全 文 ：第23卷 第2期
2011年2月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 2
Feb., 2011
文章编号：1004-0374(2011)02-0168-11
植物重要功能基因研究进展及其应用
吴　健，刘　学，王永红*
(中国科学院遗传与发育生物学研究所，植物基因组学国家重点实验室与国家植物基因研究中心，北京 100101)
摘　要：随着越来越多植物全基因组测序的完成，植物基因研究的重点将逐渐从基因的发现转移到对基因
功能的研究上来。近年来，植物基因功能的阐述日益深入，尤其是与作物产量和抗性相关的重要农艺性状
调控机理的研究更加引人注目，一些具有应用价值的功能基因相继被鉴定并得到功能注释。该文综述植物
功能基因研究领域近年来的主要进展，着重介绍具有应用前景的重要功能基因的研究。同时，对目前利用
基因工程、分子标记辅助选择等手段改良作物的现状及其前景进行讨论。
关键词：植物；功能基因；作物改良
中图分类号：Q943.2 文献标识码：A
Progress of plant functional genomics
Wu Jian, Liu Xue, Wang Yong-Hong*
(State Key Laboratory of Plant Genomics and National Center for Plant Gene Research, Institute of Genetics and
Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)
Abstract: As the increasing number of plant species with sequenced genomes, plant scientists are changing their
sights from gene discoveries to gene function investigation, leading to further elucidation of plant gene function,
especially for crop genes that are related to the improvemetn of grian yields and resistance to biotic and abiotic
stress. A number of valuable genes have been identified and have shown their applicable potentials in the past years.
This review will highlight recent progress on plant genome research. In addtion, the status and perspective of crop
improvement by genetic engineering and molecular marker-assisted selection are also discussed.
Key words: plant; functional gene; crop improvement
收稿日期：2010-12-08
基金项目：国家转基因生物新品种培育重大专项
(2008ZX08009-003)；国家重点基础研究发展计划
(“973”计划)(2005CB1208)
*通讯作者：E-mail: yhwang@genetics.ac.cn; Tel: 010-
64873428
生物体内的基因数目众多、功能多样，它们相
互协同作用共同完成生命过程。如模式植物拟南芥
的基因组约有 2.5万个基因 [1]、水稻的基因组包含
3～ 5万个基因 [2,3]。随着拟南芥、大豆、水稻、玉
米等植物全基因组序列图谱的完成 [1-5]，许多重要
基因相继被克隆，对其功能也有了较深入的研究。
近年来，随着世界粮食问题的日益严重，为提高粮
食作物产量，改善品质，提高抗性，达到高产、稳产、
优质的目的，科学家们正逐渐从单纯的基因功能研
究转移到更多地关注所研究的基因功能与重要农艺
性状的关系。粮食作物中主要围绕作物产量、抗性、
品质等性状展开研究，以期发掘调控目标性状的重
要基因，并通过基因工程、分子标记辅助选择育种
等手段培育优良品种。部分研究成果已成功地应用
到作物改良上，在粮食生产中显现出巨大的应用前
景，凸显了植物功能基因研究的重要意义。水稻作
为重要的粮食作物，其基因组较小，是单子叶植物
中的模式生物，许多控制重要农艺性状的主效基因
率先在水稻中得到克隆。本文主要综述近年来植物
功能基因研究领域的重要进展，着重讨论具有应用
前景的功能基因的研究。
吴　健，等：植物重要功能基因研究进展及其应用第2期 169
1　植物重要功能基因研究的主要进展
近年来人口增长、耕地减少、水资源短缺等问
