陈 亮,楼巧君,李铁梅,梅捍卫,冯芳君,严 明,徐小艳,范佩清,罗利军

(上海市农业生物基因中心,上海 201106)

作为世界第一人口大国,中国人均水资源量(2 300 m3)仅为世界平均水平的28%,且水资源的时空分布严重不均衡,全国各地旱灾频发[1]。《中国水旱灾害防御公报2020》显示,2010—2019年年均因旱受灾面积1 084.4万hm2,年均因旱灾粮食损失178.62亿kg,干旱是我国65%中低产稻田的主要限制因素。同时,长期淹水的稻田会释放大量温室气体甲烷[2],产生严重面源污染[3]。水稻抗旱性的提高可以使水稻充分利用降雨,实行旱种旱管,从而大幅减少灌溉用水,大幅减少温室气体排放和农田面源污染[4]。因此,面对水资源匮缺和粮食增长需求,培育节水抗旱品种已成为当前水稻育种的主要目标之一。

根系是植物吸收水分和养分的主要器官,深根性介导的避旱性在提高植物抗旱性方面起着重要作用。避旱性主要是通过发达的深根系统来吸取深层土壤水分,使植株免受或减轻干旱胁迫的影响,保持更长时间的正常生长发育。水稻的深根特性主要取决于根系生长角度、根系在深层土壤中的分布、根系穿透紧实土壤层或犁底层的能力。由于深根与抗旱性的密切关系,水稻深根性的遗传研究获得了广泛关注并取得了较大进展,本文对水稻深根性相关性状的遗传进展进行系统梳理,以期为水稻深根性遗传研究的进一步开展和加快水稻根系抗旱育种发展提供理论指导。

1 栽培稻根系生长角度的遗传研究

水稻根系属于须根系,难以直接从土壤中获得完整的水稻根系的立体结构信息。Kato等[5]首次将水稻秧苗种植在篮子里,对水稻根系生长角度进行了观察,发现12个水陆稻品种在不同角度区间内的根系数量和比例是不同的。Uga等[6]利用篮子将水稻根系分成两部分,生长角度(与垂直线比较)为0°—53°的根系(穿过篮子底部)定义为深根,根系角度为53°—90°的根系(穿过篮子侧面)定义为浅根,将深根数与总根数的比值称为深根比,以深根比来衡量水稻根系生长角度,发现59个水稻品种的深根比在9.7%—64.2%,变异丰富。随着研究方法的不断完善,植物根系生长角度的遗传研究逐渐获得了重视,在水稻[7]、小麦[8]、大麦[9]、玉米[10]、高粱[11]、油菜[12]等农作物中开展了一系根系生长角度QTL定位研究,利用根型突变体也克隆出若干调控水稻根系生长角度的基因,如sor1[13]、docs1[14]、SOR1[15]、lra1[16]、rmd[17]等。下面对水稻中已定位克隆的根系生长角度QT进行系统介绍。

