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水稻转基因育种的研究进展与应用现状刘志宏1 田 媛2 陈红娜1 周志豪1 郑 洁2 杨晓怀1（1深圳市农业科技促进中心，广东深圳518000；2暨南大学食品科学与工程系，广东广州510632）摘要：随着生物技术发展的不断深入，我国水稻种业的发展也面临着全新的机遇和挑战。
目前，改善水稻品种质量的主要方法有分子标记技术、基因编辑技术和转基因技术。
其中，转基因水稻是利用生物技术手段将外源基因转入到目标水稻的基因组中，通过外源基因的表达，获得具有抗病、抗虫、抗除草剂等优良性状的水稻品种。
近年来，国内外在采用转基因技术进行水稻育种，提升水稻产量、改善水稻品质方面具有较多的研究进展。
在阐述转基因技术工作原理的基础上，概述国内外利用转基因技术在优质水稻育种方面的研究进展，进一步探究转基因技术在我国水稻育种领域的发展前景。
关键词：转基因育种；水稻；病虫害；除草剂Research Progress and Application Status of Rice Transgenic Breeding LIU Zhihong1，TIAN Yuan2，CHEN Hongna1，ZHOU Zhihao1，ZHENG Jie2，YANG Xiaohuai1（1Shenzhen Agricultural Technology Promotion Center，Shenzhen 518000，Guangdong；2Department of Food Science and Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632）水稻（Oryza sativa L.）作为世界上重要的粮食作物之一，为世界超过1/3的人口提供了主粮，全球种植面积约1.4亿hm2[1]。
“十二五”以来，我国水稻产量连续稳定在2亿t以上[2]。
水稻作为我国的主要粮食作物，在我国粮食生产领域占据着十分重要的地位，水稻品种改良仍是保障种业持续发展和国家粮食安全的重点。
水稻基因组和遗传育种的研究进展水稻，作为世界上最为重要的粮食作物之一，一直以来都受到人们的重视。
为了提高水稻的产量和质量，科学家们不断探索水稻的基因组和遗传育种，取得了许多研究进展。
第一部分：水稻基因组的研究进展1.1高质量水稻基因组测序和注释2002年，国际水稻基因组组织(IRGSP)启动了水稻基因组测序工作，历时十年，于2012年公布了高质量水稻基因组序列。
该项目不仅提供了水稻基因组的底图，也为全球的水稻研究工作提供了重要的资源。
除了基因组测序，对基因组的注释也至关重要。
2018年，中国、日本、美国等国的科学家们联合发表了一篇名为“HostPathogen”(Waxman)，通过整合多种表达组学数据，对水稻基因组的注释进行了更新，共发现了14614个新的基因，有效地促进了水稻基因组研究的深入。
1.2水稻基因组结构和功能特点的研究水稻基因组大小为389Mb，包含大约4.29万个基因。
其中，基因密度比拟其他植物要大，基因的组织分布也呈现出显著的区分。
此外，水稻的基因序列中还含有许多支配了基因表达和基因功能的调控因子，如调控元件、非编码RNA等。
这些结构和特点的研究有助于更深层次的解析水稻的遗传机制。
第二部分：水稻遗传育种的研究进展2.1利用基因编辑技术改良水稻水稻主要遗传特征的研究为利用基因编辑技术改良水稻提供了核心思路。
近年来，科学家们通过CRISPR-Cas9等基因编辑技术，针对水稻各个方面的遗传特征进行了深入的研究。
其中具有代表性的成果有：（1）使水稻茎粗略化的“SNU-16”基因的敲除，使其茎干更粗壮，抗风能力更强；（2）针对水稻的“脱粒非白化”基因进行靶向基因编辑，在保持其他基因不变的情况下，成功实现了水稻产量的提升。
2.2水稻病虫害抗性的研究水稻的病虫害是影响水稻丰产的主要因素之一。
研究表明，水稻的病虫害抗性主要由多个基因共同作用而得。
因此，为了实现水稻病虫害抗性的提升，科学家们也探寻了许多新的遗传调控方法。
中国水稻科学(Chin J Rice Sci), 2024, 38(3): 266－276 266 DOI: 10.16819/j.1001-7216.2024.230904全基因组关联分析定位水稻分蘖角度QTL朱裕敬#桂金鑫#龚成云 罗新阳 石居斌 张海清*贺记外*(湖南农业大学农学院, 长沙 410128；*通信联系人，email:**********************;*****************.cn)QTL Mapping for Tiller Angle in Rice by Genome-wide Association AnalysisZHU Yujing#, GUI Jinxin#, GONG