董明輝，江 貽，陳培峰，趙步洪，顧俊榮

（1江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇蘇州 215155；2揚州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點，江蘇揚州 225009）

0 引言

中國是世界上稻米需求量最大的國家，但人多地少、農(nóng)業(yè)資源短缺對水稻生產(chǎn)的影響日益加重?！秶胰丝诎l(fā)展規(guī)劃(2016—2030)》預(yù)測到2030 年中國人口將達(dá)到14.5億的峰值，要保證糧食安全，必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上使總產(chǎn)和單產(chǎn)得到大幅度的提升[1-3]。從近50 年中國水稻發(fā)展?fàn)顩r分析，穗粒數(shù)成為主導(dǎo)單產(chǎn)大幅提高的首要因子[4-6]。尤其近年來一些大穗型超級稻作為高產(chǎn)或超高產(chǎn)創(chuàng)建的優(yōu)選品種，因其穎花多，庫容大，增產(chǎn)潛力大的特性應(yīng)用面積不斷擴大。但該類型品種產(chǎn)量在年度間的變幅較大，主要表現(xiàn)在枝梗與穎花易退化，穗粒數(shù)和結(jié)實率不穩(wěn)定，增產(chǎn)潛力發(fā)揮效果不佳。研究已證實穎花分化、退化不僅受遺傳控制，同時也易受環(huán)境生態(tài)和栽培條件的調(diào)控。通過近幾年研究發(fā)現(xiàn)大穗型水稻在不同栽培環(huán)境條件下穎花分化、退化差異較大，同一稻穗下部二次枝梗穎花的分化、退化極不穩(wěn)定，穎花量忽高忽低[7,13-14]。水稻穎花形成受穗分化期植株體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)含量以及C/N 比值的調(diào)控，抽穗前15 天-抽穗期較高的NSC 含量有利于穎花分化，減少退化，而抽穗前20天-抽穗前25 天則表現(xiàn)相反的結(jié)論。NSC 糖信號與激素之間的相互作用及對作物器官（包括穗）建成的重要性已有共識，通過小麥、玉米幼穗形成及擬南芥種子萌發(fā)、幼苗發(fā)育等過程的植物糖與激素響應(yīng)途徑研究表明，植物糖信號傳導(dǎo)途徑是植物復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)中的一部分，與多種激素信號間存在密切的相互作用，在穗分化期直接影響植物的生長發(fā)育進(jìn)程，與最終穎花的形成密切相關(guān)。但目前NSC 的調(diào)控作用或與激素共同調(diào)控水稻穎花的形成及其機理研究還不夠深入，多為推斷或假設(shè)，調(diào)控途徑仍不清晰。因此，深入研究水稻穗分化發(fā)育階段非結(jié)構(gòu)性碳水化合物糖信號-激素及激素間的平衡-相關(guān)蛋白酶表達(dá)-穎花形成之間的內(nèi)在聯(lián)系，闡明大穗型水稻二次穎花易退化、穗粒數(shù)不穩(wěn)定的糖與激素調(diào)節(jié)機理，對于構(gòu)建適宜穎花量為目標(biāo)的高產(chǎn)栽培技術(shù)途徑，指導(dǎo)水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)育種與栽培，具有重要意義。

1 水稻穎花形成的特點

研究表明在品種演替進(jìn)程中，特別是生產(chǎn)上推廣應(yīng)用超級稻品種以來，水稻穗型不斷擴大[5,12]。對近20年來生產(chǎn)上應(yīng)用品種一、二次枝梗數(shù)和一二次枝梗的穗粒數(shù)變異系數(shù)分析，二次枝梗數(shù)、總枝梗數(shù)、二次枝梗粒數(shù)等性狀在不同品種間的差異較大，具有較豐富的變異，是影響最終穗粒數(shù)的主要因素[5]。也有研究通過對不同穗型（中等穗型、偏大穗型、大穗型）穗粒結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為每穗粒數(shù)的提高由中等穗型到偏大穗型，主要依靠一次枝梗的貢獻(xiàn)，而由偏大穗型到大穗型以及特大穗型和超大穗型，則主要依靠二次枝梗的貢獻(xiàn)[12]。這種差異可能與品種類型有關(guān)，不同秈、粳稻或秈粳雜交稻其穗粒結(jié)構(gòu)特征存在一定的差異。水稻最終穗粒數(shù)的形成是由每穗總穎花數(shù)和結(jié)實率決定的，形成過程貫穿于穗分化期至齊穗期約40～45天。每穗穎花數(shù)是決定穗粒數(shù)的基礎(chǔ)，但其多少決定于穗分化期的生長發(fā)育情況，歷時25 天左右，其中第一苞分化期（約抽穗前30天）為穎花增殖期，之后至花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂末期（約抽穗前5 天）為穎花減退期，減數(shù)分裂期是穎花數(shù)受影響最強的時期[16]。研究認(rèn)為穗粒數(shù)的多少主要由一次枝梗分化數(shù)和二次穎花退化數(shù)決定，其中一次枝梗分化數(shù)的多少直接影響每穗穎花分化數(shù)的數(shù)量，二次穎花易退化是穗粒數(shù)減少的主要原因[17-19]。

