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摘 要：基因设计育种旨在控制所有重要农艺性状基因的所有等位性变异。该文阐述了水稻基因组测序及其研究进展、已克隆并应用于水稻产量相关的农艺性状基因，以及水稻产量基因的分子辅助育种，并对水稻产量基因设计育种的前景进行了展望。
关键词：水稻；产量；基因设计育种；分子辅助育种
中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）08-42-04
随着我国经济的快速发展，在人口数量增加和城市化进程加快的背景下，我国总耕地和人均耕地面积进一步下降，因此如何提高水稻的产量，维持水稻生产的稳定性、安全性，促进粮食生产的持续发展将长期摆在我们面前。水稻基因设计育种就是在水稻全基因组测序的基础上，对功能已知的主要农艺性状基因进行有利基因的剪切、聚合，从而培育出在产量、品质、抗性等多方面有所提高的水稻新品种。20世纪60年代的“绿色革命”就是通过水稻品种的矮化育种从而使产量提高了20%～30%，而70年代籼型杂交水稻三系的成功配套又使水稻产量在矮化的基础上增长了20%左右。从遗传学的角度说，这两个水稻产量突破的里程碑，都可归结为矮秆基因和野败胞质不育基因的挖掘与利用。
1 水稻基因组测序及其研究
人类对水稻的遗传研究最早是从形态学的角度来研究的，其实质就是基因和形态之间的连锁遗传。孟德尔两大经典遗传定律得出的主要就是从形态学的角度来研究的，随着科学的不断深入，基因的概念不断完善，人们慢慢的从最初肉眼可见的形态学性状发展到肉眼不可见的形态学、生理学、发育生物学等性状或生物学事件。而现在通常认为基因组包含了生物进化、遗传和生命的信息，是细胞遗传物质的总和。一个生物体的基因组也就是该生物的DNA（部分病毒是RNA）的全部遗传信息。随着生物技术的快速发展，2002-2006年完成了水稻全基因组精细物理图谱绘制，为水稻功能基因组研究打开了便利的大门。而新一代的测序技术的高通量、高精度、低成本又必将对水稻遗传和发育的研究方法和技术产生深远而巨大的影响。
DNA测序技术是分子生物学研究中最常用的技术，它的出现极大地推动了分子生物学的发展。自1949年Sanger[1]就通过手工测序技术了测定胰岛素两条肽链氨基末端序列至今，可将测序技术大致化分为三代。1977年Sanger[2]发明了具有里程碑意义双脱氧链终止法，同年Maxam和Gilbert[3]发明了化学降解法测定DNA序列。由于Sanger测序法简便快速高效，再结合20世纪90年代初出现的荧光自动检测技术，很快成为DNA测序的主流。这些以双脱氧链终止法以及在它们的基础上发展的各种DNA测序技术统称为第一代DNA测序技术。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序，即通过捕捉新合成末端的标记来确定DNA的序列，该代技术主要包括Roche 454公司的GS FLX、Illumina公司的Solexa Genome Analyzer和AB I公司的SOLID测序平台[4]。尽管其对全新的基因组进行测序时还需要结合第一代测序技术，并且产生的测序结果比第一代测序技术的长度要短得多，但第二代测序技术能够获得海量的数据，并且价格低廉。最近，以单分子测序为特点的第三代DNA测序技术已经出现，如Helicos公司的Heliscope单分子测序仪[5]、Pacific Biosciences公司的SMRT技术和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的纳米孔单分子技术都获得了极大的发展，特别纳米孔单分子技术则更是在原理上做出本质变革，直接使用外切酶切割单链DNA的末端，然后对切下的单碱基进行检测，这样既提高读取长度又减少了后序拼接的工作量，可对未知基因组进行重新测序。