Chengyun, LUO Xinyang, SHI Jubin, ZHANG Haiqing*, HE Jiwai*(College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; *Correspondingauthor,email:**********************;*****************.cn)Abstract:【Objective】Tiller angle is a critical agronomic trait influencing rice yield. Identifying rice tiller angle QTL (genes) and detecting their elite haplotypes can be beneficial for developing ideal rice varieties. 【Method】333 core germplasms from the rice 3K resources were utilized as research materials. These germplasms were cultivated in Yunyuan and Chunhua of Hunan Agricultural University in 2020 and 2022, respectively. Tiller angles of various germplasms were measured during the heading stage. Genome-wide association analysis was conducted using the MLM model of TASSEL 5.2, combined with the genotypes of the germplasms. 【Results】Six QTL for tiller angle were identified on rice chromosomes 2, 5, 6, 9, and 12, designated as qTA2, qTA5, qTA6.1, qTA6.2, qTA9, and qTA12, respectively. These QTL explained phenotypic variation ranging from 6.23% to 16.22%. Notably, qTA9 co-localized with the major QTL TAC1 for tiller angle, while the other five QTL were newly discovered. Candidate gene analysis was conducted for these five QTL. The candidate genes for qTA2 and qTA6.1 were identified as Os02g0817900 and Os06g0682800, respectively. Os02g0817900 encodes a rice cytochrome P450 family protein, while Os06g0682800 encodes a zinc finger domain protein.【Conclusion】This study successfully identified new QTL for tiller angle in rice and analyzed candidate genes, offering valuable insights for the cloning of tiller angle QTL (genes) and genetic improvement of tiller angle in rice.Key words: rice (Oryza sativa L.); tiller angle; QTL; candidate gene; haplotype摘 要：【目的】水稻分蘖角度是影响水稻产量的关键农艺性状，挖掘水稻分蘖角度QTL（基因）及其优势单倍型，有助于构建水稻理想株型。
水稻胚乳研究进展摘要水稻胚乳发育是个复杂的过程，胚乳、胚和母体三者之间可能存在着一定关系。
淀粉作为胚乳最主要的组成成分，其代谢与胚乳的发育有着直接的关系。
目前，人们主要围绕淀粉代谢的一些关键性酶进行研究，对贮藏蛋白和脂肪合成也进行了深入研究，并开展了相关表达调控研究。
随着胚乳发育和基因调控分子机制研究的深入，我国水稻的产量和品质将大大提高，以满足人们日益增长的多样化消费需求。
关键词水稻；胚乳；胚乳发育；淀粉；基因调控水稻是我国最重要的粮食作物，人们日常食用的大米（加工后的精米）即为水稻的胚乳，胚乳的形成和发育直接影响着水稻的产量和品质。
