麥類作物落?？刂频姆肿訖C(jī)制研究進(jìn)展

趙永亮，李美美

(河南工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

作物馴化在人類從狩獵和采摘的原始生活狀態(tài)到農(nóng)耕文明的演化過程中起著至關(guān)重要的作用。作物馴化的特點(diǎn)是關(guān)鍵性狀的改變，主要涉及株型、穗型、落粒性、芒性、豐產(chǎn)性等，栽培作物與其野生祖先存在一系列表型的差異，這些差異被稱作馴化綜合征。馴化谷類作物與其野生后代之間最顯著的差異是穗的脫節(jié)。落粒是許多植物適應(yīng)自然環(huán)境、自我繁殖、保存種群的一個(gè)基礎(chǔ)生物學(xué)特性，卻是作物栽培和生產(chǎn)中首先要克服的一個(gè)缺點(diǎn)。落粒性的喪失是谷類作物人工馴化過程中的一個(gè)關(guān)鍵事件,是谷類作物馴化的首要性狀，也是馴化研究的典型性狀。野生谷類作物的穗在成熟時(shí)破碎，而馴化谷類作物的穗保持完整，使之更容易收獲。因此，堅(jiān)穗被認(rèn)為是馴化谷類作物的診斷指標(biāo)。

麥類作物是最早被馴化的作物之一，麥類作物的脆穗性狀是科學(xué)家們最早關(guān)注的脆性性狀，也是目前研究比較熱門的領(lǐng)域。本文就麥類作物小穗軸節(jié)的脆性與作物馴化、大麥脆穗基因與馴化模式、小麥脆穗基因的同源性和多態(tài)性以及影響麥類作物脆穗形成的其他機(jī)制等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對麥類作物脆穗基因的研究方向進(jìn)行展望。

1 麥類作物的脆穗性狀與作物馴化

根據(jù)麥類作物小穗軸成熟后斷裂與否，可分為脆穗和堅(jiān)穗兩種類型。人們最早關(guān)注作物穗軸的脆性性狀可追溯到一百多年前，普通大麥中的野生種和大麥屬其他所有近緣野生種都為脆穗類型，它們的種子成熟時(shí)，每個(gè)穗軸節(jié)點(diǎn)迅速脫落，形成典型的楔形小穗；而栽培大麥都是堅(jiān)穗類型。野生大麥的脆穗性狀屬于一種普遍的自然適應(yīng)現(xiàn)象，有助于每個(gè)小穗相互分離以及籽粒與芒分散，有利于其傳播和繁衍后代。栽培大麥的堅(jiān)穗性狀更有利于種子的收獲，減少籽粒損失，是人工選擇的結(jié)果。從解剖學(xué)上來看，脆穗性狀表現(xiàn)為穗軸著生點(diǎn)明顯收縮，穗軸斷裂產(chǎn)生的疤痕是光滑的，易于種子散落；而堅(jiān)穗性狀表現(xiàn)為穗軸斷裂后，會(huì)產(chǎn)生比較粗糙的疤痕，因而種子不易脫落。堅(jiān)穗性狀的出現(xiàn)是大麥最重要的馴化事件，也是區(qū)別栽培大麥與野生大麥的最主要依據(jù)。

從脆穗到堅(jiān)穗性狀的轉(zhuǎn)化是麥類作物馴化過程中的普遍現(xiàn)象，除大麥外，目前，已報(bào)道的具有脆穗性狀的麥類作物主要有一粒小麥()、硬粒小麥()、普通小麥()、節(jié)節(jié)麥()、西藏半野生小麥(ssp.shao)、斯卑爾脫小麥()等。

