崔元江 郭龍彪

（中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，杭州 310006；*通訊作者：guolongbiao@caas.cn）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，水稻是保障我國糧食安全和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主糧作物。新中國成立以來，兩次重要的水稻遺傳育種突破，即20 世紀50年代開始的矮化育種和70年代雜交水稻育種，使我國水稻產(chǎn)量發(fā)生了質(zhì)的飛躍，同時也掀起了全世界范圍的水稻育種潮流；80年代，得益于現(xiàn)代分子生物技術的發(fā)展，分子標記輔助育種漸漸走進育種家的視野，這讓以“形態(tài)標記”為特征的傳統(tǒng)遺傳育種有了一定的分子追蹤性；90年代，我國啟動了（綠色）超級稻育種。1998年，中國成為參與“國際水稻基因組測序計劃”的國家之一；2002年，完成水稻全基因組工作框架圖。21 世紀初，我國啟動了水稻功能基因組學研究，深度挖掘控制優(yōu)良性狀的基因，為我國水稻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展增添了寶貴的基因資源。

21 世紀以來，水稻分子生物學在我國開始崛起，尤其是在逆境生物學、水稻組學、優(yōu)良性狀基因克隆以及分子調(diào)控網(wǎng)絡方面取得了矚目的成就。統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明，2003年以來，中國學者在國際頂尖期刊《Nature》《Science》《Cell》上發(fā)表水稻科學領域論文22 篇，在《Nature Genetics》期刊上發(fā)表30余篇，在《Plant Cell》期刊上發(fā)表130余篇。本文歸納了2003年以來中國學者在水稻分子生物學領域取得的重要研究成果，并就未來我國水稻生物學發(fā)展的趨勢進行展望。

1 我國在水稻生物學領域的研究成果

1.1 農(nóng)藝性狀的遺傳調(diào)控

株型是一個決定產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀。2003年，LI與QIAN等[1]合作克隆了首個水稻分蘗基因MOC1，編碼GRAS蛋白調(diào)控單稈表型。這是我國水稻功能基因組學發(fā)展的一個里程碑。相繼克隆的理想株型基因IPA1，轉(zhuǎn)錄因子OsSPL14，通過miR156 調(diào)控少蘗、壯稈和增產(chǎn)[2]。qWS8/ipa1-2D等位基因通過結構變異降低甲基化水平和劑量效應調(diào)控理想株型[3]。D53 是植物激素獨腳金內(nèi)酯信號通路的負調(diào)控因子[4-5]；還與IPA1互作抑制表達。2008年，JIANG和ZHOU等[6-7]分別克隆了控制野生稻匍匐生長基因PROG1，首次闡明了直立株型馴化的分子機理。另外，miR156/miR529/SPL和miR172/AP2 通路控制分蘗和稻穗分枝[8]。miR396d 抑制赤霉素（GA）和促進油菜素內(nèi)脂（BR）調(diào)控株高和葉夾角。FUWA 編碼NHL 結構域蛋白，負調(diào)控莖稈和稻穗發(fā)育[9]。OsALMT7 影響蘋果酸的轉(zhuǎn)運和幼穗發(fā)育[10]。TUT1 能體外激活肌動蛋白調(diào)控穗發(fā)育[11]。OsARFs、OsBZR1 這兩個轉(zhuǎn)錄抑制子抑制FZP 表達，延長穗分枝期，提高水稻穎花數(shù)和產(chǎn)量[12-13]。OSA1 能促進根部的銨吸收和同化，過表達OSA1可以使氮利用效率和谷物產(chǎn)量增加[14]。GSN1-MAPK 模塊通過激素調(diào)控細胞增殖來整合籽粒大小和籽粒數(shù)之間的平衡[15]。LF1 突變導致OSH1 異位表達，形成側生小花[16]。

