禾本科植物落粒機理研究進展

謝文剛，萬依陽，張宗瑜，張俊超

（1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020；2.西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都610041）

植物落粒現(xiàn)象在自然界中普遍存在，這是植物在物種進化和適應(yīng)環(huán)境過程中形成的一種重要生存策略，成熟的植物種子落粒有利于物種的繁衍和擴散［1］。但在以種子生產(chǎn)為目的的農(nóng)業(yè)活動中，落粒性是其關(guān)鍵限制因素，易落粒和難落粒的植物都不適宜種子生產(chǎn)。

禾本科植物種子落粒的過程主要包括4個步驟：種子與種柄結(jié)合部位的細(xì)胞分化形成離區(qū)；離區(qū)細(xì)胞收到脫落信號并做出反應(yīng)；離區(qū)內(nèi)部脫落過程被激活；離層降解誘發(fā)落粒［1］。研究表明，落粒性狀是由全基因組分布的多基因位點控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，受多種環(huán)境因素和遺傳因素的影響［2-5］，外界因素主要包括干旱、光周期變化、紫外光照、臭氧濃度、極端溫度、創(chuàng)傷和病原體入侵等，植物自身的因素主要包括衰老、花序的結(jié)構(gòu)特征、植物激素、水解酶、離區(qū)結(jié)構(gòu)［6-7］。其中，離區(qū)的形成、發(fā)育和降解是植物發(fā)生落粒的直接原因，乙烯、脫落酸、生長素等植物激素的濃度變化可產(chǎn)生促進或抑制脫落的信號，纖維素酶、果膠酶和多聚半乳糖醛酸酶等細(xì)胞壁水解酶的活性變化可引起脫落區(qū)細(xì)胞的分離，這些過程的發(fā)生都受基因表達的調(diào)控［8-10］。

不同禾本科植物落粒性存在較大差異，同一物種的不同種質(zhì)間也存在落粒差異性。這種差異受到種質(zhì)的馴化時間、栽培技術(shù)及氣候環(huán)境等多方面因素影響［11-12］。目前，有關(guān)水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）和大麥（Hordeum vulgare）等作物落粒機理的研究報道較多，相關(guān)研究多集中在離層解剖結(jié)構(gòu)、遺傳圖譜構(gòu)建及落粒相關(guān)的數(shù)量性狀位點或關(guān)鍵基因定位等方面［13-15］。而禾本科牧草落粒的相關(guān)研究較少，大多為某些性狀的田間觀察與評價。本研究針對禾本科植物落粒機制及分子機理研究最新進展進行綜述，以期為禾本科牧草落?；蛲诰蚝凸δ芙馕龅确肿由飳W(xué)研究提供參考，提高草類植物育種水平，推進其育種進程。

1 落粒的形態(tài)和解剖學(xué)基礎(chǔ)

禾本科植物落粒與其農(nóng)藝性狀具有一定相關(guān)性。研究表明，老芒麥（Elymussibiricus）的旗葉寬、倒二葉寬及莖節(jié)數(shù)與種子落粒存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［12］。垂穗披堿草（E.nutans）的穗長和莖粗與種子落粒呈顯著負(fù)相關(guān)［16］。青海扁莖早熟禾（Poa pratensis var.anceps）的種子干重和種苗芽長與其落粒性呈極顯著正相關(guān)［17］。羊草（Leymuschinensis）的穎果寬度和種子落粒率也呈正相關(guān)關(guān)系［11］。

此外，禾本科植物落粒還與花部形態(tài)特征有關(guān)，且不同植物具有不同減緩種子落粒的機制。如緣毛雀麥（Bromus ciliatus）具有彈性的花序軸和柔軟的小穗軸，冰草（Agropyron cristatum）具有排列緊湊的小穗和堅硬的內(nèi)外穎片，蒙古冰草（A.mongolicum）具有堅韌和較強硬度的穎片［18］，低落粒的虉草（Phalaris arundinacea）具有完整的護穎結(jié)構(gòu)［19］，抗落粒小麥具有呈閉鎖狀態(tài)的穎片結(jié)構(gòu)［20］，這些形態(tài)學(xué)特征都有助于減少其落粒性。野生型的小麥穗子為開裂型，這種結(jié)構(gòu)有助于小穗在成熟期脫落，而馴化的小麥穗子為非開裂型，因而不會發(fā)生小穗的自然脫落［21］。小麥和大麥具有花序軸脆性特征，與野生近緣種相比，小麥栽培種的花序軸較柔軟，而大麥栽培種在馴化過程中丟失了花序軸的脆性性狀，所以造成其落粒性的差異［22-23］。