1.1 深根比QTL-DRO1的定位克隆

DRO1是第一个定位克隆的水稻深根比主效QTL。Uga等[7]以深根比为12.2%的籼型水稻品种‘IR64’与深根比为92.5%的粳型陆稻品种‘Kinandang Patong’构建的117份重组自交系群体(Recombinant inbred line,RIL)为材料,采用篮子水培法检测深根比,在第9号染色体定位到了一个LOD值高达26.9、加性效应为16.1%、解释了深根比表型变异66.7%的深根比主效QTL-Dro1,通过精细定位将Dro1的定位区间缩小至608.4 kb,位于16 679.5—17 287.9 kb。旱地栽培试验表明:Dro1近等基因系(Near isogenic line,Dro1-NIL)与‘IR64’在0—25 cm土层的根干重没有显著差异,而在25—50 cm土层,Dro1-NIL的根干重显著高于‘IR64’,穗重显著高于‘IR64’,Dro1-KP的导入使‘IR64’抗旱性显著增强,更加适应旱地栽培。通过进一步精细定位,DRO1的定位区间缩小至6 kb内[18]。该区域内只有一个预测基因,序列分析发现‘IR64’在该基因的编码区第四外显子中有1个碱基缺失,导致提前引入终止密码子,产生截断的蛋白。遗传互补试验表明:DRO1对根长、根干重、地上部性状上没有显著影响,但转DRO1株系的根系生长角度是‘IR64’的两倍左右。Dro1-NIL表现出比‘IR64’更强烈的向重力性反应。DRO1主要在根尖分生区和节根原基中表达,DRO1的表达水平和深根比呈正相关。DRO1的表达水平受到外源生长素2,4-D的抑制,DRO1的启动子区域存在TGTCTC基序并能够和生长素响应因子结合。在旱地进行的抗旱性试验表明:在中度干旱胁迫条件下‘IR64’的单株产量明显下降,而Dro1-NIL产量则无显著变化;在重度干旱胁迫条件下‘IR64’几乎无法灌浆,而Dro1-NIL仍有30%籽粒完成灌浆;在无干旱胁迫条件下,Dro1-NIL与‘IR64’产量没有差异,说明DRO1提高了水稻的抗旱性。在水田中,Dro1-NIL和‘IR64’在各种施肥条件下的总根长没有显著差异,但Dro1-NIL在深层土壤中的根数比‘IR64’多,Dro1-NIL的粒重增加、结实率提高,增产约10%。表明在水分正常情况下,提高水稻根系向下生长的比例也能促进水稻产量增加[19]。在中度土壤紧实度下,DRO1提高了30—60 cm土层的根系密度[20]。Deshmukh等[21]证实了Dro1-NIL在淹水田、干湿交替水田和雨养旱地3种栽培条件下都比‘IR64’显著增产,增产约14%。

研究发现,DRO1在其他植物中的同源基因也与根系角度相关。AtDRO1和PpeDRO1表达模式与DRO1一样,具有根特异性,AtDRO1突变后浅层根系增加,超表达AtDRO1株系的深根比增大,超表达PpeDRO1提高了转基因植株的深根比[22]。在小麦中,TaANDRO1-like、TaBNDRO1-like和TaDNDRO1-like已发生了分化,但仍与根角度相关[23]。González等[24]研究发现,TtDro1B中插入MITE元件后产生较小、较浅的根系。Loarce等[25]研究发现,TtDro1A的表达量是TtDro1B的2.49—8.76倍,2个基因的表达量与根系角度呈正相关,TtDro1B表达量越高,深根比越大。

1.2 地表根QTL-qSOR1的定位克隆

在印度尼西亚的Bulu生态型水稻材料中有部分种质在分蘖后会产生地表根系。Uga等[26]利用地表根品种‘Gemdjah Beton’与无地表根的日本水稻品种‘Sasanishiki’杂交构建RIL,以地表根比例(地表根数占总根数的比例)为检测指标,在3、4、6、7号染色体上定位了4个地表根QTL,都是‘Gemdjah Beton’等位基因使地表根数量增加,位于7号染色体的QTL在6个定位试验中均可检测到,解释了32.5%—53.6%的表型变异率,命名此QTL为qSOR1,用7个BC2F3重组单株的后裔测验将qSOR1定位在RM21941和RM21976之间,标记物理间距812 kb。通过进一步精细定位,qSOR1定位区间缩小至12.31 kb,候选基因Os07g0614400在外显子3中有一个SNP存在,‘Gemdjah Beton’等位基因的这个SNP的变异导致提前形成终止密码子,遗传互补试验也验证了Os07g0614400为qSOR1候选基因[27]。qSOR1是DRO1的同源基因,主要在根尖柱状细胞中表达,通过负调控生长素信号途径来调控根系的向重力性,调控土壤表层根的形成,避开了土壤盐层的胁迫,提高盐碱地水稻产量。通过分析qSOR1和DRO1在‘IR64’背景下4种组合方式的根系生长角度,发现2个基因的表达量互不影响,DRO1∕qSOR1、DRO1∕qsor1、dro1∕qSOR1和dro1∕qsor1的深根比逐渐变小,表明DRO1和qSOR1是通过加性作用方式调控根系生长角度。根部定点施肥试验发现,浅根型近等基因系qsor1-NIL的根生物量、根面积和磷吸收量显著高于深根型近等基因系Dro1-NIL,说明浅层根型材料能更好地利用施于根部的磷[28]。