在籽粒研究方面，2006年，F(xiàn)AN等[17]克隆了第1個粒長QTL GS3，通過競爭性結合RGB1 來抑制DEP1/GGC2 信號，調(diào)控粒長。GW2 編碼E3 泛素連接酶，調(diào)控粒寬和粒質(zhì)量[18]。GIF1 編碼蔗糖轉(zhuǎn)化酶，調(diào)控籽粒淀粉形成[19]。GS5 編碼絲氨酸羧肽酶，調(diào)控粒寬和粒質(zhì)量[20]。GW8 編碼OsSPL16，調(diào)控粒寬、粒質(zhì)量和產(chǎn)量[21]。BG1過表達增強生長素極性運輸能力，增大籽粒[22]。OsBUL1是另類的bHLH蛋白，與LO9-177/ OsBC1互作形成三聚體，調(diào)節(jié)籽粒與葉傾角大小[23]。GLW7 調(diào)控粒形，與熱帶粳稻谷粒變大相關[24]。GW5與GSK2互作，正調(diào)節(jié)BR 信號通路，進而負調(diào)控籽粒大小與粒質(zhì)量[25]。qTGW3/TGW3/GL3.3 模塊影響細胞大小和數(shù)目，負調(diào)控粒形和粒質(zhì)量[26]。OsSK41編碼類GSK3 激酶，與生長素因子OsARF4互作，負調(diào)控籽粒大小和生長素信號[27-28]。LARGE8與OsMAPK6互作并失去活性，進而影響穎殼細胞增殖，負調(diào)控粒形。Ghd7 是一個能同時調(diào)控株高、穗粒數(shù)和抽穗期的位點，長日照條件下，過表達Ghd7能推遲抽穗、增加穗粒數(shù)和株高[29]。直立穗基因DEP1，促使細胞分裂，降低穗頸節(jié)長度和增多穗粒數(shù)，促進水稻增產(chǎn)[30]。

1.2 逆境生物學

水稻生長容易受到生物和非生物脅迫的影響，面對各類脅迫，水稻會自然進化形成多種抵抗機制。

1.2.1 生物逆境

經(jīng)過長期堅持不懈的探索，我國科學家在水稻新型廣譜抗病及遺傳基礎研究方面取得了新的突破。LI等[31]克隆了一類含有鋅指結構的轉(zhuǎn)錄因子Bsr-d1，通過結合OsDREB1B 啟動子來協(xié)調(diào)H2O2含量進而提高水稻廣譜抗病性；隨后又克隆了雙抗（抗稻瘟病和白葉枯?。╇[性基因bsr-k1，能與多個免疫相關的OsPAL家族成員的mRNA 結合，減少木質(zhì)素的生物合成，增強抗性[32]；進一步研究發(fā)現(xiàn)，IPA1 基因的Ser163 位點被磷酸化，可以增強植株抗稻瘟病的能力，首次詮釋了單個基因的改變能兼顧增產(chǎn)和抗病的平衡機制[33]。DENG等[34]發(fā)現(xiàn)了具有廣譜抗病性的基因Pigm。Pigm 基因座中含有NLR 受體的基因，其中PigmR與PigmS 通過組成1 對功能拮抗的受體蛋白來達到抗病的目的；近日又揭示了一條全新的基礎免疫代謝調(diào)控網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)水稻廣譜抗病NLR 免疫受體如PigmR等通過競爭性抑制毒性蛋白與PICI1互作，進而保護和加強此代謝通路，從而激發(fā)更為強烈的ETI 抗性（?；钥剐裕?，協(xié)同整合植物PTI（基礎抗病性）和ETI 兩層免疫系統(tǒng)，賦予水稻廣譜抗稻瘟病的新機制[35]。

蟲害也嚴重影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量。ZHAO等[36]在褐飛虱抗性基因的研究中取得重大突破，克隆了多個褐飛虱抗性基因。BPH9 編碼一種含NLR 結構域的蛋白，參與排趨性和抗生性作用，賦予水稻對褐飛虱的抗性。BPH14 是第1個在水稻中克隆到的抗蟲基因，可激活茉莉酸信號和水楊酸途徑，通過抗生作用來抵抗褐飛虱的取食[37]。Bph6編碼外囊定位蛋白，調(diào)控水稻細胞的外泌，賦予水稻對飛虱的廣泛抗性[38]。

