水稻粒形控制基因研究进展

水稻粒形控制基因研究进展
刘成兵;唐明凤;张德春
【摘要】粒形是影响水稻产量和品质的重要农艺性状,受多个数量性状位点(QTLs)控制.随着功能基因组学的快速发展和新一代测序技术的出现,目前已经定位400多个与水稻粒形相关的QTLs,并已克隆了一些水稻粒形控制基因.综述了水稻粒形的影响因素以及重要的粒形基因的克隆与功能分析.
【期刊名称】《广东农业科学》
【年(卷),期】2014(041)008
【总页数】5页(P30-34)
【关键词】水稻;粒形;数量性状位点
【作者】刘成兵;唐明凤;张德春
【作者单位】三峡大学生物技术研究中心,湖北宜昌443002;中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南长沙410125;三峡大学生物技术研究中心,湖北宜昌443002【正文语种】中文
【中图分类】S511.01
水稻（Oraza sativa L．）是一种重要粮食作物，全世界约30多亿人口以稻米为主食。

据Khush[1]预测，随着世界人口急剧增长，对粮食的需要日益增加，到2030年，水稻产量至少再增加40%才能满足世界人口对粮食的需求。

水稻产量的高低对人类的生活以及国家的粮食安全有着重大的影响，如何有效提高粮食的产量
成为解决粮食危机的主要途径之一。

生产上，水稻产量由单位面积上的穗数、每穗所结实粒数和千粒重3个因素所决定，而水稻粒重又受谷粒粒形、大小及成熟度等因素影响，因此，粒形是影响水稻产量的重要农艺性状之一。

粒形及籽粒大小不仅直接影响水稻的产量，还与水稻的品质有着密切的关系，合理的粒形对培育高产优质水稻具有非常重要的意义。

水稻粒形主要由种子的长度、宽度、厚度及长/宽比等方面决定，是一个由多基因控制
的复杂性状。

近年来，随着功能基因组学的快速发展和新一代测序技术的出现，有关水稻粒形的研究取得了较大进展，目前已定位400多个与水稻粒形相关的QTLs，并已克隆了一批水稻粒形控制基因。

本文就水稻粒形的影响因素以及重要粒形基因的克隆与功能分析进行了综述。

1 水稻粒形的母体效应
水稻籽粒由雌雄配子受精发育而来，其颖壳、果皮和种皮均来自母本植株，在胚和胚乳的发育过程中，由母体植株提供所需营养；另外，母体的细胞质基因通过影响光合作用，从而间接控制籽粒性状。

因此，成熟谷粒的外观品质性状会同时受到胚乳、母体植株和细胞质等不同遗传体系的控制[2]。

多数研究认为水稻籽粒性状主要受母株基因型控制。

徐辰武等[3-4]认为籼粳杂种
的粒长与粒宽受母株基因型控制，胚乳核基因作用不显著。

陈建国等[5]认为3种
遗传控制体系（胚乳核基因、母体植株核基因、细胞质基因）对粒长、粒宽以及长宽比都有作用，但总的来说以母体核基因的效应为主。

而付福鸿等[6]认为杂交水
稻谷粒长宽比主要受母本影响，父本的影响极小，粒长、粒宽和千粒重同时受父母本的影响。

2 水稻粒形的遗传特点
水稻的粒形属于复合性状，主要指标包括粒长、粒宽、粒厚以及长宽比等。

其中，粒长、长宽比和粒重随不同品种变异较大，而粒宽和粒厚在不同品种中变化较小。

许多试验表明，粒长的遗传受多基因控制[7]，以加性效应为主，但也存在显性作
用[8]，其显性作用因品种而异，存在短粒显性和长粒隐性[9]，粒长遗传很少存在
上位效应。

水稻粒宽分离群体多为正态分布，说明该性状受多基因控制，但有些品种也受主效基因或单基因控制，如qSW5[10-11]；大部分情况下，粒宽是由多基
因控制的数量性状遗传，且以加性效应为主，有较高遗传力。

粒厚也是受多基因控制，并且粒厚主要受制于基因的加性效应，研究发现，粒厚的母体效应显著，说明可能存在细胞质遗传，且受环境影响较大[12]。

长宽比是一个复合性状，在F2分
离群体中长宽比基本上表现为正态分布，长宽比性状中加性和非加性效应都很显著，但以加性效应为主。

3 水稻粒形基因的克隆和功能分析
近年来，有关水稻粒形的遗传研究取得了较大进展，目前已定位了超过400个与
水稻谷粒性状相关的QTLs[13]，这些QTLs遍布于水稻12条染色体，基因效应也各有差异。

