本文摘要：摘 要：在水稻分子生物学研究方面，解析了水稻广谱抗病遗传基础及机制、杂种优势的分子遗传机制、水稻感知和耐受冷害热害机制、调控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展的分子机理、自私基因维持植物基因组稳定性的分子机制和大规模种质资源的全基因组变异
摘 要：在水稻分子生物学研究方面，解析了水稻广谱抗病遗传基础及机制、杂种优势的分子遗传机制、水稻感知和耐受冷害热害机制、调控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展的分子机理、自私基因维持植物基因组稳定性的分子机制和大规模种质资源的全基因组变异，并提出我国水稻科技发展趋势与对策。
关键词：水稻;分子生物学;研究进展
农作物种植论文投稿刊物：《北方水稻》(双月刊)创刊于1971年，是辽宁省盐碱地利用研究所主办的以水稻为主的专业技术期刊。主要宣传报道水稻研究最新成果、交流各地水稻丰产经验，介绍水稻生产新技术及新农药、肥料、农机等。主要栏目：育种研究、栽培管理、植物保护、土壤肥料、农田水利、综合开发、地区建设。
近几年，我国水稻分子生物学持续稳步发展，在水稻组学、逆境生物学、功能基因的克隆和调控网络的解析方面已经引领世界水稻乃至作物科学研究。2015年以来，中国水稻科学领域的研究工作者研究成果精彩纷呈，在CNS等3个国际顶尖期刊发表论文9篇，《Nature Genetics》上发表7篇，《Plant Cell》以上期刊发表80余篇，获得了一系列原始创新成果和新突破，如水稻广谱抗病遗传基础及机制、杂种优势的分子遗传机制、水稻感知和耐受冷害热害机制、调控植物生长-代谢平衡实现可持续农业发展的分子机理、自私基因维持植物基因组稳定性的分子机制和大规模种质资源的全基因组变异的解析等。揭示了水稻C2H2类转录因子Bsr-d1启动子变异导致广谱抗稻瘟病的新机制[1];水稻Pigm位点的NB-LRR类抗病基因簇，双基因功能拮抗调控病与产量的平衡机制[2];水稻低温QTL基因编码蛋白COLD1感受与防御寒害机制[3];水稻生长调节因子GRF4和生长抑制因子DELLA相互之间的反向平衡调节赋予了植物生长与碳-氮代谢之间的稳态共调节机制[4];利用全基因组关联分析(GWAS)技术和17套代表性杂交水稻品种的F2代材料，解析了水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制[5]。这5项成果分别入选2015—2018年中国生命科学十大进展，其中4项是逆境生物学领域，包括抗病2项、耐冷1项和耐低氮胁迫1项。还利用30 00多份水稻测序揭示了亚洲栽培稻的起源和群体基因组变异结构[6]。阐明了水稻自私基因qHMS7控制杂种不育的分子机制[7]。揭示了水稻IPA1基因的Ser163位点被磷酸化产生的产量与抗病平衡机制[8]。另外，还鉴定和克隆了一系列调控水稻株型、品质和抗性的功能基因和分子机制。本文对2015年以来我国科学家在水稻生物学领域取得的重要研究成果进行了系统梳理, 对国内外水稻科学发展进行了比较，并提出我国水稻科技发展趋势与对策。
1 我国在水稻生物学领域的研究成果
1.1 逆境生物学
水稻生长在自然环境中通常都会受到生物或非生物胁迫，其中，病毒、细菌、真菌、害虫和等生物胁迫对作物的危害极大。面对各类胁迫，水稻会自然进化形成多种抵抗机制。近几年，揭示水稻抗逆性的分子机制研究亮点纷呈，如新型广谱抗病、抗虫、耐冷热分子机制的发现。
1.1.1 生物逆境