因此，对水稻胚乳的深入研究具有十分重要的意义。
胚乳是被子植物双受精过程中由胚囊中的二倍体中央细胞与1个精细胞结合发育形成的三倍体[1]。
胚乳是种子内营养物质贮藏的最主要场所，胚乳的形成和发育直接影响着作物产量和品质的形成。
胚乳发育可分为4个时期：合胞体、细胞化、分化和死亡。
这几个时期的长度和重叠程度依物种不同而有差异。
其中细胞化过程是胚乳发育最为关键和活跃的时期，此阶段胚乳同时进行平周分裂和垂周分裂，产生完整的外周细胞和向内开口的管状细胞，体积迅速扩大，直至整个胚乳细胞化。
根据胚乳细胞化的方式不同，早期胚乳发育可分为 3 种模式：核型、细胞型和沼生目型。
其中最常见的是核型胚乳，禾谷类如玉米、大麦和水稻等以及双子叶植物拟南芥的种子中胚乳发育属于核型胚乳，其特征是原初胚乳核经历数轮分裂而胞质不分裂，形成由许多游离核在中央细胞中靠边缘排列的合胞体，这种游离核的定位表明，在早期合胞体中可能有预存于大配子体中的定位信息起作用。
随后胞质开始分裂，由四周逐渐向中央液泡推进，直至胚乳全部细胞化。
随着胚乳的生长，细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）开始，最终所有淀粉质的胚乳细胞死亡[2]。
胚乳的发育是一个复杂的过程，胚乳、胚和母体三者之间可能存在着一定关系。
水稻驯化过程中结构变异的进化基因组学研究Mol. Biol. Evol. 37(12):3507–3524 doi:10.1093/molbev/msaa185一、研究背景和目的关于结构变异还有许多研究不清楚的地方，比如：结构变异SV对表型的影响，SV的普遍性，个体SV事件在群体内的频率。
研究的第一步需要鉴定群体内的SVs，过去基于长短reads对此进行了大量研究并取得了一定进展。
尽管通过提高测序深度，短reads序列也可以用于鉴定SVs，但对一些SV类型的鉴定上，仍存在低估，比如大的INV，因此作者增加了长reads序列和de novo基因组以确定鉴定到的SVs的准确性。
本文作者使用了水稻和其近缘野生祖先 O. rufipoogn 的样品，拟通过鉴定 SVs 作为研究驯化的工具。
关于水稻的起源以及驯化基因的研究很多，为此提供了很好的研究背景。
关于水稻 SV 的研究也有一些，但缺少同时比较野生稻和栽培稻的比较研究。
葡萄中比较了野生和栽培群体中的SV频率，提供了基因组中人工选择区域的独特见解，反映了与无性繁殖相关的遗传负荷会增加。
但其它物种中的情况尚不清楚。
此外，基因的获得丢失也仍是一个不断发展的领域。
作者利用发表的高倍重测序数据鉴定了SV，然后比较了野生稻和栽培稻之间的SV群体频率；调查了不同TE家族的MEI频率；估计了和驯化有关的特征。
二、研究方法和特色作者充分利用已发表的数据，除高倍重测序数据外，还使用了已发表的长reads序列和de novo基因组以确定鉴定到的SVs的可靠性。
基于鉴定到的SV分析了群体内的多样性、频谱分布、LD decay；驯化过程中的遗传负荷，群体间的分化水平，并同SNPs数据的结果进行了比较。
利用候选基因策略，评价了基于SV有助于提高寻找驯化基因的效率。
分析了基因组中的不同TE家族的群体动态及造成差异的可能原因。
三、主要结果和重要发现基于重测序数据，作者鉴定了 SNP 和 indels，并基于 SNPs 构建了系统发生树，Fig. 1a所示，aus 和 indica 聚为一支，japonica 和 aromatic 聚为一支，O. nivara 和 O. rufipogon 聚到了一起，而 O. rufipogon 分为两支，一支主要是东南亚和印度的材料，另一支主要是中国的材料。
植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (5): 667−676, 收稿日期: 2006-11-08; 接受日期: 2007-04-09基金项目: 国家自然科学基金(No. 30471066)* 通讯作者。
E-mail: gao －dongying@.专题介绍.水稻转座子研究进展高东迎*, 何冰, 孙立华江苏省农业科学院粮食作物研究所, 南京 210014摘要 转座子是植物基因组的重要组成部分, 对于研究植物基因组进化等具有重要意义。
随着水稻全基因组测序计划的开展和完成, 水稻转座子研究取得了极大进展, 目前已经在水稻基因组中发现了几乎所有类型的转座子, 约占水稻基因组的35%。
在正常情况下, 大多数水稻转座子不具有转座活性, 但是在特定的条件下(如组织培养或辐射等), 水稻基因组中沉默的转座子可以被激活, 从而可能导致插入突变并影响基因的表达。
在水稻中已鉴定出6个有活性的转座子, 其中Tos17已被应用到水稻功能基因组研究中。
