1. 引言
水稻是世界上最重要的粮食作物之一，为全球数十亿人提供主要食物来源。并且许多发展中国家农村居民以种植水稻作为主要经济来源，因此培育高品质、高产量的水稻新品种刻不容缓。随着分子生物学的不断发展，水稻育种已从传统育种转变为以遗传学、生物技术为基础的分子育种。通过分子育种，可以更准确地选择和引入具有高产量、抗病虫害、适应性强、品质好等优良性状的基因。面对气候变化、病虫害的威胁，以及不断增长的人口需求，培育抗逆性更强的水稻品种至关重要。分子育种可以发掘和利用水稻中与抗逆性相关的基因，提高其抗旱、抗病、抗虫等能力，以确保生产稳定性和可持续性。传统育种方法需要耗费大量的时间和人力，而分子育种技术可以通过分子标记辅助选择(MAS)、基因编辑等方法，大大缩短育种周期。这样可以更快地推出新品种，以应对不断变化的环境和市场需求。传统育种方法常常需要大量的耕种和化学农药来维持作物的生长，这对环境造成了一定的负担。而分子育种可以培育出更适应环境、更抗病虫害的品种，从而减少对化学农药的依赖，降低环境污染。通过分子育种技术，可以对水稻的遗传资源进行更深入的挖掘和利用，从而为育种提供更广泛的遗传多样性。
2. 影响水稻品质的关键基因
2.1. 与产量相关的基因
单位面积里的穗数、穗粒数以及粒重是影响水稻产量最重要的三个因素。农业上重要的性状大部分受数量性状基因座(QTL)的调控。2005年Ashikari等人发表在Science上的论文揭示了一个通过控制谷粒数目来控制产量的基因Gn1a，Gn1a编码细胞分裂素氧化酶/脱氢酶(OsCKX2)，OsCKX2是一种降解植物激素细胞分裂素的酶。OsCKX2合成减少导致细胞分裂素在花序分生组织中积累并增加生殖器官的数量，从而提高谷物的产量 [1] 。
2.2. 与光合作用相关的基因
光合作用是植物最重要的生理过程之一。水稻中淀粉的累积80%来自光合作用。探究与水稻光合作用相关的基因进而提高水稻的光合生产力和光能利用率是当前研究热点之一 [2] 。玉米中含有三种高光效基因，其分别是PPDK、PEPC、NADP-ME。在植物中，PPDK (丙酮酸磷酸双激酶)是C4途径和景天酸代谢途径的限速酶，并且在PPDK的催化下ATP和丙酮酸生成PEP [3] 。PPDK主要存在于C4植物的叶绿体基质中，并且其在C3植物中的表达量相对较低，主要存在于C3植物的未成熟种子、叶片、胚芽鞘和根中。将玉米中特有的高光效基因导入水稻中并成功表达后，与野生型相比成功转入高光效基因的水稻的净光合速率、水分利用效率得到显著提高 [4] 。
2.3. 与抗性相关的基因
植物在长期的进化中形成了一套完整的防御机制。水稻所面临的生物胁迫主要包括稻瘟病、白叶枯病等病害和稻飞虱等虫害。2014年由万建民团队发表在Nature Communications上的文章中报道了首个被克隆的水稻抗条纹叶枯病的基因STV11，该基因主要对水稻条纹病毒表现出持久的抗性 [5] 。白叶枯病是由稻黄单胞菌导致的主要发生在水稻叶片和叶鞘上的病变，其主要表现为灰白色的病斑。Xa13是影响白叶枯病侵染的主效基因，其编码的细胞膜蛋白有助于病原菌的侵染。因此在Xa13基因突变的水稻中表现出对白叶枯病的抗性 [6] 。同时，大量与水稻抗褐飞虱相关的基因也被鉴定出来。水稻抗褐飞虱相关基因Bph3是由3个编码质膜凝集素受体激酶的的紧密成簇排列的重复单位，含有该重复序列的水稻品种能够较为显著的增强对褐飞虱和白背飞虱的抗性 [7] 。
恶劣的生存环境，如干旱、高低温等也会对水稻的生长产生负面影响。林鸿宣团队2015年发表在Nature Genetics的文章介绍了一种水稻抗高温基因OsTT1，其主要编码一个26S 蛋白酶体亚基，在高温条件下，可以有效降解水稻细胞中积累的有毒变性蛋白。这些研究为作物抗逆性的分子育种提供了理论基础 [8] 。
3. 分子标记在水稻育种中的作用
