玉米葉夾角的遺傳與分子調(diào)控研究進(jìn)展

張全艷,張培高,徐春霞,叢一寧,劉麗*

(1.云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院，昆明 650504；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，昆明 650205)

玉米(ZeamaysL.)是世界上廣泛種植的作物，也是我國(guó)種植面積較大的糧食作物。高產(chǎn)是我國(guó)玉米育種的首要目標(biāo)，提高單產(chǎn)是增加作物總產(chǎn)量的主要方式，加大種植密度是提高單產(chǎn)的重要方法，而選育株型緊湊的高產(chǎn)雜交種進(jìn)行合理密植是提高玉米產(chǎn)量最經(jīng)濟(jì)有效的措施之一。Mock和Pearce[1]最早提出玉米理想株型及具體指標(biāo)，隨后理想株型育種成為玉米育種的重要研究方向，先后育成了一系列株型緊湊、耐密性強(qiáng)的玉米品種，使種植密度逐漸提高，單產(chǎn)水平不斷提升。美國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)的種植密度在20世紀(jì)30年代僅為30 000株·hm-2，而目前已提升到90 000株·hm-2以上，耐密品種的選育和推廣是美國(guó)玉米產(chǎn)量穩(wěn)居世界前列的重要原因。隨著耐密品種(先鋒公司P1197YHR)的選育以及保護(hù)性耕作等栽培技術(shù)的應(yīng)用，玉米創(chuàng)下了41 340 kg·hm-2的高產(chǎn)記錄(美國(guó)國(guó)家玉米種植協(xié)會(huì)，National Corn Growers Association，NCGA)。我國(guó)掖單2號(hào)、掖單13號(hào)、DH3719、鄭單958等耐密品種的成功選育為玉米高產(chǎn)育種提供了新途徑，顯著推動(dòng)了我國(guó)現(xiàn)代玉米育種進(jìn)步[3-4]。最近，Tian等[2]從玉米野生祖先種大芻草中克隆了控制玉米緊湊株型、密植增產(chǎn)的關(guān)鍵基因，建立了玉米緊湊株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示了玉米密植株型的分子調(diào)控機(jī)制。

耐密優(yōu)良品種的選育是解決我國(guó)耕地面積減少與玉米供需矛盾的有效途徑。葉夾角作為耐密品種的重要外在形態(tài)指標(biāo)，直接決定了玉米在高密度種植條件下對(duì)避蔭綜合癥的抵抗能力，對(duì)于改善群體冠層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光能的利用率，減小避蔭綜合癥的誘發(fā)因素，促進(jìn)光合產(chǎn)物在源、流、庫(kù)之間的高效合理運(yùn)轉(zhuǎn)，增加光合產(chǎn)物的積累和提高產(chǎn)量具有重要的作用。本文從葉夾角對(duì)玉米株型、光合作用、種植密度與產(chǎn)量的影響，以及葉夾角的形態(tài)建成、遺傳、分子調(diào)控機(jī)制、QTL定位與基因克隆研究等方面綜述了葉夾角形成的分子機(jī)理和遺傳研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前研究存在的問(wèn)題，并提出了未來(lái)玉米葉夾角研究的主要方向，為耐密理想株型分子標(biāo)記輔助選擇提供理論依據(jù)，在玉米高密度育種及株型育種中也具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 葉夾角對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

