饒玉春, 胡 娟, 金哲倫, 胡錦春, 鄧琳杰, 周 純, 葉 珺
(浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)
糧食是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ),糧食的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)是社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的先決條件[1].水稻(Oryzasativa. L)是中國的主要糧食作物,自從20世紀(jì)60年代半矮桿利用和70年代雜種優(yōu)勢利用使我國水稻單產(chǎn)發(fā)生了2次革命性飛躍以后,在相當(dāng)長的時間里,水稻產(chǎn)量的提高出現(xiàn)了瓶頸[2].楊守仁[3]于1996年提出了株型育種與雜種優(yōu)勢利用相結(jié)合的超級稻育種技術(shù)路線,近20年的實(shí)踐證明,該作物育種方式進(jìn)一步提升了水稻單產(chǎn),已成為目前不斷挖掘水稻增產(chǎn)潛力,突破產(chǎn)量瓶頸的共識策略.近年來,隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)的不斷發(fā)展,新的技術(shù)手段和方法層出不窮,與產(chǎn)量等優(yōu)異性狀相關(guān)的基因不斷地被挖掘、克隆與分析,并應(yīng)用于具體的育種實(shí)踐中,展現(xiàn)出了巨大的增產(chǎn)潛力.
良好的個體株型是水稻高產(chǎn)的必備條件.水稻葉片作為光合作用的主要場所,對水稻的產(chǎn)量起著決定性作用.株型育種的核心思想之一就是盡可能地提高作物的葉面積指數(shù),提高群體的光合效率和物質(zhì)生產(chǎn)能力[4].目前,對于優(yōu)良葉形性狀相關(guān)的遺傳和分子機(jī)理探索更是國內(nèi)外株型育種研究的熱點(diǎn).因此,不斷地挖掘與分析水稻葉形調(diào)控基因,并通過分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)手段,將其運(yùn)用到作物育種研究中,具有十分重要的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價值[5].這里主要從水稻葉長、葉寬、葉面積及葉片卷曲度等4個方面綜述水稻葉形調(diào)控基因和數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait locus,QTLs)的研究進(jìn)展,對已經(jīng)克隆的葉形基因和QTLs的功能進(jìn)行了梳理和總結(jié),并對其研究前景作出了展望,以期為挖掘水稻葉形控制基因和理想株型育種提供參考,進(jìn)一步提高我國水稻的產(chǎn)量.
葉片是水稻最重要的器官之一,葉形性狀關(guān)系到水稻的各項(xiàng)生理功能和最終產(chǎn)量.近年來,水稻葉形生理生化調(diào)控機(jī)制相關(guān)研究保持著較高的熱度,同時也為水稻理想株型育種研究提供新的思路與參考.以下較為簡略地綜述了水稻葉形的分類,葉形對水稻各項(xiàng)生理功能的影響及水稻葉形育種研究進(jìn)展與趨勢,以表明葉形研究的意義與價值.
水稻葉片形態(tài)包括葉長、葉寬、葉面積、葉周長、葉厚、葉片卷曲度、葉傾角等性狀[6-10].不同葉形性狀的調(diào)控基因共同參與到水稻葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)建成和生理功能的發(fā)揮,并且不同的葉形性狀在生理形態(tài)表現(xiàn)和遺傳基礎(chǔ)上也存在一定的關(guān)聯(lián)性,如葉片窄而短的一般表現(xiàn)為直立葉,寬且長的則多為披垂葉,葉片卷曲有利于葉片的直立等[11-12].
葉形的改變會影響到水稻的光合作用、蒸騰作用和抗逆性等多項(xiàng)生理功能,極大地影響到水稻的生長與產(chǎn)量[12].比如葉片主維管束(中脈)的發(fā)育情況直接影響到葉片的直立性和披垂度[13].葉片的挺拔度可以通過適當(dāng)改良葉片寬度等性狀而得到改善,進(jìn)而調(diào)整整個植株的受光狀態(tài),有效增加葉面積指數(shù),進(jìn)一步挖掘出水稻的產(chǎn)量潛力.
1.2.1 葉形對水稻光合速率的影響
水稻葉片的光合作用受到多種葉形性狀共同影響.從光合有效輻射傳輸角度看,葉片卷曲會減小冠層上部的遮光葉面積,進(jìn)而改善中、下部冠層的受光條件.從整個冠層結(jié)構(gòu)來看,葉傾角和葉片卷曲度會使冠層的葉面積密度發(fā)生改變[14].葉片的適度卷曲能夠有效保證葉片的直立性,改善葉片的受光狀態(tài),增強(qiáng)光合,延遲葉片衰老,有效解決葉長過長導(dǎo)致披垂度增加的問題.直立葉片兩面受光,透光率較披垂葉高,有效提升了葉面積指數(shù),利于產(chǎn)量的增加.
