許 娜 徐 銓徐正進 陳溫福

沈陽農業(yè)大學水稻研究所, 遼寧沈陽 110866

1 水稻株型的概念

早在1923年, Engledow等[1]就提出聚合作物控制產量優(yōu)異性狀的設想, 后來Heath等[2]認為可以通過改變葉形和受光姿態(tài)等改變作物生產能力。在此基礎上, 1953年門司正三等[3]引入群體結構和冠層消光系數概念, 為作物相關研究奠定了理論基礎。1959年角田重三郎等[4]首先根據對水稻、大豆和甘薯的研究, 提出了耐肥性與株型的關系及不同肥水條件下莖葉同化系統(tǒng)的理想型。Donald[5](1968)指出作物應具有充分利用自身有限空間而不侵占相鄰植株生長空間的特點, 進一步豐富發(fā)展為作物理想株型(ideotype)。20世紀70年代, 松島省三[6]從高產栽培角度建立了理想稻群體與個體形態(tài)生理指標。楊守仁等認為株型可分為狹義株型(plant morphology)和廣義株型(plant type), 狹義株型指植物體的形態(tài)特征及空間排列方式, 廣義株型還包括與群體光能利用直接相關的生理、生態(tài)方面的機能性狀, 而理想株型是指在特定生態(tài)條件下與豐產性有關的各種有利性狀的最佳組配[7-8]。

2 水稻株型相關研究回顧

2.1 矮化育種與株型

20世紀50年代末60年代初的矮化育種是株型改良的初始階段, 黃耀祥等育成以桂朝2號為代表的一批產量潛力超過7.5 t hm-2的矮稈品種[9], IRRI育成了產量潛力接近10 t hm-2的半矮稈高產品種IR8[10]。以利用矮稈基因semidwarf 1(sd1)為基礎進行的矮化育種, 大幅度提高了水稻的單產潛力, 被稱為“綠色革命”。矮化育種通過降低株高、提高抗倒伏性和經濟系數, 使水稻產量比原有農家品種提高了20%～30%, 實現了水稻產量的第一次飛躍[11]。受角田、Donald和松島等株型相關研究結果啟發(fā),水稻株型改良從初期側重莖稈性狀的矮化育種, 逐步進入莖稈、葉片、穗部性狀乃至根系性狀綜合改良的理想株型階段[7-8]。

2.2 秈粳稻雜交育種與株型

亞洲栽培稻分為秈和粳兩個亞種, 二者形態(tài)生理生態(tài)特性有明顯差異, 農藝性狀各具優(yōu)缺點而且有很強的互補性, 基因組也發(fā)生了深刻分化,中國是世界上唯一同時大面積種植秈稻和粳稻的國家[12]。因此, 在中國秈粳稻雜交育種的必要性和可行性無需論證。麥類穗本身光合作用不容忽視,而水稻穗通常被認為是非光合器官[13]。典型粳稻抽穗后不久穗開始逐漸彎曲, 劍葉雖直立但是較短,穗頸一般細而長并隨穗彎曲, 穗位于群體冠層最上部, 因此一是穗遮光惡化冠層生態(tài)環(huán)境影響群體光能利用, 二是重心高不利于抗倒伏, 三是灌漿進程中穗和穗頸彎曲可能誘發(fā)倒伏(圖1-A和圖2)[14]。典型秈稻穗長而下垂, 穗頸短粗, 劍葉長而直立,實現了“高冠層、矮穗層”, 既有利于改善冠層生態(tài)環(huán)境又促進群體光能利用, 還降低重心增強了抗倒伏性(圖1-B)[15], 而直立穗型粳稻則克服了典型粳稻株型弊端(圖1-C), 實現了既有利于群體光能利用又抗倒伏, 與典型秈稻一樣具有較為合理的冠層結構和受光態(tài)勢[13-14]。

圖1 典型粳稻(A)、典型秈稻(B)和直立穗型粳稻(C)群體生理生態(tài)特性比較Fig. 1 Comparison of physiological and ecological characteristics among the typical GJ rice variety (A), the typical XI rice variety(B), and the erect panicle architecture GJ rice variety (C)圖標和箭頭大小表示太陽輻射、H2O和CO2擴散強度高低The size of icons and arrows indicates the diffusion intensity of solar radiation, H2O and CO2. GJ:geng/japonica; XI:xian/indica.

