水稻产量构成因素QTL,精细定位的研究进展

白天亮，李 杰，冉 杰，杨 辉，乔承彬，李培富，田 蕾

（宁夏大学 农学院/宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室，宁夏 银川 750021）

水稻是一种非常重要的粮食作物，在全球范围内至少有超过50%的人口以大米为主食[1]。近年来，稻米的需求量逐渐增加，预计到2035年，将达到8.52 亿t[2]。随着世界人口的不断增加、经济的飞速发展和城市化的进程加快，加之全球气候变暖等气候因素对水稻产量的影响，水稻生产存在很多矛盾，如需求量增长与可耕地面积减少、水资源供给短缺，粮食供需平衡与结构性紧缺，生产成本上升与经济效益下降等，严重威胁世界粮食安全。我国是重要的水稻生产国和消费国，常年消费总量约2亿t，与总产量基本持平[3]。据统计，2021 年我国水稻种植面积为2 992.1 万hm2，与2020 年相比略有减少，减幅0.5%，主要集中在中晚稻种植区；
水稻单产7 113.0 kg/hm2，较2020年增产69.0 kg/hm2[4]。水稻总产量的提高很大程度上取决于单产，水稻单产又主要取决于产量构成因素（穗数、穗粒数和粒质量）[5]。改良水稻产量构成因素并协调它们之间的关系，进一步提高水稻单产和总产量水平，已成为水稻基础研究和遗传育种中亟待解决的关键问题。水稻产量是由多基因控制的复杂的数量性状。近年来，随着现代生物技术的发展，挖掘和利用调控水稻产量构成因素相关基因已经成为培育高产品种和提高水稻单产的主要策略之一。

QTL（Quantitative trait locus）定位是指利用多元统计学方法构建数学模型，建立分子标记和目标性状之间的联系，将单个基因位点的位置和遗传效应标定在分子标记连锁图上。根据定位区间的大小和精度，QTL 定位可分为初步定位和精细定位两类。QTL 初步定位常受到遗传背景、环境条件、表型变异、标记密度等诸多因素的影响[6]，导致定位结果存在一些问题。首先，定位精度较低，定位区间通常大于10 cM[7]，只能说明某染色体某个区间存在控制目标数量性状的基因，无法确认QTL 在染色体上的确切位置。其次，难以确定检测到QTL 的性质，无法区分遗传效应是来自于1 个主效QTL 还是多个微效QTL。另外，通过增加分子标记数量和群体大小等方法很难大幅度缩小定位区间。因此，为了更精确地了解目标性状的遗传机制，需对初步定位的QTL 进行精细定位。QTL 精细定位是对初步定位结果的一种验证和定位精度的延伸，通常是仅针对某一具体的、相对较小的染色体区域，将控制目标性状的QTL 分解为单个孟德尔因子。作为一种挖掘植物基因的方法，QTL 精细定位利用目标QTL 区域的高分辨率分子标记图谱，结合重组个体的筛选，可以深入解析目标QTL 与这些标记间的连锁关系和遗传效应[8]，进而将控制目标性状的QTL定位在一个较小的染色体区域，在预测基因注释的基础上，利用生物信息学分析、定位区间亲本间差异基因的筛选和表达特性分析或结合关联分析来锁定候选基因，为目标基因的克隆和功能验证奠定基础[9]。基于前人的研究，总结阐述了QTL 精细定位策略与群体选择，综述了水稻产量构成因素穗数、穗粒数、粒质量QTL 精细定位、图位克隆和功能分析的研究进展，提出了合理利用水稻产量构成因素基因的育种策略，为水稻产量性状优异基因克隆和遗传机制解析提供理论依据。

QTL 精细定位常用的策略是染色体片段代换定位策略，通过筛选在目标区间发生重组的个体，结合重组个体的基因型和表型鉴定，对具有不同表型重组个体间的差异片段以及相同表型的重组个体间的共有片段进行统计分析，将QTL 定位到一个更小的范围内[8，10]。