1.1 葉夾角對(duì)玉米株型的影響

葉夾角即葉片與主莖之間的夾角，是決定玉米株型的主要因素[5]。根據(jù)葉夾角的差異，玉米株型分為平展型、緊湊型和中間型。平展型玉米植株高大、葉片寬大，穗位以上葉片與主莖之間的夾角大于45°，葉片平伸、頂尖下垂，單株生產(chǎn)潛力高，不耐密植；緊湊型玉米植株稍小、葉片窄小，穗位以上葉片與主莖之間的夾角小于30°，葉片直立向上，單株生產(chǎn)潛力低、耐密植，群體生產(chǎn)潛力高；中間型玉米介于緊湊型和平展型之間，穗位以上葉片與主莖之間的夾角在30°～45°之間。其中緊湊型玉米植株葉片直立向上，冠層截光能力低，群體透光率高，有利于中下部葉片獲得更多光照，使葉片高效地利用光能，進(jìn)而提高植株凈光合速率和群體生產(chǎn)力，增加種植密度。最早培育出的耐密玉米雜交種先鋒3306，其顯著的特點(diǎn)是冠層葉片直立、與地面間的夾角逐漸增大，因此能夠有效截獲光合輻射[6-7]，進(jìn)一步模擬試驗(yàn)和田間試驗(yàn)均表明，冠層葉片直立的雜交種都具有顯著的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)，說(shuō)明合理的葉片結(jié)構(gòu)分布對(duì)冠層形態(tài)有重要決定作用。在高密度種植條件下，緊湊植株具有最大的光截獲葉面積指數(shù)，能夠有效地促進(jìn)籽粒灌漿中的氮素積累，因此產(chǎn)量顯著高于平展型植株。由于較小的葉夾角有利于降低冠層截光率，提高群體光能利用率和群體種植密度，從而提高產(chǎn)量，同時(shí)為了適應(yīng)高密度的種植，葉夾角也變得更加直立[2]。當(dāng)群體冠層隨種植密度增加變得擁擠時(shí)，直立的葉子可以通過(guò)減少遮蔭和保持光截獲效率以最大限度地提高光合作用，實(shí)現(xiàn)高密度種植條件下的高產(chǎn)目標(biāo)，因此較小的葉夾角是玉米育種最為重要的靶標(biāo)。

1.2 葉夾角對(duì)玉米光合作用的影響

葉長(zhǎng)、葉寬、葉夾角和葉片形態(tài)是決定玉米株型緊湊程度的主要性狀，直接影響玉米群體冠層截光能力和群體光能利用率[6，8]。當(dāng)葉面積指數(shù)最高，葉夾角接近90°時(shí)，光合作用最強(qiáng)，光能利用率最高。由于高產(chǎn)品種的株高較低、葉夾角較小、穗上葉較少，葉向值、葉面積指數(shù)和單位面積內(nèi)種植群體數(shù)量較大，因此，在高密度種植條件下，中下層葉片也能獲得光照，增加產(chǎn)量。黃收兵等[9]提出，株型緊湊、穗下葉層間距小、穗位低、葉夾角小等性狀為理想株型，其具有冠層葉片排列緊密、透光率和光能利用率高等優(yōu)勢(shì)，因此有助于增加種植密度，提高產(chǎn)量。上述研究結(jié)果一致表明，減小葉夾角是構(gòu)建理想株型、提高產(chǎn)量的重要途徑之一。