水稻新型广谱抗病遗传基础研究方面取得突破。四川农业大学陈学伟研究团队克隆了水稻新型广谱抗病基因Bsr-d1，是C2H2类转录因子。其启动子发生变异，与上游MYB结合，富集细胞内H2O2，提高抗病性[1]，研究结果发表在《Cell》上。Bsr-d1之后，又克隆了稻瘟病和白叶枯病双抗的隐性基因bsr-k1，通过调控与OsPAL1-7免疫基因RNA的绑定能力，调节免疫和抗性[9]。另外，还发现水稻理想株型IPA1植株感染稻瘟病后，DNA结合结构域的Ser163位点被磷酸化，激活防御基因WRKY45的启动子表达，增强稻瘟病抗性[8]，揭示了单个基因既增产又抗病的平衡机制。中科院上海植生所何祖华研究团队克隆的持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，含13个串联NB-LRR类抗病基因簇，PigmR和PigmS组成1对功能拮抗的受体蛋白控制稻瘟病机制[2]。这些机制的发现对抗病理论研究和育种应用具有重要的参考价值。
水稻白叶枯病是由病菌引起的病害。转录因子OsWRKY45的2个等位基因，都正调控稻瘟病抗性，但OsWRKY45-1负调控，OsWRKY45-2正调控对白叶枯病和细菌性条斑病的抗性。王石平研究团队发现这两个等位基因含不同TE元件，能产生siRNA，并通过RdDM途径抑制下游ST基因的表达，调节抗性[10]。此外，还发现水稻中2个选择性剪接的转录本OsDR11L和OsDR11S，后者通过抑制OsDR11L负调控因子的转录活性，增强水稻抗性。SONG等[11]发现，一个单子叶植物特有的水稻负调控抗病毒因子miR528，与AGO18竞争性结合，释放靶基因抗坏血酸氧化酶(AO)，促进ROS积累和广谱抗病毒功能。
虫害也是全球范围内农作物产量和质量的一个主要限制因子。武汉大学何光存研究团队克隆了3褐飞虱抗性基因BPH9、BPH14和Bph6。BPH9编码一种罕见的含NLR结构域的蛋白，具致细胞死亡表型;可激活水杨酸和JA信号途径，对褐飞虱有排趋性及抗生性[12]。BPH14的卷曲螺旋(CC)和核苷酸结合位点(NB)结构域可与WRKY转录因子互作以激活防御信号，抵抗褐飞虱的取食[13]。Bph6参与胞泌复合体亚基Exo70E1互作，调控水稻细胞的外泌，起抗虫作用[14]。对解析寄主-虫害互作的共同进化以及抗性品种的选育具重要意义。
1.1.2 非生物逆境
低温严重影响水稻的地理分布、生长发育及产量。植物应答环境胁迫主要通过保护和调节两大类基因实现。种康研究团队克隆的粳稻耐冷基因COLD1，编码的G-蛋白信号调控因子与α亚基互作激活Ca2+通道，可以感知低温、提高GTP酶活性，起耐冷作用[3]。储成才研究团队克隆的粳稻苗期耐低温基因bZIP73，与bZIP71蛋白互作，调节脱落酸和活性氧，提高低温耐受性[15]。李自超研究团队克隆的水稻耐寒基因qCTB4-1，提高孕穗期耐寒性[16]。MAO等[17]克隆的抗寒性的QTL HAN1，其自然等位变异增加水稻的抗寒性。
高温胁迫影响水稻育性、产量和品质。林鸿宣研究团队从非洲稻克隆了作物中第1个抗高温的数量性状基因OgTT1，发现水稻细胞会及时有效地清除变性蛋白，维持高温下胞内蛋白平衡[18]。薛勇彪研究组克隆的耐热基因TOGR1，作为pre-rRNA的分子伴侣保证了高温下细胞分裂所需的rRNA有效加工，增强了水稻的耐热能力[19]。此外，还发现水稻花器官稳态发育基因EG1，通过介导高温依赖的线粒体脂酶途径，促进在不同环境中花器官的稳态发育[10]。
