玉米矮桿基因研究進(jìn)展

王文秀 王磊

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京100081）

玉米是我國(guó)種植面積最大的農(nóng)作物，是重要的糧飼兼用經(jīng)濟(jì)作物和能源作物，年產(chǎn)量和播種面積在近5年都占有很高的比重［1］。在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要位置，進(jìn)一步提高玉米單產(chǎn)仍是玉米育種主要目標(biāo)。矮桿玉米具有抗倒伏，改善株型結(jié)構(gòu)，提高群體光能利用率等優(yōu)點(diǎn)，在提高玉米種植密度等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 玉米矮化育種的概況

近年來(lái)，密植玉米的高產(chǎn)性已得到廣泛認(rèn)可，但密植是一把“雙刃劍”，在帶來(lái)高產(chǎn)的同時(shí)，也增加了倒伏的風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。玉米種植密度大導(dǎo)致植株基部節(jié)間直徑逐漸減小，植株整體高度與穗位高均會(huì)增加［4-6］，玉米莖粗系數(shù)減少，節(jié)間抗折力降低，當(dāng)玉米在拔節(jié)期到成熟期這個(gè)階段遇到大風(fēng)暴雨時(shí)，田間倒伏率就會(huì)顯著增加［2，7-8］。矮桿玉米植株矮、株型緊湊，適合高密度種植，它能使作物具有較強(qiáng)的抗倒伏能力和較高的光能利用率。有學(xué)者研究指出，抗倒伏能力強(qiáng)的玉米表型大概為以下幾點(diǎn)：基部節(jié)間短且粗，節(jié)間抗折力強(qiáng)，莖稈組織發(fā)達(dá)，葉夾角小，株高與穗位低［4，9-10］。篩選培育抗倒伏能力強(qiáng)的品種是解決玉米倒伏的主要方法。

20世紀(jì)初，科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以控制作物株高的矮化基因，矮化基因的應(yīng)用，大大提高了作物的產(chǎn)量。1935年，Emerson發(fā)現(xiàn)了玉米br2基因，其是玉米矮化的主效基因也是目前應(yīng)用最廣泛的基因。br2基因會(huì)使玉米節(jié)間顯著縮短，尤其是果穗下部節(jié)間位點(diǎn)越低，縮短越顯著［11］。20世紀(jì)60年代，我國(guó)開(kāi)始玉米矮化育種的研究，研究人員從品種間雜交種“東風(fēng)一號(hào)”的自交后代中發(fā)現(xiàn)了矮生植株，隨后選育出了“南矮1號(hào)”、“龍696”、“寨金75”等矮生系。以往的研究發(fā)現(xiàn)植物激素在株高調(diào)控中起主導(dǎo)作用，已經(jīng)克隆的控制株高性狀的基因大部分都是參與激素的合成、運(yùn)輸和信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程。這些激素包括赤霉素、油菜素內(nèi)酯、生長(zhǎng)素等。最近的研究表明，玉米中的兩個(gè)BELL基因，BLH12和BLH14共同調(diào)控玉米節(jié)間發(fā)育［12］。

2 玉米矮化基因遺傳特點(diǎn)

玉米的株高由莖長(zhǎng)度和節(jié)間數(shù)決定，一般情況下，節(jié)間數(shù)越少，節(jié)間長(zhǎng)度越小，玉米的株高越低。在玉米的一定生長(zhǎng)期內(nèi)，縮短節(jié)間長(zhǎng)度可以有效的降低玉米的高度，按株高的遺傳特點(diǎn)可以分為多基因體系和單基因體系。

