全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(5): 767−774 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(30970171), 国家转基因生物新品种培育重大专项(2009ZX08009-125B)和浙江省杰出青年基金资助
项目(R3100100)资助。
* 通讯作者(Corresponding authors): 张光恒, E-mail: zhangguangheng@126.com; 钱前, E-mail: qianqian188@hotmail.com
第一作者联系方式: E-mail: email_xj@126.com
Received(收稿日期): 2012-11-02; Accepted(接受日期): 2013-01-16; Published online(网络出版日期): 2013-02-19.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130219.1020.009.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.00767
水稻叶片形态建成分子调控机制研究进展
徐 静 1,2 王 莉 1,2 钱 前 1,* 张光恒 1,*
1 中国水稻研究所 / 水稻生物学国家重点实验室, 浙江杭州 310006; 2 中国农业科学院研究生院, 北京 100081
摘 要: 叶片形态是水稻“理想株型”的重要组成部分, 是当前水稻高产育种关注的重点。本文通过对已克隆多个叶形
相关调控基因综述了水稻叶片形态(叶片卷曲度、倾角、披散程度以及叶片宽度)建成的分子遗传学研究进展。综合
分析认为, 水稻叶片的卷曲主要是通过卷叶基因调控叶片近轴/远轴间的发育、泡状细胞的发育及其膨胀和渗透压、
厚壁组织的形成以及叶片角质层的发育等来实现。影响植株空间伸展姿态的叶倾角主要通过叶角基因调控油菜素内
酯的信号传导来影响叶枕细胞的生长发育; 唯一被克隆的影响叶片披垂度的披叶基因 DL1 是通过控制叶片中脉发育
而改变叶片形态的; 而窄叶基因则主要通过调控生长素的合成与极性运输、维管组织的发育和分布, 影响叶片维管束
数目及宽度。但到目前为止, 所有已克隆的叶形调控基因间相互调控关系的研究还不够深入, 还不能完整清晰地勾勒
水稻叶形建成和发育的分子调控网络。因此, 在已有的研究基础上更深入地探索水稻叶片形态建成的分子调控机制,
对进一步构建相关的调控网络, 塑造水稻理想株型具有重要意义。
关键词: 水稻; 叶片形态; 基因; 分子机制
Research Advance in Molecule Regulation Mechanism of Leaf Morphogenesis
in Rice (Oryza sativa L.)
XU Jing1,2, WANG Li1,2, QIAN Qian1,*, and ZHANG Guang-Heng1,*
1 State Key Laboratory of Rice Biology / China National Rice Research Institute, Hangzhou 310006, China; 2 Graduate School of Chinese Academy of
Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Rice leaf morphosis is one of important components in the design of ideal plant architecture, and is the main focus in
high-yield breeding of rice. The paper expounds the advance in the molecular genetics research of rice leaf morphosis (including
leaf rolling, leaf angle, leaf drooping, and leaf width) by analyzing the leaf shape regulating genes that have been cloned. Com-
prehensive analysis reveals that the leaf rolling is controlled by related genes that regulate the development of leaf along the ad-
axial-abaxial axis, the development of bulliform cells, osmotic pressure or turgidity in bulliform cells, the formation of scleren-
chymatous cells and the development of cuticle. Leaf inclination, which affects the plant space extension posture, is regulated by
the development of phyllula which is controlled by genes conferring the biosynthesis or signaling of phytohormone brassinoster-
oids (BRs). The only cloned drooping leaf gene controls the leaf shape by influencing midrib formation. Narrow leaf genes regu-
late the leaf width through controlling the synthesis of auxin and its polar transport, and the development and distribution of vas-
cular tissues. However, the study on the relationship between regulation roles of these cloned leaf shape genes. is not profound
enough to draw an outline of molecular regulation network for rice leaf development and morphosis completely and clearly.
Therefore, on the basis of current research findings, it is of great significance to further explore the rice leaf molecular regulation
mechanism for establishing related regulation network and shaping ideal rice plant architecture.