離區(qū)由葉柄或種柄基部橫向分裂形成的形態(tài)小、細(xì)胞質(zhì)稠密、淀粉粒較多的一到數(shù)層細(xì)胞群構(gòu)成，其形成、發(fā)育和降解是植物發(fā)生落粒的直接原因［24］。禾本科植物花序的離區(qū)通常有兩個，分別被稱為第一離區(qū)和第二離區(qū)，前者位于穎片底端的小穗軸，后者位于小花末端與小花梗頂部之間［25］。多個禾本科植物中都存在兩個離區(qū)結(jié)構(gòu)。然而，不同植物種子在兩個離區(qū)發(fā)生落粒的情況有所不同，如扁穗雀麥（B.cartharticus）和花黍（Panicum coloratum）的落?，F(xiàn)象多發(fā)生在第一離區(qū)，而垂穗披堿草、羊草和老芒麥種子落?，F(xiàn)象主要發(fā)生在第二離區(qū)［26-29］。與野生植物種相比，栽培作物的離區(qū)結(jié)構(gòu)在進化和馴化過程中基本消失。例如，野生二粒小麥（T.dicoccoides）與粗山羊草（Aegilopstauschii）都是小麥的野生近緣種，表現(xiàn)為易落粒特性，其存在明顯的離區(qū)結(jié)構(gòu)且離區(qū)斷裂面光滑［29］，栽培二粒小麥（T.dicoccum）則表現(xiàn)為不易落粒，未發(fā)現(xiàn)其存在明顯離區(qū)且離區(qū)斷裂面粗糙，破裂細(xì)胞不規(guī)則［29］。由于不同物種以及同種植物不同基因型間離層形成和降解的時間不同，致使其落粒性存在差異。多年生黑麥草（Lolium perenne）的離層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在抽穗期前，開花后4至5周離層發(fā)生斷裂［30］。老芒麥的離層也形成于抽穗期之前，但在抽穗后4周離層就出現(xiàn)斷裂［31］。具有自然落粒性的野生水稻在開花期可觀察到清晰的離層，處于同一時期的不落粒栽培水稻則未形成離層，雜草稻和野生稻都具有自然落粒性且均有離層結(jié)構(gòu)，它們出現(xiàn)落粒差異的原因主要是雜草稻的離層在開花期已經(jīng)降解，而野生稻的離層在開花期之后才開始降解［7］。研究人員通過染色等方法發(fā)現(xiàn)離層細(xì)胞的木質(zhì)化程度不同也會引起落粒差異化。一些禾本科植物的離層木質(zhì)化程度增加可降低種子的落粒性，水稻［3］、小麥［32］、老芒麥［33］和大麥［34］的相關(guān)研究均證實了這一點。

2 落粒的生理機制

禾本科植物落粒性與種子成熟發(fā)育過程中含水量的變化密切相關(guān)。研究表明，種子落粒性隨著含水量的降低而增強，如扁穗雀麥的種子含水量與落粒率呈極顯著負(fù)相關(guān)［27］，青海垂穗披堿草的落粒程度也隨著種子含水量的降低而增加［35］，羊草在高濕、高溫條件下幾乎不落粒［11］。

植物激素參與植物許多生長發(fā)育過程，在植物落粒過程中起信號傳遞的作用。乙烯（ethene）、脫落酸（abscisic acid，ABA）和細(xì)胞分裂素（cytokinin，CK）促進植物的落粒，而生長素（auxin，IAA）和赤霉素（gibberellin，GA）則會抑制植物落粒的發(fā)生［1，8，36-38］。對無芒雀麥（B.inermis）和老芒麥種子發(fā)育過程進行研究后發(fā)現(xiàn)，生長素和赤霉素在種子發(fā)育過程中含量較高，而脫落酸的含量在種子成熟后較高［39-40］。多數(shù)情況下，植物發(fā)生落粒并非由單一的植物激素引發(fā)，而是多種激素共同作用的結(jié)果。一些研究認(rèn)為脫落酸對植物落粒的影響似乎取決于與生長素或乙烯的相互作用，而不是脫落酸的直接作用［41］。脫落酸導(dǎo)致的脫落作用由乙烯介導(dǎo)，當(dāng)生長素水平降低時，離區(qū)細(xì)胞對乙烯產(chǎn)生響應(yīng)［42］，脫落酸會減緩生長素的運輸，從而促進離區(qū)發(fā)育，并加速種子落粒［43-44］。與其他植物激素相比，乙烯和生長素在調(diào)節(jié)植物器官脫落過程中產(chǎn)生的影響更大［45］，有研究者提出生長素由遠端組織向離區(qū)基部的極性運輸可使其對乙烯產(chǎn)生延遲或防止脫落敏感反應(yīng)。相反，如果生長素在離區(qū)基部的極性運輸被阻斷，則植物器官對乙烯的不敏感性消失，從而激活器官脫落［1］。