1.2.2 非生物逆境

鹽脅迫影響水稻生長發(fā)育和產(chǎn)量。2005年，REN等[39]克隆了第1個水稻耐鹽QTL SKC1，編碼1個HKT家族的轉(zhuǎn)運蛋白，參與調(diào)節(jié)水稻地上部K+/Na+的平衡，增加耐鹽性，這已成為水稻復雜數(shù)量性狀遺傳機制研究的范例；另外又克隆了2個耐鹽相關基因OsHAL3和DST。DST 是一個新型鋅指轉(zhuǎn)錄因子，通過與DCA1互作，調(diào)節(jié)保衛(wèi)細胞中活性氧的穩(wěn)態(tài)和氣孔開度，進而負調(diào)控水稻的耐逆性。OsHKT1;1 編碼1個高親和性K+轉(zhuǎn)運蛋白，能調(diào)節(jié)莖中Na+濃度，抑制葉片中Na+毒性，增強抗鹽能力。SNAC1 編碼1個NAC 轉(zhuǎn)錄因子，過量表達提高水稻的耐鹽抗旱性[40]。水稻類受體激酶SIT1，通過MAPK3-MAPK6-乙烯合成途徑調(diào)控鹽脅迫下平衡生長[41]。

溫度的差異對水稻的生長發(fā)育和產(chǎn)量具有重要影響。植物主要通過保護和調(diào)節(jié)兩大類基因來應對各種脅迫壓力。2015年，MA等[42]發(fā)現(xiàn)了調(diào)控耐冷的關鍵基因COLD1，該基因通過與RGA1互作來感知溫度變化，進一步激活Ca2+通道，提高G蛋白的GTP酶活性，最終增強水稻耐冷作用。轉(zhuǎn)錄因子bZIP73 在水稻苗期耐冷過程中起到重要作用，通過與bZIP71 直接互作來調(diào)節(jié)植物中脫落酸的含量和活性氧的穩(wěn)態(tài)，從而提高對低溫耐受能力[43]。耐寒基因qCTB4-1 能有效提高水稻在孕穗期的耐寒性[44]。耐熱基因OgTT1 是首個從非洲栽培稻克隆的數(shù)量性狀基因，該基因通過快速清除細胞內(nèi)的變性蛋白來維持高溫下胞內(nèi)蛋白平衡，起到抗熱作用[45]。耐熱基因TOGR1 編碼1個受溫度控制的解旋酶，酶的活性隨溫度升高變強，參與pre-rRNA 前體加工，對高溫下細胞增殖十分重要，進而調(diào)控水稻的耐熱能力[46]。穗發(fā)育基因EG1 編碼1個有功能的脂肪酶，通過高溫介導的方式發(fā)揮功能，促進花器官的穩(wěn)態(tài)發(fā)育和低于溫度波動。

1.3 水稻育性遺傳調(diào)控

秈、粳稻兩個亞種之間存在生殖隔離，使得它們的雜種育性很低。廣親和種質(zhì)和基因的發(fā)掘有利于解決秈粳雜種不育問題。2008年，CHEN等[47]克隆了控制秈粳雜種育性的關鍵位點S5，該位點由3個緊密連鎖的基因組成，進一步研究發(fā)現(xiàn)，秈稻S5i和粳稻S5j 基因型存在2個堿基的差異，這是造成雜種不育的主要原因。S5 位點的3個連鎖基因在秈粳之間存在明顯差異，秈稻為ORF3+ORF4-ORF5+，粳稻為ORF3-ORF4+ORF5-。廣親和品種的S5-n蛋白丟失了N 端信號肽導致其功能喪失，因此與秈、粳稻雜交均可育。秈粳雜種F1雌配子形成過程中，粳型配子ORF3-不能有效防護ORF4+ORF5+的殺傷，導致敗育。另一個不育Sa 位點，由SaM和SaF 組成。秈稻SaM+SaF+和粳稻SaM-SaF-基因型，秈粳子代攜帶SaM－的花粉敗育，LONG等[48]提出了“兩基因-三因子互作模型”是秈粳雜種雄配子不育的遺傳基礎。

細胞質(zhì)雄性不育是雜種優(yōu)勢利用的基礎。2012年，HUANG等[49]發(fā)現(xiàn)紅蓮型細胞質(zhì)雄性不育的性狀，提出紅蓮型配子體育性恢復模型，2個非等位育性恢復基因Rf5和Rf6 參與其中。Rf5 作用于線粒體，抑制ORFH79蛋白積累，恢復線粒體功能；RF6與OsHXK6互作，調(diào)控己糖激酶與恢復雄性不育[50]?；謴突騌F1A和RF1B 分別以內(nèi)切或降解方式調(diào)控ORF79蛋白的產(chǎn)生，恢復育性。還發(fā)現(xiàn)水稻野敗型CMS 的線粒體基因WA352c 多次重組進化，與蛋白COX11互作，導致花藥絨氈層細胞過早的程序性死亡與雄性不育。Rf4 編碼PPR蛋白，降低不育基因WA352的轉(zhuǎn)錄水平而恢復育性[51]。HUANG等[52]開發(fā)了一種綜合基因組方法，并構建了1 495 份優(yōu)良雜交稻品種及其自交親本系的基因組圖譜，揭示了雜種優(yōu)勢現(xiàn)象的重要促成因素是具有正優(yōu)勢的稀有優(yōu)勢等位基因的積累；隨后又利用GWAS 技術分析17個代表性雜交水稻品種F2品系的表型，為雜種優(yōu)勢和水稻雜交育種的基因組結構提供了信息[53]。