2.1 多基因矮桿體系

多基因矮桿體系是由多個(gè)微效基因的累積效用組成，屬于數(shù)量性狀遺傳，雜交得到高于親本的F1、F2的株高呈現(xiàn)出由高到矮的連續(xù)分布，大部分為中桿玉米，僅有少量的高桿和矮桿，通過(guò)連續(xù)選擇，會(huì)得到連續(xù)累積的微效矮桿基因，每一個(gè)矮桿基因?qū)χ仓甑墓?jié)間的縮短作用幾乎相同，多個(gè)微效矮桿基因的效用累加，共同對(duì)植株的矮化起作用，累加作用越多，則植株越矮。多基因矮桿體系易受外界環(huán)境條件的影響，從而使株高發(fā)生改變，利用現(xiàn)代育種技術(shù)減少矮化基因與環(huán)境的互相作用，使株高的變化幅度控制在合理的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索與實(shí)踐，目前世界上已經(jīng)培育出多個(gè)多基因矮生體系玉米自交系及雜交種，如齊31，M14，武202，矮廣 7，種質(zhì)5003及其姊妹系 5005［13］。

2.2 單基因矮桿體系

單基因矮桿體系是由一個(gè)主效矮生基因引起玉米植株降低的體系。現(xiàn)在已經(jīng)報(bào)道的與玉米株高相關(guān)的基因大多為隱性，只有D8、D9、Dt、D8-1023、D*-10、D11為顯性基因［14-18］，玉米中只要存在一個(gè)矮化基因，株高就會(huì)顯著降低。由單基因控制株高的玉米不受外界環(huán)境的影響，所以能夠穩(wěn)定遺傳，其中進(jìn)行研究最多的是D8基因，D8基因影響玉米株高的同時(shí)，也影響開(kāi)花時(shí)間同時(shí)還存在劑量效應(yīng)?，F(xiàn)階段重要的曲莖矮稈突變體br2基因已經(jīng)被克?。?1］，單基因br2可以縮短玉米節(jié)間長(zhǎng)度，增加玉米莖稈直徑，使玉米植株有根系發(fā)達(dá)、抗倒伏、產(chǎn)量高等特點(diǎn)。

攜帶有矮桿基因的玉米與正常的高稈自交系雜交之后，后代會(huì)表現(xiàn)質(zhì)量性狀的遺傳特點(diǎn)，即F1表現(xiàn)型為高株，F(xiàn)2表現(xiàn)為高桿與矮桿分離比為3∶1，植株表型穩(wěn)定，幾乎不受外部環(huán)境影響。但br2突變體只是導(dǎo)致玉米穗部以下節(jié)間嚴(yán)重縮短，而穗部以上節(jié)間幾乎不變，因此br2基因在育種上廣泛應(yīng)用，對(duì)玉米的矮化育種起到了非常重要的作用。

3 玉米矮化基因的表型

20世紀(jì)以來(lái)，已發(fā)現(xiàn)玉米矮桿基因有60多個(gè)，如br1、br2、bv1、ct1、ct2、d1、d2、d3、d5、d6、D8、D9、D8-1023、Dt、D*-10、D10、d12、mi、na1、na2、na3、py1、py2、rd1、rd2、yd、clt-1、td1、wrp1、dm1、D11及d2003等。自從發(fā)現(xiàn)矮化基因以來(lái)，對(duì)其表現(xiàn)型也進(jìn)行了廣泛而深入的研究，每個(gè)矮桿基因所控制的矮化表型都有或多或少的差異（表1）。

4 激素對(duì)玉米矮化的影響

除了內(nèi)部基因，玉米株高還受各種激素和外部環(huán)境因素的影響。研究發(fā)現(xiàn)，玉米矮化突變大多與赤霉素、油菜素類固醇和生長(zhǎng)素有關(guān)。同時(shí)，細(xì)胞壁形成和細(xì)胞伸長(zhǎng)異常、轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控等也會(huì)導(dǎo)致玉米植株的矮化［29］。植物激素矮化突變體可分為缺陷型和不敏感型兩類。激素缺陷型矮化突變體是活性激素的生物合成途徑被抑制或阻斷，使得植物體內(nèi)源活性激素缺乏或痕量存在，矮化表型的突變體外施相應(yīng)的活性激素后可恢復(fù)野生型表型。激素不敏感型矮化突變體，其內(nèi)源活性激素水平變化不大，甚至比野生型的還高，可能是激素的信號(hào)吸收或傳遞出現(xiàn)障礙造成，這種矮化表型的突變體在外施相應(yīng)的活性激素后不能恢復(fù)野生型表型。