禾本科植物離區(qū)細(xì)胞壁的降解主要由細(xì)胞壁水解酶活性的增加導(dǎo)致，從而造成植物落粒［42，46-47］。目前研究發(fā)現(xiàn)纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶與離區(qū)細(xì)胞壁的降解密切相關(guān)，纖維素酶是第一個被提出可引起離區(qū)細(xì)胞壁降解的酶［48-49］。該酶主要存在于細(xì)胞壁中，在葉片脫落、果實脫落、果實成熟和植物衰老期間發(fā)揮重要作用，纖維素酶通過大量轉(zhuǎn)移至脫落區(qū)和鄰近的維管束組織，引發(fā)纖維素微纖絲降解重排，從而增加初生壁孔徑，為多聚半乳糖醛酸酶提供通路［50］。在關(guān)于抗纖維素酶抗體的研究中發(fā)現(xiàn)，注射抗體會顯著降低離區(qū)的斷裂強度，纖維素酶的變化及分布表明其完全參與了種子落粒過程［51］。多聚半乳糖醛酸酶通過把富集在胞間層的多聚半乳糖醛酸果膠黏合層主鏈降解為半乳糖醛酸低聚物和單體的方式降低果膠間的連接作用，誘導(dǎo)細(xì)胞壁降解，并最終導(dǎo)致離層細(xì)胞間黏附力的喪失［45］。在許多植物葉片、花和果實脫落前的離區(qū)中都能發(fā)現(xiàn)多聚半乳糖醛酸酶活性有所提高［52］。此外，種子落粒過程中激素水平的變化與水解酶活性相關(guān)。研究表明，乙烯處理后的植物細(xì)胞壁水解酶如β-1，4-葡聚糖內(nèi)切酶和多聚半乳糖醛酸酶的活性增強，而生長素處理后可抑制細(xì)胞壁水解酶的活性［8］，這可能與離區(qū)生長素抑制β-1，4-葡聚糖酶mRNA的積累有關(guān)［49］。

3 落粒的分子機理研究

植物落粒性是由主效基因和多個微效基因共同控制的數(shù)量性狀，許多學(xué)者通過對不同遺傳群體及其連鎖圖譜進行研究后鑒定出了多個與種子落粒相關(guān)的基因和數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）［3-4，53］。這些基因和QTL位點主要調(diào)控禾本科植物形態(tài)學(xué)特征、解剖學(xué)結(jié)構(gòu)以及生理學(xué)過程，與種子離區(qū)、離層和維管束的發(fā)育和降解密切相關(guān)。

3.1 調(diào)控植物形態(tài)學(xué)特征的落?；蛳嚓P(guān)研究

水稻是世界上重要的糧食作物之一，落粒性是影響其產(chǎn)量的重要因素。野生稻為保持正常繁衍及避免被動物采食而具有自然落粒的特性，而在作物馴化過程中，栽培稻表現(xiàn)出不落?；虻吐淞５奶匦裕?］。OsGRF4［54］、Bh4［55］、OsLG1［56］等基因多與水稻穗型、粒型等表型相關(guān)，調(diào)控水稻形態(tài)學(xué)特征并影響水稻落粒性。Spr3基因位于水稻4號染色體上，與水稻花序分枝分布有關(guān)，Spr3近等基因系的水稻為落粒表型［57］，GL4基因與亞洲野生稻的SH 4/SHA 1具有高度同源性，其突變降低了水稻種子落粒率［58］。

