李 琼,姜 雪 (.茅台学院酿酒工程系，贵州仁怀 564507；2.贵州省农业科学院水稻研究所，贵州贵阳 550006)

水稻(L．)是世界上最重要的粮食作物之一，全世界约40%的人口以稻米为主食，其中90%的水稻种植者和消费者集中在亚洲。我国是世界水稻生产和消费第一大国，60%左右的中国人以稻米为主粮，水稻作为我国的主要粮食作物之一，其种植面积约3 067万hm，居我国粮食作物的第二位。由此可见，保证水稻生产对保障我国乃至世界粮食安全有着重要意义。近年来，我国的粮食消费量随着人口数量的增长而急剧增加，作为世界第一人口大国，我国稻米进口量已位于全球之首。2019年，我国人口数量达到14亿，2030年预计将突破16亿接近17亿，粮食将短缺超过1亿t。因而，提高水稻产量不仅是解决世界粮食安全的重要途径，也是解决我国粮食安全问题的关键。伴随工业化进程，农业资源愈加紧缺，人增地减的趋势愈演愈烈，因而靠扩大种植面积来提高稻米的总产量几乎不可能，唯一的途径是依靠技术手段，发展并培育出更多具有理想株型、优质高产的水稻新品种，大幅度提高单产水平，从而增加稻谷总产量，以满足人们日益增长的需求。

水稻的产量主要构成因素有每穗粒数、有效穗数及粒重，其中每穗粒数和粒重是产量的直接影响因素；而有效穗数和有效分蘖数等同，是株型的重要组成部分。长久以来，株型改良在提高水稻单产中发挥重要作用。“绿色革命”正是由于推广了抗倒伏半矮秆的小麦与水稻新品种，从而改善了植株株型，使得世界粮食产量有了巨大的提升，为解决我国乃至世界粮食危机作出重要贡献。因此，对水稻粒型和株型遗传机制进行研究，从分子水平上阐明其遗传机制，将有助于认识其遗传特点，进而有助于培育出优质高产的水稻新品种，提高世界粮食产量，造福人类。

1 水稻理想株型的遗传研究

所谓株型，指的是植株的形态结构及其生理、生态特点，是植株的形态结构及其生理和生态所独具的特殊功能等诸方面的综合体现。故株型的型是类型的“型”，而绝不是形态的“形”。“绿色革命”中半矮化基因在作物的遗传改良得到广泛使用后，株型育种也逐渐成为育种专家关注的重点。化肥工业的发展使半矮秆作物品种在全世界范围内得到了推广使用，有效解决了发展中国家“饥饿”的问题。基于上述情况，育种专家开始寻找“理想株型”进而最大程度获得作物的收获产量。“理想株型”的概念最早由Donald提出(1968年)，目的是在农作物育种中基于假定群体内个体间无差异从而寻找个体间竞争强度最小而个体能够最大限度利用光能和营养，提高单位面积的收获指数。后续科学家们对理想株型进行了大量研究，提出了多种理想模式。理想株型的三大特点是耐肥抗倒、适合密植、谷草比大，是在特定的生态环境条件下各种与丰产性相关有利性状的最佳组配结果。具体的表型指标有半矮秆、穗大且直立、分蘖力中等。

理想株型的选育是提高水稻抗倒伏能力的重要途径，也是提高产量的关键因素。1(Ideal Plant Architecture 1)是控制水稻理想株型的主效基因，该基因编码的含SBP-box的转录因子参与了多个生长发育过程的调控。1对水稻株型和产量具有促进作用，是由于1含有miR156的靶位点，在体内会以转录切割和翻译抑制2种形式被miR156调控。如果1基因的第3个外显子发生C到A的点突变，会影响miR156对1的结合，进而破坏miR156对1的调控作用，最终导致1转录本和蛋白量同时升高。转基因研究表明，尽管点突变导致了氨基酸的改变，但是该突变没有改变1蛋白的功能，1高表达产生分蘖少、茎秆粗壮、穗大粒多的理想株型并获得10%以上的增产。

