《厦门大学学报(自然科学版)》：我国水稻分子育种研究进展（朱义旺、林雅容、陈亮）

第55卷第5期 厦门大学学报(自然科学版 Vol 55 No 5 2016年9月 Journal of Xiamen University(Natural Science) doi:10.6043/j.isn.0438-0479.201604103 农业生产专题 ·综述 我国水稻分子育种研究进展 朱义旺1:,林雅容12,陈亮1 (1.厦门市植物遗传重点实验室,厦门大学生命科学学院,福建厦门361102; 2.福建省农业科学院生物技术研究所,福建省农业遗传工程重点实验室,福建福州350003) 摘要:分子标记辅助选择育种和转基因育种是水稻分子育种的主要内容,同时基因编辑技术的发展为水稻分子育种注 入新的活力从产量、品质、抗逆等方面闸述了水稻分子育种的生物学基础,综述了我国近几年水稻分子育种研究成果以 及基因组编辑技术在水稻分子育种上的应用进展 关键词:水稻;分子育种;转基因;基因组编辑技术 中图分类号:Q37 文献标志码:A 文章编号:0438-0479(2016)05-0661-11 水稻杂交育种为保障我国的粮食安全作出了重品种改良储备了重要的基因资源 要的贡献,但是随着时代进步以及日愈复杂的环境变1.1与产量相关的重要基因 化,其发展潜力难于高效满足日愈多样化的市场需求 产量性状是复杂的数量性状,水稻产量由单位面 水稻分子育种借助分子生物学与经典遗传学的理论积有效穗数、每穗粒数和粒重3个因素构成,其中粒 基础,以分子标记技术、转基因技术、生物信息学手段重主要由粒长、粒宽、粒厚和籽粒充实度4个因素共 进行新型的分子水平育种,克服了水稻常规育种周期同控制此外,株型、穗型等因素也会影响水稻单位面 长、效率低的缺点已成为现代水稻育种发展的主要积产量近10年来,我国科研工作者已经克隆了相当 方向,是我国粮食安全的重要技术保障此外,近几年部分影响水稻产量的重要基因(表1),其中包括 基因编辑技术的飞速发展为水稻分子育种工作展示Gw2、Gw5四、Gw8、Gs5等粒型主效基因及 了广阔的前景以下主要概述近几年水稻功能基因研Gmd7、DTH8等同时影响水稻光周期和产量性状 究成果和水稻分子育种的研究进展,并展望基因编辑的一因多效基因.另外,控制水稻穗型的主效基因 技术应用于水稻分子育种的发展潜力 DEP1突变能促进细胞分裂,从而通过增加穗枝梗数 和每穗粒数来促进水稻增产口.而直立型密穗基因 1水稻分子育种的生物学基础 DEP2除了调控水稻穗型,还具有控制种子大小的功 能,突变体dep2表现为直立穗、小圆粒种的表型,氮 水稻种质资源中优势等位基因的鉴定和利用是高效基因NRT1.1B编码一个硝酸盐转运蛋白,在 水稻分子育种的生物学基础大量突变体库、基因全长粳稻和籼稻中存在一个碱基的差异,通过对比发现籼 cDNA文库、高通量高精度测序等一批水稻功能基因型NRT1.1B具有更高的硝酸盐吸收及转运活性,且 组研究平台的建立,以及插入标签、基因表达信息、图含有籼型NRT1.1B的近等基因系分蘖数目以及产 位克隆等基因克隆体系的日益完善,实现了一大批控量均有显著增加最近,储成才科研团队和福建农业科 制水稻产量、品质、抗逆等相关基因的克隆,并且大部学院赵明富研究组从水稻大粒材料RW11中克隆了 分在农业生产中表现出较为良好的应用前景,为水稻 个控制水稻粒长的显性基因GL2,在不影响相关重 收稿日期:2016-04-08录用日期:2016-06-15 基金项目:国家自然科学基金(31560297);福建省科技重大专项(2015NZ002-3) 通信作者:cheng@xmu.edu.cn 引文格式:朱义旺,林雅容,陈亮我国水稻分子育种研究进展[刀]厦门大学学报(自然科学版),2016,55(5):661-671 Citation:ZHU Y W, LIN Y R, CHEN L. Research progress of rice molecular breeding in China[J. Journal of Xiamen University Natural Science), 2016,55(5):661-671.(in Chinese http://jxmu.xmu.edu.cn

第55卷 第5期 厦门大学学报(自然科学版) Vol.55 No.5 2016年9月 JournalofXiamenUniversity(NaturalScience) Sep.2016 http:∥jxmu.xmu.edu.cn doi:10.6043/j.issn.0438-0479.201604103 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 􀪍 􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍 􀪍 􀪍农􀪍业生产专题 ·综 述· 我国水稻分子育种研究进展 朱义旺1,2,林雅容1,2,陈 亮1* (1.厦门市植物遗传重点实验室,厦门大学生命科学学院,福建 厦门 361102; 2.福建省农业科学院生物技术研究所,福建省农业遗传工程重点实验室,福建 福州 350003) 摘要:分子标记辅助选择育种和转基因育种是水稻分子育种的主要内容,同时基因编辑技术的发展为水稻分子育种注 入新的活力.从产量、品质、抗逆等方面阐述了水稻分子育种的生物学基础,综述了我国近几年水稻分子育种研究成果以 及基因组编辑技术在水稻分子育种上的应用进展. 