崔莹莹 王晓玲

摘要：水稻产量性状是各个产量相关数量性状的复杂综合体，包括单株穗数、单穗粒数、粒质量，甚至抽穗期、株高等，这些数量性状之间对产量的贡献存在着互作的关系。21世纪初，水稻全基因组序列测序完成之前或初期，水稻产量性状的研究主要集中在数量性状位点（quantitative trait loci，QTL）效应及互作关系的研究上。之后，随着籼粳水稻全基因组序列的相继公布、高通量重测序技术的发展及对功能基因单倍型的等位基因型分析日趋成熟，水稻产量相关性状的QTL及其等位基因的研究也日趋白热化。简单介绍了近年来已克隆的一些产量相关QTL及其在育种中的应用情况，为开展分子设计育种、改良水稻单产起到一个借鉴作用。

关键词：水稻；产量；等位基因；数量性状位点；研究进展

中图分类号： S511.032文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0001-07[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-01-18

基金项目：山东省科技发展计划（编号：2012G0021032）；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金（编号：BS2011SW011）。

作者简介：崔莹莹（1982—），女，山东东营人，硕士，讲师，主要研究方向为分子育种。E-mail：yingying_300@163.com。

通信作者：王晓玲，主要研究方向为水稻分子育种。E-mail：wgxoling@163.com。[HJ]

[ZK）]

水稻是全世界人口依赖的最主要的粮食作物之一[1]，是全世界半数人口的主粮，也是单子叶生物研究的模式植物[2]。水稻的产量是由有效穗数、每穗粒数和千粒质量构成的复杂农艺性状，这3个性状是决定水稻产量的三大要素，也是水稻育种改良的重点方向[3-5]。中国在水稻育种事业上取得了一系列重要的成就，最为突出的有3项：（1）在籼稻上，利用半矮秆基因[WTBX][STBX]sd1[WTBZ][STBZ]，通过株型改良，于20世纪50年代末到60年代初在南方籼稻矮化育种上取得了突破，使产量提高了60%；（2）在粳稻上，利用引进品种Balilla通过籼粳杂交和复合杂交，育成了株型挺拔的直立穗株型粳稻品种，并在全国粳稻产区大面积推广；（3）在杂种优势上成功利用细胞质雄性不育基因，实现杂交水稻三系配套，成功利用了水稻的杂种优势[6]，也是水稻所谓的第二次绿色革命。然而现阶段，随着经济社会的快速发展、耕种面积的不断减少以及人口数量的不断增加，再次提高水稻产量已经成为现在及今后急迫解决的问题[7]。

近10年来，水稻复杂数量性状的研究在遗传学领域取得了突破性的进展。在遗传机理研究上已经成功精细定位和克隆了一大批控制水稻产量性状的数量性状位点（QTL）[1，3，5]，对水稻复杂农艺性状的分子剖析也取得了喜人的成绩[2]。特别是近年来，水稻基因组测序完成后高通量测序的快速发展，使得克隆、分析产量相关QTL成为更容易的事情，而且这些遗传信息技术的发展提高了QTL分析的精确度，加上对这些基因的基因组分析、蛋白组的深度功能分析和对这些基因转录组的特征阐述等技术将有力地推动水稻分子设计育种的进程。

1水稻产量数量性状位点研究进展

1.1水稻产量数量性状位点互作

水稻产量性状是各个复杂的数量性状QTLs的综合体，包括穗数、穗粒数、粒质量、抽穗期、株高等，这些QTLs之间对产量的贡献存在着互作关系。Zhuang等利用2个籼稻品种（Zhenshan97B、Milyang46）杂交后构建的重组自交系群体RIL构建了一个包含158个DNA标记的连锁图谱，进行产量性状QTL的效应分析，检测到了调控水稻谷粒产量和5个产量组份性状的QTL，[JP2]并且分析了基因与环境的互作；鉴定了31个对产量性状有显著加性效应的QTL，其中12个有上位性效应；确定了16个显著的加加互作效应，其中有9个发生在自身加性效应QTL之间，4个仅发生在上位性QTL之间，3个发生在自身与上位性QTL之间。对6个加性效应QTL和1个加-加互作研究发现了显著的基因-环境互作[8]。Xing等利用240份重组自交系的2年重复数据对4个产量性状进行了主效应、上位性效应和环境互作效应分析，构建了220个DNA标记的遗传连锁图，利用混合线性模型方法检测主效QTL、双基因互作QTL及QTL与环境的互作，在4个性状中总共检测了58个位点，其中29个为主效QTL、35对为双基因互作QTL；带主效的13个与环境互作，没有与环境互作的QTL则有上位性互作；从这4个性状的解释效果来看，主效QTL大于上位性互作，再大于环境互作[9]。说明主效应、上位性效应及其QTL环境互作是所有数量性状的遗传组分，分析像产量等复杂的数量性状遗传关系，位点间互作是不容忽视的。[JP]

