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张和云, 朱嘉瑜, 葛杭悦, 陈杨, 陈飞. 水稻耐热性遗传调控机理研究进展[J]. 浙江农业科学, 2019,60(7):1097-1100
doi: 10.16178/j.issn.0528-9017.20190709
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水稻耐热性遗传调控机理研究进展
张和云, 朱嘉瑜, 葛杭悦, 陈杨, 陈飞*
杭州师范大学 生命与环境科学学院,浙江 杭州 310036
通讯作者：陈飞(1981—),男,浙江上虞人,讲师,博士,研究方向为水稻功能基因组及逆境分子生理,E-mail: chenfei@hznu.edu.cn。

作者简介:张和云(1996—),女,福建泉州人,学士,研究方向为水稻功能基因组,E-mail:970022854@qq.com。

基金项目: 浙江省自然科学基金(LY18C130009); 杭州市科技计划项目(20180432B04); 浙江省大学生科技创新项目(2017R423067)
摘要

水稻虽然是喜温作物,但高温热害对水稻的产量潜力发挥具有显著的负面影响。随着全球气温的变暖,水稻热害频繁发生,培育耐热且产量和品质稳定的水稻新品种已成为当前水稻育种的一个重要目标。本文针对水稻耐热性的分子遗传机理,包括耐热性状QTL定位、耐性基因克隆和育种应用进行综述,为后续水稻耐高温分子育种提供参考。

关键词: 水稻; 耐热性; QTL定位; 基因克隆; 遗传机理
中图分类号:S511 文献标志码:A 文章编号:0528-9017(2019)07-1097-04

温度是影响植物生长发育最为重要的环境因素之一, 异常的高温或低温等极端天气条件均会对植物生长造成严重的危害。在目前全球气候不断变暖的背景下, 高温热害已成为农业生产可持续发展的一个重要制约因素[1]。据统计, 在过去的30 a间, 由于全球气候变暖导致的小麦和玉米的产量损失分别达到5.5%和3.8%[2], 最新估测认为, 全球气温每升高1 ℃, 会引起全球主要农作物出现不同程度的减产, 其中, 玉米减产达7.4%, 小麦为6%, 水稻为3.2%, 大豆为3.1%[3]。因此, 解析作物耐热性遗传调控机制, 对作物耐热性进行遗传改良已成为当前作物育种的迫切要求。

水稻是我国的第一大粮食作物, 它的种植面积占全国粮食作物面积的30%左右, 其产量约占全国粮食产量的38%。水稻是一种喜温作物, 其生长区最适温度为白天平均28 ℃和夜晚平均22 ℃[4], 日间平均温度超过32 ℃就会影响到水稻的正常生长和发育, 特别是在生殖生长阶段(孕穗期和抽穗扬花期), 异常高温会引起颖花不育, 影响正常结实, 最终导致产量损失[5, 6]。近年来, 随着全球气候变暖, 我国夏季极端高温天气发生频率变高, 导致水稻遭受高温热害影响的事件频繁发生, 特别是长江流域稻作区, 自20世纪80年代以来遭遇严重高温热害的次数大幅度增加, 导致遇灾年份水稻大幅度减产, 给我国的粮食生产和消费带来了不可预估的因素[1, 7]。据保守估计, 2003年高温热害期间长江流域受灾面积达3.0× 107 hm2, 稻谷产量损失达5.18× 107 t[1]。近年来, 浙江省水稻高温热害情况同样严重, 除东部沿海和浙南部分山区外, 其余大部分地区均有发生高温热害事件, 且呈逐步增加的态势, 其中以金华、丽水等地尤为严重[8, 9]。因此, 为应对全球气候变暖导致的水稻减产威胁, 开展水稻耐热性分子遗传机理解析, 发掘水稻耐热遗传/基因资源, 以推动水稻耐热分子育种进程已成为当前水稻研究的一个重要课题。