关键词:水稻;分子育种;转基因;基因组编辑技术 中图分类号:Q37 文献标志码:A 文章编号:0438-0479(2016)05-0661-11 收稿日期:2016-04-08 录用日期:2016-06-15 基金项目:国家自然科学基金(31560297);福建省科技重大专项(2015NZ002-3) *通信作者:chenlg@xmu.edu.cn 引文格式:朱义旺,林雅容,陈亮.我国水稻分子育种研究进展[J].厦门大学学报(自然科学版),2016,55(5):661-671. Citation:ZHU Y W,LIN YR,CHENL.ResearchprogressofricemolecularbreedinginChina[J].JournalofXiamenUniversity (NaturalScience),2016,55(5):661-671.(inChinese) 水稻杂交育种为保障我国的粮食安全作出了重 要的贡献,但是随着时代进步以及日愈复杂的环境变 化,其发展潜力难于高效满足日愈多样化的市场需求. 水稻分子育种借助分子生物学与经典遗传学的理论 基础,以分子标记技术、转基因技术、生物信息学手段 进行新型的分子水平育种,克服了水稻常规育种周期 长、效率低的缺点,已成为现代水稻育种发展的主要 方向,是我国粮食安全的重要技术保障.此外,近几年 基因编辑技术的飞速发展为水稻分子育种工作展示 了广阔的前景.以下主要概述近几年水稻功能基因研 究成果和水稻分子育种的研究进展,并展望基因编辑 技术应用于水稻分子育种的发展潜力. 1 水稻分子育种的生物学基础 水稻种质资源中优势等位基因的鉴定和利用是 水稻分子育种的生物学基础.大量突变体库、基因全长 cDNA 文库、高通量高精度测序等一批水稻功能基因 组研究平台的建立,以及插入标签、基因表达信息、图 位克隆等基因克隆体系的日益完善,实现了一大批控 制水稻产量、品质、抗逆等相关基因的克隆,并且大部 分在农业生产中表现出较为良好的应用前景,为水稻 品种改良储备了重要的基因资源. 1.1 与产量相关的重要基因 产量性状是复杂的数量性状,水稻产量由单位面 积有效穗数、每穗粒数和粒重3个因素构成,其中粒 重主要由粒长、粒宽、粒厚和籽粒充实度4个因素共 同控制.此外,株型、穗型等因素也会影响水稻单位面 积产量.近10年来,我国科研工作者已经克隆了相当 一部分影 响 水 稻 产 量 的 重 要 基 因 (表 1),其 中 包 括 GW2 [1]、GW5 [2]、GW8 [3]、GS5 [4]等 粒 型 主 效 基 因 及 Ghd7 [5]、DTH8 [6]等同时影响水稻光周期和产量性状 的一 因 多 效 基 因.另 外,控 制 水 稻 穗 型 的 主 效 基 因 DEP1 突变能促进细胞分裂,从而通过增加穗枝梗数 和每穗 粒 数 来 促 进 水 稻 增 产[7].而 直 立 型 密 穗 基 因 DEP2 除了调控水稻穗型,还具有控制种子大小的功 能,突变体dep2 表现为直立穗、小圆粒种的表型[8].氮 高效基因 NRT1.1B 编码一个硝酸盐转运蛋白[9],在 粳稻和籼稻中存在一个碱基的差异,通过对比发现籼 型 NRT1.1B 具有更高的硝酸盐吸收及转运活性,且 含有籼型 NRT1.1B 的近等基因系分蘖数目以及产 量均有显著增加.最近,储成才科研团队和福建农业科 学院赵明富研究组从水稻大粒材料 RW11中克隆了 一个控制水稻粒长的显性基因GL2,在不影响相关重

夏门大学学报(自然科学版) 2016年 表12008—2016年部分已克隆的水稻产量性状相关基因 ab1 Part of rice yield-related genes cloned from 2008 to 2016 基因名称 编码蛋白 控制性状 生物学功能 参考文献 GW5 核定位蛋白 粒宽、粒重 GW5功能缺失时将无法转移泛素至靶蛋白[2] 上,未降的解靶蛋白进一步激活颖花外壳细胞 的分裂,增加谷壳的宽度及粒重 Gw8 含SBP结构域的 粒型、品质 通过直接结合抑制GW7启动子,下调它的表3] 转录因子 达水平 G55 丝氨酸羧肽酶 粒宽、充实度、千粒重GS5启动子区域的两个关键单核苷酸多态性4] (SNPs)造成水稻幼穗中GS5的差异表达,决 定了籽粒大小的差异 Ghd? 含CCT核蛋白 穗粒数、株高、抽穗期受phyA、phyB、phyC诱导增强表达,从而推5] 迟抽穗、增加株高和每穗粒数 DTH8 CCAAT盒结合蛋白穗粒数、株高、抽穗期长日照条件下,GhdB8通过调节Ehdl、RFT1[6] 和Hd3a延迟水稻开花,但短日照条件下并不 抑制这些基因促进水稻开花 DEPI 蛋练 体G蛋白的穗型、穗粒数、粒型 突变的DEPl能引起稻穗变短、直立、着粒密[7] 集,以及氮不敏感型营养生长,从而促进水 增产15%~20% DEP2 植物特有的定位于穗型、粒型 调控水稻穗型,并参与控制种子大小 内质网的蛋白 NRT.1B硝酸盐转运蛋白分蘖数目、氮高效利用籼稻NRT1.1B变异通过提高根向茎的氮运[9] 输能力以及上调硝酸盐应答相关基因的表达 来促进硝酸盐利用 GL2 GRF转录因子 粒长、粒宽、粒重 与转录共激活子 OSGRFs互作,调控细胞伸长[10-11 和细胞分裂,影响水稻粒型和粒重;另外受 Os miR396识别剪切,当它的识别序列突变后, OmiR396失去对其剪切功能,产生大粒表型 含4个结构域的粒重和粒长的主效基因个控制籽粒大小的主效数量性状基因座[12] 跨膜蛋白 (QTL),在调节籽粒和器官大小中发挥负调节 子的功能 IPAI mosa启动子株高、分蘖、穗粒数 受 microRNA156的调控,当 Os SPLI4特定位13] 结合蛋白 点突变后,水稻分蘖减少,穗粒数和千粒重增 