1997年，在新加坡举行的植物分子生物学会议上发起国际水稻基因组测序计划（IRGSP），并于1998年正式启动，水稻基因组共有12条染色体，其中第1染色体最长，第10染色体最短。其中中国大陆分担了第4染色体的测定工作。該计划以粳稻品种日本晴为测序材料，利用逐步克隆法进行全基因组的测序。到2002年底，国际水稻基因组测序计划圆满完成，共测定碱基对3.66亿个，精确度达到99.99%，并预测遗传基因62 435个。而在籼亚种基因组的测序工作上，中国科学院基因组信息中心暨北京华大基因研究中心等多家单位，于1998-2001年利用全基因组霰弹法构建了籼稻品种9311基因组工作的框架图，该图基本覆盖了水稻的整个基因组92%以上的水稻基因，这是人类对水稻籼粳两个亚种同时在全基因组层次上最直观的了解。在单子叶植物中，水稻的基因组较小，约389Mb[6]，且与其它单子叶植物的基因组具有基因位置的同线性[7]，随着水稻高密度遗传图谱和物理图谱的相继构建[8]，尤其是全基因组测序结果的公布[9，10]，水稻已经被认为是单子叶植物的遗传、发育和基因组研究的模式植物。
但是完成基因组测序仅仅是基因组计划的第一步，后面还有很多工作并未完成，首先要分析基因组顺序中所包含的全部遗传信息，其次整个基因组如何对各个基因进行网络调控，以及各个基因如何行使功能，还有太多的未知区域等待探索。止前，已报道的功能基因只有不到20%，而克隆的基因更少之又少。近年来，随着生物技术的快速发展，越来越多的水稻基因被克隆，对基因功能研究的新方法的也越来越多，如基因转导技术、基因敲除技术、转座子和T-DNA标签技术及突变体库筛选和全基因组表达分析等。
2 水稻产量基因的挖掘与应用
随着科学技术的快速发展，特别是水稻籼粳物理框架图的测序完成，使水稻的基因定位和克隆工作取得了巨大的进步。目前，已经有多个与产量相关的农艺性状基因被克隆。
2.1 水稻矮化基因SD1 20世纪60年代的水稻“绿色革命”就利用了SD1的突变基因，使株高大大降低。Sasaki等[11]发现水稻的SD1基因编码与赤霉素合成有关的GA20氧化酶（GA20ox），该酶是GA合成途径中的一个关键酶，它催化GA53→GA44→GA19→GA20三步反应。水稻基因组至少携带2个GA20ox基因（GA20ox-1和GA20ox-2），其中GA20ox-2在叶片、茎和未展开的叶片中活跃表达，而GA20ox-1优先在未开的花中表达。尽管植物花器的形成与育性均与有生物活性的GA相关，但sd1突变体开花结实均正常，这就揭示了为什么sd1产生较短的叶和较矮的株高，而产量却不受影响的原因。通过含sd1的突变体结合常规育种，使水稻产量提高了20%～30%。 2.2 水稻每穗粒数基因GN1 Ashikari等利用籼粳交Habataki/Koshihikari，在第1染色体短臂上定位到一个控制粒数的数量性状基因Gn1[12]，并通过图位克隆法最终克隆了该基因。序列分析表明该基因编码一个分裂素氧化酶/脱氢酶高度同源的OsCKX2基因，该基因在叶、茎、花序分生组织和花中表达强烈，而在茎尖分生组织表达相对较弱，在根与胚中不表达。OsCKX2基因编码的这种酶能够降解细胞分裂素，该基因表达量的降低，将导致细胞分裂素在花序分生组织中累积，从而增加颖花的数目，也即增加了穗粒数，从而最终提高了水稻的产量。
2.3 水稻粒型调控基因GW2、GS3、GW5/qSW5、GW8和qGL3.1 GW2[13]编码一个新的E3泛素连接酶，参与降解促进细胞分裂的蛋白，其功能的缺失或降低将不能将泛素转移到靶蛋白上，因而使得本应降解的底物不能被特异识别或识别能力下降，从而加快细胞分裂，进而激活颖花外壳细胞的分裂，从而增加颖花外壳的宽度，同时也提高了灌浆速率，增加了粒重和产量。将GW2基因导入正常品种中，培育而成的新株系与对照相比，尽管减少每穗粒数，但由于粒重的增加，依然能够显著的增加单株产量。而qSW5[14]（GW5[15]）的功能与GW2类似，其功能的缺失也不能将泛素转移到靶蛋白上，因而负调节细胞的分裂，进而增加水稻小花外颖细胞数目，从而最终增加谷壳的宽度、粒重以及产量。