亚洲栽培稻的籼粳分化

亚洲栽培稻的籼粳分化摘要籼粳分化是亚洲栽培稻（oryza sativa l.）遗传分化的主流。

籼稻（indica）与粳稻（japonica）对生态环境的要求不同，在性状表型、生理生化以及基因组dna分子水平上也存在明显的差异。

这些差异使得籼粳杂种后代表现出强大的杂种优势，因而是水稻超高产育种的1种重要途径。

亚洲栽培稻发生籼粳分化的可能机理主要有选择压力、渐渗杂交以及非连锁基因或性状之间的非随机组合等。

关键词亚洲栽培稻；籼粳分化；分化机理中图分类号 s511.021文献标识码a文章编号 1007-5739（2008）22-0157-03籼稻（indica）与粳稻（japonica）是亚洲栽培稻（oryza sativa l.）的2个典型亚种，分别代表了栽培稻中具有一定生殖隔离的2个基因库（gene pool）。

它们在地理分布、形态、生理生化以及dna 分子水平等方面存在明显差异。

阐明籼粳分化的本质，是籼粳亚种间杂种优势利用的研究基础。

1籼粳亚种的地理分布籼粳亚种的分布与纬度和海拔密切相关。

籼稻主要分布在低纬度地区，而粳稻主要分布于高纬度地区，但在热带、亚热带的山区或者旱地也有分布。

在我国，素有“南籼北粳”之说，籼稻主要分布于华南热带和淮河以南的亚热带低地，粳稻则主要分布于华东太湖流域，华北、西北、东北等温度较低的地区以及南部热带、亚热带的高地。

