【文章內(nèi)容簡介】 稻矮生性遺傳的最早報道。自上世紀六十年代以來,伴隨著水稻矮化育種的發(fā)展,新發(fā)現(xiàn)的水稻矮稈基因不斷增加。盧永根等（1979）和顧銘洪等（1988）對我國秈稻品種的矮生性遺傳作了系統(tǒng)性研究，發(fā)現(xiàn)我國秈稻中存在的矮稈基因有四個：sdsdg、sdn(t)和sdt(t)。目前我國生產(chǎn)上秈稻利用的矮源主要來自矮腳南特、矮仔占、低腳烏尖、花龍水田谷和矮種水田谷,它們均受1對隱性基因sd1控制。Monna等（2002）利用圖位克隆分離出sd1基因，發(fā)現(xiàn)它編碼赤霉素合成途徑的一個關(guān)鍵酶：赤霉素20氧化酶。梁國華等（2004）利用新桂矮雙矮和02428雜交產(chǎn)生的F2代分離群體，將sdg精細定為于第5染色體約85kb的區(qū)域內(nèi)。李欣等（2001，2002）通過遺傳分析發(fā)現(xiàn)sdt（t）和sdn（t）分別位于第5染色體。江光懷（2002）利用矮泰引2號和無葉舌標記基因系B30為材料,將sdt(t)基因定位在水稻第4染色體約147kb的范圍內(nèi)。 水稻矮化機制的研究進展 水稻矮化與植物內(nèi)源激素的關(guān)系矮稈基因能直接導致水稻植株形態(tài)學變化，如細胞長度變短和細胞數(shù)目減少，從而引起植株節(jié)間變短和植株變矮。目前克隆的水稻矮稈基因大多涉及到激素代謝和信號傳導，表明植物內(nèi)源激素對水稻株高具有重要的調(diào)節(jié)作用。植物激素都是簡單的小分子有機化合物，但它們的生理效應卻非常復雜，可以影響植物細胞的分裂、伸長以及分化，從而影響植物株高以及其它生理過程。隨著氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GCMS)和同位素示蹤技術(shù)的應用, 對植物內(nèi)源激素的種類、結(jié)構(gòu)、合成途徑和信號傳導等獲得了較深入的了解。近年來植物分子遺傳學的發(fā)展,使植物激素對植物生理影響的研究逐步深入到分子水平。根據(jù)植物矮化突變體對外源激素的反應,可將其分為缺陷型和不敏感型兩類。缺陷型矮化突變體的活性激素生物合成途徑被抑制或阻斷，使得植物內(nèi)源活性激素缺乏或痕量存在，體外施用相應的活性激素后可使突變體的矮化表型得以恢復；激素不敏感型矮化突變體的內(nèi)源活性激素水平變化不大，甚至比野生型的還高,這類突變體在體外施用相應的活性激素后不能恢復野生型表型，這可能是在激素信號傳導過程中出現(xiàn)障礙。目前有關(guān)植物激素對株高影響研究最多的是赤霉素（GA）和油菜素內(nèi)酯（BR）這兩大類激素，對它們合成代謝的研究已經(jīng)較為成熟，而信號傳導的研究還并不完善。 水稻矮稈基因的克隆及功能研究迄今為止已獲得了超過70個水稻矮化突變體，并且許多矮化基因已被定位或克隆。在這些已被克隆的基因中，大多涉及到赤霉素或油菜素內(nèi)酯的代謝或信號傳導，表明這兩類植物內(nèi)源激素在水稻株高調(diào)控中起主導作用。赤霉素是廣泛存在的一大類植物激素的總稱，其化學結(jié)構(gòu)都屬于二萜類酸，由四環(huán)骨架衍生而來。它能調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的許多過程，例如種子萌發(fā)、節(jié)間伸長、葉片伸展、開花以及果實發(fā)育等(Olszewski等, 2002)。上個世紀60年代在水稻和小麥中進行的利用與赤霉素相關(guān)半矮稈突變體進行的矮化育種大幅提高了糧食產(chǎn)量，被稱為“綠色革命”(Peng等, 1999)。在“綠色革命”中廣泛應用的水稻半矮稈基因sd1就是GA20氧化酶（GA20ox2）編碼基因。在sd1突變體中，赤霉素合成的前體物質(zhì)GA53顯著增加，而有活性的GA20和GA1減少 (Monna等, 2002。 