本文摘要：摘 要：在水稻分子生物學(xué)研究方面，解析了水稻廣譜抗病遺傳基礎(chǔ)及機(jī)制、雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制、水稻感知和耐受冷害熱害機(jī)制、調(diào)控植物生長(zhǎng)-代謝平衡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的分子機(jī)理、自私基因維持植物基因組穩(wěn)定性的分子機(jī)制和大規(guī)模種質(zhì)資源的全基因組變異
摘 要：在水稻分子生物學(xué)研究方面，解析了水稻廣譜抗病遺傳基礎(chǔ)及機(jī)制、雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制、水稻感知和耐受冷害熱害機(jī)制、調(diào)控植物生長(zhǎng)-代謝平衡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的分子機(jī)理、自私基因維持植物基因組穩(wěn)定性的分子機(jī)制和大規(guī)模種質(zhì)資源的全基因組變異，并提出我國(guó)水稻科技發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)策。
關(guān)鍵詞：水稻;分子生物學(xué);研究進(jìn)展
農(nóng)作物種植論文投稿刊物：《北方水稻》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，是遼寧省鹽堿地利用研究所主辦的以水稻為主的專(zhuān)業(yè)技術(shù)期刊。主要宣傳報(bào)道水稻研究最新成果、交流各地水稻豐產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，介紹水稻生產(chǎn)新技術(shù)及新農(nóng)藥、肥料、農(nóng)機(jī)等。主要欄目：育種研究、栽培管理、植物保護(hù)、土壤肥料、農(nóng)田水利、綜合開(kāi)發(fā)、地區(qū)建設(shè)。
近幾年，我國(guó)水稻分子生物學(xué)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，在水稻組學(xué)、逆境生物學(xué)、功能基因的克隆和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析方面已經(jīng)引領(lǐng)世界水稻乃至作物科學(xué)研究。2015年以來(lái)，中國(guó)水稻科學(xué)領(lǐng)域的研究工作者研究成果精彩紛呈，在CNS等3個(gè)國(guó)際頂尖期刊發(fā)表論文9篇，《Nature Genetics》上發(fā)表7篇，《Plant Cell》以上期刊發(fā)表80余篇，獲得了一系列原始創(chuàng)新成果和新突破，如水稻廣譜抗病遺傳基礎(chǔ)及機(jī)制、雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制、水稻感知和耐受冷害熱害機(jī)制、調(diào)控植物生長(zhǎng)-代謝平衡實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的分子機(jī)理、自私基因維持植物基因組穩(wěn)定性的分子機(jī)制和大規(guī)模種質(zhì)資源的全基因組變異的解析等。揭示了水稻C2H2類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子Bsr-d1啟動(dòng)子變異導(dǎo)致廣譜抗稻瘟病的新機(jī)制[1];水稻Pigm位點(diǎn)的NB-LRR類(lèi)抗病基因簇，雙基因功能拮抗調(diào)控病與產(chǎn)量的平衡機(jī)制[2];水稻低溫QTL基因編碼蛋白COLD1感受與防御寒害機(jī)制[3];水稻生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子GRF4和生長(zhǎng)抑制因子DELLA相互之間的反向平衡調(diào)節(jié)賦予了植物生長(zhǎng)與碳-氮代謝之間的穩(wěn)態(tài)共調(diào)節(jié)機(jī)制[4];利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)技術(shù)和17套代表性雜交水稻品種的F2代材料，解析了水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制[5]。