2 大麥的脆穗基因與馴化

大麥馴化中最重要的堅(jiān)穗基因?yàn)楹?，均為隱性基因，任何一個(gè)獨(dú)立存在均可導(dǎo)致堅(jiān)穗性狀。西方栽培大麥攜帶，東方栽培大麥攜帶，均表現(xiàn)為堅(jiān)穗性狀；野生大麥攜帶雙顯性基因，其成熟后小穗節(jié)點(diǎn)劇烈收縮斷裂，表現(xiàn)為脆穗性狀；而和兩種基因型的栽培大麥，成熟后小穗節(jié)點(diǎn)并不收縮斷裂，均表現(xiàn)為堅(jiān)穗性狀。遺傳學(xué)研究表明，和緊密連鎖，定位于大麥3H染色體短臂上。目前已通過圖位克隆，精細(xì)定位并克隆到和基因。和分別編碼含有196和202個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，序列比對表明，堅(jiān)穗軸表型是由于和的微缺失所致，其中基因缺失1 bp，基因缺失 11 bp。

根據(jù)和的定位、分子特征及突變后的相同表型，推測在介導(dǎo)細(xì)胞壁厚度方面，和可能為潛在的受體-配對體。按照這一假設(shè)，特定基因型的堅(jiān)穗栽培大麥雜交，比如雜交，其F代便是脆穗型的。試驗(yàn)證明，與其他基因型相比，攜帶上述堅(jiān)穗基因的親本雜交后代的軸脆性顯著提高，此外，堅(jiān)穗雜交種(×或×)中軸節(jié)分離的百分比高于親本，進(jìn)一步揭示了控制穗軸脆性性狀的其他顯性遺傳因子的存在。

通過分析野生和栽培大麥中和基因的等位變異，認(rèn)為歷史上和基因分別在地中海黎凡特的南部和北部先后被獨(dú)立馴化選擇，大麥種子散落系統(tǒng)的進(jìn)化模式如圖1所示。

圖1 大麥種子散落統(tǒng)的進(jìn)化[10]Fig.1 Evolution of the grain dispersal system in barley[10]

3 小麥的脆穗基因與馴化

3.1 野生二粒小麥的脆穗基因

野生二粒小麥(var.)的脆穗性由位于3A和3B染色體的兩個(gè)顯性基因控制，分別命名為和。目前，隨著大麥基因的克隆和野生二粒小麥基因組的破解，這兩個(gè)重要的脆穗基因已經(jīng)被成功克隆。野生二粒小麥()和()基因與大麥脆穗基因?qū)儆谥毕低椿颍憩F(xiàn)為同一基因的平行馴化過程。對于基因，其馴化型等位基因在編碼區(qū)90 bp位置存在2 bp的缺失，導(dǎo)致移碼突變和提前終止。相比于具有196個(gè)氨基酸的正常蛋白，馴化型等位基因的預(yù)測蛋白僅有97個(gè)氨基酸，失去了正常功能。同樣，由于的馴化型等位基因在編碼區(qū)39 bp位置存在4 bp的插入，導(dǎo)致移碼突變和延遲終止，最終，馴化型等位基因編碼蛋白的C端序列要長于正常蛋白，同樣導(dǎo)致正常功能喪失。

與大麥基因的顯性效應(yīng)不同，野生二粒小麥()和()基因具有數(shù)量效應(yīng)，其中攜帶或/基因型的小麥穗表現(xiàn)為半脆性。這種半脆性使這些植物在收獲期間具有相對優(yōu)勢。AVNI等和NAVE等推測，半脆性個(gè)體在種群中的比例會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，并最終趨于穩(wěn)定。隨后，小麥馴化過程將繼續(xù)進(jìn)行，/基因型突變的獲得和聚合，導(dǎo)致馴化的堅(jiān)穗表型喪失了在自然界中的生存能力(圖2)。

3.2 野生二粒小麥脆穗基因的馴化

結(jié)合考古發(fā)現(xiàn)與分子遺傳學(xué)數(shù)據(jù)，確認(rèn)野生二粒小麥的馴化源于公元前1萬年的新月沃土地區(qū)。在作物被馴化以前，早期人類持續(xù)了大約1萬年左右的采集生活。與大麥相比，小麥的馴化過程更為復(fù)雜，野生二粒小麥的馴化可分為四個(gè)步驟：首先，野生二粒小麥中控制脆穗性的兩個(gè)主效基因和最早被馴化，形成堅(jiān)穗性的栽培二粒小麥(ssp.)；接著，影響栽培二粒小麥落粒性的基因被馴化為，形成易落粒的二粒小麥；隨后，高度馴化易落粒的二粒小麥與節(jié)節(jié)麥雜交形成原始的六倍體小麥，并引入了包殼基因，使得原始六倍體小麥具有包殼特性，導(dǎo)致種子難以落粒；最后，在六倍體小麥的栽培生產(chǎn)中，包殼基因被馴化，形成堅(jiān)穗易落粒的普通小麥。在小麥馴化過程中，控制脆穗性狀的基因與大麥的基因直系同源，但在二倍體、四倍體和六倍體小麥中，穗軸脆性的特征表現(xiàn)及基因均有所不同。