小麥Q(jìng)基因與小麥穎片形狀和韌性等性狀有關(guān)，是小麥重要的落粒馴化基因［59］。Q基因編碼一種AP2轉(zhuǎn)錄蛋白，與水稻SNB基因編碼蛋白具有高度的氨基酸相似性，其等位基因q在野生小麥中表現(xiàn)出小穗細(xì)長、難脫粒等特征［60］。細(xì)胞遺傳學(xué)將Q基因定位在小麥5A染色體上，并觀測到5A不同倍性染色體表現(xiàn)出小穗表型的劑量效應(yīng)［61-62］。Muramatsu［63］在等位基因q上也觀測到了這種效應(yīng)，當(dāng)增加q的劑量效應(yīng)時，小麥種子落粒性會增加。研究發(fā)現(xiàn)等位基因Q和q在序列結(jié)構(gòu)和氨基酸水平等方面都有差異，二者轉(zhuǎn)錄模式相似，都發(fā)揮一定功能，但Q基因的轉(zhuǎn)錄水平比q基因要高。近年來，相關(guān)研究表明小麥Q(jìng)基因是miRNA 172的靶基因之一，Q基因第10個外顯子上miR172結(jié)合位點的變異在小麥馴化過程中落粒性的改變方面起重要作用［64-66］。Xu等［65］報道了miR172結(jié)合位點核苷酸突變體改變了miR172在Q基因上的剪切位點，降低了miR172剪切效率，從而導(dǎo)致Q基因表達積累。Liu等［66］在miR172過表達轉(zhuǎn)基因小麥中發(fā)現(xiàn)miR172通過剪切Q基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物來抑制Q基因mRNA的轉(zhuǎn)錄過程，從而降低Q基因表達，且過表達植株在表型上比野生型更難脫粒。此外，小麥D基因組中的Tg基因?qū)π←湻f殼硬度具有調(diào)控作用，使小麥表現(xiàn)為非自由脫粒特性［67］。

穗軸脆性是影響植物落粒的另一個重要原因，近年來，研究表明小麥和大麥存在著相似的落粒機制。野生大麥的穗軸在成熟后降解造成種子落粒，而栽培種具有堅實的穗軸，種子不易脫落［23］。Katkout等［14］在小麥F2代作圖群體中鑒定出基因TaqSH 1-D，該基因被定位到小穗軸脆性QTL的置信區(qū)間中，與水稻落?；騫SH 1是同源基因。Btr1-A基因和TtBtr1基因?qū)π←溞∷胼S脆性也具有調(diào)控作用，Avni等［68］研究發(fā)現(xiàn)所有馴化小麥都攜帶TtBtr1的功能缺失等位基因，而Btr1-A基因的過表達導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株的軸脆化，最終導(dǎo)致小穗脫落［69］。大麥種子落粒關(guān)鍵基因Btr1和Btr2是3H染色體上的兩個互補基因，它們與小麥的Btr1-A和TtBtr1基因為同源基因，Btr1編碼一種膜結(jié)合蛋白，它包含兩個親脂性區(qū)域，而Btr2編碼一種可溶性蛋白［34］。Btr1和Btr2基因的突變改變了大麥小穗軸細(xì)胞壁的厚度，野生大麥的初生壁和次生壁變薄，較薄的細(xì)胞壁在成熟時塌陷，從而導(dǎo)致整個細(xì)胞壁平面分離，而非脆性小穗軸的細(xì)胞壁較厚，種子在成熟過程中仍留在花序上，從而實現(xiàn)有效收獲［70］。這表明趨同馴化可能在大麥和小麥的非脆軸表型方面發(fā)揮了很大作用，不同作物間存在相同的可調(diào)節(jié)單核苷酸多態(tài)性，這與遠緣物種馴化和自然選擇相關(guān)的種子傳播結(jié)構(gòu)發(fā)育變異有關(guān)［71-72］。這些研究為育種學(xué)家通過對相同潛在遺傳靶點進行平行選擇從而培育抗落粒作物提供了參考（表1）。

表1 調(diào)控禾本科植物形態(tài)學(xué)特征的落?；蛐畔able 1 Information of seed shattering genes that regulate morphological characteristics of Gramineae plants