然而，1如何影响株型以及1是否与其他控制株型的基因存在互作关系仍然未知。李家洋团队通过Chip-seq方法，在全基因组范围内找到多个1直接靶向的位点，证明IPA1是调控水稻株型的关键转录因子。他们发现1能够直接结合到Rice Teosinte Branched 1 (1)基因启动子区域的GTAC motif以及直接正向调控 Dense and Erect Panicle (1)基因，其中1与玉米中控制分蘖的关键基因1基因同源。1基因抑制水稻分蘖的产生，1基因控制水稻穗型，进而影响株高以及圆锥花序的长度。通过对1靶标基因功能的阐明将有助于理解植物株型潜在的分子机制，进一步促进理想株型的育种应用。

最近李家洋团队应用酵母双杂交的方法，筛选到一个与IPA1在细胞核内发生互作的蛋白IPA1 Interacting Protein 1(IPI1)，该基因编码一个Ring-finger E3连接酶。在圆锥花序中，1基因可以促进IPA1的降解，然而1可以使IPA1在茎尖中稳定表达。与野生型相比，IPI1突变体株型明显被改变，表现为水稻分蘖数增多，圆锥花序伸长以及单株产量的提高等特性。另外，在茎尖组织中，IPI1能够对IPA1进行多聚泛素化修饰以调控其蛋白含量，但是在不同的组织中，泛素化修饰的类型是不同的，泛素化修饰的差异决定了IPA1蛋白是降解还是稳定的状态。这些结果都证明，在不同的水稻组织中，IPI1通过对IPA1蛋白水平的精确调控来影响水稻株型，这些发现将会为水稻理想株型的培育工作带来新的视角和策略。

李家洋科研团队与何祖华科研团队通过合作，利用YY12超级稻品种的原始品系克隆了调控株型的主效基因81-2，该位点位于大片段三元串联重复序列中，处于1基因的上游，这段基因组结构变异使启动子区甲基化水平降低，1基因表达量升高，从而产生了具有适当分蘖数量的理想株型。科学家们进一步研究也发现IPA1对水稻株型也有着精细剂量的调控效应，利用不同的等位基因组合能够创造不同的基因表达水平，从而合理地平衡分蘖数和穗粒数因素，实现最高的产量潜力。这些研究为解析水稻株型精细调控机理奠定了基础，也为分子设计育种提供了技术途径。

独脚金内酯作为一种新型植物激素在植物株型形成过程中发挥了重要作用，能够作为一种信号分子长距离传输进而抑制侧芽的生长，控制侧分枝。对独脚金内酯信号途径的研究具有重要的科学价值。李家洋科研团队长期从事水稻株型建成机制研究，系统解析了理性株型及独角金内酯的合成途径和信号转导。DWARF53(D53)是独角金内酯信号通路过程中重要的负调控因子，可能调控了该激素下游响应网络。最新研究发现IPA1是D53下游的直接调控因子，它能够影响独脚金内酯基因表达的改变以及分蘖数量。IPA1功能缺失突变体出现了分蘖数量增多的表型结果，且对外源施加的激素人工合成类似物rac-GR24不敏感；D53蛋白能够与IPA1蛋白直接作用，抑制基因的转录激活活性，进而负调控下游基因的表达。该结果表明，IPA1即D53下游的转录因子，直接受D53调控，参与独脚金内酯激素的信号途径。此研究还通过解析IPA1和D53调控网络关系，更进一步丰富了水稻理想株型的分子机制，为水稻的分子育种提供了新的策略。

2 水稻产量相关基因的研究进展

3(Grain Size 3)位于水稻3号染色体上，是首个被克隆的控制粒型的数量性状位点(QTL)。该基因主要调控水稻的粒长和粒重性状，微效调控粒宽和粒厚性状。3的编码蛋白是包括了4个结构域的跨膜蛋白，对粒重起负调控作用，这4个结构域分别是N端为植物特有的控制器官大小OSR(organ size regulation)结构域、肿瘤坏死因子受体/神经生长因子受体TNFR/NGFR、跨膜结构域、C端的C型血管性血友病因子VWFC模块。其中OSR结构域是一个起负调控作用的关键因子，野生型3等位基因的水稻籽粒长度为中等，但丢失OSR结构域的突变型水稻籽粒会变长，同时粒重增加。3的C端TNFR/NGFR和VWFC 2个结构域能够共同抑制OSR结构域的功能，2个结构域丢失的突变型水稻籽粒长度会变短。通过对82份水稻种质资源进行重测序发现，其3可以分为4种等位基因。等位基因3-3与63基因型一致，其包括11个长粒的品种，此等位基因造成氨基酸无义突变，导致以上4个结构域的缺失；3-1和3-2等位基因分别与Zhenshan97和Nipponbare一致，其包含所有预测的4个结构域，籽粒表现为中等长度；3-4等位基因与Chuan7和一些在第5个外显子突变的材料一致，其编码的蛋白缺少TNFR/NGFR结构域和VWFC结构域，籽粒的长度受到明显的抑制。在细胞水平上，3调控颖片上表皮细胞的数目来影响籽粒长度，表明3可能在细胞分裂过程中扮演重要的作用。