1.3 葉夾角對(duì)玉米種植密度與產(chǎn)量的影響

葉夾角對(duì)玉米種植密度有重要決定作用。Pendleton等[7]比較C103×Hy組合近等基因系的產(chǎn)量差異，結(jié)果表明，攜帶liguleless2(lg2)基因的近等基因系葉片直立，具有較好的冠層結(jié)構(gòu)以及較高的光能利用率，產(chǎn)量比其他近等基因系高41.2%，此外將平展型品種先鋒3306改良為葉片直立的緊湊型品種，其光截獲效率和產(chǎn)量均顯著增加。隨后Lambert和Johnson[6]用B14×h43和Oh43×R177的RILs比較普通重組系(葉夾角35°)、liguleless1(lg1)基因型和lg2基因型玉米的產(chǎn)量，結(jié)果表明，在75 000和90 000株·hm-2的高密度種植下，lg2基因型的產(chǎn)量顯著高于普通重組系，說(shuō)明葉夾角與玉米種植密度及產(chǎn)量密切相關(guān)。lg1基因型葉片直立，為高密度種植的理想株型，而lg2葉夾角較lg1大，但其光截獲效率高，因此也具有較高的產(chǎn)量。李登海等[10]將平展型玉米葉片改造成緊湊型，產(chǎn)量增加21%，而將緊湊型品種改造成平展型，產(chǎn)量減少20%，并且緊湊型品種DH3719于2005年以105 000株·hm-2的種植密度創(chuàng)下了21 042 kg·hm-2的夏玉米高產(chǎn)紀(jì)錄，較掖單13號(hào)1989年創(chuàng)造的16 444 kg·hm-2的世界夏玉米紀(jì)錄超出4 584 kg·hm-2，將單產(chǎn)紀(jì)錄提高了27.96%。近幾十年玉米株型育種取得顯著成效，與20世紀(jì)中早期育成品種相比，現(xiàn)代玉米雜交種葉片直立且葉面積較大，光截獲效率增加了14%，增產(chǎn)20%左右。此外，Ku等[8]提出，葉面積指數(shù)大于3，上部葉片直立為玉米最佳株型組合類型。隨著具有直立葉的自交系B73在雜交種選育中的廣泛利用，玉米雜交種的葉夾角逐年下降，特別是34N44、P1197YHR等葉夾角小、耐密品種的成功選育及推廣應(yīng)用為玉米增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)，說(shuō)明減小葉夾角或降低葉向值是通過(guò)株型改良提高玉米產(chǎn)量的重要途徑。

2 葉夾角的形成機(jī)制

2.1 葉夾角形態(tài)建成

葉片發(fā)育起始于莖頂端分生組織(stem apical meristem，SAM)周邊的初始細(xì)胞，包括葉原基的形成和極性軸向的建立。葉原基由頂端分生組織中心“干細(xì)胞”在生長(zhǎng)素誘導(dǎo)下形成成簇分布的外緣葉原初生細(xì)胞，然后在遺傳背景和環(huán)境的互作效應(yīng)下，葉原基建立基-頂軸(葉的基部-頂端)、腹-背軸(莖的近軸面-遠(yuǎn)軸面)、中-邊軸(葉的主脈-邊緣)3個(gè)極性軸向，該過(guò)程為葉片發(fā)育和形態(tài)建成的關(guān)鍵時(shí)期，其中葉夾角主要由葉片與葉鞘之間的葉環(huán)所調(diào)控，葉環(huán)包括葉舌與葉耳，其形成發(fā)生在基-頂軸的極性建立過(guò)程中[11]。葉夾角與葉耳及中脈的機(jī)械支撐強(qiáng)度有關(guān)[12]，因此，解析葉環(huán)發(fā)育基因的調(diào)控機(jī)制有助于從分子水平闡明葉夾角形成的遺傳基礎(chǔ)。

2.2 葉夾角遺傳研究

葉夾角的廣義和狹義遺傳力均較高，并且以加性效應(yīng)為主，同時(shí)受非加性效應(yīng)的影響。蔡一林等[13]認(rèn)為，葉夾角的遺傳符合加性遺傳模型，因此以加性效應(yīng)為主，也有研究顯示，葉夾角由多基因或多位點(diǎn)控制，并且受非加性基因的影響[5]。Chen等[14]采用GriffingⅡ雙列雜交進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)葉夾角的遺傳符合加性-顯性-上位性模型。也有研究表明，葉夾角主要由加性效應(yīng)和母本效應(yīng)所決定。賴仲銘等[15]發(fā)現(xiàn)，在葉夾角遺傳效應(yīng)中，一般配合力作用較大，而特殊配合力的影響較小，說(shuō)明玉米葉夾角的雜種優(yōu)勢(shì)不突出。綜上所述，葉夾角的遺傳效應(yīng)以加性效應(yīng)為主，但不同材料間由于遺傳背景的影響，可能存在顯性、上位性及母本效應(yīng)，因此可通過(guò)遺傳育種，選擇葉夾角較小的植株，通過(guò)株型改良提高玉米產(chǎn)量。

