水稻產量構成因素QTL 精細定位的研究進展

白天亮，李 杰，冉 杰，楊 輝，喬承彬，李培富，田 蕾

（寧夏大學 農學院/寧夏優勢特色作物現代分子育種重點實驗室，寧夏 銀川 750021）

水稻是一種非常重要的糧食作物，在全球范圍內至少有超過50%的人口以大米為主食[1]。近年來，稻米的需求量逐漸增加，預計到2035年，將達到8.52 億t[2]。隨著世界人口的不斷增加、經濟的飛速發展和城市化的進程加快，加之全球氣候變暖等氣候因素對水稻產量的影響，水稻生產存在很多矛盾，如需求量增長與可耕地面積減少、水資源供給短缺，糧食供需平衡與結構性緊缺，生產成本上升與經濟效益下降等，嚴重威脅世界糧食安全。我國是重要的水稻生產國和消費國，常年消費總量約2億t，與總產量基本持平[3]。據統計，2021 年我國水稻種植面積為2 992.1 萬hm2，與2020 年相比略有減少，減幅0.5%，主要集中在中晚稻種植區；水稻單產7 113.0 kg/hm2，較2020年增產69.0 kg/hm2[4]。水稻總產量的提高很大程度上取決于單產，水稻單產又主要取決于產量構成因素（穗數、穗粒數和粒質量）[5]。改良水稻產量構成因素并協調它們之間的關系，進一步提高水稻單產和總產量水平，已成為水稻基礎研究和遺傳育種中亟待解決的關鍵問題。水稻產量是由多基因控制的復雜的數量性狀。近年來，隨著現代生物技術的發展，挖掘和利用調控水稻產量構成因素相關基因已經成為培育高產品種和提高水稻單產的主要策略之一。

QTL（Quantitative trait locus）定位是指利用多元統計學方法構建數學模型，建立分子標記和目標性狀之間的聯系，將單個基因位點的位置和遺傳效應標定在分子標記連鎖圖上。根據定位區間的大小和精度，QTL 定位可分為初步定位和精細定位兩類。QTL 初步定位常受到遺傳背景、環境條件、表型變異、標記密度等諸多因素的影響[6]，導致定位結果存在一些問題。首先，定位精度較低，定位區間通常大于10 cM[7]，只能說明某染色體某個區間存在控制目標數量性狀的基因，無法確認QTL 在染色體上的確切位置。其次，難以確定檢測到QTL 的性質，無法區分遺傳效應是來自于1 個主效QTL 還是多個微效QTL。另外，通過增加分子標記數量和群體大小等方法很難大幅度縮小定位區間。因此，為了更精確地了解目標性狀的遺傳機制，需對初步定位的QTL 進行精細定位。QTL 精細定位是對初步定位結果的一種驗證和定位精度的延伸，通常是僅針對某一具體的、相對較小的染色體區域，將控制目標性狀的QTL 分解為單個孟德爾因子。作為一種挖掘植物基因的方法，QTL 精細定位利用目標QTL 區域的高分辨率分子標記圖譜，結合重組個體的篩選，可以深入解析目標QTL 與這些標記間的連鎖關系和遺傳效應[8]，進而將控制目標性狀的QTL定位在一個較小的染色體區域，在預測基因注釋的基礎上，利用生物信息學分析、定位區間親本間差異基因的篩選和表達特性分析或結合關聯分析來鎖定候選基因，為目標基因的克隆和功能驗證奠定基礎[9]?；谇叭说难芯?，總結闡述了QTL 精細定位策略與群體選擇，綜述了水稻產量構成因素穗數、穗粒數、粒質量QTL 精細定位、圖位克隆和功能分析的研究進展，提出了合理利用水稻產量構成因素基因的育種策略，為水稻產量性狀優異基因克隆和遺傳機制解析提供理論依據。

1 QTL精細定位策略與群體選擇

QTL 精細定位常用的策略是染色體片段代換定位策略，通過篩選在目標區間發生重組的個體，結合重組個體的基因型和表型鑒定，對具有不同表型重組個體間的差異片段以及相同表型的重組個體間的共有片段進行統計分析，將QTL 定位到一個更小的范圍內[8，10]。

