植物矮化基因相關(guān)研究進(jìn)展

宋秋平，俞佳虹，劉 佳，尹玉和，張 強(qiáng)，王鳳梧，劉樂承，萬(wàn)紅建

（1.長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院，湖北 荊州 434000；2.烏蘭察布市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；3.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全危害因子與風(fēng)險(xiǎn)防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/

中澳作物改良中心，浙江 杭州 310021）

矮化是農(nóng)作物上的一項(xiàng)重要農(nóng)藝性狀，因具有抗倒伏、種植密度高等特點(diǎn)，從而成為目前國(guó)內(nèi)外作物選育優(yōu)良高產(chǎn)品種的重要研究方向［1］。20世紀(jì)20年代，為了解決全球的糧食短缺問題，一些發(fā)達(dá)國(guó)家（如日本）和一些發(fā)展中國(guó)家（如巴基斯坦、以色列、墨西哥等）開始將提升糧食產(chǎn)量的重點(diǎn)聚焦到“矮化基因”上。

水稻是最主要的糧食作物，因此對(duì)水稻首先開展了株型矮化研究。30年代末期日本科學(xué)家開始進(jìn)行水稻的株型調(diào)控研究，50年代成功找到了控制株高的半矮稈基因（semi-dwarf 1，Sd1），成功選育出優(yōu)良的抗倒伏水稻品種，每667 m2產(chǎn)量比高稈水稻品種提升了1 000 kg，被稱為作物史上的“第一次綠色革命”［2］。隨后科學(xué)家們利用成功培育矮稈水稻品種的方法對(duì)其他作物進(jìn)行更細(xì)致的矮化研究。美國(guó)學(xué)者 Cooper 1967年起進(jìn)行大豆矮化相關(guān)研究以獲得大豆的最高產(chǎn)量，1973年提出通過縮小行距、增大株距的窄行密植栽培方法獲得大豆的最高產(chǎn)量。20世紀(jì)50年代開始，小麥矮稈基因的研究逐漸被重視，通過多次育種試驗(yàn)，小麥株高從120 cm降低至70 cm，隨后推出的多個(gè)兼具矮稈抗倒伏和高產(chǎn)的品種在黃淮小麥種植區(qū)得到廣泛推廣［3］。70年代末和80年代初，國(guó)內(nèi)開始對(duì)植物的矮化機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究［1］。除了矮生基因?qū)χ晷陀姓{(diào)控作用之外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)激素及外部環(huán)境多重因素都會(huì)對(duì)植株高矮表型性狀產(chǎn)生不同程度影響。研究表明，植物激素如赤霉素（Gibberellin，GA）、油菜素內(nèi) 酯（Brassinolide，BR）、生長(zhǎng)素（Indole-3-acetic acid，IAA）等均參與矮化突變體的形成［4］。Ashikari等［5］對(duì)控制水稻株高的半矮稈基因Sd1突變體進(jìn)行GA外施實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該突變體可通過施用GA恢復(fù)株高至正常水平，證明該基因是GA敏感型。Mori等［6］對(duì)從水稻中分離出的矮化突變體brd1進(jìn)行外源噴施BR，發(fā)現(xiàn)其株高能恢復(fù)至正常表型，同時(shí)在黑暗生長(zhǎng)環(huán)境中呈現(xiàn)光下生長(zhǎng)的表型。此外，由于水分不足或養(yǎng)分不足導(dǎo)致植株節(jié)間變短、葉片卷曲，呈現(xiàn)矮化表型，但通過對(duì)該植株進(jìn)行水分或養(yǎng)分補(bǔ)給，株高能得到較大程度的恢復(fù)，說明外在環(huán)境也會(huì)對(duì)植株高度產(chǎn)生一定影響。近幾年，隨著遺傳育種快速發(fā)展和植物矮化機(jī)理初探，植物的矮化研究取得了較大進(jìn)展。

1 植物矮化基因研究現(xiàn)狀

1.1 禾本科植物矮化基因

1.1.1 水稻 作物上的第一次綠色革命源于矮稈水稻的成功培育及生產(chǎn)運(yùn)用。水稻矮化基因遺傳可分為單基因控制的質(zhì)量性狀遺傳和多基因控制的數(shù)量性狀遺傳，現(xiàn)有研究表明，多數(shù)突變體是由一對(duì)隱性基因控制的。梁國(guó)華等［7］將秈稻矮源依據(jù)基因?qū)?shù)的差異分為兩類，一類由單個(gè)主效基因控制，一般為非等位基因；另一類由多個(gè)微效基因控制。隨著水稻遺傳圖譜的構(gòu)建，與株高相關(guān)的DNA位點(diǎn)相繼被找到，水稻矮稈性狀研究逐漸深入到分子水平上。

