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水稻产量相关基因的鉴定和发现
摘要：提高谷物产量已经成为了当今世界育种过程中的焦点。而随着水稻基因组注释工程（Rice Genome Project）的建立，鉴定出了许多与籽粒产量相关的基因：比如与支梗数量，籽粒数、籽粒大小、株高等性状相关的基因。
本文总结了目前有关水稻产量的相关基因，主要针对籽粒数、粒重、籽粒饱满度等性状相关基因的考察，同时也归纳了有关株高、分蘖数的相关基因。
Introduction
描述水稻产量可以从四个方面来进行；即：粒重、单穗的籽粒数、每株的穗数、籽粒的饱满度。粒重几乎是有遗传因素控制，而籽粒的饱满度则更多的受环境因素的影响。除了这些直接描述水稻产量的因素外另外两个间接因素也被引进来，即：株高和分蘖数。
1. Grain number
在过去的几十年，发现了许多QTL基因控制籽粒数。Gn1，一个QTL基因，位于1号染色体，增加水稻籽粒数，同时，在小麦和玉米中也发现了该基因的同源基因。Gn1有两个位点，Gn1a、Gn1b；前者编码一个CK氧化/脱氢酶（CKX）-----OsCKX2，其在花分生组织中表达，调控CK的水平，从而控制水稻小花的数量。对OsCKX2的反义表达，降低了OsCKX2的表达水平，提高了水稻的籽粒数。与之一致的是，AtCKX3，拟南芥中OsCKX2的同源基因，过表达后，降低了其花分生组织中起始花原基的数量[1]。
对于单穗的籽粒数，基本是由水稻圆锥花序中第一支梗、第二支梗的数量和长度，以及圆锥花序中分支的数量所决定。有趣的是，在含有一个Gn1a相同的株系NIL中，产生了相同的一次支梗数，但二次支梗数却不相同，见图（Figure 1a and b）；由此可以看出，存在另外控制一次、二次支梗的基因。

(a) Gross morphology of panicle. Left: Japanese leading cultivar, Koshihikari. Right: a New Plant Type (NPT) cultivar for increased grain yield bred at the International Rice Research Institute. (b) Panicle architecture of Koshihikari (left) and NPT cultivar (right) in (a). (d) Appearance of translucent(upper) and chalky(lower) grains after polishing.
2. Grain weight
粒重是由粒长、粒宽、粒厚几个因素决定。籽粒大小是育种中的一个主要目标，不仅它决定最终产量，同时还将影响稻谷的品质（如：增大籽粒大小可能会降低稻谷品质）。
已经发现了许多控制粒重的QTL，最近报道的位于3号染色体近着丝粒区上的GS3，为一个控制粒长和粒重的主效QTL。GS3编码一个由232 个氨基酸组成的跨膜蛋白，该蛋白产物包含下列4 个结构域：一种植物特有的调节器官大小的结构域(organ size regulation, OSR)、一个跨膜区、肿瘤坏死因子受体/神经生长因子受体(tumor necrosis factor receptor/nerve growth factor receptor, TNFR/NGFR)家族中富含半胱氨酸的同源区域和C 端的C型血管性血友病因子(von Willebrand factor type C, VWFC模块)。OSR 结构域以前称为PEBP 结构域。序列分析表明，与小粒品种相比，大粒品种GS3 第2 外显子中编码第55 位半胱氨酸的密码子TGC 突变成终止密码子TGA，造成蛋白翻译提前终止(缺失了178个氨基酸)，从而使得类PEBP 结构域残缺并缺少其他3 个功能域，这表明GS3 编码的蛋白对粒重起负调控作用。在最近的数据库软件分析中发现GS3 并不属于PEBP 蛋白家族，通过比对发现推测的GS3 PEBP 结构大约只有三分之一长度的PEBP，仅有20.3%-28.4%相似性。通过数据库同源比对发现，GS3 的N端具有一个多数被子植物中高度类似且保守的66 aa的结构域，如控制穗型的DEP1。作者暂时将改结构命名为OSR。禾谷类作物的产量很大程度上取决于其籽粒的大小。GS3 是一个控制籽粒大小的主效QTL，它在调节籽粒和器官大小中发挥负调节子的功能。通过原位杂交显示GS3在幼穗中表达，并随着穗子发育而减少，在其它组织如胚、茎端分生组织、叶和茎中有微弱表达，但在根冠中大量表达，real-time PCR同时证实了上述结果。野生型等位基因包含有四个推测的结构域：N 端的OSR结构域，一个跨膜区，TNFR/NGFR家族富半胱氨酸结构域，以及C 端的VWFC。这些结构域在调节籽粒大小中发挥不同的功能：OSR结构域作为一个负调节子发挥作用是充分必要的，野生型等位基因对应形成中等长度的籽粒，而OSR 结构功能的丢失会导致形成长的籽粒；C端TNFR/NGFR 和VWFC 结构域显示出对OSR 功能的抑制作用，这两个功能域失活突变会产生非常短的籽粒。本研究将GS3 蛋白质的结构域的功能与水稻种子籽粒大小的自然变异联系了起来[2]。
