水稻抽穗期基因及分子调控机制研究进展

水稻抽穗期基因及分子调控机制研究进展摘要：抽穗期是水稻品种的重要农艺性状之一，它对于水稻适应不同的栽培地区和耕作季节是至关重要的。

水稻的开花期主要由感光性、感温性和基本营养生长性决定，多年来研究者提出了光周期途径、赤霉素途径、自调节途径和春化作用等4种调控途径，其中研究的最多的是光周期途径[1]。

近年来，在水稻抽穗期基因的发掘、定位、克隆及作用机制等方面，特别是QTL研究方面取得较大进展。

在此．回顾了水稻抽穗期基因／QTL的定位和克隆，阐述QTL的互作及与主基因的等性关系，并通过和拟南芥模式植物的对比进一步阐述了水稻开花的分子机制，为研究禾本科植物的抽穗期基因提供了有意义的启示。

旨在为中国水稻抽稳期基因遗传以及在育种上的应用提供理论依据[2]。

关键词：抽穗期，光周期，基本营养生长性引言水稻抽穗期(生育期)是决定品种地区与季节适应性的重要农艺性状，选育早熟高产的水稻品种一直为水稻育种家所重视。

水稻早熟基因的发现和利用将有助于解决早熟与丰产难以兼顾的矛盾，也有利于克服籼粳亚种间F，超亲迟熟的障碍。

因此，发掘和鉴定水稻抽穗期基因(包括QTL)，开展抽穗期基因定位、克隆等方面的研究，并深入探讨水稻抽穗期基因的分子作用机理，具有重要的理论意义和应用价值。

同时，水稻作为单子叶模式植物，这方面研究也对同类植物特别是禾本科粮食作物的抽穗期基因和QTL研究具有指导意义[2]。

1 水稻光周期研究进展植物光周期现象的发现始于1921年Garner和Allard对美洲烟草开花期与长日照条件关系的研究[3]．大量的进一步研究发现。

植物在光照时间长于或者短于某临界值，或只在特定光照时间范围内才会开花。

他们将植物通过感受昼夜长短变化而控制开花的现象称为光周期现象。

水稻的开花期被称为抽穗期。

在正常生长温度下，水稻抽穗主要受光照影响，抽穗一般发生在短日照条件下，水稻是一种短日照植物。

光周期对水稻生长发育调控的研究已开展多年，20世纪60年代，我国学者丁颖就主持了对数百份水稻品种资源进行光温特性研究。

20世纪80年代和90年代，张自国、曾汉来等开展了大量的水稻光温敏机制的研究，初步探索了光温对水稻抽穗期和育性的关系，并提出了可能的调控机制[4-6]。

1.1水稻中已鉴定的与光周期调控相关的基因随着研究的深入，很多与水稻抽穗相关的基因被发现，其中包括一系列与进化紧密和水稻的适应性调节相关的保守基因。

从遗传学、分子生物学、比较生物学的角度进行的研究，使我们了解了光周期途径控制水稻抽穗的部分机制。

借鉴拟南芥光周期途径的研究成果，我们将已鉴定的与光周期途径相关的基因划分为以下几类：光受体和生物钟基因、Hdl基因及其调节基因、Ehdl基因及相关基因、成花素基因调节基因。

