水稻高光效育种研究进展

2014-06-28 | 作者: 牛丽芳 | 标签: 生物技术进展

来源:生物技术进展,作者:牛丽芳,路铁刚,林浩(中国农业科学院生物技术研究所)

随着我国人口的快速增长,耕地面积逐渐减少,粮食安全问题日益严重。水稻是我国重要的粮食作物,提高水稻产量被认为是缓解粮食危机最为重要的一个环节。光合作用是决定作物产量最重要的因素之一,作物中90%以上的干重直接来源于光合作用。水稻属于C3植物,具有较低的光合效率,改善水稻的光合效率,提高水稻的光能利用率一直是广大农业科研工作者追求的目标[1]。根据国际水稻研究所的预测,如果水稻的光合效率达到玉米等C4作物的水平,那么世界上现有水稻的产量将会提高30%~50%。这充分显示了提高作物光合作用效率在保障粮食安全,促进农业可持续发展上的巨大应用前景。本文围绕高光效育种的提出、发展历程以及研究途径等方面简要概述水稻高光效育种的研究进展。

1,作物高光效育种的提出
光合作用是地球上最重要的化学反应。利用太阳能把二氧化碳和水等合成有机物并施放出氧气,为几乎所有的生命活动提供能量、有机物和氧气。根据光合作用碳同化途径的不同,可把高等植物分成C3、C4和景天酸代谢(CAM)植物。C3植物包括水稻、小麦等重要的农作物,通过卡尔文循环固定CO2。C3植物进行光合作用的关键酶是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco),由于Rubisco 同时还具有加氧酶功能,可催化产生有毒害作用的磷酸乙醇酸,需要通过光呼吸代谢,导致已固定的CO2重新释放到空气中,不利于植物光合产物的积累,因此C3植物光合效率较低。玉米、高粱、谷子等C4植物的光合碳代谢则在卡尔文循环基础上又增加了C4代谢物穿梭机制,主要包括Rubisco和磷酸丙酮酸双激酶(PPDK)等限速酶,C4植物的光合碳代谢是在固定和同化两个步骤上同时调控的。此外,C4植物利用特殊的Kranz结构巧妙地将CO2的固定和同化分隔在叶肉和维管束鞘两类细胞内。同时,C4植物固定CO2的PEP羧化酶(PEPC)与CO2的亲和能力远高于Rubisco,且不受氧气抑制。因此,C4植物具有光补偿点高、CO2补偿点低、光呼吸弱的特点,光合作用效率高,生物产量远高于C3植物。通过提高农作物的光合作用效率来提高作物产量水平即为高光效育种。人们期望通过传统杂交、人工诱变或现代生物技术等手段在C3作物群体中选育具有类似C4植物高光效特性的品种或将C4途径高光效系统引入水稻、小麦等C3农作物中,改善C3作物光合作用的遗传基础,提高光合效率,进而实现生物产量和籽粒产量的大幅度提高[2,3]。

2,水稻高光效育种的发展历程
水稻是世界上最重要的粮食作物之一,通过改进水稻整体光合能力,提高水稻的光能利用率进而提高水稻的产量一直是光合作用研究和水稻育种研究的前沿课题。20世纪40年代,Watson提出决定产量的主要因素是叶面积,认为光合效率在不同品种间差异不大,与作物产量的关系不是很密切,因此当时人们主要关注叶面积的研究。20世纪50年代以来,随着红外线CO2分析仪广泛应用于植物光合作用的测定以及不同植物光合作用同化途径的比较研究,人们对不同作物间,以及同一作物不同品种间光合效率有了新的认识。从而提出光合效率是决定作物产量的一个重要因素,逐渐形成作物高光效育种的思路[2, 3]。

自20世纪50年代开始,国内外科学家就一直尝试通过提高作物光能利用效率来提高作物产量。早期的研究主要集中于各种不同光能利用效率作物品种的筛选、鉴定以及生理遗传基础分析,为提高作物的光能利用率提供理论依据和有效方向。我国科学家研究发现籼稻和粳稻的不同品种间光抑制特性存在着差异且粳稻较耐光抑制,籼粳杂交一代的光抑制特性偏向母本,因此,提出了在培育耐光抑制籼粳杂交稻时,筛选耐性强的品种作为母本的重要籼粳亚种组配原则[4,5]。屠曾平等[6,7]利用抗光氧化的美国品种Lemont和光抑制严重的广东品种七桂早杂交组配得到Lemont/七桂早F1代杂种,整体光合能力较其亲本有明显改进。