這5項(xiàng)成果分別入選2015—2018年中國(guó)生命科學(xué)十大進(jìn)展，其中4項(xiàng)是逆境生物學(xué)領(lǐng)域，包括抗病2項(xiàng)、耐冷1項(xiàng)和耐低氮脅迫1項(xiàng)。還利用30 00多份水稻測(cè)序揭示了亞洲栽培稻的起源和群體基因組變異結(jié)構(gòu)[6]。闡明了水稻自私基因qHMS7控制雜種不育的分子機(jī)制[7]。揭示了水稻IPA1基因的Ser163位點(diǎn)被磷酸化產(chǎn)生的產(chǎn)量與抗病平衡機(jī)制[8]。另外，還鑒定和克隆了一系列調(diào)控水稻株型、品質(zhì)和抗性的功能基因和分子機(jī)制。本文對(duì)2015年以來(lái)我國(guó)科學(xué)家在水稻生物學(xué)領(lǐng)域取得的重要研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理, 對(duì)國(guó)內(nèi)外水稻科學(xué)發(fā)展進(jìn)行了比較，并提出我國(guó)水稻科技發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)策。
1 我國(guó)在水稻生物學(xué)領(lǐng)域的研究成果
1.1 逆境生物學(xué)
水稻生長(zhǎng)在自然環(huán)境中通常都會(huì)受到生物或非生物脅迫，其中，病毒、細(xì)菌、真菌、害蟲(chóng)和等生物脅迫對(duì)作物的危害極大。面對(duì)各類(lèi)脅迫，水稻會(huì)自然進(jìn)化形成多種抵抗機(jī)制。近幾年，揭示水稻抗逆性的分子機(jī)制研究亮點(diǎn)紛呈，如新型廣譜抗病、抗蟲(chóng)、耐冷熱分子機(jī)制的發(fā)現(xiàn)。
1.1.1 生物逆境
水稻新型廣譜抗病遺傳基礎(chǔ)研究方面取得突破。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)陳學(xué)偉研究團(tuán)隊(duì)克隆了水稻新型廣譜抗病基因Bsr-d1，是C2H2類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子。其啟動(dòng)子發(fā)生變異，與上游MYB結(jié)合，富集細(xì)胞內(nèi)H2O2，提高抗病性[1]，研究結(jié)果發(fā)表在《Cell》上。Bsr-d1之后，又克隆了稻瘟病和白葉枯病雙抗的隱性基因bsr-k1，通過(guò)調(diào)控與OsPAL1-7免疫基因RNA的綁定能力，調(diào)節(jié)免疫和抗性[9]。另外，還發(fā)現(xiàn)水稻理想株型IPA1植株感染稻瘟病后，DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的Ser163位點(diǎn)被磷酸化，激活防御基因WRKY45的啟動(dòng)子表達(dá)，增強(qiáng)稻瘟病抗性[8]，揭示了單個(gè)基因既增產(chǎn)又抗病的平衡機(jī)制。中科院上海植生所何祖華研究團(tuán)隊(duì)克隆的持久廣譜抗稻瘟病基因Pigm，含13個(gè)串聯(lián)NB-LRR類(lèi)抗病基因簇，PigmR和PigmS組成1對(duì)功能拮抗的受體蛋白控制稻瘟病機(jī)制[2]。這些機(jī)制的發(fā)現(xiàn)對(duì)抗病理論研究和育種應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。
水稻白葉枯病是由病菌引起的病害。轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY45的2個(gè)等位基因，都正調(diào)控稻瘟病抗性，但OsWRKY45-1負(fù)調(diào)控，OsWRKY45-2正調(diào)控對(duì)白葉枯病和細(xì)菌性條斑病的抗性。王石平研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)等位基因含不同TE元件，能產(chǎn)生siRNA，并通過(guò)RdDM途徑抑制下游ST基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)抗性[10]。此外，還發(fā)現(xiàn)水稻中2個(gè)選擇性剪接的轉(zhuǎn)錄本OsDR11L和OsDR11S，后者通過(guò)抑制OsDR11L負(fù)調(diào)控因子的轉(zhuǎn)錄活性，增強(qiáng)水稻抗性。SONG等[11]發(fā)現(xiàn)，一個(gè)單子葉植物特有的水稻負(fù)調(diào)控抗病毒因子miR528，與AGO18競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，釋放靶基因抗壞血酸氧化酶(AO)，促進(jìn)ROS積累和廣譜抗病毒功能。