ESHED 等[11]认为，渗入系（Introgression Lines，IL）和受体亲本回交后，其后代基因仅在渗入片段上存在分离，可将QTL 分析限定在1 个很小的染色体区间内，很大限度地消除了遗传背景变异的干扰，进一步提高了定位精度。目前，用于精细定位的群体主要有NIL（Near isogenic lines）-F2群体、SSSL（Single-segment substitution lines）群 体、CSSL（Chromosome segment substitution lines）群体、RHL（Residual heterozygous lines）群体等。WU 等[12]利用DL208 和ZS97 回 交构建的1 个由6 300 个单株组成的NIL-F2群体，将控制水稻籽粒垩白率的QTLqWCR7（White-core rate 7）精细定位到水稻第7 染色体1 个大约68 kb 的区域；
NIU 等[13]利用Teqing 和IRBB52 回交构建的NIL-F2群体，将控制水稻粒长的qGL5.2（Grain length 5.2）精细定位到水稻第5 染色体1 个68.8 kb 的区域，并分析了定位区间6 个预测基因的序列差异和在穗发育过程中的表达特性。YUAN 等[14]利 用Nipponbare 和93-11 的SSSL 群 体，将协调水稻籽粒大小和籽粒数的1个新的主效位点qGSN5（Grain size and number 5）定位在水稻第5 染色体短臂端1 个85.60 kb 的区域。CSSL[15]和RHL[16]群体也常用于水稻农艺性状QTL 的精细定位，控制水 稻 抽 穗 期 的Se16（t）[Photoperiod sensitivity of Sasanishiki 16（t）]和控制水稻穗粒数和穗部结构的qGNPS4.1（Grain number and panicle structure 4.1）就是分别利用上述2 种群体实现了精细定位，定位精度分别为30.4 kb和214.94 kb。

2.1 穗数QTL精细定位

穗数（或有效穗数）是产量构成的一个重要因素，其取决于单株穗数和分蘖数。单株穗数主要由一级和二级分蘖数决定。有效穗数的多少直接影响产量的高低，精细定位控制水稻有效穗数的QTL对提高水稻产量极为重要[17-18]。ZHU 等[18]利用日本晴和广陆矮4 号为亲本回交构建了1 个低穗数的染色体片段代换系（C3074），利用C3074和广陆矮4号衍生的NIL-F2（F3）群体1 429 个隐性个体，将控制水稻单株有效穗数的主效QTLqPN1（Panicle number 1）精细定位到水稻第1染色体长臂端1个包含6 个注释基因的34.4 kb 区域。CHEN 等[19]利用Zhenshan 97 和Miyang 46 为亲本构建回交群体，通过对BC2群体的多代自交材料进行筛选，构建了18个目标区间共分离且遗传背景高度一致的精细定位群体，将同时控制抽穗期和穗数的微效QTLqHd1（Heading date 1）精细定位到水稻第1染色体长臂 末 端RM12102 和RM12108 间1 个95.0 kb 的 区域，该位点对单株穗数有显著作用，且对抽穗期及产量性状均表现为增效的加性效应。刘颖等[20]利用籼稻品系V20B 为母本，爪哇稻品系CPSLO17为父本，通过杂交经单粒传法构建重组自交系群体，对水稻穗长和有效穗数2个穗部性状进行QTL定位分析，精细定位到2个表现为增效效应的穗数主效QTLqPN1和qPN4，分别位于水稻第1、4号染色体上。

2.2 穗粒数QTL精细定位

穗粒数是产量构成的另一个重要因素。水稻植株穗粒数的多少直接影响水稻籽粒产量；
穗粒数与穗长、一次枝梗数和二次枝梗数密切相关[21]。qGn1a（Grain number 1a）是第1 个通过精细定位、图位克隆的控制水稻穗粒数的主效QTL，ASHIKARI等[22]利用NIL-Gn1a 杂合子（Gn1a/gn1a）衍生的1 个包含13 000 个单株的F2群体将该位点的候选区域缩小到水稻第1 染色体分子标记3A28 和3A20 之间1个6.3 kb的区间内。gpa7（Grain number per panicle 7）是1 个控制水稻穗粒数的主效QTL，TIAN 等[23]利用渗入系SIL040 和轮回亲本Guichao 2 杂交构建的NIL-F2群体将该位点锁定在水稻第7 染色体1 个35 kb 的区域内，该区间有5 个预测基因。qSPP7（Number of spikelets per panicle 7）是XING 等[24]利用Minghui 63 和Zhenshan 97 回交构建的BC3F2群体中1 082 个极小穗隐性个体精细定位的1 个调节水稻穗粒数的QTL。SPP1是位于水稻第1染色体的1个控制水稻穗粒数的QTL，LIU等[25]利用1个NIL-F2群体将该位点定位在分子标记YN27和YN34之间1个107 kb 的区间内，通过对区间内17 个开放阅读框（ORF）的生物信息学分析，发现编码吲哚乙酸（IAA）合成酶的LOC_Os01g12160 可能是该位点的候选基因。qTSN12.2（Total spikelet number per panicle 12.2）是位于水稻第12 染色体的1 个控制水稻穗粒数的QTL，SASAKI 等[26]利用YTH83 和IR64的BC4F3群体将该位点定位在分子标记RM28746和RM28753 之间1 个92 kb 的区间内，该区间存在6 个候选基因。GN2是源于元江普通野生稻的1个控制水稻粒数的QTL，CHEN 等[27]利用野生稻渗入系YIL19和轮回亲本Teqing杂交构建的1个由4 512个单株组成的NIL-F2群体，将该位点定位到水稻第2染色体RM3535和R4之间1个47 kb的区域，通过对区域内6 个预测基因的分析，发现野生稻候选基因LOC_Os02g56630 与栽培稻相比插入了LOC_Os02g 45150 中的1 个1 094 bp 片段，形成了1个新的转录本。

