水稻粒型調控機制及相關基因在育種中應用研究進展

賈修齊 薛超 龔志云

摘要：粒型是影響稻米產量和的品質的重要數(shù)量性狀之一。其遺傳調控網(wǎng)絡包括信號通路、泛素-蛋白酶體通路、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路、G蛋白信號通路及轉錄因子等多個調控通路。目前已經定位到的與粒型相關數(shù)量性狀位點（QTL）有600多個，并克隆了70多個基因，這些基因間相互作用并于其他調控通路共同構成了水稻粒型調控網(wǎng)絡。筆者對粒型調控網(wǎng)絡和相關基因進行了總結和梳理并闡明其在育種上的應用前景，以期為水稻高產育種提供有利的理論和材料基礎。

關鍵詞：水稻;粒型;調控途徑;QTL;育種應用

中圖分類號：S511.03 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）12-0029-10

收稿日期：2021-03-21

基金項目：國家自然科學基金（編號：31871232）;中國博士后科學基金（編號：2019M651981）。

作者簡介：賈修齊（1995—），男，陜西澄城人，碩士，主要從事水稻遺傳育種研究。E-mail：731150785@qq.com。

通信作者：龔志云，博士，教授，主要從事水稻基因組學研究。E-mail：zygong@yzu.edu.cn。

水稻是世界三大主要糧食作物之一，全球半數(shù)以上人口以稻米為口糧[1]。經過矮桿和雜種優(yōu)勢的廣泛應用，水稻產量有了極大提高，但隨著人類活動的影響使得耕地面積逐年下降和人口增加，水稻高產育種仍然是水稻育種的主要目標之一。水稻的產量由3個重要因素決定：有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質量。其中，有效穗數(shù)由水稻的分蘗能力決定，每穗粒數(shù)取決于一次、二次枝梗數(shù)和結實率，而千粒質量則受粒型性狀的影響[2]。水稻粒型性狀主要由水稻種子的粒長、粒寬和粒厚等組成，因此分離和克隆粒型相關基因是提高水稻產量的重要理論基礎之一。已有研究表明，水稻粒型相關性狀是受多個基因控制的數(shù)量性狀，其遺傳機制十分復雜。發(fā)現(xiàn)、評價和利用這些數(shù)量性狀基因是水稻遺傳育種學家研究的主要目標，其中數(shù)量性狀位點（QTL）作圖是實現(xiàn)該目標的重要手段之一。

1 QTL常用作圖群體

數(shù)量性狀一般是受2個或2個以上基因控制的性狀，后代單株間差異只能用數(shù)量來區(qū)別，該性狀的變異呈連續(xù)性易受環(huán)境條件影響，因此研究人員構建了多種作圖群體對其進行分析。

1.1 暫時群體

暫時性群體不能永久保存，在經過自交或者近交后遺傳特性及群體就發(fā)生改變。主要包括F2群體和回交群體（BC）。F2群體在短時間內易于構建且包含所有基因型，具有豐富的遺傳信息，一般采用含目標性狀的秈粳雜交構建F2分離群體對目標基因進行遺傳連鎖分析以及進行QTL定位。呂勇利用AZU和 9311構建的F2代群體結合高通量測序在QTL位點qGW2-1區(qū)間找到與粒寬完全連鎖的候選基因Os02g0202950[3]。回交群體是在F1與親本之一雜交產生的分離群體，其優(yōu)點是作圖效率比較高，構建時間短，可以有效減少微效基因的干擾，但所能提供的遺傳信息的量沒有F2群體豐富。這2個群體的遺傳背景都很復雜，不利于純系后代鑒定，所以利用這2個群體進行定位的精確性較低，更多用于QTL初定位[4]。