自20世紀(jì)以來(lái)，水稻的矮稈基因挖掘與鑒定工作逐步完善，矮稈基因的命名已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，其中D表示矮稈，Sd表示半矮稈［8-9］。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的年代對(duì)基因進(jìn)行編號(hào)，目前登記了62個(gè)D基因和15個(gè)Sd基因。水稻株高主要受1～3個(gè)主效基因控制。大多數(shù)“秈稻型”品種的天然或人工誘導(dǎo)的矮稈突變體都是半矮稈基因Sd1的純合子，很少受2個(gè)、3個(gè)或更多的基因調(diào)控。類似的情況也存在于日本多個(gè)水稻品種中［10-12］。1981年，Rutger等報(bào)道了1株突變水稻“76:4512”，它有一個(gè)伸長(zhǎng)的最上節(jié)間S641。引起這種表型的基因與Sd1無(wú)關(guān)，被命名為Eui基因（Elongated Uppermost Inter-Node）［13］。雜交試驗(yàn)表明，Eui對(duì)Sd1具有完全或不完全的顯性。目前已克隆出多個(gè)矮稈基因，如Oscps1、GID2、D50，其中D50的定位區(qū)間接近于矮稈突變體sdp的定位區(qū)間。D50突變可引起細(xì)胞分裂方向發(fā)生改變，細(xì)胞壁和胞間層果膠出現(xiàn)不規(guī)則沉積現(xiàn)象，肌動(dòng)蛋白維管束在分生組織中薄壁細(xì)胞加厚，導(dǎo)致薄壁處細(xì)胞排列異常，植株呈矮化表型。張仕琪［14］通過農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法將玉米的DOF（DNA binding with one finger）和GATA轉(zhuǎn)錄因子家族轉(zhuǎn)入到日本晴水稻中，獲得了穩(wěn)定的矮化株系dof34，田間試驗(yàn)表明dof34的株高相較于野生型偏低。

1.1.2 玉米 玉米的株高主要分為高稈（2.5 m以上）、中稈（1.8～2.5 m）、低稈（1.8 m以下）3類［15］，自然界中存在的野生玉米多為中高稈玉米，受環(huán)境、繁殖模式及株高影響，易倒伏、存籽難，無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)期的遺傳繁殖。玉米株高受不同位點(diǎn)上的主效基因控制，從而使得玉米的節(jié)間長(zhǎng)度和株高明顯縮短和降低。已知這類基因約20個(gè)，如Br、Br2、Mi、Py等，目前運(yùn)用最廣泛的玉米矮稈材料主要由Br2隱性基因控制，如墨西哥矮稈玉米雜交品種“AN-360”。我國(guó)玉米矮化育種始于20世紀(jì)60年代，結(jié)合國(guó)內(nèi)外矮化遺傳育種經(jīng)驗(yàn)，成功培育出武陟矮化玉米，創(chuàng)制了我國(guó)珍貴的玉米矮化資源。Zhang等發(fā)現(xiàn)了1株玉米矮化突變體d2014，植株表現(xiàn)矮化、葉片直立，利用該野生突變體與野生型WT雜交構(gòu)建大規(guī)模F1群體，F(xiàn)1群體植株株高與野生型植株株高相符合，表明d2014的矮化表型由隱性基因突變導(dǎo)致［16］。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院對(duì)自發(fā)突變的dɑs矮生突變體和野生型玉米的生長(zhǎng)表型進(jìn)行比較，結(jié)果表明Dɑs基因突變既影響節(jié)間的長(zhǎng)度又影響節(jié)間的數(shù)目，暗示該基因可能作用于細(xì)胞的長(zhǎng)度、數(shù)目、分化能力等［17-18］。Wang等［19］通過聯(lián)合RNA-sequence對(duì)差異表達(dá)基因DEGs進(jìn)行功能注釋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DEGs導(dǎo)致植株高度降低、節(jié)間長(zhǎng)度縮短，抑制細(xì)胞縱向伸長(zhǎng)導(dǎo)致D11出現(xiàn)矮化表型，D11莖的高度扭曲和木質(zhì)化，表明在D11莖的發(fā)育過程中發(fā)生了顯著的發(fā)育障礙。