在已定位的与水稻粒形相关的QTLs中，已有20个基因被克隆（表1）。

表1 已克隆水稻粒形基因性状粒长粒宽粒厚种子大小基因GS3 TGW6 PGL1
PGL2 qGL3（GL3.1,qGL3-1）GW2 GW5/qSW5 GW8 GS5 HGW GIF1
FLO(a)/FLO2 D1 D2 D11 D61 SRS1/DEP2 SRS3 SRS5 SG1染色体3632325856445141751 19预测编码蛋白跨膜蛋白IAA-葡萄糖水解酶非典型的
不结合DNA的碱性螺旋-环-螺旋蛋白非典型的不结合DNA的碱性螺旋-环-螺旋
蛋白蛋白磷酸酶环型E3泛素连接酶核蛋白细胞增殖调节蛋白丝氨酸羧肽酶泛素相关结构域蛋白细胞壁蔗糖酶未知蛋白G蛋白α亚基CYP90D2 CYP724B1 BR受
体激酶未知蛋白驱动蛋白13基因家族成员α微管蛋白未知蛋白文献
[14][15][16][17][18-19][20][10-11][21][22][23][24][25][31][32][33][34][26-27][28][29][30]
3.1 粒长基因
GS3既是控制水稻粒长和粒重的主效QTL，也是控制水稻粒宽和籽粒充实度的微
效QTL。

GS3定位于水稻第3染色体近着丝粒区，与标记GS09和MRG5881连锁，编码1个由232个氨基酸组成的跨膜蛋白，包括预测的PEBP-like结构域、
跨膜区、TNFR/NGFR家族中富含半胱氨酸的同源区域和一个VWFC区域构成，
大粒品种GS3第2外显子区域发生一个无义突变，导致目标蛋白在第178个氨基酸处中断，进而导致功能缺失，表明GS3编码的蛋白对粒长起负调控作用[14]。

TGW6位于水稻第6染色体上，编码IAA-葡萄糖水解酶，具有水解IAA-葡萄糖
的功能。

TGW6主要在库-源器官中表达，并且在穗中高水平表达。

TGW6不仅直接控制胚乳的长度，而且还间接参与源到库的碳水化合物的运输。

在库器官（籽粒）中，日本晴的tgw6等位基因通过控制IAA供应，影响从合体到细胞化阶段的转
变时间，从而限制细胞数目及籽粒长度；而在Kasalath中，由于TGW6功能丧失，通过对源器官的多效影响，增加籽粒长度及重量，从而使水稻增产[15]。

PGL1是一个影响谷粒长度和重量的基因，位于水稻第3染色体上，其编码产物是一个非典型的不结合DNA的碱性螺旋-环-螺旋蛋白（bHLH），缺少DNA结合
所需的基本结构域，推测通过形成异源二聚体，作为结合DNA的典型bHLH的抑制子。

APG是PGL1的拮抗互作因子，两者都定位在细胞核内，过量表达PGL1
或沉默APG都会导致籽粒长度和重量的增加。

PGL1/APG通过控制内外稃细胞的长度来影响籽粒的长度[16]。

PGL2位于水稻第2染色体，编码一个非典型bHLH 蛋白，是水稻籽粒长度的正向调节子，通过与APG互作，调控籽水稻粒长度和重量。

PGL2和PGL1功能冗余，通过与APG形成异源二聚体抑制APG的功能，从而正向调节水稻籽粒长度[17]。

qGL3、GL3.1、qGL3-1属于同一个基因位点，位于水稻第3染色体上，是一个控制水稻粒长、粒重和产量的QTL，编码一个含有两个Kelch功能域的蛋白磷酸酶
（OsPPKL1），在水稻粒长调控中起负调节子的作用；OsPPKL1蛋白的Kelch功能域是其发挥调节功能所必需的，qgl3等位基因中OsPPKL1蛋白的第2个Kelch功能域上AVLDT区域的D364E发生变异，导致水稻籽粒变长[18]；GL3.1通过调控细胞周期蛋白T1;3，影响水稻颖壳的细胞分裂，GL3.1能直接去磷酸化底物T1;3，从而控制水稻籽粒大小和产量[19]。

3.2 粒宽基因
GW2是一个影响水稻粒宽和粒重的主效QTL，定位于水稻第2染色体上，编码一个环型E3泛素连接酶，通过将其底物锚定到蛋白酶体进行降解，从而对细胞分裂起负调节作用。