1.2 永久群體

1.2.1 CSSL群體

染色體片段代換系（CSSL）是受體親本與供體親本經過多次雜交、回交、自交然后結合分子標記輔助選擇構建的少數(shù)來自供體親本的基因片段，其余遺傳背景與輪回親本一致的永久群體。通過染色體片段代換系可以把復雜的數(shù)量性狀分解成簡單的單個孟德爾基因進行研究，是理想的遺傳分析材料。其中染色體單片段代換系（SSSL）指與受體親本間有且只有一個來自供體親本的染色體片段[5]由于可以排除試驗過程中遺傳背景的干擾，具有單一性和穩(wěn)定性，因此成為水稻中QTL鑒定、基因精細定位、克隆及基因聚合的優(yōu)良材料，已經被廣泛應用于水稻的分子設計育種并取得了較多的研究成果。Wang等以受體親本華粳秈74及供體親本Basmati385、Basmati370構建了SSSL，通過精細定位以及高精度連鎖分析，將控制粒寬的QTL-GW8定位在8號染色體7.5 kb區(qū)間內[5]。Wu等以非洲野生稻W(wǎng)1411作為供體，非洲栽培稻IRGC102305作為受體構建了滲入系，利用大粒GIL25系和小粒IRGC102305系進行雜交，最后利用后代純合的分離株系將控制粒長的QTL-GL4定位在M3和M4之間的5.9 kb區(qū)域內[6]。qGS10[7]及qGL12[8]也分別被定位到并將其范圍縮小至300 kb和87 kb。

1.2.2 DH群體

DH群體是對 F1代材料通過花藥離體培養(yǎng)后用秋水仙素進行染色體加倍得到的群體，其優(yōu)點是遺傳背景簡單、植株都是純合體，適合用于研究QTL與環(huán)境因素之間的互作，但缺點是所含的重組交換的信息較少不能夠區(qū)分顯隱性。Li等為定位GS5以珍汕97和H94構建DH群體，再通過多次回交將DH27（含有H94染色體片段）導至珍汕97構建群體最終將GS5定位在5號染色體[9]。

1.2.3 NIL群體

近等基因系（NIL）是結合分子標記通過多代回交篩選構建的群體。其優(yōu)點是遺傳背景干凈只在目標區(qū)域內存在差異，檢測靈敏度較高，可以用來對目標基因及性狀進行QTL的定位、QTL之間互作以及效應性分[3]，但NIL群體的構建往往需要花費更多的時間精力。Wang等用珍汕97和Nip（寬粒）構建了NIL定位并克隆了粒長QTL-qGL11[10]。

1.2.4 RILs群體

重組自交系群體是對F2 代群體進行篩選后，對目標系進行多次多代的自交而產生的群體，所以重組自交系群體每個單株都是純合的，可以作為永久性的群體使用[3]，RIL群體受環(huán)境因素影響較小，家系間的基因型不同但家系內純合，定位結果的精確性相對較高，可以從該群體中挑選出純合的、優(yōu)良的株系用作研究品種。調控粒型的基因GW5/qSW5分別通過Asominori/Nip和IR24/Kasalath（細粒）雜交產生的不同重組自交系（RILs）被鑒定出來[11-12]，F(xiàn)u等利用粳稻春優(yōu)84，以及葉片形態(tài)差異顯著的秈稻春恢84構建的重組自交系（RIL）群體，檢測到1個主要的葉長QTL-qLL9被定位到C-1640和C-1642這2個標記之間的16.17 kb區(qū)域內，包含3個開放閱讀框（ORFs）[13]。

2 水稻粒型相關QTL的研究進展

隨著水稻基因組測序的完成，研究人員利用目標表型間差異明顯的品種通過F2群體、BC群體、DH群體、RLIs群體、CSSL等遺傳群體，在水稻12條染色體上定位了超過600個與粒型相關的QTL，與粒長、粒寬相關的QTL最多，而與粒厚相關的QTL最少，并克隆了一些對水稻粒型具有顯著作用但不影響植株形態(tài)基因的主效QTL[14-15]，經整理后見圖1。