1.3 其他根系生长角度QTL分析

除了以上2个已克隆的根系生长角度QTL外,还有大量研究报道了水稻根系生长角度QTL的定位分析(表1)。在利用‘IR64’∕‘Kinandang Patong’的RIL群体进行深根比QTL发掘时只定位到一个主效QTL-DRO1,但这不能充分解释2个亲本深根比的巨大差异,而且携带有与‘Kinandang Patong’相同DRO1等位基因的水稻种质中仍有许多表现为低深根比[18]。因此,Uga等[29]继续研究‘Kinandang Patong’中存在的其他深根比QTL,挑选了3个浅根材料(‘Tupa729’与‘Kinandang Patong’具有相同的DRO1单倍型,‘ARC5955’和‘Pinulupot1’的DRO1单倍型与‘Kinandang Patong’和‘IR64’均不同)与‘Kinandang Patong’配置了3个F2群体,在2、4、6号染色体定位到了3个深根比QTL,4号染色体上检测到的QTL在3个F2群体中均被检测到,分别解释了32.0%、36.2%和56.6%的表型变异,是一个主效QTL,命名为DEEPER ROOTING2(DRO2),位于27.74—30.69 Mb。同时,Uga等[30]又构建了26个‘IR64’背景、‘Kinandang Patong’为供体的导入系,含有DRO1的导入系其深根比显著高于轮回亲本,但其他不含DRO1的导入系的深根比与‘IR64’没有显著差异,可能是dro1掩盖了其他QTL的效应。因此,为了屏蔽DRO1的影响,利用‘IR64’背景的DRO1近等基因系Dro1-NIL与‘Kinandang Patong’配置了F2群体,在7号染色体上定位到一个深根比QTL,解释21.9%的表型变异,命名为DRO3,位于23.0—23.95 Mb。为了进一步挖掘‘Kinandang Patong’中的深根比QTL,Kitom等[31]再次挑选了3个深根比不同但都携带有与‘Kinandang Patong’相同DRO1单倍型的水稻品种与‘Kinandang Patong’配置3个F2群体,在2、4、6号染色体上定位到3个深根比主效QTL,将在2号和6号染色体定位的QTL分别命名为DRO4(28.9—30.3 Mb)和DRO5(29.65—31.21 Mb)。

除了日本学者从‘Kinandang Patong’中挖掘到5个根系生长角度主效QTL外,还有一些学者也对水稻根系生长角度开展了研究(表1)。Courtois等[32]运用全基因组关联分析从167份热带粳稻中检测到6个分布在1、3、4、5、7号染色体的根角度显著关联位点。Catolos等[33]检测了300份来自杂交组合IR64-21∕‘Dular’的RIL群体的根系生长角度,在9号染色体上定位到根系生长角度QTL-qRT9.1(RM434—RM257),其加性效应为16.7%,解释了28.9%的表型变异。Bettembourg等[34]检测了162份籼稻和169份粳稻的根系生长角度,分别定位了15个和38个根系生长角度QTL。Wedger等[35]用杂草稻与‘低脚乌尖’培育的RIL群体定位了4个根系生长角度QTL,位于2号和12号染色体,增效等位基因均来自杂草稻。Vinarao等[36]用来自‘Sherpa’∕‘IRAT109’的RIL群体定位了8个根系生长角度QTL,分布在1、2、3、4、11号染色体上,qRCA1.1(39.42—40.41 Mb)和qRCA4(29.78—30.69 Mb)分别解释了8.0%—10.2%和17.4%—24.3%的表型变异率。Vinarao等[37]还用‘IRAT109’与‘RL11’‘Langi’和‘Norin PL8810’构建了3个F2群体,在‘RL11’‘Langi’的F2群体中验证了qRCA4在不同遗传背景下的效应,并将qRCA4的定位区间缩小为720 kb(30.04—30.76 Mb),与DRO2位置重叠[29],42.2%的热带粳稻携带有与‘IRAT109’相同的qRCA4等位基因,在其他水稻种质中出现频率低,可用来改良籼稻根系生长角度。最近,Nie等[38]利用234个BC2F7株系(R974∕DY80(东乡野生稻株系)∕∕R974)在1、2、5、7号染色体上定位了6个深根比QTL,其中3个QTL的增效等位基因来自东乡野生稻。