加,同时茎秆变得粗壮,抗倒伏能力增强,进而 产量提高 OsPPKl1,2,3含有 Kelch重复域的粒长 OsPPKL突变体使水稻粒形变短, OsPPKl2[14] 蛋白磷酸酶 和 OsPPKI3是该基因的同源基因,在水稻粒 长调控中分别发挥正、负调节子的作用 OsMKK4丝裂原活化蛋白穗型、粒型、株高 影响油菜素内酯(BR)应答以及BR相关基因[15] 激酶 表达,在种子生长中可能作为MAPK通路和 BR间的连接因子 TGw6 IAA-葡萄糖水解酶粒重 通过IAA直接控制胚乳的长度,还间接参与源[16] 到库的碳水化合物的运输 生长素特异诱导的粒型 生长素响应和转运的正调控因子,是植物特异[17 未知功能蛋白 的控制器官大小的调节因子 CYP78A13蛋白 粒长、粒宽、粒厚、千粒调控水稻胚发育、茎顶端分生组织维持和籽粒[18] 重、胚的大小 FUWA含NHL结构域的株高、分蘖、穗粒数、粒在禾本科作物中进化保守,通过限制细胞周期[19] 型、千粒重 过程,调控茎杆和小穗的发育 GL W7 SBP型转录因子 粒长、粒重 可直接结合于SRS5启动子,通过延伸细胞长[20] 度增加粒长以及千粒重 要产量性状的基础上增大粒型,从而使单株产量增加究论文也同期发表在《 Nature genetics》上,从不同角 [on%9.91 值得注意的是,另有一篇关于该基因的研度对该基因的分子机制展开探讨,共同说明该基因对 http://jxmu.xmu.edu.cn

厦门大学学报(自然科学版) 2016年 http:∥jxmu.xmu.edu.cn 表1 2008—2016年部分已克隆的水稻产量性状相关基因 Tab.1 Partofriceyield-relatedgenesclonedfrom2008to2016 基因名称 编码蛋白 控制性状 生物学功能 参考文献 GW5 核定位蛋白 粒宽、粒重 GW5 功能 缺 失 时 将 无 法 转 移 泛 素 至 靶 蛋 白 上,未降的解靶蛋白进一步激活颖花外壳细胞 的分裂,增加谷壳的宽度及粒重 [2] GW8 含SBP结构域的 转录因子 粒型、品质 通过直接结合抑制 GW7 启动子,下调它的表 达水平 [3] GS5 丝氨酸羧肽酶 粒宽、充实度、千粒重 GS5 启动子区域的两个关键单核苷酸多态性 (SNPs)造成水稻幼穗中 GS5 的差异表达,决 定了籽粒大小的差异 [4] Ghd7 含 CCT核蛋白 穗粒数、株高、抽穗期 受phyA 、phyB、phyC 诱导增强表达,从而推 迟抽穗、增加株高和每穗粒数 [5] DTH8 CCAAT盒结合蛋白 穗粒数、株高、抽穗期 长日 照 条 件 下,Ghd8 通 过 调 节 Ehd1、RFT1 和 Hd3a 延迟水稻开花,但短日照条件下并不 抑制这些基因促进水稻开花 [6] DEP1 三聚体 G蛋白的 γ亚基 穗型、穗粒数、粒型 突变的 DEP1 能引起稻穗变短、直立、着粒密 集,以及氮不敏感型营养生长,从而促进水稻 增产15%~20% [7] DEP2 植物 特 有 的 定 位 于 内质网的蛋白 穗型、粒型 调控水稻穗型,并参与控制种子大小 [8] NRT1.1B 硝酸盐转运蛋白 分蘖数目、氮高效利用 籼稻 NRT1.1B 变 异 通 过 提 高 根 向 茎 的 氮 运 输能力以及上调硝酸盐应答相关基因的表达 来促进硝酸盐利用 [9] GL2 GRF转录因子 粒长、粒宽、粒重 与转录共激活子 OsGRFs互作,调控细胞伸长 和细胞 分 裂,影 响 水 稻 粒 型 和 粒 重;另 外 受 OsmiR396识别剪切,当它的识别序列突变后, OsmiR396失去对其剪切功能,产生大粒表型 [10-11] GS3 含4个结构域的 跨膜蛋白 粒重和粒长的主效基因 一个控 制 籽 粒 大 小 的 主 效 数 量 性 状 基 因 座 (QTL),在调节籽粒和器官大小中发挥负调节 子的功能. [12] IPA1 类Squamosa启动子 结合蛋白 株高、分蘖、穗粒数 受 microRNA156 的调控,当OsSPL14 特定位 点突变后,水稻分蘖减少,穗粒数和千粒重增 加,同时茎秆变得粗壮,抗倒伏能力增强,进而 产量提高 [13] OsPPKL1,2,3 含有 Kelch重复域的 蛋白磷酸酶 粒长 OsPPKL1 突变体使水稻粒形变短,OsPPKL2 和OsPPKL3 是该基因的同源基因,在水稻粒 长调控中分别发挥正、负调节子的作用 [14] OsMKK4 丝裂原活化蛋白 激酶 穗型、粒型、株高 影响油菜素内酯(BR)应答以及 BR 相关基因 表达,在种子生长中可能作为 MAPK 通 路 和 BR间的连接因子 [15] TGW6 IAA-葡萄糖水解酶 粒重 通过IAA 直接控制胚乳的长度,还间接参与源 到库的碳水化合物的运输 [16] Bg1 生长素特异诱导的 未知功能蛋白 粒型 生长素响应和转运的正调控因子,是植物特异 的控制器官大小的调节因子 [17] Bg2 CYP78A13蛋白 粒 长、粒 宽、粒 厚、千 粒 重、胚的大小 调控水稻胚发育、茎顶端分生组织维持和籽粒 产量 [18] FUWA 含 NHL 结 构 域 的 蛋白 株 高、分 蘖、穗 粒 数、粒 型、千粒重 在禾本科作物中进化保守,通过限制细胞周期 过程,调控茎杆和小穗的发育 [19] GLW7 SBP型转录因子 粒长、粒重 可直接结合于SRS5 启动子,通过延伸细胞长 度增加粒长以及千粒重 [20] 要产量性状的基础上增大粒型,从而使单株产量增加 16.6% [10].值得注意的是,另有一篇关于该基因的研 究论文也同期发表在《NatureGenetics》上,从不同角 度对该基因的分子机制展开探讨,共同说明该基因对 ·662·