圖2 典型粳稻穗彎曲誘發(fā)的倒伏Fig. 2 Lodging process induces by panicle curvature in typical GJ rice variety

2.3 超級稻與株型

日本于20世紀80年代初率先開展水稻超高產育種研究[16]。1989年IRRI也開始了水稻新株型超高產育種(new plant type, NPT), 后來被媒體廣泛宣傳為超級稻(super-rice)[17]。國內分別于1996年和1998年啟動了“中國超級稻研究”和“超級雜交稻育種”計劃[18]?？v觀國內外超級稻研究, 基本都是以改良株型為主體技術路線, 日本是利用秈稻株型和粳稻光合特性, IRRI一開始就叫“新株型”, 國內常規(guī)稻是“理想株型與優(yōu)勢利用相結合”, 雜交稻是“理想株型與雜種優(yōu)勢利用相結合”, 并提出了北方粳稻直立大穗型模式、雜交秈稻超高產模式、華南半矮生早長模式、西南亞種間重穗型模式等[9,14,18]。

3 水稻株型生理生態(tài)研究

3.1 根系性狀

水稻根系是水分和養(yǎng)分吸收的主要器官, 也是多種氨基酸、激素及有機酸合成的重要場所, 同時對地上部分起到支撐固定作用, 并且與抗逆性有密切關系, 是直接影響產量、品質和適應性的重要的株型性狀[19-20]。作為多基因控制的數量性狀, 根長、根粗、根數、根體積、根表面積、根干重等指標相互聯系影響, 遺傳機制復雜且易受環(huán)境條件影響,由于研究方法限制難以準確快速鑒定表型, 因此水稻根系生理生態(tài)研究相對滯后[19-20]。大量研究表明,水稻根系多項指標大多與產量及其構成因素正相關, 但是不同層次根系與地上部的關系及其功能卻有所不同, 根系分布多縱向且較深時, 葉片趨向于直立[21]。穗數型和矮稈多穗型品種根較細而短, 多橫向生長處于土壤淺層, 而穗重型和高稈大穗型品種根較粗而長, 多縱向生長處于土壤深層[22]。生育前期形成的下層根對足穗、大穗有積極作用, 與穗分化同步形成的上層根與結實率和粒重關系更密切?？傮w上說, 深層根比例大更有利于品質改善和產量提高, 大穗型品種這種趨勢尤其明顯[23]。上述研究都是以地上部分和根系表型有顯著差異的品種為試材, 遺傳背景及其他性狀等影響錯綜復雜, Uga等[24]用近等基因系研究水稻根系功能證明, 深層根有利于提高氮素利用率、延緩地上部分衰老, 通過結實率和千粒重顯著增加產量。

3.2 莖稈性狀

株高是最重要的莖稈性狀, 也是影響抗倒伏性的關鍵因素。矮化育種的核心是降低株高, 提高抗倒伏能力和經濟系數進而產量潛力躍升, 但是矮稈高產品種氮肥響應減弱、利用效率低的問題逐漸顯現[25]。矮稈高產品種經濟系數已經達到0.5～0.6, 在此基礎上進一步追求高產, 可能依賴于生物產量的提升或與經濟系數的優(yōu)化組配[7]。針對這一問題研究發(fā)現, 矮稈高產品種適當增加株高, 可以降低葉面積密度(單位冠層高度的葉面積), 有利于群體CO2擴散, 進而提高了最適葉面積指數和群體光合速率。這可能是株高一般與生物產量正相關的生理生態(tài)機制之一, 尋求利用株高以外性狀提升抗倒伏性, 就成為矮化育種后持續(xù)增產面臨的新問題[18]。從另一個角度分析, 增加株高改善群體結構的關鍵是葉片空間分布, 主要由劍葉長和中下部節(jié)間長決定, 與倒一節(jié)間特別是穗頸長無關, 粳稻穗頸像秈稻那樣縮短長度增加粗度, 既不影響受光態(tài)勢又降低穗位還減少穗對莖稈彎曲力矩, 有效協調了株高、抗倒伏性和生物產量的矛盾(圖1)[18]。影響水稻倒伏的因素很多而且有復雜的相互作用, 其中與莖稈性狀關系最密切, 相關研究進展近期已有全面綜述[26-27]。分蘗角度與群體結構和受光態(tài)勢有直接關系, 前期分蘗角度較大有利于減少漏光損失同時抑制雜草生長, 中后期分蘗角度縮小促進群體通風透光并且增強抗倒伏性[28]。