3.3 野生一粒小麥、節(jié)節(jié)麥和普通小麥的脆穗基因

栽培一粒小麥的馴化過程與二粒小麥相似，也是直系同源基因的變異導(dǎo)致脆穗性喪失。Pourkheirandish等對53份一粒小麥的基因進(jìn)行測序，結(jié)果顯示，一個(gè)非同義突變引起第119個(gè)氨基酸發(fā)生了改變(丙氨酸→蘇氨酸)，最終導(dǎo)致堅(jiān)穗性狀的出現(xiàn)。Zhao等通過轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證，最終確認(rèn)就是栽培一粒小麥脆穗性馴化的關(guān)鍵基因。Zeng等研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)節(jié)麥缺乏的拷貝，攜帶兩個(gè)基因。

在栽培多倍體小麥物種中，基因在編碼區(qū)中存在2 bp的缺失，導(dǎo)致移碼突變和提前終止，從而引發(fā)脆穗性狀到堅(jiān)穗性狀的改變。

3.4 小穗斷裂模式與Btr基因的特異表達(dá)

根據(jù)麥類作物斷穗位置不同，其脆穗類型通常被分為兩種類型，即斷穗位于小穗與穗軸連接處上方的稱為楔型斷穗，斷穗位于小穗與穗軸連接處下方的被稱為桶型斷穗。楔型斷穗比較常見，發(fā)生在含有H、A、B、G、S和T基因組的物種和西藏半野生小麥中，而在含有D基因組的物種可觀察到桶型斷穗。在斯卑爾脫小麥中，小穗分離類型與它們的起源有關(guān)。歐洲起源的斯卑爾脫小麥?zhǔn)峭靶蛿嗨?，而伊朗起源的斯卑爾脫小麥?zhǔn)切ㄐ蛿嗨?。西藏半野生小麥的脆穗性狀雖然由顯性基因控制，但斷穗的類型受多種修飾基因的影響，同一脆穗基因在不同修飾基因及其遺傳背景的相互作用下產(chǎn)生不同的斷穗類型。

場景1中， btr1-A突變首先發(fā)生并被固定，形成半脆穗表型，然后是 btr1-B突變。場景2中， btr1-B突變首先發(fā)生并被固定，形成半脆穗表型，然后是 btr1-A突變。場景3中， btr1突變在不同的個(gè)體中被固定，有可能形成中間表型，隨后通過雜交和人工選擇導(dǎo)致形成堅(jiān)穗表型，即馴化的 btr1-A/btr1-B基因型。In scenario 1,the btr1-A mutation occurred and was fixed first,forming semi-brittle rachis phenotype,followed by btr1-B.In scenario 2,the btr1-B mutation occurred and was fixed first,forming semi-brittle rachis phenotype,followed by btr1-A.In scenario 3,the btr1 mutations were fixed in different individuals,with the intermediate phenotypes conferred,and were later combined via a cross followed by selection of the non-shattering(i.e.domesticated btr1-A/ btr1-B genotype).圖2 具有脆穗的野生二粒小麥(Btr1-A/Btr1-B)向具有堅(jiān)穗的馴化二粒小麥(btr1-A/btr1-B )進(jìn)化的可能模式[15]Fig.2 Possible models of the evolution from wild emmer wheat with shattering spikes(Btr1-A/btr1-B)to domesticated emmer with non-shattering spikes(btr1-A/btr1-B)[15]