Keywords: Rice (Oryza sativa L.); Leaf morphology; Gene; Molecular mechanism
选育形态与产量兼顾的理想株型材料, 以打破
中国乃至世界范围内水稻单产多年徘徊的局面, 一
直是水稻育种工作者的主要目标之一。叶片形态是
水稻“理想株型”的重要组成部分, 是当前水稻高产
768 作 物 学 报 第 39卷


育种关注的重点。科学家经过多年的努力, 在水稻
叶片形态的建成机制和分子育种利用等方面研究都
取得了一些初步的进展。本文将综述前人在水稻叶
片形态建成方面的研究成果, 并展望叶片形态的研
究及育种应用, 以期为超高产水稻育种和理想株型
的塑造提供参考。
1 水稻叶片形态结构
水稻植株形态发生(plant morphogenesis)指水稻
的外部形态和内部结构的起源、发育和建成的过程。
水稻叶片的形态是水稻植株器官发生和形态形成的
一个重要组成部分, 直接影响水稻株型。
植物叶片形态包括叶形、叶尖、叶缘、叶基和
叶脉等外部特征[1]。水稻作为单子叶模式植物, 主要
通过叶长、宽度、面积、厚度(比叶重)、叶倾角、
披垂度和卷曲度等[2] 10余个形态因子界定其叶片形
态及空间伸展姿态。通常一个完整的水稻叶片包括
上下表皮细胞、叶肉细胞、薄壁细胞、木质部、韧
皮部和维管束等组织结构, 每一个组织都发挥着不
可或缺的作用 ,其中叶片表皮中的泡状细胞发育形
态往往与叶片形态密切相关。泡状细胞是一种大型
薄壁细胞, 其细胞长轴与叶脉平行, 分布于 2个叶脉
的上表皮中, 每个细胞内含有大液泡。泡状细胞与
叶片的卷曲和舒展有关 , 当叶片蒸腾失水过多时 ,
泡状细胞失水收缩, 使得叶片向上卷曲, 以减少蒸
腾; 当天气湿润叶片蒸腾减少时, 泡状细胞吸水膨
胀, 使得叶片又展开。
水稻卷曲度、叶片角度、披垂度以及叶片宽度
是水稻株型育种中特别注重的方面。叶片适度卷曲
最直接的效应是对叶片的直化作用, 能促进叶片的
直立而不披散, 改善叶片的受光状态, 延迟叶片衰
老, 能够有效解决叶长和叶挺之间的矛盾。叶角是
衡量叶片的空间伸展姿态主要指标, 是指叶片和茎
之间的角度; 叶角对于水稻群体的受光面积具有重
要的影响, 直立叶片由于两面受光, 减少叶片的相
互遮蔽 , 提高透光率 , 有利于叶面积指数的提高 ,
增加光合面积[3], 降低阳光反射率。通常具直立叶的
水稻群体光合效率高于平展或者披、弯、垂叶片群
体。叶片维管束由细胞增殖形成[4], 起着机械性支撑
叶片的作用, 尤其是主维管束(中脉)的正常发育是
保证叶片直立性的重要因素之一, 直接影响叶片的
披垂度。适当的叶片宽度则可以改善叶的挺拔度 ,
调整受光状态, 进而增大叶面积指数, 增加光合产
物, 这 4个方面相互关联, 相互影响。改善叶形对水
稻光合作用、蒸腾作用及挖掘水稻品种产量潜力都
有重要作用。
2 植物叶片发育调控与进程
通常植物生长发育的控制, 包括三个层次, 即
胞内控制(即基因水平控制)、胞间控制(即激素水平
控制)和胞外控制(即环境水平控制), 同样, 植物叶
片发育也受基因水平、激素水平和环境水平共同影
响。黄海等[5]认为环境因素可以诱导某些与发育相
关的基因的表达, 发育后期基因的表达可能受到发
育前期表达的基因产物的影响, 细胞内植物激素的
平衡可能受到基因产物的影响, 植物激素反过来又
能调节另一些基因的表达等等。
从植物叶片的发育进程来看, 叶的发育包括叶
原基在茎顶端分生组织(shoot apical meristem, SAM)
的形成和分化, 以及之后从叶原基分化出来的叶片
的发育。从起始细胞发育成一片不对称的完整叶 ,
还需要极性发育才能完成。极性是植物器官的形态
学两端生理特性不同的现象。极性的建立是植物叶
片形态发育的前提, 一直被认为是器官形态建成过
程中的核心因素。植物学家把典型的成熟单叶(相对
于复叶而言)的发育定为三维体轴上的生长, 即基-
顶轴(proximo-distal fate, 由基部叶柄指向叶片的尖
端); 近-远轴(adaxial-abaxial fate, 面向茎的一侧为
近轴面 , 反之为远轴面 ); 中 -侧轴 (Centrol-lateral
fate, 叶片的中轴为中心指向叶片的两侧边缘)[1]。
3 水稻叶形基因的克隆及其分子调控机制
迄今, 水稻叶片形态建成的遗传研究已取得很
大进展。一方面 , 科学家们利用水稻重组自交系