3.2 調(diào)控離區(qū)發(fā)育的落?；蛳嚓P(guān)研究

離區(qū)的形成、發(fā)育和降解是植物發(fā)生落粒的直接原因，水稻中已發(fā)現(xiàn)多個與種子離區(qū)、離層和維管束發(fā)育密切相關(guān)的基因。Jiang等［59］報道了水稻第7號染色體上一個新的落?；騍SH 1，該基因是SUPERNUMERARYBRACT（SNB）的等位基因，編碼AP2轉(zhuǎn)錄因子蛋白，SSH 1通過抑制離區(qū)木質(zhì)素沉淀和維管束的伸長發(fā)育來促進種子落粒，ssh1突變體中SNB一個單堿基位點的突變（C/A），即可改變其mRNA的正常轉(zhuǎn)錄，影響離區(qū)和維管束的發(fā)育，從而降低了種子落粒率。Lv等［73］在短舌野生稻中（O.barthii）鑒定出一個ObSH 3基因，該基因編碼一種YABBY轉(zhuǎn)錄因子蛋白，含有該基因的基因組片段缺失造成了非洲栽培稻（O.glaberrima）離區(qū)的不規(guī)則發(fā)育，從而降低了水稻落粒性。Zheng等［74］在水稻染色體片段代換系Z481的第6號染色體上鑒定出易落粒主效單基因SH 6（t），在SH 6（t）的隱性調(diào)控下，離層在成熟期完全降解。OsCPL 1（sh-h）位于水稻7號染色體上，編碼一種參與細(xì)胞分化的核磷酸酶，OsCPL 1通過抑制與離層發(fā)育相關(guān)基因的表達來降低水稻落粒率［6，75］。位于4號染色體上的SHAT 1屬于AP2家族基因，編碼AP2轉(zhuǎn)錄因子，是調(diào)節(jié)離區(qū)發(fā)育的重要落粒基因［76］，shat1在離區(qū)的表達使基因產(chǎn)物無功能化，離層發(fā)育受阻，從而使水稻產(chǎn)生不落粒表型［77］。Li等［78］鑒定出了一個與落粒相關(guān)的不完全顯性基因座Sh13，Sh13位于2號染色體上，其中被鑒定的osa-mir172d片段與水稻落粒減少相關(guān)。在粳稻與野生稻的遺傳背景下，Tsujimura等［79］在粳稻3號染色體上鑒定了一個與落粒相關(guān)的qCSS3位點，在qCSS3位點的野生等位基因促進離層的形成，而qCSS3位點的粳稻等位基因可能是減少水稻落粒的原因。qSH 1被定位在水稻基因組的1號染色體上，該主效QTL位點解釋了低落粒粳稻和易落粒秈稻68.6%的落粒變異，qSH 1基因位點5'調(diào)控區(qū)的一個單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）變異引起相關(guān)mRNA表達中斷，影響離區(qū)的形成和發(fā)育，從而導(dǎo)致粳稻表現(xiàn)出低落粒特性［3］。位于5號染色體上的SH 5與qSH 1高度同源，該基因編碼BEL-1型同源框轉(zhuǎn)錄因子蛋白，SH 5轉(zhuǎn)錄本在多個組織中被檢測到，在花梗斷裂層的表達水平最為顯著［9］。SH 5的表達影響小穗木質(zhì)素含量，而木質(zhì)素是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的成分之一，并賦予細(xì)胞壁機械強度［80］。Yoon等［9］發(fā)現(xiàn)抑制SH 5基因的表達使秈稻離層發(fā)育受到抑制，其落粒性降低。Li等［81］在秈稻與野生稻雜交的F2群體中定位到3個QTL位點，其中SH 4可以解釋69%的落粒表型變異。在種子成熟后期，SH 4被激活并大量表達，由于外顯子的單核苷酸突變導(dǎo)致天冬氨酸被取代為賴氨酸，從而阻礙水稻離區(qū)發(fā)育并降低水稻落粒性。然而并不是所有含有sh4的水稻群體都具有不落粒表型，部分野生稻即使具有sh4基因也表現(xiàn)出高落粒性［82-83］。短舌野生稻的近等基因系與粳稻的雜交種的花梗與小穗之間具有完整的離層，在該雜交種中鑒定出與SH 4基因序列相同的HS1基因，該基因?qū)е码s種表現(xiàn)出落粒表型［84］。qSH 3是被定位在3號染色體上的QTL位點，與離層形成發(fā)育相關(guān)［85］，位于水稻3號染色體上的OsSh1基因與qSH 3位點有部分重疊，突變體OsSH 1中第3個內(nèi)含子中有超過4 k B的插入突變，使其轉(zhuǎn)錄水平降低從而導(dǎo)致不落粒表型［4，15］。

水稻種子落粒機制較為復(fù)雜，基因在調(diào)控種子落粒的功能方面也不是單一的，如SH 5基因既可調(diào)控種子離區(qū)發(fā)育，又可調(diào)控木質(zhì)素的合成［9］。此外，許多落?；虿⒎仟毩⒋嬖冢蛑g會形成局部的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（圖1）。通過原位雜交，Zhou等［77］研究發(fā)現(xiàn)SH 4主要在SHAT1和qSH 1的上游發(fā)揮作用，SH4在上游積累并表達，促使相鄰細(xì)胞分開，為SHAT1和qSH 1在離區(qū)細(xì)胞間的積累提供了條件。而SHAT1具有雙重功能，一方面維持離區(qū)中SH 4的表達，促進離層分化，另一方面在SH 4的下游作用以激活qSH 1的表達。在SH 4的正向調(diào)控下，qSH 1在SHAT 1和SH 4的下游維持SHAT 1和SH 4在離區(qū)的表達水平，三者以此遺傳關(guān)系共同促進離區(qū)分化［76］。SH 5能誘發(fā)SHAT 1和SH 4的表達，在SH 5過表達的植株中，SHAT 1和SH 4的表達量也顯著增加，SH 5單獨表達時不會誘導(dǎo)離區(qū)分化，在qSH 1的作用下，SH 5發(fā)揮作用并促進離區(qū)的發(fā)育［9］。此外，SH 5和qSH 1可與OSH 15相互作用，OSH 15與SH 5形成二聚體，通過直接抑制木質(zhì)素生物合成基因的表達來促進水稻落粒，但SH 5單獨表達時并不能增加種子落粒性，表明SH5需要與OSH 15共同作用［3，9，86］。