转座子序列的新的分子标记转座子展示(transposon display, TD)现已被开发, 并在水稻遗传作图和遗传分化研究中得到应用。
关键词 基因表达, 水稻, 转座子, 转座子展示高东迎, 何冰, 孙立华 (2007). 水稻转座子研究进展. 植物学通报 24, 667−676.转座子(transposable elements 或 transposons)是指基因组中那些能够移动或复制自己并整合到新位点的DNA 片段(Curcio and Derbyshire, 2003), 其对于研究植物基因组的组成、进化和基因的表达调控等都具有重要意义(Feschotte et al., 2002)。
水稻是世界重要粮食作物, 禾本科植物分子生物学研究的模式植物。
近年来, 水稻转座子研究受到越来越多学者的重视, 并已取得较大进展。
本文将对水稻转座子研究所取得的一些新进展进行归纳。
1 水稻基因组中转座子的种类传统观念认为, 水稻基因组中不存在转座子, 但随着水稻分子生物学的发展, 特别是水稻全基因组测序的开展和完成, 科学家们意外发现, 在水稻基因组中不仅有转座子,而且几乎包括所有类型转座子(Mao et al., 2000;Turcotte et al., 2001; Jiang et al., 2004b; International Rice Genome Sequencing Project, 2005)。
转座子约占水稻基因组组成的35%, 其中第1类转座子(ClassI, 也称反转录转座子)和第2类转座子(Class II, 也称DNA 转座子)分别占19.4%和14.0%, 但从数目上讲,第2类转座子要远多于第1类转座子, 这是因为第2类转座子包括了大量微小转座子 (表1)(International Rice Ge-nome Sequencing Project, 2005)。
现对水稻的主要类型转座子介绍如下。
1.1 MITEs微小反向重复转座子(miniature inverted repeat trans-posable element, MITEs)是水稻基因组中数量最多的一类转座子, 大约有90 000个(Jiang et al.,2004b)。
MITEs 为非自主DNA 类转座子, 但是其序列小(一般为100－500 bp)且拷贝高, 具有插入位点偏爱性, 使得其与一般非自主DNA 类转座子又有明显不同。
由于MITEs 不编码转座酶(transposase), 其分类主要依据非编码区的相似性, 如MITEs 的末端反向重复(terminal inverted repeats, TIRs)及其插入到基因组后所形成的2－3 bp 的同向重复序列(target site duplications, TSDs)。
根据这个标准, 大多数水稻MITE 被分为Tourist (3 bp 的TSD,668植物学通报 24(5) 2007通常为TTA或TAA)和Stowaway(2 bp的TSD, 通常为TA)2类(Zhang et al., 2004)。
1.2 MULEsMULEs(Mutator-like transposable elements)是水稻基因组中的另一大类DNA类转座子, 包括自主和非自主2种类型。
此类转座子一般特征是: (1)具有较长的末端反向重复(一般大于100 bp); (2)大小从几百bp到30 kb左右不等, 且内部序列变化较大; (3)有9－11 bp的靶位点重复。
与其它家族转座子不同的是, 非自主MULEs并不都是由对应的自主转座子基因序列缺失导致其转座酶失活; 在有些情况下, 非自主MULEs可以俘获寄主基因片段, 这种带有寄主基因片段的MULEs称为Pack-MULEs, 其对水稻基因组进化具有重要作用(Jiang et al., 2004a)。
目前在水稻基因组中已鉴定出8 274个MULEs, 其中有1 337个带有寄主基因片段(Juretic et al., 2005)。
1.3 CACTACACTA家族(也叫En/Spm家族)为DNA类转座子, 该家族有自主和非自主转座子2类。
CACTA类转座子最典型特征是反向重复序列末端是保守的CACTA; 同时,该类转座子具有长10－28 bp末端反向重复, 是转座酶的识别位点。
其另一个特点是反向重复序列区保守性较低。
在水稻基因组中CACTA转座子有将近1.1万个拷贝,约占整个基因组的2.69%(International Rice Ge-nome Sequencing Project, 2005)。
Tnr3 是最早发现的水稻CACTA转座子, 是作为插入片段被鉴定出来的,其大小为1 539 bp, 并有13 bp的反向末端重复(末端以 5'-CACTA-3'开始)(Motohashi et al., 1996)。
1.4hAThAT是真核生物细胞中广泛存在的另一大类转座子。