3 葉夾角形成的分子調(diào)控機(jī)制

3.1 葉夾角形態(tài)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米葉片形態(tài)發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控進(jìn)行了較多研究。KNOX基因家族rs1位于頂端分生組織處，維持細(xì)胞分化，其中Knotted-1(Kn1)基因是首個(gè)從植物中發(fā)現(xiàn)的KNOX1亞基因家族，其與Knox7同屬于KNOX家族，在頂端分生組織特異性表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞分化向膨大生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變，形成特定的葉向，此外在基-頂軸的極性形成過(guò)程中，Kn1通常與lg3、lg4、Knox8相互作用進(jìn)而調(diào)控葉片發(fā)育[16]。研究表明，KNOX還能促進(jìn)細(xì)胞分裂素(CTK)合成基因上調(diào)表達(dá)，抑制GA3和GA20氧化酶合成，可以促進(jìn)SAM細(xì)胞分裂形成葉原基，并且增加GA的含量有利于解除DELLA對(duì)葉片發(fā)育的抑制作用[16]。lg3和lg4基因半顯性突變主要在葉鞘中表達(dá)，但是lg3隱性突變對(duì)葉片發(fā)育的影響較小，可能原因是lg3與KNOX基因家族存在一定的功能冗余[17]。此外，TCP家族的Wab1基因的顯性突變會(huì)造成異位表達(dá)，導(dǎo)致葉舌缺失，進(jìn)而影響基-頂軸極性的建立[18]。

lg1、lg2和lgn對(duì)葉舌及葉耳的發(fā)育具有調(diào)控作用。Johnston等[19]利用RNA-seq技術(shù)對(duì)突變體lg1和野生型的第六和第七葉原基、上部葉片及下部葉鞘進(jìn)行比較，共檢測(cè)到96個(gè)差異表達(dá)基因，其中34個(gè)差異表達(dá)基因在野生型中上調(diào)表達(dá)，而在lg1突變體中下調(diào)表達(dá)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在葉夾角的形態(tài)建成中，lg1基因首先激活PIN1a在葉環(huán)區(qū)的表達(dá)，調(diào)控生長(zhǎng)素和葉片-鞘邊界基因如CUC2和lg3之間相互作用，阻礙邊界基因的細(xì)胞表達(dá)進(jìn)而形成葉舌。在邊界分化過(guò)程中，lg3與BEL14或BEL12對(duì)葉舌細(xì)胞分裂有互作效應(yīng)，而PIN1a蛋白介導(dǎo)的生長(zhǎng)素促進(jìn)了邊界細(xì)胞的分裂形成葉舌。最近，Tian等[2]克隆了兩個(gè)控制玉米緊湊株型、密植增產(chǎn)的關(guān)鍵基因UPA1(uprightplantarchitecture1)和UPA2(uprightplantarchitecture2)，其中UPA2的功能變異是由于2 bp核苷酸插入/缺失，該插入/缺失為順式調(diào)控元件的突變進(jìn)而調(diào)控下游9.5 kb的B3轉(zhuǎn)錄因子ZmRAVL1的表達(dá)，UPA1主要調(diào)控BRs合成途徑中brd1基因的表達(dá)。進(jìn)一步功能分析發(fā)現(xiàn)，大芻草UPA2基因與玉米葉片發(fā)育基因DRL1的結(jié)合能力更強(qiáng)，而DRL1可與玉米無(wú)葉舌基因lg1互作進(jìn)而抑制lg1對(duì)ZmRAVL1的激活，引起下游brd1基因的表達(dá)下調(diào)，從而降低葉環(huán)處內(nèi)源BRs表達(dá)水平，影響葉耳細(xì)胞的增殖，最終形成較小的葉夾角。