题日益严重，粮食生产与需求以及粮食作物与经济
作物的矛盾愈加突出，粮食安全已成为全世界关注
的问题。在耕地减少的情况下，如何增加粮食产量
是解决粮食安全问题的关键，一方面需要对现有的
耕作制度进行改善；另一方面需要通过遗传育种的
方法获得高产、优质和高抗的农作物新品种。而后
者可能更为经济有效。但目前，通过传统育种培育
高产优质的作物品种已经处在平台期，在此基础上
的进一步突破，需要挖掘新的有利用价值的基因资
源。在过去几年里，植物功能基因的研究取得了长
足的进展，尤其具有应用价值的基因越来越受到关
注。以下综述也着重于该类型基因的研究进展。
1.1　与植物生长发育相关的功能基因
1.1.1　控制植物分枝的基因
高等植物的分枝是决定株型的重要因素，分枝
的特性决定了植物的主要形态。水稻分蘖是一种特
殊的分枝形式，是与水稻产量密切相关的重要农艺
性状。相对于双子叶的模式植物拟南芥，水稻的株
型属于顶端优势不明显的类型，更有利于研究分枝
的形成机理。同时，分蘖数目也决定了单位面积的
产量构成。因此，对于分蘖数目控制机理的研究具
有重要的理论意义和应用价值。
近年来，在拟南芥、豌豆、矮牵牛和水稻中发
现了一系列分枝增加的突变体，包括拟南芥中的
more axillary growth(max)、豌豆中的 ramosus(rms)、
矮牵牛中的 decreased apical dominance(dad)和水稻
中的 dwarf(d)或 high-tillering dwarf1(htd1)，这些突变
体的共同特点是顶端优势丧失，侧芽生长发育得
到释放，从而产生矮生多分枝表型 [6-21]。通过对上
述突变体的遗传学分析和嫁接实验，发现在植物体
中存在一种新的可以长距离运输的类胡萝卜素来源
的未知信号分子参与分枝调控。在拟南芥中，四个
遗传位点 MAX1、MAX2、MAX3和 MAX4被证明参
与到这一新的信号途径中，其中 MAX1、MAX3和
MAX4参与该未知信号分子的合成 [7, 9, 13-16]。MAX3
和 MAX4 分别编码类胡萝卜素裂解双加氧酶
(carotenoid cleavage dioxygenase，CCD) 家族中的
CCD7和 CCD8[14, 16]。体外酶活实验证明，CCD7能
够剪切多种类胡萝卜素底物，剪切后的产物能够被
CCD8进一步剪切 [22]。MAX1编码一个细胞色素
P450家族成员，在MAX3和MAX4的下游起作用 [16, 24]。
MAX2编码一个富含亮氨酸重复的 F-box蛋白，可
能在信号分子识别和信号传递过程中起作用 [7, 9, 13]。
在水稻、豌豆和矮牵牛等物种中，MAX的同源基因
被陆续克隆，而且相应基因的突变都会造成矮生多
分枝的表型，说明依赖于MAX途径的信号通路在
单子叶和双子叶植物中具有相当的保守性。最近，
人们发现依赖于MAX途径调控分枝的信号分子为
独角金内酯，并发现独角金内酯是植物分枝的抑制
因子 [24, 25]。
在水稻中已发现五个MAX途径的突变体，分
别为 d3(dwarf3)、d10、d14、d17和 d27[6, 17-19, 26]。其中，
d10、d17和 d27存在独角金内酯合成途径缺陷，通
过外施独角金内酯人工合成类似物 GR24可以恢复
其矮生多分枝表型，而 d3和 d14却不能被恢复，
可能参与独角金内酯的信号转导途径 [6, 24, 25]。D17
和 D10分别编码类胡萝卜素裂解双加氧酶 CCD7和
CCD8，在拟南芥和豌豆中的同源基因分别为
MAX3、MAX4和 RMS5、RMS1[17, 18]。最近在番茄
中也发现了 CCD7的同源基因 SICCD7，该基因的
反义抑制植株同样表现出独角金内酯含量下降，分
枝数显著增加 [27]。D3编码一个含 F-box的蛋白质，
在拟南芥和豌豆中的同源基因为MAX2和 RMS4 [19]。
D14与 D27是水稻中特有的参与独角金内酯途径的
基因 [6, 10, 26, 28]。d27突变体有其他独角金内酯途径相
关突变体相似的表型，分蘖数增加，植株变矮。通
过与 d10杂交进行双突变体分析，d27与 d10位于
同一信号途径，外施 GR24可以恢复其突变表型，
对 d27根分泌物进行检测没有发现野生型植株中能
正常分泌的一类独角金内酯 2-epi-5-deoxystrigol，
说明D27参与了独角金内酯的合成。通过图位克隆，
发现 D27编码一个叶绿体定位的含铁蛋白 [27]。
d14(d88和 htd2)对外施的 GR24不敏感，但其与
d10的双突变体与 d10有相同的表型，说明 d14与
d10位于同一信号途径，研究认为 D14可能是信号
受体的组成部分或者在独角金内酯向活性形式转变
的过程中起作用 [6, 10, 28]。
Doebley等 [29]在 1997年对玉米的顶端优势研
究中，通过转座子标签技术克隆了 Tb1(Teosinte
branched1)基因，并证实 Tb1基因既能抑制腋芽的