1.1.3 小麥 小麥株高受主效基因控制和修飾基因影響。目前已鑒定出20多個(gè)主效矮稈基因，這些基因多來(lái)自農(nóng)林10號(hào)的Rht1、Rht2和赤小麥的Rht8、Rht9，矮稈基因單一化現(xiàn)象十分嚴(yán)重［20］。Rht基因會(huì)降低小麥株高，抗倒伏，增加分蘗，提高產(chǎn)量和收獲指數(shù)。喬悅等［21］通過構(gòu)建Rht4的F2群體，結(jié)合集團(tuán)分離分析法（Bulked Segregant Analysis，BSA），開發(fā)了與Rht4緊密連鎖的分子標(biāo)記，將Rht4定位到2BL染色體上1.4 cM的遺傳區(qū)間上，其中候選基因2BL-8經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)可能與Rht4株高發(fā)育相關(guān)。Tang等［22］通過對(duì)Rht18的后代株高進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)其與Rht-D1b株系的株高基本相同，均比雙矮稈株系矮約26%，而雙矮株系的株高又比高株系矮13%，但Rht18的胚芽鞘長(zhǎng)度比Rht-D1b長(zhǎng)42%。Priyanka等［23］將攜帶等位基因Rht-4c（株高44 cm）的矮稈突變體與高株cv進(jìn)行雜交，利用Rht4c作為“報(bào)告基因”的矮化表型，在鑒定株高修飾QTL的增強(qiáng)子和抑制子類型方面取得了很大成功；此外，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)矮稈突變等位基因轉(zhuǎn)移到不相關(guān)的遺傳背景中，因遺傳背景的差異可能會(huì)產(chǎn)生一系列表型差異。柴松岳［24］對(duì)來(lái)源于吐魯番的矮稈波蘭小麥攜帶的隱性矮化基因Rht-dp進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)Rht-dp為單基因，同時(shí)開發(fā)新的Rht-B1Indel分子標(biāo)記與Rht-dp共分離。

1.2 茄科植物矮化基因

1.2.1 番茄 番茄主要通過甲基磺酸乙酯（Ethyl methane sulfonate,EMS）化學(xué)誘變產(chǎn)生矮化突變體。番茄的矮化性狀研究主要集中在“Heinz1706”和“Micro-Tom”兩個(gè)品種上。楊寧［25］利用“Heinz1706”EMS誘變獲得的矮化突變體進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，篩選相關(guān)基因，找到了4個(gè)矮化相關(guān)基因（Solyc02g083880.2、Solyc03g006360.2、Solyc06g008580.2和Solyc04g 017720.2），對(duì)其進(jìn)行熒光定量PCR驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果與轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果一致，基因表達(dá)水平變化趨勢(shì)也一致，證明這4個(gè)基因有可能參與“Heinz1706”EMS矮化突變體的矮化進(jìn)程。根據(jù)枝梢的生長(zhǎng)程度，番茄可分為有限生長(zhǎng)型和無(wú)限生長(zhǎng)型兩類。“Micro-Tom”屬于有限生長(zhǎng)型，株型十分緊湊，株高僅10～20 cm，其矮化表型主要由Sp（self-pruning）、D（dwarf）及Mnt（miniature）3個(gè)基因隱性突變決定［26］。研究表明，“Micro-Tom”由于Sp基因突變呈現(xiàn)有限生長(zhǎng)，與無(wú)限生長(zhǎng)型番茄相比，其227位核苷酸序列由C突變成T，致使所編碼蛋白質(zhì)的第76位氨基酸由Pro轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)eu，從而導(dǎo)致基因功能的缺失［26］。但是Sp基因突變不是導(dǎo)致“Micro-Tom”植株呈矮化表型的主要原因，有限生長(zhǎng)型中UC-82、M82等呈現(xiàn)高大表型。Bishop等［27］成功分離了與矮化表型相關(guān)的D基因，并發(fā)現(xiàn)該基因編碼BR生物合成途徑中的1個(gè)關(guān)鍵酶，直接阻礙BR合成；“Micro-Tom”呈現(xiàn)出的株型矮化緊湊、葉片小且顏色深等表型特征與其他BR缺失突變體十分相似。Marti等［28］對(duì)“Micro-Tom”進(jìn)行外源BR處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的“Micro-Tom”節(jié)間顯著伸長(zhǎng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證在D基因上找到了突變位點(diǎn)，表明了“Micro-Tom”的D基因上發(fā)生了突變并導(dǎo)致植株最終呈現(xiàn)矮化表型。

1.2.2 辣椒 大量研究表明，辣椒株高與產(chǎn)量呈正相關(guān)。由于我國(guó)南方夏季高溫高濕，普通辣椒生長(zhǎng)過程中極易受影響，造成開花期和結(jié)果期倒伏，病蟲害發(fā)生率高，容易導(dǎo)致大面積絕收。針對(duì)這一現(xiàn)象，辣椒研究逐漸著重于矮化株型的選育上。蔣向輝等從“懷椒六號(hào)”60Co-γ 射線輻射后代中選得1株突變體，經(jīng)隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA（RAPD）分子標(biāo)記分析，發(fā)現(xiàn)該突變性狀由基因突變引起，進(jìn)一步分析其F1代表型數(shù)據(jù)，結(jié)果表明其突變性狀由隱性基因決定［29］。