3.2 葉夾角形成的激素調(diào)節(jié)機(jī)制

葉夾角的形態(tài)建成與植物激素特別是油菜素內(nèi)酯(brassinosteroids,BRs)、生長(zhǎng)素(auxin,IAA)和赤霉素(gibberellin,GA)密切相關(guān)。在玉米、水稻以及高粱中，國(guó)內(nèi)外鑒定出大量的BRs合成、信號(hào)傳遞相關(guān)基因，其中參與BRs信號(hào)傳導(dǎo)的基因突變體大多表現(xiàn)為葉夾角較小。Makarevitch等[20]研究油菜素內(nèi)酯C-6氧化酶對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素P450家族Brd1基因的無(wú)義突變會(huì)影響B(tài)Rs的合成，引起植株矮化、葉片呈波浪狀扭曲、葉舌變小、葉耳增大，并且葉耳與葉片的邊界消失，進(jìn)而影響葉夾角的大小。Best等[21]鑒定出BRs合成途徑的另一個(gè)基因na2，該基因突變同樣影響B(tài)Rs的合成，導(dǎo)致株高矮化、葉片形態(tài)化及葉夾角變大。此外，玉米2號(hào)染色體上qLA2的候選基因ZmILI1，通過(guò)與下游基因lg1的啟動(dòng)子結(jié)合后激活lg1的表達(dá)，從而調(diào)控葉夾角。此外ZmILI1和CYP90D1形成負(fù)調(diào)控，維持玉米中BRs的平衡[22]。通過(guò)RNAi干擾BRs受體的同源基因表達(dá)，轉(zhuǎn)基因植株更綠、株型更緊湊且植株形態(tài)扭曲，葉舌與葉耳均變小。上述研究表明，BRs對(duì)葉夾角的形成具有重要調(diào)控作用。

IAA也參與調(diào)控玉米葉夾角的形成和發(fā)育，其作用機(jī)制較復(fù)雜。Moon等[23]通過(guò)生長(zhǎng)素定向運(yùn)輸?shù)鞍椎臒晒獬上穹治觯l(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素在葉片-葉鞘邊界的葉舌形成部位累積，說(shuō)明生長(zhǎng)素與葉舌的形成有關(guān)。此外葉夾角基因LAZY1通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸，進(jìn)而影響細(xì)胞發(fā)育使葉夾角發(fā)生改變[24-25]。Fellner等[26]比較現(xiàn)代玉米品種3394與早期育成品種307對(duì)生長(zhǎng)素的響應(yīng)情況發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代品種3394的葉夾角更小，其對(duì)生長(zhǎng)素敏感性減弱，因此品種的適應(yīng)性性更強(qiáng)，主要原因是3394的葉夾角較小，生長(zhǎng)素結(jié)合蛋白基因ABP4的表達(dá)量隨之下降，因此對(duì)生長(zhǎng)素的敏感性減弱。

赤霉素對(duì)葉夾角的形態(tài)建成有一定影響。Kong等[12]對(duì)自交系B73和986進(jìn)行比較，從葉夾角較小的986中鑒定出7個(gè)與細(xì)胞分裂素(CK)降解相關(guān)基因、19個(gè)乙烯(ETH)和23個(gè)GA信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因，這些基因調(diào)控細(xì)胞分裂并促進(jìn)細(xì)胞的伸長(zhǎng)，進(jìn)而影響葉夾角的形成。Best等[21]研究表明，GA突變體、BRs突變體以及GA-BR雙突變體與普通植株間株高、葉夾角、分蘗以及育性均存在顯著差異，特別是兩種激素的雙突變體株型與育性均有較大差異，說(shuō)明GA和BRs基因間的互作可能對(duì)葉夾角的形成有重要調(diào)控作用。