2 幼穗分化發(fā)育與同化物代謝的關(guān)系

關(guān)于小花的分化、退化，研究認(rèn)為與穗分化期植株體內(nèi)氮素水平以及碳氮代謝平衡性、幼穗生理活性等諸因素有關(guān)，水稻從營養(yǎng)生長到生殖生長轉(zhuǎn)變不僅需要積累必需的氮素營養(yǎng)，還需要有利于水稻生殖生長的碳水化合物為幼穗分化和發(fā)育提供能量物質(zhì)[20]。Toshiyuki[21]，Horie[22]等認(rèn)為，水稻在穗分化期內(nèi)莖葉干物質(zhì)積累速度快有利于形成更多的穎花，對最終產(chǎn)量的形成起關(guān)鍵作用，主要原因是這段時期生長速率更強的個體能積累更多的NSC，而NSC 對于穗粒數(shù)、千粒重都有重要作用。潘慶民等指出[23]，穗分化期單莖干重與單莖穎花分化數(shù)呈正相關(guān)，說明干物質(zhì)積累多有利于穎花分化，水稻幼穗分化、發(fā)育與同期同化物的代謝狀況密切相關(guān)。超級稻或雜交稻群體生長量大，單位面積穎花量大的特點，生產(chǎn)上存在的穎花易退化、結(jié)實不穩(wěn)定是否與莖葉與穗同時對同化物競爭而導(dǎo)致單位穎花同化物少有關(guān)，目前還未知；穗分化發(fā)育階段，NSC的代謝及對小花分化、退化、小花育性及最終穎花數(shù)形成的作用機理值得系統(tǒng)、深入探究。

碳水化合物按其在植株內(nèi)的存在形式可分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)兩種，前者主要用于植物體的形態(tài)建成，后者（如淀粉、蔗糖、葡萄糖等）則參與植株代謝過程和產(chǎn)量形成[23-24]，近年來相關(guān)研究表明[13-15,25-26]，枝梗及穎花分化及退化亦與穗分化期NSC的濃度和含量關(guān)系密切，陳培峰等[14]研究認(rèn)為抽穗前12 天至抽穗期莖鞘積累較高的NSC 不利于枝梗和穎花的形成，抽穗前16天至抽穗前8天幼穗積累較高的NSC 對穗粒數(shù)形成起重要作用。NSC 與穗粒數(shù)的形成有非常密切的關(guān)系，但其在穗分化不同時期扮演什么樣的調(diào)控角色仍不清晰。

3 幼穗發(fā)育與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的關(guān)系

傳統(tǒng)認(rèn)識認(rèn)為糖在植物體內(nèi)的活性濃度較高，是植物生產(chǎn)發(fā)育過程中的能量來源和結(jié)構(gòu)物質(zhì)，不是一種信號物質(zhì)。但在擬南芥等植物上的研究表明，糖可以作為信號傳導(dǎo)中的初級信使，影響植物的生長發(fā)育和基因表達(dá)，具有類似激素的作用[27-29]，在植物的生長發(fā)育等許多過程中起調(diào)控作用[28,30]。蔗糖作為碳水化合物運輸?shù)闹饕问?，是用來研究調(diào)控植物生長發(fā)育和基因表達(dá)的主要糖組分[31]。但又有研究發(fā)現(xiàn)己糖（果糖和葡萄糖）可能替代蔗糖的這種作用，BORISJUK[32]研究報道，在早期豌豆種子發(fā)育中高水平的細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶活性提高了己糖的水平，促進(jìn)細(xì)胞分裂使胚快速生長；在擬南芥子葉發(fā)育過程中葡萄糖濃度與細(xì)胞分裂的活性相關(guān)，葡萄糖作為發(fā)育激發(fā)因子對細(xì)胞周期蛋白D 基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)[33]，上述研究說明植物己糖與細(xì)胞分裂和器官的分化發(fā)育關(guān)系密切，筆者通過試驗證實孕穗初期噴施一定濃度葡萄糖可促進(jìn)枝梗和穎花分化（圖1），因此稻穗穎花的分化發(fā)育、退化與己糖的內(nèi)在關(guān)聯(lián)值得研究。