生长，又能促进雌花序的形成。Takeda等 [30]对水
稻中与玉米 Tb1同源的基因进行了研究，通过同源
克隆的方法得到水稻 OsTb1(FC1)基因。OsTb1是
一个含有 TCP结构域的转录因子，OsTb1过量表达
可导致水稻分蘖数明显减少，侧芽的起始却不受影
生命科学 第23卷170
响，因此认为 OsTb1主要控制腋芽分生过程中从腋
芽原基到分蘖形成的生长过程。在小麦中过量表达
玉米的 Tb1基因也得到了同样的结果 [31]。最近的研
究表明 OsTb1有可能是独角金内酯抑制水稻分蘖所
必需的下游因子 [32]。已有的研究表明 OsTb1可能
是MONOCULM 1 (MOC1) 基因的下游调控因子 [33]，
独角金内酯是否也参与了水稻分蘖的起始过程是一
个值得探究的问题。
独角金内酯在化学结构上属于类萜内酯类，很早
人们就在植物的根系分泌物中分离了这种物质，后来
发现这类化学物质不仅有助于寄生植物种子的萌发，
还能够促进植物与共生真菌之间的相互作用 [34, 35]。
但到目前为止，人们对于独角金内酯的生物合成过
程以及信号转导途径的了解还十分有限。独角金内
酯作为植物分枝激素的重大发现使我们对植物分枝
的调控机理有了新的认识，也为我们研究分枝调控
的分子机理提供了机遇。
1.1.2　穗粒数
穗粒数是与作物产量直接相关的农艺性状，受
到多个基因 /QTL的调控。Short Panicle 1 (SP1)基
因编码一个 PTR家族的转运蛋白，预测其转运底
物为硝酸盐。该基因突变后导致水稻穗枝梗伸长，
特别是位于穗下部的小穗枝梗生长发育缺陷，造成
穗子变小，穗粒数急剧下降 [36]。水稻中细胞分裂素
氧化脱氢酶 (cytokinin oxidase/dehydrogenase，CKX2/
Gn1a)起到降解细胞分裂素的作用。降低 OsCKX2
的表达能引起细胞分裂素在花分生组织的积累，
从而使穗粒数增加 20%左右，大大地提高了水稻
产量 [37]。通过 RNAi技术将大麦中的 HvCKX1基因
及小麦与小黑麦中的 TaCKX1基因表达量下调后，
观察到细胞分裂素的活性增强，并且细胞分裂素的
活性与产量、粒数和粒重等性状成正相关 [38]。以上
研究表明，局部的细胞分裂素对穗部发育中细胞分
裂起到重要的调节作用，从而影响穗粒数进而影响
作物产量。另外一个重要基因——Ghd7，编码一个
含 CCT结构域的蛋白，不仅影响穗粒数，还是控
制株高和抽穗期的主效基因。含有 Ghd7基因的纯
合重组自交系，穗粒数增加 65.8%，抽穗期推迟
21.2 d(33.3%)，株高增加 40%，最终使单株产量提
高 50%[39]。DENSE AND ERECT PANICLE1 (DEP1)是
一个控制水稻穗粒数的显性基因，编码含有磷脂结
合结构域的蛋白。在我国北方粳稻区直立穗类型的
主栽品种中存在 DEP1基因的突变，即在第 5个外
显子上发生了 625个碱基的缺失，导致编码框的提
前终止而使 C端 230个氨基酸缺失。该突变使水稻
茎顶端分生组织活性提高，枝梗数增加，最终增加
穗粒数，提高产量 [40]。在其他性状改变不大的情况
下，增加单株穗粒数能有效地提高作物产量，这些
控制穗粒数的基因在不自觉地人工选择中保留下
来，大大提高了栽培稻的产量。
最近中国和日本科学家分别独立克隆到另一个
控制水稻穗粒数的主效基因——OsSPL14。该基因是
控制水稻株型的关键基因，并使水稻产量增加，被
分别命名为理想株型基因 IPA1(ideal plant architecture
1)和富民基因 (wealthy farmers panicle, WFP)[41, 42]。IPA1/
WFP基因在植物体内受到严格的调控，很有可能同
时受到microRNA和甲基化的调节。与 DEP1不同的
是，IPA1/WFP作为一个主效基因还同时控制了分蘖、
枝梗数和株高等多个重要农艺性状，是一个多效性
基因，暗示了该基因可能具有比较复杂的调控机制。
对其作用机理的深入研究将为挖掘这个新的增产基
因资源的应用潜力提供十分重要的依据。
1.1.3　籽粒大小和粒重
在拟南芥中 APETALA2(AP2)基因对种子大小
起着重要的调控作用，AP2编码一个 EREBP家族
的转录因子，ap2缺失突变体通过影响糖代谢改变
了种子的大小 [43, 44]。拟南芥突变体 shb1-D种子千
粒重比野生型增加 1.5倍以上，分析发现在突变体
中，SHORT HYPOCOTYLUNDER BLUE1 (SHB1)基
因过表达促进两个种子大小正调控基因MINISEED3
(MINI3)和 HAIKU2 (IKU2)的表达，增加了细胞大
小和数量，从而大大地增加了种子粒重 [45]。另外，
DA1编码一个泛素受体蛋白 (ubquitin receptor)，通
过限制细胞增殖周期来控制果实大小，da1-1与另
一个具有 E3连接酶活性的基因 EOD1的双突变体
eod1 1da1-1具有更大的种子和生殖器官，说明泛素
