摘 要：综述了水稻苯达松敏感基因研究进展，包括该基因的遗传规律、初步定位、水稻苯达松敏感基因的分子机理、苯达松对敏感植物的作用机制，以及苯达松敏感基因在水稻制种中应用价值。提出将苯达松敏感基因转移至杂交水稻恢复系是实现杂交水稻制种混播混收的有效途径；创制、挖掘和利用抗/感除草剂基因在实现水稻生产轻简化、机械化等方面具有重要意义。
关键词：水稻；苯达松敏感基因；杂交稻制种；综述
中图分类号：S511.332 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2014）23-0005-04
苯达松是一种水稻常用的杂环类选择性化学除草剂，作用靶位点是光系统Ⅱ的D1蛋白，该功能蛋白通过阻断非环式光合电子传递链，抑制光合作用，引起敏感型植物死亡[1-3]。常用的稻田除草剂，包括苯达松，是只对稻田的部分杂草有致死作用，而对水稻的农艺性状无明显不良影响的药剂。Mori[4]和张集文等[5]都通过γ射线诱变水稻，先后发现了对苯达松高度敏感的基因突变体，喷施一定浓度的苯达松可杀死从幼苗期直至抽穗灌浆期的成株，这种性状称为水稻苯达松敏感致死性。自农林8号苯达松敏感基因携带体被发现以来，先后又发现喷雾一定浓度的苯达松溶液后致死的两用不育系8077S和籼型光温敏核不育系绿敏S，中籼型水稻两用核不育系佳丰68S等苯达松敏感水稻资源，为后来的学者提供了基因材料，也指出了研究发展方向。
我国发明了杂交制种技术，整个制种工序繁杂，杂交稻不同的亲本种子和植株分别单插单收等制种过程需要较多劳动力，不利于机械化收获。因此通过选育含苯达松敏感基因并选择性导入水稻恢复系中，在授粉结束后马上在制种田喷施苯达松，即可选择性杀死所有父本，解决混播制种和实现机械化收获的问题。这样既可保证制种纯度，又可节约单收父本所需的人力成本。在现今的两系杂交制种过程中，两系不育系的育性波动容易引起不育系自交结实和杂交种纯度降低的问题，利用杂交种和自交种对除草剂的敏感与否的差异即可在秧田期通过喷施除草剂实现除杂提纯的作用，避免因制种纯度问题影响种子公司和农民的利益。因此研究水稻抗除草剂或感除草剂基因对提高我国杂交稻制种技术和杂交种的提纯除杂等方面具有重大意义。
1 水稻苯达松敏感基因的研究进展
水稻苯达松敏感基因的研究主要是在对该基因的遗传规律、初步定位、作用机理及苯达松敏感基因在水稻制种中的应用等方面，该研究已经取得了一些很有价值的成果。
1.1 苯达松敏感基因的遗传规律
根据陈忠明等[6]的研究表明，水稻品种的苯达松敏感基因是一对隐性核基因。利用γ射线辐射诱变水稻农林8号，获得一株对苯达松高度敏感突变体，命名为农林8号m。然后用一定浓度（5～500 mg/L）苯达松溶液处理农林8号m、对照农林8号和农林8号×农林8号m杂交后代，2～9 d后农林8号m死亡，而对照农林8号未见有受害症状，而杂交后代F1表现出抗性、F2则抗性分离。接着通过数据统计，用卡平方检验表明该突变基因的遗传规律符合3：1分离比例，得出为单基因的隐性遗传（突变位点用BSL表示）。张集文等[7]用60Co-γ射线辐射诱变技术，对水稻品种光温敏不育系W6154S进行诱变处理，得到1个苯达松敏感致死突变体，命名为M8077S。然后用苯达松溶液（浓度为313～2 500 mg/L）处理M8077S，2～5 d后植株死亡。同时，相同浓度或不大于5 000 mg/L的苯达松溶液处理对照W6154S，未见显著受害；分析统计M8077S的亲本世代群体的分离比例结果，都符合隐性单基因遗传规律。以上一系列田间对比试验表明，粳稻品种农林8号m和不育系8077S表现的苯达松敏感致死性状都是由单个隐性基因控制。苯达松敏感致死基因（benatzon susceptible lethality，用代号bel表示，曾用ben或bsl表示，其等位抗性基因则用BEL表示）在杂交稻制种过程中作为一种化学致死标记的运用具有特殊的意义。杂交亲本的遗传标记主要分为形态标记和化学标记两类。利用化学药剂处理某作物品种，当该品种具有某种特定基因，而该特定基因控制的生物过程又能够与特定的化学药剂反应，表现被识别的性状特征，使该品种死亡或存活，称其为化学致死标记[8]。bel基因是一个隐性的单基因，将含苯达松敏感致死基因的杂合体和纯合体混合于大田中，田间喷施苯达松水剂进行作物品种的苯达松敏感性鉴定，从而选育出苯达松敏感作物品种，倘若喷施苯达松的时期、浓度和剂量控制不当或喷施苯达松量不均匀极易造成所需材料的死亡丢失或误选，而这种常规的田间选育周期长、工作量繁重。向太和等[9-10]利用SCAR标记进行PCR检测以农林8号m为供体材料转育的后代，用该法扩增苯达松敏感基因后，缩短了水稻育种年限，简化了田间选育工作。而采用浙江大学的苯达松敏感水稻突变体筛选专利方法则可避免突变体资源在筛选过程中的意外死亡和丢失[11]。