Sasaki等, 2002。 Spielmeyer等, 2002)。水稻基因組中存在兩個GA20ox基因：GA20ox1和GA20ox2。GA20ox2對應于sd1位點，它在葉片、節(jié)間和已開放的花中表達強烈，而GA20ox1主要在未開放的花中表達。研究表明GA20ox1與sd1的表型無關(guān)，但它在未開放的花中表達，因此在GA20ox2突變的情況下可以維持赤霉素在花中的濃度，使水稻的育性不受影響。eui(elongated uppermost internode)突變體在水稻雜交制種過程中得到廣泛利用，它能使不育系的第一節(jié)間伸長從而使穗部從劍葉葉鞘中伸出，從而接受恢復系的花粉。EUI編碼一種細胞色素P450，主要在節(jié)間分裂旺盛的區(qū)域表達，它能使有活性的GA4通過16a，17脫羥基反應而失活。EUI突變后有活性的GA4和GA1水平升高，使最上節(jié)間細胞分裂旺盛從而伸長(Zhu等, 2006)。上世紀50年代日本育種人員利用半矮稈品種TanGinbozu育成的水稻新品種大幅提高了產(chǎn)量。TanGinbozu含有d35基因，并且研究認為d35可能參與赤霉素合成的前期階段。Itoh等（2004）克隆了D35基因，發(fā)現(xiàn)它編碼貝克衫烯氧化酶（entkaurene oxidase，KO），并且與擬南芥和南瓜的貝克杉烯氧化酶高度同源。Sakamoto等（2004）利用其它物種中已知的赤霉素合成酶基因，從水稻基因組數(shù)據(jù)庫中分離了水稻赤霉素合成途徑中的29個候選同源基因。通過比較發(fā)現(xiàn)與擬南芥中單個的赤霉素合成酶基因不同，水稻中的柯巴基焦磷酸合成酶（entcopalyl diphosphate synthase，CPS）基因，貝殼杉烯合成酶（entkaurene synthase，KS）基因以及貝殼杉烯氧化酶（entkaurene oxidase，KO）基因分別存在多個同源基因，并且這些同源基因都分布在連續(xù)的某個區(qū)域。作者還鑒定了18個赤霉素合成缺陷型突變體并發(fā)現(xiàn)分別屬于6個不同的等位基因。通過研究發(fā)現(xiàn)赤霉素合成途徑前期所需的催化酶如CPS、KS、KO以及KAO是由單基因編碼的，而后期所需酶類如GA20ox、GA3ox和GA2ox是由多基因編碼的。剩余的CPS、KS以及KO類似蛋白則可能與赤霉素合成無關(guān)，可能涉及到抗逆相關(guān)的二萜類植物抗毒素的合成。水稻中最早發(fā)現(xiàn)的赤霉素不敏感突變體是dwarf1，表現(xiàn)矮化、葉寬且深綠、花序緊湊和小粒等表型。圖位克隆后發(fā)現(xiàn)DWARF1編碼GTP結(jié)合蛋白a亞基(Ashikari等, 1999)。由于dwarf1表現(xiàn)對赤霉素不敏感，推測GTP結(jié)合蛋白可能在赤霉素信號傳導過程中起作用(UeguchiTanaka等, 2000)。擬南芥中的GAI(Gibberllininsensitive)是赤霉素響應的負調(diào)控因子，突變后使擬南芥矮化(Peng等, 1997)。小麥和玉米中的GAI同源基因分別是Rht和D8，在上世紀60年代進行的矮化育種中對提高產(chǎn)量起了重要作用，與sd1同時被稱為“綠色革命基因”(Peng等, 1999)。水稻中的GAI同源基因是SLR1，slr1(slender rice1)突變體植株苗期細長,并且對赤霉素反應不敏感。SLR1編碼DELLA結(jié)構(gòu)域蛋白，DELLA結(jié)構(gòu)域在赤霉素信號轉(zhuǎn)導中對赤霉素的響應非常重要(Ikeda等, 2001)。對不敏感突變體gid2(gibberellin insensitive dwarf2)的分析表明GID2編碼一個SCF E3泛素連接酶復合體中的Fbox亞基。