化途径可能在决定种子大小中起到重要作用 [46]。目
前，还没有证据表明这些基因能够在作物中具有相
应的功能。
籽粒大小是由颖壳、胚胎、胚乳细胞的分裂生
长以及营养提供和分配等多种因素共同决定的，所
以籽粒大小受到多个数量性状基因的影响，目前有
22个与水稻籽粒大小相关的 QTL报道 [47]。其中，
GRAIN SIZE 3 (GS3)位于水稻第 3号染色体上，编码一
个未知功能的基因，其无义突变导致了水稻大粒表
型的出现，使得粒重和粒长都有所增加，产量也相应
提高 [48]。GW5/qSW5/ (QTL for seed width on chromosome 5)
通过负调控外颖细胞数目来限制籽粒的生长 [49]，在
吴　健，等：植物重要功能基因研究进展及其应用第2期 171
含有 GRAIN WEIGHT 5 (GW5)的重组自交系 CSSL28
中，稻粒的宽度减少 16.4%，粒重也降低 18.7%。
通过对 46个栽培稻的序列比对分析发现 GW5基因
的碱基缺失与水稻产量提高密切相关，说明在长期
的驯化过程中有碱基缺失的 GW5基因被选择保留
了下来。GW5编码一个未知功能的核蛋白，通过酵
母双杂交证明其与多聚泛素蛋白 (polyubiquitin)存
在相互作用 [48]。另一个与泛素化降解途径有关的基
因 GRAIN WEIGHT 2(GW2)编码一个具有 E3连接
酶活性的锌指蛋白，能够通过泛素化途径降解其底
物。GW2基因功能丧失导致细胞数目增多，穗粒增
大，从而提高了籽粒宽度和重量，最终增加产量。
研究结果表明，即使重组自交系 NIL-GW2在每穗
粒数降低 29.9%的情况下，其单株产量也能增加
19.7%，说明 GW2对产量的提高具有较大的潜力 [50]。
DA1、EOD1、GW5和 GW2都与泛素—蛋白酶降
解途径有关，可能通过调控与粒重相关蛋白的含量
来负调控粒重，进一步的作用机制还有待研究。
作物籽粒灌浆是一个连续复杂的过程，涉及到
作物光合作用以及光合产物分配能力，对籽粒饱满
度和大小影响很大。Wang等 [51]筛选到水稻灌浆缺
陷突变体，并成功地克隆了影响籽粒灌浆的基因
GRAIN INCOMPLETE FILLING 1(GIF1)。GIF1 编
码一个位于细胞壁的葡萄糖水解酶，在灌浆初期对
碳元素的转运起着重要作用。GIF1在野生稻和栽
培稻中有不同的表达模式，从而推测水稻在驯化过
程中，GIF1启动子区域的突变积累导致 GIF1基因
表达变化 [51]。另外，通过转基因技术将水稻、玉米
和拟南芥的甾醇 C-22羟化酶在根、茎、叶部特异
表达，提高了油菜素内酯 (BR)及前体物质在这些
器官中的含量，从而加强了同化物质从源到库的流
动，大大提高了籽粒的灌浆效率，使得转基因单株
产量增加 15%～ 44%[52]。该研究表明通过调控作
物光合产物的分配来促进籽粒灌浆是提高作物产量
的一条有效途径。
1.2　植物抗性机理的研究
全球气候变暖和耕地无节制地开发利用，使土
地干旱、盐碱化和贫瘠化等现象日益加剧，已经严
重地影响到粮食生产。化肥与农药等化学物质的大
量使用不仅使环境承受巨大压力，也很难再对产量
有进一步的提高。面对这些问题，一方面需要加强
耕作制度的转变，另一方面需要对植物本身抗性加
以改变以适应新的环境。对植物抗性相关基因的研
究不仅对抗性机制的认识起到重要作用，也为改善
植物的抗逆性提供了条件。
1.2.1　非生物胁迫
非生物胁迫尤其是干旱胁迫和盐胁迫是粮食减
产的主要因素。植物在进化过程中产生了一系列抵
抗非生物胁迫的机制：通过对胁迫的感知、信号转
导和抗性相关基因表达的级联系统来加强自身的抗
胁迫能力 [53]。
近年来，非生物胁迫相关基因的研究主要集中
在一些转录因子及其相关蛋白上。DREB2A是通过
酵母单杂交系统筛选到的干旱应答元件结合蛋白
(dehydration-responsive element bingding protein)[54]，
过量表达具有组成型活性的 DREB2A(DREB2A-
CA)转基因植物能够耐受干旱以及高温胁迫 [55, 56]。
通过酵母双杂交系统筛选到两个与 DREB2A互作
的拟南芥蛋白 DREB2A-INTERACTING PROTEIN
1 (DRIP1) 和 DRIP2，这两个蛋白都包含一个
C3HC4 RING 结构域。体外实验证明，DRIP1和
DRIP2具有 E3连接酶的功能，能通过泛素化降解
DREB2A。对过表达和功能缺失的突变体分析认为
DRIP1和 DRIP2通过对 DREB2A的泛素化将其纳
入 26S蛋白酶复合体降解途径，从而负调控干旱响
应基因的表达 [57]。而基因 DEAR1 (DREB and EAR
motif protein 1)则通过抑制 DREB的转录来负调控
植物的抗冻性和抗病性 [58]。转录因子 NAC是一个
十分庞大的基因家族，在多个物种中都参与了非生
物胁迫的应答。水稻中约有 140个 NAC或 NAC-
like基因，通过不同胁迫条件下表达芯片分析发现