第5期 朱义旺等:我国水稻分子育种研究进展 663· 水稻产量性状的遗传改良具有良好的应用前景t1 水稻品质的重要因素,GW8编码一个包含SBP结构 1.2与品质相关的重要基因 域的转录因子,可通过调控水稻粒宽同时影响水稻品 水稻品质性状的遗传研究与育种实践是我国水质和产量.2015年傅向东课题组和李家洋课题 稻科学研究的薄弱环节,从而造成优质稻米品种较组在《 Nature genetics》上同期发表了GW8的下游 少、国际竞争力低的现状,因此,提高我国稻米食味品调控基因GL7的相关研究论文,研究表明GL7能改 质是现阶段水稻科研工作者的研究热点,近10年来,变籽粒长度并改善稻米外观品质,GW8通过结合 许多与水稻品质相关的重要基因被陆续克隆(表2) GL7的启动子抑制该基因的表达,从而影响细胞纵向 较早研究的与水稻品质相关的基因是胚乳中淀粉合伸长此外,控制贮藏蛋白运输的主要运输工具编码基 成相关基因,包括蔗糖合成酶、腺苷二磷酸葡萄糖因GPA3和籽粒灌浆充实度基因GF12]等也对 (ADPG)焦磷酸化酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶等,水稻品质具有较大影响 这些基因及其等位基因的组合直接影响水稻胚乳直1.3与抗逆相关的重要基因 链淀粉的含量,从而影响稻米的食味品质.水稻香味是 在长期的进化过程中,植物自身形成了一套完善 水稻品质的重要评价标准之一,香味基因 OS BADH2的防御机制,以应对外界生物与非生物胁迫生物胁迫 的突变能够导致香味物质2-乙酰基-1-吡咯啉不断积主要包括稻瘟病、白叶枯病和条纹叶枯病等病害以及 累,形成具有香味的水稻叶片和籽粒1.2014年华中螟虫、褐飞虱等水稻生产中的主要虫害首个水稻抗条 农业大学的何予卿教授联合其他实验室相继克隆出2纹叶枯病基因STVl由中国农科院万建民团队成功 个稻米品质基因 Chalk5[21和OAAP621,分别通过克隆并于2014年发表在《 Nature communications》 正调控水稻籽粒垩白和籽粒蛋白含量而影响稻米的上,该基因赋予植物对RSV( rice stripe virus)持久的 营养品质和蒸煮食味品质 OSVPEl[2是一个参与水抗性3).xa13是由我国科学家分离克隆的白叶枯主 稻籽粒蛋白积累的基因,在水稻谷蛋白的合成和成熟效基因,该基因编码的细胞膜蛋白有助于病原侵染 中发挥关键作用,为低蛋白水稻品种选育提供材料和该基因的突变增强了对稻瘟病的抗性[32.据国家水稻 分子育种的生物学基础水稻籽粒的长宽比也是影响数据中心统计,截至2015年3月,经报道的水稻稻瘟 表22008-2016年部分已克隆的水稻品质相关基因 Tab 2 Part of rice quality-related genes cloned from 2008 to 2016 基因位点 编码蛋白 控制性状 生物学功能 参考文献 OS BADE2甜菜碱醛脱氢酶 香味 基因发生功能丧失型突变后不能催化4-氨基丁醛的氧[21 化而导致4-氨基丁醛积累,从而促进了香味物质2-AP 的合成 chalk5液泡膜质子转运焦磷籽粒垩白、精高表达可能干扰了发育中种子的内膜转运系统pH稳[22] 酸酶 密率 态,在胚乳储存物质中形成了气体空间,导致了籽粒垩 白的形成 OAAP6氨基酸通透酶 籽粒蛋白含量促进水稻根对氨基酸的吸收和转运,高表达水平与高籽23] 粒蛋白含量呈现正相关 Svp 液泡加工酶 谷蛋白的成熟将谷蛋白前体加工成酸性和碱性亚基以形成正确的[24] PSv(蛋白贮藏液泡)结构和分隔储藏蛋白,在谷蛋白的 成熟中发挥关键作用 GW7拟南芥 LONGIFOLIA同粒长、粒宽 表达量上调能增加谷粒的纵向细胞分裂并减少横向细[25-26] 蛋白 胞分裂,导致谷粒变得细长 GPA3后高尔基体囊泡运输调谷蛋白前体通过vPS9a与Rab5a形成一个调控复合体,协同调控水[27] 控因子 稻中DVs介导的后高尔基体运输 GIFI 细胞壁转化酵素 淀粉合成 负责控制蔗糖转化酶的活性,使蔗糖酶位于细胞壁上,[28] 把蔗糖转化成用于制造淀粉的物质 OsVIT1,2泡膜转运蛋白 源和库器官间可能发挥跨膜转运Fe2+、Zn2和Mn2+至液泡的功能 [29] Fe/Zn的转移 FLO6参与淀粉合成和复合颗籽粒淀粉、蛋白该基因产物的两端分别与淀粉和ISA1结合,在淀粉合[30] 粒形成的因子 和脂类含量 成中,起到桥梁二者的作用 http://jxmu.xmu.edu.cn

第5期 朱义旺等:我国水稻分子育种研究进展 http:∥jxmu.xmu.edu.cn 水稻产量性状的遗传改良具有良好的应用前景[11]. 1.2 与品质相关的重要基因 水稻品质性状的遗传研究与育种实践是我国水 稻科学研究的 薄 弱 环 节,从 而 造 成 优 质 稻 米 品 种 较 少、国际竞争力低的现状,因此,提高我国稻米食味品 质是现阶段水稻科研工作者的研究热点.近10年来, 许多与水稻品质相关的重要基因被陆续克隆(表2). 