分子标记和分子鉴定是水稻分子育种中的重要辅助工具。分子标记技术其优势有特异性高、使用便捷等 [9] 。分子标记技术主要应用在提高水稻产量、水稻品质以及水稻抗虫抗病等方面。
3.1. 分子标记技术在增加水稻产量上的运用
水稻的产量除了受环境因素的影响之外，还受多个基因的控制。基于分子标记的选择育种和转基因育种是水稻分子育种的主要内容。采用分子标记辅助育种技术，将野生稻中的高产QTL转入优良晚稻恢复系，进而增加了水稻的产量 [10] 。杨飞等人从“3000份水稻核心种质重测序项目”共定位到与产量显著相关位点的43个，其中除去前人定位到的7个QTL以外，其余36个QTL是新定位到的位点 [11] 。
3.2. 分子标记技术在改良水稻品质上的运用
水稻的品质主要包括碾磨品质和外观品质等。厦门大学郑景生等应用香型分子标记辅助选择结合系谱法选育的新品种佳福香占在性状上表现优异 [12] 。据研究，水稻垩白是由单基因控制的，直链淀粉含量受一对主效基因控制，高直链淀粉对低直链淀粉受多基因控制，胶稠度是由单显性基因控制以及一对主效基因和若干微效基因控制，糊化温度由1~2个主基因或多基因控制 [13] 。李旭等人的研究表明：GS5基因对RILs的粒宽具有显著影响，而代表籼型血缘引入的SI值对粒宽及垩白度均有显著影响；源于SI值对粒宽及垩白的显著影响，SI值进一步影响了稻米加工质量，当SI值大于40%时，精米出现的概率显著降低 [14] 。籼粳稻杂交育种中，应通过回交减少籼型的引入频率，以保证整体较优的米质，并重视诸如GS5等有利基因的利用 [15] 。
3.3. 分子标记在水稻抗病上的应用
目前，已经发现了30多个抗稻瘟病基因，其中20多个基因已经被定位并有2个已被克隆(Pi-b, Pi-ta) [16] 。Fukuoka在日本旱稻中发现了1个隐性抗稻瘟病基因Pi-21并将其定位于4号染色体2个RFLP标记G271和G317之间，遗传图距分别为5.0 cm和8.5 cm [17] 。陈志伟等利用已公布的水稻基因组序列信息在已定位的Pi-2(t)附近找到了1个新的SSR标记SRM24。它与Pi-2(t)间的距离大约只有43 kb。并利用该标记成功地将该基因导入雄性不育保持系珍汕97B中获得了一批携有Pi-2(t)的珍汕97B近等基因系。
4. 转基因在水稻分子育种中的应用
转基因育种技术是利用植物基因工程技术将作物高产、抗逆等优质基因转入受体作物中以培育出具有特定优良性状的新品种。由于优异基因可来源于任意物种，因此转基因育种可以打破种间隔离以解决物种间远缘杂交不亲和问题。目前水稻转基因育种使用的转基因方法主要包括：农杆菌介导法、基因枪法、PEG介导法、电击导入法，其中以农杆菌介导法占主要地位 [18] 。
转基因技术在水稻抗虫中的应用
利用转基因技术可将编码苏云金芽孢杆菌杀虫晶体蛋白的外源基因Bt转入水稻中。同样可使用转基因的方法将昆虫蛋白酶抑制剂(PI基因)和植物凝集素基因、营养杀虫蛋白基因、淀粉酶抑制剂基因、昆虫毒素基因、几丁质酶等基因转入水稻中，使得水稻获得相应的抗性 [19] 。
目前，水稻通过转基因技术育种虽然已经取得一些进展，但大多数通过转基因获得的新品种仍处于实验阶段。虽然已有部分通过转基因技术获得的农作物上市但是转基因食品的安全问题仍存在争议，这在一定程度上阻碍了转基因水稻育种的发展 [20] 。
5. 基因编辑技术在水稻分子育种中的应用
基因编辑技术是利用经过基因工程改造的核酸酶诱导DNA双链断裂实现对基因组插入、缺失或替换等精准修饰。
5.1. 基因编辑技术的种类
基因编辑技术主要有锌指核酸酶(ZFN)、转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)和CRISPR系统等。锌指结构是很早就被科学家们发现的一类能与DNA互作的蛋白结构基元。ZFN由锌指蛋白构成的DNA识别域和FokⅠ蛋白构成的切割域组成，它可以打断靶位点的染色体DNA。ZFN根据其组成锌指蛋白基元的种类及排列方式的不同来识别各种DNA序列 [21] ，其编辑效率受核酸酶的DNA亲和力影响。TAL效应因子最初是在黄单胞菌分泌的效应蛋白中被发现的，该病原体的效应蛋白成功侵染植物细胞质后，通过靶定效应因子特异性的基因启动子来调节转录，从而影响植物的代谢过程，使其对病原体变得更加敏感。科研人员利用TALE具有序列特异性结合的特点将FokⅠ核酸内切酶与一段人造的TALE连接起来，形成一类兼具TALE和FokⅠ内切酶特性的强大工具，称为TALEN。