1.3 葫蘆科植物矮化基因

1.3.1 南瓜 南瓜的蔓一般較長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所需要的栽培空間大，造成了單位面積內(nèi)種植密度較低、產(chǎn)量較少，將其進(jìn)行矮化更適合密集種植，且更易于管理，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上更具優(yōu)勢(shì)。據(jù)報(bào)道，武濤等［30］對(duì)從南瓜“無(wú)蔓1號(hào)”自交后代中分離出的矮化突變體cgɑ進(jìn)行遺傳學(xué)分析，結(jié)果表明矮化南瓜與長(zhǎng)蔓南瓜主要存在主蔓長(zhǎng)度、節(jié)間長(zhǎng)度、節(jié)間數(shù)目等性狀差異，其蔓生性狀受一對(duì)基因控制，即控制矮生性狀的顯性基因和控制蔓生性狀的隱性基因。陳爍［31］運(yùn)用BSA方法和簡(jiǎn)單序列重復(fù)（Simple Sequence Repeats，SSR）分子標(biāo)記對(duì)印度南瓜長(zhǎng)蔓自交系6820和短蔓自交系1820進(jìn)行雜交自交后構(gòu)建的F2群體進(jìn)行初步定位，確立了6個(gè)標(biāo)記與印度南瓜短蔓性狀存在線性相關(guān)。Zhang等［32］以2個(gè)南瓜自交系Rimu和SQ026為親本，建立了F1和F2群體，通過BSA方法和后續(xù)基因組分析，獲得了控制藤本長(zhǎng)度的候選基因Cmɑ_004516；利用基因分型（Genotyping-by-Sequencing，GBS）技術(shù)開發(fā)出的bin標(biāo)記構(gòu)建了第一張南瓜高密度遺傳圖譜，為南瓜矮藤的全基因組定位和QTL定位提供了參考，并為瓜類基因組的比較分析提供了依據(jù)。鑒定出的矮化QTL為矮化基因的鑒定和南瓜矮化分子機(jī)制的揭示奠定了基礎(chǔ)。

1.3.2 黃瓜 黃瓜矮化株型的應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)黃瓜的高效密培和機(jī)械化采收。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用圖位克隆等方法克隆出多個(gè)黃瓜緊湊型（矮化）基因。利用SSR標(biāo)記對(duì)父母本為緊湊蔓生的黃瓜自交系PI308915和規(guī)則蔓生的PI249561的150個(gè)F2：3家系進(jìn)行了全基因作圖，構(gòu)建了7個(gè)染色體上覆蓋527.5 cM的遺傳圖譜，連鎖分析將Cp基因定位于黃瓜4號(hào)染色體長(zhǎng)臂端，鑒定出與Cp共分離的分子標(biāo)記，對(duì)1 200多個(gè)F2代植株群體進(jìn)行精細(xì)遺傳作圖，將Cp基因座定位在220 kb區(qū)間［33］。雍建朋等［34］以黃瓜矮生材料W17201及蔓生材料W17200為親本構(gòu)建了F2群體，利用原有基礎(chǔ)對(duì)Cp基因進(jìn)行精細(xì)定位，利用黃瓜全基因組測(cè)序結(jié)果，結(jié)合生物學(xué)分析，在標(biāo)記區(qū)域內(nèi)開發(fā)出多個(gè)新標(biāo)記，并將Cp基因由初始的220 kb區(qū)間內(nèi)定位至更小的178 kb區(qū)間內(nèi)，同時(shí)在此區(qū)間內(nèi)只存在1個(gè)跨膜蛋白受激酶體ER，為黃瓜矮生性狀的分子標(biāo)記輔助育種提供了科學(xué)依據(jù)。后續(xù)研究報(bào)道，黃瓜矮化突變體Csdw主莖細(xì)胞由于分裂過程中受阻，導(dǎo)致黃瓜節(jié)間縮短［35］。黃瓜矮化基因組遺傳圖譜的構(gòu)建和完善為葫蘆科作物矮化基因的研究提供了新思路，加快了遺傳組學(xué)分析和功能分析的研究進(jìn)展。

2 激素調(diào)控下植物矮化突變體類型

植物激素是由植物自身代謝產(chǎn)生的一類有機(jī)物質(zhì)，主要有GA、BR、IAA等［4］，這些激素促進(jìn)或抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育，且各種激素信號(hào)通路之間存在相互作用。大量研究顯示，多數(shù)植物矮化突變體與植物的GA和BR有關(guān)，少數(shù)與IAA有關(guān)。

2.1 GA類矮化突變體

GA是一種四環(huán)二萜類化合物，目前已經(jīng)鑒定136種，僅發(fā)現(xiàn)GA1、GA3、GA4、GA7存在生理活性。GA主要參與植物體內(nèi)赤霉素生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)，因此GA類矮化突變體分為自身合成缺陷突變體和信號(hào)傳導(dǎo)矮化突變體［4］，自身合成缺陷突變體可以通過外施GA使之恢復(fù)成野生型表型，而信號(hào)傳導(dǎo)矮化突變體無(wú)法通過此方法恢復(fù)表型，信號(hào)通路異常造成激素不敏感突變體。