约有 40个 NAC基因参与干旱和盐等逆境胁迫的响
应 [59]，其中 SNAC1、SNAC2、OsNAC6和 ONAC045
受到冷、干旱和盐胁迫等的诱导表达，进而上调大
量胁迫相关基因来抵御逆境，对干旱和盐胁迫的抗
性产生具有重要作用 [60-63]。在大豆中已有 31个
GmNAC基因被克隆，其中 28个被证明具有转录活
性，在干旱、高盐、冷和 ABA胁迫下 9个基因被诱
导表达 [64]。西红柿的SINAC1和SINAM1 (salt-inducible
NAC-family genes)基因也被证明参与了盐胁迫反应 [65]。
MYB类转录因子参与了植物生长发育、代谢调节
和抗性反应等多种生命活动。在大豆中有 156个
GmMYB 基因被鉴定，通过转基因分析发现其中
3个基因 (GmMYB76、GmMYB92和 GmMYB177)不
同程度地参与了盐害和冷害等逆境胁迫 [66]。有一类
含碱性亮氨酸拉链的转录因子家族 (bZIP)在植物
中参与了各种生命活动，特别是在应激反应和激素
信号转导中起着十分重要的作用。水稻中的OsbZIP23
生命科学 第23卷172
基因通过调节大量胁迫相关基因的表达参与依赖于
ABA的非生物胁迫信号途径，过表达该基因能增
强水稻的耐盐和抗旱能力 [67]。另外一个 bZIP转录因
子 OsABF2 (Oryza sativa ABA-responsive element
binding factor 2)同样在 ABA信号途径中起着重要作
用，其功能丧失突变体对盐、干旱和冷等胁迫也更加
敏感 [68]。
H2O2是诱导气孔关闭的重要信号分子，在植
物抗旱和耐盐中起重要的作用。DST(drought and
salt tolerance)基因编码一个含锌指结构的转录因
子，在干旱和盐胁迫下通过调节与维持 H2O2动态
平衡有关基因的表达，提高气孔细胞的 H2O2含量，
诱导气孔关闭，最终提高了水稻耐干旱和盐胁迫的
能力 [69]。也有研究发现 OsSIK1基因能够激活水稻
的抗氧化系统，在胁迫条件下降低体内 H2O2的水
平，进而增强水稻耐盐和抗旱能力 [70]。对水稻干旱
超敏感突变体 dsm1的研究发现，DSM1基因编码
一个MAPKKK蛋白，它通过调节体内的活性氧清
除系统来影响植株对干旱胁迫的抗性，该基因的过
表达能明显增强水稻苗期的抗旱能力 [71]。对人
SKIP基因在水稻中的同源基因 OsSKIPa进行研究
发现，过表达 OsSKIPa基因通过显著增强活性氧清
除能力和诱导抗性相关基因的表达，能明显增强水
稻的耐盐和抗旱性 [72]。
对在不同环境下都表现出抗性的主效基因进行
克隆是研究抗性基因的一个有效方法，通过克隆及
异源表达转录因子、植物激素调控因子及抗性相关
代谢物能使转基因植物获得更好的抗性。在辣椒中
一个具有 E3活性的泛素化连接酶 Rma1H1异源表达
到拟南芥中大大提高了拟南芥的抗旱性，Lee 等 [73]
研究认为，Rma1H1能通过 26S蛋白酶降解途径来调
控水通道蛋白，从而控制细胞内与外界环境中水分
的交换。同样，将大豆的 Trihelix类转录因子 GmGT-
2A和 GmGT-2B转化到拟南芥中后提高了植株的抗
旱、抗盐和抗冻能力 [74]，而大豆 GmPHD类转录因
子GmPHD2同样能提高转基因拟南芥的抗盐能力 [75]。
洪涝灾害是影响作物生产的又一重要自然灾
害，每年因水淹导致亚洲国家的水稻减产损失高达
10亿美元 [76]。Xu等 [76]研究表明，一些功能基因
在水稻深水耐性中表现出重要的作用。水稻中一类
乙烯响应因子类基因 Sub1A(submergence 1A)与水
稻耐淹性有密切关系，通过对不同耐性的水稻材料
研究发现含有 Sub1A-1等位基因的水稻抗涝能力大
大提高，对水稻的增产作用明显；而基因 SNORKEL1
和 SNORKEL2仅在深水水稻中存在，是乙烯信号途径
的效应因子，深水条件下植株体内乙烯含量增加而
诱导 SNORKEL1和 SNORKEL2基因的表达，通过
提高茎节处的赤霉素含量来促进节间伸长，表现出
对深水的耐性加强 [77]。
1.2.2　生物胁迫
由于植物不能移动，面对病毒、真菌和细菌等
病原菌以及食草类昆虫和寄生植物等生物侵害，植
物进化出许多防御系统，其中研究最多的是植物对
病原菌的免疫反应。植物一旦感受到病原菌存在的
信号，如pathogen-associated molecular patterns (PAMPs)
和效应因子 (elicitors)等，相应的抗性 (R)蛋白被激
活从而使抗病相关基因表达，植物激素和植保素等
抗性响应物质被诱导合成，有时在病原菌入侵以及
周围的细胞内启动程序化死亡，减缓病原菌入侵。
对植物抗病机制的研究有利于培育抗病的农作物，
减少病虫害危害和降低农药使用。
近年来，克隆了许多属于 TIR-NBS-LRR类的
抗性蛋白。在拟南芥 RPM1缺失突变体 rpm1中诱