林鸿宣研究团队筛选了与水稻抗旱耐盐转录因子DST互作的蛋白DCA1，通过调节保卫细胞H2O2的稳态控制气孔开度，调控耐逆性[20]。RONG等[21]研究发现，水稻高亲和力K+转运蛋白OsHKT1;1能减少茎中的Na+浓度，增强抗盐能力。
1.2 农艺性状的遗传
株型是一个决定产量的重要农艺性状, 也是水稻人工驯化改良过程中的主要目标，目前主要集中于株高、叶夹角、分蘖、根系、穗部和籽粒等性状的研究。李家洋研究团队发现，IPI1对IPA1的泛素化具组织特异性，从而精细调控不同组织的IPA1蛋白水平[22]。还与何祖华研究组合作克隆了IPA1等位基因qWS8/ipa1-2D，DNA结构变异导致IPA1启动子区甲基化水平降低，表达量上升;同时还有精细的剂量调控效应，调控大穗、适当分蘖和粗秆抗倒理想株型的形成[23]。另外，还发现IPA1是D53下游靶基因，两者互作抑制IPA1的转录激活活性，而IPA1直接与D53启动子结合，实现负反馈调节[11]。
张启发研究团队鉴定了由miR156/miR529/SPL和miR172/AP2通路组成控制水稻分蘖和稻穗分枝的调控网络[24]。种康研究团队发现，miR396d通过抑制GA和促进BR信号途径分别调控水稻株高和叶夹角[25]。GAO等[26]发现，HOX12调控穗颈长基因EUI1的表达。FANG等[27]发现，STD1蛋白调控微管依赖的ATP酶活性，影响水稻细胞分裂和器官发育。ZHANG等[28]通过研究水稻茎重力反应的动态转录组变化，快速挖掘水稻分蘖角度基因及其调控网络的有效途径。HU等[29]创制了D18突变的矮小水稻种质 “小薇日本晴”和“小薇93”，可在室内可控、可重复条件下进行杂交育种及抗逆研究。
万建民研究团队发现，FUWA负调控细胞分裂影响稻穗的生长发育[30]，而OsALMT7转运苹果酸影响幼穗发育[31]。BAI等[32]鉴定到TU1基因具“一因多效” 功能，调控水稻穗发育。BAI等[33]和HUANG等[34]分别发现转录抑制子OsBZR1和OsARFs，都会抑制FZP的表达，提高水稻枝梗数和产量。JIANG等[35]发现，COMPASS-like复合体调控水稻抽穗期和花序结构，OsWDR5和 OsTrx1功能缺失导致水稻花序二级枝梗减少、抽穗延迟。林鸿宣研究团队证实了负调控因子GSN1调控水稻穗型发育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号通路。GSN1-MAPK通过整合下游激素信号精准调控穗粒数和籽粒大小的协同发育[36-37]。WU等[38]发现，LOFSEP亚族基因OsMADS1、OsMADS34和OsMADS5共同调控花分生组织。ZHANG等[39]将Ghd7、Ghd8和Hd1进行组合应用，阐明了水稻品种的生态地理适应性和产量形成潜力。YANG等首次揭示了Hd1翻译后蛋白的昼夜累积是其调控水稻抽穗期的分子基础。ZHANG等[40]发现，LF1的突变导致了OSH1异位表达, 并引起侧生分生组织在护颖原基的腋下生成侧生小花。
在籽粒研究方面，LIU等[41]发现，水稻大粒基因BG1过表达株系增强生长素极性运输能力，增大籽粒。JANG等[42]发现，OsBUL1是水稻粒长的正向调节子, 与bHLH蛋白互作影响叶倾角与籽粒大小。韩斌研究团队克隆了水稻粒长和粒重基因GLW7，在穗及颖壳特异表达, 其高水平表达与热带粳稻大谷粒相关[43]。万建民研究团队解析了水稻粒宽基因GW5通过BR信号通路调控籽粒发育的分子机理[44]。多家单位同时克隆到粒形和粒重相关的同一主效负调控QTL/基因qTGW3/TGW3/GL3.3，影响颖壳细胞大小和数目[45];编码GSK3类SHAGGY家族成员OsSK41，可磷酸化OsARF4[46]，与GS3基因上位互作[47]。大粒基因LARGE8，与OsMAPK6直接互作使其失活，抑制颖壳细胞增殖，负调控粒形[47]。OsSPMS1基因负向调控水稻种子萌发、粒形和单株产量[48]。