蟲(chóng)害也是全球范圍內(nèi)農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的一個(gè)主要限制因子。武漢大學(xué)何光存研究團(tuán)隊(duì)克隆了3褐飛虱抗性基因BPH9、BPH14和Bph6。BPH9編碼一種罕見(jiàn)的含NLR結(jié)構(gòu)域的蛋白，具致細(xì)胞死亡表型;可激活水楊酸和JA信號(hào)途徑，對(duì)褐飛虱有排趨性及抗生性[12]。BPH14的卷曲螺旋(CC)和核苷酸結(jié)合位點(diǎn)(NB)結(jié)構(gòu)域可與WRKY轉(zhuǎn)錄因子互作以激活防御信號(hào)，抵抗褐飛虱的取食[13]。Bph6參與胞泌復(fù)合體亞基Exo70E1互作，調(diào)控水稻細(xì)胞的外泌，起抗蟲(chóng)作用[14]。對(duì)解析寄主-蟲(chóng)害互作的共同進(jìn)化以及抗性品種的選育具重要意義。
1.1.2 非生物逆境
低溫嚴(yán)重影響水稻的地理分布、生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量。植物應(yīng)答環(huán)境脅迫主要通過(guò)保護(hù)和調(diào)節(jié)兩大類(lèi)基因?qū)崿F(xiàn)。種康研究團(tuán)隊(duì)克隆的粳稻耐冷基因COLD1，編碼的G-蛋白信號(hào)調(diào)控因子與α亞基互作激活Ca2+通道，可以感知低溫、提高GTP酶活性，起耐冷作用[3]。儲(chǔ)成才研究團(tuán)隊(duì)克隆的粳稻苗期耐低溫基因bZIP73，與bZIP71蛋白互作，調(diào)節(jié)脫落酸和活性氧，提高低溫耐受性[15]。李自超研究團(tuán)隊(duì)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，其自然等位變異增加水稻的抗寒性。
高溫脅迫影響水稻育性、產(chǎn)量和品質(zhì)。林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)從非洲稻克隆了作物中第1個(gè)抗高溫的數(shù)量性狀基因OgTT1，發(fā)現(xiàn)水稻細(xì)胞會(huì)及時(shí)有效地清除變性蛋白，維持高溫下胞內(nèi)蛋白平衡[18]。薛勇彪研究組克隆的耐熱基因TOGR1，作為pre-rRNA的分子伴侶保證了高溫下細(xì)胞分裂所需的rRNA有效加工，增強(qiáng)了水稻的耐熱能力[19]。此外，還發(fā)現(xiàn)水稻花器官穩(wěn)態(tài)發(fā)育基因EG1，通過(guò)介導(dǎo)高溫依賴(lài)的線粒體脂酶途徑，促進(jìn)在不同環(huán)境中花器官的穩(wěn)態(tài)發(fā)育[10]。
林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)篩選了與水稻抗旱耐鹽轉(zhuǎn)錄因子DST互作的蛋白DCA1，通過(guò)調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞H2O2的穩(wěn)態(tài)控制氣孔開(kāi)度，調(diào)控耐逆性[20]。RONG等[21]研究發(fā)現(xiàn)，水稻高親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsHKT1;1能減少莖中的Na+濃度，增強(qiáng)抗鹽能力。
1.2 農(nóng)藝性狀的遺傳
株型是一個(gè)決定產(chǎn)量的重要農(nóng)藝性狀, 也是水稻人工馴化改良過(guò)程中的主要目標(biāo)，目前主要集中于株高、葉夾角、分蘗、根系、穗部和籽粒等性狀的研究。李家洋研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，IPI1對(duì)IPA1的泛素化具組織特異性，從而精細(xì)調(diào)控不同組織的IPA1蛋白水平[22]。還與何祖華研究組合作克隆了IPA1等位基因qWS8/ipa1-2D，DNA結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致IPA1啟動(dòng)子區(qū)甲基化水平降低，表達(dá)量上升;同時(shí)還有精細(xì)的劑量調(diào)控效應(yīng)，調(diào)控大穗、適當(dāng)分蘗和粗稈抗倒理想株型的形成[23]。另外，還發(fā)現(xiàn)IPA1是D53下游靶基因，兩者互作抑制IPA1的轉(zhuǎn)錄激活活性，而IPA1直接與D53啟動(dòng)子結(jié)合，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)[11]。