人們已經(jīng)在花生、水稻、蓖麻、小麥等農(nóng)作物中發(fā)現(xiàn)了許多GA類矮化突變體。李歡倪等［36］通過山花13號(hào)的誘變，獲得了1個(gè)花生半矮化突變體sdm1，該突變體葉片中GA含量顯著低于山花13號(hào)，研究發(fā)現(xiàn)smd1突變體內(nèi)赤霉素合成酶發(fā)生變化，從而導(dǎo)致矮化表型的出現(xiàn)，通過GA3外源噴施處理突變體，能使其恢復(fù)至山花13號(hào)的正常株高，證明其是GA自身合成缺陷突變體。郭妍妍等［37］通過已構(gòu)建的水稻 Ac/Ds 突變體系，發(fā)現(xiàn)1個(gè)新的編碼假擬氧化還原酶蛋白的株高控制基因，預(yù)測(cè)可能通過編碼該蛋白影響赤霉素合成，從而對(duì)水稻株高起到重要作用。代夢(mèng)媛等［38］采用了赤霉素合成抑制劑縮節(jié)胺處理滇蓖2號(hào)，300 mg/L縮節(jié)胺處理的蓖麻株高顯著降低，花期相較于未處理的蓖麻花期推遲1～7 d。Tang等［22］研究發(fā)現(xiàn)，小麥Rht18的株高與Rht-D1ɑ相比降低25%左右，通過將Rht18與Rht-D1b雜交，進(jìn)一步降低了株高，表明Rht18突變能夠降低GA含量，從而降低株高，而突變DELLA基因通過干擾GA信號(hào)負(fù)調(diào)控小麥生長(zhǎng)。

除了農(nóng)作物，在其他作物中也發(fā)現(xiàn)與GA相關(guān)的矮化突變體。Guo等［39］用2個(gè)從蒺藜苜蓿（Medicɑgo truncɑtulɑ.）Tnt1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子標(biāo)記突變?nèi)后w中分離的等位基因?qū)?yán)重矮化突變體mnp1進(jìn)行表征，利用正向遺傳和全基因組重測(cè)序方法克隆出MNP1/Medtr7g011663基因，通過同源基因聚類分析得出此基因與參與GA生物合成第一步的酶，如豌豆LS、番茄GIB-1、擬南芥CPS1/GA1、水稻OsCPS1聚類良好，通過外源GA噴施處理，mnp1的矮化表型得到顯著恢復(fù)。Zeng 等［40］通過EMS誘變獲得甘藍(lán)型突變體bnɑC.dwf，經(jīng)測(cè)量株高約95 cm，試驗(yàn)驗(yàn)證其受1對(duì)隱性基因控制，且對(duì)赤霉素不敏感。石淑穩(wěn)等［41］利用EMS 誘變獲得2株甘藍(lán)突變體ds-1和ds-2，株高分別為106、95 cm，其中ds-1由1對(duì)不完全顯性基因控制，對(duì)赤霉素不敏感，是一個(gè)極具育種價(jià)值的矮生植物資源。Foisset 等［42］通過EMS誘變獲得的甘藍(lán)型油菜矮化突變體b192受Bzh基因控制，該基因是第一個(gè)在生產(chǎn)上應(yīng)用的油菜矮稈基因，對(duì)赤霉素不敏感。從目前已有報(bào)道的研究來(lái)看，僅少數(shù)油菜矮源進(jìn)行了基因定位、克隆及功能分析等，國(guó)內(nèi)尚未有油菜矮稈基因在生產(chǎn)上成功應(yīng)用的報(bào)道，優(yōu)秀矮稈種質(zhì)資源匱乏是當(dāng)前油菜矮化育種面臨的主要問題。