在根系研究方面，赵毓研究团队鉴定到WOX11 的2个互作蛋白ERF3和ADA2，ERF3调控生长素和细胞分裂素响应基因的表达，调节冠根发育[49]; ADA2以WOX11-ADA2-GCN5三元复合物的形式存在，影响根系发育[50]。易可可研究团队发现水稻AIM1调控SA的合成, 影响ROS的积累并调控根的生长及分生活性[51]。
1.3 水稻育性遗传调控
雄性不育是杂种优势利用的基础。张启发研究团队从农垦58S克隆的光敏不育基因pms1的转录本PMS1T，能被剪接形成植物特有的phasiRNA，造成雄性不育。首次揭示了植物phasiRNA是有功能的且控制重要的农艺性状[52]。另外，还利用水稻品种BL(Balilla)转化产生的不育和可育的遗传材料BL5和BL3进行转录组分析，发现细胞壁完整性损伤会诱导严重的生物和非生物胁迫，导致不育。这对理解生殖障碍背后的生物过程具有普遍意义[53]。张大兵研究团队发现，水稻不育基因tms10，通过花药绒毡层的TMS10激酶活性降解调控育性[54]。万建民研究团队阐明了自私基因qHMS7在水稻杂种不育上毒性-解毒分子机制，为揭示籼粳亚种间杂种雌配子选择性致死的本质提供了理论借鉴[7]。HUANG等[55]发现了HL-CMS的恢复基因RF6，揭示了己糖激酶与细胞质雄性不育恢复之间的关联性。刘耀光研究团队克隆了控制籼、粳杂种不育的Sc基因，揭示了一种基于等位基因剂量效应驱动的选择性基因沉默的杂种不育分子机制[56];还发现水稻野败型CMS来自线粒体基因WA352c多次重组进化，重组体结构蛋白与核编码的线粒体蛋白COX11相互作用，从而导致花药绒毡层中过早的细胞程序性死亡与雄性不育，系统地阐明了杂交稻育性遗传控制的分子基础[57]。HUANG等[58]利用1 495份杂交稻品种进行基因组测序分析，揭示了大量杂种优势相关的优异等位基因，以及产量优势依赖于正向的不完全显性的遗传机理;2016年又利用全基因组关联分析(GWAS)技术和17套代表性杂交水稻品种的10 074份F2代材料，解析了水稻产量性状杂种优势的分子遗传机制[5]。
1.4 水稻品质性状的遗传调控
稻米品质是与生活品质密切相关的重要农艺性状。“高产不优质，优质不高产”问题一直是水稻育种有待解决的难题。傅向东研究团队克隆的水稻粒形控制基因GW7，编码含TRM结构域的蛋白，可提高稻米品质而不影响产量[59]。钱前研究团队则发现，多拷贝的GL7导致其表达量上调并增加水稻粒长且改善稻米外观品质[60]。刘春明研究团队发现OsROS1能增加糊粉层的厚度,为禾本科作物营养品质育种开辟了新路径[61]。食用抗性淀粉(RS)有助于预防疾病，可溶性淀粉合成酶基因(SSIII)，负责RS的生产，SSIII基因突变后产生的高RS的稻米[62]。ZHAO等[63]克隆的控制植酸含量基因OsSULTR3;3，编码硫酸盐转运蛋白，参与调控植酸代谢运输途径，影响磷和硫在籽粒中的积累。OsSPMS1能影响乙烯合成，并可通过影响ACC和乙烯途径调控种子萌发和植物生长[48]。FSE1编码一种与亲磷脂酸磷脂酶A1同源蛋白，其突变能增加总外质体脂质和磷脂酸含量，降低胚乳中总半乳糖脂含量，导致淀粉体发育异常[64]。TENG等克隆了谷粒胚乳淀粉合成基因FLO16，是NAD依赖型细胞质苹果酸脱氢酶基因，参与水稻胚乳中淀粉的生物合成和种子发育。