(RIL)、单倍体加倍(DH)等永久性遗传群体构建连锁
图, 通过 QTL分析及构建近等基因系定位叶形目标
QTL 并进行分离克隆; 另一方面, 通过化学诱变、
辐射诱变及 T-DNA插入等技术处理水稻种子, 创建
系列水稻叶形突变体 , 定位或克隆叶形相关基因 ,
并研究其分子作用机制, 为水稻叶片形态调控网络
的建立奠定了基础。据已有文献报道, 已完成 20余
个与水稻叶片卷曲度、叶宽、叶倾角及叶片披垂等
叶片形态相关的调控基因的克隆及其分子调控机制
初步研究(表 1)。下文从水稻叶片卷曲度、叶片倾角、
叶片披散度以及叶片宽度等 4 个方面对水稻叶片形
态建成机制的研究进展进行分别论述。

第 5期 徐 静等: 水稻叶片形态建成分子调控机制研究进展 769


表 1 已克隆的水稻叶形基因及其调控机制
Table 1 Genes for leaf morphology that has been cloned and its regulation mechanism
基因
Gene
染色体
Chromosome
分子调控机制
Molecular regulation mechanism
叶形建成作用
Function of leaf morphosis
文献
Reference
卷叶 Leaf rolling
CFL1 2 编码一个含 WW域的蛋白, 与 HDG1互作调控
下游角质层发育相关基因 BDG和 FDH的表达。
影响角质层发育, CFL1 基因突变导致角
质层发育受损。
Wu et al. [6]
ROC5 2 编码一个第四类亮氨酸拉链转录因子, 调控类
表皮因子基因 PFL 的表达, 进而影响近轴面泡
状细胞数目和大小。
控制泡状细胞的发育, ROC5 基因突变导
致泡状细胞增大, 数目增加。
Zou et al. [7]
ADL1 2 编码一种植物特有的类 Calpain 半胱氨酸蛋白
酶, 调控成熟叶中 HD-ZIPⅢ的表达, 维持叶片
近轴/远轴面发育。
控制叶片上表皮细胞发育, ADL1 突变导
致远轴面上皮细胞与叶肉组织近轴化, 分
化为类泡状细胞。
Hibara et al. [8]
OsAGO7 3 编码一个含有 PAZ 和 PIWI 结构域的蛋白, 影
响 ARF3-like与 ARF4-like的表达。
控制叶片近/远轴面的发育, 维持叶片等
面发育。
Shi et al. [9]
ACL1 4 编码一个带有未知保守功能域的蛋白, 调控近
轴面泡状细胞数目和大小。
控制泡状细胞发育, 调节泡状细胞的大小
和数目。
Li et al. [10]
SRL1 7 编码一个定位于细胞质膜的 GPI 锚定蛋白, 影
响氢离子 ATP酶(亚基 A, B, C和 D)和氢离子焦
磷酸化酶的表达。
控制近轴面泡状细胞发育, SRL1突变将导
致泡状细胞数目增加。
Xiang et al. [11]
SLL1 9 编码一个 SHAQKYF 类 MYB 转录因子, 属于
KANADI 家族。
调控远轴面叶肉细胞的细胞程序化死亡,
SLL1 基因突变导致叶肉细胞程序性细胞
死亡紊乱, 远轴面厚壁细胞缺失。
Zhang et al. [12]
RL14 10 编码一个未知功能的 2OG-Fe(II)氧化酶, 调控
二级细胞壁形成相关基因的表达。
控制叶片中二级细胞壁的合成, RL14突变
导致纤维素含量上升, 木质素含量下降,
泡状细胞缺水收缩。
Fang et al. [13]
叶角 Leaf angle
OsBRI1 1 编码一个BR 受体激酶, OsBRI1 是BR 信号受体。 调控水稻节间的伸长, 包括诱发居间分生
组织的形成和节间细胞的纵向伸长; 控制
叶片的倾角(弯曲度); 影响暗形态建成。
Yamamuro et
al. [14]
LC2 2 编码一个类VIN3蛋白, 调控细胞分裂相关基因
及植物激素反应相关基因的表达, 作为细胞分
裂的阻遏物调控叶枕发育。
控制维管束两侧泡状细胞的发育和叶枕
近轴面上皮细胞的分裂, LC2 基因突变导
致泡状数目增加, 叶枕近轴面上皮细胞增
多。
Zhao et al. [15]
OsDWARF4 3 编码一个细胞色素 P450 CYP90B2, 催化油菜素
内酯生物合成后期步骤的 C-22 的羟基化。该基
因与 CYP724B1/D11在功能上存在冗余。
OsDWARF4 在叶片和根中表达量很高 ,
但在其他组织不表达。OsDWARF4 突变后
形成直立叶。
Sakamoto et al.