圖1 禾本科植物落粒過程模型圖Fig.1 Model diagram of gramineous plant shattering process

此外，Zhang等［87］在小麥中克隆了qSH1基因的同源基因TaqSH 1，TaqSH1基因編碼BEL 1類蛋白，將該基因在擬南芥（Arabidopsisthaliana）中進行過表達后會產(chǎn)生花序更緊湊以及花瓣脫落被顯著延遲等表型變化，研究還發(fā)現(xiàn)TaqSH 1的過表達下調(diào)了轉(zhuǎn)基因植物中已知的擬南芥脫落相關(guān)基因的表達［54］。Lin等［15］從野生高粱（Sorghum bicolor）與不落粒品種的F2群體中克隆出第一個落粒相關(guān)基因Shattering1（Sh1），該基因編碼YABBY轉(zhuǎn)錄因子，與水稻OsSh1和玉米ZmSh1-1基因均屬于YABBY家族，且為直系同源基因。Sh1位點的突變抑制了Sh1基因的表達并改變了Sh1編碼的蛋白質(zhì)，從而降低了高粱落粒性。

與谷類作物相比，禾本科牧草中與離區(qū)發(fā)育相關(guān)的基因挖掘及克隆等研究較少（表2）。Larson等［88］基于構(gòu)建的賴草屬（Leymus）遺傳圖譜在6a染色體上定位了一個落粒主效QTL位點，該QTL位點可以解釋43.1%的表型變異，對賴草屬植物落粒具有重要影響。田青松等［89］用同源克隆技術(shù)從近緣種水稻落粒序列中獲得了兩個蒙古冰草落?；駻msh1-1和Amsh1-2，均屬于YABBY轉(zhuǎn)錄因子家族。Fu等［32］通過比較基因組學(xué)等方法將已經(jīng)在小麥、水稻和高粱上發(fā)現(xiàn)的落粒基因與多年生黑麥草轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進行序列比對分析，共獲得8個潛在的黑麥草落粒基因，利用這些基因?qū)Σ煌l(fā)育階段的小花和種子進行RT-qPCR驗證，發(fā)現(xiàn)基因LpSH 1在種子發(fā)育階段表達量顯著高于其他候選基因，這表明LpSH 1可能在調(diào)節(jié)多年生黑麥草離區(qū)發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。Mamidi等［90］對狗尾草（Setaria viridis）進行全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)位于5號染色體上的SvLES1基因是具有完整保守MYB結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，該位點一個SNP（C/T）的突變使狗尾草表現(xiàn)出低落粒性狀。

表2 調(diào)控離區(qū)發(fā)育的落粒基因信息Table 2 Information of seed shattering genes that regulate the development of abscission zone

3.3 調(diào)控離區(qū)生理學(xué)過程的落?；蛳嚓P(guān)研究

脫落酸、乙烯和生長素等植物激素的濃度變化可產(chǎn)生促進或抑制種子落粒的信號，該過程受多個基因的調(diào)控［91］。脫落酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受幾組ABA反應(yīng)基因調(diào)控，如ABA受體PYR/PYL、2C型蛋白磷酸酶（PP2C）、絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（SnRK 2）和ABRE結(jié)合因子（ABF）［92-94］。研究認(rèn)為PP2Cs通常作為ABA信號通路的反向調(diào)控因子［92］，而SnRK 2正向調(diào)節(jié)ABA反應(yīng)，但其活性可被PP2C抑制［93］。當(dāng)ABA產(chǎn)生時，PP2Cs和SnRK 2s之間的互作由于受到受體PYR/PYL的干擾進而終止SnRK 2脫磷酸化，致使SnRK 2激酶活化［94］。通過對不同發(fā)育時期的老芒麥種子離區(qū)進行測序后發(fā)現(xiàn)，與發(fā)育早期相比，落粒嚴(yán)重時期的種子離區(qū)中11個PP2C基因全部上調(diào)，有8個SRK 2基因上調(diào)以及6個ABF基因上調(diào)，研究結(jié)果表明，這些ABA響應(yīng)基因的相互作用可能導(dǎo)致老芒麥種子落粒［95］。Xie等［31］對高落粒和低落粒老芒麥材料進行轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)有54個差異表達基因參與植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)脫落酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的應(yīng)答基因在落粒率不同的材料中差異表達，6個乙烯反應(yīng)基因和3個IAA應(yīng)答基因（SAUR，ARF和AUX/IAA）在低落?；蛐屠厦Ⅺ湹碾x區(qū)中表達呈上調(diào)趨勢。乙烯是生長素的有效抑制劑，而離區(qū)的生長素水平影響其對乙烯的敏感性［45］，乙烯和生長素之間的相互作用可能是調(diào)節(jié)和確定種子落粒過程時間的關(guān)鍵因素，這些應(yīng)答基因的相互作用可能與種子落粒密切相關(guān)。