目前已鉴定的光周期有关的基因有30多种，我们将基因的名称、功能和参考文献列于表1。

表l水稻光周期调控相关基因Type Name Protein Function Reference光受体相关基因PhyA PhytochromeA 远红光受体[7] PhyB PhytochromeB红光受体，抑制开花[8] PhyC PhytochromeC 红光受体[9]OsCRY1隐花色素[10] OsCRY2OsNPH1a向光素蓝光/紫外光-A受体[11] OsNPH1bSe5 血红素氧化酶抑制开花[12]生物钟相关基因OsCCA1/LHY依赖昼夜节律控制开花[13] OsPRR1/TOC1Pseudo-responseregulator[14]OsPRR37OsPRR59OsPRR73OsPRR95OsZTL1 LOV，F-box，Keleh [15]OsZTL2 repeat proteinOsFKF1OsPCL1 富谷氨酰胺蛋白[16] OsGI 核蛋白[17]Hd1相关基因Hd1 转录因子在长日照下抑制开花[18]Hd2 未知蛋白[19] Hd6蛋白激酶CK2的α亚基[20] OsMADS50 MADS蛋白促进开花[21]Ehd1相关基因Ehd1 富谷氨酰胺蛋白短日照抑制开花[22] OsLFL1 转录因子抑制开花[23] Ghd7 含CCT基序蛋白长日照抑制开花[24] OsMADS51 MADS蛋白正调控Ehd1，促进开花[25]Osld1含锌指基序蛋白[26]Ehd2 [27]成花素相关基因Hd3a 成花素促进开花[28] RFT1 类成花素蛋白短日照促进开花[29]OsDof12 DNA结合蛋白长日照促进成花素表达[30] OsCO3 转录因子短日照抑制成花素表达[31]OsMADS14MADS蛋白促进开花[32] OsMADS151.2 光周期与各相关基因的表达及抽穗期的调控因子Hd3a表达的蛋白已经被证明就是水稻的成花素，通过在水稻中各组织间的运输直接控制水稻开花．Hdl和Ehdl是水稻光周期调控的两个关键基因，一系列光信号都通过作用于这两个基因来发挥效应．我们将分别介绍短日照、长日照和暗期中断条件下，各种光周期基因的调节途径，特别是对Hdl、Ehdl和Hd3a 的调控作用。

短日照下，Hd3a逐渐被诱导表达，大约抽穗前30 d也就是成花素开始转运时达到最大值．短日时，Hd3a的促进子和Hd3a mRNA的最大值都在每天黎明，表明Hd3a的调控主要发在转录水平[33]。

Hd3a的表达还受到遗传影响，有时在黎明后还有一个表达的高峰[34]。

转基因实验表明，导入Hd3a的水稻材料，在长短日照下的抽穗时间都提前．Hd3a mRNA在日照下上调，诱导水稻开花．该结果说明Hd3在短日照下促进抽穗．Hd3a主要受Hdl调控。

OsGI是Hdl主要的上游基因，OsGI编码的蛋白在水稻细胞的细胞核和细胞质中都大量存在．OsGI的表达量呈节律性变化，在光照时表达量升高，黑夜时表达量降低，表达的峰值在长、短日照下都在傍晚。

不管在长日还是短日照下，OsGI过量表达都将引起水稻推迟抽穗．检测发现，OsGI过量表达会造成Hdl表达量增加，Hd3a的表达量减少，从而引起水稻的开花被抑制。

在短日照下，利用RNAi或者反义表达抑制OsGI的表达，会明显减少Hdl mRNA的丰度。

OsGI 调控Hdl表达可能的途径是降解Hdl转录抑制子。

但是，OsGI的mRNA量傍晚时达到最高值，Hdl是在午夜，具体的调控方式还有待进一步研究．Se5突变的植株中，OsGI的表达受到抑制，说明有功能的PhyB蛋白调控OsGI基因的转录。

Ehdl基因是Hd3a的促进子，通过在诱导Hd3a的表达，促进水稻开花．Ehdl 下促进Hd3a、RFT和OsMADS14的表达．基因的突变或者RNAi干扰会造成Hd3a减少．在Hdl缺失时，Hd3a的表达量与表达量一致．短日照条件下，Ehdl 优先表达，且一天中出现两次高峰值，在黎明前2h和黎明后4h．在短日照和长日照后持续采用黑暗处理，耽d1都会出现表达的峰值，这说明Ehd1的表达可能主要受黑夜的长短控制。

长日照下，Hd3a的表达量很低，甚至不表达．Hdl在长日下强烈抑制Hd3a 的表达．在黝1基因被克隆前，Hdl突变体，在短日照下抽穗推迟长日照下抽穗提前，就说明了Hdl在短日下促进Hd3a表达，长日下抑制表达[19]。