[16]
XIAO 4 编码一个类 LRR 激酶, 调控细胞周期相关基因
的表达, 影响 BR信号传递。
调控水稻株型, 器官大小, 结实率和根性
发育生长。
Jiang et al. [17]
ILI1 4 编码一个 HLH 蛋白, 受上游 BZR1 调控, 与
IBH1拮抗互作。
控制叶枕近轴面细胞形态, ILI1 基因突变
导致叶枕近轴面细胞增长。
Zhang et al. [18]
ILA1 6 编码一个类 RafMAPKKK蛋白, 具有 Ser/Thr激
酶活性, 与一个核蛋白家族 IIPs的互作。
控制叶枕维管束形成与细胞壁组分形成。 Ning et al. [19]
OsGSR1 6 编码 GAST 基因家族的一个蛋白 , 与 DIM/
DWF1 互作 , 调控 BR 生物合成 ; 并且调控
OsGA20ox2的表达, 影响内源GA含量; 介导两
个通路间互作。
调节水稻株型、叶形发育及籽粒灌浆。 Wang et al. [20]
BU1 6 BU1 编码一个含有螺旋-环-螺旋(HLH)结构域
的蛋白, 是水稻 BR 信号传导中的正调节因子。
BU1 在叶片结合处, 韧皮部和胚的上皮细胞等
组织中表达, 受外源 BR 处理诱导, 同时外源
BR 诱导 BU1 的表达并不依赖于蛋白的合成。
BU1 参与 BR 的信号传导但不参与 BR 的生物
合成。
控制水稻叶片结合处的弯曲。过量表达
BU1 导致叶片结合处的弯曲增大, 而抑制
BU1 的表达使叶片出现直立的表型。
Tanaka et al. [21]
OsLIC1 6 分蘖角度增加调控子 OsLIC1, 是 OsBZR1 的一
个直接靶标, 能被 GSK3激酶磷酸化, 作为一个
与 BZR1拮抗的锌指转录因子, 减弱 BR信号。
通过油菜素内酯信号通路及其体内合成
特异性调控水稻叶夹角大小、株高以及分
蘖角度和穗粒数等株型特性。
Zhang et al. [22]
Wang et al. [23]
770 作 物 学 报 第 39卷


(续表 1)
基因
Gene
染色体
Chromosome
分子调控机制
Molecular regulation mechanism
叶形建成作用
Function of leaf morphosis
文献
Reference
OsBAK1 8 编码一个 OsSERKs 基因家族的蛋白, 作为 BR
信号受体BRI1的激酶, 参与BR信号传导途径。
Li et al. [24]
披叶 Leaf drooping
DL 3 编码一个 YABBY 基因家族的蛋白, 其时空表达
受 DG1序列的顺式调控。
控制主脉的发育, DL突变导致叶片中脉
发育受阻, 影响叶片机械支撑强度。
Ohmori et al. [25]
窄叶 Narrow leaf
NAL7 3 编码的是 YUCCA 家族的一个含核黄素的单加
氧酶。
调控 IAA的生物合成。 Fujino et al. [26]
NAL1 4 编码一个植物特有的生物学功能未知蛋白, 调
控水稻 IAA的极性运输,影响维管组织的发育及
分布模式。
控制叶脉数目, NAL1基因突变导致叶片
纵脉数目减少。
Qi et al. [27]
NRL1 12 编码一个类纤维素合成酶蛋白 D4。 控制叶脉发育, NRL1基因突变导致叶片
纵脉(2级和 3级脉)数目减少。
Hu et al. [28]

3.1 水稻卷叶发育分子调控
前人对模式植物拟南芥和玉米的卷叶突变体研
究发现 , 叶片近轴 /远轴面的发育影响叶片的卷曲
度。位于叶片上表皮的泡状细胞形态是影响叶形的