ESHED 等[11]認為，滲入系（Introgression Lines，IL）和受體親本回交后，其后代基因僅在滲入片段上存在分離，可將QTL 分析限定在1 個很小的染色體區間內，很大限度地消除了遺傳背景變異的干擾，進一步提高了定位精度。目前，用于精細定位的群體主要有NIL（Near isogenic lines）-F2群體、SSSL（Single-segment substitution lines）群 體、CSSL（Chromosome segment substitution lines）群體、RHL（Residual heterozygous lines）群體等。WU 等[12]利用DL208 和ZS97 回 交構建的1 個由6 300 個單株組成的NIL-F2群體，將控制水稻籽粒堊白率的QTLqWCR7（White-core rate 7）精細定位到水稻第7 染色體1 個大約68 kb 的區域；NIU 等[13]利用Teqing 和IRBB52 回交構建的NIL-F2群體，將控制水稻粒長的qGL5.2（Grain length 5.2）精細定位到水稻第5 染色體1 個68.8 kb 的區域，并分析了定位區間6 個預測基因的序列差異和在穗發育過程中的表達特性。YUAN 等[14]利 用Nipponbare 和93-11 的SSSL 群 體，將協調水稻籽粒大小和籽粒數的1個新的主效位點qGSN5（Grain size and number 5）定位在水稻第5 染色體短臂端1 個85.60 kb 的區域。CSSL[15]和RHL[16]群體也常用于水稻農藝性狀QTL 的精細定位，控制水 稻 抽 穗 期 的Se16（t）[Photoperiod sensitivity of Sasanishiki 16（t）]和控制水稻穗粒數和穗部結構的qGNPS4.1（Grain number and panicle structure 4.1）就是分別利用上述2 種群體實現了精細定位，定位精度分別為30.4 kb和214.94 kb。

2 水稻產量構成因素QTL精細定位

2.1 穗數QTL精細定位

穗數（或有效穗數）是產量構成的一個重要因素，其取決于單株穗數和分蘗數。單株穗數主要由一級和二級分蘗數決定。有效穗數的多少直接影響產量的高低，精細定位控制水稻有效穗數的QTL對提高水稻產量極為重要[17-18]。ZHU 等[18]利用日本晴和廣陸矮4 號為親本回交構建了1 個低穗數的染色體片段代換系（C3074），利用C3074和廣陸矮4號衍生的NIL-F2（F3）群體1 429 個隱性個體，將控制水稻單株有效穗數的主效QTLqPN1（Panicle number 1）精細定位到水稻第1染色體長臂端1個包含6 個注釋基因的34.4 kb 區域。CHEN 等[19]利用Zhenshan 97 和Miyang 46 為親本構建回交群體，通過對BC2群體的多代自交材料進行篩選，構建了18個目標區間共分離且遺傳背景高度一致的精細定位群體，將同時控制抽穗期和穗數的微效QTLqHd1（Heading date 1）精細定位到水稻第1染色體長臂 末 端RM12102 和RM12108 間1 個95.0 kb 的 區域，該位點對單株穗數有顯著作用，且對抽穗期及產量性狀均表現為增效的加性效應。劉穎等[20]利用秈稻品系V20B 為母本，爪哇稻品系CPSLO17為父本，通過雜交經單粒傳法構建重組自交系群體，對水稻穗長和有效穗數2個穗部性狀進行QTL定位分析，精細定位到2個表現為增效效應的穗數主效QTLqPN1和qPN4，分別位于水稻第1、4號染色體上。

2.2 穗粒數QTL精細定位

穗粒數是產量構成的另一個重要因素。水稻植株穗粒數的多少直接影響水稻籽粒產量；穗粒數與穗長、一次枝梗數和二次枝梗數密切相關[21]。qGn1a（Grain number 1a）是第1 個通過精細定位、圖位克隆的控制水稻穗粒數的主效QTL，ASHIKARI等[22]利用NIL-Gn1a 雜合子（Gn1a/gn1a）衍生的1 個包含13 000 個單株的F2群體將該位點的候選區域縮小到水稻第1 染色體分子標記3A28 和3A20 之間1個6.3 kb的區間內。gpa7（Grain number per panicle 7）是1 個控制水稻穗粒數的主效QTL，TIAN 等[23]利用滲入系SIL040 和輪回親本Guichao 2 雜交構建的NIL-F2群體將該位點鎖定在水稻第7 染色體1 個35 kb 的區域內，該區間有5 個預測基因。qSPP7（Number of spikelets per panicle 7）是XING 等[24]利用Minghui 63 和Zhenshan 97 回交構建的BC3F2群體中1 082 個極小穗隱性個體精細定位的1 個調節水稻穗粒數的QTL。SPP1是位于水稻第1染色體的1個控制水稻穗粒數的QTL，LIU等[25]利用1個NIL-F2群體將該位點定位在分子標記YN27和YN34之間1個107 kb 的區間內，通過對區間內17 個開放閱讀框（ORF）的生物信息學分析，發現編碼吲哚乙酸（IAA）合成酶的LOC_Os01g12160 可能是該位點的候選基因。qTSN12.2（Total spikelet number per panicle 12.2）是位于水稻第12 染色體的1 個控制水稻穗粒數的QTL，SASAKI 等[26]利用YTH83 和IR64的BC4F3群體將該位點定位在分子標記RM28746和RM28753 之間1 個92 kb 的區間內，該區間存在6 個候選基因。GN2是源于元江普通野生稻的1個控制水稻粒數的QTL，CHEN 等[27]利用野生稻滲入系YIL19和輪回親本Teqing雜交構建的1個由4 512個單株組成的NIL-F2群體，將該位點定位到水稻第2染色體RM3535和R4之間1個47 kb的區域，通過對區域內6 個預測基因的分析，發現野生稻候選基因LOC_Os02g56630 與栽培稻相比插入了LOC_Os02g 45150 中的1 個1 094 bp 片段，形成了1個新的轉錄本。

