作物株型馴化研究進(jìn)展

王泉，李廣，丁照華，莊潔怡，李欣怡，趙迪，程文

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所/小麥玉米國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部黃淮海北部玉米生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.深圳大學(xué)生命科學(xué)與海洋學(xué)院，廣東 深圳 518055）

農(nóng)作物不僅為我們提供食物和能源供應(yīng)，還為生產(chǎn)活動(dòng)提供各種原材料，可以說農(nóng)作物是人類生活和社會(huì)發(fā)展的最基本要素。目前普遍認(rèn)為，人類長(zhǎng)期對(duì)野生植物的馴化形成了當(dāng)今的作物類群。馴化是一種特殊的、多世代的、長(zhǎng)時(shí)間的馴化者和被馴化對(duì)象之間互利共生、共同進(jìn)化的關(guān)系。在這個(gè)關(guān)系中馴化者通常對(duì)被馴化對(duì)象的生長(zhǎng)和繁殖產(chǎn)生重大影響以確保其滿足馴化者自身的各種需求［1］。很明顯，馴化者是人類祖先，被馴化對(duì)象則是同一時(shí)期的各種野生植物。

在馴化過程中，為了滿足人類的需求，被馴化的植物不可避免地產(chǎn)生出一系列區(qū)別于其野生祖先的形態(tài)和生理特征，這些特征被統(tǒng)稱為馴化綜合癥（Domestication syndrome）［2，3］。植物馴化綜合癥通常包括植株形態(tài)、種子和果實(shí)大小、種子傳播途徑、生育期、種子成熟和休眠等［4］。在人為馴化植物的同時(shí)，仍然生長(zhǎng)在自然環(huán)境中的野生植物也經(jīng)受著大氣、水文、土壤、太陽輻射、巖石礦物以及其它生物等環(huán)境因素的影響，自然地為適應(yīng)新環(huán)境而發(fā)生改變，最終使得群體的表型發(fā)生改變，這個(gè)過程被稱為自然選擇［5］。無論是人為馴化還是自然選擇都不可避免地對(duì)物種基因型產(chǎn)生影響［6］。由于人工馴化和自然選擇的共同作用，絕大多數(shù)作物和其祖先品種以及擁有共同祖先的親緣品種表型迥異、差別明顯。而在眾多差異表型中最普遍、區(qū)分度最顯著、對(duì)產(chǎn)量影響深遠(yuǎn)的一個(gè)差異是株型差異［7，8］。相關(guān)研究表明株型差異往往可以由一些關(guān)鍵基因的變化引起。本文將依次對(duì)最重要的三大糧食作物水稻、玉米、小麥的起源和主要株型馴化關(guān)鍵基因（表1）進(jìn)行綜述。同時(shí)對(duì)如何利用這些馴化基因?yàn)榉肿釉O(shè)計(jì)育種提供思路進(jìn)行展望［9，10］。

表1 主要農(nóng)作物株型馴化基因

1 水稻株型馴化研究進(jìn)展

水稻（OryzasativaL.）是最重要的糧食作物之一，世界范圍內(nèi)超過一半人口以水稻為主食。水稻主要包括亞洲栽培稻（Oryzasativa）和非洲栽培稻（Oryzaglaberrima）兩個(gè)栽培種［23］。其中非洲栽培稻種植范圍相對(duì)集中，主要在非洲西部，其起源也比較明確，即由非洲中西部的一年生巴蒂野生稻馴化而來（Oryzabarthii）［24］。而亞洲栽培稻在全球范圍內(nèi)均有分布，可以分為粳稻（Oryza sativassp.japonica）和秈稻（OryzaSativassp.indica）兩個(gè)亞種［25，26］。關(guān)于亞洲稻起源問題目前也是眾說紛紜，大體上可分為單一起源說和多起源說兩類［26－34］。單一起源說認(rèn)為粳稻和秈稻都是從野生稻（Oryzarufipogon）馴化而來。多起源說認(rèn)為粳稻和秈稻分別從亞洲不同地方的野生稻馴化而來，其中粳稻為起源于我國(guó)的野生稻［31］，秈稻為起源于東南亞地區(qū)的普通野生稻或者是尼瓦拉野生稻（Oryzanivara）［25，35，36］。無論是單一起源說還是多起源說都支持普通野生稻是亞洲栽培稻的祖先。