3.3 葉片性狀

水稻產量的90%來自葉片光合作用, 葉片光合作用取決于單葉光合特性在群體條件下的綜合作用。在單葉或個體層次, 光合速率與葉片長、寬、角度等形態(tài)性狀關系并不密切, 通常與氣孔密度和比葉重(葉片單位面積干物重、是氮和葉綠素含量、RuBP羧化酶含量及活性的間接指標)顯著正相關,將秈稻的高氣孔密度與粳稻的高比葉重相結合, 是提高水稻葉片光合速率的可行途徑(圖3)[29]。相對玉米等C4作物而言, C3作物水稻具有更強的弱光適應性, 在群體條件下可以通過葉片直立犧牲其受光強度, 降低消光系數(K)提高最適LAI獲得更高的群體光合速率[18]。角田認為耐肥高產品種理想型表現為葉片厚、小、直立而深綠色[4], Donald理想株型的核心是葉片小而直立[5], 松島從栽培角度提出高產品種應該具有短、厚、直立的葉片[6], 袁隆平超級雜交秈稻的主要特點是葉片窄、凹、直、長、厚[15], Khush[30]認為葉片濃綠、厚且直立的葉形更有利于高產, 共同目標都是追求葉片直立降低消光系數。比較分析可以發(fā)現, 超級雜交秈稻葉片長度取向與其他理論迥異。究其原因: 一是五六十年代之交正是高稈農家品種向矮化育種轉換之際, 矮稈高產品種耐肥抗倒; 二是日本粳稻葉片一般較短, 栽培不當劍葉過于伸長往往減產; 三是相對常規(guī)品種特別是北方粳稻常規(guī)品種, 超級雜交秈稻穗數較少而葉片和穗較長, 穗彎垂、葉片長而直立有利于保證足夠的葉面積指數, 充分發(fā)揮上部葉片特別是劍葉對產量的貢獻。

3.4 穗部性狀

穗部性狀是與產量和品質直接相關的重要復雜農藝性狀, 包括穗長、一次枝梗數和粒數、二次枝梗數和粒數及其分布、每穗粒數、著粒密度、粒形、粒重等, 下面分為穗型和粒型分別評述。

迄今提出了多種穗型分類方法, 以形態(tài)特征為指標的主要有: 依據穗直立程度的直立、半直立和彎曲穗型; 依據著粒密度的密(緊)、半密(緊或散)和稀(散)穗型; 依據二次枝梗籽粒著生方式的二次枝梗上位、中位和下位優(yōu)勢型; 依據穗頸與倒二節(jié)間大維管束關系的穗數、偏穗數(重)和穗重型等[31]。有關直立穗型的生理生態(tài)特性已在本文2.2中評述。一般認為著粒密度大是一種高產性狀, 但是通常對結實性和品質性狀表現負效應[32]。北方粳稻穗較短,著粒密度已經達到較高水平, 盡管著粒密度仍然與產量顯著正相關, 但是為兼顧加工和外觀品質, 不宜再增加著粒密度[33]; 秈稻穗較長, 著粒密度較低,進一步增加著粒密度可能是高產優(yōu)質的可行選項(圖4)[34]。受一次枝梗數和每個一次枝梗著生粒數的限制, 每穗粒數主要由二次枝梗粒數決定, 二次枝梗特別是穗軸中下部二次枝梗籽粒(弱勢粒)結實性較差, 因此每穗粒數通常與結實率負相關。穗型指數(panicle type index, PTI)是二次枝梗粒數最多的一次枝梗所在穗軸節(jié)位與一次枝梗數與之比, 反映二次枝梗籽粒在穗軸上分布趨勢, PTI較高即二次枝梗籽粒偏向穗軸上部分布的二次枝梗上位優(yōu)勢型, 有利于緩解結實率隨每穗粒數增加而降低的矛盾, 也是降低直立密穗型粳稻強勢粒和弱勢粒外觀、加工及食味品質性狀差異的可行途徑[35]。秈粳稻莖稈大維管束數差異不大, 但是秈稻大維管束效率(穗頸與倒2節(jié)間大維管束數之比)高于粳稻, 而一次枝梗效率(一次枝梗數與穗頸大維管束數之比)小于粳稻,粳稻每個一次枝梗效只有1個大維管束, 而秈稻基部一次枝梗效有2個大維管束(圖3)[18], 因此秈稻增加一次枝梗數的潛力大于粳稻。