張啟發(fā)研究團(tuán)隊(duì)鑒定了由miR156/miR529/SPL和miR172/AP2通路組成控制水稻分蘗和稻穗分枝的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[24]。種康研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，miR396d通過(guò)抑制GA和促進(jìn)BR信號(hào)途徑分別調(diào)控水稻株高和葉夾角[25]。GAO等[26]發(fā)現(xiàn)，HOX12調(diào)控穗頸長(zhǎng)基因EUI1的表達(dá)。FANG等[27]發(fā)現(xiàn)，STD1蛋白調(diào)控微管依賴(lài)的ATP酶活性，影響水稻細(xì)胞分裂和器官發(fā)育。ZHANG等[28]通過(guò)研究水稻莖重力反應(yīng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄組變化，快速挖掘水稻分蘗角度基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的有效途徑。HU等[29]創(chuàng)制了D18突變的矮小水稻種質(zhì) “小薇日本晴”和“小薇93”，可在室內(nèi)可控、可重復(fù)條件下進(jìn)行雜交育種及抗逆研究。
萬(wàn)建民研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)UWA負(fù)調(diào)控細(xì)胞分裂影響稻穗的生長(zhǎng)發(fā)育[30]，而OsALMT7轉(zhuǎn)運(yùn)蘋(píng)果酸影響幼穗發(fā)育[31]。BAI等[32]鑒定到TU1基因具“一因多效” 功能，調(diào)控水稻穗發(fā)育。BAI等[33]和HUANG等[34]分別發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄抑制子OsBZR1和OsARFs，都會(huì)抑制FZP的表達(dá)，提高水稻枝梗數(shù)和產(chǎn)量。JIANG等[35]發(fā)現(xiàn)，COMPASS-like復(fù)合體調(diào)控水稻抽穗期和花序結(jié)構(gòu)，OsWDR5和 OsTrx1功能缺失導(dǎo)致水稻花序二級(jí)枝梗減少、抽穗延遲。林鴻宣研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)了負(fù)調(diào)控因子GSN1調(diào)控水稻穗型發(fā)育的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級(jí)聯(lián)信號(hào)通路。GSN1-MAPK通過(guò)整合下游激素信號(hào)精準(zhǔn)調(diào)控穗粒數(shù)和籽粒大小的協(xié)同發(fā)育[36-37]。WU等[38]發(fā)現(xiàn)，LOFSEP亞族基因OsMADS1、OsMADS34和OsMADS5共同調(diào)控花分生組織。ZHANG等[39]將Ghd7、Ghd8和Hd1進(jìn)行組合應(yīng)用，闡明了水稻品種的生態(tài)地理適應(yīng)性和產(chǎn)量形成潛力。YANG等首次揭示了Hd1翻譯后蛋白的晝夜累積是其調(diào)控水稻抽穗期的分子基礎(chǔ)。ZHANG等[40]發(fā)現(xiàn)，LF1的突變導(dǎo)致了OSH1異位表達(dá), 并引起側(cè)生分生組織在護(hù)穎原基的腋下生成側(cè)生小花。
在籽粒研究方面，LIU等[41]發(fā)現(xiàn)，水稻大�；駼G1過(guò)表達(dá)株系增強(qiáng)生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸能力，增大籽粒。JANG等[42]發(fā)現(xiàn)，OsBUL1是水稻粒長(zhǎng)的正向調(diào)節(jié)子, 與bHLH蛋白互作影響葉傾角與籽粒大小。韓斌研究團(tuán)隊(duì)克隆了水稻粒長(zhǎng)和粒重基因GLW7，在穗及穎殼特異表達(dá), 其高水平表達(dá)與熱帶粳稻大谷粒相關(guān)[43]。萬(wàn)建民研究團(tuán)隊(duì)解析了水稻粒寬基因GW5通過(guò)BR信號(hào)通路調(diào)控籽粒發(fā)育的分子機(jī)理[44]。多家單位同時(shí)克隆到粒形和粒重相關(guān)的同一主效負(fù)調(diào)控QTL/基因qTGW3/TGW3/GL3.3，影響穎殼細(xì)胞大小和數(shù)目[45];編碼GSK3類(lèi)SHAGGY家族成員OsSK41，可磷酸化OsARF4[46]，與GS3基因上位互作[47]。大�；騆ARGE8，與OsMAPK6直接互作使其失活，抑制穎殼細(xì)胞增殖，負(fù)調(diào)控粒形[47]。OsSPMS1基因負(fù)向調(diào)控水稻種子萌發(fā)、粒形和單株產(chǎn)量[48]。