玉米Ac转座子是最早发现的该类转座子, 随后在金鱼草和黑腹果蝇中也发现了类似于Ac的转座子, 分别称为Tam3和hobo。
1994年Warren 等取最早发现的3个该类转座子(hobo、Ac 和Tam3) 的第1个字母, 将该类转座子命名为(hAT)(Warren et al., 1994)。
hAT转座子的特征是: (1)在转座过程中产生8 bp的靶位点重复; (2)有5－27 bp的短反向末端重复; (3)大多数hAT类转座子小于4 kb (Kempken and Windhofer, 2001)。
水稻中hAT类转座子有1.1万个, 数目与CACTA类转座子接近, 但其长度较小, 平均约为1.27 kb, 因而在水稻基因组中的比例较低(International Rice Genome Se-quencing Project, 2005) 。
1.5 LTR retrotransposonsLTR类反转录转座子的典型特征是在转座子的两端具有正向长末端重复(long terminal repeat, LTR), 主要包括gypsy和copia两大类。
在水稻基因组中copia类转座子长度一般为4－6 kb, 而gypsy类转座子长度一般为10－13 kb, 其大小约为copia类的2倍; 水稻LTR类反转录转座子的另一个特点是具有5 bp的靶位点重复(McCarthy et al., 2002)。
LTR类反转录转座子不仅拷贝数高, 而且该类转座子的平均长度大于其它类型转座子(如MITEs和CACTA等), 因而该类转座子在水稻基因组中所占的比例大约在15%或更高(McCarthy et al., 2002; Ma and Bennetzen, 2004; International Rice Genome Sequencing Project, 2005)。
1.6其它TEsHelitron是最近被鉴定出的另一类DNA类转座子, 在水稻基因组中大量存在, 与其它类型转座子最明显的区别是此类转座子不形成靶位点重复。
水稻约有10 000多个Helitron, 占水稻基因组的2%左右。
另外, 在水稻基因组中也包括大量的LINEs 和SINEs, 但其数目不如上面提到的几大类转座子多(表1)。
2水稻转座子的发现鉴定虽然转座子既古老又在水稻基因组中大量存在, 但是多年来一直没有被发现。
直到1992年,日本学者Hirochika等(1992)首先发现水稻中存在反转录转座子。
此后科学家们鉴定发现了大量水稻转座子, 使得人们对669高东迎等: 水稻转座子研究进展水稻转座子有了全新的认识, 这在很大程度上得益于转座子鉴定思路和相关技术的创新以及水稻全基因组测序计划的开展和完成。
鉴定水稻转座子的方法很多, 但概括起来主要有以下几种。
2.1传统方法转座子可通过转座插入到基因组中某些位点(如基因或其调控序列), 引起插入位点(靶位点)基因失活或影响其表达, 从而导致表型变化形成突变型。
有时转座子可以从原来插入位点跳出, 使得靶位点基因恢复活性而表现正常性状。
转座子从靶位点切除常发生在植株发育过程中, 可以发现一些组织表型正常而另一些组织表型异常,即出现所谓的嵌合性状, 这种不稳定的变异常常是由于活性DNA类转座子活动所致。
由于转座子发生回复突变的频率一般较低, 所以可通过对转座子插入导致的突变体和野生型的遗传分析,最终鉴定出转座子。
如Teraishi等(1999)从γ-射线辐照的粳稻Gimbozu种子后代中发现一个籽粒颖壳细长突变体IM294, 该突变体经多次自交繁殖仍不能完全稳定, 在同一单株不同穗之间或同一稻穗不同支梗之间籽粒形状存在嵌合情况。
遗传分析表明, 突变性状由一对隐性基因(SLG)控制, 用三体和RFLP分析将基因定位到第7号染色体上(Teraishi et al., 1999)。
图位克隆分析表明, 突变体有1个433 bp插入片段, 并发现插入片段序列为1个MITEs类转座子, 命名为mPing (Nakazaki et al., 2003)。
2.2引物杂交法由于反转录转座子引起的变异稳定遗传, 通过传统遗传方法难以将由转座子插入引起的突变和其它变异区分开,反转录转座子必须通过其它方法才可以鉴定出来。
引物杂交法鉴定反转录转座子的主要原理是: 有些反转录转座子5'端LTR下游有一个包含十几个碱基组成的PBS(primer binding site, 引物结合位点)与起始蛋氨酸的tRNA(tRNA i Met)3'端序列互补, 而且植物中tRNA i Met 序列是高度保守的(Sprinzl et al., 1987); 故可利用一段与起始蛋氨酸tRNA 3' 端互补的寡核苷酸序列作为探针,筛选水稻基因组文库, 获得水稻反转录转座子的片段, 对这些片段进行测序或再作为探针继续筛选分析, 最终可得到完整的水稻反转录转座子。