2.1 調控水稻粒寬相關QTL研究進展

粒寬是水稻粒型構成的主要因素，與其相關的QTL研究對提高種子千粒質量具有重要意義。Song等利用小粒品種豐矮占1號和千粒質量較高的WY3，將GW2定位在2號染色體W024和W004 2個標記之間的8.2 kb區(qū)間內[16]，GW2的功能缺失會導致穎殼細胞分裂速度加快、穎殼變寬，有利于胚乳灌漿，增加粒質量。Shomura等以窄粒品種Kasalath和寬粒測序品種Nip為親本構建的分離群體將qSW5定位于5號染色體負調控粒寬;Nip在該范圍內有1 212 bp的堿基缺失以及16個SNP突變，而將Kasalath品種qSW5位點中ORF1表達量下調使粒寬變大[17];Li等以珍汕97為輪回親本和H94構建DH群體在5號染色體短臂端的11.6 kb區(qū)間內定位到的GS5編碼絲氨酸羧肽酶正調控籽粒大小[9，18]。Ruan等利用9311和培矮64S克隆出控制粒寬和粒質量的TGW2，該基因編碼調控因子OsCNR1，通過影響穎片細胞增殖和擴張來調控粒寬和粒質量，TGW2基因啟動子上游1 818 bp處的堿基替換（G→A）可增強TGW2的表達[19]。

2.2 調控水稻粒長相關QTL研究進展

水稻粒長相關QTL是目前鑒定并克隆最多的，GS3是水稻中首個被克隆的粒長和粒質量QTL[22-21]，F(xiàn)an等以大粒品種明恢63以及小粒品種川7構建的NIL群體，將GS3定位在第3號染色體上著絲粒附近的7.9 kb區(qū)間內，明恢63 GS3密碼子TGC 突變成終止密碼子TGA，使蛋白翻譯終止，產生一部分氨基端具有類γ結構域的蛋白與DEP1或GGC2競爭性結合Gβ，使粒長縮短 [20]。Zhang等選用千粒質量較輕的N643[千粒質量=（17.80±0.82） g]和千粒質量較高的N411[千粒質量=（72.13±2.32） g]進行雜交，經過高精度連鎖分析將qGL3定位到標記XJ39和XJ26之間的46.6 kb區(qū)域內[22]，qGL3編碼含有2個Kelch功能域的蛋白磷酸酶OsPPKL1，負調控水稻粒長[23-24]。Wu等以野生稻W(wǎng)1411為供體，非洲栽培稻IRGC102305為受體構建了一套基因導入系，利用純合的分離株系進行高精度連鎖分析將調控內外穎縱向細胞的伸長來調控粒長的GL4定位在M3和M4之間的5.9 kb區(qū)域內 [6]。Ishimaru等以Kasalath作供體親本，Nip為受體親本構建NIL，利用重組純合植株進行高分辨率定位，將TGW6定位在標記G214和G232之間的4.9 kb區(qū)域內，候選基因為Os06g0623700，TGW6編碼一個具有吲哚乙酸（IAA）水解酶活性的蛋白，在庫器官中Nip的tgw6等位基因通過控制IAA供應來限制細胞數(shù)量和粒長，在Kasalath中等位基因tgw6功能的喪失會對源器官產生多效性影響進而提高粒質量[25]。Yu等采用新方法Ho-LAMap克隆了OsLG3，編碼APETALA2/乙烯反應元件結合蛋白，通過促進細胞數(shù)目的增加正向調控粒長且不影響稻米品質[26];康藝維試驗所用的長粒品種IRAT109、SLG-1、Haobuka三者的啟動子序列相同但與短粒品種存在差異，因此OsLG3致使籽粒變長千粒質量增加的主要原因是啟動子區(qū)的自然變異[15]。TGW3/qTGW3/GL3.3的克隆分別來自親本JZ1506和小粒品種黃華占、CW23和PA64、珍汕97和南洋占，通過編碼類SHAGGY41激酶OsSK41/OsGSK磷酸化OsARF4負調控穎殼的細胞影響粒長[27-29]。Wang等以野生稻W(wǎng)1943為供體親本，廣陸矮4號為受體親本，利用2 181個BC1F5個體進行高精度定位，最終將GL6定位到GL4350和GL4411這2個標記之間的6.1 kb區(qū)域內，GL6編碼的PLATZ轉錄因子通過促進幼穗細胞的增殖正調控粒長，該轉錄因子與RPC53和OsTFC1之間存在互作，通過參與到RNA聚合酶Ⅲ轉錄機制，調節(jié)參與水稻籽粒發(fā)育基因的表達[30]。Si等利用籽粒間差異明顯的380多個水稻品種進行GWAS（genome-wide association studies）分析，將控制粒長的主效基因QTL-GLW7定位在7號染色體上，其編碼的轉錄因子OsSPL13通過調控穎殼細胞正調控籽粒大小[31]。