2.2 BR類矮化突變體

BR是類固醇植物激素，主要作用于植物的生長(zhǎng)與分化及側(cè)枝形成。目前在模式植物擬南芥中克隆到DET2、Dwɑrf1、Dwɑrf4等13個(gè)與BR合成相關(guān)的基因，以及BAK1、BRS1、Bri和Bri2共4個(gè)與BR信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因［43］。在水稻、黃瓜、玉米、油菜等作物中也發(fā)現(xiàn)了參與BR 自身合成和信號(hào)傳導(dǎo)異常的基因。Hou等［44］發(fā)現(xiàn)1個(gè)黃瓜自發(fā)矮突變體super compact-2（scp-2），遺傳分析結(jié)果表明，scp-2不同于之前報(bào)道的兩種矮突變體compact（cp）和super compact-1（scp-1），scp2突變體幼苗表現(xiàn)出暗生長(zhǎng)的去黃化現(xiàn)象，以及細(xì)胞伸長(zhǎng)和血管發(fā)育缺陷，說明scp-2是BR生物合成缺乏的突變體。鄭立偉［45］以矮化蘋果砧木T337為試驗(yàn)材料，選取了BR合成關(guān)鍵基因CBB1，根據(jù)mRNA測(cè)序結(jié)果篩選出與BR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的蘋果新mi R492及其靶基因BAK1，以T337 的 cDNA 為模板，克隆了Md CBB1.1、Md CBB1.2和Md BAK1.1、Md BAK1.2基因，通過生物信息學(xué)分析，表明Md CBB1和Md BAK1是與BR 相關(guān)的CBB1和BAK1基因，并且二者受 BR信號(hào)調(diào)控，T337植株經(jīng)BL（BR 人工合成類似物）處理后株高顯著提高。

對(duì)擬南芥研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)BR不敏感型突變體，如Bri1、Cbb2、Det1、Det3等。Bri1基因編碼一種與富亮氨酸重復(fù)受體ser/thr激酶具有同源性的蛋白質(zhì)，該基因在幼苗的分生組織、莖、根和下胚軸中高水平表達(dá)，而發(fā)育后期的表達(dá)水平較低，推測(cè)Bri1基因可能編碼的是一種BR受體，該受體可能參與下游信號(hào)傳遞［46］。而Det3基因參與編碼H+-ATpase（V-ATpase）的C亞基，V-ATpase有調(diào)控細(xì)胞伸長(zhǎng)和調(diào)節(jié)分生組織活性的作用［47］。

2.3 IAA類矮化突變體

IAA是一種植物體內(nèi)普遍存在的內(nèi)源生長(zhǎng)素，在許多生物的生長(zhǎng)過程中起重要的調(diào)節(jié)作用，如維管束伸長(zhǎng)、果實(shí)發(fā)育和頂端優(yōu)勢(shì)等，幾乎參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的全過程。大多數(shù)生長(zhǎng)素相關(guān)基因通過調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂與伸長(zhǎng)、頂端優(yōu)勢(shì)及葉芽和果實(shí)發(fā)育等過程中生長(zhǎng)素的含量，達(dá)到參與植物發(fā)育和形態(tài)構(gòu)成的目的?，F(xiàn)有研究報(bào)道的基因，如生長(zhǎng)素酰胺合成酶（Gretchen Hagen 3，GH3）、生長(zhǎng)素/吲哚-3-乙酸（Auxin/Indole-3-Acetic Acid，Aux/IAA）、生長(zhǎng)素上調(diào)小RNA基因（Small Auxin-up RNAs，SAUR）均在生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的早期階段對(duì)生長(zhǎng)素刺激作出響應(yīng)［48］。目前植物矮化突變體與IAA相關(guān)性研究較少，主要集中在擬南芥、蓖麻和油菜中。Feng等［49］通過對(duì)蓖麻基因組中與生長(zhǎng)素相關(guān)的基因家族ARF、GH3和Aux/IAA進(jìn)行多序列比對(duì)、系統(tǒng)發(fā)育分析和順勢(shì)作用元件鑒定等綜合分析，找到8個(gè)在高莖蓖麻和矮莖蓖麻中存在差異性表達(dá)的生長(zhǎng)素相關(guān)基因。在擬南芥突變體yuc1D中，Yuc基因突變導(dǎo)致其編碼控制的IAA合成途徑中的一個(gè)關(guān)鍵酶功能失效，從而阻礙IAA合成，植株呈頂端優(yōu)勢(shì)喪失、植株高度下降等現(xiàn)象［49-50］。Cheng等［51］將顯性矮稈突變體G7和常規(guī)品系進(jìn)行雜交，得到F2分離群體，通過MutMap對(duì)矮稈和高稈植株進(jìn)行高通量測(cè)序分析，將矮化突變基因定位在甘藍(lán)型油菜C05染色體上，區(qū)間為0.6 Mb，候選基因分析顯示，1個(gè)SNP位點(diǎn)導(dǎo)致Bna.IAA7結(jié)構(gòu)域II的氨基酸變化，有助于矮化表型，這與Bna.IAA7中IAA獲得功能突變體的表型一致。雖然近年來(lái)激素與植株高度之間的關(guān)系研究多樣，但對(duì)辣椒、芝麻、棉花等的研究仍未深入，激素途徑影響是否存在于所有植物中仍屬未知。激素和矮化性狀之間的相互作用關(guān)系仍需深入探討。