而GS3[16，17]也对粒重起负调节重用，该基因包含5个外显子，编码由4个结构域组成的跨膜蛋白，其中的一个就是植物特有的调节器官大小的结构域OSR。研究表明没有GS3蛋白的品种的为长粒型，粒长约10mm，含有完整GS3蛋白的水稻品种为中间型，粒长约8mm，而只有含有OSR的水稻品种为短粒型，粒长约6mm。研究还发现该蛋白的N-端是控制粒形的关键区域，即OSR，而C-端则能抑制OSR的功能，因此籽粒的大小最终由两端的相互作用而决定。除了籽粒大小外，灌浆的快慢好坏也是决定籽粒重量的关键因素。在穗部性状中具体控制与产量密切相关的千粒重基因，也实现了基因定位克隆。qGL3.1为一个新的大粒基因，其编码了一个具有Kelch重复域的蛋白磷酸酶OsPPKL1，能够负调控子籽粒长度，该基因突变后可以通过影响粒长、粒重和籽粒充实度来提高水稻产量[18-19]。而GW8则是从巴基斯坦优质水稻Basmati品种中克隆的，该基因与水稻的OsSPL16为同义基因，其高表达能够促进细胞的分裂，从而正调控籽粒的宽度，因此该基因的缺失突变能够导致籽粒细长并且品质好[20]。
2.4 水稻理想新株型基因IPA1 IPA1[21]编码一个类SBP类似蛋白OsSPL14，该蛋白受miRNA中的OsmiR156的调控。在植物中，小分子RNA通常在植物体内通过转录剪切来调控目标基因的表达。在IPA1的突变体中，OsmiR156的过量表达将导致OsSPL14的转录大幅下降，而阻断OsmiR156的表达会导致的OsSPL14转录有显著的增加。事实上，IPA1的RNAi干涉植物表现出了多分蘖，并且减少或降低了株高、茎秆粗细、分蘖数、穗枝梗数及穗粒数。研究还表明由于OsSPL14的一个点突变扰乱了OsmiR156对OsSPL14的调控，因此使得水稻分蘖减少、穗粒数和千粒重增加，同时茎秆变得粗壮，抗倒伏能力增强，进而提高产量。将突变后的基因导入常规水稻品种，可以使其产量增加10%以上。
2.5 水稻直立穗调控基因DEP1 Huang等利用中国东北超级稻品种沈农265分离出了一个控制水稻产量的关键基因DEP1[22]，该基因编码一个类似PEBP结构域的蛋白家族成员，该蛋白的疏水端突變能促进细胞分裂，降低穗颈节长度并使稻穗变密、枝梗数增加、每穗籽粒数增多，从而促进水稻增产15%～20%。通过200多个栽培品种的检测，发现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，这表明DEP1基因已在我国水稻增产中发挥了重要作用。
2.6 水稻抽穗基因Ghd7和Ghd8 Xue等在珍汕97和明恢63的重组自交系中发现了一个能同时控制水稻株高、抽穗期和每穗粒数的基因Ghd7[23]，该基因编码一个CCT（CO，CO-LIKE and TIMING OF CAB1）结构蛋白，其表达和功能受光周期调控。在长日照条件下，Ghd7的表达增强，从而推迟抽穗、增加株高和每穗粒数。而当该基因功能的丧失或突变，则可以种植到温带甚至更冷的地区。进一步的研究表明该基因确实与水稻品种的地理适应性密切相关，热带亚热带地区的高产品种、杂交稻、野生稻中都含有Ghd7的等位基因，因此，该基因对水稻增产和生态适应性发挥了重要的作用。而Ghd8[24]则编码一个CCAAT盒结合蛋白亚基的OsHAP3基因，该基因同样能够影响水稻籽粒的产量、抽穗期和株高。在长日照条件下，Ghd8能够通过调节Ehd1、RFT1和Hd3a基因的表达而延迟水稻开花，同时能够上调水稻分蘖和侧枝发生基因MOC1的表达，从而增加了水稻的分蘖、一级和二级枝梗的数目，最终能使单株产量增加50%。
2 水稻产量基因的分子辅助育种