2.3 調控水稻粒型的多效性QTL研究進展

水稻中已經克隆的一些基因如GL2/GS2、GW7、GW6等具有一因多效，不僅調控粒型還會影響稻米品質。Hu等以浙江省特大粒地方品種寶大粒（BDL）、中花11、9311和武運粳7號為親本，構建分離群體將GS2定位在2號染色體BG82和BGS83標記間的7.4 kb區(qū)間內[32];GL2/GS2通過編碼轉錄因子OsGRF4促進細胞膨大和細胞分裂調控籽粒大小[33]。BG2編碼細胞色素P450家族成員OsCYP78A13蛋白，OsCYP78A13的表達上調可促進細胞增殖使籽粒變大[34]。Wang等利用泰豐A和華粳秈74為親本構建作圖群體，最終將GW7基因準確定位于7號染色體標記S5和S6約2.6 kb的區(qū)域內，GW7編碼1個TONNEAU1募集基序蛋白，該蛋白表達上調，通過促進縱向細胞分裂抑制橫向細胞分裂使籽粒細長[35]，也提高了稻米的外觀品質[36]。Song等用秈稻品種Kasalath和粳稻品種Nip為親本構建的作圖群體，將GW6定位在第6號染色體上，GW6a編碼具有組蛋白乙酰轉移酶活性的OsglHAT1蛋白，該蛋白通過增加穎殼細胞數(shù)目及灌漿速率使粒質量得到提高[37]。GS9通過控穎殼細胞的分化負調控籽粒大小，Zhao等用清蘆占11和Nip構建NIL群體初步將GS9定位到標記IN0927和IN0929之間的5.9 kb范圍內，該區(qū)域只有1個候選基因LOC_Os09g27590被鑒定具有預測的開放閱讀框，GS9控制穎殼中縱向細胞分裂加快細胞數(shù)目增加而橫向細胞分裂速度變慢[38-39]。

3 水稻粒型調控網(wǎng)絡

進一步理解水稻粒型相關基因調控方式是合理利用它們的前提與基礎。在被子植物中受精卵、受精卵中央細胞和母體珠被分別發(fā)育成種子的胚、胚乳以及種皮，構成了種子基本結構[40]。因此，種子大小是由母體組織和合子組織協(xié)調控制的[41];通過母體組織控制籽粒大小的信號通路包括泛素-蛋白酶體通路、G蛋白信號通路、絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路、多種植物激素信號通路、轉錄調節(jié)因子[42]以及表觀遺傳調控途徑。而合子組織生長受到植物激素以及HAIKU途徑調控[43]，上述途徑構成的調控網(wǎng)絡見圖2。

3.1 植物激素信號通路

植物激素通過對細胞周期的調控在籽粒大小發(fā)育方面發(fā)揮重要作用。研究表明，生長素通過濃度依賴性對種子發(fā)育進行調控，生長素的時空分布受生長素合成動態(tài)調節(jié)：極性運輸、信號轉導、生長素偶聯(lián)以及生長素分解代謝來維持生長素在種子發(fā)育的最佳水平[44]。microR167在擬南芥、番茄、亞麻薺中被證實可以靶向調控生長素反應因子ARF6和ARF8，這些因子能調節(jié)植物種子發(fā)育[45];Liu等研究發(fā)現(xiàn)的植物生長素原初響應基因BG1參與生長素運輸和轉運，是植物特異的控制器官大小的調節(jié)因子，其突變體增加了生長素含量，改變了生長素的分布，而敲除材料則減少了生長素的運輸，在水稻和擬南芥中使用BG1基因均可提高植株生物量、種子質量和產量[46]。在甘藍型油菜中，通過正向遺傳學鑒定出的ARF18被證實在角果發(fā)育過程中可以通過調控生長素信號通路來決定粒質量[47];一些生長素介導的與種子大小相關的基因如SMOS1編碼的一個生長素調控的APETAL2類轉錄因子，在水稻中受OsARF1的正調控;SMOS1使細胞變小、數(shù)目增加表現(xiàn)為種子變小[48-49];種子發(fā)育是一個復雜的動態(tài)過程，受到多種植物激素的嚴格調控，生長素與其他植物激素之間協(xié)同或拮抗調節(jié)種子發(fā)育，如：SMOS1可以與GRAS轉錄因子SMOS2/DLT相互作用，通過油菜素內酯（BR）信號正向調控種子發(fā)育來調節(jié)其轉錄活性，這一發(fā)現(xiàn)證明生長素和BR信號通路的相互作用可以調節(jié)作物的種子大小[44]。