1.2水稻产量数量性状位点效应

虽然加性效应和QTL相互干扰的加-加互作效应确实存在，甚至有些主效应QTL及加性效应的大小和方向都依赖于它们和其他位点之间的互作来确定，但是，一般而言，主效应比上位性效应更大，对表型变异的贡献也更大[8]，因此研究产量主效应的比较多。

Li等利用杂交稻骨干亲本间杂交的营养体重复F2群体对产量QTL位点进行分析，利用构建的由151个分子标记组成的遗传连锁图，共检测到20个直接的QTL，比较先前相同杂交F2：3的结果，在F2中检测到的QTL在F2：3中也能够检测到，但是F2的加性和显性遗传效应比F2：3要大[10]。Hittalmani等在亚洲9个水稻种植地，对水稻生长和谷粒产量相关性状QTL进行鉴定，从11个性状中共鉴定了126个QTL，34个QTL在多个环境中被检测到，分布于10条染色体上；穗长鉴定的QTL最多，共44个，抽穗期鉴定的QTL数量第二；在10个环境中都检测到株高位点（RZ730-RG810）；多环境下，通过相同标记区间确定的许多QTL表明，大多数性状的主效QTL是稳定的，不受环境因子影响[11]。Septiningsih等利用IR64和普通野生稻发展的高级作图群体，对产量及其构成组份性状鉴定了42个QTL，野生稻尽管表型差，但在IR64背景下，野生稻33%的QTL等位基因对产量及产量组份有正效应；定位的22个QTL（53.4%）与先前水稻报道的QTL相似，表明在不同遗传背景和环境下QTL具有稳定性，20个（476%）QTL是在研究中新发现的；研究确定的几个株高、千粒质量、花时的QTL与先前玉米在这些性状上确定的QTL同源[12]。Li等利用美国农业部USDA水稻微核心库品种对谷粒产量QTL进行作图，测量了203种水稻的14个农艺性状，鉴定了5个产量性状的QTL，利用分布于全基因组的155个分子标记，聚类了5大聚类群，30个标记性状与产量组份性状紧密关联，其中4个与产量关联、3个与株高关联、6个与粒质量关联、9个与分蘖关联、8个与穗部结构关联；标记OSR13、RM471和RM7003与产量组份的共分离显示，RM471的126 bp和RM7003的108 bp，这2个位点存在对产量性状有很大正效应的等位基因，可以作为产量组份区分的功能位点；[JP2]对应多个产量性状的靶标QTL可能同时减少复杂的产量性状，因此，通过分子标记辅助选择，有利于提高产量育种的效率[13]。Bai等利用Nanyangzhan和Chuan7 2个品种构建重组自交系，对穗粒数、千粒质量、抽穗期和株高产量相关性状进行QTL定位，4个性状中共鉴定了20个QTL，定位在除4号染色体之外的11条染色体上，千粒质量、穗粒数分别定位了7、5个QTL，抽穗期、株高鉴定了4个QTL，其中有6个QTL是首次报道；在第7号染色体的RM22065-RM5720之间及第8号染色体的RM502-RM264之间鉴定到2个QTL集；Nanyangzhan带有7个增效千粒质量QTL的等位基因，解释了群体中为什么没有千粒质量的超亲分离，相反，带更多单穗粒数的Chuan7亲本在5个单穗粒数中，除[WTBX][STBX]qspp5[WTBZ][STBZ]之外都带正等位基因[14]。Gao等通过重测序Y两优培九重组自交系和亲本间的基因组序列来探索超级稻产量相关位点，发现了43个产量关联QTL，其中20个是新发现的[15]。Kotla等利用Madhukar和Swarna的近等基因系对水稻产量及相关性状进行QTL定位及候选基因分析，在产量及产量相关性状中总共鉴定了26个QTL，分别位于染色体1、2、3、6、7、8、10、11、12上；株高和抽穗期定位在第8号染色体的RM23147-RM337区间内；RM251、RM314和RM1135與株高显著关联，并且[WTBX][STBX]OsYSL17[WTBZ][STBZ]与千粒质量显著关联；株高和分蘖数检测到了上位性，并在QTL区域内确定了几个与产量及其相关性状有关的候选基因[16]。[JP]endprint