此外，在养分高效利用方面，水稻生长调节因子GRF4和生长抑制因子DELLA相互之间的反向平衡调节，赋予了植物生长与碳-氮代谢之间的稳态共调节机制[4]。储成才研究团队发现，硝酸盐转运蛋白NRT1.1B的单个氨基酸变异是决定籼稻氮利用效率高于粳稻的主要因素之一[65]。后来又发现NRT1.1B的缺失改变了籼稻中49.6%的根际微生物群属，揭示了土壤微生物群落调控籼稻和粳稻的氮利用效率差异的重要机制[66]。在基因组学方面，利用3 000多份国内外水稻种质测序，揭示了亚洲栽培稻的起源和群体基因组变异结构，构建了东南亚籼稻的泛基因组数据集，剖析了水稻核心种质资源的基因组遗传多样性。ZHAO等[67]利用66个深测序品种和泛基因组分析技术，揭示了栽培稻和野生稻(O. sativa-O. rufipogon)复合体中基因组的变异，构建了泛基因组数据集。QIU等[68-69]从进化基因组水平揭示了水稻的去驯化形成杂草稻的分子机理;以及GUO等[70]揭示了水稻-草互作的代谢组机制。WANG等[71]利用CRISPRCas基因编辑技术和玉米单倍体基因-Martrilineal的水稻直系同源基因，选育了无融合生殖的子一代植株。
2 国内外水稻分子生物学发展比较
2015年以来，我国水稻科学家在CNS等3个国际顶尖期刊发表水稻生物学方面的研究论文9篇、其他国家发表8篇;《Nature Genetics 》中国7篇、其他国家4篇;《Plant Cell》以上期刊中国109篇、其他国家161篇，中国发表的高档次论文的比例已占67.7%。其他国家科学家在国际顶级刊物上发表的论文总数呈下降趋势，而中国作者发表的文章数量持续增长。《New Phylogists》《Plant Physiology》和《Plant Journal》等3个植物主流期刊共发表水稻生物学论文2 520余篇，其中中国711篇，占比已经快速上升至28%以上。中国的水稻生物学已在国际上起引领作用。
2015年以来，国外科学家几大突出研究领域取得了一些新成果，包括揭示了深水稻适应深水环境的分子机制、解开了稻瘟病真菌在水稻叶片中的扩散谜团、开创了水稻无融合生殖的子一代植株的克隆、剖析了杂草稻的起源和基因组特点以及野生稻基因组等。
KUROHA等[72]发现，“绿色革命”基因SD1在不同的栽培稻中发挥截然不同的功能。SD1在正常灌水的环境中通过降低酶活减少赤霉素的合成来发挥作用，而在深水稻中则是通过增强转录而被选择，让植株不断长高，揭示了SD1调控深水稻适应深水环境的分子机制。SAKULKOO等[73]发现，调节蛋白Pmk1，编码一种促分裂原活化蛋白(mitogen-activated protein，MAP)激酶的真菌酶类，能抑制真菌通过胞间连丝进行跨细胞转移，调控稻瘟病侵入性生长，解开了真菌在水稻叶片中的扩散谜团，有利于阻止稻瘟病蔓延。STEIN等[74]利用13份栽培稻和野生稻全基因组测序分析了水稻的进化特征，还完成了“掀起全球绿色革命的籼稻品种”IR8的全基因组序列。杂草稻已是全球性的草害，LI等[75]通过全基因组测序发现，栽培稻祖先的“反驯化(de-domestication)”过程是杂草稻形成的主要原因，而与杂草稻的杂草性状相关的基因排布非常地集中，仅位于少数的基因组区域上，有利于杂草稻的分子治理和育种利用。KHANDAY等[76]利用一个在精细胞中表达的AP2家族的转录因子BABY BOOM1(BBM1)，该基因在卵细胞中的异位表达能进行孤雌生殖，当基因组编辑以有丝分裂代替减数分裂后2期与bbm1在卵细胞中的表达结合时，可以得到保留整个亲代杂合基因组的克隆子代，为无性繁殖杂交种子带来了曙光。