3.2 G蛋白信號通路

在水稻中異源三聚體G蛋白參與生長、 發(fā)育的多個信號通路，G蛋白由1個α亞基基因（RGA1）、4個GTP結合蛋白基因（XLGs）、1個β亞基基因（RGB1）和5個γ亞基基因（命名為RGG1、RGG2、RGG3/GS3、RGG4/DEP1和RGG5/OsGGC2）組成[51]。Gα和Gβ蛋白都是細胞分裂和籽粒大小的正調控因子，RGA1/D1編碼G蛋白的α亞基，突變體d1中G蛋白失活細胞分裂減少籽粒變小，同時還發(fā)現(xiàn)G蛋白途徑與植物激素途徑存在影響，突變體d1 Gα亞基的缺陷會影響赤霉素（GA3）和油菜素內酯（BR）的信號傳導[51]。RGB1編碼Gβ亞基，其突變體會導致籽粒變小[52]，Sun等結果表明，RGB1在整個生長過程中發(fā)揮著重要作用，RGB1為3種Gγ蛋白粒型調控通路提供了基礎[53]。DEP1編碼G蛋白的γ亞基，是水稻穗長、株高、粒型等的負調控因子[54]，當RGA1、DEP1和GCC2單獨或共同存在時，可以使粒型增大。GS3是栽培稻自然群體和育種群體中最重要的粒長負調控因子[55-56];野生型的等位基因N端有OSR（organ size regulation）結構域會產生中等粒，功能缺失會形成長粒;而C端結構域功能缺失會喪失對OSR結構域的抑制產生極短粒[53];GS3通過與DEP1和GCC2競爭結合Gβ從而使粒型變小，與野生型相比敲除RGA1后的籽粒變的極短，籽粒長度減少約35%，而DEP1和GCC2敲除后的表型基本一致;敲除DEP1或GCC2或過表達GS3均可導致中短粒（減少7.47%～11.18%），相反過表達DEP1或GCC2或敲除GS3，籽粒長度和粒質量均適度增加（6.85%～13.03%），在GS3的敲除突變體中過表達DEP1可使粒長進一步增加（約增加20%），也使粒質量大幅增加（28.45%）[53]，DEP1的自然變異體會改變穗型結構和氮素利用效率。Gγ亞基的RGG1和RGG2參與非生物脅迫的調控，Miao等通過測定赤霉素（GA3）處理后第二葉鞘的長度和GA誘導的種子α-淀粉酶活性，發(fā)現(xiàn)RGG2也參與了GA信號傳導，可以通過GA途徑調控負調控水稻的籽粒和器官大小[57]。

3.3 絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路

絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路已被證明在植物的防御反應和與生長發(fā)育相關的多個過程中發(fā)揮重要作用。MAPK通路是1個三級激酶級聯(lián)反應，包含至少3個激酶：MAPK激酶激酶（MKKK），MAPK激酶（MKK）和MAPK[58]。Xu等提出生長信號可能激活OsMKKK10-OsMKK4-OsMAPK6級聯(lián)反應，絲裂原活化蛋白激酶OsMAPK6主要分布在細胞核和細胞質中，并廣泛分布于各個器官中，主要分布在小穗和小穗殼中，激活的OsMAPK6通過促進小穗殼細胞增殖來調節(jié)籽粒大小，該信號通路對水稻籽粒大小和質量有正向調控作用[59];而GSN1是級聯(lián)反應的負調控因子，通過編碼絲裂原活化蛋白激酶磷酸酶OsMKP1與OsMAPK6相互作用，使OsMAPK6去磷酸化失活[60]。另外，MAPK信號通路同時也會影響植物激素油菜素內酯（BR），激素敏感性試驗表明，dsg1突變體對油菜素內酯（BR）的敏感性較低。在dsg1突變體中內源BR水平降低，一些BR信號通路基因和反饋抑制基因的表達均發(fā)生改變，表明OsMAPK6可能影響了BR的動態(tài)平衡和信號轉導[61];SMG1編碼1個OsMKK4通過影響B(tài)R的應答以及BR相關基因表達，在籽粒生長中可能作為MAPK通路和油菜素內酯途徑間的連接因子，抑制OsMKK4表達，會使籽粒變小[62]。