光溫敏雄性不育水稻已被廣泛應用于兩系雜交水稻育種。FAN等[55]發(fā)現(xiàn)，控制農(nóng)墾58S不育的pms3基因是1個長鏈非編碼RNA，受長/短日照調(diào)控來影響水稻育性。p/tms12-1基因編碼小RNA, osa-smR5864w 功能喪失表現(xiàn)光溫敏雄性不育。pms1編碼的PMS1T是miR2118的靶標，與植物特有的phasiRNAs 積累相關，且積累的差異可能導致雄性不育，表明phasiRNA 的積累對育性變化具有重要影響。自私基因qHMS7 調(diào)控水稻雜種不育的ORF2D-ORF3D毒性-解毒分子機制[56]。S1位點是影響亞非栽培稻種間不親和的關鍵遺傳因素，該位點上的S1TP既能保護非洲栽培稻S1-g 型配子，同時與S1A4和S1A6可構成“殺手”，殺死亞洲栽培稻的S1-s 型配子。此外，還有TMS5和tms10等不育基因調(diào)控育性。

1.4 水稻品質(zhì)性狀的遺傳調(diào)控

生活質(zhì)量的提高使人們對稻米品質(zhì)的要求越來越高。水稻育種經(jīng)常面臨“高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)，優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)”的難題。目前在水稻中已克隆調(diào)控粒形的基因GS3、GW8、GL7、GW7和GS2，均可提高稻米品質(zhì)而不影響產(chǎn)量[57]。OsROS1 能增加糊粉層的厚度。可溶性淀粉合成酶基因（SSIII）突變后產(chǎn)生高抗性淀粉RS 的稻米。OsSULTR3;3 編碼硫酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白，參與磷和硫的互作，在籽粒代謝中發(fā)揮重要作用。OsSPMS1 是乙烯生物合成的重要調(diào)節(jié)因子，能通過乙烯和ACC 途徑，影響種子萌發(fā)和植物生長。此外，品質(zhì)基因FSE1、FLO16等參與了植物內(nèi)淀粉合成。

在養(yǎng)分高效利用方面，SUN等[58]報道了控制水稻氮利用效率的QTL qNGR9，DEP1等位基因與G蛋白RGA1和RGB1互作，增強氮利用率。GA 信號途徑關鍵元件GRF4與DELLA蛋白作用，維持植物生長與碳-氮代謝的平衡[59]。硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白NRT1.1B 通過與SPX4互作，且互作強度能被硝酸鹽強化并招募與NRT1.1B互作的蛋白NBIP1，促進SPX4 的降解來激活氮磷響應基因[60]。此外，NRT1.1B 還能改變根際微生物群屬，調(diào)控秈粳稻的氮利用率差異[61]?；蚪M學方面，對3 000 多份水稻品種的測序分析，弄清了亞洲栽培稻的起源及群體基因組結構的變異，進一步詮釋了生物遺傳的多樣性[62]。ZHAO等[63]在水稻基因組重測序、進化分析和復雜性狀的GWAS 分析方面取得了一系列創(chuàng)新性的成果。QIU等[64-65]分析了來自4個地區(qū)的155個雜草稻與栽培稻的基因組，揭示了水稻去馴化過程中可能具有更多固有的復雜性。GUO等[66]報道了稗草的基因組序列草圖，為雜草適應極端環(huán)境的分子機制提供了新的理解。WANG等[67]通過對多個編輯減數(shù)分裂的基因進行敲除，將減數(shù)分裂轉(zhuǎn)換為有絲分裂，以此固定F1代的雜合性，培育出無融合生殖的子一代植株。