4 葉夾角的QTL定位與基因克隆研究

4.1 葉夾角的QTL定位研究

連鎖分析和關(guān)聯(lián)分析是研究農(nóng)作物復(fù)雜數(shù)量性狀的主要方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米葉夾角相關(guān)QTL進(jìn)行了大量的研究(表1)。Mickelson等[27]最早對(duì)葉夾角進(jìn)行研究，用B73和Mo17構(gòu)建重組自交系群體(RILs)，采用復(fù)合區(qū)間作圖法在兩個(gè)試點(diǎn)共檢測(cè)到9個(gè)葉夾角QTL，其中位于第1和7號(hào)染色體上的主效QTL分別解釋表型變異的20.6%和27.7%。Guo等[3]用10個(gè)不同自交系作為供體親本，以農(nóng)系531為受體親本構(gòu)建染色體片段導(dǎo)入系，鑒定出4個(gè)葉夾角發(fā)育相關(guān)QTL，其中位于第2、9及10號(hào)染色體上QTL分別解釋了12.7%、14.1%和26.5%的表型變異。Tian等[5]利用5 000份RILs組成的巢式關(guān)聯(lián)作圖(nested association mapping，NAM)群體，在9個(gè)環(huán)境下進(jìn)行表型鑒定，通過(guò)玉米全基因組關(guān)聯(lián)分析，從160萬(wàn)個(gè)遺傳位點(diǎn)鑒定葉舌基因的變異類型及葉夾角QTL/基因，共檢測(cè)到30個(gè)葉夾角QTL，解釋總遺傳變異的74.8%。Li等[49]利用GBS(genotyping by-sequencing)簡(jiǎn)化測(cè)序技術(shù)分析3個(gè)RILs群體的基因型，在6個(gè)環(huán)境下對(duì)3個(gè)株型葉夾角相關(guān)性狀進(jìn)行分析，共檢測(cè)到17個(gè)葉夾角QTL位點(diǎn)，能夠解釋表型變異的2.0%～11.4%。李威亞[43]以玉米大芻草滲入系BC2F5群體為研究材料，在第2染色體定位到兩個(gè)葉夾角QTL(qLA2-1和qLA2-2)，分別解釋表型變異的9.2%和10.9%，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)葉夾角QTL來(lái)自大芻草。郭書磊等[50]利用Meta-QTL統(tǒng)計(jì)方法對(duì)不同實(shí)驗(yàn)、不同群體的株型相關(guān)QTL進(jìn)行整合，在已報(bào)道的592個(gè)QTL中，鑒定出17個(gè)一致性葉夾角QTL，顯著縮小了QTL置信區(qū)間，提高了QTL的定位精度。Dzievit等[44]通過(guò)單個(gè)群體或跨群體的聯(lián)合連鎖分析，檢測(cè)到495個(gè)株型相關(guān)QTL，能解釋表型變異的0.4%～85.1%。進(jìn)一步通過(guò)Meta-QTL分析了325個(gè)非重疊QTL，找到58個(gè)真實(shí)性葉夾角QTL，分布在玉米的10條染色體上，其中葉夾角相關(guān)的熱點(diǎn)區(qū)域主要分布在1、2、3、7和10染色體上。

表1 玉米葉夾角QTL定位匯總Table 1 QTL summary of leaf angle in maize

上述研究表明，玉米R(shí)ILs群體、NAM群體、大芻草群體及SSR標(biāo)記、SNP標(biāo)記、GBS技術(shù)等均廣泛用于葉夾角的QTL定位研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有QTL進(jìn)行整合分析，明確了研究目標(biāo)的重點(diǎn)區(qū)域與選擇范圍，相關(guān)結(jié)果為葉夾角基因的挖掘和克隆提供了重要信息。然而不同研究選用的材料不同，定位到的QTL存在顯著差異，說(shuō)明葉夾角QTL受遺傳背景的影響較大，未來(lái)仍需利用不同材料定位新的葉夾角QTL。此外，現(xiàn)有葉夾角QTL定位的研究材料均為溫帶玉米種質(zhì)，溫帶材料間遺傳差異較小，其所構(gòu)建的群體分離模糊，所報(bào)道的玉米葉夾角QTL效應(yīng)普遍較小，不夠穩(wěn)定。此外，遺傳群體與育種群體的不一致更加限制了遺傳分析結(jié)果的育種價(jià)值。