圖3 典型秈稻(左)和直立穗型粳稻(右)形態(tài)解剖特性Fig. 3 Morphological and anatomical characteristics of typical XI rice variety (left) and erect panicle architecture GJ rice variety(right)

粒型包括粒長、粒寬、粒厚、長寬比(粒形)、長厚比及粒重。粒形即籽粒長寬比是最重要的粒型性狀,是粒型分類的指標, 也是秈粳亞種重要差異性狀; 總的趨勢是在一定范圍內籽粒長寬比大有利于提高外觀品質, 籽粒長寬比小有利于改善加工品質[36]。近年來相關研究表明, 秈稻長寬比大有利于高產, 同時顯著改善堊白性狀, 對加工品質影響較小; 而粳稻長寬比小有利于提高糙米率, 對外觀品質影響不大; 南方粳稻增加長寬比將顯著降低糙米率和整精米率(圖4)[34]。從圖4還可以看出, 秈稻增加千粒重將明顯降低整精米率, 提高堊白粒率和堊白度, 粳稻提高千粒重對產量和糙米率有正向作用, 對整精米率和堊白性狀影響較小。粳稻粒厚和粒寬一樣與千粒重正相關, 但是對外觀品質影響較小, 還有利于改善加工和食味品質[34]。

圖4 秈粳稻粒型和穗型與產量和品質的關系Fig. 4 Relationship among grain shape, panicle architecture, yield, and quality of XI and GJ rice variety

4 水稻株型遺傳基礎研究

近年來分子生物學研究成功克隆了大量株型調控主效基因, 水稻株高、分蘗數、分蘗夾角、穗型的基因調控網絡逐漸清晰。在20世紀60年代的綠色革命中,sd1基因編碼蛋白是赤霉素合成途徑中的關鍵酶, 催化GA53轉換為GA20, 作為重要的矮稈基因在生產上大面積應用[37]。獨腳金內酯(strigolactones,SLs)作為一類新型的植物激素, 生物合成的關鍵基因DWARF27(D27)、D17、D10、Os-MAX1s及信號途徑相關基因D3、D14和D53在水稻株高和分蘗調控中起關鍵作用[38]。

分蘗數和分蘗角度直接影響水稻株型,D14可以與D3、D53結合,D53泛素化后被26S蛋白酶體識別并降解, 解除D53對SLs下游響應因子的抑制作用, 同時影響水稻株高和分蘗數[39]。D53與水稻理想株型基因IPA1互作抑制IPA1的轉錄活性[40]。SLs和油菜素內酯(brassinosteroids, BRs)信號途徑都可以通過調節(jié)D53和BRs信號途徑中轉錄復合體OsBZR1-RLA1-DLT的穩(wěn)定性影響水稻Teosinte Banched1(OsTB1)的表達, 進而控制水稻分蘗數[41]。PROG1是匍匐生長、低產的野生稻向直立、高產的栽培稻馴化的重要株型改良位點,Tiller Angle Controlling 1(TAC1)和Tiller Inclined Growth 1(TIG1)是秈粳分化中決定分蘗角度的重要選擇位點[12,42-44]。LAZY1(LA1)是從水稻散生材料中克隆的調控分蘗角度的關鍵基因, 通過分析水稻莖重力反應過程中的動態(tài)轉錄組, 確立了一條以LAZY1(LA1)為核心介導的HEAT STRESS TRANSCRIPTIONAL FACTOR 2D(HSFA2D)-LA1-WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 6(WOX6)/11水稻分蘗角度分子途徑[45-46], 為闡明水稻分蘗角度形成的分子網絡奠定了基礎(圖5)。