近年来，随着经济发展和生活水平的提高，在耕地逐年减少的大背景下，人们对大米产量和品质的要求越来越高。传统的育种方法曾经为保障我国粮食安全发挥了巨大的作用，未来也将继续保持下去。在杂交选育过程中，育种家通常是通过后代材料的表型来进行选择的，但表型是由基因和环境共同作用的结果，而且还有许多肉眼无法识别的重要性状，同时它还存在着育种年限长、遗传变异有限、引入某一优良性状的同时可能会伴随一些不良性状等局限性。而生物技术作为一门新兴的高新技术，为传统的育种注入了新的活力，分子标记辅助育种也就应运而生。所谓分子标记就是基于不同个体基因组DNA 存在的差异而发展出的可以直接反映生物个体间DNA 水平上差异的新型标记方法，通过它的选择是基于DNA水平上的，不受环境的影响。 事實上，已报道的直接影响产量的基因并不多，而且这些基因被克隆的时间也并不长，因此水稻产量基因的分子辅助育种才处于起步阶段，但是未来的前景十分可观。目前，生产上籼稻品种的矮源基本上都是sd1，而直立穗粳稻则以DEP1为主。GN1能够直接影响穗部的发育，在地利贫瘠或恶劣环境，依然能够通过分子标记筛选出纯合的GN1植株。而DEP1和IPA1在杂合状态下更具有优势，因此若通过肉眼选择，将难于得到优良的纯合植株。一般的粳稻品种都带有完整的GS3蛋白，表现为中等粒型，而长粒型籼稻品种的GS3蛋白无功能，通过对该基因的导入和替换，能有效地改变水稻品种的粒型。同样，GW2，qSW5通过分子标记也能够快速的筛选到纯合的个体。Ghd7和Ghd8受环境影响和背景的影响较大，人为选择有一定的风险。下一步将是对这些基因与品质基因进行分子聚合，以达到高产优质的目标，当然有些基因聚合到一起不但不会提高产量和品质，也许还会有负作用，但必须一一去探索和挖掘。特别是叶片破碎后的上清液就可以直接进行PCR筛选，无疑将大大加快聚合速度和提高准确率[25]。
4 展望
到目前为止，人们已经在水稻产量性状、品质性状、耐胁迫性状、生殖生物学等多个方向展开了研究，并且取得了一系列重要科研成果。在接下来的数年内，该领域的研究必将伴随着水稻基因组学的不断深化而得到前所未有的发展，不仅原有研究成果和方向可得到进一步发展，而且还将进入水稻质体性状、组织和细胞结构性状等新领域。从传统的育种到现在的分子育种，由最初的肉眼选择优良性状到现在的分子辅助选择，大大缩短了育种的年限。转基因技术和分子标记辅助选择技术与常规育种方法的结合，使得基因设计育种进入到实践阶段，并将取得辉煌的研究成果。
参考文献
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[25]孫川，陈刚，饶玉春，等.水稻基因组DNA简易制备方法.中国水稻科学，2010，24（6）：677-680.
（责编：张长青）
关键词：水稻；产量；基因设计育种；分子辅助育种
中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）08-42-04
随着我国经济的快速发展，在人口数量增加和城市化进程加快的背景下，我国总耕地和人均耕地面积进一步下降，因此如何提高水稻的产量，维持水稻生产的稳定性、安全性，促进粮食生产的持续发展将长期摆在我们面前。水稻基因设计育种就是在水稻全基因组测序的基础上，对功能已知的主要农艺性状基因进行有利基因的剪切、聚合，从而培育出在产量、品质、抗性等多方面有所提高的水稻新品种。20世纪60年代的“绿色革命”就是通过水稻品种的矮化育种从而使产量提高了20%～30%，而70年代籼型杂交水稻三系的成功配套又使水稻产量在矮化的基础上增长了20%左右。从遗传学的角度说，这两个水稻产量突破的里程碑，都可归结为矮秆基因和野败胞质不育基因的挖掘与利用。
1 水稻基因组测序及其研究
人类对水稻的遗传研究最早是从形态学的角度来研究的，其实质就是基因和形态之间的连锁遗传。孟德尔两大经典遗传定律得出的主要就是从形态学的角度来研究的，随着科学的不断深入，基因的概念不断完善，人们慢慢的从最初肉眼可见的形态学性状发展到肉眼不可见的形态学、生理学、发育生物学等性状或生物学事件。而现在通常认为基因组包含了生物进化、遗传和生命的信息，是细胞遗传物质的总和。一个生物体的基因组也就是该生物的DNA（部分病毒是RNA）的全部遗传信息。随着生物技术的快速发展，2002-2006年完成了水稻全基因组精细物理图谱绘制，为水稻功能基因组研究打开了便利的大门。而新一代的测序技术的高通量、高精度、低成本又必将对水稻遗传和发育的研究方法和技术产生深远而巨大的影响。