3.4 泛素-蛋白酶體途徑

泛素化途徑是將泛素偶聯(lián)到底物蛋白內部的賴氨酸殘基上，從而使靶蛋白被蛋白酶體降解，泛素通過影響蛋白質運輸、信號轉導、降解等直接或間接地調控粒長[63]。泛素化過程需要多個酶參與：泛素活化酶E1，泛素結合酶E2，泛素連接酶E3。泛素分子被E1激活連接到E2，E3幫助E2識別靶蛋白，將泛素轉移到靶蛋白進行泛素化[64]，被蛋白酶體降解[65-66]，泛素化是一個可逆的過程可以通過去泛素酶（ DUBs ）[61]釋放底物上的泛素;WTG1編碼一種具有去泛素活性的Otubain-like蛋白酶，它通過影響細胞伸長來決定粒型大小[68]。GW2編碼1個E3泛素連接酶負調節(jié)細胞分裂，影響粒寬及粒質量[16]。LG1編碼去泛素化特異性蛋白酶OsUBP15，OsUBP15功能喪失和表達下調會產生更窄、更小的籽粒，OsUBP15和GW2在調控籽粒大小上存在可能的相互作用，通過聚合OsUBP15和GW2有可能提高糧食產量[69]。

3.5 轉錄因子調控

水稻中已成功分離并鑒定了一批控制籽粒的主要數(shù)量性狀位點如GS3、GS5[5]、GS9 [9]、GW2[16]、GW5[17-18]、GW7[25]、GW8[35]和TGW6[38]。研究表明，這些編碼轉錄因子的QTL是調節(jié)籽粒大小的關鍵，GLW7編碼轉錄因子OsSPL13，該轉錄因子通過小穗殼內細胞的增殖來增加籽粒大小[31]。GW8編碼轉錄因子OsSPL16，通過促進細胞分裂及灌漿速率來增加籽粒寬度和粒質量[5];同樣，GS2/PT2/LGS1編碼的轉錄調節(jié)因子OsGRF4通過增加小穗殼中的細胞生長分裂來調節(jié)籽粒大小[32，70-71]。GL4編碼MYB類轉錄因子，通過調控內外穎縱向細胞伸長使籽粒變長[6]，而OsGBP1轉錄因子抑制粒長，OsGBP3則提高粒長[72]。籽粒大小不僅受穗殼的限制還受到胚乳生長及籽粒灌漿控制，轉錄因子MADS29通過調控母體組織的降解進而影響籽粒的灌漿[73]，轉錄因子OsNF-YB1的表達下調會顯著延緩籽粒灌漿，導致小粒[74]。qLGY3編碼Gβ關鍵的下游效應因子MADS結構域轉錄因子OsMADS1[75]，通過外表皮細胞分裂使籽粒變長，而OsMADS1的轉錄活性受Gγ亞基GS3和DEP1與MADS的角蛋白結構域互作正調控[76]。