GW2功能的缺失导致不能将泛素转移到靶蛋白上，从而使得本应降解的底物不能被特异识别，进而激活颖花外壳细胞的分裂，增加谷粒颖壳的细胞数目，加快籽粒灌浆速度,最终谷壳的宽度、粒重以及产量增加[20]。

GW5/qSW5是水稻第5染色体上控制粒宽的主效QTL，编码1个新的核蛋白，该蛋白包含1个核定位信号和1个富含精氨酸区域。

与细粒品种IR24相比，宽粒品种Asominori中GW5位点发生了1 212 bp片段的缺失，导致水稻小花外颍细胞数目的增加，从而引起谷粒宽度的增加。

酵母双杂交实验表明GW5可能通过泛素蛋白酶体途径调节粒宽和粒重[10-11]。

GW8是控制水稻粒宽和粒重的主效QTL，位于水稻第8染色体上，编码一个启动子结合蛋白，其编码产物是细胞增殖的正调节蛋白。

GW8主要在穗的发育过程中表达，在7 cm左右的幼穗中表达量最大，但在根、茎、叶鞘、芽分生组织和幼穗（<1 cm）表达量很低。

该基因的高水平表达能够促进细胞分裂，从而提高谷粒的宽度，增加水稻产量；相反，GW8基因的功能丧失会降低谷粒宽度，而使谷粒变得细长[21]。

GS5位于水稻第5染色体短臂上，是控制水稻粒宽、粒重和结实率的主效QTL，编码一个丝氨酸羧肽酶。

GS5影响籽粒大小是由于其启动子的变异造成的，GS5
的表达水平的变化，导致了谷粒宽度的变化。

该基因能够上调细胞周期基因的表达，从而促进颖壳细胞横向分裂，增加细胞数目，进而增大颖壳的宽度，调控籽粒的大小[22]。

HGW位于水稻第6染色体上，编码一个植物特异的含有泛素相关结构域蛋白，调控水稻抽穗期和粒重，在细胞核和胞质上都有定位。

HGW作为一个重要的上游调控蛋白，促进抽穗和粒重相关基因的表达；在hgw突变体中，形成颖壳的内外稃细胞数目减少，导致粒宽变窄，谷粒变小[23]。

3.3 粒厚基因
GIF1位于水稻第4染色体上，编码细胞壁蔗糖酶，把蔗糖转化成用于制造淀粉的
物质，在灌浆早期发挥作用，能够控制谷粒淀粉数量，从而影响谷粒的性状。

在
gif1突变体中，谷粒积累较低水平的葡萄糖，果糖和蔗糖，导致谷粒灌浆不充分；以栽培稻GIF1基因自身启动子进行过量表达，可以使谷粒变厚变大，从而增加产量，但如果以35S启动子将栽培稻的GIF1基因进行异位过量表达，则会导致谷粒变小，表明在灌浆过程中，GIF1基因可能具有严格的表达模式[24]。

FLO(a)/FLO2位于水稻第4染色体上，在发育中的种子和成熟叶片中大量表达，
通过影响胚珠中储藏物质的积累，在水稻谷粒大小和稻米的淀粉品质中起着重要作用。

在flo2突变体胚乳中，与合成贮藏淀粉和蛋白质的相关基因的表达降低，导
致谷粒变小和淀粉品质下降；而过表达FLO(a)/FLO2则能明显增加谷粒的大小，
导致籽粒宽度和厚度明显增大。

FLO(a)/FLO2含有tetratricopeptide重复基序，被认为参与调节蛋白质相互作用，酵母双杂证实FLO(a)/FLO2与胚胎后期积累蛋
白LEA和bHLH蛋白存在相互作用[25]。

3.4 种子大小基因
SRS1/DEP2位于水稻第7染色体上，编码一个不含已知功能域、由1 365个氨基酸残基组成的新蛋白。

SRS1/DEP2主要在幼嫩组织如幼穗中表达，参与调节种子
大小；同时，控制水稻穗型。

SRS1/DEP2基因突变体srs1/dep2表现为直立穗、小圆粒种表型，突变体外稃的纵向细胞长度和细胞数量降低，而外稃横向部位细胞长度增加，但细胞数量与野生型一致[26-27]。