[HTK]1.3水稻产量数量性状的聚合应用[HT]

高产育种是满足增加的世界人口所需食物供应的关键。利用作图群体，对全基因组与产量相关QTL进行探索，通过操控这些QTL，进行水稻产量相关QTL的遗传改良应用[17]。目前已有274个产量相关QTL被报道。许多新技术已经应用于数量性状基因的鉴定，并且许多有关作物产量的数量性状的基因已经分离，同时也构建了与产量相关的许多基因的突变体库，对这些突变体基因库QTL位点的分析与研究整合，有利于开展水稻高产基因设计育种[18]。

Zong等利用标记辅助和表型选择，通过重测序的150个近等基因系进行连锁作图，对确定的穗粒数和千粒质量等8个谷粒产量相关QTL进行聚合育种，发现包含8个正效应QTL的新株系比亲本9311增加了穗数和粒数[19]。Xie等利用韩国粳稻品种Hwaseongbyeo与非洲栽培品种IRGC 105491杂交BC3F4的近等基因系，对增产QTL簇进行了精细作图，在第9染色体长臂定位了一个聚集产量相关QTL（千粒质量、穗小花、穗粒数、穗长、穗密、抽穗期、株高）的37.4 kb区域的物理图谱，包含7个预选基因，且7个QTL都是增效的；另外，该报道基于分子标记辅助和表型选择，进一步提出了新的聚合计划表，显示要在1个杂交种中聚合24个QTL[20]。

2水稻产量相关数量性状及其功能分析

2.1粒型

[JP2]粒型是水稻产量相关性状之一，合理的粒型对培育高产、优质水稻具有非常重要的意义。到目前为止，已报道了31个[JP3]粒型相关基因和QTL。而Li等利用染色体片段代换系来检测水稻粒型QTL，共鉴定了分布于8条染色体上22个粒型QTL，7个控制粒长，6个控制粒宽，5个控制长宽比，4个控制粒厚[21]。[JP]

2.1.1粒宽QTL

Song等报道了一个新的控制水稻粒宽和粒质量的QTL——[WTBX][STBX]GW2，发现GW2[WTBZ][STBZ]编码一个带有RING结构域的E3泛素连接酶，在大粒粳稻品种中，[WTBX][STBX]GW2[WTBZ][STBZ]基因编码蛋白区发生了1个碱基的缺失，蛋白翻译过程提前终止，酶活性丧失；[WTBX][STBX]GW2[WTBZ][STBZ]的功能缺失增加了细胞数，导致了更大（更宽）的颖壳，并且积累了谷粒充实率，从而增加了粒宽、粒质量和产量；说明[WTBX][STBX]GW2[WTBZ][STBZ]通过启动其基质到蛋白酶体调控蛋白水解的方式来负调控细胞的分化[22]。Weng等对一个谷粒宽和千粒质量关联的主效QTL-[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]进行了分离与特性研究，该位点位于第5号染色体上，构建了该位点的精细图谱，发现Asomonori的 1 212 bp 的碱基缺失与粒宽表型高度相关。

[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]编码一个144氨基酸的新的核酸蛋白，定位于核上，且发现[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]与聚泛素双酵母杂交互作，认为[WTBX][STBX]GW5[WTBZ][STBZ]可能在种子发育过程中通过蛋白酶途径调节细胞分化[23]。Wang等研究表明，[WTBX][STBX]GW8与OsSPL16[WTBZ][STBZ]同源，可编码正向调节细胞分裂的蛋白，该基因的高表达可促进细胞分裂、谷粒充实，从而增加粒宽和产量，相反，在窄粒品种Basmati中，这个等位基因的缺失使得谷粒变窄，品质更好但产量降低[24]。在Amol3中发现的一个新的[WTBX][STBX]GW8[WTBZ][STBZ]等位基因，可以把优质和高产性状结合起来，在不影响产量的情况下提高水稻的品质。