在根系研究方面，趙毓研究團(tuán)隊(duì)鑒定到WOX11 的2個(gè)互作蛋白ERF3和ADA2，ERF3調(diào)控生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素響應(yīng)基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)冠根發(fā)育[49]; ADA2以WOX11-ADA2-GCN5三元復(fù)合物的形式存在，影響根系發(fā)育[50]。易可可研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)水稻AIM1調(diào)控SA的合成, 影響ROS的積累并調(diào)控根的生長(zhǎng)及分生活性[51]。
1.3 水稻育性遺傳調(diào)控
雄性不育是雜種優(yōu)勢(shì)利用的基礎(chǔ)。張啟發(fā)研究團(tuán)隊(duì)從農(nóng)墾58S克隆的光敏不育基因pms1的轉(zhuǎn)錄本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農(nóng)藝性狀[52]。另外，還利用水稻品種BL(Balilla)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的不育和可育的遺傳材料BL5和BL3進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁完整性損傷會(huì)誘導(dǎo)嚴(yán)重的生物和非生物脅迫，導(dǎo)致不育。這對(duì)理解生殖障礙背后的生物過(guò)程具有普遍意義[53]。張大兵研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，水稻不育基因tms10，通過(guò)花藥絨氈層的TMS10激酶活性降解調(diào)控育性[54]。萬(wàn)建民研究團(tuán)隊(duì)闡明了自私基因qHMS7在水稻雜種不育上毒性-解毒分子機(jī)制，為揭示秈粳亞種間雜種雌配子選擇性致死的本質(zhì)提供了理論借鑒[7]。HUANG等[55]發(fā)現(xiàn)了HL-CMS的恢復(fù)基因RF6，揭示了己糖激酶與細(xì)胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)之間的關(guān)聯(lián)性。劉耀光研究團(tuán)隊(duì)克隆了控制秈、粳雜種不育的Sc基因，揭示了一種基于等位基因劑量效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的選擇性基因沉默的雜種不育分子機(jī)制[56];還發(fā)現(xiàn)水稻野敗型CMS來(lái)自線粒體基因WA352c多次重組進(jìn)化，重組體結(jié)構(gòu)蛋白與核編碼的線粒體蛋白COX11相互作用，從而導(dǎo)致花藥絨氈層中過(guò)早的細(xì)胞程序性死亡與雄性不育，系統(tǒng)地闡明了雜交稻育性遺傳控制的分子基礎(chǔ)[57]。HUANG等[58]利用1 495份雜交稻品種進(jìn)行基因組測(cè)序分析，揭示了大量雜種優(yōu)勢(shì)相關(guān)的優(yōu)異等位基因，以及產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)依賴(lài)于正向的不完全顯性的遺傳機(jī)理;2016年又利用全基因組關(guān)聯(lián)分析(GWAS)技術(shù)和17套代表性雜交水稻品種的10 074份F2代材料，解析了水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制[5]。
1.4 水稻品質(zhì)性狀的遺傳調(diào)控