普通野生稻和栽培稻株型上有明顯差異。野生稻地上部分匍匐生長(zhǎng)，而栽培稻則是直立生長(zhǎng)。這種株型上的變化能夠有效提高種植密度，增加光截獲從而大大提高產(chǎn)量。研究表明從野生稻到栽培稻的這種變化主要是通過改變PROG1基因型引起［11］。該基因編碼一個(gè)Cys2－His2鋅指蛋白，在分蘗基部旺盛表達(dá)。改變?cè)摶虻幕蛐涂梢愿淖兯厩o稈近地側(cè)細(xì)胞數(shù)目從而改變分蘗角度。研究者檢測(cè)了182種直立生長(zhǎng)的栽培稻（包括87種秈稻和95種粳稻），表明所有的栽培稻都是prog1基因型；另外檢測(cè)了30個(gè)野生稻，證明大部分匍匐生長(zhǎng)的野生稻都是PROG1基因型。prog1和PROG1有15個(gè)SNP位點(diǎn)差異和6個(gè)indel位點(diǎn)差異。因此，當(dāng)前普遍認(rèn)為株型馴化可能是通過對(duì)prog1基因型的選擇實(shí)現(xiàn)的［11］。此外非洲野生稻到非洲栽培稻的株型直立馴化也被證明，是由一個(gè)編碼鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子的PROG7基因的改變引起的。通過分析113個(gè)非洲栽培稻和94個(gè)非洲野生稻的PROG7基因序列表明，該基因在非洲稻馴化過程中受到強(qiáng)選擇。PROG7基因啟動(dòng)子區(qū)的4個(gè)SNP和2個(gè)indel位點(diǎn)改變導(dǎo)致其表達(dá)豐度在非洲栽培稻中顯著下調(diào)，此外編碼區(qū)也存在30個(gè)SNP和5個(gè)indel位點(diǎn)差異，這些差異共同導(dǎo)致栽培稻分蘗角度改變，對(duì)非洲栽培稻的直立馴化起到重要影響［12］。

另外水稻中還報(bào)道了另外兩個(gè)對(duì)分蘗角度和植株形態(tài)產(chǎn)生重大影響的基因TAC1和TIG1。其中TAC1在113個(gè)栽培稻和48個(gè)野生稻中的核酸多態(tài)性分析表明，該基因在野生稻、栽培稻品種及秈稻品種中基因型十分保守，核酸多態(tài)性幾乎不發(fā)生變化。但是在粳稻品種中的功能性核苷酸多態(tài)性分析表明，該基因在粳稻品種中受到選擇壓力，從而表明粳稻的株型直立馴化是通過選擇TAC1基因?qū)崿F(xiàn)的［13］。而最近的一項(xiàng)研究表明，秈稻也存在一個(gè)特異受到人工選擇的且與分蘗角度和植株形態(tài)密切相關(guān)的基因TIG1。TIG1基因特異地在莖稈遠(yuǎn)地端高表達(dá)，促進(jìn)EXPA3、EXPB5和SAUR39等下游基因的表達(dá)，引起該部位的細(xì)胞長(zhǎng)度增加，從而形成較大的分蘗角度，改變株型。選擇壓力分析看出，該基因僅僅在秈稻中受到選擇，表明該基因只與秈稻的直立馴化相關(guān)［14］。