较早研究的与水稻品质相关的基因是胚乳中淀粉合 成相 关 基 因,包 括 蔗 糖 合 成 酶、腺 苷 二 磷 酸 葡 萄 糖 表2 2008—2016年部分已克隆的水稻品质相关基因 Tab.2 Partofricequality-relatedgenesclonedfrom2008to2016 基因位点 编码蛋白 控制性状 生物学功能 参考文献 OsBADH2 甜菜碱醛脱氢酶 香味 基因发生功能丧失型突变后不能催化4-氨基丁醛的氧 化而导致4-氨基丁醛积累,从而促进了香味物质2-AP 的合成 [21] Chalk5 液 泡 膜 质 子 转 运 焦 磷 酸酶 籽 粒 垩 白、精 密率 高表达可能干扰了发育中种子的内膜转运系统 pH 稳 态,在胚乳储存物质中形成了气体空间,导致了籽粒垩 白的形成 [22] OsAAP6 氨基酸通透酶 籽粒蛋白含量 促进水稻根对氨基酸的吸收和转运,高表达水平与高籽 粒蛋白含量呈现正相关 [23] OsVPE1 液泡加工酶 谷蛋白的成熟 将谷蛋白 前 体 加 工 成 酸 性 和 碱 性 亚 基 以 形 成 正 确 的 PSV(蛋白贮藏液泡)结构和分隔储藏蛋白,在谷蛋白的 成熟中发挥关键作用 [24] GW7 拟南芥 LONGIFOLIA 同 源蛋白 粒长、粒宽 表达量上调能增加谷粒的纵向细胞分裂并减少横向细 胞分裂,导致谷粒变得细长 [25-26] GPA3 后高 尔 基 体 囊 泡 运 输 调 控因子 谷蛋白前体 通过 VPS9a与 Rab5a形成一个调控复合体,协同调控水 稻中 DVs介导的后高尔基体运输 [27] GIF1 细胞壁转化酵素 淀粉合成 负责控制蔗糖转化酶的活性,使蔗糖酶位于细胞壁上, 把蔗糖转化成用于制造淀粉的物质 [28] OsVIT1,2 泡膜转运蛋白 源 和 库 器 官 间 Fe/Zn的转移 可能发挥跨膜转运 Fe2+ 、Zn2+ 和 Mn2+ 至液泡的功能 [29] FLO6 参与 淀 粉 合 成 和 复 合 颗 粒形成的因子 籽粒 淀 粉、蛋 白 和脂类含量 该基因产物的两端分别与淀粉和ISA1结合,在淀粉合 成中,起到桥梁二者的作用 [30] (ADPG)焦磷酸化酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶等, 这些基因及其等位基因的组合直接影响水稻胚乳直 链淀粉的含量,从而影响稻米的食味品质.水稻香味是 水稻品质的重要评价标准之一,香味基因 OsBADH2 的突变能够导致香味物质2-乙酰基-1-吡咯啉不断积 累,形成具有香味的水稻叶片和籽粒[21].2014年华中 农业大学的何予卿教授联合其他实验室相继克隆出2 个稻米品质基因 Chalk5 [22]和OsAAP6 [23],分别通过 正调控水稻籽粒垩白和籽粒蛋白含量而影响稻米的 营养品质和蒸煮食味品质.OsVPE1 [24]是一个参与水 稻籽粒蛋白积累的基因,在水稻谷蛋白的合成和成熟 中发挥关键作用,为低蛋白水稻品种选育提供材料和 分子育种的生物学基础.水稻籽粒的长宽比也是影响 水稻品质的重要因素,GW8 编码一个包含 SBP 结构 域的转录因子,可通过调控水稻粒宽同时影响水稻品 质和产量[3].2015 年傅向东课题组[25]和李家洋课题 组[26]在《NatureGenetics》上同期发表了GW8 的下游 调控基因GL7 的相关研究论文,研究表明GL7 能改 变籽粒 长 度 并 改 善 稻 米 外 观 品 质,GW8 通 过 结 合 GL7 的启动子抑制该基因的表达,从而影响细胞纵向 伸长.此外,控制贮藏蛋白运输的主要运输工具编码基 因GPA3 [27]和籽粒灌浆充实度基因 GIF1 [28]等也对 水稻品质具有较大影响. 1.3 与抗逆相关的重要基因 在长期的进化过程中,植物自身形成了一套完善 的防御机制,以应对外界生物与非生物胁迫.生物胁迫 主要包括稻瘟病、白叶枯病和条纹叶枯病等病害以及 螟虫、褐飞虱等水稻生产中的主要虫害.首个水稻抗条 纹叶枯病基因STV11 由中国农科院万建民团队成功 克隆 并 于 2014 年 发 表 在 《NatureCommunications》 上,该基因赋予植物对 RSV(ricestripevirus)持久的 抗性[31].Xa13 是由我国科学家分离克隆的白叶枯主 效基因,该基因编码的细胞膜蛋白有助于病原侵染, 该基因的突变增强了对稻瘟病的抗性[32].据国家水稻 数据中心统计,截至2015年3月,经报道的水稻稻瘟 ·663·

664 夏门大学学报(自然科学版) 2016年 病病抗性基因共69个位点,84个主效基因3,其中国克隆了不少对逆境有不同程度抗性的基因(表3). 24个基因已被成功克隆,由我国科学家克隆的抗性谱OTT1是中科院上海生科院研究所林鸿宣团队克隆 较宽的主效基因Pi9[和Pi-d23表现出很好的应的一个水稻抗高温基因,其编码一个26S蛋白酶体亚 用价值同时我国在水稻抗褐飞虱方面也鉴定了大量基,可以在高温下有效降解水稻细胞中积累的有毒变 的主效基因,其中Bph3是由3个编码质膜凝集素受性蛋白.在2016年2月,薛勇彪课题组和程祝宽课 体激酶的基因组成的基因簇,含有该基因簇的水稻品题组合作,也在水稻中成功克隆了一个新的耐热基因 种能够显著增强水稻对褐飞虱和白背飞虱广谱持久TOGR1,该基因编码的蛋白可以高温下对错误折叠的 的抗性[1这些抗性基因的获得为分子标记辅助育种 pre-rRNA前体进行正确构象的解旋.此外,DST 选育抗病水稻品种奠定了理论基础 是林鸿宣课题组于2009年克隆的一个新型锌指转录 植物除受到虫害、病害和杂草等生物胁迫外,还因子基因,对水稻的耐旱和耐盐性具有负调节作 受到不利的气候、土壤、水体等环境条件的非生物胁用[;2015年该课题组进一步报道了DST的一个转 迫特别是在全球环境逐渐恶化,干旱、高低温胁迫、盐录共激活因子DCA1,当过量表达DCA1基因时,可 胁迫等问题日趋严重的情况下,研究水稻在不同逆境以增加气孔开度来介导植株的抗旱耐盐歐.