3.6 表觀遺傳調控途徑

植物表觀遺傳主要涉及DNA甲基化、組蛋白修飾（乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等）、RNA甲基化、基因組印跡和母性效應等調控類型[77]。miRNA-OsmiR397 正調控水稻產量，Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，OsmiR397通過下調其靶基因OsLAC的表達增加水稻產量，OsLAC的產物是一種漆酶類蛋白，參與了植物對BR的敏感性[78]。Duan等報道，GS2編碼的生長調控因子OsGRF4受OsmiR396的調節(jié)，當GS2發(fā)生2 bp的替換突變后，會影響OsmiR396對其的調控，導致籽粒增大、粒質量增加，且GS2與轉錄輔激活子OsGIF1/2/3相互作用，OsGIF1過表達時會使粒質量增加[79];他們發(fā)現(xiàn)的另一個miRNA-OsmiR408通過調控OsUCL8正調控植株的光合效率及產量性狀[80]。SDG725編碼1個H3K36甲基轉移酶，其表達下調導致種子變小[81]。GW6a編碼具有組蛋白乙酰轉移酶活性的類GNAT蛋白OsglHAT1，通過促進細胞分裂調控粒長;GW6a表達提高會使組蛋白H4的乙?；教岣?，增加穎殼細胞數(shù)目和灌漿速率達到增產目的[37，65，82]。LARGE1編碼的OML4在發(fā)育中的穗粒中表達且GFP-OML4融合蛋白定位于細胞核中，OML4通過限制小穗殼內細胞的擴張來調節(jié)顆粒大小，負調控水稻的粒級和粒質量;OML4可被GSK2磷酸化調控OML4蛋白穩(wěn)定性，OML4功能缺失導致大粒和重粒，而OML4過表達導致小粒和輕粒[83]。

4 水稻粒型基因間的互作及在育種中的應用

水稻粒型是多基因控制的數(shù)量性狀，不同粒型基因之間互相影響，育種的重要目的之一是得到高產優(yōu)質的水稻新品種，通過以上分析表明，目前水稻粒長、粒寬、粒厚相關QTL已經定位很多，也有70多個水稻粒型相關基因已被克隆，但這些克隆出來的基因在育種上的應用卻相對較少。

4.1 水稻粒型基因間互作

水稻粒型相關的不同位點非等位基因之間也存在相互作用，最終影響籽粒發(fā)育，Yan等通過對GS3-RNAi、GW2-RNAi系和qSW5的CSSL系的基因表達分析研究了GW2、GS3、GIF1和qSW5/GW5四者間的互作關系，并用180個品種的自然群體分析了GW5/qSW5和GS3的等位基因作用[84]。研究表明，GW5/qSW5和GW2正調控GS3的表達，GW2能抑制GW5/qSW5的表達，GW5/qSW5正向調控GIF1的表達，而GW2和GS3負向調控GIF1的表達，另外GS3可以消除GW5/qSW5的粒長效應，GS3對粒寬的作用受到qSW5的影響[84];HGW編碼1個含有泛素相關結構域的上游調控蛋白，可以直接通過GIF1控制水稻籽粒和質量，在HGW突變體中GIF1、GW2、GW5和GS3等基因的表達降低[85]。

GW7是調節(jié)粒長、粒寬的水稻籽粒品質數(shù)量性狀基因，GW8是包含SBP結構域的轉錄因子，與GW7啟動子結合抑制其表達，GW8通過細胞分裂對粒寬進行調控[86]。轉錄抑制因子OsARF4負調控粒長而TGW3編碼的GSK3/SHAGGY-Like家族蛋白激酶OsSK41與OsARF4互作會發(fā)生磷酸化使OsARF4的轉錄抑制功能增強從而負調控水稻的粒型和粒質量[87]。相關研究發(fā)現(xiàn)，GL3.3（TGW3）與GS3互作也會使水稻籽粒顯著增大[27]。

4.2 水稻粒型基因在育種中的應用

GS3是一個在育種中應用較廣的基因，在增加籽粒質量的同時也能改善外觀品質，為更方便地聚合目的基因，通常采用遺傳背景一致，目標基因選擇效率高，育種周期短的SSSL進行選育。如張劍霞將抗白葉枯病基因Xa23和粒長基因GS3基因聚合到珍汕97B和Ⅱ-32B中，使其在改良后對白葉枯病具有明顯的抗性且在粒長方面也得到了增長[88];楊梯豐等通過分子聚合育種將攜帶粒長基因GS3的華粳秈74與攜帶其他優(yōu)良基因的SSSL進行基因聚合，聚合后籽粒變得更長[89];Wang等通過聚合GS3等位基因和OsSPL16（GW8）發(fā)現(xiàn)，可以在提高籽粒外觀品質的同時保證產量[5]。Zeng等對GS3、Ghd7、qSW5、DPE1等基因進行聚合育種研究，成功選育出優(yōu)良品種兩優(yōu)培九，其在增產和提升品質方面都更有優(yōu)勢[90]。