另外一个与粒重相关的基因，GW2，坐落于2号染色体的短臂，为一个控制粒宽和粒重的主效QTL。GW2 包含有8 个外显子，cDNA 全长1634bp，编码由425 氨基酸组成、47kDa 大小的蛋白产物，而WY3由于第4外显子上一个碱基的缺失，引起GW2 等位基因在转录过程中提前终止了翻译，产物只保留有115 氨基酸。GW2 编码一个环型E3 泛素连接酶，位于细胞质中通过将其底物锚定到蛋白酶体进行降解，从而负调节细胞的分裂。
GW2 的WY3 等位基因显著地增加粒宽和千粒重，从而增加单株产量，该等位基因同时也能增加每株穗数、延长生育期，并显著地降低每穗粒数和主穗长度，表明GW2具有明显的一因多效。
GW2 功能的缺失将不能将泛素转移到靶蛋白上，因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，从而增加颖花外壳的宽度，另一方面，间接地，灌浆速率也得到了提高，胚乳的大小随之也得到了增加，最终谷壳的宽度、粒重以及产量都得到了增加[3]。
3. Grain filling
籽粒饱满度是一个动态、复杂生理过程的体现。一个高产的水稻栽培品系，会得到大量的籽粒数，但是却难以产生足够的光合产物来提高给所有的水稻籽粒，从而导致了每穗上的籽粒都是饱满的。水稻叶鞘和茎在抽穗之前积累大量的光合产物，以供给抽穗期的发育。因此，因此，在抽穗期前的营养生长时期积累足够的光合产物是同等重要的。
发现了两个控制籽粒饱满度的主效QTL。其中一个位于8号染色体，这个基因增加了灌浆期时叶鞘和茎中非结构性碳水化合物（NSC）的含量，相对而言，其等位基因，在灌浆时期叶鞘和茎中降低NSC的含量，导致增加了籽粒饱满度，这就说明了这个QTL参与了将NSC从叶鞘和茎中转移到花序中的过程。然而，令人敢兴趣的是，这些QTL却不和控制每穗籽粒数的那些QTL连锁，则给我们提供了一个同事提高籽粒饱满度和穗子大小的可能性[4]。
另外，对于全球变暖导致夜间温度升高，也降低了谷物的产量和品质。高的夜温损坏了干物质的产生，降低了谷粒的大小和干重。同时也导致了水稻谷粒的变白（chalky grain见图(Figure 1d），这使得谷粒难于脱粒，同时也降低了口感。对在灌浆时期的微阵列和半定量RT-PCR分析，发现在高温条件下，使得那些淀粉、蛋白合成的相关基因的表达量降低，而那些降解淀粉、热激蛋白相关基因的表达量却升高[1]。
籽粒的饱满度是一个复杂生理过程的体现，这需要更多生理、生化、分子方面的更多研究。
4. Plant height
植株高度是影响产量的另一个因素特别是体现在植株越高，其抗倒伏性、奈病性降低，而伴随绿色革命的发生，小麦，谷物等农作物的半矮化出现，大大增加了其的抗倒伏性，提高了产量。
值得一提的是，在绿色革命期间，发现了两个相关株高的基因：wheat ：Reduced height1 (Rht1) 、rice ：semi-dwarf1(sd1)，前者参与GA信号途径，后者参与了GA的生物合成。这也提示我们要想从分子水平上改变株高，从GA过程中可能会寻到一个突破口。
另外一个半矮化的基因：OsBRI1,其拟南芥中同源基因BRI1编码一个油菜素内酯（BR）受体，拟南芥中的突变导致BR不敏感的严重矮化表型；OsBRI1在水稻中的突变体，表现出不仅为半矮化的特点，同时还出现叶片竖直的表型，最终导致了在高栽种密度、没有使用更多氮肥的情况下而获得高产……这可能是由于叶片竖直更加有利于接收光能[1]。
5. Tillering
水稻分蘖数是影响产量的另一个因素，我们都期望的是多分蘖，每个分蘖上的单穗还不变小，但是实际情况却不是这样。分蘖数的调节也成为一个重要的问题。
TEOSINTEBRANCHED1 (TB1)，存在于玉米中，该基因是含有一个TCP结构域的转录因子，负调控腋芽的长出。水稻中与TB1同源的一个基因OsTB1/FINECULM1 (FC1)，在水稻中表现出类似的表型，起着负调控水稻的分蘖。过量表达OsTB1 的转基因水稻分蘖数显著减少，幼苗比野生型粗壮；而OsTB1 功能丧失型突变体fc1 分蘖数显著增加。OsTB1 cDNA 全长1935bp，仅含有1 个外显子，编码一个由388 氨基酸组成的蛋白产物，产物含有TCP 结构域、SP 结构域和R 结构域。fc1 突变体中OsTB1 基因的开放阅读框中第327 个碱基C 缺失，导致移码突变，提前形成终止密码子。fc1-2：组织培养引发的缺失突变，包含一个26bp和一个1bp碱基的缺失，缺失区编码蛋白位于TCP域。