导表达病原菌的效应因子 AvrB，筛选到一个 AvrB
诱导抗病途径缺陷的 tao1 (target of AvrB operation)
突变体。图位克隆发现 TAO1编码一个 TIR-NBS-
LRR类蛋白。该研究表明不同抗性蛋白可以介导不
同效应因子诱导的抗性反应 [78]。对两个已测序水稻
亚种的全基因组分析 NBS-LRR类基因，发现了一
个新的抗稻瘟病基因 Pid3[79]。在紫花苜蓿中克隆了
一个抗炭疽病基因 RCT1(resistance to C. trifolii race
1)，RCT1也编码一个典型的 TIR-NBS-LRR类蛋白，
其过量表达转基因植株具有广谱的炭疽病抗性 [80]。
在大麦中图位克隆得到一个杆锈病抗性基因 Rpg5，
Rpg5含有核酸结合位点 (NBS)和富亮氨酸重复序
列 (LRR)结构域，是典型的抗病蛋白，通过基因沉
默证明 Rpg5在抗杆锈病中起作用 [81]。
稻飞虱是水稻主要虫害之一，对水稻产量影响
很大。到目前为止有 19个稻飞虱抗性基因 (BPH-
resistance genes)研究报道，近来克隆的一个基因
Bph14(brown lanthopper14)在苗期和成熟期对稻飞
虱抗性起着重要作用。Bph14编码一个 CC-NB-LRR
类蛋白，受稻飞虱诱导激活，从而启动水杨酸合成、
韧皮部细胞胼胝质积累和胰蛋白酶抑制剂合成等抗
性反应 [82]。最新研究表明，铜离子在水稻白叶枯抗
性中起到重要作用，铜离子不仅是植物必需微量元
吴　健，等：植物重要功能基因研究进展及其应用第2期 173
素，而且能有效地抑制多种病原菌。基因 Xa13编
码一个能与COPT1和COPT5相互作用的质膜蛋白，
他们共同作用引起植物体内铜离子分布的改变从而
抑制白叶枯生长 [83]。
病原菌效应因子能通过植物抗性蛋白启动子上
特异序列的识别来诱发抗性反应。病原菌通过效应
因子特异识别一些基因启动子来改变植物中的转录本
从而达到破坏植物抗性的目的，而植物又利用效应因
子这一特性来诱导抗性蛋白从而抑制病原菌的生
长 [84]。黄单胞菌的效应因子AvrBs3和AvrBs3∆rep16
能分别诱导辣椒中的抗性基因 Bs3和 Bs3-E的表达，
通过启动子互换以及染色质免疫沉淀等方法发现，
AvrBs3和 AvrBs3∆rep16能与 Bs3和 Bs3-E的启动
子结合并特异地诱导相应基因的表达，说明启动子
而不是编码区决定了辣椒 Bs3等位基因特异地识别
效应因子 [85]。而水稻中叶枯病的效应因子 AvrXa27
能通过同样的机制来诱导抗性基因 Xa27的表达，
通过对 Bs3、Bs3-E和 Xa27基因启动子上关键调控
序列 UPT (UP regulated by TAL effectors) 盒的聚合，
发现不同效应因子的识别作用依然存在，为基因工
程改造获得广谱抗性作物提供了可能 [84]。
加强抗性相关基因的表达，在不同的植物中都
能明显的增强植物对不同逆境的适应能力，但这些
适应是以消耗自身能量为代价的，往往使生长发育
受到抑制 [86]。如何在植物抗性和自身生长发育中得
到平衡是提高抗性和增加产量的关键。未来基因工
程的目标是找到合适的启动子并连接具有较强抗性
的功能基因，启动子能在植物受到侵害时诱导表达
而在正常生长时不至于影响生物的生长发育 [60]。
植物的抗性是一个复杂的过程，对非生物胁迫
和生物胁迫的抗性既相互独立而又相互联系。例如，
ATAF1基因是拟南芥中一个 NAC家族成员的转录
因子，受到干旱、高盐、ABA、甲基茉莉酸和灰霉
病的诱导， ATAF1在生物和非生物胁迫中都起到一
定的作用 [87]。在水稻中 OsNAC6基因受到非生物胁
迫如冷、干旱和高盐诱导，而通过转基因分析发现
其对稻瘟病也有一定的抗性，表明 OsNAC6基因既
在非生物胁迫又在生物胁迫中起作用 [60]。
2　植物重要功能基因的利用
2.1　转基因
基因改造 (genetic modification)又称为基因工
程 (genetic engineering)或基因重组 (recombinant DNA)，
是将一个生物体的基因或人为改造过的基因导入另
一个生物体的过程。基因改造技术可以得到自然界
或是人工突变所不能获得的新性状或新品种。Bt棉
是最早出现的转基因作物，将编码苏云金杆菌毒性
蛋白 (Bt蛋白 )的基因在棉花中有效表达，大大提
高了棉花对鳞翅类昆虫的抗性 [88]。20世纪 90年代
中期Bt棉在美国商业化以来，逐步扩大到澳大利亚、
中国、墨西哥、南非、印度和印度尼西亚等国家，
2009年全世界种植面积达到 1 600万公顷，占世界
棉花种植面积的 45%，取得了巨大的社会和经济效
益 [89]。随后，将编码不同 Bt蛋白的基因在玉米 [90]、
马铃薯 [91]等作物中有效表达，产生了高抗虫的转
基因植株，这些转 Bt基因的作物都得到了应用。
虽然水稻等作物也有 Bt转基因 [92, 93]，但却因为转
基因安全问题还暂时未能投入商业应用。