植物对环境温度的感知和耐受性的获得是一个十分复杂的生理过程, 涉及诸多基因和多种耐高温机制的协调作用, 包括长期进化形成的物候适应和形态上的适应, 以及短期的“ 逃避” 或适应机制, 例如, 形态学的改变(包括下胚轴和叶柄的伸长、提早开花、降低气孔密度等)、热休克蛋白(heat shock protein, HSP)的保护、活性氧的清除等[10]。近年来, 利用模式植物拟南芥, 我们在植物热胁迫感受、信号转导及耐热分子机制方面取得了一定的进展, 大量植物热应激响应和信号相关的基因被鉴定, 如热激转录因子(heat shock transcription factor, HSF)、bHLH(basic helix-loop-helix)转录因子PIF4(Phytochrome interacting factor 4)等[11, 12, 13, 14, 15, 16]。尽管我们对植物热应激和信号转导分子机制有了一定的认识, 但我们对水稻等作物的耐热遗传调控机制的研究仍严重滞后。本文就近年来水稻耐热性QTL(quantitative traits loci)定位和耐热性相关基因克隆的研究进行综述, 旨在为进一步开展水稻耐热遗传机理研究与分子育种提供帮助。

1 水稻耐热性状QTL的定位研究

目前研究普遍认为, 水稻耐热性同样是一个受多基因调控的典型的数量性状。近年来随着水稻耐热性研究重要性的日益凸显, 大量有关水稻耐热性状QTL定位的研究被报道[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29]。迄今已有超过60个水稻耐热性相关的QTL被定位, 其中, 以水稻开花期和灌浆期耐热性状为主, 也有部分苗期耐热性状相关的QTL。这些QTL在水稻12条染色体上均有分布, 其中第6和7号染色体上未检测到与开花期耐热性相关的QTL, 部分检测到的主效QTL对表型变异的贡献率接近20%。这些研究成果为我们后续通过分子标记辅助选育(marker-assisted selection, MAS)聚合耐热基因、培育高产耐热水稻新品种奠定了基础。

有关早期的水稻耐热性QTL定位研究前人已有综述[30], 这些研究主要以稻穗上半部的育性、整穗结实率、谷粒重等性状作为耐热性指标来进行QTL定位。随着水稻基因组学和分子标记技术的发展, 特别是利用全基因组高密度SNP构建连锁图谱进行QTL定位分析, 水稻耐热性QTL定位研究又有了新的进展。Ye等[24]利用耐热水稻品种N22(Nigina 22)与热敏感品种IR64构建作图群体, 基于SNP标记定位到4个与水稻开花期耐热性相关的QTL, 其中2个为主效QTL, 分别位于第1(qHTSF1.1)和4(qHTSF4.1)染色体上, 其表型贡献率分别达12.6%和17.6%。为鉴定和验证前期定位的耐热性QTL, Ye等[25]继续利用另一个耐盐品种Giza178分别与热敏感品种IR64和Milyang23构建作图群体, 在IR64/Giza178群体中定位到4个与开花期耐热性相关的QTL(qHTSF1.2、qHTSF2.1、qHTSF3.1和qHTSF4.1), 在Milyang23/Giza178群体中鉴定到2个不同位置的QTL(qHTSF6.1和qHTSF11.2), 为进一步验证这些QTL, 作者构建了IR64/Milyang23/Giza178三交群体并利用该群体定位到5个QTL, 其中3个与二交群体中定位的QTL区间重叠(qHTSF1.2、qHTSF4.1和qHTSF6.1), 而qHTSF4.1与前期利用IR64/N22群体定位到的一个主效QTL相同。因此, Ye等[26]对qHTSF4.1进行了后续的精细定位研究, 最终将QTL区间缩小至1.2 Mb区间内, 但未能进一步缩小目标区间, 该区间高度保守并包含大量属于同一基因家族的基因。进一步验证表明, qHTSF4.1能显著缓解高温胁迫引起的水稻育性下降, 含有qHTSF4.1的水稻品种均表现出一定程度的耐热性。