这些研究 中的生理机制及应用是现阶段的重要课题近年来,我结果为水稻抗逆机理的深入研究提供新线索,并且为 表32008—2016年部分已克隆的水稻抗非生物胁迫相关基因 Tab 3 Part of abiotic stress related genes in rice cloned from 2008 to 2016 基因位点 表达蛋白 胁迫应答 生物学功能 参考文献 OSⅠK蛋白激酶 干旱和盐胁迫通过激活抗氧化系统影响叶表皮远轴和近轴的气孔[37] 应答 密度 DCAⅠ含CHY锌指结构域和干旱和盐胁迫可能与DST蛋白形成异源四聚体,正向调控气孔孔径[38 环-H2转录因子 应答 大小和气孔O2含量,最终影响植株的胁迫耐受性 DSM1有丝分裂原活化蛋白激干旱胁迫应答作为水稻响应干旱胁迫的早期信号传导组分,通过调节[39] 酶激酶激酶 过氧化物酶基因的表达控制活性氧的清除,从而调节水 稻的抗旱性 ODIS1SNA型F3泛素连接酶干旱胁迫反应在转录水平上通过调节一系列逆境相关基因的表达,翻40] 译后修饰水平上通过和 Os Nek6互作调控水稻的干旱胁 迫响应过程 OsTRrh1h类硫氧还蛋白 盐胁迫反应调节质外体氧化还原状态,影响植物的发育和对胁迫的[41] OsbZIP46ABRE结合蛋白 干旱和热胁迫通过对含ABRE元件基因的直接调控,实现对ABA、干[42] 旱和热胁迫应答 OPⅠN3a生长素输出载体 干旱胁迫应答参与生长素的极性运输来实现水稻的干旱胁迫应答[43] 调控 OkTT126S蛋白酶体的a2亚基高温抗性 编码的蛋白使细胞中的蛋白酶体在高温下对泛素化底[44] 物的降解速率更快,从而加快降解高温下积累的有毒变 性蛋白来保护植物细胞 OSSIK2S结构域受体类激酶 干旱和盐胁迫提供非生物胁迫抗性并延缓黑暗诱导的叶片衰老,整合[45] 应答 胁迫信号于发育过程从而使植物在不利环境条件下进 行适应性生长 COLD1G蛋白信号调节因子 耐寒性 能与RGA1互作以感知低温,激活Ca2+通道,并增强G[46] 蛋白GTP酶活性,增强水稻的耐寒性 Os WRKY13WRKY转录因子 干旱胁迫应答通过与目标基因启动子顺式作用元件的特定位点和特[47] 异序列结合,直接抑制SNAC1和WRKY45-1的表达, 负调控抗旱性 OsETOLI乙烯过表达同源蛋白千旱和涝胁迫与OACS2互作,通过调节乙烯产量和能量代谢在水稻[48] 干旱胁迫和涝胁迫抗性过程中发挥着独特的作用 TOGRI DEAD- Box RNA解旋酶耐热性 参与高温条件下正常rRNA前体的加工,是细胞核仁[49] SSU复合体的伴侣蛋白,对高温下的细胞增殖十分重 要,调控水稻耐热生长 http://jxmu.xmu.edu.cn

厦门大学学报(自然科学版) 2016年 http:∥jxmu.xmu.edu.cn 病病抗性基因共69个位点,84个主效基因[33],其中 24个基因已被成功克隆,由我国科学家克隆的抗性谱 较宽的主效基因 Pi9 [34]和 Pi-d2 [35]表现出很好的应 用价值.同时我国在水稻抗褐飞虱方面也鉴定了大量 的主效基因,其中 Bph3 是由3个编码质膜凝集素受 体激酶的基因组成的基因簇,含有该基因簇的水稻品 种能够显著增强水稻对褐飞虱和白背飞虱广谱持久 的抗性[36].这些抗性基因的获得为分子标记辅助育种 选育抗病水稻品种奠定了理论基础. 表3 2008—2016年部分已克隆的水稻抗非生物胁迫相关基因 Tab.3 Partofabioticstressrelatedgenesinriceclonedfrom2008to2016 基因位点 表达蛋白 胁迫应答 生物学功能 参考文献 OsSIK1 蛋白激酶 干 旱 和 盐 胁 迫 应答 通过激活 抗 氧 化 系 统 影 响 叶 表 皮 远 轴 和 近 轴 的 气 孔 密度 [37] DCA1 含 CHY 锌 指 结 构 域 和 环-H2转录因子 干 旱 和 盐 胁 迫 应答 可能与 DST蛋白形成异源四聚体,正向调控气孔孔径 大小和气孔 O2 含量,最终影响植株的胁迫耐受性 [38] DSM1 有丝 分 裂 原 活 化 蛋 白 激 酶激酶激酶 干旱胁迫应答 作为水稻响应干旱胁迫的早期信号传导组分,通过调节 过氧化物酶基因的表达控制活性氧的清除,从而调节水 稻的抗旱性 [39] OsDIS1 SINA 型 E3泛素连接酶 干旱胁迫反应 在转录水平上通过调节一系列逆境相关基因的表达,翻 译后修饰水平上通过和OsNek6 互作调控水稻的干旱胁 迫响应过程 [40] OsTRxh1 h类硫氧还蛋白 盐胁迫反应 调节质外体氧化还原状态,影响植物的发育和对胁迫的 应答 [41] OsbZIP46 ABRE结合蛋白 干旱和热胁迫 通过对含 ABRE元件基因的直接调控,实现对 ABA、干 旱和热胁迫应答 [42] OsPIN3a 生长素输出载体 干旱胁迫应答 参与生长 素 的 极 性 运 输 来 实 现 水 稻 的 干 旱 胁 迫 应 答 调控 [43] OsTT1 26S蛋白酶体的α2亚基 高温抗性 编码的蛋白使细胞中的蛋白酶体在高温下对泛素化底 物的降解速率更快,从而加快降解高温下积累的有毒变 性蛋白来保护植物细胞. [44] OsSIK2 S结构域受体类激酶 干 旱 和 盐 胁 迫 应答 提供非生物胁迫抗性并延缓黑暗诱导的叶片衰老,整合 胁迫信号于发育过程从而使植物在不利环境条件下进 行适应性生长 [45] COLD1 G蛋白信号调节因子 耐寒性 能与 RGA1互作以感知低温,激活 Ca2+ 通道,并增强 G 蛋白 GTP酶活性,增强水稻的耐寒性 [46] OsWRKY13 WRKY 转录因子 干旱胁迫应答 通过与目标基因启动子顺式作用元件的特定位点和特 异序列结合,直接抑制SNAC1 和 WRKY45-1 的表达, 负调控抗旱性 [47] OsETOL1 乙烯过表达同源蛋白 干旱和涝胁迫 与OsACS2 互作,通过调节乙烯产量和能量代谢在水稻 干旱胁迫和涝胁迫抗性过程中发挥着独特的作用 [48] TOGR1 DEAD-BoxRNA 解旋酶 耐热性 参与高温条件下正常rRNA 前体的加工,是 细 胞 核 仁 SSU 复合体的伴 侣 蛋 白,对 高 温 下 的 细 胞 增 殖 十 分 重 要,调控水稻耐热生长 [49] 植物除受到虫害、病害和杂草等生物胁迫外,还 受到不利的气候、土壤、水体等环境条件的非生物胁 迫.