2.3 粒质量QTL精细定位

在3 个产量构成因素中，粒质量对水稻产量的提高至关重要，通常以千粒质量来衡量。不同水稻品种间千粒质量差异很大，主要介于10～70 g[28]。增加水稻粒质量是提高产量的有效途径，研究表明，每提高水稻千粒质量1.493 g，产量可增加597.3 kg/hm2[29]。粒质量的遗传力较高，主要由粒长、粒宽、粒厚和籽粒充实度决定。因此，粒质量的增加主要取决于上述4个性状的改良。

SONG 等[30]利用粒质量差异显著的2 个水稻品种FAZ1（小粒籼稻）和WY3（大粒粳稻）为亲本回交构建了1 个由6 013 个单株组成的BC3F2群体，通过对纯合重组植株子代（BC3F4）的粒质量进行检测和基因型分析，将控制水稻粒质量的QTLGW2（Grain weight 2）定位到水稻第2 染色体分子标记W024 和W004 之间1 个8.2 kb 的区域，定位区间仅含有1 个ORF。WENG 等[31]利用1 个由2 180 个隐性个体组成的BC4F2群体，将控制水稻粒质量的QTLGW5定位到水稻第5 染色体CAPS 标记Cw5 和Cw6 之间的1 个21 kb 的 区 间。GUO 等[32]利 用Baodali 和Zhonghua 11 构建的F2、F3和BC2F2群体将控制粒质量的2个QTLGW3和GW6分别定位到水稻第3染色体2 个STS 标记WGW16 和WGW19 之间1 个122 kb区域和水稻第6 染色体2 个SSR 标记RM7179 和RM3187之间1个4.7 cM的区间，GW3定位区间包含16 个ORF。XIE 等[33]用韩国粳稻品种Hwaseongbyeo和普通野生稻IRGC 105491 的8 个BC3F4-NIL 将控制粒质量的QTLgw8.1定位在水稻第8 染色体分子标记RM23201.CNR151 和RM300000.CNR99 之间1个约306.4 kb的区域。ZHAN等[34]将控制粒质量和穗粒数的QTLGW10定位在水稻第10 染色体长臂端1个14.6 kb的区域，隐性等位基因gw10在穗中的表达量降低与水稻籽粒变短变窄、穗粒数增加密切相关。