研究表明，麥類作物的小穗斷裂模式與基因的特異表達(dá)有關(guān)，和的共同表達(dá)是發(fā)生楔型斷穗所必需的。而節(jié)節(jié)麥攜帶兩個(gè)基因，缺乏的拷貝，并且轉(zhuǎn)錄本存在于小麥與穗軸連接處下方脫落區(qū)形成的區(qū)域中，說明在這個(gè)物種中，參與了桶型擴(kuò)散單元的形成。

4 Btr基因在禾本科作物基因組中的排列方式

將已經(jīng)公布的大麥和-(591 nt)、(597 nt)、(609 nt)和(579 nt)基因序列與已經(jīng)完成基因組測序的禾本科植物的核酸序列進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)在烏拉爾圖小麥()、普通小麥、高大山羊草()、節(jié)節(jié)麥、二粒小麥()、短柄草()、水稻()、谷子()、高粱 ()、玉米 ()、黑麥草()等禾本科植物中，若同時(shí)含有和基因，這兩個(gè)基因則以頭對頭的方式排列，且彼此靠近(水稻除外)(圖3)，這說明它們編碼的蛋白質(zhì)可能發(fā)揮不可或缺的功能，推測它們是被共同調(diào)節(jié)的一對基因，但還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)來驗(yàn)證。

Salse等研究表明，禾本科植物中和均與大麥3H染色體存在共線性區(qū)域。前人已經(jīng)證明，和存在于禾本科植物中，而、僅在小麥中被發(fā)現(xiàn)。雖然短柄草、黑麥草與小麥有較近的親緣關(guān)系，但它們?nèi)狈停虼?，推測和的復(fù)制事件發(fā)生在小麥與黑麥草和短柄草分化之后。

5 影響麥類作物脆穗形成的其他機(jī)制

是控制麥類作物脆穗性的主要基因，但并不是唯一的基因，控制落粒性的基因和基因也影響麥類作物的脆穗性。

小麥的基因位于5AL染色體上，且已被克隆，它屬于APETALA2類轉(zhuǎn)錄因子，同時(shí)影響脆穗性、包殼、落粒性、穗長、穗密度、株高、粒重、產(chǎn)量以及加工品質(zhì)等性狀?；虻鸟Z化是由于Micro RNA172(miR172)結(jié)合位點(diǎn)的一個(gè)SNP突變，從而減弱了基因與miR172的結(jié)合效率，與等位基因相比，基因被降解的少且具有更高的表達(dá)水平，進(jìn)而通過基因的劑量效應(yīng)來影響表型。此外，Q蛋白與轉(zhuǎn)錄抑制因子TOPLESS的物理結(jié)合會(huì)抑制Q蛋白的活性，進(jìn)而調(diào)控小麥穗型發(fā)育。

西藏半野生小麥中的基因是控制脆穗性的主效位點(diǎn)，位于5AL染色體上，與上文提到的基因的SNP突變不同，西藏半野生小麥的基因型()在其編碼區(qū)第五外顯子存在一個(gè)161 bp的轉(zhuǎn)座插入，導(dǎo)致其編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，無法與小麥穗部的其他蛋白互作。

箭頭表示轉(zhuǎn)錄方向；數(shù)字表示基因ID或基因翻譯起點(diǎn)的核苷酸位置；Ψ表示與Btr部分同源的假基因。Arrows indicate the direction of translation;Numbers indicate the gene ID or the nucleotide positions of translation start point of the genes;Ψ is a pseudogene sharing some homology with Btr.圖3 禾本科植物中 Btr1、Btr1-like、Btr2和 Btr2-like基因的排列方式[23,30]Fig.3 Arrangement mode of Btr1,Btr1-like,Btr2 and Btr2-like genes in Gramineae[23,30]

6 小麥與水稻落粒機(jī)制的比較

與小麥類似，落粒性的喪失也是水稻馴化過程中的關(guān)鍵事件之一，但是與控制小麥落粒性的不同。目前已定位到的控制水稻落粒性的基因/QTL數(shù)量有95個(gè)，廣泛分布于水稻的12條染色體上，已克隆到的與水稻落粒性相關(guān)的基因有十余個(gè)，其中、、、、、、和是控制落粒性的主效基因，而、、、和則屬于多效基因，在控制落粒性的同時(shí)對其他的農(nóng)藝性狀也具有顯著的效應(yīng)。這些基因編碼轉(zhuǎn)錄因子或激酶，主要通過影響離層的發(fā)育來調(diào)控落粒性。