松島省三等[15]提出的“理想稻”株型育種中便指出上部三葉要短、厚、直立,并通過研究發(fā)現(xiàn)直立葉群體比彎曲群體的光合效能要多出11%~17%.郎有忠等[16]對卷葉的研究得出,卷葉的群體光合速率在適宜的高密度條件時大大超出展葉.孫虎聲[17]的研究得出,卷葉的氣孔導(dǎo)度與胞間CO2濃度均大于展葉,卷葉的光合作用速率大于展葉.角田重三郎[18]曾證明,厚葉品種中含有更多的葉肉細(xì)胞和 RUBP 羧化酶,其光合強(qiáng)度明顯地高于薄葉品種.
1.2.2 葉形對水稻蒸騰速率的影響
葉形性狀對蒸騰作用的影響相關(guān)研究相對較少.孫虎聲[17]的研究表明,在齊穗前,卷葉與展葉的葉片蒸騰速率沒有顯著差異,但在齊穗后,卷葉的蒸騰速率一般都比展葉大.其原因可能是,齊穗后的水稻卷葉品種葉片的生理活動比展葉強(qiáng),蒸騰速率相應(yīng)偏高,且卷葉可能使其蒸騰作用對外界環(huán)境條件變化更敏感.通過蒸騰速率對光強(qiáng)的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)光強(qiáng)較小時,展葉的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均小于卷葉;當(dāng)光強(qiáng)較大時,展葉氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率則超過卷葉,且隨光強(qiáng)上升的速率也比卷葉快.
1.2.3 葉形對水稻抗逆性的影響
水稻葉形性狀中,葉片厚度對抗風(fēng)性有一定影響,葉片較厚,其韌性較強(qiáng),因而葉片厚度適當(dāng)?shù)娜~片具有比薄葉片表現(xiàn)為更強(qiáng)的抗風(fēng)性,不易折斷.卷葉水稻品種比展葉品種更耐高溫、更耐旱[18].也有研究提出,卷葉對延緩葉片衰老進(jìn)程、延長葉片功能期,尤其是中下部葉片功能期具有一定的作用.
葉形是株形的重要組成部分,在水稻育種領(lǐng)域,先后有多位育種專家提出了水稻高產(chǎn)理想株型模式,無一例外都提及葉片形態(tài)的選育.Donald[19]于1968年首次提出理想株型育種的概念,隨后水稻理想株型研究日趨深入.袁隆平院士提出的上部三葉(劍葉、倒二葉、倒三葉)要“長、直、窄、凹、厚”,這些葉片形態(tài)特征意味著能夠產(chǎn)生足夠的同化物,是超高產(chǎn)的基礎(chǔ)[20].楊守仁[3]于1996年提出了采用株型育種與雜種優(yōu)勢利用相結(jié)合的超級稻育種技術(shù)路線.株型改良與雜種優(yōu)勢相結(jié)合的作物育種方式經(jīng)過20多年的育種實(shí)踐檢驗(yàn),已充分證明其可行性與正確性.中國的超級雜交水稻育種計(jì)劃目前已進(jìn)入第5期育種攻關(guān),目標(biāo)產(chǎn)量指標(biāo) 16 t/hm2,水稻葉形改良育種正不斷助力于水稻增產(chǎn)潛力挖掘[20].
水稻葉形控制基因的相關(guān)研究對于剖析水稻葉形性狀的分子遺傳機(jī)理具有重要的研究價值,并且通過對葉形控制基因的定位和克隆,應(yīng)用分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)手段,能夠有效聚合有利基因,培育出包含葉形在內(nèi)的眾多優(yōu)良農(nóng)藝性狀的水稻新品種.近年來,水稻葉形控制基因遺傳研究領(lǐng)域已取得了較大的進(jìn)展,因此,接下來較為詳細(xì)地綜述了當(dāng)前水稻葉形控制基因遺傳分析和葉形控制基因/QTLs定位研究進(jìn)展情況,篩選并舉例陳述一些已克隆的葉形性狀控制基因及其功能,以期為將來葉形控制基因挖掘與分析和育種研究提供參考.