光敏色素影响Hdl在长日照下的作用，因为在光敏色素缺失的植株中Hdl无法抑制Hd3a的表达．Se5和Hdl的双突变体的抽穗期比Se5的单突变体长，双突变体中Hd3a 的mRNA量也比单突变体少，这是因为双突变体中Se5导致光敏色素也失去功能[35]。

Hd3a在长日下的表达量减少也与Ehdl在长日下的表达受到明显抑制有关．Ghd7是Ehdl的强烈抑制子[24]。

Ghd7包含一个CCT结构域，与Hdl的CCT 结构域相似度达到60％，但是没有Hdl含有的锌指域．长日下，Ghd7的表达量明显较高，主要集中在维管组织里．Ghd7在黄昏时表达量最高．对Ehdl有强烈抑制，但是对Hdl没有影响。

OsLFLl突变体在长短日照下抽穗期都提前。

OsLFLl 存在时，Ehdl及其下游基因表达都受到抑制．OsLFLl的过量表达也会延迟水稻抽穗．该基因含有一个B3结构域，与Ehdl的启动子区结合，抑制Ehdl的而延迟水稻抽穗[23]。

对水稻长暗期处理，若暗期中断，抽穗期显著延迟。

短光照即长暗期时，Hd3a 的mRNA在黎明前4h开始明显增多，在黎明时达到峰值，在白天保持一个高值．暗期中断处理时，Hd3a的mRNA量始终不会增多，且在白天持在低值．这表明暗期中断造成抽穗延迟的主要原因是删30的转录受到抑制。

受昼夜节律钟调控的OsGl的mRNA量期中断处理后变化不明显，说明昼夜节律钟在暗期中断时对Hd3a的表达量没有直接的调控作用．其他类成花素基因的mRNA量在暗期中断处理后同样也没有明显减少，说明暗期中断没有通过抑制类成花素的转录来延迟水稻抽穗。

暗夜中断处理后Hd1的mRNA量有所减少，且峰值出现较晚。

对Hdl突变体进行暗期中断处理，突变体的抽穗期进一步延迟。

说明暗夜中断除了抑制Hdl 途径外，还抑制其他调控途径。

综合以上的研究结果，水稻可能的抽穗光周期调控途径如图1所示。

2 水稻基本营养性研究进展2.1 水稻基本营养生长性水稻进入生殖生长之前，在受高温短日影响下，而不能被缩短的营养生长期，称为水稻的基本营养生长期，它是不受环境因子所左右的品种本身所固有的特性，又称为品种的基本营养生长性。

在短日和高温（最适日长和最适温度）的条件下，水稻营养生长到抽穗改变的天数作为该品种的基本营养生长期。

不同类型的品种有其不同的基本营养生长期，短的只有一周多，长的可达两个半月天以上。

一般来说，籼稻的基本营养生长期长于粳稻，中籼品种最长[36] [37]。

2.2 水稻基本营养生长性的研究进展水稻的短基本营养生长期对长基本营养生长期为显性。

目前已经报道了12个可以控制水稻基本营养生长期并且对光周期不敏感的基因，有5个显性早熟基因和8个隐性迟熟基因[38] [39]。

其中直接影响水稻基本营养生长期的显性早熟基因Ef-1，位于10号染色体上，该基因位点存在1个隐性等位基因及4个显性等位基因[38] [40]。

直接影响水稻基本营养生长期的隐性迟熟基因Lf-1位于3号染色体上，Lf-1与水稻矮杆分蘖基因D-4连锁[39]。

3 问题与展望作为光周期调控开花的模式植物，拟南芥是双子叶长日照植物，水稻是单子叶短日照植物，对水稻抽穗诱导机制的研究将有助于人们全面揭开开花诱导之谜，同时可以为其他植物的光周期调控开花的研究提供借鉴和指导．虽然，对水稻抽穗期的研究取得了一定的进展，对其调控机理有了基本的了解．但是，仍然有很多详细的调控原理是未知的．对水稻抽穗的光周期调控研究还需要进一步深入．为了更清楚地了解水稻开花的分子机制，我们还需要将已经定位的QTL如Hd2、Hd3b、Hd5等分离和克隆，找到更多控制抽穗的遗传因子，梳理各基因间的相互关系。