此外, PS等[28]基于高通量SNP芯片技术, 利用N22和IR64构建的重组自交系(recombinant inbred lines, RILs)以开花期小花育性和每株产量作为指标定位到5个耐热性相关的QTL, 分别位于第3、5、9和12染色体, 能够解释6.27%~21.29%的表型变异。其中2个为主效QTL, 1个与前期定位QTL重叠(qSTIY5.1/qSSIY5.2), 另一个为新的水稻耐热QTL(qSTIPSS9.1), 这2个主效QTL区间均被缩小至400 kb范围内, 其区间分别含有65和54个基因。Li等[31]利用耐热品种Liaoyan241与敏感品种IAPAR-9构建RILs, 对正常温度和热胁迫下水稻结实率性状进行分析, 在第1、3、4、5和6染色体上共定位到11个QTL, 其中4个主效QTL(qNS1、qNS4、qNS6和qRRS4)在不同年份和不同环境中能稳定检测到。除定位了大量开花期和抽穗灌浆期性状相关的耐热QTL外, 最近也有研究关注水稻苗期耐热性状的QTL定位。如Kilasi等[29]同样利用N22和IR64构建RILs, 通过考察水稻幼苗在正常温度和高温胁迫下根长和株高等指标, 共鉴定到10个控制水稻幼苗耐热性状QTL, 分别位于第1、2、3、4、5、6和10染色体, 其中5个为主效QTL(rlht5.1、slht6.1/slpc6.1、slpc2.1、slpc10.2和slpc10.3), 其表型贡献率均超过10%。

2 水稻耐热性相关基因克隆
2.1 水稻耐热QTL的克隆

尽管已经定位了大量的水稻耐热性状QTL, 但是耐热QTL的克隆研究仍少见报道。Li等[32]利用非洲稻(CG14, Oryza glaberrima)与亚洲栽培稻(WYJ, Oryza sativa ssp. Japonica)构建遗传群体, 检测到至少5个与控制非洲稻高温抗性相关的主效QTLs, 并利用回交群体成功分离克隆了其中1个主效QTL Thermo-Tolerance1 (OgTT1), OgTT1位于水稻3号染色体, 编码一个26S蛋白酶体的α 2亚基, 能促进细胞中的蛋白酶体在高温下对泛素化底物的降解速率, 从而降低高温胁迫下细胞中积累的有毒变性蛋白的种类和数量, 缓解高温引起的细胞死亡。在水稻、拟南芥和高羊茅(Festuca elata)植株中过表达OgTT1能显著提高转基因后代的耐热性。Wei等[33]利用耐热水稻品系HT54(来自广陆矮4号)与热敏感品系HT13(源自籼稻05-Zhan)构建作图群体, 定位了HT54中苗期耐热性调控的主效位点OsHTAS, 该位点位于水稻第9号染色体InDel5和RM7 364两个分子标记之间。进一步研究发现, OsHTAS基因编码一个泛素连接酶, 通过调控热胁迫下H2O2诱导的叶片气孔关闭来提高水稻的耐热性[34]。

2.2 通过水稻耐热突变体克隆相关耐热调控基因

除了耐热QTL的定位和克隆外, 近年来还有部分研究通过筛选水稻耐热突变体克隆相关耐热调控基因。例如, Wang等[35]从籼稻品种中籼3037中获得了1个自然突变的隐性热敏感矮化突变体togr1-1, 图位克隆显示TOGR1编码1个包含9个基序且温度依赖型的DEAD-box RNA解旋酶, 该解旋酶参与高温条件下pre-rRNA的正常加工。TOGR1基因突变会导致突变后的TOGR1蛋白不能被招募到SSU中形成功能性的pre-rRNA加工体, 致使rRNA的生物合成受阻, 提高TOGR1的表达水平能有效提高水稻植株的耐热性。此外, 部分研究还利用拟南芥中分离获得的耐热性相关基因信息来鉴定参与水稻耐热性调控的关键基因。例如, Shen等[36]利用拟南芥2个耐热性差异显著的基因型(Col-0:Columbia-0; Ler:Landsberg erecta)构建作图群体, 定位到2个与耐热性相关的主效QTL, 并通过图位克隆鉴定了其中1个QTL(qHat2-1), 该基因编码一个类受体蛋白激酶ERECTA(ER)。在水稻中过表达拟南芥类受体蛋白激酶ERECTA能提高水稻的耐热性, 同时水稻ERECTA功能缺失突变体则表现出耐热性下降的表型。进一步研究发现, ERECTA通过一种新的细胞保护机制调控逆境下的细胞死亡, 提高ERECTA表达量可以显著增强了逆境下细胞膜的完整性, 缓解因热胁迫引起的细胞死亡, 从而提高耐热性。此外, 部分研究还通过反向遗传学方法来鉴定水稻耐热相关基因。例如, Zhang等[37]分离到1个水稻种子种受高温表达的转录因子OsMADS7, 通过RNAi特异抑制OsMADS7在水稻胚乳中的表达, 能稳定高温胁迫下稻米直链淀粉含量, 维持小穗育性, 说明该基因也参与了水稻耐性调控。但是, 目前我们克隆的水稻耐热性相关基因仍十分有限, 需要后续研究继续发掘更多的水稻耐热调控基因。