2.1.2粒长QTL

Fan等以明恢63（大粒）作为轮回亲本与川7（小粒）连续回交构建了[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]近等基因系，通过研究该群体中BC3F2中的201个随机亚群体，确定[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]位点是谷粒大小的一个负调控因子，能解释粒长和千粒质量80%～90%的贡献，并且该位点是粒宽和粒厚的次效QTL[25]。Mao等随后也报道一个有关谷粒大小的QTL-[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]，它可以负调控谷粒大小，野生型的这个区域由4部分组成：N末端的OSR结构域、跨膜区域、TNFR/GNFR家族的半胱氨酸富集区、C末端的VWFC结构域，这些区域的功能在调节谷粒大小上存在差异，OSR区域是负调控功能必须和必要的，这个点的功能缺失产生长粒型，C末端的TNFR/GNFR和VWFC区域对OSR有抑制效应，这些区域的功能突变会产生短粒型[26]。[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]除了调控谷粒长之外，Takano-Kai等报道[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]还参与了水稻的柱头外露和种子伸长，[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]第2个外显子的无义突变可引起细胞数的增加，从而导致柱头的延长，认为可通过人工操控[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]来提高杂交种子生产的效率；另外，还发现在[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]的第5个外显子中包含了几个独立的缺失，这些独立缺失导致了移码突变，从而引起提前出现终止密码，这些突变功能相似，每个缩短的基因产物都决定了1个短粒型表型；通过转化试验显示，[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]的缺失减少了颖上表皮细胞数，导致粒长显著减小[27-28]。Anand等对短粒香稻地方品种Sonasal和极长粒品种PB1121的[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]基因进行了分析，在基因区序列比较显示，第2外显子C-A的突變与长粒型相关；将大粒型材料中的[WTBX][STBX]GS3[WTBZ][STBZ]导入HJX74中，可有效增加千粒质量，提高产量[29]。endprint

[JP2]另外，Zhang等报道了[WTBX][STBX]qGL3在OsPPKL1重复区域编码一个重复的蛋白磷酸酶，等位基因OsPPKL1延长了谷粒，发现在OsPPKL1[WTBZ][STBZ]的第2个kelch区域的天冬氨酸转换为谷氨酸，从而导致了谷粒增长；谷粒基因[WTBX][STBX]OsPPKL2和OsPPKL3与 OsPPKL1 同源，其中OsPPKL1和OsPPKL3负调控粒长，OsPPKL2 [WTBZ][STBZ]正调控粒长[30]。几乎在同一时间，Qi等也报道了QTL位点[WTBX][STBX]GL3.1[WTBZ][STBZ]控制水稻谷粒大小和产量，WY3中的[WTBX][STBX]GL3.1[WTBZ][STBZ]影响小穗中蛋白磷酸化，从而促进细胞分化，导致谷粒更长，产量更高[31]。[JP]

早期克隆的[WTBX][STBX]GS3、GW2和qSW5[WTBZ][STBZ]粒形基因均与粒形呈负相关，Li等从天然突变体中克隆和特征化了一个正向调控谷粒大小和水稻产量的[WTBX][STBX]GS5基因，研究显示，GS5[WTBZ][STBZ]通过调控粒宽、谷粒充实度、[JP2]千粒质量来综合控制谷粒大小[32]。Qiu等利用籼稻珍籼97为背景，粳稻品种Cypress为供体构建的一套CSSL报道了一个在第7染色体长臂上对粒长、粒宽、长宽比有多效作用的[WTBX][STBX]QTL-qSS7[WTBZ][STBZ]，在Cypress上的[WTBX][STBX]qSS7[WTBZ][STBZ]增加了粒长和长宽比，减少了粒宽，但是没有显著的减少千粒质量、株高、抽穗期和每穗粒数[33]。Li等通过9311/Y34杂交F2群体的染色体步移法，将水稻一个新的负谷粒大小基因Mi3最终定位于第3号染色体着丝粒的RM6881和LM9之间约41.6 kb区域内，根据基因组注释，在这个区域有5个基因位点，来源于Y34的Mi3等位基因具有显性功能，可调控水稻的粒长[34]。[JP]