已有遺傳研究結(jié)果表明,水稻葉形相關(guān)性狀,如葉長、葉寬、葉面積、葉卷曲度、葉傾角等都顯示為典型的數(shù)量性狀,且易受到生長環(huán)境的影響[21-22].夏仲炎[23]和馬達(dá)鵬等[24]報道了粳稻劍葉長、葉寬和葉面積等性狀是由微效多基因控制的數(shù)量性狀,且具有較高的遺傳力.晏月明等[25]研究了11個秈稻雜種劍葉性狀的遺傳特點(diǎn),認(rèn)為劍葉長、寬和葉面積至少受2對基因控制,其遺傳力為60%~90%.曾建平[22]檢測到控制水稻葉形性狀相關(guān)QTLs位點(diǎn)44個,有7個QTLs的貢獻(xiàn)率大于15%,只有1個QTLs的貢獻(xiàn)率超過20%,因而所研究的性狀都為典型的數(shù)量性狀,由多個微效基因控制.蔡晶[26]分別以日本晴、TN1、II-32B與田間自主發(fā)現(xiàn)的突變體為親本,利用F2代分離群體,分別對劍葉的長、寬性狀進(jìn)行了遺傳分析.結(jié)果表明:在卷葉/日本晴的F2群體中,突變體的卷葉性狀應(yīng)由一個不完全顯性基因控制;在超長劍葉/TN1的F2代群體中,超長劍葉可能是由一個不完全顯性基因控制;通過超寬劍葉突變體分別與日本晴、TN1和II-32B構(gòu)建的F2代群體的遺傳分析表明,該超寬劍葉性狀表現(xiàn)為連續(xù)變異,受多基因控制.
迄今為止,國內(nèi)外的研究者利用各種不同類型的遺傳群體,已實(shí)現(xiàn)較多的葉形性狀QTLs定位及部分基因的克隆.根據(jù)www.Gramene.org網(wǎng)站提供的QTLs定位信息,目前已定位到較多水稻葉形性狀相關(guān)的QTLs,其中葉長112個、葉寬111個、葉面積39個、葉卷曲度39個、葉傾角27個等.
2.2.1 葉長基因及QTLs定位研究進(jìn)展
水稻葉片(倒一葉、倒二葉、倒三葉)長度是受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀.根據(jù)國家水稻數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站 www.ricedata.cn 公布的數(shù)據(jù),目前已成功克隆了控制水稻葉長性狀相關(guān)基因16個,分別位于1,3,4,5,6,9,12號染色體上.Koumoto等[27]通過研究分蘗芽生長受到抑制的水稻單孽突變體moc2,發(fā)現(xiàn)這是由于Tos17逆轉(zhuǎn)座子插入到編碼胞質(zhì)果糖-1,6-二磷酸酶(FBP1)的第4外顯子中,導(dǎo)致移碼而提前產(chǎn)生終止信號.moc2突變體是FBP1功能缺失突變體.在蔗糖合成途經(jīng)中,胞質(zhì)FBP酶活性缺失會導(dǎo)致蔗糖供應(yīng)不足,很可能因此導(dǎo)致moc2突變體分孽芽生長受到抑制,進(jìn)一步導(dǎo)致植株矮化,葉色淡綠,葉片短而窄,穗子小、穗粒數(shù)減少等性狀.Fang等[28]從EMS處理的粳稻品種中花11群體中分離得到了一個水稻莖部發(fā)育提前終止的突變體,命名為mini1.利用分離群體分組分析和圖位克隆方法,Mini1基因最終被精細(xì)定位在9號染色體上48.6 kb的區(qū)間內(nèi).序列分析表明在這個區(qū)域內(nèi)有一個堿基G突變?yōu)锳,導(dǎo)致表達(dá)的氨基酸由甘氨酸(Gly)突變?yōu)樘於彼?Asp).與野生型相比,mini1的莖尖分生組織(SAM)分裂停止,并導(dǎo)致地上部生長停止,而根部沒有明顯變化,葉片和葉鞘變短,葉尖枯萎,突變體在灌漿后一段時間停止生長并死亡.已克隆的Mini1基因與MOC2基因在分子作用機(jī)理上存在共通之處,都是通過抑制分蘗芽或莖尖生長,導(dǎo)致地上部生長停止,都作為控制葉長和葉寬的微效基因,參與到葉片大小形態(tài)建成過程中(見表1).