總的來說，水稻直立株型馴化與4個(gè)關(guān)鍵基因的選擇相關(guān)，其中普通野生稻到亞洲栽培稻的株型改變與PROG1基因相關(guān)；非洲野生稻到非洲栽培稻的株型改變與PROG7基因相關(guān)；粳稻和秈稻的株型馴化分別與TAC1和TIG1基因相關(guān)。

2 玉米株型馴化研究進(jìn)展

玉米（ZeamaysL.）是世界三大主要農(nóng)作物之一，不僅是主要的糧食作物，也是重要的飼料和能源作物，同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)上也占據(jù)重要地位。從分類上看，玉米是玉蜀黍?qū)伲℅emusZea）的一個(gè)亞種。玉蜀黍?qū)儆捎衩资騺唽伲⊿ectionZea）和繁茂亞屬（SectionLuxuriantes）兩個(gè)亞屬共同組成。玉米黍亞屬只有一個(gè)種群即玉米種（Zeamays）。但玉米種包含栽培玉米亞種（Zeamaysssp.mays）、墨西哥玉米亞種（Zeamaysssp.mexicana）、委委特南戈類玉米亞種（Zeahuehuetenangensis）以及小穎玉米亞種（Zeamaysssp.parviglumis）等多個(gè)亞種。繁茂亞屬主要包括繁茂玉米種（Zealuxurians）、多年生玉米種（Zeaperennis）以及二倍體多年生玉米種（Zeadiploperennis）等種群［36］。除了栽培玉米外，其它種群亞群被統(tǒng)稱為大芻草（Teosinte）。遺傳學(xué)證據(jù)表明，小穎玉米和栽培玉米有很高的等位基因相似度［37－39］，可能是其直系祖先。對(duì)不同地區(qū)材料分析和遺址考古證明，玉米起源于墨西哥中部，由約9 000年前的一次獨(dú)立馴化事件而來［39］。但是在玉米擴(kuò)張傳播的過程中墨西哥玉米（Zeamaysssp.mexicana）的許多適應(yīng)性基因被引入栽培玉米中，表明小穎玉米和墨西哥玉米對(duì)現(xiàn)代栽培玉米的基因組都有貢獻(xiàn)［40］。因此在提及玉米的祖先時(shí)往往用大芻草指代，玉米和大芻草相比有明顯的株型差異。

大芻草有分蘗性，具有多個(gè)側(cè)生分枝，并且每個(gè)側(cè)生分枝都長(zhǎng)有一個(gè)小穗，穗上既有雌花也有雄花，種子排列通常是二列式；栽培玉米一般不分蘗，頂端只有一個(gè)雄穗，側(cè)生分枝數(shù)目通常只有一個(gè)并且很短，分枝頂端長(zhǎng)著雌穗，種子排列通常是多列式［41］。玉米這一系列的株型差異主要與5個(gè)關(guān)鍵基因的馴化有關(guān)。其中最早被克隆的是tb1基因［15］，該基因編碼一個(gè)含TCP結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)腋芽的生長(zhǎng)起到負(fù)向調(diào)控作用，從而減少植株分蘗的產(chǎn)生。對(duì)大芻草和玉米tb1基因進(jìn)行遺傳分析表明，玉米中該基因的表達(dá)量升高了一倍左右。這種表達(dá)量的升高是由于約10 000年前tb1基因上游65 kb處插入了一個(gè)Hopscotch轉(zhuǎn)座子，并且起到了增強(qiáng)子的作用引起的［16］。另外一個(gè)重要基因是zfl2，它是一個(gè)受到強(qiáng)選擇的一因多效的基因，對(duì)玉米的花序和株型都產(chǎn)生重要影響:一方面它能調(diào)控花序分生組織形成多級(jí)花序（形成大的雄穗），另一方面也影響最高和最低能著生雌穗的節(jié)位，同時(shí)對(duì)側(cè)生分枝數(shù)也產(chǎn)生影響［17］。zagl1基因編碼一個(gè)MADS－box轉(zhuǎn)錄因子，能調(diào)控玉米開花時(shí)間，還表明該基因在玉米馴化過程中被選擇用來增加玉米穗的大小和種子的數(shù)目［18，19］。gt1基因編碼一個(gè)亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子，在玉米馴化過程中受到強(qiáng)選擇，它在玉米的一級(jí)分枝中高表達(dá)，抑制側(cè)枝的生長(zhǎng)從而使得玉米的分枝變短［20］。進(jìn)一步的馴化分析表明該基因在馴化過程中被選擇用來減少大芻草的穗數(shù)目和增大玉米穗的大?。?9］。另外還有一個(gè)tga1基因，其主要功能與玉米籽粒的稃殼相關(guān)，在馴化過程中受到強(qiáng)選擇，在大芻草與栽培玉米中有7個(gè)位點(diǎn)差異［21］。但是最新研究表明，該基因也是一個(gè)一因多效的基因，對(duì)玉米的穗脫落、側(cè)生分枝的長(zhǎng)度、穗和葉序的發(fā)生都產(chǎn)生影響，并且在馴化過程中被用來選擇理想株型［42］。