3 我国水稻分子生物学发展趋势与对策
水稻生物学一直保持着迅速发展，特别在水稻组学、逆境生物学、功能基因的克隆和调控网络的解析方面成果斐然。今后，需要进一步保持良好的发展势头，面向学科前沿和面向生产实践的科学问题，开展原创性的、突破性的研究，特别在高光效合成生物学发展、水稻无融合生殖体系发展和完善、分子大数据和表型组学，以及分子设计育种方面。
3.1 高光效合成生物学发展
高光效水稻和生物合成学是将来发展方向。目前，高产水稻的光能利用率仅为1.5%～2.0%，而理想的可达3%～5%，因而增加光能利用率有巨大潜力。近年来，我国在光合作用光反应色素蛋白复合体的结构与功能[77]、C4光合作用等领域[78]、Rubisco结构与功能[79]、光合作用光系统调控及建成[80]等研究领域获得较大进展。需要进一步优化光能的吸收、传递和转化效率;提高光能高效利用和光合碳同化效率。另外，合成生物学通过人工设计并构建全新的、具有特定生理功能的生物系统，建立所需物质的生物制造新途径。DONALD研究团队通过设计更有效的光呼吸途径，抑制了光呼吸且增加了C3作物的产量，可增产40%左右[81]。我国开展水稻光合作用合成生物学研究在技术及平台基础支持方面有得天独厚的优势和发展潜力。
3.2 水稻无融合生殖体系发展和完善
单倍体最先应用于玉米，2017年玉米MTL/ZmPLA1基因编辑诱导系具有诱导单倍体形成[82-83]，由于花粉有丝分裂时期的精子染色体片段化造成受精后单倍体诱导。水稻中也发现了MATL的同源基因OsMATL(Os03g27610)，平均单倍体诱导率约6%。王克剑团队利用水稻中的4个基因MATL、PAIR1、REC8和OSD1进行编辑[71]，获得了可以进行无融合生殖杂交水稻的克隆株系。而同期发表的AP2家族转录因子BABY BOOM1(BBM1)也可以诱导水稻产生孤雌生殖，实现了水稻种子无性繁殖。但是，简化的稳定的操作系统还有待进一步的发展和完善。
3.3 大数据和表型组学发展展望
随着水稻参考基因组测序、3 000份水稻基因组序列和亚洲栽培稻和野生稻泛基因组图谱的构建，以及各类组学数据，水稻已进入功能基因组和大数据的时代。需要建立更完整的水稻基因组大数据库，包括完整的水稻泛基因组数据、核心种质的基因组构成、优良种质的基因组精准构成，以及重要农艺性状形成的遗传基础和基因调控网络。而且分子大数据必须和表型组学(phenomics)相结合，高通量表型无损检测表型组学的发展有利于推动分子大数据在水稻遗传育种方面的应用。
3.4 水稻分子设计育种展望
水稻有4万多个功能基因，目前已克隆的功能基因达1 000多个，包括抗稻瘟病、氮高效、耐冷热、耐盐旱，以及各类株型、产量和品质的重要性状控制基因，而且越来越多的功能基因将被克隆。如何高效利用重要功能基因是我们面临的难题。李家洋院士提出了高产优质超级杂交水稻设计育种新模型，未来超级杂交水稻育种将基于籼-粳杂交，通过精准分子设计与全基因组分子标记辅助选育，培育具有籼-粳杂种优势与理想株型的高产、优质、耐逆、抗病的新品种[84]。今后还需要进一步发展分子设计育种技术，在建立完善的基因组-表型组数据库的基础上，高效组合和设计有利于环境可持续发展的优质绿色超级稻。
参考文献
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