表1 葉長QTLs定位研究進(jìn)展
2.2.2 葉寬基因及QTLs定位研究進(jìn)展
水稻葉片(倒一葉、倒二葉、倒三葉)寬度也是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀,國內(nèi)外研究者通常將葉長和葉寬同時作為研究對象,因此已定位到的QTLs數(shù)目也與葉長比較接近.根據(jù)國家水稻數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站 www.ricedata.cn 公布的數(shù)據(jù),目前已成功克隆了控制水稻葉寬性狀相關(guān)基因28個,12條染色體上均有分布.Chen等[36]利用粳稻品種D50(窄葉)和秈稻品種HB277(寬葉)構(gòu)建重組自交系,共鑒定到5個控制劍葉寬的QTLs.并將主效QTLsqFLW4精細(xì)定位在 RM17 483-RM17486 之間74.8 kb的區(qū)間內(nèi),該區(qū)間包含窄葉基因NAL1.nal1突變體相比野生型而言,葉片縱脈數(shù)目減少,葉片變窄,葉片長度則沒有差別,而倒3,4,5節(jié)間變短,倒1,2節(jié)間長度沒有差異,整體植株矮小.Li等[37]從T-DNA插入的轉(zhuǎn)基因水稻中分離出一株窄葉突變體nal9.突變體在整個生長時期都表現(xiàn)出窄葉、苗期葉片淺綠色、株高矮化、穗變小及分蘗增加等表型.遺傳分析表明,該突變體表型受單個隱性基因控制,并通過潮霉素抗性實(shí)驗(yàn)表明突變并不是由于T-DNA插入引起.利用圖位克隆的方法分離到了NAL9基因,將NAL9基因初步定位在3號染色體上靠近分子標(biāo)記RM156的位置.同時,基于秈稻和粳稻序列差異,設(shè)計(jì)RM156附近新的INDEL分子標(biāo)記.通過染色體步移的方法,最終將NAL9基因定位在BAC片段OJ1212_C05上的分子標(biāo)記V239B和V239G之間69.3 kb的范圍內(nèi)(見表2).
表2 葉寬QTLs定位研究進(jìn)展
2.2.3 葉面積基因及QTLs定位研究進(jìn)展
水稻葉面積指數(shù)的大小直接影響到水稻的光合作用、蒸騰作用等各項(xiàng)生理活動和最終產(chǎn)量,是理想株型育種的重要指標(biāo)之一.葉片大小包括了葉長、葉寬、葉厚、葉周長和葉面積等性狀[38],但基因具有多效型,大部分調(diào)控葉長、葉寬的基因也影響到葉面積的大小.目前,已在除11號染色體以外的其他染色體上定位到了較多的葉面積QTLs,但有關(guān)葉面積調(diào)控基因的克隆卻鮮有報道.根據(jù)國家水稻信息中心網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù),只有2號染色體上的KRP1基因已被克隆.過量表達(dá)KRP1基因的轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出葉面積稍微變小,葉片稍微變短,葉表面細(xì)胞數(shù)減少但細(xì)胞變大,飽滿種子少,種子產(chǎn)量降低等性狀.表型分析表明,KRP1過表達(dá)的植株其發(fā)育的葉片中細(xì)胞分裂減少,但被細(xì)胞增大得以部分補(bǔ)償[39],具體見表3.
表3 葉面積QTLs定位研究進(jìn)展
2.2.4 葉卷曲度基因及QTLs定位研究進(jìn)展
水稻葉片的卷曲可分為內(nèi)卷和外卷.卷葉的形成需要經(jīng)過葉片模式建成、葉片極性建立及細(xì)胞特化等環(huán)節(jié)[41].卷葉發(fā)生的機(jī)制主要有2種:特化細(xì)胞的變異導(dǎo)致卷葉或者葉片泡狀細(xì)胞的改變引起葉片卷曲[38].例如,Zhang等[42]報道的SLL1突變體部分出現(xiàn)泡狀細(xì)胞異常,并且SLL1基因可通過調(diào)控葉片遠(yuǎn)軸面厚壁組織細(xì)胞的程序性死亡從而調(diào)控葉片卷曲.又如CFL1基因在葉片特化表皮細(xì)胞處過表達(dá),可使葉片角質(zhì)層受損從而導(dǎo)致卷葉[43].
目前已克隆的水稻卷葉相關(guān)基因已有23個,除5號染色體以外,其他染色體上均有克隆到的基因(www.ricedata.cn).徐靜[44]篩選獲得一株水稻卷葉突變體erl1,從苗期到成熟期都穩(wěn)定表現(xiàn)出葉色加深、葉片極度內(nèi)卷,株型矮小等性狀.通過與秈稻品種TN1,ZF802,NJ06配制雜交組合,F(xiàn)1葉片全部為半卷葉,F(xiàn)2呈現(xiàn)“極卷葉∶半卷葉∶平展葉=1∶2∶1”的分離比,因而推斷該卷葉性狀為半顯性單基因控制的質(zhì)量性狀.借助于圖位克隆的手段,將ERL1基因定位于水稻第12染色體上51 kb的物理區(qū)間內(nèi).Hibara等[45]通過分離水稻adl1內(nèi)卷葉突變體,發(fā)現(xiàn)ADL1基因編碼一個半胱氨酸蛋白酶,通過促進(jìn)恰當(dāng)?shù)谋砥ぐl(fā)育,在葉片和胚胎模式形成中發(fā)揮重要作用,并在整個胚胎、維管系統(tǒng)、葉原基、葉邊緣和SAM中等組織中都有較強(qiáng)表達(dá),具體見表4.