部分與水稻落粒性相關(guān)的基因之間存在相互作用，比如正向調(diào)節(jié)的表達(dá)，反過來也維持在離層中的表達(dá)，兩者共同促進(jìn)離層早期的分化，且作用于和的下游，而和正向調(diào)控在離區(qū)的表達(dá)，最終促進(jìn)離層的形成。另外，誘導(dǎo)和的表達(dá)，正向調(diào)控和的表達(dá)，從而影響離區(qū)木質(zhì)素沉積和離層發(fā)育，最終調(diào)控水稻的落粒性。

盡管控制水稻落粒性的分子機(jī)制與麥類作物有很多差異，但它們也有相似之處，比如西藏半野生小麥中的基因是控制脆穗性的主效位點(diǎn)，屬于APETALA2類轉(zhuǎn)錄因子家族成員，在水稻中控制落粒性的兩個(gè)基因和也屬于APETALA2類轉(zhuǎn)錄因子家族成員，說明控制落粒性狀的基因在馴化過程中有一定保守性。

7 思考與展望

綜上所述，隨著大麥、小麥基因組測序工作的完成，麥類作物脆穗性狀相關(guān)基因的克隆及研究已取得長足進(jìn)展，然而麥類作物脆穗基因的研究遠(yuǎn)未結(jié)束，有幾個(gè)問題值得進(jìn)一步研究：

第一、前人研究表明，、雖然功能相關(guān)，但它們的序列不同，推測這與它們是互補(bǔ)顯性基因有關(guān)。但是它們?nèi)绾位プ?，互作的分子機(jī)制是什么，需要進(jìn)一步深入研究。

第二、、分別編碼膜結(jié)合蛋白和可溶性蛋白，這兩個(gè)蛋白與目前已發(fā)現(xiàn)的蛋白沒有同源性，從結(jié)構(gòu)特征看，它們屬于同一類轉(zhuǎn)錄因子，而麥類作物脆穗的形成大都與斷裂處細(xì)胞壁的變薄有關(guān)，那么、通過什么機(jī)制影響細(xì)胞壁的厚度，還需要進(jìn)一步研究。

第三、在禾本科作物的基因組中，除存在和外，還有和的存在，且它們在染色體上的物理距離相距更近，在穗發(fā)育的不同階段，它們的表達(dá)水平與、也不同，那么、的作用機(jī)制是什么，還需要進(jìn)一步研究。

解決上述問題的有效途徑是利用射線、微波、化學(xué)誘變等傳統(tǒng)誘變技術(shù)，結(jié)合定點(diǎn)誘變、基因編輯、插入轉(zhuǎn)座子標(biāo)簽等先進(jìn)誘變技術(shù)創(chuàng)制人工突變體，建立麥類作物突變體庫，同時(shí)加強(qiáng)相關(guān)蛋白互作的研究。作物馴化解決了人類食物穩(wěn)定供應(yīng)的基本問題，為人類社會(huì)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而人工選擇不僅會(huì)導(dǎo)致被選擇基因位點(diǎn)的遺傳多樣性降低，同時(shí)還導(dǎo)致與目標(biāo)基因相關(guān)聯(lián)的基因位點(diǎn)的遺傳多樣性也降低，這也是目前作物改良的瓶頸。許多未被人工馴化的野生物種蘊(yùn)含了潛在的食用價(jià)值或經(jīng)濟(jì)價(jià)值，利用基因組編輯、合成生物學(xué)、染色體工程等現(xiàn)代生物技術(shù)以及多維組學(xué)等育種技術(shù)，在大數(shù)據(jù)、人工智能的助推下，發(fā)掘這些物種的潛在價(jià)值，快速馴化這些物種，開啟精準(zhǔn)設(shè)計(jì)育種的新時(shí)代，突破現(xiàn)有作物改良局限和技術(shù)瓶頸，對保障中國糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。