DNA测序技术是分子生物学研究中最常用的技术，它的出现极大地推动了分子生物学的发展。自1949年Sanger[1]就通过手工测序技术了测定胰岛素两条肽链氨基末端序列至今，可将测序技术大致化分为三代。1977年Sanger[2]发明了具有里程碑意义双脱氧链终止法，同年Maxam和Gilbert[3]发明了化学降解法测定DNA序列。由于Sanger测序法简便快速高效，再结合20世纪90年代初出现的荧光自动检测技术，很快成为DNA测序的主流。这些以双脱氧链终止法以及在它们的基础上发展的各种DNA测序技术统称为第一代DNA测序技术。第二代测序技术的核心思想是边合成边测序，即通过捕捉新合成末端的标记来确定DNA的序列，该代技术主要包括Roche 454公司的GS FLX、Illumina公司的Solexa Genome Analyzer和AB I公司的SOLID测序平台[4]。尽管其对全新的基因组进行测序时还需要结合第一代测序技术，并且产生的测序结果比第一代测序技术的长度要短得多，但第二代测序技术能够获得海量的数据，并且价格低廉。最近，以单分子测序为特点的第三代DNA测序技术已经出现，如Helicos公司的Heliscope单分子测序仪[5]、Pacific Biosciences公司的SMRT技术和Oxford Nanopore Technologies公司正在研究的纳米孔单分子技术都获得了极大的发展，特别纳米孔单分子技术则更是在原理上做出本质变革，直接使用外切酶切割单链DNA的末端，然后对切下的单碱基进行检测，这样既提高读取长度又减少了后序拼接的工作量，可对未知基因组进行重新测序。
1997年，在新加坡举行的植物分子生物学会议上发起国际水稻基因组测序计划（IRGSP），并于1998年正式启动，水稻基因组共有12条染色体，其中第1染色体最长，第10染色体最短。其中中国大陆分担了第4染色体的测定工作。該计划以粳稻品种日本晴为测序材料，利用逐步克隆法进行全基因组的测序。到2002年底，国际水稻基因组测序计划圆满完成，共测定碱基对3.66亿个，精确度达到99.99%，并预测遗传基因62 435个。而在籼亚种基因组的测序工作上，中国科学院基因组信息中心暨北京华大基因研究中心等多家单位，于1998-2001年利用全基因组霰弹法构建了籼稻品种9311基因组工作的框架图，该图基本覆盖了水稻的整个基因组92%以上的水稻基因，这是人类对水稻籼粳两个亚种同时在全基因组层次上最直观的了解。在单子叶植物中，水稻的基因组较小，约389Mb[6]，且与其它单子叶植物的基因组具有基因位置的同线性[7]，随着水稻高密度遗传图谱和物理图谱的相继构建[8]，尤其是全基因组测序结果的公布[9，10]，水稻已经被认为是单子叶植物的遗传、发育和基因组研究的模式植物。
但是完成基因组测序仅仅是基因组计划的第一步，后面还有很多工作并未完成，首先要分析基因组顺序中所包含的全部遗传信息，其次整个基因组如何对各个基因进行网络调控，以及各个基因如何行使功能，还有太多的未知区域等待探索。止前，已报道的功能基因只有不到20%，而克隆的基因更少之又少。近年来，随着生物技术的快速发展，越来越多的水稻基因被克隆，对基因功能研究的新方法的也越来越多，如基因转导技术、基因敲除技术、转座子和T-DNA标签技术及突变体库筛选和全基因组表达分析等。
2 水稻产量基因的挖掘与应用
随着科学技术的快速发展，特别是水稻籼粳物理框架图的测序完成，使水稻的基因定位和克隆工作取得了巨大的进步。目前，已经有多个与产量相关的农艺性状基因被克隆。