LI等[35]利用Zhenshan 97和DH27回交构建的分别由4 373 个单株和5 265 个单株组成的2 个BC3F2群体，将控制籽粒大小的GS5（Grain size 5）定位到水稻第5 染色体RM574 和S2 之间的1 个11.6 kb 的区域内，该区域仅有1 个预测基因且在2 个亲本间存在启动子区和编码区的序列差异，该研究验证了GS5对千粒质量和单株产量的增加作用主要源于其对粒宽的增加和对谷粒充实速率的提高作用。LI等[36]利用307R 和IR24 回交构建的BC3F2群体中2 500 个短粒（隐性）个体将同时控制水稻粒长和粒宽的QTLGLW2（Grain length and width 2）定位在水稻第2 染色体分子标记H2 和Z4 之间1 个约160 kb的区间内，通过对8个纯合重组体进行基因分型，最终将GLW2锁定在标记M2和M8之间1个15.3 kb区间，该区间只包含1 个候选基因LOC_Os02g47280，该基因主要通过调节粒长和粒宽来影响水稻粒质量。林文春等[37]在籼稻珍汕97 和密阳46 的重组自交系高代群体中挑选出5 个遗传背景一致、仅在水稻第1 染色体RM151—RM5359 区间杂合的RHL 单株，衍生出5 个F2:3群体，精细定位了控制水稻千粒质量的QTLqtgw1（Thousand grain weight 1），将该位点限定在水稻第1 染色体RM10381 和RM10404 之间1 个大约246.6 kb 的区域内，该区间位于基因Gn1a的下游，覆盖了QTLSPP1的整个区域，表明qtgw1与SPP1位于同一区域，可能是同一个基因。CHAN 等[38]利用Zhenshan 97 和Milyang 46 回交构建的BC2F14:15群体，将控制千粒质量的微效QTLqTGW1.2b定位在水稻第1 染色体长臂端分子标记Wn34323和Wn34367之间1个44.0 kb的区域内。

在国家水稻数据中心网站（https://www.ricedata.cn/gene/）利用穗数（TO：0000152）、穗粒数（TO：0002759）和粒质量（TO：0000590）3个条目查询并整理控制水稻产量构成因素的已克隆基因，截止到2022 年4 月分别检索到33 个、300 个和243 个基因，共576个基因。其中，基于QTL精细定位，克隆并验证功能的基因有15 个，主要包括调控水稻穗数的BGL11（t）[39][Bright-green leaf 11（t）]、OsSPL2[19]（Squamosa promoter binding protein-like 2）、IPA1（Ideal plant architecture 1）[40]，调控水稻穗粒数的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]，调控水稻粒质量的GW2[30]、GW5[31]、TGW6[44]、TGW3[45]、GS3[46]、GS5[35]、GLW2[36]等（表1）。

表1 图位克隆的调控水稻产量构成因素基因Tab.1 Genes regulating rice yield components determined by map-based cloning in rice

qWS8是ZHANG 等[40]图 位 克 隆 的1 个 同 时 控 制水稻穗数、千粒质量和分蘖数的主效QTL，该位点的目标基因是IPA1，主要通过改变植株的形态来增加水稻产量。IPA1编码1种含有SBP-box结构域的转录因子OsSPL14（类Squamosa 启动子结合蛋白），在水稻不同生育时期发挥不同作用。在营养生长期，OsSPL14主要参与调控水稻分蘖；
在生殖生长期，OsSPL14的过量表达可促进穗的分化。有研究发现，当OsSPL14的第3 个外显子+874 bp 处碱基由C突变为A之后，解除了小RNAOsmiR156对该基因的抑制作用，减少了水稻的分蘖数，增加了穗粒数和千粒质量[47-48]，茎秆变得粗壮，抗倒伏能力增强，进而实现了水稻产量的提高。

Gn1a（OsCKX2）是ASHIKARI 等[22]图位克隆的1个调控水稻穗粒数的主效QTL，来自品种Habataki的等位基因显著增加了穗粒数，该基因编码的蛋白质是1种细胞分裂素氧化酶，可以降解细胞分裂素。随着Gn1a表达量的降低或编码蛋白质功能缺失，会造成花序分裂组织中细胞分裂素的积累，从而增加颖花数（穗粒数），进而提高水稻产量[22]。Gn1a的表达受转录因子DST 的调节，以DST-OsCKX2调控模块的方式与OsER1-OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6级联信号通路互作，通过维持幼穗中细胞分裂素内稳态影响水稻幼穗发育，最终决定穗粒数的形成[49]。

PROG1是TAN 等[43]在元江普通野生稻中图位克隆的1 个调控水稻匍匐生长和穗粒数的主效QTL，该基因主要在腋芽分生组织表达，编码1 个由167 个氨基酸组成的锌指转录因子。野生稻的PROG1基因使其匍匐生长，当进化为栽培稻的prog1时，该基因功能丧失，从匍匐生长转变为直立生长，在改良株型的同时，显著增加了穗粒数，提高了水稻产量[43]。