2.3 粒質量QTL精細定位

在3 個產量構成因素中，粒質量對水稻產量的提高至關重要，通常以千粒質量來衡量。不同水稻品種間千粒質量差異很大，主要介于10～70 g[28]。增加水稻粒質量是提高產量的有效途徑，研究表明，每提高水稻千粒質量1.493 g，產量可增加597.3 kg/hm2[29]。粒質量的遺傳力較高，主要由粒長、粒寬、粒厚和籽粒充實度決定。因此，粒質量的增加主要取決于上述4個性狀的改良。

SONG 等[30]利用粒質量差異顯著的2 個水稻品種FAZ1（小粒秈稻）和WY3（大粒粳稻）為親本回交構建了1 個由6 013 個單株組成的BC3F2群體，通過對純合重組植株子代（BC3F4）的粒質量進行檢測和基因型分析，將控制水稻粒質量的QTLGW2（Grain weight 2）定位到水稻第2 染色體分子標記W024 和W004 之間1 個8.2 kb 的區域，定位區間僅含有1 個ORF。WENG 等[31]利用1 個由2 180 個隱性個體組成的BC4F2群體，將控制水稻粒質量的QTLGW5定位到水稻第5 染色體CAPS 標記Cw5 和Cw6 之間的1 個21 kb 的 區 間。GUO 等[32]利 用Baodali 和Zhonghua 11 構建的F2、F3和BC2F2群體將控制粒質量的2個QTLGW3和GW6分別定位到水稻第3染色體2 個STS 標記WGW16 和WGW19 之間1 個122 kb區域和水稻第6 染色體2 個SSR 標記RM7179 和RM3187之間1個4.7 cM的區間，GW3定位區間包含16 個ORF。XIE 等[33]用韓國粳稻品種Hwaseongbyeo和普通野生稻IRGC 105491 的8 個BC3F4-NIL 將控制粒質量的QTLgw8.1定位在水稻第8 染色體分子標記RM23201.CNR151 和RM300000.CNR99 之間1個約306.4 kb的區域。ZHAN等[34]將控制粒質量和穗粒數的QTLGW10定位在水稻第10 染色體長臂端1個14.6 kb的區域，隱性等位基因gw10在穗中的表達量降低與水稻籽粒變短變窄、穗粒數增加密切相關。

LI等[35]利用Zhenshan 97和DH27回交構建的分別由4 373 個單株和5 265 個單株組成的2 個BC3F2群體，將控制籽粒大小的GS5（Grain size 5）定位到水稻第5 染色體RM574 和S2 之間的1 個11.6 kb 的區域內，該區域僅有1 個預測基因且在2 個親本間存在啟動子區和編碼區的序列差異，該研究驗證了GS5對千粒質量和單株產量的增加作用主要源于其對粒寬的增加和對谷粒充實速率的提高作用。LI等[36]利用307R 和IR24 回交構建的BC3F2群體中2 500 個短粒（隱性）個體將同時控制水稻粒長和粒寬的QTLGLW2（Grain length and width 2）定位在水稻第2 染色體分子標記H2 和Z4 之間1 個約160 kb的區間內，通過對8個純合重組體進行基因分型，最終將GLW2鎖定在標記M2和M8之間1個15.3 kb區間，該區間只包含1 個候選基因LOC_Os02g47280，該基因主要通過調節粒長和粒寬來影響水稻粒質量。林文春等[37]在秈稻珍汕97 和密陽46 的重組自交系高代群體中挑選出5 個遺傳背景一致、僅在水稻第1 染色體RM151—RM5359 區間雜合的RHL 單株，衍生出5 個F2:3群體，精細定位了控制水稻千粒質量的QTLqtgw1（Thousand grain weight 1），將該位點限定在水稻第1 染色體RM10381 和RM10404 之間1 個大約246.6 kb 的區域內，該區間位于基因Gn1a的下游，覆蓋了QTLSPP1的整個區域，表明qtgw1與SPP1位于同一區域，可能是同一個基因。CHAN 等[38]利用Zhenshan 97 和Milyang 46 回交構建的BC2F14:15群體，將控制千粒質量的微效QTLqTGW1.2b定位在水稻第1 染色體長臂端分子標記Wn34323和Wn34367之間1個44.0 kb的區域內。