而我国云南地区地理和生态环境变化极大，籼稻和粳稻在该地区均有大范围的分布，且表现出明显的海拔地带性。

以海拔1 400~1 600m为界，76~1400m以籼稻为主，而1 600m~2 700m以粳稻为主，中间则为籼粳交错区（曾亚文等，2001）。

2籼粳亚种间的遗传分化籼粳亚种在漫长的栽培驯化过程中产生了明显的遗传分化，早在2000年前，我国的先民就能够从水稻的表型上区分籼稻和粳稻。

随着生物科学的发展和研究技术的更新，水稻籼粳分化的研究也逐渐深入，从基因组水平上揭示水稻的籼粳分化是目前这一领域的主要研究内容。

2.1籼粳亚种形态性状的分化籼粳亚种的性状和细胞形态均有明显的分化。

这些差异主要表现在叶色、叶形、株型、叶毛、颖毛形态以及耐热、湿、光性、抗病性等方面（丁颖，1983），且常常被用来作为判别籼粳属性的标记。

kato等（1928）发现利用杂交亲和性可以判别水稻的籼粳属性，并最先利用此标记将亚洲栽培稻区分为籼粳两大亚种。

oka等（1958）将籼粳差异的4个典型性状进行量化，写成了籼粳亚种的判别函数x=－k+0.75c－0.22h+0.68ph。

程侃声（1985）创立了“形态指数法”，利用６个性状将水稻分级记分，以区分绝大多数籼、粳品种。

该法由于简便快速、准确率高，目前在籼粳分类和育种亲本的选育中被广泛采用。

但是，利用形态标记来判别籼粳属性存在一定的局限性，它主观性较强，而且很难量化。

oka也指出，仅用少数形态性状来判别籼粳属性是存在争议的。

籼粳亚种的细胞形态差异不大，但shinohara（1962）发现二者的核仁数量不同。

此外，机动细胞硅酸体的形态也存在巨大差异（王才林等，1998）。

2.2籼粳亚种生理生化水平上的差异同工酶技术的发展使得对籼粳分化的研究由表型性状深入到蛋白质水平。

目前，已经发现大约有40多个同工酶位点在籼粳亚种之间的分布具有差异，且许多同工酶位点上存在非随机组合现象（sato et al，1991）。

morishima等（1990）发现，粳稻的同工酶位点中多具有acp-12、cat-12、est-21、pgi-12等位基因。

才宏伟（1993）则在酯酶est-10位点上发现粳稻、籼稻和野生稻各具其特异的等位基因，指出10a和11a分别是粳稻和籼稻标志带。

段中岗等（2005）利用改良的聚丙稀酰胺电泳法又发现了est-3、est-4、est-x和pox-x 4个新的籼粳分化位点。

将同工酶量化为判别函数也可以有效鉴别籼粳属性。

sano（1992）采用6个同工酶位点（cat-1、acp-1、pgi-1、pgi-2、pox-2、est-2）的di平均值[di=fi/（fi+fj）]将同工酶量化为x2（x2=∑di/6）来鉴别籼粳属性。

x2＞x1的为籼稻，x2＜x1的为粳稻（x1=4.0）。

孙新立等（1996）提出用6个能有效鉴别籼粳的同工酶位点（amp-2、cat-1、mal-1、acp-1、acp-2、est-10）的dj值[dj=fj/（fi+fj）]计算出每份材料的pj值（表示水稻材料属于籼粳的可能性），可有效判别籼粳属性。

2.3籼粳亚种在dna水平上的分化籼粳亚种在dna水平上的分化是近年来研究的主要方向。

目前，在细胞质dna和细胞核dna水平上，运用rflp、ssr以及snps等分子标记均已经揭示出籼稻和粳稻在基因组中存在着广泛的差异，且籼粳分化是多位点发生的。

2.3.1细胞核dna的分化。

高等植物的rrna基因（rdna）包括18-26s rdna和5s rdna，其基因间隔区（igs）的长度和序列变化较大，可用于揭示关系密切的物种和亚种间的相互关系（cordesse 等，1990；yi等，1997）。

cordesse等（1990）发现籼稻和粳稻18-26s rdna的igs长度差别较大，粳稻往往较短，而籼稻则较长。

籼稻和粳稻的5s rrna基因间隔区的长度也有较大差异，且各自具有独特的pcr扩增带型，可以用来鉴别籼粳亚种（yi等，1997）。

在核总dna水平上，利用rflp、ssr以及snps等分子标记也揭示出籼粳亚种在基因组水平上存在巨大差异。

zhang等（1992）利用145个rflp标记对26份水稻品种分析显示，籼粳亚种之间的遗传差异显著，且籼稻的遗传多样性大于粳稻。

刘克德等（1995）利用分化系数gst来衡量籼粳分化的程度，并对87份云南稻地方品种的rflp分析发现，籼稻和粳稻都表现出较高水平的变异，但粳稻的遗传变异比籼稻更为丰富，且不同染色体区段分化程度不同。

孙传清等（1998）通过比较亚洲栽培稻和普通野生稻的细胞核dna、线粒体dna和叶绿体dna的差异，证实籼粳分化是亚洲栽培稻分化的主流，且核、质dna的分化方向以一致为主。

之后，孙传清（1999）提出tdj值，是与粳型基因出现频率正相关的量化值。

研究发现，测试品种的tdj值，其呈双峰分布，表明大部分品种的籼粳分化是比较彻底的。

ssr是第2代分子标记，在水稻遗传多样性等研究领域应用广泛。

樊叶扬等（2000）利用70个ssr标记分析籼稻和粳稻品种发现，36 个ssr标记可以区分籼、粳。

对18 个籼粳品种进一步分析，在21个标记中有20 个在籼粳亚种间带型相异。

朱作峰等（2002）利用30对ssr引物比较了52份不同生态型的栽培稻和34份不同省（区）的普通野生稻的遗传多样性，发现籼、粳稻亚种间的平均遗传距离明显大于籼、粳亚种内品种间的遗传距离，并找到5个籼粳特异性的ssr标记。