SRS3位于水稻第5染色体，编码由819个氨基酸残基组成的驱动蛋白，是驱动蛋白13基因家族成员，含有1个马达结构域和1个卷曲-螺旋结构，在发育的器官
中高表达。

电镜扫描观察种子细胞纵向长度，与野生型相比，突变体细胞长度变小，两者之间细胞数目无显著性变化，表明srs3小圆粒表型的产生是由于突变体细胞
纵向长度变小引起的[28]。

SRS5位于水稻第11染色体上，编码α微管蛋白。

突变体第4外显子一个碱基的替换，导致外稃细胞长度减小导致谷粒变小。

同时，研究发现其调控细胞长度机制独立于对油菜素内酯BR信号调控之外[29]。

与BR合成及信号传导相关的基因主要控制水稻株高性状，这些基因的突变体会导致水稻的矮化，并伴有谷粒变小。

SG1位于水稻第9染色体上，编码一个功能未
知的新蛋白，该基因主要在水稻根和发育的穗中表达，影响细胞增殖，但并不影响细胞的大小，SG1过量表达会导致水稻谷粒变短、植株矮化、叶片变宽、叶色变绿、叶片变得挺直，SG1降低了BR的应答[30]。

D1与BR信号传导有关，控制
水稻的株高，该位点隐性突变导致水稻的矮化，并伴有谷粒小而圆，野生型D1位点编码GTP结合蛋白(G蛋白)的α亚基，在d1突变体HO541中，该位点上
833bp的缺失造成G蛋白失活从而导致植株矮小、谷粒变小[31]。

D2和D11都
与BR生物合成有关，二者隐性突变导致水稻矮化，谷粒变小，二者都编码一种细胞色素酶，这种酶属于细胞色素P450家族；D2的编码产物催化BR生物合成过
程中从6-脱氧茶甾酮(6-deoxoteasterone)至3-脱氢-6-脱氧茶甾酮(3-dehydro-
6-deoxoteasterone)的反应和茶甾酮(teasterone)至 3-脱氢茶甾酮(3-dehydroteasterone)的反应[32]；D11则对6-脱氧香蒲甾醇（6-
deoxotyphasterol）和香蒲甾醇（typhasterol）的合成起催化作用[33]。

D61与BR 信号传导有关，D61位点编码一个由1 211氨基酸组成的BR受体激酶，与拟南芥BR受体激酶的BRI1基因同源，突变体位点碱基替换导致植株矮小，谷粒变小[34]。

3.5 粒形控制基因之间的相互作用
粒形性状是由多个QTL控制的复杂性状，不同QTL可以通过多种途径控制相同性状，TGW6、GS3都是控制粒长的基因，TGW6的功能丧失会影响从合体到细胞化阶段的转变时间，通过对胚乳的影响，导致粒长增加[15]；而GS3则是通过控制颖壳的大小，进而间接的控制胚乳的大小而引起粒长变长[14]。

控制粒形性状的QTL之间存在相互作用。

研究表明，GW2和qSW5对GS3的表达为正调控，同时，qSW5又能够抑制GW2的转录，从而降低其表达水平，而GIF1的表达既受qSW5的正调控，又受GW2和GS3的负调控。

基因之间还存在相互作用，GS3掩盖了qSW5对种子长度的影响，反过来，qSW5又掩盖了GS3对种子宽度的影响[35]。

HGW 作为一个重要的上游调控蛋白促进抽穗和粒重相关类基因的表达，在hgw突变体中，GIF1、GW2、GW5和 GS3等基因的表达降低，其中GIF1基因的表达降低非常明显（＞90%）[23]。

4 展望
粒形性状及产量性状基因的克隆，在帮助我们了解水稻产量性状形成的分子调控机制的同时，也为在生产实践中提高水稻产量提供了多种利用途径，除了利用单一QTL或基因进行遗传改良外，挖掘具有一因多效的关键基因资源，或采用基因聚合的途径，把众多有利基因有效聚合在一起,实现水稻的高产优产,从而真正解决世界粮食短缺的问题。

对于已经克隆的基因，已经开发出可以利用的分子标记，Fan 等[36]根据GS3的单碱基突变，开发出了CAPS（A cleaved amplified polymorphic sequence marker）标记 SF28，同时，Wang 等[37]在GS3的内
含子和外显子中也发现了3个有用的SSR标记，这些标记的开发，有助于在分子育种中针对性地控制水稻种子的长度。

随着越来越多的水稻粒形相关QTL克隆和功能研究，将会使我们更好地了解水稻粒形控制的分子机制，掌握水稻产量性状形成的复杂遗传机理，为水稻高产分子育种提供相应的理论依据，并在水稻分子育种的实践中得到运用。

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