2.1 水稻矮化基因SD1 20世纪60年代的水稻“绿色革命”就利用了SD1的突变基因，使株高大大降低。Sasaki等[11]发现水稻的SD1基因编码与赤霉素合成有关的GA20氧化酶（GA20ox），该酶是GA合成途径中的一个关键酶，它催化GA53→GA44→GA19→GA20三步反应。水稻基因组至少携带2个GA20ox基因（GA20ox-1和GA20ox-2），其中GA20ox-2在叶片、茎和未展开的叶片中活跃表达，而GA20ox-1优先在未开的花中表达。尽管植物花器的形成与育性均与有生物活性的GA相关，但sd1突变体开花结实均正常，这就揭示了为什么sd1产生较短的叶和较矮的株高，而产量却不受影响的原因。通过含sd1的突变体结合常规育种，使水稻产量提高了20%～30%。 2.2 水稻每穗粒数基因GN1 Ashikari等利用籼粳交Habataki/Koshihikari，在第1染色体短臂上定位到一个控制粒数的数量性状基因Gn1[12]，并通过图位克隆法最终克隆了该基因。序列分析表明该基因编码一个分裂素氧化酶/脱氢酶高度同源的OsCKX2基因，该基因在叶、茎、花序分生组织和花中表达强烈，而在茎尖分生组织表达相对较弱，在根与胚中不表达。OsCKX2基因编码的这种酶能够降解细胞分裂素，该基因表达量的降低，将导致细胞分裂素在花序分生组织中累积，从而增加颖花的数目，也即增加了穗粒数，从而最终提高了水稻的产量。
2.3 水稻粒型调控基因GW2、GS3、GW5/qSW5、GW8和qGL3.1 GW2[13]编码一个新的E3泛素连接酶，参与降解促进细胞分裂的蛋白，其功能的缺失或降低将不能将泛素转移到靶蛋白上，因而使得本应降解的底物不能被特异识别或识别能力下降，从而加快细胞分裂，进而激活颖花外壳细胞的分裂，从而增加颖花外壳的宽度，同时也提高了灌浆速率，增加了粒重和产量。将GW2基因导入正常品种中，培育而成的新株系与对照相比，尽管减少每穗粒数，但由于粒重的增加，依然能够显著的增加单株产量。而qSW5[14]（GW5[15]）的功能与GW2类似，其功能的缺失也不能将泛素转移到靶蛋白上，因而负调节细胞的分裂，进而增加水稻小花外颖细胞数目，从而最终增加谷壳的宽度、粒重以及产量。而GS3[16，17]也对粒重起负调节重用，该基因包含5个外显子，编码由4个结构域组成的跨膜蛋白，其中的一个就是植物特有的调节器官大小的结构域OSR。研究表明没有GS3蛋白的品种的为长粒型，粒长约10mm，含有完整GS3蛋白的水稻品种为中间型，粒长约8mm，而只有含有OSR的水稻品种为短粒型，粒长约6mm。研究还发现该蛋白的N-端是控制粒形的关键区域，即OSR，而C-端则能抑制OSR的功能，因此籽粒的大小最终由两端的相互作用而决定。除了籽粒大小外，灌浆的快慢好坏也是决定籽粒重量的关键因素。在穗部性状中具体控制与产量密切相关的千粒重基因，也实现了基因定位克隆。qGL3.1为一个新的大粒基因，其编码了一个具有Kelch重复域的蛋白磷酸酶OsPPKL1，能够负调控子籽粒长度，该基因突变后可以通过影响粒长、粒重和籽粒充实度来提高水稻产量[18-19]。而GW8则是从巴基斯坦优质水稻Basmati品种中克隆的，该基因与水稻的OsSPL16为同义基因，其高表达能够促进细胞的分裂，从而正调控籽粒的宽度，因此该基因的缺失突变能够导致籽粒细长并且品质好[20]。
2.4 水稻理想新株型基因IPA1 IPA1[21]编码一个类SBP类似蛋白OsSPL14，该蛋白受miRNA中的OsmiR156的调控。在植物中，小分子RNA通常在植物体内通过转录剪切来调控目标基因的表达。在IPA1的突变体中，OsmiR156的过量表达将导致OsSPL14的转录大幅下降，而阻断OsmiR156的表达会导致的OsSPL14转录有显著的增加。事实上，IPA1的RNAi干涉植物表现出了多分蘖，并且减少或降低了株高、茎秆粗细、分蘖数、穗枝梗数及穗粒数。研究还表明由于OsSPL14的一个点突变扰乱了OsmiR156对OsSPL14的调控，因此使得水稻分蘖减少、穗粒数和千粒重增加，同时茎秆变得粗壮，抗倒伏能力增强，进而提高产量。将突变后的基因导入常规水稻品种，可以使其产量增加10%以上。
2.5 水稻直立穗调控基因DEP1 Huang等利用中国东北超级稻品种沈农265分离出了一个控制水稻产量的关键基因DEP1[22]，该基因编码一个类似PEBP结构域的蛋白家族成员，该蛋白的疏水端突變能促进细胞分裂，降低穗颈节长度并使稻穗变密、枝梗数增加、每穗籽粒数增多，从而促进水稻增产15%～20%。通过200多个栽培品种的检测，发现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，这表明DEP1基因已在我国水稻增产中发挥了重要作用。