3 小麥株型馴化研究進(jìn)展

小麥對(duì)保障世界糧食安全起著重要作用。它起源于西南亞地區(qū)，最早的栽培遺址可以追溯到7 000年前，栽培于西南亞地區(qū)的“新月形沃地”［43］。早期人類在小麥栽培過程中培育出一粒小麥（Enikorn，基因組AA）并且向附近地區(qū)傳播。一粒小麥在傳播過程中與田間雜草（染色體組BB）發(fā)生天然雜交，然后再經(jīng)歷染色體加倍后形成野生二粒小麥（Emmer，染色體組AABB）。隨后二粒小麥在傳播過程中與粗山羊草（Aegilops tauschii，染色體組DD）發(fā)生天然雜交，然后經(jīng)歷染色體加倍后形成異源六倍體的普通小麥（染色體組AABBDD）［44，45］。從基因組上來看，六倍體普通小麥應(yīng)該有三個(gè)二倍體祖先，其中兩個(gè)已經(jīng)得到確認(rèn):烏拉爾圖小麥Triticum urartu（基因組AA）和粗山羊草（基因組DD）被認(rèn)為是A、D基因組的起源物種，但B基因組的起源仍存在爭(zhēng)議。由于基因組來源多種，因此本文討論的小麥株型馴化并不是與其祖先品種進(jìn)行對(duì)比的株型差異，而是主要指20世紀(jì)60年代以來的半矮稈化馴化。20世紀(jì)60年代，由于人口驟漲，糧食壓力增大，育種界掀起一場(chǎng)綠色革命。當(dāng)時(shí)的栽培小麥植株普遍較高，這一方面導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)占用過多的生物量，同時(shí)也容易發(fā)生倒伏，大大影響作物產(chǎn)量。育種學(xué)家們通過雜交方法引入矮稈基因，降低了小麥株高，產(chǎn)量大幅提高［22，46］。