Wagner 等[34]研究麥類果聚糖代謝指出，果聚糖是麥類作物營養(yǎng)器官的主要貯藏性碳水化臺物，在幼穗分化階段果聚糖呈現(xiàn)先積累后消費的特點，Hendrix[35]研究得出開花前穗果聚糖的積累量和消費量與幼穗的形成均有密切的相關(guān)性，認(rèn)為穗果聚糖代謝具有重要的生理意義。王志敏等[36]研究表明小麥開花前約8天內(nèi)，穗中還原糖濃度較高，且此期還原糖濃度與最終穎花數(shù)也有密切相關(guān)性，認(rèn)為此期小花發(fā)育對穗中還原糖水平有明顯的依賴性，此期穗還原糖主要來自于果聚糖的水解和蔗糖的降解。進(jìn)一步研究穗中糖代謝酶活性表明，開花前8天酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性均較高，在于此階段穗中果聚糖合成酶(SST)活性已下降，而蔗糖合成酶(SS)活性又很低，認(rèn)為轉(zhuǎn)化酶催化的蔗糖降解作用對于維持此階段穗庫強度并為小花發(fā)育提供還原糖基質(zhì)具有重要作用[19]。Halford 等[37-38]研究證實，己糖激酶和SNF1-相關(guān)蛋白激酶(sucrose non.fermenting-1-related protein kinase)參與植物糖感知和糖信號傳導(dǎo)。上述研究主要來自于小麥、豌豆、擬南芥等高等植物的研究結(jié)果，水稻幼穗中糖代謝及有關(guān)蛋白酶的表達(dá)仍未見報道。最近陳培峰等[14]研究表明水稻抽穗前8天幼穗較高的NSC積累量是水稻大穗形成基礎(chǔ)，與王志敏等[36]研究小麥開花前約8天內(nèi)，穗中還原糖濃度較高有利于穎花數(shù)形成結(jié)論較為相似，筆者前期通過抽穗前噴施一定濃度的葡萄糖和己糖（果糖和蔗糖）試驗均能有效減少了退化，且越接近抽穗退化越少（圖2）。但這些可溶性糖是作為水稻幼穗發(fā)育的代謝同化物，亦或調(diào)節(jié)物質(zhì)其作用機理尚不完全清楚。

4 糖信號與激素信號的相互關(guān)系及其對幼穗發(fā)育的調(diào)節(jié)