圖5 分蘗夾角、分蘗數和葉片夾角的分子網絡示意圖Fig. 5 Proposed molecular mechanism of tiller angle, tiller number, and leaf angle

葉片夾角是水稻株型構成的一個重要農藝性狀,適當直立的葉片適合水稻高密度種植, 葉夾角受油菜素內酯、生長素、赤霉素以及這些激素的互作調控。參與油菜素內酯途徑的基因主要有BRD2[47]、OsDWARF4[48]、D11[49]、D2[50]、BRD1[51]、OsBRI[52]、OsBAK1[53]、OsGSK1[54]、OsLIC1[55]、OsBZR1[56]、BU1[57]、OsOFP8[58]、OsOFP19[58]等。生長素(IAA)作為植物中重要的信號分子, 也參與到葉片夾角的調控, 其中主要基因有FIB[59]、TLD[60]、LC1[61]、OsIAA1[62]、OsTIR1[63]、OsAFB2[63]、OsARF1[64]、OsmiR393[63]、LC3[65]、OsARF19[66]和OsARF11[66]。赤霉素(GA)對于植物生長發(fā)育具有重要作用, 同樣具有調控葉片夾角的功能, 其中已克隆的主要調控基因有OsSPY[67]、D1/RGA1[68]、OsGSR1[69]和OsDCL3a[70]。除了以上3種植物激素外, 脫落酸(abscisic acid,ABA)、茉莉酸(jasmonie acid, JA)和乙烯(ethylene,ETH)也參與調控水稻葉片夾角[71]。ABA通過拮抗BR的生物合成與信號傳導影響葉片夾角, 茉莉酸甲酯通過抑制BR的合成和信號傳導影響葉片夾角, 而乙烯可能通過與BR的互作影響葉片夾角[72](圖5)。

在莖稈和葉片性狀相關研究不斷深入基礎上,水稻穗發(fā)育的分子調控機制也取得了重要進展。調控一次枝梗形成的主要基因有Gn1a、LOG、DST、IPA1/WFP、OsSHI1、OsOTUB1、OsSPL17、OsNAC2、FON2/4、FON1等[73-84], 而調控二次枝梗形成的主要基因有FZP、OsMFT1、NAL1/SPIKE、GNP1、TAW1、GN2、OsGRF6、GSN1、GLW7和NOG1[85-96]。水稻直立穗型基因DEP1編碼G蛋白Gamma亞基, 是重要的穗部性狀調控因子, 其獲得功能型等位基因提供分生組織活性, 顯著增加每穗粒數[97-100], 同樣調控直立穗型的基因還有EP2、EP3和DEP3[101-103], 此外SPED1、APO1、APO2/RFL、SP1、ASP1/OsREL2都在穗型調控中起著重要作用[104-108]。