3 研究展望

复杂性状的遗传改良对于水稻育种家来说是一项十分具有挑战性的工作, 特别是温度、干旱、盐分等环境胁迫性状的耐性改良。一方面这些性状均存在复杂的基因调控网络, 单个QTL/基因的贡献率不高; 另一方面, 在田间状态下, 多种胁迫共同存在的情况常有发生, 例如高温和干旱往往伴随发生, 单一性状的改良往往达不到预期效果。因此, 在选育高温耐性品种的同时需综合考虑多种因素, 最终培育出能耐受异常高温的广适型水稻新品种。

就水稻耐热性育种而言, 由于国内对水稻热害认识和研究起步较晚, 因此, 相较于耐盐、旱、病虫等性状育种进程相对落后很多, 目前仍以通过常规育种手段筛选耐热水稻品系为主。近年来国际水稻研究所、中国水稻研究所和国内科研院校等单位先后开始耐热水稻品种选育, 相继筛选出了一批水稻耐热品系, 但水稻耐热性育种仍进展缓慢。尽管已经定位了大量的耐热性QTL, 部分研究也获得了可用于MAS的性状共离分子标记[26, 33], 但应用MAS选育水稻耐热品种的分子育种实践尚未见报道。其原因主要是目前这些定位的QTL区间仍比较大, 且大部分鉴定获得的耐热QTL贡献率都偏低, 难以聚合利用; 同时, 目前耐热QTL鉴定大部分通过育性和产量等不同指标进行定位分析, 而不同考察指标获得的水稻耐热QTL也存在差异。因此, 后续研究有必要进一步对已获得的主效耐热QTL进行更精细的定位和克隆, 同时采用更加合理的性状指标来分离新的主效耐热QTL, 以期能通过分子育种聚合多个耐高温QTL/基因, 培育获得耐热且产量和品质较为稳定的水稻新品种。

除了常规育种手段, 目前也有研究通过转基因等现代生物技术手段来改良水稻的耐热性。如在水稻中过表达FAD7(脂肪酸去饱和酶, fatty acid desaturase)、OsWRKY11转录因子, 以及部分热激蛋白和热激转录因子基因, 或敲除类糖原合成激酶1基因(OsGSK1)均能显著提高转基因植株的耐热性[38]。除了水稻中发掘的基因外, 也有部分研究通过在水稻中表达来源于拟南芥或其他物种的耐热性基因来提高水稻的耐热性[39]。此外, 也有研究从野生稻中筛选耐热遗传资源来改进水稻的耐盐性[40]。这些研究成果为通过基因工程手段改良水稻的耐热性提供了可能。但是, 目前在我们对水稻耐高温分子遗传机理的认识仍十分有限, 耐热性相关基因克隆也较少, 因此, 需要我们分离鉴定更多与水稻高温响应相关的新基因, 以加深对水稻高温耐受分子机理的认识, 同时为后续通过分子育种培育耐热高产优质水稻奠定基础。