另一个取得成功的例子是抗除草剂草甘磷的转
基因作物。在叶绿体中草甘磷强烈地与磷酸烯醇式
丙酮酸 (PEP)竞争结合莽草酸羟基乙烯转移酶
(EPSPS)上的结合位点而使莽草酸途径受阻，影响
植物重要代谢物如色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的合
成最终导致植物死亡 [94]。通过转入草甘磷不敏感的
莽草酸羟基乙烯转移酶 (EPSPS)，如 cp4 epsps和
zm-2mepsps，或者导入降解草甘磷的基因如草甘磷
氧化酶、N-乙酰转移酶 (pat、bar)都能产生抗草甘
磷的转基因作物 [95, 96]。通过转基因技术，抗除草剂
的大豆、玉米、蓖麻、甜菜和棉花等得到了推广。
特别是在美国，95%以上的玉米、棉花、大豆和甜
菜都使用了除草剂，其中具有除草剂抗性的转基因
经济作物种植面积达 7 500万英亩，而具有草甘磷
抗性的大豆占 80%，棉花占 70%[97]。
在水稻中为提高维生素 A而开发的转基因水
稻被称为“金色大米”。“金色大米”是将基因
PSY、CRTI和 β-LCY连接到特异表达的启动子上，
共同转入水稻植株，从而使不具备产生维生素 A前
体物质——类胡萝卜素的胚乳组织能够合成类胡萝
卜素 [98,99]。“金色大米”的应用有望大大降低由于
维生素 A缺乏导致的疾病和死亡，特别是贫困地区
的儿童和妇女 [100, 101]。
RNA沉默在真核生物中广泛存在，在植物生
长发育和抗性反应等方面都发挥着重要作用。随着
RNA沉默分子机理研究的不断深入，目前已经有
可能利用转基因手段通过 RNA沉默提高植物对病
虫害的抗性。
生命科学 第23卷174
植物感受到病原菌入侵信号后，激活植物体内
RNA沉默途径，抑制某些负调控基因的表达从而
启动植物抗性反应。但是有些病原菌可以通过破坏
植物体内RNA沉默途径来达到感染植物的目的 [102]。
如黄瓜花叶病毒编码的 2b蛋白是第一个被鉴定的
能够对转录后基因沉默途径起作用的抑制子。研究
发现，黄瓜花叶病毒 (CMV)的 2b蛋白与 Argonaute1
(AGO1)存在相互作用，而且 2b蛋白可以特异地抑
制 AGO1的切割活性从而削弱 miRNA途径介导的
RNA沉默来实现抑制寄主抗性 [103]。在植物中表达
CMV2b基因的人工 microRNA(artificial microRNA，
amiRNA)可以有效地抑制 CMV2b基因的表达，从
而提高植物对 CMV的抗性 [104]。另一项研究表明，
这种通过针对病毒 mRNA中编码基因沉默的抑制
蛋白序列的 amiRNA不仅能够获得有效的抗病性，
而且具有很好的特异性 [105]。如果在植物中同时表
达编码 TYMV的 P69蛋白以及 TuMV的 HC-Pro蛋
白的靶序列的 amiRNA，可以同时获得对这两种病
毒的抗性。实际上，通过表达针对 TuMV病毒包被
蛋白特异序列的 amiRNA也可以提高转基因植物的
抗性 [105]。因此，人工 microRNA技术有望被广泛
用来提高植物的抗病性。在植物中表达棉铃虫
CYP6AE14基因的 dsRNA，用转基因植物对棉铃
虫进行喂饲实验发现，棉铃虫幼虫中肠内的
CYP6AE14基因表达量下降并且棉铃虫对棉酚的抗
性减弱 [106]。在植物中表达昆虫基因的 dsRNA，能
通过喂饲在昆虫体内起到基因沉默的作用，为病虫
害的防治和研究提供了一种新的策略。
除将外源基因导入植物体而获得新的性状外，
转基因技术还可以通过改造植物本身的信号途径来
获得理想的植株。通过控制赤霉素合成或信号转导
途径来获得合适的株高是现代育种的有效手段 [107, 108]。
Sakamoto等 [109]用 OsGA3ox2 (D18)的启动子驱动
OsGA2ox1，将其转入水稻后，转基因水稻株系株高
出现不同程度的降低，但育性和籽粒发育都没有受
到影响。通过对后代进行分析，株高和育性等性状
可以稳定遗传，说明通过转基因技术可以改良禾谷
类作物，为育种提供材料。在提高作物抗逆性方面，
在实验研究中通过转基因技术将抗性相关基因转化
到目标植物中获得了对环境胁迫抗性较强的转基因
植株，如将转录因子 ONAC045在水稻中过量表达，
能显著的提高转基因植株的抗旱性 [62]。同样，将水
稻中MYB类转录因子 OsMYB3R-2过量表达到水稻
中后，转基因材料的抗冻性明显增强 [110]。
虽然转基因在提高粮食作物产量和改良品质中
表现出良好的前景，但目前转基因安全问题依然是
制约转基因作物发展的关键。对转基因作物进行安
全性评价和无选择标记转基因作物的开发将推进转
基因作物的应用。转基因作物能够为发展中国家的
粮食安全和提高食品品质等做出重要的贡献。
2.2　分子标记辅助选择育种
在作物遗传育种改良过程中，一些重要的农艺
性状如品质和抗病性等难以直接进行选择，这些性
状受环境影响较大，检测费时费力。对于多个性状
的聚合，传统的育种方法往往无能为力，而利用分