表4 葉卷曲度QTLs定位研究進(jìn)展
水稻是我國主要的糧食作物,隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展,人口、環(huán)境壓力與日俱增,為了保障糧食安全,確保我國水稻的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn),唯有提高水稻的單產(chǎn).葉片是水稻最主要的光合器官,且與蒸騰作用和抗逆性等生理功能密切相關(guān),是水稻產(chǎn)量提升的關(guān)鍵要素.
從水稻葉形及其調(diào)控基因角度入手改良水稻的葉形、株型,利用分子標(biāo)記聚合水稻優(yōu)質(zhì)葉形、生理活性相關(guān)的有利基因,結(jié)合目前日益發(fā)展的分子生物學(xué)研究手段,精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和改良水稻新品種,將株型改良與雜種優(yōu)勢相結(jié)合,培育出新的性狀優(yōu)異、產(chǎn)量提升明顯的水稻新品種,應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐,這是當(dāng)前最有效的促進(jìn)水稻產(chǎn)量提升的方法之一.Sakamoto等[50]研究發(fā)現(xiàn),利用對油菜素內(nèi)酯(BR)不敏感或與BR信號傳導(dǎo)有關(guān)的葉片直立的矮稈突變體,可以大大提高種植密度,提高生物產(chǎn)量,其生物產(chǎn)量可比野生型增加50%.Chen等[51]培育出的高耐鹽性“海水稻”——海稻86(SR 86)通過全基因組測序與比較轉(zhuǎn)錄組分析,發(fā)現(xiàn)SR 86是一個相對古老的秈亞種,擁有42 359個獨(dú)有的高影響變異,并存在大量鹽誘導(dǎo)基因,這對于水稻耐鹽基因的挖掘與分析,以及更優(yōu)異的耐鹽性水稻育種研究具有十分重大的研究價值.但在利用分子標(biāo)記輔助選擇的方法改良現(xiàn)有的優(yōu)異親本,將良好葉形基因?qū)氲絻?yōu)異親本的過程中,須克服導(dǎo)入與優(yōu)異葉形控制基因連鎖或者不連鎖的其他不利基因的問題,這樣才能夠行之有效地塑造理想葉形,提高水稻單產(chǎn).
水稻葉形相關(guān)性狀大多是由多個微效基因控制的數(shù)量性狀,目前已挖掘、定位和克隆所得的主效QTLs和葉形控制基因相對較少.并且基因具有多效型,同一個基因往往影響多種葉形的相關(guān)性狀,如LPA1基因是目前已克隆在3號染色體上的一個調(diào)控分蘗角度和葉角的基因,同時也參與調(diào)控水稻節(jié)間寬度與厚度,莖細(xì)胞壁的厚度,谷粒和葉片的長、寬及葉面積等性狀[50].QTLs定位易受遺傳背景和環(huán)境的影響[29],因此有必要在不同環(huán)境條件下挖掘不同群體的QTLs.目前對于水稻葉形控制基因和QTLs的相關(guān)研究已取得了較大程度的進(jìn)展,在不同環(huán)境和群體中都能檢測到的QTLs表明了它們的穩(wěn)定表達(dá),而另一些QTLs則只有在某些環(huán)境下或群體中才能被檢測到.另一方面,由于所使用的遺傳群體和親本材料遺傳背景的差異性,以及基因組覆蓋面、標(biāo)記疏密程度和具體標(biāo)記類型等方面的不同,QTLs定位結(jié)果往往難以直接比較,不利于進(jìn)一步開展QTLs的精細(xì)定位和基因克隆.
目前葉形各性狀,各種多效基因之間組合而成的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的剖析及相關(guān)分子遺傳機(jī)理研究相對較少.因此,葉形相關(guān)性狀的QTLs定位和基因克隆研究仍需更進(jìn)一步地深入挖掘與分析,借助于日益發(fā)展的分子生物學(xué)與基因組學(xué)的研究手段與方法,有望實(shí)現(xiàn)新的突破.