1.2 苯达松敏感基因在水稻中的初步定位
据张集文等[12]报道，bel基因与RM168标记连锁在水稻第3染色体上，遗传距离为7.1 cM。试验还选择30个简单重复序列（SSR）标记进一步定位bel基因，寻找除RM168的连锁标记以外与bel基因更紧密连锁的分子标记，这为选择培育优质的水稻光温敏雄性不育系苯达松敏感致死品种提供了必要的研究基础。朱磊等[13]采用改进CTAB法提取基因组DNA。根据McCouch等[14]发表的水稻分子图谱，选用30个SSR标记定位研究水稻苯达松敏感致死基因，将苯达松敏感隐性单基因（bel）定位于水稻第三染色体上RM5475和RM6759两个SSR标记之间，此基因与RM5475和RM6759的遗传距离分别是4.3 cM和5.2 cM。刘秋华等[15]运用简单重复序列（SSR），采用分离群体分组分析法（BSA）对水稻农林8号m进行了苯达松敏感致死基因的分子定位，结果证实苯达松敏感致死基因是隐性单基因，此基因在水稻第3染色体上。依据并对照Temnykh等[16]和McCouch等[14]发表的微卫星数据库（http：//www.gramene，org/microsat）
和水稻分子图谱，筛选获得苯达松敏感致死基因的SSR引物RM1350和RM3856，利用分析软件（MAPMAKER/3.0）进行苯达松敏感致死基因与SSR标记的连锁分析，得到RM1350和RM3856与此基因间的遗传距离分别为15.0 cM和14.1 cM。标记与基因间的排列顺序为：苯达松敏感致死基因 —— RM3856 ——RM1350。上述一系列研究表明定位水稻的苯达松敏感致死基因，能为苯达松敏感水稻品种选育和鉴定提供分子水平上的数据基础。研究将苯达松敏感致死基因转育导入到不育系尤其是两系不育系中，有望解决两系杂交稻制种因温度变化使不育系育性恢复导致母本自交而影响杂交稻种子纯度的重大难题[17]。
1.3 水稻苯达松敏感基因的分子机理及苯达松对敏感植物的作用机制
有关水稻抗/感苯达松敏感基因的功能机理少见报道，系统的研究有待进一步开展。这阻碍了该两种基因功能的确定和验证，并在很大程度上减慢了该两种基因在生物育种和农业生产上的应用进度。
细胞色素P450单加氧酶（cytochrome P450 monooxy
-genase，简称P450）是一类血红素蛋白，广泛存在于植物、微生物和动物中。大多数水稻品种对除草剂苯达松是不敏感的，它们具有苯达松抗性是因为苯达松进入细胞内被羟基化，最终代谢产物是对植物生理机能无毒性的6-OH-葡萄糖苷苯达松和8-OH-葡萄糖苷苯达松。细胞色素P450大量存在于微体中，并组成了多样性的同功酶群体，对植物体内的一系列生物氧化反应、异源物质的解毒起重要作用[18-19]。经Pan 等[20]研究证明：苯达松敏感的M8077S和农林8号m的bel基因是等位基因，该基因在SSR标记的定位是3a和7a之间，与3a的遗传距离是0.1 cM，与7a的遗传距离是0.4 cM，将该序列进行分析后确定了4个P450基因为感苯达松的候选基因；再对两个水稻苯达松敏感突变体和各自亲本的4个候选基因分别进行遗传序列对比分析，发现其中一个命名为CYP81A6基因的两个突变体与各自亲本遗传序列比较都出现碱基缺失突变，M8077S比W6154S缺失了G，农林8号m比农林8号缺失了C，缺失造成移码突变引起该基因的功能丧失，致使蛋白质翻译提前终止；研究认为不同的P450活性是抗性和敏感植物对除草剂不同反应的原因之一[21]。以上研究结果说明CYP81A6基因很有可能是抗苯达松基因（BEL基因）[22]。此外，BEL的反义DNA外源导入至“W6154S”，获得的阳性植物对苯达松和苄嘧磺隆两种除草剂反应敏感，这一结果再次证实了Pan等[20]所克隆的基因CYP81A6提供对两类不同除草剂的抗性。