稻米品質(zhì)是與生活品質(zhì)密切相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀。“高產(chǎn)不優(yōu)質(zhì)，優(yōu)質(zhì)不高產(chǎn)”問(wèn)題一直是水稻育種有待解決的難題。傅向東研究團(tuán)隊(duì)克隆的水稻粒形控制基因GW7，編碼含TRM結(jié)構(gòu)域的蛋白，可提高稻米品質(zhì)而不影響產(chǎn)量[59]。錢(qián)前研究團(tuán)隊(duì)則發(fā)現(xiàn)，多拷貝的GL7導(dǎo)致其表達(dá)量上調(diào)并增加水稻粒長(zhǎng)且改善稻米外觀品質(zhì)[60]。劉春明研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)OsROS1能增加糊粉層的厚度,為禾本科作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)育種開(kāi)辟了新路徑[61]。食用抗性淀粉(RS)有助于預(yù)防疾病，可溶性淀粉合成酶基因(SSIII)，負(fù)責(zé)RS的生產(chǎn)，SSIII基因突變后產(chǎn)生的高RS的稻米[62]。ZHAO等[63]克隆的控制植酸含量基因OsSULTR3;3，編碼硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與調(diào)控植酸代謝運(yùn)輸途徑，影響磷和硫在籽粒中的積累。OsSPMS1能影響乙烯合成，并可通過(guò)影響ACC和乙烯途徑調(diào)控種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng)[48]。FSE1編碼一種與親磷脂酸磷脂酶A1同源蛋白，其突變能增加總外質(zhì)體脂質(zhì)和磷脂酸含量，降低胚乳中總半乳糖脂含量，導(dǎo)致淀粉體發(fā)育異常[64]。TENG等克隆了谷粒胚乳淀粉合成基因FLO16，是NAD依賴(lài)型細(xì)胞質(zhì)蘋(píng)果酸脫氫酶基因，參與水稻胚乳中淀粉的生物合成和種子發(fā)育。
此外，在養(yǎng)分高效利用方面，水稻生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子GRF4和生長(zhǎng)抑制因子DELLA相互之間的反向平衡調(diào)節(jié)，賦予了植物生長(zhǎng)與碳-氮代謝之間的穩(wěn)態(tài)共調(diào)節(jié)機(jī)制[4]。儲(chǔ)成才研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NRT1.1B的單個(gè)氨基酸變異是決定秈稻氮利用效率高于粳稻的主要因素之一[65]。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)NRT1.1B的缺失改變了秈稻中49.6%的根際微生物群屬，揭示了土壤微生物群落調(diào)控秈稻和粳稻的氮利用效率差異的重要機(jī)制[66]。在基因組學(xué)方面，利用3 000多份國(guó)內(nèi)外水稻種質(zhì)測(cè)序，揭示了亞洲栽培稻的起源和群體基因組變異結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了東南亞秈稻的泛基因組數(shù)據(jù)集，剖析了水稻核心種質(zhì)資源的基因組遺傳多樣性。ZHAO等[67]利用66個(gè)深測(cè)序品種和泛基因組分析技術(shù)，揭示了栽培稻和野生稻(O. sativa-O. rufipogon)復(fù)合體中基因組的變異，構(gòu)建了泛基因組數(shù)據(jù)集。QIU等[68-69]從進(jìn)化基因組水平揭示了水稻的去馴化形成雜草稻的分子機(jī)理;以及GUO等[70]揭示了水稻-草互作的代謝組機(jī)制。WANG等[71]利用CRISPRCas基因編輯技術(shù)和玉米單倍體基因-Martrilineal的水稻直系同源基因，選育了無(wú)融合生殖的子一代植株。
2 國(guó)內(nèi)外水稻分子生物學(xué)發(fā)展比較
2015年以來(lái)，我國(guó)水稻科學(xué)家在CNS等3個(gè)國(guó)際頂尖期刊發(fā)表水稻生物學(xué)方面的研究論文9篇、其他國(guó)家發(fā)表8篇;《Nature Genetics 》中國(guó)7篇、其他國(guó)家4篇;《Plant Cell》以上期刊中國(guó)109篇、其他國(guó)家161篇，中國(guó)發(fā)表的高檔次論文的比例已占67.7%。其他國(guó)家科學(xué)家在國(guó)際頂級(jí)刊物上發(fā)表的論文總數(shù)呈下降趨勢(shì)，而中國(guó)作者發(fā)表的文章數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)�！禢ew Phylogists》《Plant Physiology》和《Plant Journal》等3個(gè)植物主流期刊共發(fā)表水稻生物學(xué)論文2 520余篇，其中中國(guó)711篇，占比已經(jīng)快速上升至28%以上。中國(guó)的水稻生物學(xué)已在國(guó)際上起引領(lǐng)作用。