表1 水稻根系生长角度QTL定位研究汇总Table 1 Summary of QTL mapping studies on root growth angle in Rice

近年来,笔者课题组对水稻根系生长角度开展了系列研究。王培等[39]检测了“全球水稻分子育种计划”中177份优异种质的深根比,平均深根比为21.5%,变异范围为7.2%—43.1%,大部分种质深根比在15%—25%,‘沈农265’‘Lemont’‘Yen Fang Chu’‘原粳7号’等4个品种的深根比超过了40%。杨波等检测了我国南方十一个省(市、区)2 234份栽培稻种质的深根比,平均深根比为25.8%,变异范围为8.6%—60.1%,47.2%材料的深根比集中在20%—30%,25.2%材料的深根比低于20%,深根比超过40%的高深根比种质占比6.1%(待发表);来自上海和湖南的种质具有较高的深根比,广东、广西和贵州的种质中深根比超过40%的不到1%;地方品种的深根比普遍高于育成材料,粳稻深根比高于籼稻,粳稻中深根比大于40%的比例是籼稻的3.6倍;在水分梯度抗旱大棚[40-41]中对131份具有不同深根比的水稻品种进行的孕穗期抗旱性鉴定评价结果表明,高深根比材料中表现出抗旱的比例是低深根比材料的3.2倍,是中等深根比材料的2.0倍。Lou等[42]在上海和海南对来自珍汕97B与‘IRAT109’的180份RIL的深根比进行了3次检测,深根比变异范围在3.7%—67.2%,在1、2、4、7、10号染色体上定位到6个深根比QTL,qRDR2(29.6—31.5 Mb)具有最大的贡献率和加性效应(来自‘IRAT109’的等位基因增加深根比),与DRO4(28.9—30.3 Mb)[31]所在区间有部分重叠,qRDR4与DRO2[29]所在区间相邻,qRDR7与qSOR1[26]所在区间相邻;对170份中国水稻微核心种质与67份节水抗旱种质开展了重测序,并利用1 019 883个SNP对深根比开展了关联分析,总群在1、3、4、6、7号染色体的7个区域鉴定到48个显著关联SNP,籼稻群在1号和2号染色体上检测到了显著关联位点,2号染色体上的显著关联位点位置与连锁分析所鉴定的qRDR2有所重叠,粳稻群只在1号染色体鉴定了显著关联位点,这个显著关联位点在3个群体中都能鉴定到;对自然群体进行选择性清除分析发现,qRDR2区域存在明显的选择性清除;从377份中国地方陆稻品种中挑选出10个最大深根比(平均深根比为49.4%)和10个最小深根比(14.4%)材料,分析了随机挑选的9个关联分析鉴定SNP在这20个品种中的SNP类型,发现其中7个SNP在极端深根比群之间存在显著差异。宋从志[43]和牛国卿[44]对连锁分析中鉴定的qRDR7开展了精细定位,将qRDR7定位区间缩小为58 kb。查晓捍[45]对qRDR2开展了精细定位,将qRDR2定位区间缩小为570 kb。杨波[46]对通过QTL-seq检测到的qRDR5开展了精细定位(定位群体来自高深根比陆稻品种‘毛谷’与低深根比品种‘BLCO.BRANCO’及高深根比陆稻品种‘紫芒飞蛾’与低深根比品种‘台农67’构建的F2群体),将qRDR5的定位区间缩小至17.37 kb。