1987年，CRISPR基因座首次被鉴定为一组29bp的串联重复序列，在大肠埃希菌中以32bp的DNA序列间隔排列 [22] 。后来，Mojica等发现，细菌、古细菌及同源性较高的原核生物中均具有结构相似且高度保守的重复序列 [23] 。CRISPR∕Cas9技术是近年应用较广的基因编辑技术，对靶基因进行特异性修饰只需通过一个gRNA和一个Cas9蛋白 [24] ，具有成本低、制作简便、快速高效等特点。
5.2. 基因编辑技术的应用
与其他的基因编辑技术相比，CRISPR∕Cas9基因编辑系统具有效率高、操作简单等优势 [25] ，该技术在水稻基因编辑中得到一定应用。
目前，已经成功利用CRISPR∕Cas9技术对水稻多个基因进行编辑。如对水稻直链淀粉合成基因Wx进行编辑，获得稳定遗传、直链淀粉含量适宜的突变体 [26] 。邵高能等利用CRISPR∕Cas9技术编辑香味基因Badh2，突变体中散发香味的物质2-乙酰-1-吡咯啉的含量显著增加 [27] ；Shan等定点突变叶绿素合成基因CAO1，突变体叶片呈淡绿色 [28] 。使用基因编辑技术对水稻品种进行改良相对于传统育种方法来说，具有快捷、简便等特点，基因编辑技术对水稻分子育种具有重要意义。
6. 分子育种的步骤
6.1. 目标选择和性状鉴定
首先，确定育种的目标，包括提高产量、改善品质、增加抗性等。并对目标性状进行鉴定和评价，确定需要改良的性状以及优良的遗传资源。
6.2. 遗传资源收集和筛选
收集具有目标性状的遗传资源，包括野生种、种质资源库中的种质等。并对遗传资源进行筛选和鉴定，选择具有目标基因型的优良种质。
6.3. 分子标记筛选
使用分子标记技术对目标基因型进行筛选，如单核苷酸多态性(SNP)标记、简单序列重复(SSR)标记等，进行关联分析，确定与目标性状相关的分子标记。
6.4. 构建分子图谱
通过分子标记对目标遗传资源进行遗传图谱构建，确定分子标记与目标性状的关联，构建高密度的遗传连锁图谱，用于进一步的分子育种分析。
6.5. 分子标记辅助选择(MAS)
利用已建立的分子图谱和分子标记进行分子标记辅助选择。选择具有目标性状和目标基因型的个体作为育种材料，以加速育种进程。
6.6. 基因定位和克隆
对与目标性状关联的分子标记进行进一步的分子遗传学分析，以确定目标基因的位置。利用分子克隆技术对目标基因进行克隆和功能验证。
6.7. 功能验证和转基因
对克隆得到的候选基因进行功能验证，确认其与目标性状的关联。如果需要，可以利用转基因技术将候选基因导入到其他品种中进行验证和改良。
6.8. 育种材料选育和培育
结合分子标记辅助选择和功能验证结果，选育具有目标性状的优良育种材料。并进行育种材料的后代选择和培育，确保目标性状的稳定遗传。
6.9. 田间试验和推广
在田间进行育种材料的试验种植，评估其在不同环境条件下的性状和适应性。将优良的育种材料进行推广，以实现分子育种成果的应用和产业化。
7. 小结与展望
随着人们对稻米品种食味要求的提高，水稻分子育种也应当重视水稻品质育种。水稻分子育种与杂交水稻育种相结合的育种方式，已成为新的的趋势。近几年，以TALENs和CRISPR∕Cas9系统为代表的基因组定点编辑技术迅速发展，已成功运用于水稻基因的定点编辑。未来基因定点编辑以及其衍生技术，结合水稻转基因技术及分子标记辅助，可以加快水稻功能基因组学以及分子育种的研究步伐，为进一步实现水稻从传统育种向高效、精确、定向的水稻分子设计育种转变注入新的活力。