2015年以來(lái)，國(guó)外科學(xué)家?guī)状笸怀鲅芯款I(lǐng)域取得了一些新成果，包括揭示了深水稻適應(yīng)深水環(huán)境的分子機(jī)制、解開(kāi)了稻瘟病真菌在水稻葉片中的擴(kuò)散謎團(tuán)、開(kāi)創(chuàng)了水稻無(wú)融合生殖的子一代植株的克隆、剖析了雜草稻的起源和基因組特點(diǎn)以及野生稻基因組等。
KUROHA等[72]發(fā)現(xiàn)，“綠色革命”基因SD1在不同的栽培稻中發(fā)揮截然不同的功能。SD1在正常灌水的環(huán)境中通過(guò)降低酶活減少赤霉素的合成來(lái)發(fā)揮作用，而在深水稻中則是通過(guò)增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄而被選擇，讓植株不斷長(zhǎng)高，揭示了SD1調(diào)控深水稻適應(yīng)深水環(huán)境的分子機(jī)制。SAKULKOO等[73]發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)蛋白Pmk1，編碼一種促分裂原活化蛋白(mitogen-activated protein，MAP)激酶的真菌酶類(lèi)，能抑制真菌通過(guò)胞間連絲進(jìn)行跨細(xì)胞轉(zhuǎn)移，調(diào)控稻瘟病侵入性生長(zhǎng)，解開(kāi)了真菌在水稻葉片中的擴(kuò)散謎團(tuán)，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組測(cè)序分析了水稻的進(jìn)化特征，還完成了“掀起全球綠色革命的秈稻品種”IR8的全基因組序列。雜草稻已是全球性的草害，LI等[75]通過(guò)全基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，栽培稻祖先的“反馴化(de-domestication)”過(guò)程是雜草稻形成的主要原因，而與雜草稻的雜草性狀相關(guān)的基因排布非常地集中，僅位于少數(shù)的基因組區(qū)域上，有利于雜草稻的分子治理和育種利用。KHANDAY等[76]利用一個(gè)在精細(xì)胞中表達(dá)的AP2家族的轉(zhuǎn)錄因子BABY BOOM1(BBM1)，該基因在卵細(xì)胞中的異位表達(dá)能進(jìn)行孤雌生殖，當(dāng)基因組編輯以有絲分裂代替減數(shù)分裂后2期與bbm1在卵細(xì)胞中的表達(dá)結(jié)合時(shí)，可以得到保留整個(gè)親代雜合基因組的克隆子代，為無(wú)性繁殖雜交種子帶來(lái)了曙光。
3 我國(guó)水稻分子生物學(xué)發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)策
水稻生物學(xué)一直保持著迅速發(fā)展，特別在水稻組學(xué)、逆境生物學(xué)、功能基因的克隆和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析方面成果斐然。今后，需要進(jìn)一步保持良好的發(fā)展勢(shì)頭，面向?qū)W科前沿和面向生產(chǎn)實(shí)踐的科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展原創(chuàng)性的、突破性的研究，特別在高光效合成生物學(xué)發(fā)展、水稻無(wú)融合生殖體系發(fā)展和完善、分子大數(shù)據(jù)和表型組學(xué)，以及分子設(shè)計(jì)育種方面。
3.1 高光效合成生物學(xué)發(fā)展