3 水稻產量構成因素QTL的圖位克隆與功能分析

在國家水稻數據中心網站（https://www.ricedata.cn/gene/）利用穗數（TO：0000152）、穗粒數（TO：0002759）和粒質量（TO：0000590）3個條目查詢并整理控制水稻產量構成因素的已克隆基因，截止到2022 年4 月分別檢索到33 個、300 個和243 個基因，共576個基因。其中，基于QTL精細定位，克隆并驗證功能的基因有15 個，主要包括調控水稻穗數的BGL11（t）[39][Bright-green leaf 11（t）]、OsSPL2[19]（Squamosa promoter binding protein-like 2）、IPA1（Ideal plant architecture 1）[40]，調控水稻穗粒數的Ghd7[41]（Grains heading date 7）、GN2[27]、Gn1a（OsCKX2，Cytokinin oxidase/dehydrogenase 2）[22]、OsGA20ox1[42]（Gibberellin 20-oxidase 1）、PROG1（Prostrate growth 1）[43]，調控水稻粒質量的GW2[30]、GW5[31]、TGW6[44]、TGW3[45]、GS3[46]、GS5[35]、GLW2[36]等（表1）。

表1 圖位克隆的調控水稻產量構成因素基因Tab.1 Genes regulating rice yield components determined by map-based cloning in rice

qWS8是ZHANG 等[40]圖 位 克 隆 的1 個 同 時 控 制水稻穗數、千粒質量和分蘗數的主效QTL，該位點的目標基因是IPA1，主要通過改變植株的形態來增加水稻產量。IPA1編碼1種含有SBP-box結構域的轉錄因子OsSPL14（類Squamosa 啟動子結合蛋白），在水稻不同生育時期發揮不同作用。在營養生長期，OsSPL14主要參與調控水稻分蘗；在生殖生長期，OsSPL14的過量表達可促進穗的分化。有研究發現，當OsSPL14的第3 個外顯子+874 bp 處堿基由C突變為A之后，解除了小RNAOsmiR156對該基因的抑制作用，減少了水稻的分蘗數，增加了穗粒數和千粒質量[47-48]，莖稈變得粗壯，抗倒伏能力增強，進而實現了水稻產量的提高。

Gn1a（OsCKX2）是ASHIKARI 等[22]圖位克隆的1個調控水稻穗粒數的主效QTL，來自品種Habataki的等位基因顯著增加了穗粒數，該基因編碼的蛋白質是1種細胞分裂素氧化酶，可以降解細胞分裂素。隨著Gn1a表達量的降低或編碼蛋白質功能缺失，會造成花序分裂組織中細胞分裂素的積累，從而增加穎花數（穗粒數），進而提高水稻產量[22]。Gn1a的表達受轉錄因子DST 的調節，以DST-OsCKX2調控模塊的方式與OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級聯信號通路互作，通過維持幼穗中細胞分裂素內穩態影響水稻幼穗發育，最終決定穗粒數的形成[49]。

PROG1是TAN 等[43]在元江普通野生稻中圖位克隆的1 個調控水稻匍匐生長和穗粒數的主效QTL，該基因主要在腋芽分生組織表達，編碼1 個由167 個氨基酸組成的鋅指轉錄因子。野生稻的PROG1基因使其匍匐生長，當進化為栽培稻的prog1時，該基因功能喪失，從匍匐生長轉變為直立生長，在改良株型的同時，顯著增加了穗粒數，提高了水稻產量[43]。