最主要细胞结构之一 ; 泡状细胞的膨胀与渗透压 ,
也是影响叶片卷曲的重要因素。生理研究显示, 在
水分胁迫下 , 泡状细胞失水收缩 , 叶片卷曲; 当去
除胁迫, 则泡状细胞吸水膨胀, 叶片恢复原状。几乎
所有涉及叶片卷曲的基因都或多或少的影响泡状细
胞的发育。因此, 可以推测, 泡状细胞生长的状况与
叶片的卷曲是密切相关的。在缺水、干旱或重金属
污染等外界环境因子影响下产生的水稻叶片的卷曲,
最直接的反应也是泡状细胞的膨胀与渗透压两个方
面受到了影响。而目前科学家们普遍认可的细胞决
定新理论认为, 自身基因水平的遗传因素是决定水
稻叶片形态建成的主要因素, 并开展了大量的水稻
叶形分子调控层面的遗传与机制研究。借助水稻卷
叶的突变体分离克隆多个叶形基因, 至今已报道了
8个影响叶片近轴/远轴面发育的基因, 包括 SRL1、
SLL1、RL9、ACL1/ACL2、ADL1、OsAGO7、RL14
和 Roc5等。
水稻叶片中多个细胞类型、组织结构的变异都
可能导致叶片形态变化, 目前发现最常见的导致叶
片发生卷曲的组织细胞结构包括各级大小叶脉中的
维管束组织、角质层及维管束两侧的泡状细胞。最
近由中国水稻研究所和上海植物生理生态研究所合
作完成叶形调控基因 SRL1 的克隆, 并借助激光显
微切割的方法, 切割出突变体中最后可能分化成泡
状细胞的表皮细胞(分化前泡状细胞)以及野生型中
对应位置的表皮细胞, 提取RNA扩增后进行全基因
组芯片分析。研究发现 SRL1基因编码一个定位于细
胞质膜的 GPI 锚定蛋白, 影响氢离子 ATP 酶(亚基
A、B、C和 D)和氢离子焦磷酸化酶的表达, 从而抑
制叶片近轴面泡状细胞的生成, 导致叶片向近轴面
卷曲[11]。反卷叶基因 ACL1/ACL2 是通过 T-DNA 插
入而获得 , 该基因编码一个没有保守功能域的由
116 个氨基酸组成的蛋白, 在叶片和叶鞘部位高表
达, 其突变使得近轴面泡状细胞的数目和大小增加,
表皮细胞增大 , 叶片近轴面和远轴面发育不协调 ,
导致叶片向远轴面卷曲, 其在野生型上的过量表达
可造成与插入突变体一样的外卷表型 [10]。ADL1 编
码一种植物特有的类 Calpain 半胱氨酸蛋白酶, 与
玉米的 DEFECTIVE KERNEL1同源, 在正常状态下,
叶片的泡状细胞只分布在近轴面上, 而该基因的突
变能够造成近轴面的泡状细胞增多及远轴面产生类
泡状细胞的结构, 即远轴面的上皮细胞与叶肉组织
产生一种近轴化现象, 从而改变了叶片的极性, 造
成叶片的向远轴面卷曲[8]。Zou等通过 T-DNA插入
法发现了一个外卷突变体 oul1, 该表型是由于敲除
Roc5 基因造成的, 该基因是拟南芥 GLABRA2 的同
源基因, 在 Roc5 缺失突变体及共抑制植株中, 叶片
近轴面的泡状细胞数量和大小都增加, 呈现外卷表
型 , 而过表达植株中 , 近轴面上两者均减少 , 使叶
片内卷[7]。NRL1 与 RL14 均是水稻中已可隆的, 是
通过影响泡状细胞发育进而影响叶片卷曲的基因。
窄卷叶基因 NRL1 编码一个水稻的纤维素合成类似
酶OsCSLD4, nrl1突变体, 相对于野生型, 泡状细胞
明显减小, 而形成半卷叶的表型[28]; RL14 编码一个
未知功能的 2OG-Fe(II)氧化酶, 该基因通过影响二
级细胞壁结构 , 影响水分运输 , 导致水分不足 , 泡
第 5期 徐 静等: 水稻叶片形态建成分子调控机制研究进展 771


状细胞缺水收缩, 叶片卷曲[13]。
除了泡状细胞能够造成叶片的卷曲以外, 叶片