3 植物矮化基因克隆與功能研究

3.1 矮化基因克隆

目前已經(jīng)定位了許多水稻矮稈基因，如位于1號(hào)染色體上的D15、D16、Sd-1，位于5號(hào)染色體上的D1，位于7號(hào)染色體上的D6等。王翠紅等［52］通過EMS誘變水稻“LTH”品種獲得穩(wěn)定的矮化突變體LTH-m3，利用圖位克隆技術(shù)和功能基因互補(bǔ)驗(yàn)證得到該突變體是一個(gè)新的D1基因的等位突變體，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將野生型中D1的互補(bǔ)載體轉(zhuǎn)移到突變體中，觀察后代株高表型，發(fā)現(xiàn)株高能恢復(fù)至野生型正常水平，結(jié)果表明D1基因突變直接導(dǎo)致植株矮化。李燕嬌等［53］對(duì)矮稈基因D55進(jìn)行精細(xì)定位，首次將該基因定位于水稻11號(hào)染色體上53.1 kb區(qū)間內(nèi)。

小麥的矮化基因主要分為主效降低株高基因Rht、草叢型矮生基因D、單莖矮生基因Us，研究著重于Rht基因。Velde等［54］通過研究檢測(cè)了野生型RHT-1蛋白在小麥不同組織器官中的表達(dá)，利用Rht-1的等位基因突變株系Rht-B1b和Rht-D1b證實(shí)其在開放閱讀框內(nèi)能夠編碼DELLA蛋白，同時(shí)對(duì)等位突變系Rht-D1c研究發(fā)現(xiàn)，其對(duì)GA介導(dǎo)的降解反應(yīng)遲鈍，從而導(dǎo)致小麥植株出現(xiàn)嚴(yán)重矮化表型。

王德興等［55］通過 EMS 輻射誘變向日葵恢復(fù)系189R得到穩(wěn)定的矮稈突變體189edR，以其為親本、原189R為父本雜交獲得的F1代，以及以向日葵常用不育系412A為母本、189edR為父本雜交獲得的F1代，均呈矮化表型性狀，因此189edR是顯性基因控制的矮稈突變體。

向太和等［56］從矮牽牛QL01自交得到的后代中獲得1株自然矮化突變體Pdwɑrf1，表型為植株較矮，葉和花小，花期提前，花量變大，通過熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，赤霉素GA1基因在莖中表達(dá)量顯著降低，其他器官無(wú)明顯差異，通過外施赤霉素能恢復(fù)Pdwɑrf1的表型高度。

近年來(lái)通過利用不同方法，在水稻、擬南芥、玉米等作物中克隆出多個(gè)編碼GA合成途徑中的酶的基因。在擬南芥中也克隆到多個(gè)與BR生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因。早在1999年，就基于圖位克隆技術(shù)鑒定到了第一個(gè)水稻矮化突變體基因Dwɑrf1（D1），截至目前已經(jīng)鑒定了90多個(gè)水稻矮化突變體。高粱中能顯著提高產(chǎn)量和抗病性的矮化基因Dw1和Dw3已被克隆。目前已被報(bào)道的玉米矮化基因有Br、Bv、D8等60多個(gè)，已經(jīng)完成克隆的基因有D（t）、D9、Br等基因［39］。王玉蘭等［57］根據(jù)GDR數(shù)據(jù)庫(kù)桃基因組序列對(duì)半矮生桃F-box基因KF023192進(jìn)行了cDNA序列克隆，該序列與數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列比對(duì)一致，無(wú)變異位點(diǎn)，但是克隆所得的該基因全長(zhǎng)缺失近700 bp，具體原因需進(jìn)一步研究。王江英等［58］利用同源克隆技術(shù)從云南矮生山茶品種“恨天高”的莖尖組合中克隆出CrGA20ox1，該基因?yàn)槌嗝顾?0-氧化酶基因克隆得出的，通過對(duì)4種山茶（紅山茶、連蕊茶、金花茶和“恨天高”山茶）實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析發(fā)現(xiàn)，“恨天高”中CrGA20ox1表達(dá)量最低，紅山茶表達(dá)量最高，而該山茶為喬木類，株型較高，該研究證明CrGA20ox1的表達(dá)量高低與植株高度呈正相關(guān)。