4.2 玉米葉夾角相關(guān)基因的克隆

目前已克隆的玉米葉夾角相關(guān)基因有12個(gè)(表2)。Schneeberger等[51]最早利用轉(zhuǎn)座子誘變法克隆了KNOX家族基因rsl，該基因編碼RS1蛋白,與KN1結(jié)構(gòu)域高度同源，rsl基因在頂端分生組織中周期性表達(dá)，并且主要在頂端分生組織葉片形成的葉環(huán)區(qū)以及花序和花分生組織形成的區(qū)域表達(dá)，時(shí)空表達(dá)分析顯示rsl基因影響基部-末端軸向的形成過(guò)程。與野生型相比，rsl基因在突變體植株的葉原基中異位表達(dá)，影響葉舌和葉鞘的形成進(jìn)而決定葉夾角的大小。隨后，用相同的轉(zhuǎn)座因子標(biāo)簽法克隆了lg1、lg2、lg3和lgn基因。Ku等[54]用豫82×沈137的F2:3家系，圖位克隆了葉夾角基因ZmTAC1，其位于2號(hào)染色體qLA2區(qū)域，與水稻OsTAC1基因高度同源，編碼263個(gè)氨基酸組成的功能未知蛋白。RT-PCR分析發(fā)現(xiàn),ZmTAC1在葉鞘中的表達(dá)量最高，葉片和莖尖中較低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在緊湊型自交系豫82中，5’-UTR端序列為“CTCC”，在平展型沈137中，5’-UTR端為“CCCC”，該序列差異引起ZmTAC1基因在不同品種之間的不同表達(dá)，從而影響葉夾角的大小。此后，用相同的方法圖位克隆了ZmCLA4、nanaplant2、ZmILI1、UPA2/UPA1、ZmIBH1-1等葉夾角基因。

玉米葉夾角基因的克隆為解析玉米葉夾角的遺傳基礎(chǔ)提供了新思路和新方法，最近基于CRISPR/Cas9系統(tǒng)，利用RNA介導(dǎo)的基因組定向編輯技術(shù)，對(duì)玉米自交系的lg1基因進(jìn)行編輯并成功篩選到突變體[56]，為利用lg1基因改變?nèi)~夾角的大小開辟了新途徑。但葉夾角性狀由多基因調(diào)控，調(diào)控方式比較復(fù)雜，單基因在表型控制方面貢獻(xiàn)效率較低，目前成功用于玉米新品種選育的葉夾角基因僅見于lg1和lg2。因此，在玉米葉夾角的發(fā)育調(diào)控研究中，亟待開展關(guān)鍵基因之間的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控研究，為玉米株型分子育種提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