2.6 水稻抽穗基因Ghd7和Ghd8 Xue等在珍汕97和明恢63的重组自交系中发现了一个能同时控制水稻株高、抽穗期和每穗粒数的基因Ghd7[23]，该基因编码一个CCT（CO，CO-LIKE and TIMING OF CAB1）结构蛋白，其表达和功能受光周期调控。在长日照条件下，Ghd7的表达增强，从而推迟抽穗、增加株高和每穗粒数。而当该基因功能的丧失或突变，则可以种植到温带甚至更冷的地区。进一步的研究表明该基因确实与水稻品种的地理适应性密切相关，热带亚热带地区的高产品种、杂交稻、野生稻中都含有Ghd7的等位基因，因此，该基因对水稻增产和生态适应性发挥了重要的作用。而Ghd8[24]则编码一个CCAAT盒结合蛋白亚基的OsHAP3基因，该基因同样能够影响水稻籽粒的产量、抽穗期和株高。在长日照条件下，Ghd8能够通过调节Ehd1、RFT1和Hd3a基因的表达而延迟水稻开花，同时能够上调水稻分蘖和侧枝发生基因MOC1的表达，从而增加了水稻的分蘖、一级和二级枝梗的数目，最终能使单株产量增加50%。
2 水稻产量基因的分子辅助育种
近年来，随着经济发展和生活水平的提高，在耕地逐年减少的大背景下，人们对大米产量和品质的要求越来越高。传统的育种方法曾经为保障我国粮食安全发挥了巨大的作用，未来也将继续保持下去。在杂交选育过程中，育种家通常是通过后代材料的表型来进行选择的，但表型是由基因和环境共同作用的结果，而且还有许多肉眼无法识别的重要性状，同时它还存在着育种年限长、遗传变异有限、引入某一优良性状的同时可能会伴随一些不良性状等局限性。而生物技术作为一门新兴的高新技术，为传统的育种注入了新的活力，分子标记辅助育种也就应运而生。所谓分子标记就是基于不同个体基因组DNA 存在的差异而发展出的可以直接反映生物个体间DNA 水平上差异的新型标记方法，通过它的选择是基于DNA水平上的，不受环境的影响。 事實上，已报道的直接影响产量的基因并不多，而且这些基因被克隆的时间也并不长，因此水稻产量基因的分子辅助育种才处于起步阶段，但是未来的前景十分可观。目前，生产上籼稻品种的矮源基本上都是sd1，而直立穗粳稻则以DEP1为主。GN1能够直接影响穗部的发育，在地利贫瘠或恶劣环境，依然能够通过分子标记筛选出纯合的GN1植株。而DEP1和IPA1在杂合状态下更具有优势，因此若通过肉眼选择，将难于得到优良的纯合植株。一般的粳稻品种都带有完整的GS3蛋白，表现为中等粒型，而长粒型籼稻品种的GS3蛋白无功能，通过对该基因的导入和替换，能有效地改变水稻品种的粒型。同样，GW2，qSW5通过分子标记也能够快速的筛选到纯合的个体。Ghd7和Ghd8受环境影响和背景的影响较大，人为选择有一定的风险。下一步将是对这些基因与品质基因进行分子聚合，以达到高产优质的目标，当然有些基因聚合到一起不但不会提高产量和品质，也许还会有负作用，但必须一一去探索和挖掘。特别是叶片破碎后的上清液就可以直接进行PCR筛选，无疑将大大加快聚合速度和提高准确率[25]。
4 展望
到目前为止，人们已经在水稻产量性状、品质性状、耐胁迫性状、生殖生物学等多个方向展开了研究，并且取得了一系列重要科研成果。在接下来的数年内，该领域的研究必将伴随着水稻基因组学的不断深化而得到前所未有的发展，不仅原有研究成果和方向可得到进一步发展，而且还将进入水稻质体性状、组织和细胞结构性状等新领域。从传统的育种到现在的分子育种，由最初的肉眼选择优良性状到现在的分子辅助选择，大大缩短了育种的年限。转基因技术和分子标记辅助选择技术与常规育种方法的结合，使得基因设计育种进入到实践阶段，并将取得辉煌的研究成果。
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（责编：张长青）