5 討論與展望

關于水稻特別是北方粳稻理想株型模式及其主要參數, 本團隊已在近期另一篇論文[109]中詳細介紹, 下面簡要討論水稻株型相關研究幾個問題及發(fā)展方向。

籽粒長寬比是秈粳稻重要形態(tài)差異, 歷來是亞種分類主要指標, 至今仍然是秈稻長寬比基本＞2.5而粳稻大多＜2.0[34], 但是秈粳亞種粒形差異的生理生態(tài)與演化機制還不清晰。游修齡[110]認為南方秈稻區(qū)晝夜溫差小, 夜間溫度高呼吸作用強, 積累的光合產物少, 因而粒重偏低呈細長形, 同理北方粳稻表現為短圓粒形。根據圖4可以推測, 目前秈粳稻之所以粒形表現顯著差異, 是因為秈稻長寬比大既有利于高產又有利于改善外觀品質, 同時對加工品質負面作用較小; 而粳稻長寬比大則顯著降低糙米率, 改善外觀品質的作用有限; 同處較低緯度的南方粳稻, 增加長寬比將顯著降低糙米率和整精米率,既失去了北方粳稻加工品質優(yōu)勢, 又對改良外觀品質作用不大, 因此南方粳稻不能像秈稻那樣選擇細長粒形。近年來南方秈稻千粒重已經明顯大于北方粳稻, 秈粳稻千粒重平均值超過26 g, 而北方粳稻只有25 g左右[34]。從另一個角度思考, 水稻亞種分化早期南方秈稻也可以采取減少每穗粒數, 或較小短圓粒形策略應對低緯度不利于光合產物積累的生態(tài)環(huán)境, 或者說秈稻演化為細長粒形只是隨機現象,粒型的秈粳亞種間差異及其與生態(tài)環(huán)境的關系, 是一個值得深入思考的科學問題。

松尾系統(tǒng)總結了相關領域長期研究成果[111], 認為從物質生產與分配角度分析, 株型改良仍然是進一步提高水稻產量的主要途徑: 第一, 葉片直立是迄今改善群體結構的核心, 今后仍然有進一步改良的潛力; 第二, 在保持抗倒伏性的同時降低葉面積密度, 可以通過在保持抗倒伏性前提下增加株高實現, 還可以通過長而直立的劍葉配合短而粗的倒一節(jié)間特別是穗頸實現; 第三, 在兼顧穗本身受光的同時, 降低穗在冠層中相對位置以減少對葉片的遮光。盡管穗本身光合能力很低, 但只對穗遮光卻導致成熟率降低。秈粳稻地理分布不同, 生態(tài)環(huán)境有明顯差異, 穗型與生態(tài)環(huán)境的關系及其對產量和品質的影響還需要進一步深入研究。一般日本粳稻劍葉較短, 直立穗型粳稻尤其明顯, 對籽粒灌漿的貢獻也受到限制, 粳稻直立穗型配合秈稻窄、凹、直、長、厚劍葉的可能性及其效果值得探討。

根系性狀的重要性越來越受到關注, 但是根系性狀的復雜性決定了比地上部分更難精準鑒定表型[19]。稻田土壤理化特性比較均勻, 水稻根系分布范圍較小, 土芯法等配合根系掃描儀等設備以及合理的田間試驗設計, 基本能滿足栽培生理研究需要,但是達不到遺傳分析等更精準要求[20]?！袄硐敫汀边€停留在定性或概念層面, 明顯滯后于地上部分莖、葉、穗型研究, 不足以滿足遺傳生理研究和育種實踐需要, 開發(fā)高效的田間根系表型鑒定方法,是今后打破水稻根系研究瓶頸, 實現“理想根型”育種實踐的關鍵技術問題[112-113]。

水稻株型看似簡單的形態(tài)學范疇問題, 實際上是一個復雜的系統(tǒng)工程。迄今除地下部分根系性狀研究相對薄弱外, 地上部分莖稈、葉片和穗部性狀生理、生態(tài)及遺傳機制研究都相當深入。但是應該看到, 上述器官之間不但存在外在生理生態(tài)相互影響, 還存在內在形態(tài)建成遺傳調控密切相關。另外,過去主要圍繞高產建立的株型模式, 未必適應兼顧高產、優(yōu)質、高效、綠色的新目標。今后需要充分利用現代生物學特別是生物信息、表型組、基因編輯、分子設計育種、全基因組選擇等理論與技術最新成果, 解析各器官之間的外在與內在相互關系,構建和優(yōu)化對水稻精準株型模式[114]。在此基礎上明確分子機制與調控網絡并付諸株型育種實踐, 實現更高水平全方位的“水稻理想株型”。