特别是在全球环境逐渐恶化,干旱、高低温胁迫、盐 胁迫等问题日趋严重的情况下,研究水稻在不同逆境 中的生理机制及应用是现阶段的重要课题.近年来,我 国克隆了不少对逆境有不同程度抗性的基因(表3). OsTT1 是中科院上海生科院研究所林鸿宣团队克隆 的一个水稻抗高温基因,其编码一个26S蛋白酶体亚 基,可以在高温下有效降解水稻细胞中积累的有毒变 性蛋白[44].在2016年2月,薛勇彪课题组和程祝宽课 题组合作,也在水稻中成功克隆了一个新的耐热基因 TOGR1,该基因编码的蛋白可以高温下对错误折叠的 pre-rRNA 前体进行正确构象的解 旋[49].此 外,DST 是林鸿宣课题组于2009年克隆的一个新型锌指转录 因子基 因,对 水 稻 的 耐 旱 和 耐 盐 性 具 有 负 调 节 作 用[50];2015年该课题组进一步报道了 DST 的一个转 录共激活因子DCA1,当过量表达 DCA1 基因时,可 以增加气孔开度来介导植株的抗旱耐盐[38].这些研究 结果为水稻抗逆机理的深入研究提供新线索,并且为 ·664·

第5期 朱义旺等:我国水稻分子育种研究进展 665 作物抗逆性的分子育种改良提供了理论基础 料姚姝等[以品种关东194为供体,通过杂交、回交 结合分子标记,将供体材料条纹叶枯病抗性基因Stv 2水稻分子标记辅助选择育种 导入宁恢8号,通过MAS并综合农艺性状选择,育 成抗性明显提高的宁恢8号改良系.为了改良杂交中 合理的标记和鉴定是加快水稻育种进程的重要稻组合Q优6号的稻瘟病抗性,闫成业等5将具抗稻 步骤生物的遗传标记按其运用先后顺序分别是形态瘟病亲本材料75-1-127的广谱抗性基因Pi9转入到 标记、生化标记和DNA分子标记与前两者相比,分Q优6号的父本R005中,育成了2个携带Pi9基因 子标记应用于水稻育种的辅助选择具有特异性高、使的株系,并与Q优6号的母本Q2A配制了组合,经鉴 用方便、成本低、步骤简单、周期短且不受基因表达和定新组合在主要农艺性状、产量、稻米品质方面与 环境条件影响的优势,已为大多数研究者广泛使用 R005相似,但稻瘟病抗性明显提高.除此之外,多个抗 2.1在产量改良上的运用 性基因聚合的改良品种,也是提高抗性、拓宽抗谱、延 产量性状为多基因或少数几个主效基因控制的长抗性寿命的重要育种手段杨子贤等利用MAS 数量性状其表型易受到环境的影响,通过分子标记改良931恢复系对白叶枯病和螟虫的抗性取得了良 辅助选择(MAS)培育高产水稻新品种方面取得了 好的效果,在回交的后代家系中筛选得到了抗白叶枯 定的进展杨益善等1利用MAS和田间选择相结合 病的Xa21基因和Bt基因潘晓飚等[将三黄占2号 的方法,将野生稻的两个高产Q导人中熟晚稻恢的抗稻瘟病主基因PGD-1()、PCD2()和主效 复系测64-7,育成了籼型晚稻新恢复系远恢611,在后 QTL GLP8-6(t)及抗白叶枯病基因Xa23导入到明 期的不同杂交组合中显示了超高产潜力2008年两系恢86等骨干中籼恢复系,获得5个带有抗稻瘟病兼抗 杂交稻新组合Y两优7号,被湖南省农业厅认定为超叶枯病的双基因或多基因聚合改良系,进一步实验 级杂交中稻组合,该组合的恢复系R163也是以优良 表明,部分改良系和与不育系Ⅱ-32A配制的测交种对 恢复系9311为受体和轮回亲本,利用紧密连锁的分恢复系稻瘟病以及白叶枯病改良的效果明显. 子标记转入了野生稻的两个高产QTL得到的2 2.2在品质改良上的运用 3水稻转基因育种 明恢63是一个直链淀粉含量适中的籼型强优势 植物转基因育种是利用基因工程的手段,将功能 恢复系,但存在糊化温度高、胶稠度较差及心白率大清晰的外源基因导入植物基因组,通过直接表达外源 的问题王岩等把中国香稻的aK和gr等位基因基因,或调控内源基因的表达,使植物获得新的性状 片段导入明恢63,改良品系的外观品质、蒸煮食味品的一种品种改良技术该技术相对于常规水稻育种来 质得到了明显的改善蔡治君等以香型巨胚粳型水说,既省时又能够有效地达到既定目标,大幅度提高 稻的中间材料和黑色非香正常胚糯性水稻品系“上农了育种能力自1988年首次获得可育的转基因水稻以 黑糯”进行杂交,结合分子标记辅助常规育种,首次成来,我国培育了大量高质、抗病、抗虫、抗除草剂、抗旱 功选育出具有保健功能、香味性状和粳型性状集中于及耐盐等自主产权的环境友好型水稻新品种,在水稻 体的保健黑色香型巨胚粳稻.庄杰云等利用分子产量的可持续性、品质的多样性及环境的适应性方面 标记辅助育种选育出携带有利等位基因vx的恢复系展现出巨大发展潜力 中恢161,与不育系中9A配组育成优质高产的杂交稻3.1水稻转基因育种与高产高质 新组合中优161.朱速松等5利用珍汕97B(高直链淀 研究表明,籽粒中淀粉合成过程直接影响水稻的 粉含量)与优质保持系贵9B(中直链淀粉含量)杂交 产量和品质利用基因工程的手段调控水稻淀粉合成 在BC1F1和BC3F1用 PCR-Acc I分子标记对控制中改变稻米中的淀粉含量和结构、改善稻米品质、提高 等直链淀粉含量的基因型进行辅助选择,选育出了不水稻产量成为重要的研究课题林鸿生等利用大肠 育性彻底、直链淀粉含量中等、综合农艺性状优良的 杆菌中编码ADPG焦磷酸化酶的基因glgC-TM,将 系籼型不育系H22A 其导入水稻,并获得了千粒重得到增加的转基因植株 2.3在水稻抗病虫的运用 胡昌泉等采用农杆菌介导法获得了转可溶性淀粉 借助MAS将抗逆相关基因转移或聚合到特定水合成酶基因SSS和淀粉分支酶基因SBE的转基因恢 稻品种,已获得了部分单个抗性性状显著提高的新材复系明恢86,表型鉴定表明稻谷直链淀粉含量大幅度 http://jxmu.xmu.edu.cn