参考文献:
[1] 田小海, 罗海伟, 周恒多, 等. 中国水稻热害研究历史、进展与展望[J]. 中国农学通报, 2009, 25(22): 166-168. [本文引用:3]
[2] LOBELL D B, SCHLENKER W, COSTA-ROBERTS J. Climate trends and global crop production since 1980[J]. Science, 2011, 333(6042): 616-620. [本文引用:1]
[3] ZHAO C, LIU B, PIAO S L, et al. Temperature increase reduces global yields of major crops in four independent estimates[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017, 114(35): 9326-9331. [本文引用:1]
[4] DAS S, KRISHNAN P, NAYAK M, et al. High temperature stress effects on pollens of rice ( Oryza sativa L. ) genotypes[J]. Environmental and Experimental Botany, 2014, 101: 36-46. [本文引用:1]
[5] 李万成, 朱启升, 王云生, 等. 高温胁迫条件下水稻生理生化指标与产量性状的相关性研究[J]. 中国农学通报, 2013, 29(9): 5-10. [本文引用:1]
[6] AGHAMOLKI M T K, YUSOP M K, OAD F C, et al. Heat stress effects on yield parameters of selected rice cultivars at reproductive growth stages[J]. Journal of Food Agriculture & Environment, 2014, 12: 741-746. [本文引用:1]
[7] PENG S, HUANG J, SHEEHY J E, et al. Rice yields decline with higher night temperature from global warming[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2004, 101(27): 9971-9975. [本文引用:1]
[8] 李仁忠, 刘海英, 李建业, 等. 浙江省早稻高温热害发生规律及防御措施[J]. 浙江气象, 2011, 32(1): 23-26. [本文引用:1]
[9] 秦叶波, 张慧. 水稻高温热害发生规律及防御措施[J]. 浙江农业科学, 2015, 56(9): 1362-1365. [本文引用:1]
[10] 胡时开, 钱前. RNA解旋酶调控rRNA内稳态: 水稻耐热新机制、分子育种新资源[J]. 植物学报, 2016, 51(3): 283-286. [本文引用:1]
[11] WAHID A, GELANI S, ASHRAF M, et al. Heat tolerance in plants: an overview[J]. Environmental and Experimental Botany, 2007, 61(3): 199-223. [本文引用:1]
[12] MITTLER R, FINKA A, GOLOUBINOFF P. How do plants feel the heat?[J]. Trends in Biochemical Sciences, 2012, 37(3): 118-125. [本文引用:1]
[13] QU A L, DING Y F, JIANG Q, et al. Molecular mechanisms of the plant heat stress response[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2013, 432(2): 203-207. [本文引用:1]
[14] QUINT M, DELKER C, FRANKLIN K A, et al. Molecular and genetic control of plant thermomorphogenesis[J]. Nature Plants, 2016, 2: 15190. [本文引用:1]
[15] LI B J, GAO K, REN H M, et al. Molecular mechanisms governing plant responses to high temperatures[J]. Journal of Integrative Plant Biology, 2018, 60(9): 757-779. [本文引用:1]
[16] 曹立勇, 赵建根, 占小登, 等. 水稻耐热性的QTL定位及耐热性与光合速率的相关性[J]. 中国水稻科学, 2003, 17(3): 223-227. [本文引用:2]
[17] 朱昌兰, 肖应辉, 王春明, 等. 水稻灌浆期耐热害的数量性状基因位点分析[J]. 中国水稻科学, 2005, 19(2): 117-121. [本文引用:1]
[18] 赵志刚, 江玲, 肖应辉, 等. 水稻孕穗期耐热性QTLs分析[J]. 作物学报, 2006, 32(5): 640-644. [本文引用:1]
[19] 陈庆全, 余四斌, 李春海, 等. 水稻抽穗开花期耐热性QTL的定位分析[J]. 中国农业科学, 2008, 41(2): 315-321. [本文引用:1]
[20] 张涛, 杨莉, 蒋开锋, 等. 水稻抽穗扬花期耐热性的QTL分析[J]. 分子植物育种, 2008, 6(5): 867-873. [本文引用:1]
[21] ZHANG G L, CHEN L Y, XIAO G Y, et al. Bulked segregant analysis to detect QTL related to heat tolerance in rice ( Oryza sativa L. ) using SSR markers[J]. Agricultural Sciences in China, 2009, 8(4): 482-487. [本文引用:1]
[22] JAGADISH S V K, CAIRNS J, LAFITTE R, et al. Genetic analysis of heat tolerance at anthesis in rice[J]. Crop Science, 2010, 50(5): 1633-1641. [本文引用:1]
[23] XIAO Y H, PAN Y, LUO L H, et al. Quantitative trait loci associated with seed set under high temperature stress at the flowering stage in rice ( Oryza sativa L. )[J]. Euphytica, 2011, 178(3): 331-338. [本文引用:1]