GS3是FAN 等[46]图位克隆的1 个控制水稻籽粒大小的主效QTL，负调控水稻粒质量，该基因编码232 个氨基酸，编码蛋白质是1 种跨膜蛋白。与小粒品种Chuan 7 相比，在大粒品种Minghui 63 中，GS3第2个外显子中的TGC 突变为TGA（终止密码子），造成了蛋白质翻译过程的提前终止，破坏了类PEBP 结构域，缺失了另外3 个功能结构域，造成了蛋白质的功能丧失[46]。在水稻中有3 个G 蛋白γ 亚基GS3、DEP1 和GGC2，其中，DEP1 和GGC2 亚基的C端结构域介导了G 蛋白信号的传导，显著增加了水稻籽粒长；
GS3对籽粒大小并不产生影响，但它与DEP1 或GGC2 发生互作时，则使粒长缩短，进而降低了产量[50]。

精细定位调控水稻产量构成因素的QTL 并进行克隆对提高水稻单产有非常重要的意义。但是由于3个产量构成因素之间常表现为负相关关系[5]，改良其中一个因素基因常会对其他因素性状造成不良影响，如何在水稻育种中合理利用水稻产量相关基因已成为一个现实的难题。此外，水稻个体水平上的高产并不意味着种群水平上的高产[51]，如何协调水稻源库之间的平衡，改善群体结构也是切实提高水稻总产的关键问题之一。

聚合育种可实现多个有效基因的有机整合，不仅可以提高作物的抗性，而且可以提高作物的产量，改良营养品质[52]。WANG 等[53]为了检测已鉴定的QTL 在水稻产量性状改良中的作用，通过回交的方法结合MAS（Marker-assisted selection）将93-11的qHD8、qHD7、qHD6.1和GS3转移到Zhenshan 97遗传背景中，获得了含有1 个或多个靶基因的多种NIL。其中，同时含有qHD8 和GS3的NIL 与轮回亲本Zhenshan 97 相比粒长显著增加，抽穗期更适宜，表现出更高的产量潜力[53]。该研究同时发现，不同位点的等位基因间存在上位性，qHD8表现出明显的背景效应，表明基因聚合不是简单的基因位点累加，靶基因之间的互作以及它们对遗传背景的响应也是决定聚合效果的关键因素[53]。代明笠等[54]通过对NAL1LT（Narrow leaf 1LT）、GNP1TQ、Ghd7MH63和Ghd89311构建不同遗传背景的NIL，发现不同基因聚合的产量效应差异较大。其中，NAL1LT+Ghd7MH63、NAL1LT+Ghd89311和Ghd7MH63+Ghd89311的产量与高值亲本相比显著增加，是3种优良的基因聚合方式；
而其他聚合方式对产量的影响有增有减，或者与亲本相近，聚合效果一般。因此，若利用基因聚合的方法改良水稻产量，就必须在明确靶基因功能和调控网络的基础上，先开展基因间的产量聚合效应分析，明确不同基因的聚合效果，再应用于育种实践。

分子设计育种实现了生物遗传学理论与杂交育种的有机结合，是基于控制作物重要性状关键基因及其调控网络的深入解析，结合基因组学、转录组学、代谢组学和表型组学等多种数据开展生物信息学分析、整合，筛选与优化，进而获取吻合育种目标的最佳基因型，精准高效地选育新品种的一种现代育种策略[55]。在分子设计育种中，基因编辑技术发挥了很大的作用，实现了1 个或多个靶基因的定点编辑与改良。SONG 等[5]利用平铺删除方法，通过多靶点CRISPR/Cas9 对IPA1的顺式调控区进行系统性高覆盖度的片段删除，创制了大量IPA1顺式调控区平铺删除的基因编辑材料，其中基因编辑材料IPA1-Pro10（启动子区存在1 个54 bp 片段缺失）的分蘖数、穗数、穗粒数、穗质量显著提高，株高变高，茎秆和根系变粗壮，与对照中花11 相比显著增产15.9%。该研究还发现，驯化关键转录因子An-1 能通过结合54 bp 关键顺式作用元件中的1 个GCGCGTGT 基序特异性调控IPA1在幼穗中的表达水平，进而调控穗部发育。该研究为利用基因编辑方法改良水稻产量构成因素关键基因、提高水稻产量提供了一种新的策略。沈兰等[56]利用CRISPR/Cas9系统同时对GS3和Gn1a进行编辑，获得的突变体gs3和gs3gn1a与野生型相比粒长变长，千粒质量增加，双敲除突变体gs3gn1a的穗粒数显著增加。表明利用基因组编辑技术可以快速改良水稻品种的目标性状，在品种定向改良中具有巨大应用潜力。