第5期 朱义旺等:我国水稻分子育种研究进展 http:∥jxmu.xmu.edu.cn 作物抗逆性的分子育种改良提供了理论基础. 2 水稻分子标记辅助选择育种 合理的标记和鉴定是加快水稻育种进程的重要 步骤.生物的遗传标记按其运用先后顺序分别是形态 标记、生化标记和 DNA 分子标记.与前两者相比,分 子标记应用于水稻育种的辅助选择具有特异性高、使 用方便、成本低、步骤简单、周期短且不受基因表达和 环境条件影响的优势,已为大多数研究者广泛使用. 2.1 在产量改良上的运用 产量性状为多基因或少数几个主效基因控制的 数量性状,其表型易受到环境的影响,通过分子标记 辅助选择(MAS)培育高产水稻新品种方面取得了一 定的进展.杨益善等[51]利用 MAS和田间选择相结合 的方法,将野生稻的两个高产 QTL 导入中熟晚稻恢 复系测64-7,育成了籼型晚稻新恢复系远恢611,在后 期的不同杂交组合中显示了超高产潜力.2008年两系 杂交稻新组合 Y 两优7号,被湖南省农业厅认定为超 级杂交中稻组合,该组合的恢复系 R163也是以优良 恢复系9311 为受体和轮回亲本,利用紧密连锁的分 子标记转入了野生稻的两个高产 QTL得到的[52]. 2.2 在品质改良上的运用 明恢63是一个直链淀粉含量适中的籼型强优势 恢复系,但存在糊化温度高、胶稠度较差及心白率大 的问题.王岩等[53]把中国香稻的alK 和fgr 等位基因 片段导入明恢63,改良品系的外观品质、蒸煮食味品 质得到了明显的改善.蔡治君等[54]以香型巨胚粳型水 稻的中间材料和黑色非香正常胚糯性水稻品系“上农 黑糯”进行杂交,结合分子标记辅助常规育种,首次成 功选育出具有保健功能、香味性状和粳型性状集中于 一体的保健黑色香型巨胚粳稻.庄杰云等[55]利用分子 标记辅助育种选育出携带有利等位基因wx 的恢复系 中恢161,与不育系中9A 配组育成优质高产的杂交稻 新组合中优161.朱速松等[56]利用珍汕97B(高直链淀 粉含量)与优质保持系贵9B(中直链淀粉含量)杂交, 在 BC1F1 和 BC5F1 用 PCR-AccⅠ分子标记对控制中 等直链淀粉含量的基因型进行辅助选择,选育出了不 育性彻底、直链淀粉含量中等、综合农艺性状优良的 三系籼型不育系 H22A. 2.3 在水稻抗病虫的运用 借助 MAS将抗逆相关基因转移或聚合到特定水 稻品种,已获得了部分单个抗性性状显著提高的新材 料.姚姝等[57]以品种关东194为供体,通过杂交、回交 结合分子标记,将供体材料条纹叶枯病抗性基因Stv￾bi导入宁恢8号,通过 MAS并综合农艺性状选择,育 成抗性明显提高的宁恢8号改良系.为了改良杂交中 稻组合 Q 优6号的稻瘟病抗性,闫成业等[58]将具抗稻 瘟病亲本材料75-1-127的广谱抗性基因 Pi9 转入到 Q 优6号的父本 R005中,育成了2个携带 Pi9 基因 的株系,并与 Q 优6号的母本 Q2A 配制了组合,经鉴 定新 组 合 在 主 要 农 艺 性 状、产 量、稻 米 品 质 方 面 与 R005相似,但稻瘟病抗性明显提高.除此之外,多个抗 性基因聚合的改良品种,也是提高抗性、拓宽抗谱、延 长抗性寿命的重要育种手段.杨子贤等[59]利用 MAS 改良93-11恢复系对白叶枯病和螟虫的抗性取得了良 好的效果,在回交的后代家系中筛选得到了抗白叶枯 病的Xa21 基因和Bt基因.潘晓飚等[60]将三黄占2号 的抗稻瘟病主基因Pi-GD-1(t)、Pi-GD-2(t)和主效 QTLGLP8-6(t)及抗白叶枯病基因 Xa23 导入到明 恢86等骨干中籼恢复系,获得5个带有抗稻瘟病兼抗 白叶枯病的双基因或多基因聚合改良系,进一步实验 表明,部分改良系和与不育系Ⅱ-32A 配制的测交种对 恢复系稻瘟病以及白叶枯病改良的效果明显. 3 水稻转基因育种 植物转基因育种是利用基因工程的手段,将功能 清晰的外源基因导入植物基因组,通过直接表达外源 基因,或调控内源基因的表达,使植物获得新的性状 的一种品种改良技术.该技术相对于常规水稻育种来 说,既省时又能够有效地达到既定目标,大幅度提高 了育种能力.自1988年首次获得可育的转基因水稻以 来,我国培育了大量高质、抗病、抗虫、抗除草剂、抗旱 及耐盐等自主产权的环境友好型水稻新品种,在水稻 产量的可持续性、品质的多样性及环境的适应性方面 展现出巨大发展潜力. 3.1 水稻转基因育种与高产高质 研究表明,籽粒中淀粉合成过程直接影响水稻的 产量和品质.利用基因工程的手段调控水稻淀粉合成、 改变稻米中的淀粉含量和结构、改善稻米品质、提高 水稻产量成为重要的研究课题.林鸿生等[61]利用大肠 杆菌中编码 ADPG 焦磷酸化酶的基因glgC-TM,将 其导入水稻,并获得了千粒重得到增加的转基因植株. 胡昌泉等[62]采用农杆菌介导法获得了转可溶性淀粉 合成酶基因SSS 和淀粉分支酶基因SBE 的转基因恢 复系明恢86,表型鉴定表明稻谷直链淀粉含量大幅度 ·665·