[24] YE C R, ARGAYOSO M A, REDOÑA E D, et al. Mapping QTL for heat tolerance at flowering stage in rice using SNP markers[J]. Plant Breeding, 2012, 131(1): 33-41. [本文引用:2]
[25] YE C R, TENORIO F A, ARGAYOSO M A, et al. Identifying and confirming quantitative trait loci associated with heat tolerance at flowering stage in different rice populations[J]. BMC Genetics, 2015, 16: 41. [本文引用:2]
[26] YE C R, TENORIO F A, REDOÑA E D, et al. Fine-mapping and validating QHTSF4. 1 to increase spikelet fertility under heat stress at flowering in rice[J]. Theoretical and Applied Genetics, 2015, 128(8): 1507-1517. [本文引用:3]
[27] BUU B C, HA P T T, TAM B P, et al. Quantitative trait loci associated with heat tolerance in rice ( Oryza sativa L. )[J]. Plant Breeding and Biotechnology, 2014, 2(1): 14-24. [本文引用:1]
[28] PS S, SV A M, PRAKASH C, et al. High resolution mapping of QTLs for heat tolerance in rice using a 5K SNP array[J]. Rice, 2017, 10: 28. [本文引用:2]
[29] KILASI N L, SINGH J, VALLEJOS C E, et al. Heat stress tolerance in rice ( Oryza sativa L. ): identification of quantitative trait loci and cand idate genes for seedling growth under heat stress[J]. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1578. [本文引用:2]
[30] 杨梯丰, 刘斌. 水稻耐热性QTL鉴定的研究进展[J]. 广东农业科学, 2009, 36(6): 16-20. [本文引用:1]
[31] LI M M, LI X, YU L Q, et al. Identification of QTLs associated with heat tolerance at the heading and flowering stage in rice ( Oryza sativa L. )[J]. Euphytica, 2018, 214(4): 70. [本文引用:1]
[32] LI X M, CHAO D Y, WU Y, et al. Natural alleles of a proteasome α2 subunit gene contribute to thermotolerance and adaptation of African rice[J]. Nature Genetics, 2015, 47(7): 827-833. [本文引用:1]
[33] WEI H, LIU J, WANG Y, et al. A dominant major locus in chromosome 9 of rice ( Oryza sativa L. ) confers tolerance to 48 ℃ high temperature at seedling stage[J]. Journal of Heredity, 2013, 104(2): 287-294. [本文引用:2]
[34] LIU J P, ZHANG C C, WEI C C, et al. The RING finger ubiquitin E3 ligase OsHTAS enhances heat tolerance by promoting H2O2-induced stomatal closure in rice[J]. Plant Physiology, 2016, 170(1): 429-443. [本文引用:1]
[35] WANG D, QIN B X, LI X, et al. Nucleolar DEAD-box RNA helicase TOGR1 regulates thermotolerant growth as a pre-rRNA chaperone in rice[J]. PLoS Genetics, 2016, 12(2): e1005844. [本文引用:1]
[36] SHEN H, ZHONG X B, ZHAO F F, et al. Overexpression of receptor-like kinase ERECTA improves thermotolerance in rice and tomato[J]. Nature Biotechnology, 2015, 33(9): 996-1003. [本文引用:1]
[37] ZHANG H, XU H, FENG M J, et al. Suppression of OsMADS7 in rice endosperm stabilizes amylose content under high temperature stress[J]. Plant Biotechnology Journal, 2018, 16(1): 18-26. [本文引用:1]
[38] ZAFAR S A, HAMEED A, NAWAZ M A, et al. Mechanisms and molecular approaches for heat tolerance in rice ( Oryza sativa L. ) under climate change scenario[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2018, 17(4): 726-738. [本文引用:1]
[39] GROVER A, MITTAL D, NEGI M, et al. Generating high temperature tolerant transgenic plants: achievements and challenges[J]. Plant Science, 2013, 205/206: 38-47. [本文引用:1]
[40] SCAFARO A P, ATWELL B J, MUYLAERT S, et al. A thermotolerant variant of rubisco activase from a wild relative improves growth and seed yield in rice under heat stress[J]. Frontiers in Plant Science, 2018, 9: 1663. [本文引用:1]