维管束中叶肉细胞的分布及厚壁组织的形成也同样
影响到叶片的卷曲度。最早利用图位克隆技术克隆
到的卷叶调控基因 SHALLOT-LIKE1 就与叶片远轴
面厚壁组织发育相关, 该基因编码的是 KANADI 家
族的 MYB-DNA 结合域的转录因子, 该基因通过调
控远轴面叶肉细胞的程序化死亡, 而调控植株叶片
的形状。研究表明, SLL1 基因突变导致水稻叶片远
轴面叶肉细胞的程序性死亡过程紊乱, 抑制叶片远
轴面厚壁组织的正常形成, 二级维管束中远轴面厚
壁组织被叶肉细胞替代, 叶肉细胞在叶片的下表皮
数目增多, 使叶片向近轴面卷曲[12]。
除了以上两个方面, 亦有研究表明, 水稻叶片
角质层的发育同样影响叶片的卷曲度, 例如 CFL1,
该基因的突变表现出显性卷叶突变表型, 编码一个
WW结构域, 其编码的蛋白与 HDG1 (第 4类同源盒
富亮氨酸拉链转录因子)蛋白互作, 通过影响 HDG1
下游角质层发育相关基因 BDG 和 FDH 的表达, 负
调控角质层的发育, 进而影响叶片的卷曲度[6]。
由此可见, 水稻叶片卷曲主要受叶片近轴/远轴
面的发育、泡状细胞的发育及其膨胀和渗透压、以
及叶片角质层的发育的影响, 其中叶肉细胞的发育
与分布, 泡状细胞的数目和大小均会影响叶片近轴/
远轴面的发育平衡。
3.2 水稻叶片倾角发育分子调控
叶枕(叶片与叶鞘的连接处)对于叶角的大小有
重要的作用, 因此, 任何影响叶枕生长发育的因素
都会影响到叶片倾角。近来的研究显示, 叶枕发育
的两方面能导致叶片倾角的改变: (1)叶枕近轴/远轴
面细胞分裂与生长的不平衡; (2)叶枕机械组织发育
及其机械强度。
通过对叶角突变体的研究发现, 绝大部分突变
体的叶角改变都源于叶枕近轴面细胞分裂与生长的
异常, 且相应的基因都参与了油菜素内酯(BR)的生
物合成与信号传导途径 , 包括 LC2、OsBRI1、
OsLIC1、OsBAK1、BU1、ILI1 等(表 1)。这些基因
的突变导致近轴与远轴面细胞分裂与生长不平衡 ,
进而改变叶角。Zhang 等[22]最新克隆的一个水稻叶
片和分蘖角度增加的调控基因 OsLIC1, 作为 BZR1
的一个拮抗转录因子, 减弱BR信号, 调节水稻叶片
的弯曲。LC2基因编码 VIN3-like的蛋白, 该蛋白含
有保守的 PHD 以及 VID domain。LC2 所在的蛋白
家族的 4 个成员(L10、C02、H08 和 LC2)存在着两
两相互作用, 且依赖于 VID domain。在叶形发育上,
LC2 基因具有两个层次的调控作用。一是通过抑制
维管束两侧泡状细胞数目; 二是调控叶枕近轴面上
表皮细胞的分裂。该基因突变的叶片表型之一是维
管束两侧的泡状细胞数目成倍增加, 使叶片产生向
外卷曲; 另一表型就是突变体叶枕部位上皮细胞分
裂能力增加, 直接结果是上下表皮细胞分裂不平衡,
导致叶片基部与茎秆之间夹角增大[15]。
根据前人的研究, 影响叶枕机械组织强度进而
改变叶角的基因目前只克隆了一个, 即 ILA1, 且该
基因与油菜素内酯的反应无关。ILA1编码一个具有
Ser/Thr 激酶活性的功能激酶, 主要定位在核内, 主
要在叶枕维管束中表达 , 通过与一个核蛋白家族
IIPs 的互作, 调节叶枕维管束的形成以及细胞壁的
结构, 进而影响叶片倾角[19]。另一个影响叶片与叶
鞘连接处发育且与油菜素内酯反应无关的基因
TLD1 [30], 也起调节叶角大小的作用。TLD1编码吲
哚 3-乙酸氨基合成酶, 正常条件下该基因在地上部