GS3是FAN 等[46]圖位克隆的1 個控制水稻籽粒大小的主效QTL，負調控水稻粒質量，該基因編碼232 個氨基酸，編碼蛋白質是1 種跨膜蛋白。與小粒品種Chuan 7 相比，在大粒品種Minghui 63 中，GS3第2個外顯子中的TGC 突變為TGA（終止密碼子），造成了蛋白質翻譯過程的提前終止，破壞了類PEBP 結構域，缺失了另外3 個功能結構域，造成了蛋白質的功能喪失[46]。在水稻中有3 個G 蛋白γ 亞基GS3、DEP1 和GGC2，其中，DEP1 和GGC2 亞基的C端結構域介導了G 蛋白信號的傳導，顯著增加了水稻籽粒長；GS3對籽粒大小并不產生影響，但它與DEP1 或GGC2 發生互作時，則使粒長縮短，進而降低了產量[50]。

4 合理利用水稻產量構成因素基因的育種策略

精細定位調控水稻產量構成因素的QTL 并進行克隆對提高水稻單產有非常重要的意義。但是由于3個產量構成因素之間常表現為負相關關系[5]，改良其中一個因素基因常會對其他因素性狀造成不良影響，如何在水稻育種中合理利用水稻產量相關基因已成為一個現實的難題。此外，水稻個體水平上的高產并不意味著種群水平上的高產[51]，如何協調水稻源庫之間的平衡，改善群體結構也是切實提高水稻總產的關鍵問題之一。

聚合育種可實現多個有效基因的有機整合，不僅可以提高作物的抗性，而且可以提高作物的產量，改良營養品質[52]。WANG 等[53]為了檢測已鑒定的QTL 在水稻產量性狀改良中的作用，通過回交的方法結合MAS（Marker-assisted selection）將93-11的qHD8、qHD7、qHD6.1和GS3轉移到Zhenshan 97遺傳背景中，獲得了含有1 個或多個靶基因的多種NIL。其中，同時含有qHD8 和GS3的NIL 與輪回親本Zhenshan 97 相比粒長顯著增加，抽穗期更適宜，表現出更高的產量潛力[53]。該研究同時發現，不同位點的等位基因間存在上位性，qHD8表現出明顯的背景效應，表明基因聚合不是簡單的基因位點累加，靶基因之間的互作以及它們對遺傳背景的響應也是決定聚合效果的關鍵因素[53]。代明笠等[54]通過對NAL1LT（Narrow leaf 1LT）、GNP1TQ、Ghd7MH63和Ghd89311構建不同遺傳背景的NIL，發現不同基因聚合的產量效應差異較大。其中，NAL1LT+Ghd7MH63、NAL1LT+Ghd89311和Ghd7MH63+Ghd89311的產量與高值親本相比顯著增加，是3種優良的基因聚合方式；而其他聚合方式對產量的影響有增有減，或者與親本相近，聚合效果一般。因此，若利用基因聚合的方法改良水稻產量，就必須在明確靶基因功能和調控網絡的基礎上，先開展基因間的產量聚合效應分析，明確不同基因的聚合效果，再應用于育種實踐。

分子設計育種實現了生物遺傳學理論與雜交育種的有機結合，是基于控制作物重要性狀關鍵基因及其調控網絡的深入解析，結合基因組學、轉錄組學、代謝組學和表型組學等多種數據開展生物信息學分析、整合，篩選與優化，進而獲取吻合育種目標的最佳基因型，精準高效地選育新品種的一種現代育種策略[55]。在分子設計育種中，基因編輯技術發揮了很大的作用，實現了1 個或多個靶基因的定點編輯與改良。SONG 等[5]利用平鋪刪除方法，通過多靶點CRISPR/Cas9 對IPA1的順式調控區進行系統性高覆蓋度的片段刪除，創制了大量IPA1順式調控區平鋪刪除的基因編輯材料，其中基因編輯材料IPA1-Pro10（啟動子區存在1 個54 bp 片段缺失）的分蘗數、穗數、穗粒數、穗質量顯著提高，株高變高，莖稈和根系變粗壯，與對照中花11 相比顯著增產15.9%。該研究還發現，馴化關鍵轉錄因子An-1 能通過結合54 bp 關鍵順式作用元件中的1 個GCGCGTGT 基序特異性調控IPA1在幼穗中的表達水平，進而調控穗部發育。該研究為利用基因編輯方法改良水稻產量構成因素關鍵基因、提高水稻產量提供了一種新的策略。沈蘭等[56]利用CRISPR/Cas9系統同時對GS3和Gn1a進行編輯，獲得的突變體gs3和gs3gn1a與野生型相比粒長變長，千粒質量增加，雙敲除突變體gs3gn1a的穗粒數顯著增加。表明利用基因組編輯技術可以快速改良水稻品種的目標性狀，在品種定向改良中具有巨大應用潛力。