GID2是赤霉素響應的正調(diào)控因子，它能在赤霉素存在的情況下結(jié)合SLR1，從而引導其通過SCFGID2蛋白酶體途徑降解(Gomi等, 2004)。對另外一個赤霉素不敏感突變體gid1(gibberellin insensitive dwarf1)分析發(fā)現(xiàn)，GID1能夠結(jié)合有生物活性的赤霉素，并且這種結(jié)合能夠促進GID1和SLR1的結(jié)合，從而激活SCFGID2蛋白酶體途徑降解SLR1。這些結(jié)果表明GID1可能是赤霉素受體(UeguchiTanaka等, 2005。 Hartweck等, 2006)。除此之外，赤霉素信號傳導途徑的其它組分和DELLA蛋白的其它功能還未知。油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroid, BR）是植物中最早發(fā)現(xiàn)的一類甾醇類植物內(nèi)源生長促進激素，20世紀70年代從油菜的花粉中首次分離到(Mitchell等, 1970)。BR在植物組織中含量很低，但對生長發(fā)育起重要作用?，F(xiàn)已證明BR在植物的種子休眠與萌發(fā)、器官分化、維管組織發(fā)育、開花和衰老以及向性建成等過程中起重要調(diào)控作用(Yamamoto等, 1997。 Bishop等, 2001。 Yamamoto等, 2001)。brd1(brassinosterioddeficient dwarf1)是水稻中發(fā)現(xiàn)的第一個BR缺陷型突變體，它最顯著的特征是節(jié)間伸長嚴重受阻、葉鞘縮短、葉片短而卷曲、分蘗減少以及不育。施加外源BR后能恢復表型，因此推斷brd1突變體中BR合成受阻。BRD1編碼一個BR C6氧化酶（OsBR6ox），突變后導致有生物活性的BR如油菜素甾酮（Castasterone）、香蒲甾醇（Typhasterol）以及茶甾酮（Teasterone）減少，從而導致矮化等表型(Hong等, 2002)。d2(dwarf2)是發(fā)現(xiàn)的另外一種BR缺陷型突變體，株高為野生型的7080%，第二節(jié)間縮短，葉傾角變小。施加外源BR后突變表型得到恢復。D2編碼細胞色素P450家族的一個新成員CYP90D2，催化從6脫氧茶甾酮（6deoxoteasterone）到3脫氫6脫氧茶甾酮（3dehydro6deoxoteasterone）和茶甾酮（teasterone）到3脫氫茶甾酮（3dehydroteasterone）的反應，在BR合成途徑的后期起作用(Hong等, 2003)。d11(dwarf11)表現(xiàn)出矮化和種子變短突變表型，施加外源BR能恢復野生型表型，證明D11在BR合成途徑中起作用。D11編碼一個新的細胞色素P450（CYP724B1），推測可能在6脫氧香蒲甾醇(6deoxoTyphasterol)和香蒲甾醇(Typhasterol)合成中起作用(Tanabe等, 2005)。brd2(BRdeficient dwarf2)突變體在營養(yǎng)生長前期并未表現(xiàn)出明顯表型，而在生長后期表現(xiàn)出明顯BR缺陷表型，抽穗后株高僅相當于野生型的40%。BRD2編碼擬南芥的同源蛋白DIM/DWF1，催化從24亞甲基膽固醇（24methylenecholesterol）到油菜甾醇（campesterol）這一過程(Hong等, 2005)。OsDWARF4與D11存在功能冗余，共同作用于C22羥基化反應。Tos17插入突變體osdwarf4僅表現(xiàn)出葉傾角變小和葉片上舉表型，而葉片、花以及粒型都正常，在BR合成方面僅有輕微影響。Tanaka等（2006）發(fā)現(xiàn)在密植但不施加更多肥料的情況下，osdwarf4能提高產(chǎn)量(Sakamoto等, 2006)。Sakamoto等（2006）利用同源克隆的方法發(fā)現(xiàn)水稻中存在兩個擬南芥CYP90A1/CPD的同源基因：CYP90A3/OsCPD1和CYP90A4/OsCPD2，它們催化BR合成中的C23a羥基化反應。