小麥矮稈馴化的關(guān)鍵基因是Rht基因。雖然迄今為止小麥中已經(jīng)鑒定并且統(tǒng)一命名的Rht基因共有25個(gè)（表2），即Rht1至Rht25［47，48］，但20世紀(jì)60年代的矮稈馴化主要利用的是Rht1和Rht2，這兩個(gè)基因分別被定位到染色體4B和4D上并且重新命名為Rht－B1b和Rht－D1b［22］。這兩個(gè)基因都編碼DELLA蛋白，該蛋白作為轉(zhuǎn)錄抑制因子調(diào)控赤霉素信號(hào)。在矮化植株中Rht－B1b和Rht－D1b的等位基因型變?yōu)槌嗝顾夭幻舾行蛷亩种浦仓晟L(zhǎng)。隨后在不同地區(qū)的不同小麥品種中鑒定出更多的降稈基因，這些基因?qū)π←溨仓甑陌计鸬揭欢ㄗ饔茫峭瑫r(shí)也對(duì)穗型、產(chǎn)量、種子營(yíng)養(yǎng)成分等其它性狀產(chǎn)生不同影響，生產(chǎn)上也經(jīng)常是組合使用來適應(yīng)不同的育種背景和生長(zhǎng)環(huán)境。Rht3的矮化等位基因型能降低株高和縮短葉長(zhǎng)50%以上［49］。Rht4、Rht5、Rht6、Rht7這4個(gè)基因雖然都能降低株高但會(huì)降低產(chǎn)量，曾經(jīng)認(rèn)為生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值不大，但最近的研究表明Rht4與Rht8共同使用時(shí)，與親本相比能進(jìn)一步降低株高和提高產(chǎn)量［50］。Rht5能降低株高23%，但會(huì)延遲成熟、降低分蘗，嚴(yán)重影響產(chǎn)量［51］。導(dǎo)入Rht8基因能降低株高11%，并且在不同地區(qū)不同灌溉條件下不會(huì)降低產(chǎn)量，所以也是除Rht1和Rht2之外應(yīng)用最廣泛的矮化基因［52］。Rht9來源于日本赤小麥，能降低株高，同時(shí)也能增加11.25%的分蘗數(shù)，增產(chǎn)10.11%［53］。Rht10是降稈能力最強(qiáng)的矮化基因，調(diào)控小麥株高不到40 cm，但導(dǎo)致地上部分的生物量極低，極大地影響產(chǎn)量［54］。Rht11是一個(gè)類似于Rht1的赤霉素敏感型隱性基因，矮化能力也十分出色［55］。Rht12能降低株高43%左右，是一個(gè)赤霉素敏感型隱性基因，會(huì)延長(zhǎng)抽穗時(shí)間［56］。Rht13能降低株高24%左右，同時(shí)也能提高單株粒數(shù)和產(chǎn)量［57］。Rht14、Rht16和Rht18三個(gè)基因也是赤霉素敏感型，分別能降低株高47.3%、39.9%和36.0%，并且這三個(gè)基因都是通過降低穗下第一節(jié)間長(zhǎng)度來降低株高［58］。Rht15基因是從Durox品種中通過EMS誘變出來的一個(gè)半顯性矮化等位基因［47］。Rht17是一個(gè)DELLA蛋白編碼基因的等位基因，在178個(gè)核苷酸處發(fā)生C－to－T的堿基替換導(dǎo)致編碼提前終止，該基因型能使面包小麥和硬粒小麥株高分別降低約30%和50%［59］。Rht19是一個(gè)通過EMS誘變出來的赤霉素反應(yīng)敏感型矮化等位基因［60］。Rht20是通過γ－射線誘變而來的赤霉素敏感型矮化等位基因［61］。Rht21是一個(gè)半顯性、能降低株高13.8%且不會(huì)引起其它不利于產(chǎn)量的表型發(fā)生并具有良好育種潛力的矮化等位基因［62］。Rht22是一個(gè)能降低株高約42%左右的隱性基因，它通過減少節(jié)間細(xì)胞數(shù)目實(shí)現(xiàn)矮稈［63］。Rht23是一個(gè)通過EMS誘變NAUH164品種而產(chǎn)生且具有降低株高、縮短穗長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的矮化等位基因［64］。Rht24是一個(gè)廣泛存在于小麥中的矮化基因，能降低株高8.0%～10.4%，同時(shí)對(duì)產(chǎn)量起到積極作用［65］。Rht25是最新鑒定的矮化基因，矮化效應(yīng)約為廣泛利用的Rht1和Rht2的一半左右，是一個(gè)對(duì)胚軸長(zhǎng)度、抽穗期、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、小穗密度和粒重有顯著多效性影響的矮化基因［66，67］。