亲本‘IR64’/‘Kinandang Patong’‘Gemdjah Beton’/‘Sasanishiki’‘ARC5955’/‘Kinandang Patong’‘Pinulupot1’/‘Kinandang Patong’‘Tupa729’/‘Kinandang Patong’Dro1images/BZ_34_390_2027_422_2059.pngNIL/‘Kinandang Patong’‘Momiroman’/‘Kinandang Patong’‘Yumeaoba’/‘Kinandang Patong’‘Tachisugata’/‘Kinandang Patong’‘珍汕97’/‘IRAT109’IR64images/BZ_34_392_2340_424_2372.png21/‘Dular’BHA/‘低脚乌尖’SH/‘低脚乌尖’‘Sherpa’/‘IRAT109’R974/DY80//R9474群体类型RIL RIL F2 F2 F2自然群体F2 F2 F2 F2 RIL自然群体RIL自然群体RIL RIL RIL RIL群体大小117 124 138 134 133 167 121 123 128 121 180 237 300 331 224 175 252 234性状深根比地表根比例深根比深根比深根比根角度根角度根角度根角度根角度深根比深根比深根比根角度根角度根角度根角度深根比QTL数量1 4 2 1 2 6 1 1 3 1 6 8 1 5 5 2 2 8 6染色体9号3、4、6、7号2、4号4号4、6号1、3、4、5、7号7号4号2、4、6号2号1、2、4、7、10号1、2、3、4、6、7号9号12条染色体2、12号2、12号1、2、3、4、11号1、2、5、7号文献［7］［26］［29］［32］［30］［31］［42］［33］［34］［35］［36］［38］

1.4 基于突变体的水稻根系生长角度基因挖掘

突变体是基因发掘的优异材料,在水稻根型突变体中克隆了一批调控根系生长角度的基因。Hanzawa等[13]从粳稻品种‘日本晴’的种子愈伤组织再生植株中发现了一个根系露出地表的突变体sor1-1,利用sor1-1与籼稻‘Kasalath’的F2群体将地表根基因sor1定位在4号染色体136 kb的区间内,序列分析发现Os04g0101800的ORF缺失33 bp,遗传互补试验验证了此基因为sor1。Chen等[15]发现对乙烯不敏感的水稻‘猫胡子’突变体mhz2∕sor1-2能产生地表根,此表型也是由sor1突变导致。SOR1编码E3泛素连接酶,通过调节生长素Aux∕IAA蛋白的稳定性来调控根特异的乙烯应答和根系向重力性。SOR1与定位在7号染色体的qSOR1[27]都调控水稻地表根的形成,但二者没有同源性,qSOR1可能具有与SOR1不同的功能。Bettembourg等[14]发现铝敏感基因DOCS1的功能缺失突变体docs1-1与根冠发育有关,影响根系的向重力性反应,突变体表现出更大的根冠角度。Wang等[16]从粳稻品种‘黑粳2号’的EMS突变体库中筛选到了一个根系生长角度变大突变体lra1,突变体降低了重力响应敏感性,lra1编码OsPIN2蛋白,通过影响根尖生长素的极性运输来调控根系生长角度。Huang等[17]发现来自粳稻材料952260Co辐射诱变产生的水稻形态决定突变体rmd展现出更陡直的根系,RMD蛋白定位在根冠平衡石表面,RMD蛋白通过将肌动蛋白微丝与重力感应器官-平衡石联系起来调控根系的生长角度,突变体展现出更快的重力应答,低磷通过诱导rmd的上调表达来改变根系生长角度以适应外界低水平磷供应。

2 栽培稻根系向重力性的遗传研究

重力作为一个持续存在且较稳定的环境因子,在调节植物的生长发育、代谢以及形态建成等方面发挥着十分重要的作用。在重力刺激下,植物的根沿重力方向向下生长的现象称之为根的正向地性。大量研究表明,根系生长角度与根系向重力性存在密切关系[14-18],对水稻的根系向重力性开展遗传研究能促进对根系生长角度分子调控机制的理解,但这方面的研究目前还较少。Norton等[47]利用凝胶装置检测了134份来自‘Bala’בAzucena’的RIL对重力改变的响应特征,转置20 h后,‘Azucena’种子根转变了75.2°,而‘Bala’转变了49.6°。以单位时间内根尖弯曲程度作为根系响应重力的鉴定指标,在6号和11号染色体上各定位到了一个根系向重性QTL,并检测到了一个上位性互作QTL。Lou等[48]调查了226份中国水稻微核心种质和抗旱核心种质的根系向重力性应答特征,发现重力应答速度平均为41.05°∕h,变异范围为16.77°—62.83°∕h,籼稻的平均应答速度为42.49°∕h,粳稻的平均应答速度为39.71°∕h,籼稻的重力应答速度总体上显著高于粳稻;重力应答速度与深根数、种子根伸展速度、抗旱系数呈显著正相关,在4、11、12号染色体上定位了3个根系重力应答速度QTL;表达量分析表明,LOC_Os12g29350负调控向重力性。