木質(zhì)素作為一種復(fù)雜的苯丙烷類聚合物，可填充細(xì)胞壁多糖之間的空間，賦予細(xì)胞壁機械強度［80］。關(guān)于水稻的研究表明，通過減少木質(zhì)素的合成可誘導(dǎo)種子落粒，在非落粒的“IIpum”品種中過表達BEL 1型同源盒基因SH 5，造成離區(qū)與種柄部位的木質(zhì)素含量減少，最終導(dǎo)致種子落粒率升高［9］。OSH 15則通過直接抑制木質(zhì)素生物合成基因表達的方式促進水稻落粒［86］。苯丙氨酸氨解酶（PAL）和肉桂基醇脫氫酶（CAD）是木質(zhì)素合成的兩種關(guān)鍵酶［96］。研究發(fā)現(xiàn)，在高落粒老芒麥中PAL基因和兩個CAD基因表達被下調(diào)，并發(fā)現(xiàn)兩個類似MYB轉(zhuǎn)錄因子的表達與木質(zhì)素生物合成有關(guān)，這些基因的不同表達導(dǎo)致不同種質(zhì)老芒麥落粒性產(chǎn)生差異［31］。

此外，在禾本科植物中已發(fā)現(xiàn)與離區(qū)細(xì)胞壁降解酶活性相關(guān)的基因（表3）。在水稻中，OsXTH 8基因編碼催化木葡聚糖聚合物裂解的木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖基酶/水解酶，細(xì)胞壁在該酶的作用下發(fā)生膨大，OsXTH 8基因的表達使離區(qū)細(xì)胞壁發(fā)生降解，從而促進水稻種子落粒［97］。OsCel9D（OsGLU 1）基因編碼內(nèi)切β-1，4-葡聚糖酶，在調(diào)控節(jié)間伸長的同時也可調(diào)節(jié)細(xì)胞壁成分，其突變增加了果膠含量，減少了細(xì)胞伸長并且降低了纖維素含量，從而降低水稻種子落粒性［98］。Shattering1（SHA 1）與sh4是等位基因（序列相似性98%），Lin等［99］發(fā)現(xiàn)SHA 1基因通過調(diào)節(jié)離區(qū)細(xì)胞的分離降解過程來影響水稻落粒，Lin等［99］認(rèn)為在水稻馴化過程中，SHA 1基因的單核苷酸突變降低了栽培稻種子落粒率，并且在所有馴化的栽培稻中都存在sha1突變基因。Tang等［100］在高粱的野生親緣物種中觀察到WRKY轉(zhuǎn)錄因子（SpWRKY）與落粒性相關(guān)，該基因可反向調(diào)控離層細(xì)胞壁水解酶的生物合成，促進離區(qū)的形成。在禾本科牧草中，Xie等［31］通過轉(zhuǎn)錄組研究發(fā)現(xiàn)有28個差異表達基因參與調(diào)控老芒麥離區(qū)纖維素酶的活性，這些基因的高表達可能導(dǎo)致種子落粒率的增加，與高落粒種質(zhì)相比，低落粒材料中涉及多聚半乳糖醛酸酶活性的兩個基因表達被下調(diào)［31］。Zhao等［33］對垂穗披堿草離區(qū)、非離區(qū)組織及老芒麥離區(qū)不同發(fā)育階段組織材料進行轉(zhuǎn)錄組差異表達分析后發(fā)現(xiàn)在這兩個物種離區(qū)中共鑒定到11個相似的上調(diào)表達基因，主要涉及多聚半乳糖醛酸酶、纖維素酶及果膠裂解酶基因，表明這些基因可能與垂穗披堿草和老芒麥的離區(qū)發(fā)育和落粒相關(guān)。半纖維素的主要成分木聚糖可以被木聚糖酶水解，從而加速離區(qū)的降解，而木聚糖酶的活性能夠被木聚糖酶抑制劑抑制［101］，水稻中已經(jīng)報道了至少3個XIP木聚糖酶抑制劑基因：RIXI、XIP和OsXIP［102-104］，研究發(fā)現(xiàn)XIP基因在低落粒老芒麥中的表達量高于高落粒材料，這表明該基因可能調(diào)控老芒麥種子落粒性［31］。