表2 小麥矮稈基因Rht1到Rht25

總的來說，小麥矮化株型的馴化是通過對(duì)Rht基因的選擇實(shí)現(xiàn)，20世紀(jì)60年代綠色革命的基因主要是指Rht1和Rht2。到目前為止小麥中共鑒定出25個(gè)矮稈基因，它們都能對(duì)小麥株高起到抑制作用，具有育種應(yīng)用潛力。但是目前這些基因在育種上的應(yīng)用并不普遍，主要用的是Rht1、Rht2、Rht8和Rht11，但對(duì)小麥矮化基因進(jìn)行總結(jié)和歸納有利于為后續(xù)小麥設(shè)計(jì)育種提供株型設(shè)計(jì)思路。

4 展望

植物株型是人類辨識(shí)、區(qū)別和分類植物的主要標(biāo)準(zhǔn)，也是植物長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境和獲取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的生長(zhǎng)策略，更重要的作用是幫助植物更好地繁衍和傳播種子。植物獨(dú)特的外觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征是植物按特定程序表達(dá)內(nèi)源基因、遵循特有模式發(fā)育的結(jié)果。在作物中原本也是如此，但是由于人類活動(dòng)的介入，一些野生植物的栽培環(huán)境發(fā)生變化，然后結(jié)合人類長(zhǎng)期的選擇這些野生植物內(nèi)源基因原有的表達(dá)程序也發(fā)生了改變，使得它們能更好地適應(yīng)人類創(chuàng)造的栽培環(huán)境、耕作技術(shù)并且收獲足夠的食物和物質(zhì)材料。這些植物也就逐漸變?yōu)槿祟悘V泛種植的作物，這個(gè)過程也就是作物馴化。

人類祖先的馴化活動(dòng)改變了作物地上部分的外觀形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，這些改變?yōu)樗麄兲暨x出了符合當(dāng)時(shí)耕地環(huán)境、耕作技術(shù)并且能提供足夠食物的作物。但時(shí)至今日耕地環(huán)境、耕作技術(shù)、糧食及有關(guān)物質(zhì)材料的壓力一直發(fā)生著改變，比如耕地面積的顯著減少、土壤肥力的下降、鹽堿程度增加、農(nóng)業(yè)機(jī)械化的推進(jìn)、人口增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于糧食增長(zhǎng)速度等。這就迫使我們必須進(jìn)一步改造現(xiàn)有作物株型以適應(yīng)現(xiàn)階段的各種需求。隨著1968年澳大利亞育種家C.M.Donald首次提出理想株型（ideotype）概念后，世界各地研究機(jī)構(gòu)和育種家們相繼就各種作物提出理想株型標(biāo)準(zhǔn)。比如:國(guó)際水稻研究所（International Rice Research Institute，IRRI）提出水稻的理想株型應(yīng)該是幾乎不存在無效分蘗、每穗籽粒較多以及莖較粗抗倒伏等；玉米的理想株型應(yīng)該為塔型，穗上葉片直立上沖夾角20°～25°，穗下葉角度為40°～45°，且保證所有葉片都能直接接受光照，也不阻礙授粉；小麥的理想株高應(yīng)該是70 cm左右，且保證地上部分能提供足夠的生物量但又不浪費(fèi)生物量、不倒伏等。通過遺傳學(xué)和分子生物手段，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并且克隆了眾多人類祖先馴化選擇株型時(shí)使用的關(guān)鍵馴化位點(diǎn)和基因。通過總結(jié)和歸納這些基因的功能和對(duì)表型的影響可以為培養(yǎng)理想株型作物提供參考。并且隨著多基因聚合、基因編輯等技術(shù)的發(fā)展，分子設(shè)計(jì)育種已逐漸成為主流的育種方法。通過綜述株型馴化基因和有效單倍型可以直接通過分子設(shè)計(jì)育種提供基因組合思路，提升株型育種效率。