水稻穗型的主要调控基因是19-1。1编码了一个G蛋白的γ亚基，该亚基区域富含半胱氨酸。与动物蛋白一样，植物的G蛋白也包含、、亚基，但区别是植物通过G蛋白α亚基自发进行GTP与GDP交换从而激活G蛋白，信号通过α亚基与βγ二聚体分别传递，参与植物生长发育过程中的生理生化反应。1的第5外显子处发生637 bp缺失和12 bp插入突变，导致了C端翻译的提前终止，γ亚基的富含半脫氨酸区域缺失，该缺失突变增强了G蛋白信号的传递，提高分生组织活性，促进细胞增殖，从而表现出每穗粒数的增加。

1也包含有OSR-like的结构域，推测3和19-1在负向调控细胞分裂过程中有功能相似性。3和19-1与拟南芥中AGG3同源，其编码一个非典型的异源三聚体G蛋白γ亚基。同样AGG3包含有OSR-like的结构域、TNFR/NGFR结构域和VWFC结构域。3基因依赖G蛋白信号传导参与调控保卫细胞的K离子通道的运输及器官大小，超表达植物器官变大而突变型器官则变小，细胞水平的分析证明3主要通过促进细胞的增殖进而正向调控器官的大小。而3基因的γ亚基缺失突变使籽粒长度增加，相反，OSR结构域的超表达或1基因γ亚基的获得性突变能够使籽粒长度变短。表明水稻中，3和1基因的G蛋白γ亚基与3基因功能的不同，可能是由于3和1基因G蛋白信号位置不同或者它们可能调控独立于传统的G蛋白信号通路。

胚乳的发育过程是初生胚乳核进行核分裂产生多核细胞，多核细胞被细胞化转化，合体到细胞化阶段影响着水稻籽粒的大小。Ishimaru等利用日本晴和Kasalath衍生的高代回交群体定位到一个控制千粒重的数量性状基因6，精细定位能够将其区间缩小在4.9 kb范围之内，基因预测结果发现该区间仅有一个候选基因。6(Thousand Grain Weight 6)基因编码了一个吲哚乙酸-葡萄糖水解酶，该产物能够使吲哚乙酸-葡萄糖的结合物水解为吲哚乙酸和葡萄糖单体。与日本晴的基因序列相比对， Kasalath的6等位基因序列中有6个碱基发生了同义突变，另外1个碱基的缺失使蛋白的翻译提前终止。6基因功能的缺失导致胚乳中游离吲哚乙酸含量下降，进而细胞数量增加，粒重和粒长也随之增加，该基因对粒长性状起负调控作用。除此之外，6还间接参与了源库之间碳水化合物的运输。日本晴品种的6等位基因通过调控IAA供应影响合体到细胞化的转变，进而限制了库器官的细胞数目和籽粒长度，而Kasalath中6等位基因功能丧失会导致籽粒重量增加实现增产。

77(Grain Length 7/Grain Weight 7)是一个数量性状基因，控制着粒长和粒重。该基因编码的TONNEAU1招募基序蛋白与拟南芥的LONGIFOLIA蛋白是同源，后者能够调节细胞纵向伸长。基因功能分析研究表明，该位点发生的大片段重复使表达量上升，同时相连锁的2个负调控因子表达量下降，最终表型上粒长和千粒重有所增加，而垩白度和垩白米率降低显著，改善了稻米品质的同时而产量未受影响。7基因表达量的上调使纵向细胞分裂数目增加了而横向细胞分裂减少，最终细长籽粒增多。进一步的分析表明，OsSPL16/GW8能够与7基因的启动子区域直接结合从而抑制该基因的表达。上述研究表明77基因的克隆对于水稻高产优质育种具有重要的应用价值。