植物糖信號傳導(dǎo)途徑是植物復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)中的一部分，與多種激素信號間存在密切的相互作用，影響植物的生長發(fā)育[39-41]，任何器官的發(fā)育都依賴于植株體內(nèi)各種內(nèi)源激素的均衡及其與同化物間的協(xié)同作用[42]。多數(shù)研究證實了赤霉素(GA)、生長素(IAA)、細(xì)胞分裂素(CTK)、脫落酸(ABA)和乙稀等五大類激素參與了稻穗穎花的形成調(diào)控。ABA、乙烯一般作為抑制性激素，在小麥上研究發(fā)現(xiàn)花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂期增加ABA含量降低花粉育性和穎花數(shù)[43]；乙稀一般在植物組織都能產(chǎn)生，但產(chǎn)生量通常很少，在許多植物中，乙烯似乎是促進(jìn)花芽退化的主要因子[41]，楊建昌等[44]指出內(nèi)源ABA 和乙烯的相互拮抗作用調(diào)控穎花的育性。關(guān)于糖信號與激素間的關(guān)系，研究證實ABA有促進(jìn)葡萄糖響應(yīng)的作用[45]，但在高濃度葡萄糖脅迫下內(nèi)源ABA水平較高，導(dǎo)致擬南芥幼苗發(fā)育停止[46-47]，說明ABA 與葡萄糖之間存在相互作用的關(guān)系。Zhou[48]研究發(fā)現(xiàn)通過外加乙烯合成前體ACC，可以誘導(dǎo)高濃度葡萄糖脅迫下擬南芥子葉和新梢的重新發(fā)育，表明葡萄糖與內(nèi)源激素聯(lián)系密切。Cheng等[47]在低濃度(2%)條件下，葡萄糖通過己糖激酶調(diào)節(jié)ABA合成與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，使葡萄糖與乙烯之間產(chǎn)生相互拮抗作用，因此認(rèn)為己糖激酶是糖與激素聯(lián)系的一個關(guān)鍵元件，但具體的調(diào)控路徑還需深入研究。通常CTK、IAA 和GA 作為促進(jìn)性激素，在穗分化期不斷變化，表現(xiàn)為先下降后升高的趨勢，在穗分化始期最高[49-50]。多數(shù)研究表明了幼穗發(fā)育與這3 種激素關(guān)系密切，王夏雯等[49]研究指出穎花分化與IAA 與CTK 的比例關(guān)系有關(guān)，但CTK 的含量水平起主導(dǎo)作用；穗分化期不同階段GA 與ABA含量及其配比與穗分化的關(guān)系有所差異[50]，兩激素間有一定的拮抗關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)，糖信號還與GA、IAA和CTK 信號有關(guān)。葡萄糖抑制了GA誘導(dǎo)的大麥胚中α-淀粉酶基因的表達(dá)，但這種抑制作用與GA 的生物合成無關(guān)，與糖信號和GA 信號的傳導(dǎo)有關(guān)[51]。IAA 對蔗糖誘導(dǎo)的營養(yǎng)儲藏蛋白(VSP)基因在大豆中的表達(dá)具有拮抗作用[52]，另有報道擬南芥葡萄糖不敏感突變體gin2 對IAA 不敏感，但對CTK 高度敏感[53]。Rokove[54]在開花前用CTK物質(zhì)處理刺激14C蔗糖向麥穗的轉(zhuǎn)運，從而增加了最終穎花數(shù)，認(rèn)為機理可能在于CTK 類物質(zhì)處理可部分抵消ABA 對蔗糖運轉(zhuǎn)和籽粒形成的抑制作用，但CTK與葡萄糖信號之間則存在拮抗關(guān)系[55]。說明激素與可溶性糖類之間的相互作用因不同糖組分和發(fā)育階段不同而異，但至今這方面的系統(tǒng)性深入研究還不夠，NSC的調(diào)控作用或與激素共同調(diào)控穎花的形成機理多為推斷或假設(shè)，對水稻糖信號物質(zhì)（NSC中可溶性糖）-植物激素-蛋白的表達(dá)和代謝酶活性-穎花形成之間的關(guān)系，知之甚少。因此，通過研究揭示糖與激素信號之間的聯(lián)系以及它們對水稻幼穗的分化發(fā)育存在何種協(xié)同調(diào)控關(guān)系，對研究稻穗生長發(fā)育的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、并從信號水平上認(rèn)知水稻有效穗粒數(shù)的形成有很重要的意義。

5 問題與展望

綜上所述，NSC糖信號與激素之間的相互作用及對作物器官（包括穗）建成的重要性已有共識，但關(guān)于植物糖與激素響應(yīng)途徑之間聯(lián)系的信息大多是通過小麥、玉米幼穗形成及擬南芥種子萌發(fā)、幼苗發(fā)育等過程獲得的，作為第一大糧食作物的水稻幼穗分化發(fā)育及穎花形成過程中NSC作用機理認(rèn)識較為缺乏，值得深入研究。目前研究已經(jīng)認(rèn)識到大穗型水稻穎花庫容量大，二次穎花易退化，小花育性不佳、結(jié)實穩(wěn)定性差等問題，但其深層次的內(nèi)在機理依舊不是十分清晰。從如下幾個層面進(jìn)行深層次剖析可為探清上述難點和問題提供科學(xué)的技術(shù)路徑：一是大穗型水稻非結(jié)構(gòu)性碳水化合物代謝特征及穗分化發(fā)育階段各可溶性糖組分的積累與分解規(guī)律，其與穎花形成（分化、退化）的相關(guān)性進(jìn)一步加以驗證；二是幼穗分化發(fā)育與結(jié)實過程中，內(nèi)源激素的含量與各激素間的比值，相關(guān)代謝蛋白如何表達(dá)？三是非結(jié)構(gòu)性碳水化合物糖信號-激素及激素間的平衡-相關(guān)蛋白酶表達(dá)-穎花形成之間的內(nèi)在聯(lián)系是什么？四是可借助剪葉減源、外源調(diào)控等措施對非結(jié)構(gòu)性碳水化合物、幼穗生理與穎花形成的影響效應(yīng)與機理研究，提出促進(jìn)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物代謝和最終穎花數(shù)形成的技術(shù)途徑。闡釋好上述問題，對于揭示大穗型水稻幼穗分化、發(fā)育特性，進(jìn)一步解釋大穗型水稻二次穎花易退化、穗粒數(shù)不穩(wěn)定的糖與激素調(diào)節(jié)機理，提出以構(gòu)建適宜穎花量為目標(biāo)的高產(chǎn)栽培技術(shù)途徑，指導(dǎo)水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)育種與栽培，均有重要的科學(xué)意義和實踐意義。