表3 調(diào)控離區(qū)生理學(xué)過程的落?；蛐畔able 3 Information of seed shattering genes that regulate the physiological process of abscission zone

4 結(jié)論與展望

禾本科植物普遍存在落?，F(xiàn)象，植物落粒不僅提高了種子生產(chǎn)成本，還影響了種子產(chǎn)量和質(zhì)量。與作物相比，禾本科牧草的人工馴化史較短，許多栽培種仍保留一定的野生性，種子落粒普遍存在。因此，針對目前種子生產(chǎn)現(xiàn)狀，根據(jù)種質(zhì)的落粒特性選擇合適的收獲期以降低自然落粒帶來的損失并篩選出符合實際生產(chǎn)需求的抗落粒品種十分關(guān)鍵。近年來，育種學(xué)家從形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)基礎(chǔ)、生理機制以及分子機理等方面對禾本科植物落粒機制進行了大量研究，揭示了禾本科植物落粒與離區(qū)結(jié)構(gòu)、細(xì)胞壁水解酶活性、植物激素水平、離區(qū)木質(zhì)素含量以及復(fù)雜的基因調(diào)控等因素有關(guān)。雖然禾本科作物與牧草具有相似的落粒機制，但關(guān)于禾本科牧草落粒分子機理的研究較少，所以，有關(guān)禾本科牧草落粒機理的研究仍需進一步深入。

乙烯、脫落酸和細(xì)胞分裂素等植物激素產(chǎn)生促進牧草落粒的信號，生長素和赤霉素則產(chǎn)生抑制脫落的信號。目前關(guān)于植物激素對禾本科牧草落粒的影響機制以及不同植物激素間的相互作用關(guān)系尚未完全了解，仍存在許多問題需進一步探討，如不同落粒程度的牧草在離層形成、發(fā)育和降解過程中植物內(nèi)源激素間的作用關(guān)系在分子層面上有何差別？因此，要繼續(xù)擴大關(guān)于內(nèi)源激素對禾本科牧草落粒的影響機制的研究范圍。

此外，研究表明不同的物種在落粒性狀上表現(xiàn)出趨同進化，如大麥和小麥中存在調(diào)控穗軸脆性的同源基因，高粱Sh1、水稻OsSh1和玉米ZmSh1-1基因均與落粒相關(guān)，且為直系同源基因。在禾本科模式作物水稻中已鑒定出多個與落粒相關(guān)的基因，并已初步建立了水稻落粒的部分基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這些研究為禾本科牧草落粒分子機理的研究提供了一定理論參考，但基因調(diào)控落粒的過程復(fù)雜，落?；蛑g的相互作用及相關(guān)基因的功能研究還不夠深入，且落?；蚬δ懿⒎峭耆Ｊ?，有些基因在禾本科植物種內(nèi)及種間具有不同的基因功能，所以禾本科牧草種子落?；虻耐诰蚨ㄎ灰约盎蜷g相互作用的機制等問題都需要進一步探索。

總之，我國牧草育種研究起步晚、投入少，且牧草種類繁多、多數(shù)牧草具有多年生、多倍體、異花授粉等特性，大多數(shù)牧草缺乏組學(xué)信息、無突變體庫、無遺傳轉(zhuǎn)化體系，從而限制了牧草育種的進程。我國牧草育種多采用野生栽培馴化、輪回選擇、雜交等常規(guī)育種技術(shù)，育種目標(biāo)多集中在草產(chǎn)量方面，尚無抗落粒育種研究。而水稻等主要農(nóng)作物育種已進入分子設(shè)計育種時代，通過集成和整合多種技術(shù)，基于基因型和表型數(shù)據(jù)設(shè)計親本組配和后代選擇，以提高育種的預(yù)見性和效率，實現(xiàn)定向、高效的精準(zhǔn)育種，并且利用基因編輯技術(shù)進行從頭馴化以滿足未來個性化需求。從傳統(tǒng)育種到分子設(shè)計育種的跨越主要依賴于基因組測序、全基因組選擇以及目標(biāo)性狀連鎖的分子標(biāo)記的開發(fā)等技術(shù)手段，這為培育突破性的低落粒牧草品種提供了重要參考。