7(grain length and wieight on chromosome 7)编码一个植物特有的转录因子OsSPL13，控制粒长和粒重。笔者通过对40个热带和341个温带粳稻品种的全基因组关联分析(GWAS)，将7定位于第7染色体的18.5～21.0 Mb区段。经过进一步的关联分析以及表达分析，最终确定7为13。该基因是个正向的调控因子，可通过增大颖壳细胞的大小，进而促进籽粒伸长，最终显著地提高产量。笔者发现，7表达和翻译水平受其启动子上一个串联重复序列影响，而13在这些大粒的热带粳稻品种中表达量较高。通过进化分析的研究表明，热带粳稻的7大粒等位基因是经人工选择从籼稻渗入而来。

关于水稻穗发育基因的研究结果表明，(frizzy panicle)能够阻止腋芽分生组织的形成同时建立起花序分生组织，并与水稻产量关联紧密。是一个重要的发育基因，编码蛋白如果改变水稻就无法结实；而控制基因的表达量可以控制水稻的产量。基因的表达功能强，水稻籽粒就变大，数量减少；基因的表达功能弱，水稻籽粒就变小，数量增加。因此FZP表达量的变化调控着每穗粒数和千粒重之间的平衡，也是水稻产量最大化的潜在利用因素。邢永忠研究团队利用粒型表现差异显著的亲本Chuan7和Nanyangzhan构建群体，通过图位克隆的方法发现在Chuan7的基因上游5.3 kb处有一个转录沉默子发生了复制使拷贝数变异，片段长度18 bp，最终使Chuan7里有2个18 bp片段串联在一起，影响着水稻的千粒重和每穗粒数。进一步分析发现转录抑制子OsBZR1结合了CNV-18 bp中的基因序列，使该基因的表达受到抑制。而发生了18 bp串联重复的基因比单个拷贝的基因表达量低，使得籽粒略微变小而籽粒数量增加；最终千粒重大概减少了10%左右，每穗粒数增加40%～50%，单位穗数差异不大，而产量高出了15%左右。绝大多数水稻只有1个18 bp片段，只有分布在印度、孟加拉等东南亚国家的少数品种才有2个自然发生变异的串联重复。该成果在水稻增产育种领域具有广阔的应用前景。

1(number of grains 1)编码烯酰-CoA水合酶/异构酶蛋白，通过增加每穗粒数来提高水稻产量。该基因的功能位点是其启动子区域的12 bp的插入可以增加1基因的表达量，增强烯酰-CoA水合酶的活性，减少了脂肪酸和亚麻酸的含量，体内JA含量降低，进而增加每穗粒数提高产量。将1基因导入到水稻品种Zhonghua17(不含NOG1位点)，其产量可提高25.8%。而且在水稻品种Teqing中过表达该基因可以提高产量达19.5%，同时，其他农艺性状没有受到影响。该研究表明，1的优良等位基因对水稻产量的提高有着重要的意义，进一步解析1的分子机制将对水稻产量的提高提供理论依据。

3 展望

通过对水稻产量相关性状(株型、籽粒性状)的分子机理进行研究，克隆其调控网络中不同环节上控制产量性状的关键基因，从而揭示影响水稻产量基因的遗传机制，不仅能够促进对于植物发育模式的理解，而且能为作物遗传改良提供理论基础。同时应用基因编辑技术CRISPR/Cas9，分离和鉴定水稻等重要粮食作物中产量性状的突变体及其相应的调节因子，也将有助于揭示控制作物生长发育的分子机理，进而通过遗传操作改良现有作物品种的株型，提高产量，从而缓解粮食供需矛盾，为解决当前人类所面临的粮食危机提供一个新的突破口。同时，水稻作为单子叶模式作物，对其进行的研究结果也将为其他作物的研究提供重要的参考价值，利用双子叶植物和单子叶植物之间生长发育控制机制的保守性，人们就可通过反向遗传学的手段定向地改造植物株型，培育出具有理想株型的作物新品种。