随着基因工程技术在多种植物上的成功应用,通过对一系列可能限制光能利用效率的生理和生化步骤进行综合分析,科学家尝试通过基因工程等手段对光合作用代谢途径进行改良来提高光能利用效率。通过将C4光合途径的关键酶PEPC、PPDK、苹果酸酶(ME)等基因导入水稻中获得高光效转基因水稻植株,进而与杂交稻的亲本进行杂交,获得高光效的杂交水稻亲本材料[8~10]。近些年,随着光合作用基础研究的不断深入以及现代生物技术的快速发展,人们对于作物高光效育种的理解以及选育目标愈加明确。

3,水稻高光效育种的主要研究途径
3.1 利用杂交技术选育高光效水稻品种
水稻的许多光合生理特性在籼粳、野栽等不同亚种间存在差异,这为水稻通过籼粳交、野栽交选育高光效水稻品种提供了基础。如曹树青等[4]发现粳稻光合功能期偏长者居多,而籼稻的光合速率偏高者居多。季本华等[5]发现粳稻比籼稻更耐光抑制,认为籼粳杂交F1代的光抑制特性表现为偏母性遗传的特点。野生稻在长期驯化过程中,遗传多样性逐渐减少,因此野生稻是水稻农艺性状改良的重要资源[11]。通过对20个野生稻种光合性能的研究,Yeo等[12]发现一些野生稻的光呼吸和CO2补偿点低于栽培种,而有些野生稻在光饱和条件下同化效率明显优于栽培稻,这表明野生稻中可能含有高光效基因。Zhao等[13]对野生稻资源的研究中发现8个野生稻和栽培种的杂交组合中,其后代的超亲性显著。赵秀芹等[14]进一步研究发现杂种后代气孔密度比亲本显著增加,气孔导度提高,从而改善光合效率。在通过筛选具有良好光合特性亲本的基础上,利用杂种优势是培育高光效水稻新品种的有效途径。

3.2利用基因工程将C4高光效基因导入水稻
高等植物按碳同化反应不同可分为C3、C4和CAM植物。C4植物在长期的进化过程中形成了特有的高效光合基因,使得C4植物在高光强、高温和低浓度CO2条件下具有较C3植物更高的光合速率。将C4植物高光效基因导入C3植物,提高作物产量,是世界主要农作物育种研究的一个热点。C4途径涉及到的酶有十几种之多,许多C4途径关键酶如PEPC、PPDK、NADP-苹果酸酶(NADP-ME)、苹果酸脱氢酶(MDH)、ME等的基因已从玉米、高粱、苋菜、稗草、蓝藻等多种C4植物中被克隆。Ku等[8]通过农杆菌介导系统,将玉米C4光合途径的关键酶PEPC、PPDK和ME等的基因分别导入粳稻kitaake中,并获得了高表达转基因植株, PEPC转基因水稻中PEPC活性比对照高7~22倍,表现出光合效率提高,CO2补偿点降低,且株型挺拔、叶色深绿,高表达PEPC转基因植株籽粒产量增加10%~30%。另外,甘蔗、稗草、高粱和玉米的C4型PEPC基因也成功导入水稻中,并证实了相关功能[15~17]。刘峰等[18]利用农杆菌介导的共转化系统获得了无选择标记转PEPC基因的水稻植株,从而克服了转基因在生产上安全应用的技术障碍。袁定阳等[9]用双农杆菌/双质粒的共转化技术,将PEPC和PPDK双基因导入水稻恢复系R299中,为高光效超级水稻的选育提供新的研究思路。随着C3-C4光合途径研究的不断深入,利用基因工程技术将C4植物光合酶基因导入水稻被认为是提高水稻光合效率的一条可行的途径。

3.3 水稻高光效株型的选育
3.3.1叶型 叶片是植物进行光合作用的主要场所,水稻籽粒灌浆的物质积累主要来源于开花后上部叶片的光合作用,所以叶片的质量是研究水稻高光效株型的重点。水稻叶色的深浅是由叶片内叶绿素的含量所决定的,叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,在光能的吸收、传递和转换过程中发挥着关键的作用。南京农业大学克隆了水稻黄绿叶调控基因YGL1,该基因编码一个叶绿体合成酶,催化叶绿素a的形成[19]。水稻ygl1突变体的分蘖能力增强,成穗率高,熟期适中,产量达到每公顷6.759 t,具有较大的研究利用价值[19]。目前一系列与叶绿素合成和降解相关的基因如OsCAO1/2、OsCHLH、OsCHL等已被克隆[20~22],通过对上述基因功能的深入研究为水稻高光效育种奠定了理论基础。