Tos17插入突變體oscpd11并未表現(xiàn)出BR缺陷型表型，作者推測它們之間存在功能冗余。BR信號傳導相關(guān)突變體同樣表現(xiàn)出BR缺陷型類似的表型，但施加外源BR不能使表型恢復。水稻中發(fā)現(xiàn)的第一個BR不敏感型突變體是d61,它對BR的反應沒有野生型敏感。圖位克隆后發(fā)現(xiàn)D61與擬南芥BRI1同源，編碼BR受體激酶OsBRI1(Brassinosteriod insensitive1)(Yamamuro等, 2000)。Bai等（2007）依據(jù)序列比對發(fā)現(xiàn)擬南芥BZR1(Brassinazole resistant1)在水稻中含有4個同源蛋白，其中OsBZR1與BZR1同源性最高。OsBZR1的RNAi植株表現(xiàn)出矮化、直立葉、BR敏感性降低和BR響應基因表達等表型，表明OsBZR1在水稻BR信號傳導中起重要作用。酵母雙雜交結(jié)果表明1433蛋白與OsBZR1互作。OsBZR1蛋白序列中與1433蛋白互作的位點突變后，導致OsBZR1體內(nèi)或體外都無法與1433蛋白互作，并且這種突變后的OsBZR1在擬南芥中表達后能抑制bri15的突變表型，表明1433蛋白與OsBZR1互作能阻止OsBZR1進入核內(nèi)，從而抑制OsBZR1的功能(Bai等, 2007)。Tanaka等（2009）發(fā)現(xiàn)過表達BU1(BRASSINOSTEROID UPREGULATED1)基因能使水稻葉傾角變大、籽粒變大和增加對BR抑制劑油菜素唑（Brassinazole，Brz）的抗性。BU1的干擾植株則表現(xiàn)出葉傾角變小。在BU1過表達植株中有活性的油菜素甾酮及前體物質(zhì)并沒有增加，表明BU1是作為BR信號通路的正調(diào)控因子起作用的。Tong等（2009）發(fā)現(xiàn)一個矮化少蘗突變體dlt(dwarf and low tillering)，DLT編碼一個植物特有的GRAS家族蛋白，并且OsBZR1蛋白能結(jié)合到DLT的啟動子，這與DLT對BR處理的負反饋調(diào)控機制相一致。張等（2009）在水稻TDNA插入突變體中發(fā)現(xiàn)一個葉傾角增大突變體ili1D(increased lamina joint inclination)，該表型與過量施加BR后的表型類似。突變表型是由于TDNA插入位點附近的一個HLH蛋白編碼基因過表達造成的。ILI1能夠與一個堿性螺旋轉(zhuǎn)角螺旋蛋白IBH1互作，過表達IBH1能導致水稻葉傾角增大,而過表達ILI1能抑制過表達IBH1引起的矮化。因此，ILI1能夠通過與IBH1形成異源二聚體從而抑制IBH1的功能。 水稻顯性矮稈突變體的研究進展雜種優(yōu)勢的利用是增加水稻生物學產(chǎn)量的有效途徑之一,特別是秈粳亞種間雜種優(yōu)勢的利用可以大幅度提高產(chǎn)量(袁隆平, 2008)。然而F1代株高超親成為亞種間雜種優(yōu)勢利用的一個瓶頸。在雜交水稻育種過程中，為了防止F1株高過高，兩個親本必須同時含有同一個隱性矮稈基因，從而排除了在數(shù)量更大、遺傳基礎(chǔ)更為多樣的中、高稈水稻品種里尋找雜交稻親本的可能性。而顯性矮稈基因的利用可以解決這個問題,同時在一定程度上也彌補了隱性矮稈基因單一化帶來的品種遺傳背景狹窄的問題。目前發(fā)現(xiàn)的矮稈性狀多為隱性基因控制，而由顯性基因控制的矮稈或半矮稈性狀僅有少量報道（表11）。Iwata等（1977）通過γ射線誘變農(nóng)林8號得到的D53是最早報道的顯性半矮稈突變體。Wei等（2006）將D53基因定位于第11染色體短臂末端。顯性半矮稈突變體Y98149是從離子束誘變品種后代中得到的，與野生型相比僅存在株高差異，其它農(nóng)藝性狀基本一致(劉斌美等, 2004)。(程燦等,