张建勇等（2005）利用208对ssr引物对93份材料进行分析，其中123对在籼稻和粳稻群体中检测到了多态性，并可以将所有的供试材料明显分为籼稻群和粳稻群。

随着水稻基因组计划（irgsp）的完成，籼粳分化在基因组水平上的研究已经精确到了单个碱基的差异。

单核苷酸多态性snps是基因组中最常见的单碱基变异形式。

水稻籼粳亚种间蕴含了丰富的snps。

nasu等（2002）利用3个粳稻品种、2个籼稻品种和1个野生稻品种，从417个dna区段（约250 000bp）中发现了2 800个snps，平均每89个碱基就有1个snp，且籼稻的snps频率明显大于粳稻。

shen等（2004）通过比对粳稻日本晴和籼稻93-11的全基因组序列，共发现了1 703 176个snps和479 406个indel，直接pcr测序验证发现snps的准确率为98.2%。

lisa等（2006）利用8份栽培稻和1份野生稻在基因组范围内发现了7 805个多态位点（含snps 和indel）。

蔡星星等（2006）利用indel标记对亚洲栽培稻和野生稻的研究发现，籼稻与粳稻存在明显的遗传分化，且含aa基因组的野生稻物种与籼稻品种存在较近的亲缘关系，而非aa基因组的野生稻物种不存在明显的籼粳分化。

feltus等（2007）将日本晴和93-11的基因组序列进行比对来分析两者之间的snps。

滤去可靠性差或可能重复的snps，保留下来的snps还有384 341个，indels 还有24 557个，随机抽样验证结果显示，准确度达79.8％。

2.3.2细胞质dna的分化。

籼粳亚种在cpdna和mtdna水平上也存在明显分化。

dally等（1990）发现籼粳亚种具有不同的cp dna 限制性内切酶模型，且大多数来自中国的普通野生稻具有粳稻品种的叶绿体型。

ishii（1991）则发现，籼稻和粳稻的cpdna之间存在3个突变，使得籼稻的cpdna比粳稻多或者少了0.1kb的片断。

孙传清等（1998）对mtdna的rflp分析发现，籼粳之间存在显著差异，但是ishii（1991）在粳稻和爪哇稻之间、籼稻品种之间以及非洲栽培稻之间没有观察到mtdna的变异，他推断mtdna在栽培稻分化过程中是保守的。

虽然关于亚洲栽培稻mtdna分化的报道不是很多，但现有资料均表明，mtdna分化的主流仍是籼粳分化。

3亚洲栽培稻籼粳分化的机理亚洲栽培稻的野生祖先种是普通野生稻已属公认，但是普野在演化为栽培稻之前是否存在籼粳分化一直是争论的热点问题。

目前，对栽培稻籼粳分化机理的认识主要有以下几种观点。

3.1选择压力选择包括自然选择和人工选择，植物体自身也可造成选择，如不同的花粉传播和竞争、基因型之间遗传速率或丢失率的差异等。

选择的结果是导致群体间基因频率的差异。

王象坤（1998）等提出生态环境的选择压力是导致籼粳分化的重要原因。

曾亚文等（1999）的研究也认为，云南稻种的籼粳分化与温度、纬度和海拔等生态条件密切相关。

自然选择和人工选择在籼粳分化过程中起到了确定籼粳分化的方向、积累和扩大籼粳分化的范围和程度的作用，而人工选择加上生态环境的自然选择的作用要明显大于单纯的自然选择（杨忠义等，2007）。

gao等（2008）指出，由于粳稻的生存环境单一，因此较籼稻受到更多的选择压力，并经历了更为严重的瓶颈效应（bottleneck effect），从而导致其在驯化过程中遗传多样性的大量丢失。

3.2渐渗杂交harlan（1966）在anderson杂交说基础上指出，野生显花植物与其周围近缘种发生渗交杂交（introgreesion hybridi-zation）产生大量变异而导致物种的分化；但是水稻是严格的自花授粉植物，野生稻种之间天然渗交的几率极小。