑制種子發芽［37］。

4 水稻穗發芽的性狀改良

揭示穗發芽的分子調控機制，并通過遺傳改良來培育穗發芽抗性品種是解決這一問題的根本方法，但由于高抗穗發芽種子資源的匱乏，傳統育種方法在水稻穗發芽抗性改良方面收效甚微。植物轉基因技術可以打破傳統育種的局限性，將外源抗性基因導入水稻，提高水稻對穗發芽的抗性，如儲成才團隊通過基因編輯技術，對水稻易穗發芽品種天隆619、武運粳27號及淮稻5號中的SD6基因進行改良，改良后的水稻材料在收獲期穗發芽情況得到明顯改善。

隨著現代分子育種技術發展，2021年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋團隊首次培育出可用于大田生產的雙季早粳水稻新品系中科發早粳1號，以優異稻米品質基因為主線，結合高產抗逆基因等，運用分子設計育種的理念和技術，選擇最佳親本通過雜交選擇，最終育成優質高產、抗寒和抗穗發芽的全新中科發早粳新品系。這些雙季早粳新品系表現出了抗逆性強，苗期耐寒、后期抗穗發芽的優點。

穗發芽作為世界級農業難題，在小麥中研究相對較多，水稻穗發芽的研究起步較晚。總體來看，目前我國培育出的明顯抗穗發芽的水稻新品種數量很少，這可能與穗發芽形成原因復雜多樣有關，要從根本上解決穗發芽問題，未來需要培育更多抗穗發芽的親本材料。

5 展望

近年來，極端氣候頻繁發生，全球水稻穗發芽問題愈加突出，嚴重危害水稻的產量及品質。而穗發芽既受遺傳控制，由許多微效基因共同作用，又受環境影響。應用化學手段來減輕水稻穗發芽是一條較為簡便、經濟的途徑。如本實驗室初步研發的穗發芽抑制劑組合——馬來酰肼與香豆素組合，能有效抑制種子萌發且對作物產量無明顯負面影響，為初步研發適合實際應用推廣的穗發芽抑制劑、抑制穗發芽現象提供了積極的嘗試和化學策略。

然而，針對水稻穗發芽的問題，最根本有效的方法是通過廣泛鑒定、篩選栽培和野生水稻種質資源，挖掘調控種子休眠、穗發芽等農藝性狀的優異基因，如將已經定位到的與穗發芽及種子休眠相關的 QTLs，針對主效 QTLs 進行精細定位和克隆，以獲取更多有價值的耐穗發芽品種。此外，植物激素GA和ABA在拮抗調控種子休眠和萌發方面雖已取得重要進展，但GA或ABA如何與其他植物激素交叉對話進而調節穗發芽的機制目前仍不清晰，未來應作為解決穗發芽現象的重點研究方向之一。通過遺傳學、分子生物學和植物生理學等多學科方法解析種子休眠與萌發的分子機制，為水稻穗發芽的防控和耐穗發芽種質資源的創制提供理論基礎，并結合常規育種和分子設計育種，培育更多可以實際應用于農業的抗穗發芽新品種，將成為未來解決作物穗發芽問題的關鍵。