Wang等研究發(fā)現(xiàn)，GL7在不影響產量和食用品質的前提下可以用來改良籽粒外觀品質，遺傳背景含GL7的NIL相比稻米堊白度和堊白率顯著降低而單株產量、直鏈淀粉含量、膠稠度和蛋白質含量均不受影響[36]，因而將GL7和其他與產量和品質相關的有益等位基因聚合更有助于優(yōu)良水稻品種的選育。

Zhao等發(fā)現(xiàn)，新粒型基因GS9的缺失突變體通過改變細胞分裂來增加籽粒長度，GS9與GS3聚合會獲得更長更細的粒型，表明GS9不管單獨還是與其他粒型基因結合，都是育種的良好材料[38]。Song等發(fā)現(xiàn)，含有GW2基因的豐矮占1號其粒寬、粒厚和千粒質量都分別顯著提高26.2%、10.5%、49.8%，而外觀及食用品質均未改變[16]。

5 結論與展望

水稻粒型調控涉及很復雜的遺傳網(wǎng)絡，根據(jù)目前研究已經鑒定出的通路包括植物激素、泛素-蛋白酶體通路、G蛋白信號通路、MAPK信號通路及轉錄因子調控等，再加上各個控制粒型基因間的相互作用共同構成了籽粒大小的調控網(wǎng)絡，但各個通路之間互作關系有待更深入研究。基因克隆是研究粒型大小調控網(wǎng)絡的基礎，今后仍需要盡可能多地克隆出粒型相關基因，與傳統(tǒng)的圖位克隆相比，近年新的技術方法：基因組編輯技術（CRISPR/Cas9）、GWAS等可以更高效便捷地鑒定出更多粒型調控相關基因，同時有助于了解并完善粒型調控網(wǎng)絡。

CRISPR/Cas9等基因組編輯工具給水稻分子設計育種及品種改良帶來了革命性的巨變，其在相同的遺傳背景中快速高效地創(chuàng)制功能缺失型突變體[91]的特點使得水稻分子育種的研究及應用前途光明。最近開發(fā)的新型基因編輯工具PE（Primer Editors），實現(xiàn)了從C-T/G-A的簡單轉換到12種單堿基的轉換以及多堿基的精準插入與刪除[92-93]，這些都將有助于完善調控水稻粒型大小的遺傳網(wǎng)絡[94]。此外由于基因編輯過程涉及轉基因，因此在應用時需要通過所選材料的背景，親本與陽性株進行回交去除轉基因成分;其次基因編輯導致的突變和脫靶現(xiàn)象，會使等位基因在不同遺傳背景下突變表型不完全一樣，因此可以在特定遺傳背景下利用等位基因突變來提高產量。

GWAS雖然在全基因組范圍內可以通過自然群體或構建的人工群體快速高效地查找并篩選出與目標性狀相關聯(lián)的SNP、InDel等變異位點[95-98]，但在涉及 QTL 的克隆時仍需與圖位克隆二者相結合才能確定候選基因。基于二代測序的BSA法（bulk segregant analysis）是通過在群體中挑選目標性狀極端的個體，構建DNA混池進行全基因組重測序及差異分析，快速實現(xiàn)對單一性狀的初定位[99]。

目前一些已經克隆的基因如GW2、GW5、GS5、GW8等在生產應用時仍然要先通過田間生產試驗及在不同遺傳背景下試驗才能進一步明確其育種利用價值。目前許多被鑒定克隆出的基因不能直接通過分子設計育種用于改良已有品種，對提高水稻產量和稻米品質的作用并不大，因此在鑒定新功能基因的同時可以用老基因講出新故事，將研究工作落實到實際生產應用中;相對于粒長、粒寬的研究已經定位并克隆了多基因，但是關于水稻粒厚方面的研究報道仍然比較少，粒厚基因的遺傳研究仍有待進一步加強[100]。

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