子标记辅助选择育种手段可以准确、高效地实现对
多个性状进行聚合育种，使传统育种难以进行的过
程成为可能。随着更多控制这些性状的基因和
QTLs的发现、定位克隆与功能解析，可以利用的
分子标记也逐渐丰富，为分子标记辅助选择育种提
供了条件。对于难以观察和评估的性状，分子标记
辅助选择育种能大大的提高选择效率，节约时间和
成本 [111]。
Liu 等 [112]利用分子标记辅助选择方法，将 3
个小麦抗白粉病基因组合 Pm2+Pm4a、Pm2+Pm21、
Pm4a+Pm21分别聚合到农艺性状优良的小麦品种
“Yang158”中，对其白粉病抗性进行了有效的改良。
Kuchel等 [113]为把小麦供体亲本 Annuello的抗病性
和优良的面团品质基因导入到澳大利亚优良品种
Stylet中，借助分子标记在 72个 BC1F1单株中对抗
锈病基因 Lr34/Yr18和 Lr46/Yr29进行筛选得到 21
个单株。利用单倍体育种技术，在 2 000个单倍体
中对抗锈病基因 Lr24/Sr24、Lr34/Yr18，株高基因
Rht-B1、Rht-D1、Rht8 和麦谷蛋白基因 Glu-A3、
Glu-B3进行筛选最终得到 242个单株，经过加倍繁
种在 DH3代对产量、抗病性和品质进行检测，最
终获得 40个与育种目标相符的株系，并且有 5个
株系各种性状表现都十分突出。通过 3年的时间把
两个不同的性状导入一个优良受体，在较小的群体
中得到了很好的纯合株系，可见分子标记辅助选择
育种大大提高了育种效率。
水稻重组自交系 NIL-Gn1的穗重增加，但容易
倒伏。为了克服倒伏问题，Ashikari[37]等采用 QTL
聚合育种的方法，首先将 Habataki中的 sd1基因转
到 Koshihikari背景下，然后与带有 Gn1a+Gn1b基
因的重组自交系 NIL-Gn1杂交，通过分子标记选择
得到同时含有 sd1基因和 Gn1基因的重组自交系
NIL-sd1+Gn1，其产量增加 23%，而株高降低 20%，
吴　健，等：植物重要功能基因研究进展及其应用第2期 175
克服了 NIL-Gn1倒伏的缺点。
Perumalsamy等 [114]根据水稻抗白叶枯基因
xa5、xa13和 Xa21的序列，在它们的启动子或基因
编码区域设计了一些功能标记，利用这些标记对抗
病育种群体进行分子标记辅助选择，将这三个抗性
基因聚合到当地感病的主栽品种中，得到一系列的
高产抗病品系，筛选效率达到 100%。
Bradbury等 [115]研究表明，芳香性稻米很可能
是由位于第八号染色体上一个编码甜菜碱醛脱氢酶
2的基因突变引起的，该基因的第 7个外显子处发
生了 7个碱基缺失并存在 3个 SNP位点，导致该
基因编码的酶失活。Thomson等 [116]根据该基因与
其等位基因的碱基序列差异，设计了一些功能标记，
用这些标记对一个 F2分离群体的 168个单株进行
检测，不仅准确率达到 100%，而且能反映该基因
位点的基因型，同时在一个很小的群体样本中就能
选择需要的基因型。可见，功能基因组学的研究和
发展，极大地提高了分子标记辅助选择育种的准确
性和选择效率。
虽然分子标记辅助选择育种在育种中表现出了
它的优势，但目前其应用主要局限在单基因控制的
质量性状。对于那些由数量基因控制的重要性状尚
未被大规模应用，主要原因是 QTLs的准确性和可
靠性。由于 QTLs的定位受环境和遗传背景的影响，
所以获得的 QTLs往往准确性不够，特别是微效
QTLs。另外，缺少有效的分子标记也是限制分子
辅助育种的又一原因，如有些分子标记距离筛选的
目的基因很远，在育种过程中可能在分子标记和基
因之间出现重组，导致通过分子标记选择出的个体
与目的基因型不连锁 [111]。所以，需要通过对更多
的功能基因进行克隆以丰富功能基因资源，通过对
不同表型对应的等位基因进行比较，在功能基因内
部或侧翼进行功能分子标记设计，从而提高分子标
记辅助选择育种的准确性。
3　植物功能基因研究展望
随着生物技术的不断发展，功能基因的研究也
越来越深入。正如前文所述，许多重要的植物功能
基因得到克隆和功能解析，为作物改良提供了丰富
的基因资源。一些基因的成功应用使我们相信功能
基因的研究将对作物产量、品质、抗性等性状的改
良起到越来越重要的作用。然而，生物体是一个复
杂的系统，现在对植物基因的认识还是以单个基因
为主，而且是功能基因中很少的一部分。新一代的
测序技术和新的功能基因研究手段为人们理解和阐
明复杂性状的基因网络关系提供了强有力的工具，
如关联分析方法 (association analysis)近年来逐渐
应用于植物功能基因研究 [117, 118]，特别是 GWAS
(genome-wide association studies)方法的建立，将成
为认识和发掘复杂性状基因的重要手段 [119-122]。
[参　考　文　献]
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