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生物技术进展２０１４年 第４卷 第３期 １５３～１５７ＣｕｒｒｅｎｔＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＩＳＳＮ２０９５⁃２３４１进展评述Ｒｅｖｉｅｗｓ 收稿日期：２０１４⁃０４⁃１５；接受日期：２０１４⁃０４⁃２９ 基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费（１６１０３９２０１４００３）；中央级公益性科研院所基本科研业务费增量项目（２０１４ＺＬ０３７）资助。 作者简介：牛丽芳，研究员，主要从事植物分子生物学研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｎｉｕｌｉｆａｎｇ＠ｃａａｓ．ｃｎ。∗通信作者：林浩，研究员，主要从事分子生物学与生物化学研究。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｎｈａｏ＠ｃａａｓ．ｃｎ水稻高光效育种研究进展牛丽芳， 路铁刚， 林 浩∗中国农业科学院生物技术研究所，北京１０００８１摘 要：水稻是世界重要的粮食作物，其较低的光合效率是限制水稻产量的重要因素之一，提高水稻的光能利用率对于进一步提高水稻产量具有关键的作用，本文简要回顾国内外水稻高光效育种的发展历程和研究进展，并对杂交选育、基因工程技术、株型改良等水稻高光效育种研究途径进行了总结与展望。关键词：水稻；高光效；株型改良；基因工程ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５⁃２３４１．２０１４．０３．０１ＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＨｉｇｈＰｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＲｉｃｅＢｒｅｅｄｉｎｇＮＩＵＬｉ⁃ｆａｎｇ，ＬＵＴｉｅ⁃ｇａｎｇ，ＬＩＮＨａｏ∗ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｉｃｅｉｓａｓｔａｐｌｅｆｏｏｄｗｏｒｌｄｗｉｄｅ．Ｔｈｅｌｏｗｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｌｉｍｉｔｉｎｇｒｉｃｅｙｉｅｌｄ．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃｃａｐａｃｉｔｙｗｉｌｌｐｌａｙａｃｒｉｔｉｃａｌｒｏｌｅｉｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｉｃｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｒｅｖｉｅｗｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｒｉｃｅｂｒｅｅｄｉｎｇｆｏｒｈｉｇｈｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｒｉｃｅｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｃａｐａｃｉｔｙｔｈｒｏｕｇｈｈｙｂｒｉｄｂｒｅｅｄｉｎｇ，ｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｐｌａｎｔａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｐｐｒｏａｃｈｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｉｃｅ；ｈｉｇｈｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｐｌａｎｔａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ；ｇｅｎｅｔｉｃｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 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（ｃｒａｓｓｕｌａｃｅａｎａｃｉｄｍｅｔａｂｏｌｉｓｍｐａｔｈｗａｙ，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和丙酮酸磷酸双激酶（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）等的编码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、Ｃ４４５１生物技术进展ＣｕｒｒｅｎｔＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ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。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等的编码基因分别导入粳稻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基因也被成功导入水稻中，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６．７５９ｔ，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。Ｎｉｎｇ等［２５］发现ＩＬＡ１基因编码一个Ｒａｆ⁃ｌｉｋｅＭＡＰＫＫＫ，通过与ＩＩＰ蛋白相互作用，调控水稻叶片夹角。Ｚｈａｎｇ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，Ｗｅｉ等［２７］发现水稻ＯｓＤＣＬ３ａＲＮＡｉ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。Ｚｈａｎｇ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。Ｚｏｕ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，Ｘｕ等［３