OsTB1 与玉米的TB1 基因同源，两者编码的转录因子都含有一个碱性螺旋-环-螺旋类型的DNA 结合结构域，叫TCP 结构域。 OsTB1 在水稻的整个腋芽中都表达，通过控制腋芽的生长影响水稻的分蘖数，过量表达OsTB1 的转基因水稻由于腋芽形成受到影响导致分蘖数显著减少，而OsTB1 功能丧失型突变体fc1 分蘖数显著增加。OsTB1 是水稻侧向分枝的负调节因子，调节侧芽的生长，但不影响顶端分生组织的发育。
新近，通过对豌豆、拟南芥和水稻多分枝突变体的研究，揭示独角金内酯作为一种新发现植物激素，能够抑制侧生分支的发生。而为了回答SLs是如何控制侧芽的生长，就需要发现并鉴定SLs下游的基因。日本学者研究发现，当外施1μM GR24（人工合成SL类似物）并不能恢复水稻多分蘖突变体fine culm1（fc1）的表型；用10μM GR24处理时，可以使野生型植株分蘖发生受到抑制，但对fc1 突变体并没有明显的作用，暗示FC1 位于SLs下游是其抑制侧芽生长所必需。在d3-2 突变体（亦为SL不敏感突变体）中过表达FC1，d3-2 的株高和分蘖可以部分恢复成野生型表型。原位杂交结果表明，FC1 mRNA 主要富集在侧芽、茎顶端生长点、幼叶、维管组织和冠状根尖。FC1 的表达丰度并不受GR24处理发生显著影响，说明SLs 可能并不是在表达水平上影响FC1 的功能，另外，FC1 的表达虽基本不受IAA影响但受细胞分裂素BAP负调节。因此，FC1 对于水稻侧枝的发生有着重要的作用，是多条信号调节通路的一个节点[5]。
另外一个与水稻分蘖相关的基因：MONOCULM1 (MOC1)，该基因突变后，使得水稻仅仅只有一个主茎，成为“独苗”。MOC1 cDNA 全长1666bp，包含有4 个外显子，编码一个由441 氨基酸组成的蛋白产物，产物包含VHIID 基序和类SH2 结构域。moc1 突变体在第948 位碱基处插入了一个1.9 kb 的逆转座子序列，提前形成终止密码子，造成蛋白质的翻译提前终止，只有338 个氨基酸。
MOC1 编码一个定位在核内的GRAS 家族蛋白，在营养生长和生殖生长阶段控制叶腋分生组织形成。MOC1 在腋芽没有发生形态改变之前就在腋芽表皮和皮下细胞表达，随后在整个腋芽和之后的叶腋原基表达。MOC1 在叶腋分生组织和腋芽的形成中发挥重要作用，还促进腋芽的向外生长。
分蘖参与了两个重要的生理过程：腋芽的形成和向外生长。MOC1参与的是这个过程中的正调控作用，而OsTB1/FC1则起着负调控的作用。作为调控分蘖的关键基因，它们起着对分蘖和单株穗数的重要调控作用[1]。
Conclusion
通过突变体的研究，我们得到了很多基因，比如抽穗期、株高、奈压等等性状的基因。本文综述了前人关于水稻产量方面的研究，主要是水稻粒重、籽粒数、籽粒饱满度、株高、分蘖等几方面。随着基因组学的不断深入研究，我们期待会有更多的关于农艺性状的基因倍发现，不仅仅于影响水稻产量方面的基因。
参考文献：
[1] SAKAMOTO T, MATSUOKA M. Identifying and exploiting grain yield genes in rice[J]. CURR OPIN Plant BIOL, 2008, 11(2): 209-214.
[2] WANG C, CHEN S, YU S. Functional markers developed from multiple LOCI in GS3 for fine marker-assisted selection of grain length in rice[J]. Theor APPL Genet, 2011, 122(5): 905-913._nf564baa8e63e642c4aa6c384ac08069de
[3]
[4] TakaiT,FukutaY,ShiraiwaT,HorieT.Time-related mapping of quantitative trait loci controlling grain-filling in rice (Oryzasativa L.). J Exp Bot 2005, 56:2107-2118.
[5] _nf74dcb600cde44c71bf3a5b7945f83b3e.