苯达松作为一种专用除草剂，研究普遍认为苯达松能降低乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）的活性，抑制植物的叶绿体中类囊体的光合系统Ⅱ的电子传递系统[23-24]；有的学者认为也有可能是抑制了植物中合成ATP的酶活性，因为苯达松进入细胞后，能改变植物的细胞质膜通透性，使细胞原生质体的膨压增大导致许多气孔处于开放状态，这种状态可以被抗霉素与鱼藤酮消除；而且，苯达松作用于单细胞藻类，对其几乎无任何抑制活性。由此研究者认为，苯达松很可能是通过RNA尤其是作用在rRNA和蛋白质的合成而抑制植物激素的活性[25]。而苯达松敏感水稻的bel基因的遗传物质到性状表现，调控三个层次的代谢过程，即转录水平调控（Transcri
ptional control）、翻译水平调控（Translational control）和翻译后水平调控（Post-translational control）[26]。由此可知，在蛋白质表达水平的研究中bel基因DNA、mRNA方面的深入研究需要进一步完善。因此，进一步开展bel基因的蛋白质水平研究是十分必要的。
2 苯达松敏感基因在杂交稻制种技术中的应用
中国是世界上首先培育成功杂交水稻并用于商品化生产的国家，杂交制种技术相关研究居世界前列。中国的杂交水稻种植面积逐年迅速扩大，为国家的粮食生产作出了重要贡献。随着水稻的杂种优势机理[27]、籼粳亚种间杂种优势利用[28]以及“三系”、“两系”、以至“一系”法的技术路线的探讨等方面的研究不断深入，新的有价值的组合不断涌现出来，水稻的产量和品质不断提高。但是，杂交水稻制种过程存在一些问题，主要表现在杂交水稻制种劳动强度大，该技术是劳力密集型技术，制种纯度难以保障三个方面[29]。杂交水稻制种被称为水稻的异交栽培，即在制种田用雄性不育系作母本，雄性不育恢复系作父本，按照一定的行比相间种植，不育系接受恢复系的花粉而受精结实，最终生产获得杂交种子的过程。在生产上杂交水稻制种技术的光温敏雄性不育两系法运用越来越广泛。两系法杂交稻制种用于生产时遇到低于起点温度的异常低温，可能会导致两系不育系的可育性恢复，两系不育系发生自交结实，将其自交种与杂交种一起收获导致种子不纯。苯达松敏感基因通过多种方法转入不育系，不育系自交结实的种子对苯达松敏感，只要在杂交稻苗期喷施苯达松即可杀死混杂在F1代种子中的不育系，从而实现杂交水稻除杂保纯的目的；而苯达松敏感基因转移到恢复系中，恢复系对苯达松敏感，只需要在恢复系齐穗后喷施苯达松，携带苯达松敏感基因的恢复系父本则被杀死，而未携带该敏感基因的母本植株则能正常受粉、结实，可以实现杂交稻混播制种，机械收割，达到轻简高效的目的，革新传统的杂交制种技术。水稻苯达松敏基因的研究开启了杂交水稻应用技术的一系列新的可能性。不过，新技术体系的建立和完善以及在生产上广泛应用还需要一系列研究作为支撑。
3 苯达松敏感基因研究展望
苯达松敏感基因水稻的成功获得与深入研究，为杂交水稻混播制种技术的广泛应用提供了可能性。杂交水稻混播制种技术能适应抛秧、水直播、人工混插，以及机械旱直播等方法；既简化制种程序，又节约制种成本，还能提高种子生产机械化程度，适应和符合当前社会和生产的需要。随着大规模地应用机械化混播制种，杂交水稻混播制种技术的进一步完善和推广，利用生物技术手段，将苯达松敏感基因提取或转育水稻恢复系或不育系，并选育生育期一致、能进行机械制种且具有很强的优势的组合，为将杂交水稻制种基地从农村转向农场提供技术支持，这也将成为杂交稻机械化制种应用研究的一个新方向。如果苯达松敏感恢复系或是选配的新组合得到广泛应用，除草剂苯达松的使用将会大量增多，可能出现环境污染和生物灭杀等问题，为了使生物、除草剂和生态环境三者之间达到相互平衡，其环境的污染情况和物种的多样性问题值得进一步研究解决。
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（责任编辑：卢红玲）