组织中不表达, 干旱胁迫下受到强烈的诱导, 该基
因的一个功能获得型突变, 减少了 IAA 在叶片与叶
枕的最大积累量, 进而很大程度上促进了胚胎形成
后期富集 mRNA的积累, 导致叶角的改变。
因此, 叶角大小的调控是一个复杂的过程, 在
很大程度上受叶枕发育的影响, 在这过程中植物内
源植物激素油菜素内酯又起着很重要的调节作用。
此外, 除了油菜素内酯, 包括生长素[30]、乙烯[31]等
植物激素都起着调节叶角大小的作用。这些植物激
素与油菜素内酯协同调控叶角的大小。
3.3 水稻披叶性状发育分子调控
水稻叶片呈长披针形, 均匀地分布着许多平行
的纵走脉纹。中脉是保持叶片直立性的重要因素之
一, 由叶片中间区域的细胞增殖而成。叶片披垂往
往是由于叶片中间区域的细胞不能增殖加厚形成中
脉, 因而不能支撑自身重量。
目前已经克隆的披叶基因仅 Drooping leaf1
(DL1)。DL1位点发生隐性突变的突变体的叶片均不
能形成正常的中脉, 表现出披叶的特性, 披叶基因
DL1是 YABBY家族中的一个成员, 在叶原基中心区
域(推测的中脉位置)特异表达。一段称为 DG1 的序
列是 DL1 时空表达的顺式调控元件, 引起 DL 在假
定的中脉中表达 , 而抑制在叶原基的其他区域表
达。通过 DG1 对 DL1 的异位表达调控所产生的转
772 作 物 学 报 第 39卷


基因植株在叶片的末端产生了中脉, 野生型中这个
位置没有中脉, 与野生型相比形成更多的向上的叶
片。另一个未克隆的披叶基因 dl2 [32], 影响叶片中
脉发育和叶脉的发生模式, 其突变导致中脉缺少细
胞和近轴小维管束而叶片披垂[25]。叶片的披垂度很
大程度上受中脉发育的影响, 虽然叶片的卷曲也能
起一定的作用。然而, 当前分子遗传研究还未取得
较大的进展, 仅克隆了 DL1 一个相关基因, 仍有待
进一步探究叶中脉及其它相关因素的发育调控机制,
及其对叶片披垂度的影响。
3.4 水稻窄叶性状发育分子调控
生长素作为一类主要的植物激素, 精密地调节
着茎尖分生组织的叶原基分化和叶发育的细胞生长,
与窄叶性状密切相关。在已克隆的 3 个窄叶基因
NAL7、NAL1和 NRL1中, 基因 NAL7与 NAL1就分
别涉及到生长素的生物合成与极性运输; 而 NRL1
则通过调控叶片维管组织的发育, 影响叶片宽度。
NAL7编码的是 YUCCA家族的一个含核黄素的单加
氧酶, 参与生长素的生物合成, 是控制叶宽的主效
基因 , 该基因的突变 , 引起生长素含量变化; 与野
生型相比, 突变体生长素含量在叶基部下降, 而在
穗部及 4 日龄秧苗地上部上升。该突变体中生长素
含量的变化最终导致窄叶突变性状的出现[26]。NAL1
编码一个植物特有的生物学功能未知蛋白, 主要在
维管组织中表达, 该基因的突变使生长素的极性运
输能力下降, 进而影响维管组织的发育与分布, 突
变体叶片中两条平行主脉之间的小脉数目比野生型
明显减少, 造成窄叶表型[27]。NRL1编码一个类纤维
素合成酶蛋白 D4 (OsCslD4)。在抽穗阶段, 该基因
在生长旺盛的器官中表达更高, 如根部、叶鞘和穗;
而该基因的突变, 使其表达量下降, 叶片纵脉数减
少, 表现窄叶[28]。
由此可见, 稻叶宽度一方面与生长素的合成及
运输紧密相关, 另一方面也受到维管组织发育与分
布的影响。由于生长素具有调控细胞分裂、伸长与
分化的作用, 其对维管组织发育与分布同样具有影
响。因此, 阐明两者间的关系, 对于进一步明确窄叶
性状发育机制具有重要作用。
4 展望