3 栽培稻根系穿透力的遗传研究

传统水田在耕作层20—30 cm下面往往存在一个5—20 cm厚的犁底层,犁底层可以防止水分过快渗漏,使耕作层的土壤含水量维持较长时间的稳定,提高降雨和灌溉水的利用率。但犁底层的存在也使水稻根系难以达到深层土壤,阻挡了水稻根系对犁底层下面水分和养分的有效吸取利用。因此,培育有较好根系穿透力的水稻品种有利于提高其抗旱性和养分利用效率,其也是较早得到水稻科研工作者重视的深根性状。Ray等[49]首次开展了水稻根系穿透力的QTL定位研究。他们用60%的蜡和40%的凡士林制作了3 mm厚的蜡质层,检测了来自杂交组合‘Co39’∕‘Moroberekan’的202个RIL的根系穿透力,在2、4、5、6、11号染色上定位了6个根系穿透力QTL,除5号染色体定位的QTL外,其他QTL的增效等位基因均来自高根系穿透力亲本‘Moroberekan’。Price等[50]采用80%的蜡和20%的白色软石蜡制作3 mm厚的蜡质层,观察2个陆稻品种‘Bala’和‘Azucena’构建的205份RIL的根系穿透力,在2、3、5、10、11号染色体定位到7个QTL。Ali等[51]构建了2个籼稻材料IR58821-23-B-1-2-1和IR52561-UBN-1-1-2所培育的RIL群体,采用66.7%的石蜡与33.3%的凡士林配置的蜡质层,观察166个株系的根系穿透力,在2、3、10号染色体上共定位到6个根系穿透力QTL,绝大部分有利等位基因来自抗旱性较好的亲本IR58821-23-B-1-2-1。Zheng等[52]配置了蜡与凡士林比例为2∶1的蜡质层,考察‘IR64’∕‘Azucena’的109份DH系的根系穿透力,在2、3、7、8号染色体上鉴定到4个根系穿透力QTL。

4 栽培稻深层土壤根系分布的遗传研究

根系在犁底层以下或土层30 cm以下深层土壤中的分布也是水稻深根性的重要组成部分,许多学者对深层土壤中的根系特征进行了研究,定位了一批调控水稻深层土壤根系分布的QTL(表2)。

表2 深层土壤水稻根系性状QTL定位研究汇总Table 2 Summary of QTL mapping studies on root traits of rice in deep soil