5 展望

我國(guó)玉米消費(fèi)量的增長(zhǎng)不可逆轉(zhuǎn)，提高單產(chǎn)的壓力越來(lái)越大，充分發(fā)掘玉米遺傳資源的潛在優(yōu)勢(shì)，在育種技術(shù)升級(jí)的基礎(chǔ)上，培育高產(chǎn)高效的玉米新品種，提高單位面積的產(chǎn)量是保障我國(guó)糧食安全的戰(zhàn)略措施。近年來(lái)，株型育種已成為玉米遺傳育種研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，玉米葉夾角對(duì)高密度種植及產(chǎn)量具有決定作用，因此對(duì)調(diào)控葉夾角發(fā)育的機(jī)理及遺傳研究已成為我國(guó)玉米研究的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于玉米株型形態(tài)及分子調(diào)控機(jī)理的大量研究認(rèn)為,植株中層的葉片大而寬，能截獲更多的光能，光合作用強(qiáng)，葉綠素含量比上層和下層的含量高，尤其是在灌漿期，對(duì)玉米籽粒的形成過(guò)程影響較大。然而中部葉片能否得到充足的光照條件，取決于上層葉的葉夾角大小，隨著太陽(yáng)一天中的運(yùn)動(dòng)變化，如果穗上葉緊湊，有利于延長(zhǎng)上層葉的受光時(shí)長(zhǎng)，提高光合速率，并且減少了對(duì)中層及下層葉片的遮擋，有效促進(jìn)了中層葉片葉綠素的積累，進(jìn)而提高了玉米產(chǎn)量。因此,玉米葉夾角的形態(tài)建成及調(diào)控對(duì)玉米冠層結(jié)構(gòu)及光合效率有重要決定作用，成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。目前已解克隆了一系列葉夾角調(diào)控基因，如lg1和lg2基因已成功應(yīng)用于育種實(shí)踐。然而由于玉米光合指標(biāo)多為次級(jí)性狀，與產(chǎn)量性狀的相關(guān)性較低且重復(fù)性較差，加之玉米植株高大，增加了對(duì)玉米生理性狀準(zhǔn)確鑒定的難度，因此葉夾角形成的生理調(diào)控有待進(jìn)一步研究。葉夾角的大小主要與葉片中脈的機(jī)械支持強(qiáng)度有關(guān)，挖掘影響葉脈強(qiáng)度的相關(guān)基因及解析其遺傳機(jī)制，為改良葉夾角進(jìn)一步提供有用信息。然而現(xiàn)有研究主要集中于葉原基、葉舌和葉耳的發(fā)育及油菜素內(nèi)酯的代謝等，對(duì)葉脈強(qiáng)度及緊湊型與平展型植株間的生理性狀差異比較等研究相對(duì)較少，亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)玉米葉夾角的遺傳規(guī)律及QTL定位方面開展了較多研究并取得顯著進(jìn)展，但仍存在以下問(wèn)題：①不同研究選用的材料不同，定位到的QTL存在顯著差異，說(shuō)明葉夾角QTL受遺傳背景的影響較大，未來(lái)仍需利用不同材料定位新的葉夾角QTL；②現(xiàn)有葉夾角的QTL定位研究材料均為溫帶玉米種質(zhì)，溫帶材料間遺傳差異較小，所報(bào)道的玉米葉夾角QTL效應(yīng)普遍較小，在今后的遺傳研究中，迫切需要從遺傳變異豐富的熱帶玉米中挖掘玉米葉夾角QTL，拓寬玉米種質(zhì)基礎(chǔ)；③由于葉夾角QTL定位的親本群體無(wú)法覆蓋全部玉米種質(zhì)，早期分子標(biāo)記多為SSR標(biāo)記，密度較低，檢測(cè)到葉夾角相關(guān)QTL有限，并且定位到的大多QTL置信區(qū)間遺傳距離較大，進(jìn)一步精細(xì)定位后未能鑒定出目標(biāo)基因并開發(fā)功能標(biāo)記，因此難以應(yīng)用到分子標(biāo)記輔助選擇等育種實(shí)踐。

高通量、高密度分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，以及生物信息學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展，為深入研究玉米葉夾角的遺傳機(jī)理展現(xiàn)了廣闊的前景。未來(lái)玉米葉夾角的遺傳研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)：①目前已完成全基因組測(cè)序的玉米種質(zhì)包括73、Mo17、W22、SK、PH207、mexicana、HZS[25]，建議今后結(jié)合現(xiàn)有的QTL定位結(jié)果，利用生物信息學(xué)比較葉夾角QTL熱點(diǎn)區(qū)域的序列差異，挖掘葉夾角相關(guān)候選基因并進(jìn)行功能驗(yàn)證；②在已有QTL初定位結(jié)果的基礎(chǔ)上，精細(xì)定位葉夾角相關(guān)候選基因，并解析其功能；③根據(jù)已克隆的葉夾角相關(guān)基因的序列，開發(fā)功能標(biāo)記，結(jié)合分子標(biāo)記的前景和背景選擇，進(jìn)行育種應(yīng)用；④根據(jù)水稻、高粱及二穗短柄草中控制葉夾角發(fā)育關(guān)鍵基因的序列，在玉米B73、Mo17和SK的基因組中尋找相同物理位置或功能相似的基因，利用CRISPR/Cas9技術(shù)進(jìn)行基因編輯，篩選突變體，挖掘葉夾角發(fā)育關(guān)鍵基因。在上述研究的基礎(chǔ)上還應(yīng)深入研究基因間的互作，解析其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，闡明葉夾角形成的分子機(jī)理，對(duì)玉米株型育種及高密度栽培等均具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。