培育高产超高产的水稻品种, 是水稻育种工作
者的永恒目标。水稻叶片形态作为理想株型的重要
组成部分, 研究并筛选出生产上最有利用价值的叶
形基因 , 对水稻理想株型育种具有十分重要的意
义。传统高产育种与栽培措施相结合已经对水稻产
量的提高做出了很大的贡献, 再提高的潜力已经非
常小。虽然当前水稻育种中叶片形态的优化主要还
是通过传统的育种手段, 然而随着转基因技术的不
断完善, 定点改造和有利基因的定向聚合将成为可
能。借助转基因技术进行理想株型有利基因的聚合
育种, 将更高效地完善株型结构, 挖掘超高产育种
潜力。
叶片的形态建成是一个极其复杂的过程, 含多
层次、多角度的协同作用。受外部形态和内部结构
的起源、发育和建成的过程的共同调控。近年来, 水
稻叶形已成为遗传学和育种学家的研究热点, 用现
代生物技术和传统育种方法已定位或克隆了多个水
稻叶形相关基因。但这些已分离到的基因主要是通
过同源克隆和利用化学诱变(EMS)、辐射诱变获得
突变体图位克隆的途径获得, 而真正通过 QTL定位
分离到叶形调控基因的相对偏少。因此, 对叶形态
调控机制还局限于单个基因功能的研究, 叶形基因
之间是否存在一定互作和上下游的调控关系还未见
报道, 叶形调控网络还不明晰, 与拟南芥等植物叶
片形态建成机制的深入研究还存在较大差距。因此,
参照其他植物叶形建成的分子调控的研究模式, 通
过构建遗传群体分离更多的叶形调控 QTL/基因, 采
用双突变、回复突变等技术方法开展叶片形态建成
机制研究, 对阐明水稻叶形基因之间的相互关系及
其调控网络是一条行之有效的重要途径。另一方面,
在加大已有叶形控制基因调控机制的深入分析同时,
结合种质资源中基因的等位性分析以及功能标记的
开发 , 发掘和鉴定不同基因间发育网络调控途径 ,
对丰富和完善水稻叶形调控机制以及解释其在株型
育种中的应用具有重要作用。
同时, 通过对水稻群体受光姿态、群体透光性
和叶面积指数等与光合作用密切相关指标的探索研
究, 并结合蒸腾与呼吸作用的相关指标, 有助于将
多样的水稻叶形态资源应用于育种改良并提供理论
依据上的支持。其中部分研究成果已经被育种家成
功运用于实际育种, 育种中推广的高产超级稻两优
培九、两优 E32和协优 9308等品种都或多或少利用
过适度的叶片内卷这一特性。此外, 也有研究显示,
叶片卷曲可以使水稻具有一定的抗旱能力, 在干旱
胁迫下, 一些叶片适度卷曲的材料, 其气孔导度和
光合速率下降的速度不是十分明显, 对最终的产量
第 5期 徐 静等: 水稻叶片形态建成分子调控机制研究进展 773


影响不大。因此, 随着水稻被克隆分析的叶形调控
基因增多, 在叶片形态形成机制逐步明晰的基础上,
选育叶片卷曲抗旱水稻也许是一条行之有效的新途
径。
单纯通过叶形改造创建水稻理想株型的高产水
稻育种在理论上是可行的, 但由多年育种经验来看
并不十分理想。因此, 株型高产育种必须做到形态
与生理相结合、分子设计理论与传统育种实践相结
合, 即叶形的改造与高光效育种相结合, 提高光合
效率、理顺库-源关系, 同时, 采用分子生物学技术
理论与育种实践相结合的方法, 围绕叶片形态聚合
高光效、抗性、米质和产量等多个已明晰其调控机
制的有利基因, 开展超级稻分子设计育种, 实现株
型整体改良或某一性状的定向改造, 从而更高效、
全面地优化和改良水稻叶片形态 , 塑造理想株型 ,
这将是未来超级稻株型设计育种的一条行之有效的
途径。
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