Champoux等[53]利用‘Co39’和‘Moroberekan’构建的203份RIL对土壤30 cm以下根干重进行了定位分析,在2、3、4、7、8、9、12号染色体检测的8个标记与30 cm以下根干重显著关联,其中与2号染色体标记RG437显著关联的QTL解释了17.0%的表型变异。Yadav等[54]利用组合‘IR64’∕‘Azucena’衍生的105份DH系,在1、6、7、9号染色体上定位到了5个土壤30 cm以下根干重QTL,在1、2、6、7、8、9号染色体上定位到了6个每分蘖深根干重QTL。Kamoshita等[55]利用2个籼稻品种‘IR58821’与‘IR52561’构建的184份RIL,在2、3、4、9、11号染色体上定位了5个深根生物量、深根生物量比例和每分蘖深根生物量QTL。Courtois等[56]检测了125份RIL株系(‘IAC165’בCo39’)在30—60 cm和60—90 cm深层土壤的根干重,分别在4、8号染色体和4、10、11号染色体定位到了2个和3个QTL,同时检测到调控深根干重、每分蘖深根干重和深根干重与地上部干重比值相关QTL各3个,位于4号染色体RM261—RZ69区间的深根干重与地上部干重比值QTL解释了20.7%的表型变异。MacMillan等[57]对205份RIL(‘Bala’∕‘Azucena’)的土壤深度50 cm以下根生物量进行了QTL定位分析,正常种植条件下在2、3、7、9号染色体上定位到4个QTL,低氮处理下在4、5、9号染色体上定位到3个QTL,弱光处理下在1、2、9号染色体上定位了4个QTL,干旱处理下在2号和9号染色体上定位了3个QTL。Cairns等[58]将来自‘Bala’∕‘Azucena’组合的114份RIL种植在水田和旱地,但只在旱地的干旱处理中在3号和6号染色体上定位到2个土壤深度35 cm以下根系密度QTL。Courtois等[32]检测了167份热带粳稻在土层30 cm以下的根生物量和根干重,在1、2、3、4、7、8、10、11、12号染色体上分别发现了19个和23个显著关联位点,检测到深根数关联位点7个(1、2、4、7、10号染色体)、深根生物量比例关联位点3个(1、4、8号染色体)。Phung等[59]在根管中观察了180份越南水稻种质的根系相关性状,在6、10、12号染色体上定位到3个控制40—60 cm根生物量的QTL,在1、2、6号染色体上检测到了7个调控60 cm以下根生物量的QTL,在1、2、6、10号染色体上鉴定到5个控制40 cm以下根干重的QTL。Terra等[60]在温室观察了‘IAC165’与‘BRS Primavera’配置的150份F2:3家系在5—25 cm土层和25—45 cm土层的根长、根面积和根体积,在3号染色体上定位到1个与5—25 cm土层根长、根面积和根体积相关的QTL,在1号染色体上定位到1个与25—45 cm土层的根长、根面积和根体积相关的QTL。Li等[61]观察了529份重测序水稻种质在水旱两种条件下成熟时的21个根系性状,包括6个深根比例性状、2个深根体积和2个深根干重性状,10个深根性状共检测到299个关联SNP,位于225个位点。Sabar等[62]检测了‘IR55419-04’∕‘Super Basmati’的418个F2单株在PVC管中60—100 cm处的深根长、深根体积、深根面积和深根直径,均在3号染色体相同或部分区间重叠的地方定位到了1个QTL。

5 水稻深根性基因的挖掘

随着测序技术的进步,转录组技术逐渐成为解析植物生长发育、逆境应答等重要生物学过程分子机制和基因发掘的利器。在水稻抗旱研究过程中有学者对干旱胁迫下的根系转录组特征进行了研究,但涉及根系转录组的研究较少,有3篇文章报道了PEG处理下的水稻幼苗根系转录组分析[63-65]及对采集自根管水旱生长下根系开展的转录组分析[66],但这些研究与深根性没有直接关联。

同一水稻品种的根系生长角度存在广泛的变化。为了解不同生长角度根系形成和维持的分子机制,Lou等[67]系统分析了37个具有不同深根比水稻品种的浅根与深根的转录谱,14个深根材料的平均深根比为52.7%,15个低深根比材料的平均深根比为13.2%,8个中等深根比材料的平均深根比为22.3%。采用篮子法水培获得37个水稻品种的大、小生长角度根系的根尖样品,通过RNA-seq获得了74个根系样品的转录组信息,检测到40 117个基因用于后续分析。聚类分析表明:74个样品分成两群,所有14个深根型材料聚成一类,所有15个浅根型材料聚成一类,6个中等深根比材料与深根型材料聚集在一起,2个中等深根比材料与浅根型材料聚集在一起。同一个材料的2个根系生长角度不同的根系样品(深根和浅根)全部聚在一起,品种内深根、浅根之间的基因表达差异大大小于品种间。两群之间共发现13 242个表达量差异基因,其中11 945个差异表达基因存在于深根型和浅根型品种之间,筛选了FPKM值＞0.5的1 789个差异基因用于富集分析,这些基因绝大部分与根系分布有关,富集在遗传信息加工和代谢等10个通路中。37个水稻品种的深浅根之间分别检测到599、488、299个差异表达基因,同一类别材料的绝大部分差异表达基因的表达模式相同,这些基因富集在18个KEGG通路,其中17个属于代谢途径,特别是能量代谢途径。检测到了10个数量性状转录子,部分转录子参与能量代谢途径。用qRT-PCR和微阵列技术microarray验证了49个候选差异表达基因。基因共表达网络分析发现了18个节点基因,一半的节点基因是线粒体基因组基因,主要与能量代谢相关,特别是ATP生物合成;18个节点基因中的17个在深根中的表达量都高于浅根,深根中的ATP生产比浅根快。这些都是水稻深根研究的重要潜在候选基因,需要持续关注。