2.1.3千粒质量QTL

水稻粒质量基因的鉴定与开发和涉及到的分子机制研究，为提高谷粒产量育种目标提供了有效的保障。Tang等利用粳稻D50与籼稻HB277构建的RIL（recombinant inbred lines）用于千粒质量QTL的定位，定位到的7个QTL分别定位于染色体2、3、5、6、8、10上，第3染色体的[WTBX][STBX]qTGW3.2[WTBZ][STBZ]在2年内稳定表达，并且贡献9%～10%表型变异；从RIL群体中选择的剩余杂合系RIL进行自交用于[WTBX][STBX]qTGW3.2[WTBZ][STBZ]的精细定位，发现F2群体中QTL解释了23%的变异，到F2：3升至33%。最终将[WTBX][STBX]qTGW3.2[WTBZ][STBZ]定于RM16162和RM16194之间约556 kb物理位置范围内[35]。Ishimaru等对粳稻日本晴与籼稻Kasalath构建的回交重组自交系千粒质量QTL及其生理功能进行了分析，共鉴定了4个QTL，Kasalath仅在第6号染色体有一个正等位基因[WTBX][STBX]TGW6，TGW6[WTBZ][STBZ]编码IAA-葡萄糖水解酶，能把IAA-葡萄糖水解成游离的IAA和葡萄糖；Kasalath中[WTBX][STBX]TGW6[WTBZ][STBZ]的6个核苷酸被替换，1个缺失，造成移码突变，蛋白质功能丧失，增加了碳水化合物的积累并提高了產量；将Kasalath中的[WTBX][STBX]TGW6[WTBZ][STBZ]导入日本晴中，千粒质量、单株产量分别显著提高了10%、15%，生理机理显示，[WTBX][STBX]TGW6[WTBZ][STBZ]提高了碳水化合物的储存力，因此提高了产量[36-37]。

2.1.4粒数QTL

谷粒产量由源于作物许多自然突变的QTL控制，穗粒数是与水稻产量相关的最重要的性状之一。收获期单株最终的谷粒数的组份由单株的育性穗、单穗的育性小花数和单穗的谷粒数决定[38]。Tian等利用野生稻染色体片段渗入籼稻品种桂朝2号得到一个SIL040渗入系，比轮回亲本显著减少了穗粒数；利用SIL040和Guichao2杂交产生的F2、F3群体进行QTL分析，发现第7染色体短臂上一个QTL-[WTBX][STBX]gpa7[WTBZ][STBZ]掌控这一性状；IL-SIL040结构的穗特性进一步揭示，从野生稻等位基因到栽培稻驯化期间在[WTBX][STBX]gpa7[WTBZ][STBZ]位点上，不仅穗数和穗粒数显著增加，而且，更重要的是穗二次分支占穗总分支比率及穗二次分支粒数占大穗总谷粒的比率都显著增加，说明[WTBX][STBX]gpa7[WTBZ][STBZ]在水稻穗驯化期间在调控单穗粒数和单穗二次分支数上起着重要的作用[39]。

2.2穗型

2.2.1穗长QTL

穗长直接决定其着生的枝梗数，进而影响穗粒数。大量研究表明，随着穗长的增加，枝梗数也呈增加趋势，穗粒数随之增加。张玉屏等通过对不同穗型杂交稻的研究，发现穗长与颖花数成极显著正相关，大穗型品种的穗长明显长于小穗型品种的穗长，认为穗长是影响每穗粒数的关键因素[40]。何宗顺等在第11号染色体短臂105 kb的染色体区间精细定位了一个控制穗长的突变基因[WTBX][STBX]PS1[WTBZ][STBZ]，该基因同时作用于一次枝梗数和二次枝梗数[41]。Cai等发现第8号染色体的31.4 kb区域内存在株型和穗型多效QTL，同时控制着抽穗期、株高、穗长和每穗颖花数[42]。

2.2.2穗型QTL

穗型也是水稻穗部结构的一个重要的性状，与水稻产量密切相关。Zhu等发现野生稻散布穗型是由显性基因[WTBX][STBX]OsLG1[WTBZ][STBZ]控制，SBP结构域的转录因子控制着叶舌的发育，关联分析表明，[WTBX][STBX]OsLG1[WTBZ][STBZ]调控区域的一个单核苷酸的多态性导致了驯化过程中集中花序形态的改变[43]。Ishii等研究表明，在驯化的水稻中，由SPR3控制的水稻穗型的一个简单形态改变对种子脱壳和授粉行为都有很大的影响[44]。Dong等利用桂朝2号为背景，普通野生稻为供体构建的一套渗入系，鉴定了一个新的QTL [WTBX][STBX]qGP5-1[WTBZ][STBZ]，该QTL与株高、叶大小和穗型相关，他们克隆和特征化了[WTBX][STBX]qGP5-1[WTBZ][STBZ]，并且确定了新鉴定的基因OsEBS可增加株高、叶大小和单穗小穗数，从而导致单株总产量的增加[45]。endprint