表1 玉米矮桿基因的表型

4.1 赤霉素

赤霉素對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有明顯的促進(jìn)作用。在對(duì)豌豆的幼苗分析表明，在幼芽、幼葉和上部莖節(jié)內(nèi)赤霉素含量最高，說(shuō)明幼芽、幼葉和上部莖節(jié)是赤霉素的合成部位［30］。而赤霉素的生物合成、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑障礙以及代謝調(diào)控基因突變都與植株的矮化有影響。目前發(fā)現(xiàn)的玉米矮桿突變體大多為赤霉素敏感型，通過(guò)施加外源赤霉素，玉米株高可以恢復(fù)正常。研究表明，這類突變體中赤霉素的合成途徑發(fā)生阻斷，赤霉素含量降低，從而導(dǎo)致植株變矮［31］。有研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的特異調(diào)控水稻莖稈基部節(jié)長(zhǎng)度的基因SBI，它編碼赤霉素2-氧化酶，并通過(guò)失活赤霉素活性特異性的控制莖基部節(jié)間的伸長(zhǎng)［30］。古巴焦磷酸合成酶CPS，是赤霉素合成途徑中的一種關(guān)鍵酶，若CPS完全突變，則植物不能產(chǎn)生赤霉素，種子也不能萌發(fā)。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，赤霉素生物合成受到活性赤霉素的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，小麥Rht2、玉米Dwarf8和擬南芥gai矮化突變體體內(nèi)都含有異常高水平的活性赤霉素，從而中斷赤霉素信號(hào)傳導(dǎo)途徑，抑制赤霉素的生物合成［3，31］。在葉片組織中表達(dá)較高的內(nèi)根-貝殼杉烯合成酶KS是赤霉素合成途徑中的第二個(gè)基因，催化連續(xù)氧化反應(yīng)的根-貝殼杉烯氧化酶KO與KS和CPS是赤霉素合成途徑前期3個(gè)關(guān)鍵酶，它們的基因突變會(huì)導(dǎo)致植株極端矮化，而其它合成酶都是多基因編碼，故它們的基因突變會(huì)引起植株半矮化現(xiàn)象。

4.2 油菜素內(nèi)酯

研究指出，油菜素內(nèi)酯是植物生長(zhǎng)發(fā)育的必需物質(zhì)，其主要生理功能有：調(diào)節(jié)根的生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)莖的伸長(zhǎng)、調(diào)節(jié)葉的伸展、調(diào)節(jié)質(zhì)子泵的活化和逆境脅迫適應(yīng)能力［28］。油菜素內(nèi)酯的生物合成和信號(hào)缺陷突變體都存在矮桿表型。研究表明，5α- 類固醇還原酶是油菜素內(nèi)酯合成途徑的重要生化酶，它的突變可以導(dǎo)致植株矮化［32］。油菜素內(nèi)酯對(duì)植物的橫向生長(zhǎng)和縱向伸長(zhǎng)都有非常明顯的作用，近些年發(fā)現(xiàn)的油菜素內(nèi)酯矮化突變體都具有莖粗、葉子較大和顏色較深的特點(diǎn)，突變體的生長(zhǎng)周期增加，在黑暗中生長(zhǎng)的子葉變得寬大，胚軸變短［33］。植物上最早發(fā)現(xiàn)的甾醇類激素是油菜素甾醇，研究表明，從玉米nana plant 1突變體中克隆的ZmDET2基因?yàn)橛筒怂冂薮夹盘?hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷所致。擬南芥Brill矮化突變體，在外施油菜素內(nèi)酯后不能恢復(fù)其株高，故Brill是油菜素內(nèi)酯鈍感型突變體［34］，在其它作物如小麥、水稻、豌豆和番茄中也發(fā)現(xiàn)了油菜素內(nèi)酯鈍感型突變體，但在玉米中目前還沒(méi)有植株矮化突變與油菜素內(nèi)酯合成有關(guān)基因的報(bào)道。研究人員用不同濃度的油菜素內(nèi)酯處理玉米矮化突變體d2003，結(jié)果顯示對(duì)苗高并無(wú)顯著影響［35］。