3.2 矮化基因功能研究

轉(zhuǎn)基因已成為作物遺傳育種新型方式。目前矮化轉(zhuǎn)基因研究主要集中在大麥、水稻、煙草、番茄等作物上。景曉東等采用基因槍轟擊法將硫氧還蛋白基因Trxs轉(zhuǎn)入啤酒大麥，該基因源自藍(lán)色黑鴨草（Phɑlɑris coerulescensL.），并獲得了一系列外源基因穩(wěn)定遺傳并能正常表達(dá)的轉(zhuǎn)基因株系。經(jīng)過連續(xù)多代大田種植，發(fā)現(xiàn)了2個(gè)突變株系HS-1和HS-2，其農(nóng)藝性狀穩(wěn)定，植株表現(xiàn)為半矮稈表型，抗倒伏能力強(qiáng)［59］。張仕琪［14］通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因技術(shù)成功構(gòu)建21個(gè)過表達(dá)載體，將轉(zhuǎn)錄因子基因轉(zhuǎn)入水稻愈傷組織后成功獲得423株轉(zhuǎn)基因水稻株系，經(jīng)后續(xù)試驗(yàn)從中篩選出兩個(gè)可能是由轉(zhuǎn)錄因子引起矮化的轉(zhuǎn)基因株系，經(jīng)測(cè)序確定為轉(zhuǎn)Dof34基因和轉(zhuǎn)GATA18基因的轉(zhuǎn)基因水稻，通過卡方檢驗(yàn)兩基因水稻后代株高數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)Dof34水稻后代株高符合孟德爾遺傳第二定律，表明轉(zhuǎn)Dof34水稻為顯性基因控制的矮化表型。王江英等［58］對(duì)克隆得到的CrGA20ox1進(jìn)行正反義表達(dá)載體構(gòu)建，同時(shí)將正反義目的基因整合到煙草基因組中，經(jīng)試驗(yàn)及形態(tài)學(xué)觀察，轉(zhuǎn)正義CrGA20ox1使得煙草株高增高，節(jié)間伸長(zhǎng)，轉(zhuǎn)反義CrGA20ox1使得煙草株高降低，節(jié)間縮短。王保全等［59］將PpADC基因超量表達(dá)載體遺傳轉(zhuǎn)化番茄，研究其在桃樹生長(zhǎng)發(fā)育中的生物學(xué)功能及觀測(cè)轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況，結(jié)果表明，PpADC基因在轉(zhuǎn)基因番茄中超量表達(dá)，通過對(duì)轉(zhuǎn)基因株系體內(nèi)的腐胺含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)該株系中的表達(dá)量顯著低于野生番茄，外源噴施GA能恢復(fù)其株高表型，表明PpADC基因能促進(jìn)植株體內(nèi)腐胺的合成量，使得GA合成量下降，從而造成植株矮化。轉(zhuǎn)基因水稻上也出現(xiàn)了類似的結(jié)果［60］。

4 展望

矮化植株能夠充分利用耕地，并能增強(qiáng)光合效率、抗倒伏、抗病蟲害，從而提高產(chǎn)量，提升單位面積產(chǎn)值，因此矮化育種、栽培已成為現(xiàn)今農(nóng)作物和蔬菜作物的熱門研究方向。水稻因其生長(zhǎng)周期中存在多個(gè)影響產(chǎn)量的時(shí)期，植株本身應(yīng)對(duì)不同時(shí)期的能力至關(guān)重要，矮化使得水稻在分蘗期和灌漿期不易倒伏，保持植株完整，水稻粒數(shù)最大化，從而提升水稻產(chǎn)量。但目前國(guó)內(nèi)外品質(zhì)極優(yōu)的水稻品種并未有矮生水稻，這促使我們思考水稻品質(zhì)會(huì)否因產(chǎn)量的提升而降低，能否將矮生水稻運(yùn)用在生產(chǎn)實(shí)踐中，從而產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益和較優(yōu)的品質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)主要栽培的玉米仍以中高稈玉米為主，易受大風(fēng)天氣影響，易產(chǎn)生連片倒伏現(xiàn)象，造成玉米產(chǎn)量和質(zhì)量大幅度下降。大豆在20世紀(jì)就已采用密植矮植株的方式來(lái)提升產(chǎn)量，目前研究仍選用此模式。矮化園藝作物主要集中在草坪草和部分果樹、花卉上。草坪草需要具備最適宜高度、耐踩踏、生長(zhǎng)效力好、恢復(fù)能力好等特點(diǎn)，其矮化研究也在快速發(fā)展中，目前已研究出多種矮化草坪草并于綠地上使用，草坪草的矮化研究應(yīng)充分結(jié)合環(huán)境實(shí)際情況，提高其實(shí)用性。果樹、花卉的矮化研究開始較晚，研究種類較少，主要集中在橘柚類植株上，橘柚的成功矮化使得橘、柚的采摘難度降低，單位時(shí)間內(nèi)采摘量更大，單位產(chǎn)值能有效最大化。從已有文獻(xiàn)報(bào)道可知，農(nóng)作物矮化研究開始較早，橫向時(shí)間跨度較大，但存在縱向跨度較小的問題；而園藝植物矮化研究開始較晚，存在階段性重矮化輕質(zhì)量等情況，未來(lái)的矮化研究可多開發(fā)縱向研究領(lǐng)域，將矮化育種、栽培運(yùn)用到更多植物、更多方向上，充分運(yùn)用各國(guó)農(nóng)作物、園藝作物的矮化經(jīng)驗(yàn)并加以研究改良，以有效拓寬豐富我國(guó)的矮化品種領(lǐng)域。