大量的实验结果表明,叶片的有效面积和厚度与光合速率呈正相关,同时较厚的叶片可以提高叶片的直立性,有利于水稻的密植,而叶片的直立性一直是高产水稻品种的重要选择指标之一[23]。2003年,董国军等[24]检测到4个控制水稻剑叶角度的QTL,聚合多个增效等位基因显著提高剑叶角度。宁婧等[25]发现ILA1基因编码一个Raf-like MAPKKK,通过与IIP蛋白相互作用,调控水稻叶片夹角。张翠等[26]发现并证实了一个水稻C3H锌指蛋白(LIC)作为负调控转录因子,介导一条新的BR“信号制动”通路,LIC及其互作基因网络通过控制叶枕近轴面细胞伸长而介导叶片倾角的改变。最近,魏丽亚等[27]发现水稻OsDCL3a RNAi株系表现出叶夹角变大的表型,证明小RNA同样参与调控叶片夹角的发育。

叶片适度卷曲有利于保持叶片挺立,提高光能利用率。张光恒等[28]分离鉴定了一个卷叶控制基因SLL1,该基因编码一个KANADI转录因子,通过调控叶片的极性发育来决定叶型。邹良平等[29]发现水稻卷叶控制基因Roc5编码一个亮氨酸拉链同源框蛋白,过表达Roc5可以造成叶片内卷,而Roc5的共抑制引起叶片外卷表型。最近,许扬等[30]发现在水稻中过表达OsZHD1基因引起叶片远轴面卷曲并伴随披垂化。目前,通过基因工程技术和分子辅助选择可以实现对水稻叶片的叶色、叶型、卷曲程度以及剑叶的角度进行遗传改良,通过提高水稻叶片的叶绿素含量提高水稻整体的光合利用效率。

3.3.2穗型 水稻穗型是重要农艺性状,直接决定水稻的产量。水稻灌浆后期,弯曲的穗子会遮光进而影响光合效率,导致成穗率降低。吕军等[31]通过比较27个不同穗型的粳稻品种,证明直立和半直立穗型水稻品种能够提高光能利用率,有利于光合产物的累积。在水稻高光效超高产育种过程中,选育半直立穗型品种有利于发挥更多叶片的光合能力,具有显著的增产潜力。我国科学家成功地从中国超级水稻中分离出控制穗型的关键基因DEP1,目前在我国东北和长江中下游地区大面积种植的直立和半直立穗型的高产水稻品种都含有突变的dep1基因,表明dep1基因已在我国水稻增产中发挥了关键作用[32]。

3.3.3株高和分蘖 20世纪50~60年代提出的矮化育种是通过降低株高使水稻的抗倒性、密植性和耐肥性得到提高,从而提高产量[33]。随着理论研究深入和生产实践的发展,对水稻茎秆的选育有了新的认识。目前认为株高与生物产量呈正相关。适当增加水稻株高,可以降低叶面积密度,有利于二氧化碳的扩散并提高整体植株的受光,进而促进生物产量增加。

分蘖是决定水稻产量的重要农艺性状,在生产实践中主要通过栽培措施和育种手段来增加有效分蘖,减少无效分蘖。分蘖期内,水稻需要充足的光照进行光合作用,增加有机营养,促进水稻植株发根分蘖。因此,生产实践中,在合理密植的情况下,应根据具体情况调控分蘖穗在产量构成中的比例。中国科学院遗传与发育生物学研究所和日本名古屋大学同时分离鉴定了控制水稻理想株型的主要数量性状基因IPA1/OsSPL14。OsSPL14基因突变会导致水稻分蘖数减少,茎秆粗壮,穗粒数和千粒重显著增加[34,35]。最近,路则府等[36]进一步证明IPA1作为转录激活因子起作用,它通过SBP-box结构域直接与受调控基因的核心基序GTAC相结合,参与调控多个生长发育过程。上述研究工作为塑造水稻理想株型提供了新的思路,为超级水稻品种的培育奠定了坚实的基础。

4 展望
高光效育种对于提高水稻产量具有巨大的潜力,目前水稻高光效育种的研究途径主要分两个方面:(1) 通过常规育种和生物技术选育高光效水稻品种;(2) 通过改造水稻的株型结构,提高水稻的光能利用率。前者是在生理生化功能上进行高光效育种,后者通过改良水稻株型结构进行选育。两种研究途径相辅相成,只有紧密结合才能在高光效水稻品种选育方面取得重大突破。此外,随着大量C3、C4作物基因组序列的公开,遗传学、分子生物学、基因组学、蛋白组学和代谢组学等相关技术在光合作用研究领域的运用,光合作用的许多生理、生化过程已经从分子水平得到揭示,为彻底了解C4途径的遗传学机制,从而最终应用于培育具有C4光合特性的高光效水稻新品种带来光明的前景。

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