4.3 生長(zhǎng)素

生長(zhǎng)素在植物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中扮演重要的角色，如根、莖的生長(zhǎng)發(fā)育、器官的分化衰老等。生長(zhǎng)素的分布、代謝、極性運(yùn)輸和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中如果發(fā)生基因突變，就會(huì)影響植株的發(fā)育，從而導(dǎo)致植株矮小。例如應(yīng)用很廣泛的玉米矮桿突變體br2，就是因?yàn)镻-糖蛋白的缺失而導(dǎo)致玉米下部莖節(jié)中生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸出現(xiàn)異常而呈現(xiàn)矮化表型［36-37］。研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素合成途徑主要分為兩類：依賴色氨酸合成途徑；非依賴色氨酸合成途徑［38］。在玉米突變體中，生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸速率明顯降低。生長(zhǎng)素可以促進(jìn)赤霉素等合成或者抑制其鈍化，從而調(diào)節(jié)株高。生長(zhǎng)素會(huì)軟化植物細(xì)胞壁，使原生質(zhì)體黏度下降，增加其流動(dòng)性和呼吸作用，加速吸收水分和營(yíng)養(yǎng)，可以為細(xì)胞增大提供必要條件準(zhǔn)備［24］。生長(zhǎng)素對(duì)植物的生長(zhǎng)有促進(jìn)和抑制的雙重影響，當(dāng)生長(zhǎng)素濃度太高時(shí)，會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)，甚至?xí)⑺乐参?，低濃度?huì)促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。目前，有研究人員用不同濃度的生長(zhǎng)素處理d2003幼苗，結(jié)果表明，在生長(zhǎng)素濃度在0、1、10、100 μmol/L四個(gè)梯度中，當(dāng)施加10 μmol/L的生長(zhǎng)素濃度時(shí)促進(jìn)幼苗株高生長(zhǎng)效果最明顯，在施加最大濃度100 μmol/L時(shí)，幼苗株高反而有所下降［25］。研究人員對(duì)正處于拔節(jié)期的矮桿玉米顯性突變體Dt及其野生型自交系的葉片進(jìn)行激素提取，測(cè)定其含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，赤霉素、甾醇、脫落酸等含量無(wú)明顯差異，但生長(zhǎng)素含量差異極為顯著，說(shuō)明生長(zhǎng)素與玉米顯性矮桿突變體Dt矮化機(jī)理是有關(guān)系的［24］。玉米育種和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都具有重要的意義，對(duì)于推進(jìn)玉米矮化育種的進(jìn)程也有著重要的作用。分子輔助育種可以大大提高育種效率，通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)手段對(duì)控制株高的關(guān)鍵基因進(jìn)行定位及克隆，可為育種家選育株高適中的新品種提供分子標(biāo)記，加快育種速度。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的矮桿基因大多數(shù)是隱形基因，只有少數(shù)幾個(gè)是顯性基因。

我們?cè)谇捌诠ぷ髦?，得到一批EMS誘變的矮桿突變體，通過(guò)田間表型鑒定，篩選出一批植株較矮、株型緊湊、莖稈變粗、葉夾角較小的突變體，進(jìn)一步采取高通量測(cè)序方法對(duì)其進(jìn)行了定位，這為玉米矮桿基因的發(fā)掘奠定了基礎(chǔ)。無(wú)論是自然突變體還是經(jīng)人工誘變的玉米矮桿突變體，通過(guò)對(duì)矮桿基因的定位、矮桿基因的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的分子標(biāo)記，將為矮桿玉米的培育提供幫助。

5 矮桿玉米的應(yīng)用及展望

進(jìn)一步提高產(chǎn)量是玉米育種的重要目標(biāo)，與高桿玉米相比，矮稈玉米抗倒伏，具有更強(qiáng)的耐肥性，可以密植，上疏下密利于通風(fēng)透光，有利于產(chǎn)量的提高。同時(shí)矮桿玉米株型緊湊，為機(jī)械化種植和收割提供了有利條件，矮桿玉米營(yíng)養(yǎng)體?。?9］，也有利于土地輪作，因此玉米矮桿基因的克隆與分離對(duì)于