6 展望

抗旱性是一种非常复杂的非生物胁迫抵抗机制,抗旱机制存在避旱性、耐旱性、逃旱性、复原抗旱性等4种类型,其中避旱性被认为是抗旱性的第一道防御,深根性作为避旱性最重要的性状得到了学者的广泛关注,对与深根性密切相关的根系生长角度、根系向重力性、根系穿透力、深层土壤根系分布等性状开展了大量遗传研究,定位了大量QTL(表1和表2)。但目前水稻深根抗旱育种进展不大,今后水稻深根性的研究还需要加强以下两个方面的工作。

6.1 加快主效深根性QTL的精细定位克隆

目前已定位了110多个根系生长角度QTL、309个深层土壤根系性状QTL、5个根系向重力性QTL及23个根系穿透力QTL,但已克隆的主效QTL只有DRO1[18]和qSOR1[27]。Li等[63]通过全基因组关联分析鉴定了2个根系相关基因Nal1和OsJAZ1,通过表达量的改变可以调控根长、根数、根体积和根重,但其抗旱性效应还有待证实。通过根型突变体已克隆了sor1[13,15]、docs1[14]、lra1[16]和rmd[17]等影响根角度的基因,它们与水分和养分的关系还需要进一步研究确认。DRO1有利等位基因在水稻种质资源中广泛存在,在抗旱育种中的利用价值有限;qSOR1主要是调控地表根性状,难以应用到抗旱育种。这些根角度基因还无法满足目前水稻根系抗旱育种的需要。

Ding等[68]评估了17个水稻抗旱QTL近等基因系在水旱两种条件下的农艺性状,最终只确定4个产量QTL和3个根系QTL的效应,说明复杂数量性状的QTL定位准确性不高,QTL在应用于抗旱分子育种计划之前必须验证其真实性并获得其精确位置和真实遗传效应。虽然已定位了110多个根角度QTL,但只有DRO2[29]、DRO4[31]、qRCA4[36]、qRDR5[46]等少量主效QTL在多个群体中被检测到,今后要加快对这些主效QTL的精细定位克隆,明确其效应及在抗旱分子育种中的利用方式。

根系穿透力是深根性非常重要的组成部分,对于深层土壤紧实度较高或存在犁底层的稻田更是水稻必备的深根特性,因此较早就得到了水稻根系研究者的重视,但2000年后很少有水稻根系穿透力的遗传研究报道[49-52],也没有根系穿透力QTL精细定位克隆的报道。上述4个水稻根系穿透力研究均采用蜡质层法,蜡质层配置比较复杂,检测根系穿透力还需特定装置,这些都妨碍了对大量材料的精准鉴定,今后需要创新根系穿透力研究方法以打破这种僵局。根系角度与向重力性密切相关,但水稻根系向重力性遗传研究偏少[47-48],也没有相关QTL精细定位克隆的报道,加强对根系向重力性的遗传研究也会促进深根性的研究。Ogura等[69]在拟南芥中利用高通量的图像采集技术,通过关联分析克隆了一个响应重力应答的基因EXOCYST70A3,特定地作用于生长素向外运输蛋白PIN4的分布,精准调控拟南芥根系统构型以适应降雨模式。可见,发展应用高通量自动化无损连续精准的表型鉴定技术是加快发掘复杂数量性状QTL的重要途径。

6.2 针对目标环境开展水稻深根QTL发掘

水稻根系的生长发育受多种因素的影响,土壤质地和水分状况对根系的生长影响最大。旱地没有犁底层,土壤紧实度逐渐增加,雨养低洼稻田往往存在犁底层,根系生长过程中会遇到土壤机械阻力,水稻根系在这两种土壤中生长时遇到的土壤机械阻力和其采用的穿透机制都是不同的。Cairns等[58]将同一套重组自交系群体种植在水田和旱地,在两种田块干旱处理后,土层35 cm以下根系密度QTL只在旱地中检测到,卷叶、干叶、叶片相对含水量的绝大部分QTL也只在一种田块中被检测到。因此,针对不同土壤生态环境要采用合适的研究方法对目标深根性状开展QTL发掘,以促进深根QTL在水稻抗旱分子育种中的应用。