高光效水稻和生物合成學(xué)是將來(lái)發(fā)展方向。目前，高產(chǎn)水稻的光能利用率僅為1.5%～2.0%，而理想的可達(dá)3%～5%，因而增加光能利用率有巨大潛力。近年來(lái)，我國(guó)在光合作用光反應(yīng)色素蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能[77]、C4光合作用等領(lǐng)域[78]、Rubisco結(jié)構(gòu)與功能[79]、光合作用光系統(tǒng)調(diào)控及建成[80]等研究領(lǐng)域獲得較大進(jìn)展。需要進(jìn)一步優(yōu)化光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化效率;提高光能高效利用和光合碳同化效率。另外，合成生物學(xué)通過(guò)人工設(shè)計(jì)并構(gòu)建全新的、具有特定生理功能的生物系統(tǒng)，建立所需物質(zhì)的生物制造新途徑。DONALD研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)更有效的光呼吸途徑，抑制了光呼吸且增加了C3作物的產(chǎn)量，可增產(chǎn)40%左右[81]。我國(guó)開(kāi)展水稻光合作用合成生物學(xué)研究在技術(shù)及平臺(tái)基礎(chǔ)支持方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
3.2 水稻無(wú)融合生殖體系發(fā)展和完善
單倍體最先應(yīng)用于玉米，2017年玉米MTL/ZmPLA1基因編輯誘導(dǎo)系具有誘導(dǎo)單倍體形成[82-83]，由于花粉有絲分裂時(shí)期的精子染色體片段化造成受精后單倍體誘導(dǎo)。水稻中也發(fā)現(xiàn)了MATL的同源基因OsMATL(Os03g27610)，平均單倍體誘導(dǎo)率約6%。王克劍團(tuán)隊(duì)利用水稻中的4個(gè)基因MATL、PAIR1、REC8和OSD1進(jìn)行編輯[71]，獲得了可以進(jìn)行無(wú)融合生殖雜交水稻的克隆株系。而同期發(fā)表的AP2家族轉(zhuǎn)錄因子BABY BOOM1(BBM1)也可以誘導(dǎo)水稻產(chǎn)生孤雌生殖，實(shí)現(xiàn)了水稻種子無(wú)性繁殖。但是，簡(jiǎn)化的穩(wěn)定的操作系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的發(fā)展和完善。
3.3 大數(shù)據(jù)和表型組學(xué)發(fā)展展望
隨著水稻參考基因組測(cè)序、3 000份水稻基因組序列和亞洲栽培稻和野生稻泛基因組圖譜的構(gòu)建，以及各類(lèi)組學(xué)數(shù)據(jù)，水稻已進(jìn)入功能基因組和大數(shù)據(jù)的時(shí)代。需要建立更完整的水稻基因組大數(shù)據(jù)庫(kù)，包括完整的水稻泛基因組數(shù)據(jù)、核心種質(zhì)的基因組構(gòu)成、優(yōu)良種質(zhì)的基因組精準(zhǔn)構(gòu)成，以及重要農(nóng)藝性狀形成的遺傳基礎(chǔ)和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。而且分子大數(shù)據(jù)必須和表型組學(xué)(phenomics)相結(jié)合，高通量表型無(wú)損檢測(cè)表型組學(xué)的發(fā)展有利于推動(dòng)分子大數(shù)據(jù)在水稻遺傳育種方面的應(yīng)用。
3.4 水稻分子設(shè)計(jì)育種展望
水稻有4萬(wàn)多個(gè)功能基因，目前已克隆的功能基因達(dá)1 000多個(gè)，包括抗稻瘟病、氮高效、耐冷熱、耐鹽旱，以及各類(lèi)株型、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要性狀控制基因，而且越來(lái)越多的功能基因?qū)⒈豢寺�。如何高效利用重要功能基因是我們面臨的難題。李家洋院士提出了高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超級(jí)雜交水稻設(shè)計(jì)育種新模型，未來(lái)超級(jí)雜交水稻育種將基于秈-粳雜交，通過(guò)精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)與全基因組分子標(biāo)記輔助選育，培育具有秈-粳雜種優(yōu)勢(shì)與理想株型的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、耐逆、抗病的新品種[84]。今后還需要進(jìn)一步發(fā)展分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)，在建立完善的基因組-表型組數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，高效組合和設(shè)計(jì)有利于環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)綠色超級(jí)稻。
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