2 我國水稻分子生物學發(fā)展趨勢與對策

我國水稻生物學研究，尤其在逆境生物學、水稻組學、代謝組學及基因功能解析方面成果斐然。在保持良好發(fā)展勢頭的前提下，需要進一步關注世界科學前沿問題，面向生產(chǎn)實踐開展原創(chuàng)性、突破性的研究?？v觀近百年來的水稻生物學研究進展，水稻無融合生殖體系發(fā)展和完善、高光效合成生物學發(fā)展、分子大數(shù)據(jù)和表型組學，以及調(diào)控網(wǎng)絡分子設計育種將是今后主要的研究方向。

2.1 高光效水稻和合成生物學發(fā)展

發(fā)展綠色、高效和可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關鍵在于提高光能利用效率。當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難點問題在于如何優(yōu)化作物光合作用系統(tǒng)、提高光合效率及適應全球氣候變化。水稻理想的光能利用率為3.0%～5.0%，而目前高產(chǎn)品種的光能利用率僅為1.5%～2.0%，由此可見，光能利用率具有巨大的挖掘潛力。我國科學家在光能利用率方面獲得重大進展，如解析了光反應色素蛋白復合體的結構與功能，揭示了光合作用光系統(tǒng)調(diào)控及建成，發(fā)現(xiàn)了Rubisco 結構及功能、C4高光效水稻等[68]。此外，通過人工設計和構建具有特定生理功能的生物系統(tǒng)，初步建立了生物制造新途徑。由此可見，水稻光合作用合成生物學研究在我國具有得天獨厚的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 水稻無融合生殖和雜種優(yōu)勢固定

無融合生殖具有固定雜種優(yōu)勢的潛力, 也是培育一系雜交水稻研究的熱點，但是,其復雜的機制一直未能取得突破。王克劍研究組發(fā)現(xiàn)，同步突變多個基因MATL、PAIR1、REC8和OSD1可以將減數(shù)分裂轉(zhuǎn)換為有絲分裂, 基因編輯育成與母本遺傳背景完全一致的克隆配子Mi Me，實現(xiàn)無融合生殖。此外，AP2家族轉(zhuǎn)錄因子BBM1可以不經(jīng)受精誘導胚胎生成，實現(xiàn)水稻的孤雌生殖?？偟膩碚f，在水稻無融合生殖領域中邁出了一大步，但簡化和實用的操作系統(tǒng)仍需進一步完善和發(fā)展。

2.3 大數(shù)據(jù)和表型組學

隨著水稻參考基因組高通量測序的完成、生物信息學與大數(shù)據(jù)計算的完美結合以及蛋白質(zhì)組學，基因組學等組學數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，越來越多的學者認為植物大數(shù)據(jù)和表型組學的時代已經(jīng)到來。鑒于高通量無損檢測對于分子大數(shù)據(jù)在水稻遺傳育種應用的優(yōu)越性，建立更完整的水稻大數(shù)據(jù)庫顯得很有必要，往后應該建立完整的水稻泛基因組數(shù)據(jù)、優(yōu)良種質(zhì)、核心種質(zhì)的基因組構成、完整的主要性狀基因調(diào)控網(wǎng)絡，以及分子大數(shù)據(jù)與表型組學相結合的數(shù)據(jù)庫。

2.4 水稻分子設計育種

分子設計育種作為一種新的育種理念在世界范圍內(nèi)正逐漸興起。隨著育種技術的不斷突破和功能基因組研究的高速發(fā)展, 傳統(tǒng)的水稻育種正邁向與分子設計育種相結合的新時代。目前，從水稻的4萬多個功能基因中僅僅克隆到功能基因3 000 多個，得益于CRISPR. Cas9 定點突變技術的突破，相信更多的功能基因會被陸續(xù)鑒定。如何利用好這些重要的功能基因，是我們面臨的重大難題。QIAN等[69]就如何將水稻功能基因研究有效應用于育種上去，提出了超級雜交水稻分子設計育種的理念，通過精準的分子設計育種與分子標記輔助育種，培育出了兼具雜種優(yōu)勢與理想株型的環(huán)境友好型綠色新品種。雖然育種技術在不斷的突破，分子設計育種技術仍然存在較大問題，需要進一步發(fā)展，建立完善的基因組－表型組數(shù)據(jù)庫，通過人工設計與高效組合，培育出對環(huán)境友好、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的綠色超級稻。